一種利用Turbo碼糾刪特性的并行信息傳輸方法＊

王云飛 鄭晨熹 蘇全超 劉紹華

（廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663）

1 引言

信道編碼是提高信息傳輸可靠性的有效手段，1993年Berrou C［1～2］等人提出的Turbo碼方案以其接近Shannon限的良好性能引起了編碼界的廣泛關注，在各個方面得到廣泛的應用。Turbo碼不僅在第三代移動通信系統（3G）中被各種標準采用作為高速數據業務的信道編碼方式，而且在“準4G”的LTE（長期演進計劃）中也被列為備選的信道編碼方案。

Turbo碼不僅具備顯著的糾錯性能，同時也具備良好的糾刪特性，本文首先對Turbo的糾刪特性進行介紹，然后介紹了并行信息數據傳輸，并討論了Turbo碼糾刪特性實現并行數據傳輸的方法。仿真顯示，一定比例內的刪除所導致Turbo性能下降有限，實現了傳輸性能和效率的統一。

2 Turbo糾刪特性

一般通信系統中，前向糾錯碼所糾正的錯誤位置通常事先是未知的，但當系統中信道為刪除信道時，錯誤的數據將被遺棄，由于丟失的數據在數據序列中的位置是已知的，那么譯碼性能將會得到一定的提高。

Turbo碼是一類軟輸入軟輸出的編碼方式，能夠充分利用軟信息和迭代譯碼提高性能，具備靠近Shannon理論限的良好性能［2～3］。高碼率的Turbo碼是通過將部分校驗比特刪除得到的，在譯碼時將被刪除的比特軟信息置0，即等價于經過了刪除信道的處理，所以Turbo碼天生具備良好的糾刪特性。只要將被刪除位置的軟信息置0，結合正常接收的軟信息一起進行Turbo譯碼操作，即可實現糾刪功能。

3 并行信息傳輸

在某些特定的業務要求下，要求實現并行傳輸多路信息，每路信息長度不同，甚至編碼，調制方式都會有所差異，如果采用頻分或時分等多址方式，將占用寶貴的信道資源。同時，如果某一時刻是否采用并行傳輸方式，而且并行傳輸多少路信息等條件是動態變動的，采用固定資源分配方式將會導致信道資源的浪費。一種典型的應用方式是在大量數據傳輸中，某些時刻可能需要并行傳送少量信息，例如在連續的視頻流業務傳輸中，偶爾需要插入語音或短消息等短報文業務。

針對這種業務模型，可對主要數據傳輸流采用Turbo編碼，當需要并行傳輸時，在Turbo碼字序列的特定位置進行刪除，Turbo碼字序列中被刪除的位置用于并行傳輸其它信息序列，從而實現并行信息傳輸。利用Turbo碼的糾刪特性，在接收端將被刪除的碼字恢復。雖然部分碼字的刪除將導致Turbo碼性能有一定的下降，但幸運的是，第5部分的仿真將顯示。一定比例內的刪除所導致的Turbo碼性能下降十分有限。

當不進行并行信息傳輸時，Turbo 碼獲得最佳的BER性能，當需要并行信息傳輸時，以略微下降的BER 性能實現系統容量的增加，實際體現了傳輸性能和效率的相互轉化。

并行傳輸的信息流可以具備不同的編碼和調制方式，以調制符號的形式進行并行傳輸，圖1給出了對Turbo調制符號進行刪除后并行傳輸的示意圖。

圖1 調制符號刪除方式

如果待發送信息的調制方式都相同，則可進行編碼比特的刪除，然后對混合編碼比特統一進行調制，從而提高傳輸性能，以下如果不進行特別的說明，都是指進行編碼比特刪除方式，如圖2。

圖2 編碼比特刪除方式

通過對Turbo碼刪除比例的調整，可以實現不同長度信息流的并行傳輸。由于各個并行信息流之間是相互不影響的，可根據實際業務要求，通過不同的編碼，調制方式實現不同的傳輸可靠性，所以這里不再詳細討論。以下重點討論不同的刪除比例下，Turbo碼性能損失的程度。

4 刪除位置

為了盡可能降低刪除導致的Turbo碼的性能損失，對刪除符號的位置需要進行特別的設計，由于Turbo碼碼字由系統比特和校驗比特組成，而且不同碼字之間存在關聯，Turbo譯碼時分量譯碼器利用這種關聯性進行最大似然軟輸入軟輸出（SISO）譯碼［8～9］，并進行迭代交換外信息，從而達到提升性能的目標。如果某個碼字的系統和校驗比特被全部刪除，該碼字將完全依賴相鄰碼字的糾正，這將導致較差的譯碼效果。其次，如果連續若干個碼字的系統（校驗）比特都被刪除，則碼字之間的關聯性將被削弱，不利用SISO 譯碼。所以，刪除位置需要滿足以下幾個要求：

1）編碼后的系統比特和校驗比特單獨存儲；

2）對系統，校驗比特分別進行均勻刪除；

3）系統，校驗比特起始刪除位置盡量錯開，避免同一個碼字的系統，校驗比特被同時刪除。

例如對分量碼率為1／2的Turbo碼，以表示系統比特流，分別表示第一，二個分量編碼器的校驗比特流，

進行1／4比例編碼比特刪除，利用以上規則得：系統比特流→X的刪除位置為｛0，4，8，…｝；校驗比特流→P的刪除位置為｛2，6，10，…｝。

5 性能仿真

由于Turbo碼性能難以進行理論分析，所以下面主要以仿真對其性能進行驗證。仿真中采用CDMA2000系統的Turbo碼，RSC分量碼碼率為1／3，傳輸函數為

通過不同的刪于矩陣，得到1／2.1／3，1／4碼率的輸出。如不進行特別說明，以下仿真都假設Turbo譯碼迭代次數為十次，理想信道估計，無頻偏的情況下進行。調制方式為QPSK 調制，信息比特均為長度為1024，交織器為經過搜索得到的S＝16的S 交織器，譯碼算法采用MAX-LOG＿MAP算法，分別用1／2和1／4的Turbo碼率，對不同的編碼比特刪除比例下，仿真結果如圖3～4：在1e-5的BER 性能上，以圖表方式體現不同刪除比例下，與無刪除情況下相比的性能損失如表1所示：

圖3 1／2碼率下的刪除性能

圖4 1／4碼率下的刪除性能

表1 性能損失表（dB）

可以看到，當刪除比例為1／16 時，性能損失僅為0.5dB。而且1／4碼率的Turbo碼具備更高的抗刪除性能。

6 結語

本文介紹了利用Turbo碼糾刪特性實現并行信息傳輸的方法，并對不同刪除比例下的Turbo碼性能進行了仿真，仿真結果表明一定比例的刪除對Turbo碼性能影響不大，實現了傳輸性能和效率的統一。

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