Turbo碼結合已知比特的不等保護方案設計

肖創創,李際平,黃 堯

(解放軍理工大學通信工程學院衛星教研室,江蘇南京210007)

Turbo碼結合已知比特的不等保護方案設計

肖創創,李際平,黃 堯

(解放軍理工大學通信工程學院衛星教研室,江蘇南京210007)

交織器的引入使Turbo碼對不同信息位具有明顯的不等保護特性,從而對其性能產生影響。為了提高Turbo碼譯碼性能,在給定的S距離偽隨機交織器下,首先通過對多組隨機輸入信息序列的位誤比特率仿真分析,找到對Turbo碼性能影響較大的關鍵比特位置,然后在對Turbo碼不等保護特性和已知比特Turbo碼進行理論分析和研究的基礎上,提出了關鍵比特不等保護和結合已知比特的Turbo碼不等保護兩種方案。最后,對提出的方案進行了仿真驗證,結果表明在交織長度分別為200和400兩種條件下,兩種保護方案在高信噪比時與未保護相比均有0.2 dB以上增益,且結合已知比特的Turbo碼不等保護方案比關鍵比特保護方案性能更優。

Turbo碼 不等保護 已知比特 關鍵比特

0 引 言

法國不列顛通信大學的Clauder Berrou教授等人在1993年的國際通信會議(ICC'93)上首次提出Turbo碼方案,其接近Shannon理論極限的迭代譯碼性能引起眾多通信領域專家和學者的深入研究,研究結果表明Turbo碼是一種具有接近最優糾錯性能的差錯控制編碼方式,許多有益的結論已經被應用于通信領域,為有線和無線通信的高速傳輸提供了編碼理論基礎。短碼Turbo碼,由于其譯碼延時性小、性能良好地特點,無論是在CDMA2000標準的信道編碼還是LTE系統之中都有非常廣闊的應用。語音傳輸中,信道編碼器每幀數據量通常不超過200比特,如JD-CDMA無線移動系統每幀的數據為192比特,LTE系統也有針對碼長小于200而設計的情況。Turbo碼主要由分量編碼器、交織器、刪余矩陣、復接器、分量譯碼器、解交織器等部分組成,各個部分的改善都能夠在一定條件下提高整體譯碼性能。文獻[1-3]等對Turbo碼距離特性、交織器、迭代譯碼和譯碼算法等關鍵技術進行理論分析和仿真驗證,并在一定程度上改善了Turbo碼的性能。文獻[4]表明,其他條件相同時,交織長度越大,迭代次數越多,譯碼算法越優異,Turbo碼性能越好,但硬件實現的復雜度就越大,所以設計時要綜合考慮各個因素。

在數據傳輸過程中,對重要或者容易出錯的部分往往需要進行特殊保護以確保數據的正確性,這便是一般意義上的不等保護。由于交織器的引入, Turbo碼具有時變特性,容易產生稀疏的低碼重碼子,使得Turbo碼本身對輸入信息序列也具有明顯的不等保護特性。文獻[5]引入Turbo碼不等保護概念,通過仿真分析找出Turbo碼信息序列中對干擾敏感度高的比特——關鍵比特,并對其進行保護,使碼的抗干擾性得以提高,該方法通過對最小重量碼字進行搜索得到關鍵比特位置,仿真實現相對比較復雜。文獻[6]提出已知比特(KB,Known Bits) Turbo碼,通過添加已知比特的方法增加譯碼性能和解決速率適配問題,其實質就是將KB的能量平均分配到其他信息比特之中來提高系統的整體性能,但這種方法由于有較多的已知比特參與傳輸,降低了碼率,而且由于已知比特在加入時并沒有考慮Turbo碼不等保護特性,因此具有盲目性。

文中利用Turbo碼不等保護特性,對短碼Turbo碼進行了研究。在給定的S距離偽隨機交織器下,通過對多組隨機輸入信號序列的位誤比特率仿真分析,找出誤碼率相對較大信息比特位置,亦即關鍵比特。針對這些關鍵比特文章給出了兩種保護方案,一種是關鍵比特不等保護方案(A方案),另一種是結合已知比特的不等保護方案(B方案),后一種方案其實是對第一種方案的改進處理。這兩種方案都是在碼率基本保持不變的基礎上達到對誤碼率性能的改善。文中最后通過使用R2010b版本的MATLAB軟件對兩種保護方案進行了仿真實現,給出了交織長度為200和400兩種條件下的仿真結果,并與不進行保護直接編譯碼的方案進行了性能比較,得出了有益的結論。

1 PCCC型Turbo碼迭代譯碼結構

迭代譯碼方法的采用使得Turbo碼編譯碼具有優異的譯碼性能。分量譯碼器1與分量譯碼器2之間的軟信息進行交換并進行多次迭代反饋,提高了譯碼性能。Turbo碼結合MAP、Log-MAP和Max-Log-MAP等軟判決譯碼算法,可以使譯碼效果達到最佳狀態。圖1為反饋型Turbo碼譯碼結構圖,它主要由交織器、解交織器、分量譯碼器1、分量譯碼器2、以及硬判決等組成。

具體地說,迭代譯碼就是一個分量譯碼器的先驗信息是由另一個分量譯碼器的譯碼輸出結果來提供的,這樣的信息互換的方式經過多次迭代之后,每個分量譯碼器輸出的軟判決信息都能夠獲得比較好的譯碼性能。這種迭代的方法使結合已知比特的Turbo碼保護方案能夠取得較好的性能改善,這是因為已知比特本身已知,這些KB信息的能量再經迭代以后就能充分分散到附近信息比特,輔助這些信息比特正確譯出。

圖1 反饋型Turbo碼譯碼結構Fig.1 Feedback decoder for Turbo code

2 Turbo碼不等保護特性

通過對Turbo碼各個輸入信息位的誤比特率進行仿真比較,可以明顯的觀察到每個比特信息位的誤碼率情況。短碼Turbo碼由于碼長較小,其碼子的自由距離較小,性能相比于長碼也就比較差,其不等保護特性表現的更為明顯,因此對短碼Turbo碼的不等保護特性研究就很有必要。下面通過仿真分析高誤比特率信息位對碼字性能影響。

2.1 Turbo碼仿真條件和結果

Turbo分量碼采用遞歸系統卷積碼,即RSC碼,其生成矩陣為(15,17)。譯碼算法為標準BCJR算法,AWGN信道,迭代10次,碼率為1/3,BPSK調制,S距離偽隨機交織器,交織距離S=9,輸入信息序列長度為200,表示為X=(x1,x2,…,x200),幀數500 000。仿真結果如圖2所示。

圖2 不同信噪比條件下的位誤比特率分布Fig.2 BER performance for every bit under different SNRs

2.2 結果分析

通過觀察圖2中輸入信噪比為1.6 dB、2.0 dB、2.2 dB的這三條曲線的各自信息位置上的誤比特率以及比較這三條曲線,可以得到如下結論:

1)各個曲線上的每個信息位誤比特率均明顯不同,尤其是在高信噪比時表現更為明顯。

2)雖然三條曲線是在不同信噪比條件下得到的,整體誤比特率不同,但是它們有著明顯的相關性。

3)在Bmax={xi,i=1,7,20,78,113,120,166, 195}這些位置,三條曲線的誤比特率較高,稱之為關鍵比特,其對信道干擾具有最大的敏感度。在Bmin={xi,i=31,53,64,95,108,129,174,187}這些位置的誤比特率較小,其對信道干擾具有較小的敏感度。

文中對交織長度為400的碼字也進行了仿真分析,得到類似以上結論,不再贅述。這里給出碼長400的碼子仿真得到的6個關鍵比特位置Bmax= {xi,i=18,42,56,63,77,391}和對干擾敏感度最小的6個信息比特位置Bmin={xi,i=155,165,212, 262,315,375}。

3 Turbo碼兩種不等保護方案設計

本節設計了關鍵比特不等保護和結合已知比特的不等保護兩種保護方案,給出了仿真結果,并與采用性能良好的S距離偽隨機交織器不進行保護的方案作比較。

3.1 關鍵比特不等保護方案設計

利用第1節對Turbo碼不等保護分析的結果可以看出,不等保護特性在高信噪比時表現更為突出。結合文獻[7]可知,在高信噪比時對碼字的校驗位分配更多能量對誤碼性能有一定提高,因此,不難假設在高信噪比時對校驗位加強保護能夠有效提高譯碼性能。文中采用的是1/3碼率的Turbo,碼字C由信息序列X、第一個分量編碼器編碼輸出的校驗序列Y1和信息序列經交織后由第二個分量編碼器編碼輸出的校驗序列Y2三部分復合而成。故文中對關鍵比特設計如下保護方案:

1)分別利用式(1)、式(2)計算信息位置Bmax對應的碼字中的第一個編碼器輸出的校驗位的位置B1和Bmin對應的碼字中的信息位的位置B0。

2)然后將B1中的比特信息重傳并隨機分配到B0這些位置之中,即舍去部分對干擾不敏感的信息位來保護容易譯錯的關鍵比特的校驗位。

3)接收方將B0中的比特信息提出,然后將B0置零,并將提出的比特信息與B1對應位置比特信息相加并賦給B1,最后送入譯碼器譯碼。

3.2 結合已知比特的不等保護方案設計

利用KB替代高誤比特率信息位,不僅能夠保證這些位置傳輸正確,而且由于Turbo碼的迭代譯碼(見第1節)的特性使得KB信息的能量還能分散到附近信息比特,輔助這些信息比特正確譯出,所以KB的使用具有一定意義。結合KB的Turbo碼不等保護方案具體設計如下:

1)將找到的八個高誤碼率輸入信息位置Bmax用收發雙方確定已知的KB——“0 1 0 1 0 1 0 1”替代,即Bmax=[0 1 0 1 0 1 0 1],這些位置不再作為信息位傳輸信息使用。

2)由1)知,KB=[0 1 0 1 0 1 0 1],將復合后的碼字送入Turbo交織器和編碼器進行編碼,然后刪除碼字中系統碼字段中的KB,對于KB信息發送方僅發送產生的校驗比特,相應碼率由1/3變為(200-8)/(600-8)≌0.324 3。然后經過BPSK調制進行發送。

3)由于接收方事先已知KB的內容,經過信道后的接收碼字在相應位置恢復出KB,文中在譯碼時增加KB的權值,權值取200,計算如式(3):

KB=200*[-1 1-1 1-1 1-1 1]

3.3 仿真參數和結果

文中輸入的信息序列(除了Bmax位置上的信息位)和通過的噪聲信道AWGN都完全相同,以確保仿真在相同輸入和相同信道條件下實現。具體仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

需要說明的是,交織長度為400的情況文中也是利用第2節的分析方法找到其6個關鍵比特位置Bmax={xi,i=18,42,56,63,77,391}和對干擾敏感度最小的6個信息比特位置Bmin={xi,i=155,165, 212,262,315,375}?,然后再進行A、B兩種保護方案的設計,其B方案碼率相應的變為0.329 9。

從圖3所示的仿真結果可以看出,交織長度為200時,在中低信噪比時兩種保護方案雖然對誤碼性能沒有太大改善,但在高信噪比時(SNR＞2 dB),兩種保護對譯碼性能都有0.2 dB以上的增益,且B方案優于A方案;圖4表示的是交織長度為400的仿真結果,對比采用方案A、方案B和未保護的三條曲線,不難看出,在交織長度較長時,高信噪比條件下方案B對譯碼性能也有0.2 dB以上的增益,此時方案A改善并不明顯。對比這兩幅圖,隨著碼子長度的增加,A、B這兩種保護方案對譯碼性能的改善都在減小,但B方案相對保持較大增益。

圖3 交織長度為200的誤碼率隨比特信噪比變化曲線Fig.3 Simulation result for interleaving length of 200

圖4 交織長度為400的誤碼率隨比特信噪比變化曲線Fig.4 Simulation result for interleaving length of 200

4 結 語

文章對Turbo碼的不等保護特性進行了研究,設計出關鍵比特不等保護和結合已知比特的Turbo碼不等保護兩種方案。通過理論分析與仿真實現結果表明,結合已知比特的Turbo碼保護方案在信噪比較高時譯碼性能優于未保護0.2～0.4 dB,與關鍵比特保護方案相比也有0.2 dB增益,提升了Turbo碼的譯碼性能。

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肖創創(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向為信道編碼與調制;

XIAO Chuang-chuang(1988-),male, graduate student,majoring in channel coding and modulation.

李際平(1962—),男,教授,主要研究方向為衛星通信、信道編碼與調制;

LI Ji-ping(1962-),male,professor,mainly specialized in satellite communications,channel coding and modulation.

黃 堯(1991—),女,碩士研究生,主要研究方向為信道編碼與調制。

HUANG Yao(1991-),female,graduate student,majoring in channel coding and modulation.

Unequal Protection of Turbo Code based on Known Bits

XIAO Chuang-chuang,LI Ji-ping,HUANG Yao
(Department of Satellite Communication CCE,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China)

The introduction of interleaver makes the Turbo code have the obvious unequal protection of different information bits,thus limiting the performance of turbo code.In order to improve the performance of Turbo code,and under certain condition of given S-random interleaver,the key bits which may seriously impact the performance of Turbo code could be searched out through simulation and analysis on the bit error rate of input information sequences.Based on analysis and research of the unequal protection and KB(knownbits)turbo code,the two protection schemes,including the key-bit protection and the known-bit protection, are proposed.Finally,the simulation indicates that with the different interleaving lengths of 200 and 400,the proposed schemes both could have more than 0.2dB SNR gain under the condition of high SNR,while the known-bit protection scheme could acquire even better performance than the key-bit protection scheme.

turbo code;unequal protection;known bits;key bits

TN911.7

A

1002-0802(2014)01-0029-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.006