Turbo码结合已知比特的不等保护方案设计

肖创创,李际平,黄 尧

(解放军理工大学通信工程学院卫星教研室,江苏南京210007)

Turbo码结合已知比特的不等保护方案设计

肖创创,李际平,黄 尧

(解放军理工大学通信工程学院卫星教研室,江苏南京210007)

交织器的引入使Turbo码对不同信息位具有明显的不等保护特性,从而对其性能产生影响。为了提高Turbo码译码性能,在给定的S距离伪随机交织器下,首先通过对多组随机输入信息序列的位误比特率仿真分析,找到对Turbo码性能影响较大的关键比特位置,然后在对Turbo码不等保护特性和已知比特Turbo码进行理论分析和研究的基础上,提出了关键比特不等保护和结合已知比特的Turbo码不等保护两种方案。最后,对提出的方案进行了仿真验证,结果表明在交织长度分别为200和400两种条件下,两种保护方案在高信噪比时与未保护相比均有0.2 dB以上增益,且结合已知比特的Turbo码不等保护方案比关键比特保护方案性能更优。

Turbo码 不等保护 已知比特 关键比特

0 引 言

法国不列颠通信大学的Clauder Berrou教授等人在1993年的国际通信会议(ICC'93)上首次提出Turbo码方案,其接近Shannon理论极限的迭代译码性能引起众多通信领域专家和学者的深入研究,研究结果表明Turbo码是一种具有接近最优纠错性能的差错控制编码方式,许多有益的结论已经被应用于通信领域,为有线和无线通信的高速传输提供了编码理论基础。短码Turbo码,由于其译码延时性小、性能良好地特点,无论是在CDMA2000标准的信道编码还是LTE系统之中都有非常广阔的应用。语音传输中,信道编码器每帧数据量通常不超过200比特,如JD-CDMA无线移动系统每帧的数据为192比特,LTE系统也有针对码长小于200而设计的情况。Turbo码主要由分量编码器、交织器、删余矩阵、复接器、分量译码器、解交织器等部分组成,各个部分的改善都能够在一定条件下提高整体译码性能。文献[1-3]等对Turbo码距离特性、交织器、迭代译码和译码算法等关键技术进行理论分析和仿真验证,并在一定程度上改善了Turbo码的性能。文献[4]表明,其他条件相同时,交织长度越大,迭代次数越多,译码算法越优异,Turbo码性能越好,但硬件实现的复杂度就越大,所以设计时要综合考虑各个因素。

在数据传输过程中,对重要或者容易出错的部分往往需要进行特殊保护以确保数据的正确性,这便是一般意义上的不等保护。由于交织器的引入, Turbo码具有时变特性,容易产生稀疏的低码重码子,使得Turbo码本身对输入信息序列也具有明显的不等保护特性。文献[5]引入Turbo码不等保护概念,通过仿真分析找出Turbo码信息序列中对干扰敏感度高的比特——关键比特,并对其进行保护,使码的抗干扰性得以提高,该方法通过对最小重量码字进行搜索得到关键比特位置,仿真实现相对比较复杂。文献[6]提出已知比特(KB,Known Bits) Turbo码,通过添加已知比特的方法增加译码性能和解决速率适配问题,其实质就是将KB的能量平均分配到其他信息比特之中来提高系统的整体性能,但这种方法由于有较多的已知比特参与传输,降低了码率,而且由于已知比特在加入时并没有考虑Turbo码不等保护特性,因此具有盲目性。

文中利用Turbo码不等保护特性,对短码Turbo码进行了研究。在给定的S距离伪随机交织器下,通过对多组随机输入信号序列的位误比特率仿真分析,找出误码率相对较大信息比特位置,亦即关键比特。针对这些关键比特文章给出了两种保护方案,一种是关键比特不等保护方案(A方案),另一种是结合已知比特的不等保护方案(B方案),后一种方案其实是对第一种方案的改进处理。这两种方案都是在码率基本保持不变的基础上达到对误码率性能的改善。文中最后通过使用R2010b版本的MATLAB软件对两种保护方案进行了仿真实现,给出了交织长度为200和400两种条件下的仿真结果,并与不进行保护直接编译码的方案进行了性能比较,得出了有益的结论。

1 PCCC型Turbo码迭代译码结构

迭代译码方法的采用使得Turbo码编译码具有优异的译码性能。分量译码器1与分量译码器2之间的软信息进行交换并进行多次迭代反馈,提高了译码性能。Turbo码结合MAP、Log-MAP和Max-Log-MAP等软判决译码算法,可以使译码效果达到最佳状态。图1为反馈型Turbo码译码结构图,它主要由交织器、解交织器、分量译码器1、分量译码器2、以及硬判决等组成。

具体地说,迭代译码就是一个分量译码器的先验信息是由另一个分量译码器的译码输出结果来提供的,这样的信息互换的方式经过多次迭代之后,每个分量译码器输出的软判决信息都能够获得比较好的译码性能。这种迭代的方法使结合已知比特的Turbo码保护方案能够取得较好的性能改善,这是因为已知比特本身已知,这些KB信息的能量再经迭代以后就能充分分散到附近信息比特,辅助这些信息比特正确译出。

图1 反馈型Turbo码译码结构Fig.1 Feedback decoder for Turbo code

2 Turbo码不等保护特性

通过对Turbo码各个输入信息位的误比特率进行仿真比较,可以明显的观察到每个比特信息位的误码率情况。短码Turbo码由于码长较小,其码子的自由距离较小,性能相比于长码也就比较差,其不等保护特性表现的更为明显,因此对短码Turbo码的不等保护特性研究就很有必要。下面通过仿真分析高误比特率信息位对码字性能影响。

2.1 Turbo码仿真条件和结果

Turbo分量码采用递归系统卷积码,即RSC码,其生成矩阵为(15,17)。译码算法为标准BCJR算法,AWGN信道,迭代10次,码率为1/3,BPSK调制,S距离伪随机交织器,交织距离S=9,输入信息序列长度为200,表示为X=(x1,x2,…,x200),帧数500 000。仿真结果如图2所示。

图2 不同信噪比条件下的位误比特率分布Fig.2 BER performance for every bit under different SNRs

2.2 结果分析

通过观察图2中输入信噪比为1.6 dB、2.0 dB、2.2 dB的这三条曲线的各自信息位置上的误比特率以及比较这三条曲线,可以得到如下结论:

1)各个曲线上的每个信息位误比特率均明显不同,尤其是在高信噪比时表现更为明显。

2)虽然三条曲线是在不同信噪比条件下得到的,整体误比特率不同,但是它们有着明显的相关性。

3)在Bmax={xi,i=1,7,20,78,113,120,166, 195}这些位置,三条曲线的误比特率较高,称之为关键比特,其对信道干扰具有最大的敏感度。在Bmin={xi,i=31,53,64,95,108,129,174,187}这些位置的误比特率较小,其对信道干扰具有较小的敏感度。

文中对交织长度为400的码字也进行了仿真分析,得到类似以上结论,不再赘述。这里给出码长400的码子仿真得到的6个关键比特位置Bmax= {xi,i=18,42,56,63,77,391}和对干扰敏感度最小的6个信息比特位置Bmin={xi,i=155,165,212, 262,315,375}。

3 Turbo码两种不等保护方案设计

本节设计了关键比特不等保护和结合已知比特的不等保护两种保护方案,给出了仿真结果,并与采用性能良好的S距离伪随机交织器不进行保护的方案作比较。

3.1 关键比特不等保护方案设计

利用第1节对Turbo码不等保护分析的结果可以看出,不等保护特性在高信噪比时表现更为突出。结合文献[7]可知,在高信噪比时对码字的校验位分配更多能量对误码性能有一定提高,因此,不难假设在高信噪比时对校验位加强保护能够有效提高译码性能。文中采用的是1/3码率的Turbo,码字C由信息序列X、第一个分量编码器编码输出的校验序列Y1和信息序列经交织后由第二个分量编码器编码输出的校验序列Y2三部分复合而成。故文中对关键比特设计如下保护方案:

1)分别利用式(1)、式(2)计算信息位置Bmax对应的码字中的第一个编码器输出的校验位的位置B1和Bmin对应的码字中的信息位的位置B0。

2)然后将B1中的比特信息重传并随机分配到B0这些位置之中,即舍去部分对干扰不敏感的信息位来保护容易译错的关键比特的校验位。

3)接收方将B0中的比特信息提出,然后将B0置零,并将提出的比特信息与B1对应位置比特信息相加并赋给B1,最后送入译码器译码。

3.2 结合已知比特的不等保护方案设计

利用KB替代高误比特率信息位,不仅能够保证这些位置传输正确,而且由于Turbo码的迭代译码(见第1节)的特性使得KB信息的能量还能分散到附近信息比特,辅助这些信息比特正确译出,所以KB的使用具有一定意义。结合KB的Turbo码不等保护方案具体设计如下:

1)将找到的八个高误码率输入信息位置Bmax用收发双方确定已知的KB——“0 1 0 1 0 1 0 1”替代,即Bmax=[0 1 0 1 0 1 0 1],这些位置不再作为信息位传输信息使用。

2)由1)知,KB=[0 1 0 1 0 1 0 1],将复合后的码字送入Turbo交织器和编码器进行编码,然后删除码字中系统码字段中的KB,对于KB信息发送方仅发送产生的校验比特,相应码率由1/3变为(200-8)/(600-8)≌0.324 3。然后经过BPSK调制进行发送。

3)由于接收方事先已知KB的内容,经过信道后的接收码字在相应位置恢复出KB,文中在译码时增加KB的权值,权值取200,计算如式(3):

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

3.3 仿真参数和结果

文中输入的信息序列(除了Bmax位置上的信息位)和通过的噪声信道AWGN都完全相同,以确保仿真在相同输入和相同信道条件下实现。具体仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

需要说明的是,交织长度为400的情况文中也是利用第2节的分析方法找到其6个关键比特位置Bmax={xi,i=18,42,56,63,77,391}和对干扰敏感度最小的6个信息比特位置Bmin={xi,i=155,165, 212,262,315,375}〛,然后再进行A、B两种保护方案的设计,其B方案码率相应的变为0.329 9。

从图3所示的仿真结果可以看出,交织长度为200时,在中低信噪比时两种保护方案虽然对误码性能没有太大改善,但在高信噪比时(SNR＞2 dB),两种保护对译码性能都有0.2 dB以上的增益,且B方案优于A方案;图4表示的是交织长度为400的仿真结果,对比采用方案A、方案B和未保护的三条曲线,不难看出,在交织长度较长时,高信噪比条件下方案B对译码性能也有0.2 dB以上的增益,此时方案A改善并不明显。对比这两幅图,随着码子长度的增加,A、B这两种保护方案对译码性能的改善都在减小,但B方案相对保持较大增益。

图3 交织长度为200的误码率随比特信噪比变化曲线Fig.3 Simulation result for interleaving length of 200

图4 交织长度为400的误码率随比特信噪比变化曲线Fig.4 Simulation result for interleaving length of 200

4 结 语

文章对Turbo码的不等保护特性进行了研究,设计出关键比特不等保护和结合已知比特的Turbo码不等保护两种方案。通过理论分析与仿真实现结果表明,结合已知比特的Turbo码保护方案在信噪比较高时译码性能优于未保护0.2～0.4 dB,与关键比特保护方案相比也有0.2 dB增益,提升了Turbo码的译码性能。

[1]戴利云,杨鸿文,尧文元.改进的Turbo类编码的近似码字错误率公式[J].电子与信息学报,2012,34 (05):1191-1193.

DAI Li-yun,YANG Hong-wen,RAO Wen-yuan.An Improved Approximate Formula for Word Error Eate of Turbolike Codes[J].Journal of Electronics and Information Tecnology,2012,34(05):1191-1193.(in Chinese)

[2]SALEHI M and AYDINLIK M.Turbo Coded Modulation for Unequal Error Protection[J].Communications,IEEE Transactions on,2008,56(04):555-564.

[3]HANZO L,WOODARD J P and ROBERTSON P.Turbo Decoding and Detection for Wireless Applications[J]. Proceedings of the IEEE,2007,95(06):1178-1120.

[4]王宁,陈名松,杜晓萍.Turbo码的研究与仿真[J].通信技术,2012,45(03):22-24.

WANG Ning,CHEN Ming-song,DU Xiao-ping.Study and Simulation of Turbo Code[J].Communications Technology,2012,45(03):22-24.(in Chinese)

[5]张卫党,袁聪,王新梅.Turbo码中关键比特及保护[J].电子学报,2005,33(07):1183-1186.

ZHANG Wei-dang,YUAN Cong,WANG Xin-mei.The High Sensitivity Bits in Turbo Codes and Their Protections[J].Acta Electronica Sinica,2005,33(07):1183 -1186.(in Chinese)

[6]孙毅,高路,赵建平,等.KB turbo码中交织器的设计[J].电子与信息学报,2001,23(05):503-506.

SUN Yi,GAO Lu,ZHAO Jian-ping,et al.Interleavers for KB Turbo Code[J].Journal of Electronics and Information Technology,2001,23(05):503-506.(in Chinese)

[7]DUMAN T M,SALCHI M.On Optimal Power Allocation for Turbo Codes[C]//Proc.ISIT'97.Ulm,Germany: IEEE Press,1997:104-106.

肖创创(1988—),男,硕士研究生,主要研究方向为信道编码与调制;

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

李际平(1962—),男,教授,主要研究方向为卫星通信、信道编码与调制;

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

黄 尧(1991—),女,硕士研究生,主要研究方向为信道编码与调制。

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