DCR系统的信道编译码方法研究

李玉峰，杨 君，关庆阳

(1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，沈阳 110136； 2.东南大学 移动通信重点实验室，南京 210096)

DCR系统的信道编译码方法研究

李玉峰1,2，杨 君1，关庆阳1

(1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，沈阳 110136； 2.东南大学 移动通信重点实验室，南京 210096)

数字对讲机协议的制定是当前研究的热点，而信道编译码技术又是数字对讲机的关键技术之一。DCR系统吸收了dPMR系统的信道编译码方式的优点，同时采用删除卷积码纠错技术，提高了对传输差错的控制能力。对基于DCR协议的编译码方案和删除卷积码的编译码方法进行了研究，对不同编译码方式的误码率进行了深入分析。仿真结果表明：在多径衰落信道下，删除卷积码可以有效的纠正突发错误，大大降低误码率。

DCR；CRC；删除卷积码；交织

随着信息化时代的发展，人们日益迫切地要求对讲机具有诸如话音加密、数据传输、远程监控、联网调度等功能。而传统的模拟对讲机缺陷已经逐步体现出来，专用无线通信系统正逐步经历由模拟向数字的转变。目前，对讲机的数字化已受到全球的高度重视，关于数字对讲机技术的研究和标准化工作正在向前推进[1]。

目前我国相关部门也在大力推动数字对讲机的发展，数字对讲机的开发离不开协议与关键器件。现在国际上常用数字对讲机的通信标准有，TETRA、DMR、dPMR和DCR标准等[2-3]。TETRA(Trans European Terrestrial Trunked Radio)数字集群通信系统是基于数字时分多址(TDMA)技术的专业移动通信系统；DMR/dPMR 是欧洲电信标准协会ETSI组织发布的数字对讲机无线通信协议。DMR(Digital Mobile Radio)数字移动无线电标准是ETSI为专业移动无线电(PMR)用户专门制定的数字无线电标准；dPMR(digital private mobile radio)是一个数字无线电协议，(它提供通过使用低成本、低复杂性技术实现高级功能的解决方案。DCR标准是ICOM、KENWOOD等日本厂家针对数字商业对讲机市场制定的数字对讲机标准，是在dPMR(digital Private Mobile Radio)基础之上制定的，其现行标准为ARIB STD-98[4]。

由于数字对讲机工作在无线环境中，所以在传输过程中必然会受到各种干扰，信道编译码的选择对于DCR系统的性能有着重要影响。本文首先对DCR系统及其逻辑信道的划分作了介绍，重点对基于DCR协议的编译码方案和删除卷积码编解码[5-8]方式进行了研究。最后分别对不同编解码方式的误码率进行了分析，并给出了Matlab的仿真结果。

1 典型的DCR系统

如图1所示，为典型的DCR系统原理框图，对于当前研究的数字对讲机通信协议来说，不论是DMR、dPMR以及本文所讨论的DCR协议来讲，其差别就在于图1中虚线框的部分，接下来我们将重点讨论DCR系统中的信道编码技术。

DCR系统，采用6.25 KHz的FDMA方式，4FSK调制方式，数据传输速率为4.8 Kb/s。

图1 典型的DCR系统原理框图

在DCR系统中，其逻辑信道划分为：服务信道(SC：Service Channel)和同步脉冲信道(SB0：Synchronous Burst)。其中SC信道又分为：业务信道(TCH：Traffic Channel)、无线信息信道(RICH：Radio Information)、慢速随路信道(SACCH：Slow Associated Control Channel)。SB0信道分为：参数信息信道(PICH：parameter Information Channel)、无线信息信道(RICH)、慢速随路信道(SACCH)。

2 DCR系统中的信道编码方案

DCR系统中采用的信道编码方案如图2所示：

图2 DCR协议中的信道编码方案

由图2可知，DCR系统中慢速随路信道(SACCH)、业务信道(TCH)和参数信息信道(PICH)都采用了CRC、删除卷积码及交织技术。信道编码方案不仅仅是简单的纠错码的选择和交织算法的问题，它还涉及如何从高层获得业务质量指示、业务复用方式等高层协议信息，从而实现对于不同的业务采取不同的编码方案，这样才能确保以最高的效率提供更好的业务。主要的信号处理过程包括：CRC、删除卷积码和交织技术。

2.1 CRC

循环冗余校验码是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，因其信息字段和校验字段的长度可以任意选定，使用起来较为灵活。且其编解码方式较为简单，在实际的通信系统中，一般用它来检错。CRC编解码框图如图3所示。在DCR系统中所使用的CRC为：

(1)CRC-6，生成多项式为：

g(x)=x6+x5+x2+x+1，用于慢速随路信道(SACCH)数据的生成；

(2)CRC-12，生成多项式为：

g(x)=x12+x11+x3+x2+x+1，用于业务信道(TCH)和参数信息信道(PICH)。

2.2 删除卷积码

删除卷积码的构成主要是卷积码删除位置的选择，通常删除是周期、有规律地进行的。这样产生的删除卷积码序列也就成了一个周期时变序列。删除位置通常用删余图样来表示，删余图样中的“0”表示该数字对应的比特被删除，“1”则保留。删余图样不是唯一的，但对于不同的情况存在最优的删余图样。

图3 CRC的编解码流程图

DCR系统采用(2,1,5)卷积码的删除卷积码进行纠错，(2,1,5)卷积码的规定码率为1/2，因为码率为1/2的卷积码的编码器码率较低，会产生一倍于原数据的冗余数据。而通过删余的方法可以从该卷积码得到其它码率的编码，从而提高码率。删除卷积码通过对输出码字中某些特定位置码元予以删除，在接收端译码时再用特定的码元在这些位置上进行填充，然后再进行译码。DCR协议中对不同的业务信道规定了不同的删余图样。

删除卷积码可以实现不同的码率需求，而且在保证可靠性的前提下，可以提高传输的效率。又因其编解码较为简单，纠错性能较好，因而得到广泛的应用。

2.3 交织

实际移动通信环境是极其恶劣的，多径效应造成快衰落和地形、阴影效应造成慢衰落产生了移动信道特有的“长突发”误码形式，使通信的可靠性大大降低，使误码率增大，严重影响了移动信道的质量和有效信道容量。为提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码，而对于衰落信道中的突发错误，则可以采用交织。交织是在发送端，对编码器输出的符号序列进行有规律的重新排列之后，再进入信道传输；在接收端解调器输出的符号流必须进行解交织，恢复原来的编码输出的符号流顺序。通常交织有矩阵块交织、卷积交织和似随机交织等多种实施方式，在DCR系统中，采用较简单的矩阵块交织。在DCR系统中，SACCH信道采用交织深度为5的矩阵块交织，TCH/PICH采用交织深度为9的矩阵块交织。以SACCH信道为例：

由图2可知，经删除卷积码编码后的数据为60 bit，采用交织深度为5的矩阵块交织，设其交织前的数据为，未经交织的信息序列为：a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10,a11,a12,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9,b10,b11,b12……e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9,e10,e11,e12。

经过交织后信息传输序列为：a1,b1,c1,d1,e1,a2,b2,c2,d2,e2,a3,b3,c3,d3,e3,a4,b4,c4,d4,e4,a5,b5,c5,d5,e5,…….a11,b11,c11,d11,e11,a12,b12,c12,d12,e12。

交织后出现连续突发错误后数据变为：a1,b1,c1,d1,e1,*,*,*,*,*,a3,b3,c3,d3,e3,a4,b4,c4,d4,e4,a5,b5,c5,d5,e5,…….a11,b11,c11,d11,e11,a12,b12,c12,d12,e12(其中“*”表示错误码元)。

接收端解交织后数据为：a1,*,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10,a11,a12,b1,*,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9,b10,b11,b12……e1,*,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9,e10,e11,e12。

这样，DCR系统中，长突发错误被分散到各个码组，在删除卷积纠错码的纠错能力范围以内，就可以正确的恢复出信息，从而提高通信的可靠性。

3 DCR系统中的删除卷积码性能分析

3.1 删除卷积码的编码

删除卷积码的编码器如上图4所示：协议中采用的是(2,1,5)卷积码的删除卷积码。其中(2,1,5)卷积码的生成多项式为：

G1(D)=1+D3+D4

G2(D)=1+D+D2+D4

图4 删除卷积码编码器

图4中虚线框内为(2,1,5)编码器的框图，主要包括Nk=5级移存器，两个模2加法器，每个时隙中有k=1 bit从左端进入移存器，并且移存器各级暂存的信息向右移k=1位。每时隙选择一路输出，两路输出交替进行，输出n=2 bit信息。设编码器的初始状态为0，随着时刻i的递推和1 bit信息组(m0,m1,m2,m3,m4,m5,…m33,m34,m35)不断的输入，码字(C0,C1,C2,C3,C4,C5,…)不断的输出。删除卷积码的编码方式为：先通过(2,1,5)卷积编码器，然后根据删余图样进行删余。根据编码时所插入的校验位不同，对于不同的信道数据，其删余图样也不相同。

SACCH数据的删余图样为：

以PICH信道数据为例，其删余方式如图5所示：

图5 PICH信道数据的删余图样

卷积编码后数据按照图5所示的删余图样进行周期性的位删除，方框内对应为0的位置，为要删除的数据。虽然删余卷积码降低了纠错能力，但同时也减少了编码冗余，从而可以降低传输时的比特净负荷，提高比特传输率。

3.2 删余卷积码的解码

采用Viterbi译码器对删余卷积码进行译码的方法主要有两种：(1)在删余位置补零的方法；(2)按删余后等效卷积码的码率来直接进行译码。第二种方法当编码效率较高时，计算量较大，译码比较复杂，尤其对硬件实现来说，不同的码率应该有不同的配套译码设备，导致此类译码通用性差。目前，一般采用在删除位置上补零的方法进行译码，该算法的原理是：先将删除位置用零进行填充，然后按照删余前的卷积码的译码方法进行译码。删除卷积码译码器如图6所示：

图6 删除卷积码译码器

卷积码的解码方法可以分为两类：代数解码和概率解码。代数解码是利用编码本身的代数结构进行解码，不考虑信道的统计特性。大数逻辑解码，又称门限解码，是卷积码代数解码的主要的一种方法。另一种概率解码方法是维特比解码算法，这种解码方法比较简单，计算快，故得到广泛应用。卷积码最小距离译码的思路是：以断续的接收码流为基础，逐个计算它与其他所有可能出现的、连续的网格图路径的距离，选出距离最小者作为译码估值输出。在二进制硬判决译码情况下，最小距离就是最小汉明距离。软判决采用欧式距离进行度量。

Viterbi译码算法的步骤如下：

1)画出网格图，计算第t=u时刻接收码Rt相对于各码字的相似度，称为分支量度(branch metric BM)。在软判决情况下，BM一般指欧式距离。在二进制硬判决情况下，BM即汉明距离。

BMt(i,j)=W[c(i,j)⨁Rt]

(1)

其中，BMt(i,j)表示第t个时刻接收码元Rt与到达第i个状态的第j个转移所对应的码字的距离。

2)计算第t个时刻到达状态i的最大似然路径的相似度，即路径度量(path metric,PM)PMt(i),它是将上一时刻的路径度量PMt-1与本时刻分支量度BM累加后选择其中相似度最大的一个，对于二进制硬判决就是选汉明距离最小的一个

BMt(i,j)=W[c(i,j)⨁Rt]PMt(i)=min{PMt[P(i,j)]}+BMt

(2)

3)若j

由此可知，在网格图上用Viterbi译码算法找到的路径一定是一条最大似然路径，因而这种译码方法是最佳的。

3.3 卷积码的纠错性能仿真

如图7所示，分别在无纠错编码、删除卷积码的软判决和硬判决Viterbi译码，删除卷积码(Viterbi译码软/硬)+交织这五种情况下通过4FSK调制的AWGN信道的性能曲线。

(1)比较图7的删除卷积码纠错曲线与无纠错编码曲线，有删除卷积码纠错的信道误码率大大降低；

(2)比较软判决和硬判决Viterbi译码，可看到，在相同的Eb/N0的情况下，Viterbi译码软判决的Pe明显优于硬判决。

图7 AWGN信道下，删除卷积码的纠错性能

(3)比较软判决曲线和软判决+交织曲线可以看出，采用删除卷积码+交织的信道编译码方案可以纠正“长”突发错误，降低误码率。

实际的无线通信信道通常为多径衰落信道，如图8所示，分别在无纠错编码、删除卷积码的软判决和硬判决Viterbi译码，删除卷积码(Viterbi译码软/硬)+交织这五种情况下通过4FSK调制的多径衰落信道，由图8可以看出：

图8 多径衰落信道下，删除卷积码的纠错性能

(1)在相同的Eb/N0情况下，图8中的误码率高于图7中的误码率，这是由于多径传输造成的结果。

(2)当Eb/N0>3 dB后，采用交织删除卷积吗纠错方案的Pe曲线下降较快，这也说明经过交织后，删除卷积码可以有效的纠正突发错误，降低误码率。

4 结束语

信道编译码技术通过增加冗余码元来提高信息传输的可靠性，这对于无线通信的DCR系统的正确传输具有重要意义。本文对DCR标准中使用的数据业务信道纠错编码技术进行了分析，着重说明了DCR系统中的纠错编码方案的原理作用及删除卷积码的纠错性能。结果表明，在多径衰落信道下，删除卷积码可以有效的纠正突发错误，大大降低误码率。要根据业务信道的不同，设计较为合理的纠错编码方案，从而保证信息传输的可靠性。通过研究DCR系统，我们国家可以以此为借鉴，制定并完善我国自己的标准。

[1]李进良.我国必须制定统一的数字对讲机国家标准[J].中国无线电,2012,12:18-22.

[2]ETSI TR 102 398 V1.1.2 (2008-05).Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Digital Mobile Radio (DMR) General System Design[S/OL].ETSI,2008.http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/102300_102399/102398/01.01.02_60/tr_102398v010102p.pdf.

[3]ETSI TS 102 490 V1.2.1 (2006-08).Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Peer-to-Peer Digital Private Mobile Radio using FDMA with a channel spacing of 6,25 kHz with e.r.p.of up to 500 mW.[S/OL].ETSI,2006.http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/102400_102499/102490/01.02.01_60/ts_102490v010201p.pdf.

[4]Digital Convenience Radio Equipment for Simplified Service V.1.3.Association of Radio Industries and Businesses[DB/OL].2012.12.18.http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/1-STD-T98v1_3.pdf.

[5]王新梅,肖国镇.纠错码——原理与方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001:443-444.

[6]Chunlong Bai,Bartosz Mielczarek,Witold A.Krzymien,et al.Improved analysis of list decoding and its application to convolutional codes and turbo codes[J].IEEE Trans.Inform.Theory,2007,53(2):615-627.

[7]Alexandros K，Panagiotis R，Nicholas K． New constructions of high-performance low-complexity convolutional code[J].IEEE Trans.Communications，58(7):1950-1961.

[8]Jie Luo.On low-complexity maximum-likelihood decoding of convolutional codes[J].IEEE Transactions on Informational Theory,2008,54(12):5756-5760.

(责任编辑：刘划 英文审校：刘敬钰)

ResearchonchannelcodecmethodinDCRsystem

LI Yu-feng1,2,YANG Jun1,GUAN Qing-yang1

1.College of Electronic and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136;2.National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast University,Nanjing 210096)

The formulation of digital intercom agreement is the hot issue of current research,and channel codec technology is one of the key technologies of digital intercom.The DCR system has adopted the advantages of dPMR system channel encoding scheme.Meanwhile,the DCR system uses the punctured convolutional code error correction technology,improving the ability to control channel transmission errors.In this paper,the codec scheme and the punctured convolution codec based on DCR protocol method are studied,and the ber of the different kinds of error correction codec technique is analyzed in detail.The simulation results indicate that,the punctured convolution codec can correct the burst errors effectively and reduce the error rate significantly in the multipath fading channel.

DCR;Cyclic Redundancy Check;Punctured convolutional coding;Interweave

2013-10-18

国家自然科学基金资助项目(项目编号：61171081)；江苏省博士后基金资助项目(项目编号：1101077C)；航空科学基金资助项目(项目编号：20122654004)

李玉峰(1968-)，男，吉林长春人，教授，主要研究方向：无线通信、图像处理与传输，E-mail:li_yufeng@126.com。

2095-1248(2014)01-0067-05

TN929.52

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.01.014