新型级联码在移动通信中的性能仿真分析

朱贝贝，刘有耀

（西安邮电大学电子与工程学院，陕西西安710061）

移动通信这一技术已经深入到人们生活和工作的各个方面，包括日常手机的使用，无线电话等。然而由于移动通信中无线信道时变的特点，传输信道一定存在大量的衰落和噪声，从而导致传输的信号发生失真或者接收端对接收到的信号产生误判，使通信过程存在大量的不确定性，这对移动通信的进一步应用和发展会产生巨大的影响。考虑到移动通信的信道特点，本文采取强大的信道信道编码方案去纠正传输过程中产生的误码，减少通信中的误码率[1-2]。

考虑到移动通信的具体情况，本文提出了一种新型的编码调制技术。这种新型的编码技术是用Turbo-MTCM作为内码，RS编码作为外码，中间采用一种交织器来使得两种码型进行级联。提出的这种新型的编码技术它的主要创新点在于使用MTCM分量码来代替TCM分量码，因为MTCM分量码比TCM分量码有更好的性能[3]。

由于信号在信道传输中往往是随机错误和突发错误并存的。随机错误是相互独立的，互不相关的；而突发错误是连续出现的，之间存在相关性，一个错误往往会影响后面的一串码元。脉冲干扰和无线信道中的衰落都会引突发错误。本文提出的这种级联码方式，就可以很好的对抗随机错误和突发错误的并存[4-5]。并通过相应的解调译码步骤，可以大大的提高误码率的特性，在实际应用中也有很好的价值。

1 信道编码的思路

纠错码是常用的信道编码方式，主要有线性分组码和卷积码两种。

线性分组码与卷积码在编码时，都是将每K个输入的信息编成n个码元，再输出。

但他们的区别在于，卷积码编码器产生的n-k个监督码元不仅与k个信息码元有关，还与前L-1个输入码字有关，而分组码监督码元仅与k个信息码元有关。所以线性分组码和卷积码都有各自的优点，卷积码适合进行串行传输且时延较小，合适纠正随机错误，而线性分组码纠错能力强，尤其对于突发错误有极强的纠错能力，缺点就是随着码长的增加，译码器的计算量也会相应增加。

如果可以使线性分组码和卷积码结合起来构成串行码，可使两者的优势互补。基于这一思路我们提出来一种适用于移动信道的新型级联码。

2 新型级联码的实现与构造

Turbo码是1993年被学者提出来的一种新的编码方案，Turbo码由于其有接近香农极限定理的性能。它巧妙地将两个简单分量码通过伪随机交织器并行级联来构造具有伪随机特性的长码，并通过在两个软入/软出（SISO）译码器之间进行多次迭代实现了伪随机译码。而且当时的仿真结果表明，在AWGN信道下，码率为1/2的Turbo码在达到误比特率（BER）≤10-5时，Eb/N0仅为约0.7 dB（这种情况下达到信道容量的理想Eb/N0值为0 dB），远远超过了其他的编码方式，一时在信息和编码理论界引起了轰动。因此刚被提出时，就很快成为大家研究的热点，试图应用于各种通信系统中。

级联码是由Forney首先提出来的，传统的编码方案中，我们都知道较长的码可以使编码的性能有所提升，但随着码长的增加，译码段的复杂度也随着增加，译码出错的概率也会随之增加。因此，Forney提出了用两级编码的方案，即就是用两个短码构成一个长码，并在译码端采用两级译码的方式。这样，在没有明显增加译码复杂度的情况下，也解决了通信信道中的随机错误和突发错误。RS码和卷积码级联已经被广泛应用于通信系统中[6-8]，且性能良好。基于此，我们提出一种新型的级联码方案，即用MTCM分量码来代替常用的TCM分量码组成新型的Turbo-MTCM和RS码级联方案，基于此我们提出了如图1所示的新型级联仿真模型。

图1 新型级联码的仿真框图

如上图，首先产生二进制数作为信源进入RS（204，188）外编码器进行编码，然后进入交织器，交织的目的在于打散连续的突发错误，使之变成离散的短的错误，从而增加纠错码的能力[9]。因此，交织器的交织的深度我们选择8，任何长度大于8的突发错误，经交织和解后，成为短突发错误。内编码我们使用2/3的码率。并将内编码后的数据率送入调制器进行调制[10-11]，并送入AWGN信道中，在信道中我们会加入一些噪声。之后进入解调阶段。经过信道的数据，我们需要进入内译码器进行第一级译码，随后进入解交织器进行解交织操作，通过RS外译码器[6]进行译码，恢复出原始数据。通过比较输出端和输入端的数据来得到我们整个系统的性能。

2.1 RS码方案的确定

本文中我们选用的是 RS（204，188）码，它是由被NASA，ESA，CCSDS等空间组织用于空间信道纠错的RS（255，223）码截断而得到的。

在GF（2m）域中，（n，k，t）RS码有如下的特征：

n=2m（n为码字所包含的符号数，m为RS码字每个符号表示的信息位数）；

r=n-k=2t（r为监督位符号数，k为信息长度，t为可纠正的错误符号数）；

R=k/n（R为RS码的码率）；

d0=n-k+1=r+1=2t+1（d0为RS码的最小码距）。

本文所采用的的 RS（204，188）码[6]，即就是每输入188个符号，经过外RS编码器可以输出204个符号码，其中监督为的符号数为16，则一次可纠正的错误符号数t为8，RS码的最小码距则为17，编码效率R为92.16%。

2.2 级联码中交织器的选择

实际信道中产生的错误往往是突发错误或者突发错误与随机错误并存。尤其是在移动通信这种变参的信道上，人们希望设计这样的信道编码，既能纠正随机错误又可以纠正单个或多个突发错误。交织方法是一种很实用而且常用的构造码方法，它能把比较长的突发错误或多个突发错误离散成随机错误。交织是指一个数据序列在一一对应的条件下进行数据的位置重新排列过程。而解交织就是它的逆过程，将接受到的信息序列还原到原位置。本文我们使用的是块交织技术，块交织的原理示意图如表1所示。

表1 块交织的原理示意图

在数据传输的过程中某时刻发生突发错误，连续产生ma个错误，由于交织技术，把这ma个分散到每行，则每行产生的错误个数就为a个，则整个系统的纠错能力就扩大了m倍。交织器的交织深度应不应不小于信道可能的突发错误长度即内码的差错序列长度，否则解交织后仍存在突发错误[7]。交织器的交织宽度应不小于级联码外码的约束长度，否则，突发错误不能彻底打散。基于此，我们选择（5，204）交织器。即交织宽度取204，交织深度取5。

2.3 级联码内码Turbo-MTCM

本文研究的级联码我们的内码选用的是Turbo-MTCM编码调制技术，MTCM即多重网格编码调制技术[8-10]，网格图的每条分支上传输的符号数大于2。在AWGN信道和衰落信道中，相对于TCM[12-13]，MTCM可以获得更好的误码率性能。该Turbo-MTCM编码方案是采用MTCM作分量码来实现的。本文设计一种码率为2/3的Turbo-MTCM作为级联码的内码。其编码器的结构图，如图2所示。

图2 Turbo-MTCM系统框图

1）比特序列首先进入网格编码器，输入端每次输入b个比特，输出s个比特，映射到个符号的星座图上，产生K个信道符号。

2）符号交织器的大小为N，以b个比特为单位进行奇偶交织。

3）而整个编码器的输出为交替的奇偶位置输出[14-16]。

3 新型级联码的仿真

MATLAB是一种功能非常强大的科学计算和工程仿真的软件，提供了一个集成化的开发环境。本文采用MATLAB中已知的对应得编码函数，对本文提出的这种新型的级联码Turbo-MTCM和RS级联的这种编码方案进行了代码的仿真，得到如下的编码仿真曲线。并通过对比只进行RS编码的仿真曲线相比较，说明了本文提出的新型的级联方案，具有良好的性能，可以有效的降低误码和提高编码增益。本文提出的新型级联码仿真图如图3所示。

通过分析上图中的仿真图形，对比上面的图形可知：RS编码的增益比未编码只进行BPSK调制的增益好大约3 dB，RS+Turbo-MTCM这种新型级联编码调制的方式性能却要好于只进行RS编码。从图中我们可以看到当误码率pb≤10-5时，RS+MTCM这种编码方式比只进行RS编码有大约2个多dB的编码增益。

基于此图，分析可以得到如此好的增益的编码方式的原因，第一我们进入了RS码的级联码，我们都知道RS码有极强的纠正信道中突发错误的能力。再者我们使用了二元MTCM的编码调制技术很好的利用了译码信息，从而可以得到比较好的性能。其次，我们在级联的过程中使用了交织器来进行交织，交织可以使连续的长的错误被打散变成短序列错误，从而使更好的纠错，达到更好的性能。

4 结 论

本文针对移动通信信道存在大量的噪声，衰落，干扰等因素，从而导致接收端的不确定性等特点。提出了通过RS码和Turbo-MTCM编码调制中间使用交织使两种码级联的方式，并通过MATLAB建模和编写脚本来完成了此仿真，结果证明比只用RS编码有更好的增益。运用编码和调制结合的思想，一改以往获取编码增益以频带为代价的思想，在有高编码增益的同时提高了频带利用率，有效的提升了无线通信的质量，增加通信可靠性。

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