Turbo码的原理及在TD_SCDMA系统中的应用

1、2002年4月第32卷第2期四川通信技术25Turbo码的原理及在TD2SCDMA系统中的应用赵永峰,何方白(重庆邮电学院,重庆400065)摘要:对Turbo码的编译码原理进行了分析,并就其在TD2SCDMA系统中的应用作了简要介绍。关键词:Turbo码;编码;译码;TD2SCDMA系统中图分类号:TN911.22:TN929.533文献标识码:B文章编号:1009-5373(2002)02-0025-03一、序言自从1948年信息论的奠基人C.E.Shannon提出了著名的有噪信道编码定理以来,信道编码理论已经过了一个飞速的发展,1993年,C.Berrou和A.Glavieux在国际通信

2、会议(ICC93)上首次提出了一二、Turbo码的编译码原理Turbo码是对以前编码方案的一种巧妙的综合和发展。其关键技术有:编码器中成员码的结构,交织器设计的好坏以及译码算法的选择。其中成员码的结构直接关系到整个Turbo码编码码字的最小距离,好的成员码应能够在给定限制长度和编码速率基础上,尽可能地提高码字的自由距离。编码器采用的是成员码并行级联形式,而译码则是利用了迭代译码的思想。下面分别介绍Turbo码的编码器结构和译码器结构。1.编码结构Turbo码编码器的一般性结构如图1:种新的信道编码方案Turbo码,它由于很好地应用了Shannon信道编码定理中的随机性编译码条件,从而获得了几乎

3、接近香农理论极限的译码性能。几年来,人们对Turbo码的编译码结构及算法进行优化和改进,以期进一步提高Turbo码的译码性能,并试图从理论上解释其性能优越的根本原因,并且就Turbo码在实际通信系统中的应用问题进行了许多有意义的探讨。第3代移动通信IMT22000已经将Turbo码作为其传输高速数据的信道编码标准,国内TD2SCDMA系统的信道编码方案和多用户检测接收机正是基于Turbo码译码原理来实现的。收稿日期:2001203225图1Turbo码编码器原理框图五、结论我们引入了可整除性原则,能够被用在Turbo码的交织器设计中。对于短Turbo码,基于可整除性原则的交织器设计方法是很有效

4、的。应用可整除性原则,用于Turbol码的最终交织器可通过使用一个叫做最优周期交织器来构造。在最优周期交织器不存在的情况下,可使用次优周期交织器。对于短帧的Turbo码,使用我们的方法构造的交织器提供了显著的性能提高。参考文献:1C.Berrou,A.Glavieux,andP.Thitimasjshima.NearShannonlimiterror2correctingcodinganddecoding:Turbo2codes(1)C.inProc.,IEEEInt.Conf.onCommun.,(Geneva,Switzerland),pp.1064-1070,May1993.作者简介:王

5、慧军南京邮电学院电子工程系99级研究生,电路与系统专业,研究方向为通信网的结果分析与设计。王东明南京邮电学院信息工程系99级研究生,信号与信息处理专业,研究方向为现代通信中的信号与信息处理技术。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.四川通信技术2002年4月第32卷第2期26其中d是输入进行编码的数据块,加入尾随比特的作用是使在一个数据快编码结束之后,保证成员码编码器的寄存器回到全零状态。这样的Turbo码就等同于线性分组码,从而通过分析这类分组码的特性来对Turbo码的性能进

6、行估计和分析。交织器的主要作用是将原始数据序列置乱,使得交织前后的数据序列的相关性减小,Turbo码系统中交织器的设计要使码字的自由距离随交织器长度的增加而增加。成员码编码器一般采用二元代反馈的递归系统卷积码(RSC码),从而保证成员码编码器在所有信噪比(SNR)条件下都具有良好的性能。输入信息比特和尾随比特经过交织器交织后分别送入第1,2,m个成员编码器中进行编码,得到m个校验图3Turbo码译码器结构码字,YK=(Y1K,Y2K)。经BPSK调制后,在高斯加性白噪声无记忆信道(AWGN)上传输。在接收端得到接收码字序列R=R1,R2,RN,其中RK=(xk,yk),yk=(y1k,y2k,

7、),xk=(2XK-1)+ik,y1k=(2Y1K-1)+q1k,y2k=(2Y2K-1)+q2k(ik,q1k,q2k是独立同分布的高斯随机变量)。Turbo码译码的最优算法是修正的BAHL算法,也即最大后验概率算法(MAP)。他采用对数似然比函数(LLR,也即后验概率APP的比值的对数值)作为其软判决的输出。对于比特dk,其LLR表示为:输出序列X1,X2,Xm,这m个校验序列经过一定的压缩后,与信息序列X0一起经并/串变换且调制后发送出去。Turbo码典型的编码器结构如图2所示:(dk)=logp(dk=1|R)/p(dk=0|R)译码时接收信息序列XK和第一个成员编码得到的校验序列Y1

8、k输入成员译码器1译码得到1(dk),此LLR值可分成两部分,即加权的Xk和一个可以提高迭代译码性能的外部信息W1k,1(dk)经比特交织后变为1(dn),相应的外部图2Turbo码编码器结构示意图信息变为W1n(nk),W1n与Xk和Y2k一起送入成员译码器2进行译码,得到LLR值2(dk)(包括外部信息W2n),W2n解交织后通过反馈环图中两个RSC编码器不一定完全相同,设它们编码速度分别为R1,R2,为了使译码效果最好,一般R1R2,而且Turbo码编码器的合成编码速率R与R1,R2的关系为:1/R=(1/R1)+(1/R2)-1送回到成员译码器1输入端开始新一轮译码,这样,两个成员译码

9、器之间外部信息Wk的传递就形成了一个循环迭代的结构。每个RSC编码器的编码输出作为校验比特经截短矩阵后与信息序列一起可以组成任意码率的Turbo码,TD2SCDMA系统中要求Turbo码的编码速三、Turbo码在TD-SCDMA系统中的应用在TD-SCDMA系统中,根据不同业务种类的质量要求,将业务质量要求分为两个等级:10-3和10-6(10-3和10-6代表误码率BER)。其信道编码方率在R=1/43/5之间。2.译码结构Turbo码的译码采用了迭代译码的思想,它通过案的选择原则是:对于质量要求在10-3量极的业务,采用卷积码编码方式;对于质量要求在10-6量级的业务,采用级联码编码方式。

10、如图4所示:其中级联码是RS码与卷积码的串行级联或是特殊卷积码的并行级联,即Turbo码。在TD2SCDMA系统中,Turbo码作为高质量,高速率业务的编码方在两个译码模块之间外部信息的传递来提高译码性能,相应的二元Turbo码的迭代译码框图如图3:设编码器编码得到的码字序列C=C1,C2,CN,其中N为信息序列长度,CK=(XK,YK)为编码© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2002年4月第32卷第2期赵永峰,何方白:Turbo码的原理及在TD2SCDMA系统中的应用27

11、传递条件概率并进行解扩,得到M个用户接收信息的后验概率后分别送入M个Turbo码译码器,每个Turbo码译码器得到一个软判决输出和一个外部信息,其中外部信息送回到分支概率产生器,作为下一次译码的先验信息,从而实现Turbo码的迭代译码。图4TD-SCDMA系统的信道编码方案四、结束语本文对Turbo码的编译码进行了分析讨论,就其基本组成结构进行了说明并分析了Turbo码在TD2SCDMA系统中的应用。鉴于Turbo码所具有的案,主要是由Turbo码超乎寻常的译码性能所决定的。计算机仿真结果表明在加性高斯百噪声无记忆信道(AWGN)下,对于传输同样长信息位的数据块,Turbo码可以比RS码与卷积

12、码组成的串行级联码多1dB的编码增益,Turbo码已成为移动通信系统信道其他纠错码无法比拟的优异性能,对其理论研究的突破必将对编码领域的研究起到巨大的推动作用,而且,由于其在现代高速率传输通信系统中的应用潜力,Turbo码的研究也具有很大的实际意义。参考文献:1CBerrou,AGlavieux,PThitimajshima.NearShannonLimitError2CorrectingCodingandDecoding:Turbo2codes(1)C.ICC93,1993.1064702CBerrou,Aglavieux.NearOptimumErrorCorrectingCodingan

13、dDecoding:Turbo2codesJ.IEEETrans.Commun,1996,44:1261713王玉.TD2SCDMA中国的IMT-2000RTT方案J.编码方案的重要组成部分。由于Turbo码有较强的抗衰落和抗多径干扰性能,可以把Turbo码和TD-SCDMA系统扩频编码相结合实现多用户检测。如图5:图5基于Turbo码的TD2SCDMA系统多用户检测电信快报,1999,(1):8设有M个用户,针对每个用户,先对其信息数据进行Turbo码编码,编码后的序列经交织后再进行扩频,其中Turbo码编码作为外码,而扩频码作为内码,之间用交织器级联起来,类似于级联码的形式。在接收端,先把

14、接收数据送入匹配滤波器组,分离出各个用户的接收信息,然后根据信道模型计算4刘东华.TD2SCDMA移动通信系统的信道结构及编码方案J.电信技术研究,2000,(9)作者简介:赵永峰重庆邮电学院电信系硕士研究生,研究方向为数字信道编码。何方白重庆邮电学院电信系教授。TurboCodingPrincipleandItsApplicationinTD2SCDMASystemZHAOYong2feng,HEFang2bai(DepartmentofTelecom.,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)Abstract:Inthispaper