OFDM系统中urbo编码混合ARQ技术的和实现

OFDM系统中Turbo编码混合ARQ技术的研究和实现答辩人：刘伟峰指导老师：朱杰

1背景概述2课题背景高频短波通信抗毁能力极强覆盖范围广运行成本低机动灵活战争、自然灾害、边远地区的主要通信方式3研究重点Turbo码的原理、仿真和设计Matlab建模仿真矩阵推导MAP算法短帧Turbo码的设计方法Turbo编码混合自动重复请求方案现有方案的分析比较提出新颖的“分而治之Turbo编码HARQ”方案系统模块的DSP实现与优化循环冗余校验码的快速实现Max-Log-MAP算法的实现与优化4OFDM——抗多径衰落的尖兵频谱划分成窄的平坦衰落子信道串并变换后，每个子信道上的符号速率下降，可以很好的对抗时延扩展把频率和时间选择性衰落的影响随机化，有利于纠错码工作 一个频率选择性信道→多个非频率选择性信道5OFDM的Matlab实现6Turbo码的原理、仿真和设计7Turbo码——接近Shannon限的好码编码器由两个递归系统卷积码通过交织器级联的方式结合而成，以较小的编译码复杂度，生成码重分布优良的长码译码器采用迭代的方式，两个分量译码器互相帮助，充分利用码子的约束信息在短约束长度、长分组以及10到20次迭代的情况下，Turbo码在误码率（BER）10e-5处距离Shannon限0.5dB左右8Turbo编码器并行级联卷积编码器串行级联卷积编码器9Turbo解码器并行级联卷积译码器10软输输入入软软输输出出分分量量译译码码器器对数数似似然然比比（（LLR））Y是是观观测测，，uk是估估计计值值符号号表表示示0，，1比比特特，，幅幅度度表表示示可可靠靠程程度度11MAP算算法法想法法把比比特特的的概概率率估估计计转转化化为为状状态态转转移移的的概概率率估估计计把状状态态转转移移的的概概率率估估计计以以递递推推形形式式计计算算计算算三种种度度量量，，两两次次递递推推，，一一步步到到位位特点点（（相相比比维维特特比比算算法法））复杂杂度度大大（（乘乘法法，，除除法法，，指指数数，，对对数数计计算算））卷积积译译码码无无优优势势可以以输输出出译译码码软软信信息息12MAP算算法法前向向度度量量后向向度度量量分支支度度量量前向向递递推推后向向递递推推后验验概概率率LLR13MAP算算法法的的计计算算流流程程计算算分分支支度度量量前向向递递推推计计算算前前向向度度量量后向向递递推推计计算算前前向向度度量量综合合计计算算后后验验概概率率LLR14MAP算算法法的的矩矩阵阵表表示示前向向度度量量后向向度度量量分支支度度量量矩矩阵阵前向向递递推推后向向递递推推15MAP算算法法的的矩矩阵阵表表示示16MAP的的简简化化算算法法————Max-Log-MAP指数数运运算算和和乘乘法法运运算算的的噩噩梦梦变换换到到对对数数域域中中利用用近近似似公公式式17Max-Log-MAP算算法法简化化前前向向递递推推简化化后后向向递递推推支路路度度量量计计算算后验验概概率率计计算算18Log-MAP算算法法近似似导导致致性性能能损损失失引入入纠纠正正项项19串行行级级联联卷卷积积码码系系统统Matlab实实现现20并行行级级联联卷卷积积码码系系统统Matlab实实现现121并行行级级联联卷卷积积码码系系统统Matlab实实现现222Turbo码码仿仿真真1之之译译码码器器结结构构————迭迭代代次次数数23Turbo码码仿仿真真1之之译译码码器器结结构构————误误码码率率24短帧帧Turbo码码的的设设计计要要点点1译码码器器结结构构的的选选择择：：PCCC结结构构的的误误码码平平层层大大约约为为1e-5，，而而SCCC结结构构能能够够提提供供更更低低的的误误码码平平层层（（大大约约1e-7）），，SCCC需需要要更更多多的的迭迭代代次次数数达达到到误误码码平平层层，，本本身身的的译译码码复复杂杂度度也也是是远远远远高高于于PCCC（（内内编编码码器器是是4进进制制输输入入，，8进进制制输输出出，，格格形形图图上上有有16个个状状态态，，每每个个状状态态出出发发有有4条条路路径径，，每每个个状状态态有有4条条路路径径交交汇汇））。。在在本本系系统统中中，，我我们们选选择择PCCC结结构构。。25Turbo码仿仿真2之之分量码码——递递归26Turbo码仿仿真2之之分量码码——生生成多项项式27Turbo码仿仿真2之之分量码码——约约束长度度28短帧Turbo码的设设计要点点2分量码的的选择：：分量码码必须是是递归形形式的，，递归形形式的分分量码对对于Turbo码减少少低码重重码子起起着十分分重要的的作用，，分量码码的生成成多项式式也起着着十分重重要的作作用，必必须优化化设计，，分量码码的约束束长度对对于Turbo码的作作用十分分有限，，增大分分量码的的约束长长度导致致译码器器复杂度度的增加加。在本本系统中中，我们们推荐使使用poly2trellis(3,[75],7)分量量码。29Turbo码仿仿真3之之帧长30短帧Turbo码的设设计要点点3帧长：对对于Turbo码的性性能而言言，希望望帧长越越长越好好，虽然然帧长度度的增加加不会增增加单位位比特译译码的复复杂度，，但是帧帧长直接接决定了了系统传传输的时时间延迟迟和译码码存储空空间，所所以帧长长度的选选择必须须折中考考虑。一一般的对对于语音音系统，，帧长为为200比特左左右，对对于视频频系统，，帧长为为1000比特特左右。。本系统统中，我我们使用用256比特作作为帧的的长度。。31Turbo码仿仿真4之之交织器器——SCCC32Turbo码仿仿真4之之交织器器——PCCC33Turbo码仿仿真4之之交织器器——奇奇偶分离离34短帧Turbo码的设设计要点点4交织器：：交织器器在Turbo码系统统中也是是一个十十分重要要的组件件，相比比较差的的交织器器，良好好的交织织器可以以提供大大约0.2dB到1dB左右右的增益益，大量量的试验验证明，，一般的的随机交交织可以以取得良良好的性性能，代代数交织织和随机机交织的的性能相相当，但但是随着着帧长的的变小，，随机交交织的优优越性会会消失，，直至我我们必须须“刻意意”的设设计交织织器，才才能使Turbo码正正常工作作。随机机交织对对于帧长长度没有有约束，，代数交交织器一一般对于于帧长有有着特殊殊的要求求，矩阵阵交织器器同样要要求帧长长能够分分解成两两个相近近数的乘乘积。所所有的交交织器都都可以通通过查表表的方式式完成。。本系统统中，我我们推荐荐使用随随机交织织。35Turbo码仿仿真5之之译码算算法———简化36Turbo码仿仿真5之之译码算算法———量化比比特数37短帧Turbo码的设设计要点点5译码算法法：Log-MAP算算法和MAP算算法相当当，Max-Log-MAP有大约约0.5dB的的性能损损失，MAP算算法复杂杂度最大大，Log-MAP和和Max-Log-MAP计计算量相相近，但但是Max-Log-MAP算法在在结构上上最接近近维特比比算法，，容易在在DSP上快速速实现。。3比特特的量化化足够，，但是在在高信噪噪比区，，推荐6比特量量化。在在本系统统中，我我们使用用Max-Log-MAP算算法，6比特量量化。38Turbo码仿仿真6之之打孔39短帧Turbo码的设设计要点点6打孔：打打孔可以以提高码码率，但但是会带带来误码码率方面面的性能能损失，，打孔的的选择应应该基于于系统设设计要求求的考虑虑，没有有孰优孰孰劣的问问题。本本系统中中，我们们使用1/2码码率的Turbo码，，打孔方方式取经经典方案案。40Turbo码仿仿真7之之结尾41短帧Turbo码的设设计要点点7结尾策略略：对于于帧长大大约1000比比特的系系统，无无需考虑虑迫零处处理，当当帧长小小于50比特，，我们采采用方案案4迫零零处理。。42Turbo码混混合ARQ系统统43Turbo编码码混合ARQ系系统44传统HARQ分分类TypeIHARQ：数数据被加加以CRC并用用FEC编码，，重传时时，错误误分组被被丢弃，，重传分分组与前前一次相相同。TypeIIHARQ：：考虑虑无线线信道道的时时变特特性，，在首首次传传输数数据块块时没没有或或带有有较少少的冗冗余，，如果果传输输失败败，重重传的的数据据块不不是首首次所所传数数据块块的复复制，，而是是增加加了其其中的的冗余余部分分。在在接收收端将将两次次收到到的数数据块块进行行合并并，编编码速速率下下降而而提高高编码码增益益。TypeIIIHARQ：与与第二二类HARQ不不同的的是重重传码码字具具有自自解码码能力力，因因此接接收端端可以以直接接从重重传码码字当当中解解码恢恢复数数据，，也可可以将将出错错重传传码字字与已已有缓缓存的的码字字进行行合并并后解解码。。45Turbo码HARQI型型我们用用ARQI型型广义义的表表示发发送端端在重重发数数据分分组时时，不不生成成新的的码子子，与与传统统定义义不同同的是是，接接收端端不一一定丢丢弃首首发分分组，，完全全可以以利用用首发发的信信息，，增加加系统统的通通过率率。这种ARQ机制制的优优点是是系统统充分分利用用了硬硬件资资源，，编译译码器器的结结构和和控制制都比比较简简单，，有利利于系系统降降低复复杂性性和减减少功功耗。。46Turbo码HARQI型型接接力棒棒式Turbo码HARQ在发方方，首首先将将欲传传信息息经Turbo编码码器编编码后后发送送出去去，接接收端端经过过Turbo译译码，，如果果通过过CRC检检错校校验，，反馈馈ACK信信号回回发送送端，，如果果不能能通过过CRC检检错校校验，，则反反馈NACK信信号到到发送送端；；发送端端收到到重发发指令令，则则将该该信息息的原原先的的码子子重新新发送送；在收方方，对对于重重发帧帧的译译码，，可将将上一一帧的的译码码结果果用作作先验验信息息，并并用于于Turbo译译码器器进行行译码码。如如果译译码结结果通通过CRC检错错校验验，反反馈ACK，否否则反反馈NACK；；重复第第2、、第3步，，直到到发送送端收收到ACK信号号，或或者达达到最最大的的重发发次数数，放放弃此此次通通信。。47Turbo码HARQII型我们用用ARQII型表表示发发送端端在重重发数数据分分组时时，生生成新新的校校验信信息，，即所所谓的的增量量冗余余信息息，但但是新新的分分组没没有自自解码码性质质。ARQI型：：简单单的““重复复码””，其其最小小码距距是原原来的的L倍倍；实实际上上，通通过L次重重发可可以构构成纠纠错能能力更更强的的纠错错码。。这种ARQ机制制的优优点是是能够够充分分利用用重发发的分分组资资源，，纠错错能力力比I型更更强，，但是是系统统的编编译码码硬件件设计计必须须以最最低码码率的的纠错错码设设计，，而系系统一一般运运行在在较高高的码码率水水平上上，所所以不不能充充分利利用硬硬件资资源，，编译译码器器的结结构和和控制制相对对复杂杂。48Turbo码HARQII型速速率率兼容容打孔孔Turbo码码HARQ发送端端生成成L*N比比特长长度的的Turbo码码，经经过打打孔形形成N比特特长度度分组组，发发送到到信道道，并并且保保存被被删除除的其其他校校验比比特；；接收端端接收收到分分组，，经过过Turbo译译码，，如果果通过过了CRC检错错，发发送ACK信号号，否否则，，发送送NACK信号号；发送端端收到到NACK信号号，并并累计计重发发次数数，发发送剩剩余的的相应应的N比特特校验验比特特；接收端端接收收到重重发分分组后后，与与首发发分组组组成成新的的码子子，经经过Turbo译码码，如如果通通过了了CRC检检错，，发送送ACK信信号，，否则则，发发送NACK信信号；；发送端端收到到NACK信号号，并并累加加重发发次数数，发发送剩剩余的的相应应的N比特特校验验比特特；接收端端接收收到重重发分分组后后，与与前两两次的的分组组组成成新码码子，，经过过Turbo译译码，，如果果通过过CRC检检错，，发送送ACK信信号，，否则则，发发送NACK信信号；；重复上上述过过程，，直到到发送送端收收到ACK信号号，或或者重重发次次数达达到最最大的的L次次，放放弃本本次通通信。。49Turbo码HARQII型Turbo码码分而而治之之HARQ基本思思想是是：假假设系系统是是1/2码码率的的Turbo码码，我我们的的编译译码硬硬件设设计也也是按按照基基本的的1/2码码率的的Turbo码码来设设计，，当发发送端端被要要求重重发时时，我我们可可以把把信息息序列列分成成奇数数位和和偶数数位两两类，，奇数数位的的信息息比特特保持持不变变，但但是偶偶数位位的信信息比比特用用已知知的““01”序序列代代替，，然后后经过过编码码器生生成码码子，，实际际上，，新生生成的的码子子的有有效信信息比比特只只有原原来的的一半半，同同时，，码率率也下下降了了一半半，这这也就就意味味着码码子有有着更更强的的纠错错能力力，在在接收收端，，译码码器首首先对对重发发分组组进行行译码码，运运用相相应的的先验验信息息，得得到关关于信信息序序列奇奇数位位比特特的可可靠信信息，，然后后把这这些信信息反反馈到到第一一个分分组的的译码码器，，通过过奇数数位比比特的的可靠靠信息息来获获得的的正确确译码码。如如果这这时候候，译译码输输出仍仍然没没有通通过CRC校验验，那那么在在发送送端可可以把把偶数数位比比特信信息序序列按按奇偶偶分成成2段段，只只传输输其中中1/4的的信息息比特特，其其他位位置用用已知知序列列填充充，以以此类类推，，最终终获得得正确确译码码。50分而治治之方方案的的性能能———误帧帧率51分而治治之方方案的的性能能———通过过率52Turbo码HARQIII型型ARQIII型表表示发发送端端在重重发数数据分分组时时，生生成新新的校校验信信息，，同时时新的的分组组具有有自解解码性性质。。纠错能能力和和译码码复杂杂度都都介于于I型型和II型型之间间。与与II型类类似的的是系系统不不能充充分利利用硬硬件资资源，，编译译码器器的结结构和和控制制相对对复杂杂。53Turbo码HARQIII型型多多维Turbo码HARQTurbo码本本身就就可以以构成成一种种很好好的ARQ机制制，首首先，，利用用分量量码1生成成码子子1，，发送送到信信道，，如果果接收收端能能正确确接收收，那那么继继续发发送下下一帧帧数据据，如如果不不能，，那么么经过过交织织的信信息序序列利利用分分量码码2，，生成成码子子2，，发送送到信信道，，译码码器先先对码码子2进行行译码码（可可以利利用第第一次次译码码的结结果作作为先先验信信息）），如如果译译码成成功，，就反反馈ACK信号号，如如果失失败，，那么么联合合码子子1和和码子子2进进行Turbo迭代代译码码，如如果译译码成成功那那么就就反馈馈ACK，，如果果到了了预定定的迭迭代次次数，，仍然然没有有通过过CRC校校验，，那么么反馈馈NACK信号号，发发送端端可以以进一一步利利用新新的交交织器器和新新的分分量码码，生生成码码子3，在在接收收端，，译码码器先先利用用前次次译码码结果果作为为先验验信息息，对对码子子3进进行译译码，，如果果成功功就反反馈ACK信号号，如如果失失败，，那么么就把把3个个码子子构成成一个个3维维的Turbo码，，进行行译码码，以以此类类推，，直到到译码码成功功。。54Turbo/HARQ系系统DSP实现现55BLACKFINDSP介介绍高度并并行的的计算算单元元数据总总线和和程序序总线线分离离的哈哈佛结结构流水线线技术术独立多多个乘乘加器器单元元高性能能地址址产生生器循环缓缓冲嵌套零零开销销循环环传输过过程中中饱和和和限限幅分层结结构的的内存存较少的的延迟迟缩短的的处理理空载载时间间56BLACKFINDSP程程序优优化特殊指指令的的使用用并行指指令的的使用用DSP硬件件资源源的合合理使使用数据在在内存存中的的优化化配置置流水线线冲突突57CRC算法法原理理k位二进进制数数据序序列r位二进进制校校验码码n位二进进制序序列生成多多项式式满足58字节序序列求求余的的递推推算法法M字节节的序序列59CRC算法法在BLACKFINDSP上上的实实现三字节节序列列算法法为形如如[Da00]的的三字字节构构造一一个余余数表表。对对于M字节节序列列N，，读取取前3个字字节数数据构构成最最初的的三字字节序序列[DaDbDi]，，此时时i=3，然然后进进入如如下的的循环环：根据Da查查表求求得[Da00]的余余数[RhRl]；计算Db+Rh和Di+Rl，得得到新新的Da和和Db；判断i是否否等于于M，，如果果相等等则循循环结结束，，得到到余数数，否否则，，读取取序列列N中中的下下个数数据字字节Di+1，得到到新的的三字字节序序列，，跳到到2。。3次总总线读读，2次异异或，，1次次加法法，1次移移位和和1次次寄存存器赋赋值60CRC算法法在BLACKFINDSP上上的优优化四字节节序列列算法法为形如如[Da000]的四四字节节和[Db00]的的三字字节构构造余余数表表。对对于M字节节序列列N，，读取取前4个字字节数数据构构成最最初的的四字字节序序列[DaDbD2i-1D2i]，此此时i=2，然然后进进入如如下的的循环环：根据Da查查表求求得[Da000]的的余数数[RahRal]；；根据Db查查表求求得[Db00]的的余数数[RbhRbl]；；计算[D2i-1D2i]+[RahRal]+[RbhRbl]，得得到新新的Da和和Db；判断i是否否等于于[M/2]，，如果果相等等则跳跳到6，否否则，，读取取序列列N中中的下下一个个16位数数据[D2i+1D2i+2]，得得到新新的四四字节节序列列[DaDbD2i+1D2i+2]，跳跳到2。如果M是偶偶数，，结束束得到到余数数[DaDb]，，否则则对三三字节节序列列[DaDbDM]求余余得到到结果果。3次总总线读读，2次异异或，，2次次加法法，2次移移位和和4次次寄存存器赋赋值。。61CRC算法法优化化结果果四字节节算法法相比比三字字节算算法，，平均均对每每个字字节的的操作作少了了1.5次次总线线读，，1次次异或或，但但是多多了一一次寄寄存器器数据据搬移移测试表表明：：效率率提高高33%62Max-Log-MAP算法法简化前前向递递推简化后后向递递推支路度度量计计算后验概概率计计算63Max-Log-MAP在BLACKFINDSP上上实现现支路度度量的的计算算用AddonSign指令令完成成。递推计算为为“加比选选”蝶形计计算，用VIT_MAX指令令完成，2次16位位的比较和和选择64蝶形计算在在BLACKFINDSP上实现运算量占整整个译码器器的80%