Turbo码嵌入比特交织编码调制系统的一种新的迭代时序方案

王丽耀，李怀军

(1.中国传媒大学，北京100024；2.国家计算机网络与信息安全管理中心河北分中心，河北050000)

Turbo码嵌入比特交织编码调制系统的一种新的迭代时序方案

王丽耀1，李怀军2

(1.中国传媒大学，北京100024；2.国家计算机网络与信息安全管理中心河北分中心，河北050000)

在简单的迭代方案中，把两个RSC译码器看成一单个部件，检测器只从第二个RSC译码器中获得先验信息，产生新的输出传递给第一个RSC译码器。这种方案计算复杂度低，但是获得的误码率性能比较差。在传统的迭代方案中，任何一个部件都要从其它两个部件中获取先验信息来产生新的软信息。这种方案虽然获得了较好的误码率性能，但有较高的计算复杂度。本文提出在接收端各组件之间一种新的迭代方案，就是两个RSC译码器之间内部迭代和两个RSC译码器整体跟检测器外部迭代同时进行。跟前两个方案相比，提出的方案达到了性能和复杂度的折中效果。

比特交织编码调制(BICM)；迭代；检测；译码；turbo码

1 引言

比特交织编码调制(BICM)是由Zehavi首次引入[1]，之后Caire进一步研究改善其系统的性能在瑞利衰落信道[2]。它是一种有效的传输方案而且没有扩大带宽[3]。迭代联合解码和解调辅助BICM系统称作BICM-ID已经提出。作为一种改进结构，Turbo码嵌入到BICM-ID已经被使用在很多系统中，以实现更好的性能[4，5]。

1993年，一篇论文引起了人们极大的兴趣，该论文提出了一种编码离香农限只有0.5 db。该码被命名为“Turbo”[6]。如今Turbo已经成为一个主要的编码研究与应用[7]。Turbo码嵌入到比特交织编码调制系统的接收端可以看作由一个检测器和两个RSC译码器这三个迭代接受部件组成。在文献[8]中，已经研究了由多个相同收敛点的部件组成的迭代接受机的迭代时序方案，然而不同的时序方案有不同的复杂度。因此，接收机的各个部件之间的迭代需要好好安排来达到性能和复杂度的折中。

2 Turbo码嵌入到比特交织编码调制的系统模型

Turbo码嵌入到BICM的系统模型如图1。迭代接收端的turbo译码器是由两个级联的RSC译码器组成，这两个译码器看作一个整体。软信息在检测器和turbo译码器之间进行迭代交换。

接收器端turbo译码的迭代信息也同时在两个RSC译码器中迭代(称为译码迭代或内部迭代)。第一个RSC译码器把接收到的输入产生一个软输出。这种输出通过一个交织器后作为第二译码器的改进的估计先验概率(APRs)。第二解码器把来至第一译码器的信息作为输入或APRs产生另一个软输出序列。这个软输出序列通过解交织后反馈到第一译码器作为第一译码器先验信息，改善了第一译码器下一次迭代译码的软输出。随后，第二解码器再用精确的先验概率来改善其软输出…直到达到最大的迭代次数迭代停止。

图1 Turbo码嵌入到BICM的系统模型

在第K次迭代译码，来至第一个MAP译码器的后验概率对数似然比可用下面公式表示：

(1)

(2)

其中：

(3)

Λle(ut)是外信息的对数似然比值。

第二个译码器的先验概率可以从外信息的对数似然比值得到：

(4)

在第二次译码阶段，后验对数似然比值计算公式如下：

(5)

(6)

3 接收端译码迭代时序方案

3.1 一种简单迭代时序方案

在简单的迭代时序方案中[10]，两个RSC译码器被当作一个单独的组件。因为它的低复杂性，该方案是一种使用较为广泛的迭代接收机。

简单迭代接收机的时序方案如图2所示。为了简单明了说明迭代过程，任何两个组件之间的交织器和解交织器忽略不画。图中采用的数字表示接收机迭代激活的顺序。

图2 简单迭代时序方案

过程一：对于检测器的每次激活，它需要从第二RSC译码器来获得先验信息从而生成新的软输出作为第一个RSC译码器的输入；

过程二：第一个RSC译码器利用从检测器得到的先验信息来产生更新的软输出。产生的新的软输出的码字和外信息系统(或消息)比特将被传递给第二个RSC解码器；

过程三：第二个RSC译码器将第一RSC译码器提供的先验信息以生成新的软输出码字和外信息系统比特，然后将这些码字和比特传递给检测器；…

与比传统方案[5]相比，该简单方案的误码率性能要差。然而，三个组件每帧总激活数量比传统方案减少了3倍。这是由于明显降低迭代译码次数从而大大减少系统复杂度。

3.2 迭代时序方案

在传统方案的迭代接收端，检测器、RSC译码器1、RSC译码器2被看作是三个独立被激活的组件。在每一次迭代译码过程中，三个组件中任何一个都会从其它两组件中获得最新的先验信息，来产生更加准确的软输出信息。

传统迭代接收机迭代译码方案显示如图3。第K次的迭代接受过程如下：

过程一：检测器从两个译码器中获得码字符号的先验信息，用以得到输出发射符号的估计软信息。

过程二：RSC译码器1从检测器得到码字的先验信息和从译码器2中获得信息比特的先验信息，然后产生一个码字的软输出(此输出传递给检测器)和系统比特外信息(此输出传递给译码器2)。

过程三：译码器2从检测器和译码器1中获取先验信息，来产生更加精确的新的码字和外信息的软输出。分别在传递给检测器和译码器1作为它们的先验信息。

接着在返回到过程一，进行下一次接收迭代。

图3 传统迭代时序方案

3.3 新型迭代时序方案

为了实现前两个方案中误码率性能和计算复杂度的折中，一种新的算法提出。这种新方案的迭代时序：{检测器，RSC1，RSC2，RSC1，RSC2} (第一次接收迭代)；{检测器，RSC1，RSC2，RSC1，RSC2} (第二次接收迭代)；…

新方案的的迭代译码时序如图4.第K次的迭代译码过程如下：

图4 新型迭代时序方案

过程一：在检测器被激活迭代过程中，它利用从译码器2传递过来的先验信息，输出新的软比特信息传递给译码器1.

过程二：译码器1同时利用检测器传来的码字软信息和译码器2传递来的内部信息作为先验信息，输出新的码字软输出和外信息比特。

过程三：译码器2只利用来至译码器的先验信息比特作为输入，然后产生新的软输出。

在接收机每次迭代译码过程中，检测器激活一次，每个译码器激活两次。对于接收端每帧的迭代时序方案，接收机的迭代次数要低于传统迭代时序方案。

4 仿真结果

对于所有的方案，每帧长度都为1540比特，码率1/2。系统的传输环境我们采用BPSK调制，格雷码映射，高斯衰落信道。最大迭代次数为16次。接收端两个RSC译码器的生成器都为[1，5/7]8。

不同方案的性能曲线表示如图5，新型迭代时序方案的不同的迭代次数性能的对比曲线图表示如图6。

图5 不同迭代时序方案性能曲线

图6 新型时序方案不同迭代次数性能曲线

仿真结果表明：在相对较低的信噪比环境中，新方案得到比简单的方案多0.2dB编码增益，但它和简单的方案的计算复杂度差不多。与传统方案相比，每帧数据在相对更高的信噪比情况下，三个组件的总激活次数的可以减少5倍。在这个仿真过程中，大约可以节省40%计算工作量。

5 结论

这篇文章在Turbo码嵌入到BICM的系统中，提出一种新新型迭代时序方案。在该方案中，两个RSC译码器的内部迭代和检测器与译码器之间的外部迭代同时进行。该方案取得了较好的误码率性能和计算复杂度折中。仿真结果证实：在相对较低的信噪比环境中，新方案得到比简单的方案多0.2dB编码增益，但他们有几乎相同的计算复杂性。与传统方案相比，三个组件的总激活次数可以减少到原来5倍，而两个方案几乎具有相同的误码率性能。

[1]Zehavi E.8-PSK trellis codes for a Rayleigh channel[J]. IEEE Trans Commun 1992，40(5)：873-884.

[2]Caire G，Taricco G，Biglieri E.Bit-interleaved coded modulation[J].IEEE Trans Inform Theory，1998，44：927-946.

[3]Mackay D.Good error correcting codes based on very sparse matrices[J].IEEE Trans Inform Theory，1998，44：399-431.

[4]Zhao Wusheng，Fu Yongqing，Lv Qiang.The Turbo Equalization in Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding[C].HIS ’09 Fifth International Conference on Colume 3，2009：489-492.

[5] Yang T，Yuan J.A new scheme in an iterative receiver for a turbo-coded MIMO-BICM[C].2006 IEEE Region 10 Conference，2006：1-4.

[6]Berrou C，Glavieux A，Thitimajshima P.Near Shannon limit error-correcting coding and decoding：Turbo-codes (I)[C]. IEEE Int Conf on Comm ICC，1993：2/3：1064-1071.

[7]Ji-Hoon Kim，In-Cheol Park，Express Briefs.Bit-Level Extrinsic Information Exchange Method for Double-Binary Turbo Codes[J].IEEE Transacions，2009，56(1)：81-85.

[8]Brannstron F，Rasmussen L K，Geant A J.Convergence analysis and optimal scheduling for multiple concatenated codes[J].IEEE Trans Info Theory，2005，51(9).

[9]Vucetic B，Yuan J.Turbo Codes：Principles and Applications[M].Boston：Kluwer Academic Publishers，2000.

[10]Liu Shuyang，Li Jian-ping，Cai Chaoshi.A novel decoding scheme for BICM-ID embedded turbo codes[C].WICOM 2010 International Conference，2010：1-4.

ANewIterativeSchedulingforBICM-IDEmbeddedTurboCodes

WANG Li-yao1，LI Huai-jun2

(1.Communication University of China，Beijing 100024，China；

2.Hebei Branch of National Computer Network and Information Security Management Center，Hebei 050000，China)

In a simple iteration scheme，the two RSC decoders are treated as a single component.The detector only takes the priori information from the second RSC decoder to generate new soft outputs for the first RSC decoder.However，this scheme gets worse BER performance with simple computation complexity.In the conventional iteration scheme，a component takes the priori information provided by the other two components to generate new soft information.However，this scheme has high iterative computation complexity with general BER performance.This paper proposes a new iteration scheduling among the components in the receiver，in which inner iteration between two RSC decoders and outer iteration between detector and decoders are used simultaneously.Simulation results show that the proposed scheme can achieve a good performance and complexity trade-off compared with the simple iteration scheme and the conventional scheme.

bit-interleaved codes modulation(BICM)；iterative；detection；decoding；turbo codes

2013-01-25

王丽耀(1987-)，男(汉族)，山西忻州人，中国传媒大学硕士研究生.E-mail：wangliyao1987@126.com

TN921

A

1673-4793(2013)02-0034-05

(责任编辑：王 谦)