Turbo码应用于机载通信信道编码的研究

王兆伟，王永达，李秉权

（中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041）

Turbo码应用于机载通信信道编码的研究

王兆伟，王永达，李秉权

（中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041）

多媒体业务在军用信息系统中应用广泛，Turbo码由于良好的编译码性能而受到关注，其在低信噪比下仍能获得较好的误码性能，为通信链路的可靠传输提供了良好的保证。通过研究Turbo码在机载通信链路中的适用性，利用Matlab对不同编码参数下的Turbo码性能进行了仿真分析，并选取合适的参数，研究了空空/空地信道模型下的Turbo码性能，对于实现高速率机载通信系统具有重要意义。

Turbo码迭代译码编码帧长机载通信信道编码

1　引言

无线通信系统在传输信息时，除了受到噪声的干扰外，还受到信道衰落的影响，从而产生信息传输错误。在机载通信系统通信中，信道同时存在大尺度衰落与小尺度衰落。大尺度衰落主要类型是自由空间传输衰落，小尺度衰落类型是多径衰落。纠错编码技术在无线通信系统中的作用就是纠正无线传输产生的错误，消除或降低信息传输错误概率。近年来，Turbo码在纠错编码技术研究中的地位越来越重要。移动通信3G和4G标准中都采用Turbo码作为其信道编码[1-2]，而卫星通信中也将Turbo码作为高速率传输的核心技术[3]。传统军用机载战术通信系统的通信速率较低，其信道编码一般采用RS码，研究Turbo码在空空/空地传输中的性能，对于实现高速率机载通信系统具有重要意义。

Turbo码的原始概念最先由文献[4]提出，将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码。它在接近香农极限的低信噪比下，仍能获得较低的误码率，是信道编码技术领域研究的热点[5]。影响Turbo码编码性能的因素比较多，文献[6-10]研究了在AWGN信道下，不同因素对Turbo码纠错性能的影响。然而这些工作在研究某一因素对Turbo码性能的影响时，只分析了该因素限定在某一参数值下的性能曲线。本文针对Turbo码多个影响因素，研究了每个影响因素采用不同参数值条件下Turbo码的性能，对通信系统设计过程中Turbo码参数选取具有指导意义。最后，还在参数分析基础上，选取相应参数，给出了Turbo码在空空/空地信道模型中的性能分析。

本文介绍了Turbo码编码器和译码器的原理构造，将MAP算法作为主要研究算法，基于log-MAP算法分析了多个因素的不同参数选取对Turbo码性能的影响。

图1　Turbo码编码器结构

2　Turbo码编译码原理

2.1Turbo码的编码器结构

典型Turbo码编码器结构如图1所示，由以下3部分组成：

（1）直接信息序列输入部分。

（2）经过分量编码器1编码部分，该部分经过删余单元处理后送入复用器。

（3）先经过交织器交织，然后经分量编码器2编码部分，该部分同样经过删余单元处理后送入复用器。

图1是典型的Turbo码编码器结构，原始信息序列u={u1,u2,…,uN}，经过交织器后形成一个新的序列u'={u1',u2',…,uN'}。交织器只是将原始序列的排列顺序打乱重组，并不改变原始序列内容。原始序列u和新形成的交织序列u'分别经过2个RSC分量编码器，再分别经由删余模块对码率做出调整后，生成校验位序列Xp，与原始信息序列u复用形成Turbo码的编码输出序列X。

2.2Turbo码的译码器结构

Turbo码的译码通常是运用最大似然译码准则，采用迭代译码的方法实现，图2给出了Turbo码的译码器结构。与编码器相对应，译码器包含2个分量译码器（译码器1和译码器2）。并行级联卷积码的反馈迭代类似于涡轮机原理（Turbo），因此称作Turbo码。

图2　Turbo码译码器结构

译码器由2个分量译码器和相应的交织器与解交织器组成，其中分量译码器均采用软输入、软输出译码结构。分接与内插是对接收序列进行处理，其功能与编码器中的删余及复用刚好相反。对数据流进行分接与内插处理后，恢复成删余及复用前的数据结构，然后分别将其送入到相应的分量译码器进行译码。由于2个分量来自于同一个输入信息序列，必然具有一定的相关性，因此在译码器结构中将每个分量译码器的输出作为其它分量译码器的输入，以提高译码的正确性。经过多次迭代后，得到相应的原始信息序列的最佳译码输出序列。

3　仿真结果与分析

3.1仿真流程图

仿真流程图如图3所示：

图3　仿真流程图

整个仿真流程具体如下：

（1）使用随机函数产生“1”、“0”信息比特序列，序列长度可以自由变化。

（2）将步骤（1）生成的“1”、“0”比特序列送入编码器，编码器利用相应的Turbo编码算法生成输出序列。

（3）使输出序列经过信道模型衰落，并加入噪声，得到接收序列。仿真过程中，根据需要可选择不同的信道模型。

（4）将接收序列送入译码器进行迭代译码，得到译码输出序列。

（5）将译码序列与原始信息序列进行比对，统计误码率。

3.2仿真与分析

下面通过仿真实验，分析码率、译码循环迭代次数和编码帧长分别取不同值时对Turbo编码性能的影响。然后选取适当的参数取值，仿真并分析了Turbo码在机载通信系统空空/空地信道中的性能。仿真参数设置具体如下：

译码算法：log-MAP；

生成矩阵：g=[1 1 1;1 0 1]；

编码码率：R=1/2,1/3,1/6,1/10；

迭代次数：1至8次；

帧长：200bit、500bit、1 000bit、2 000bit。

仿真程序利用Matlab语言环境进行软件编程，译码算法为log-MAP算法。

（1）不同码率对Turbo码性能的影响

首先分析不同编码码率对Turbo码性能的影响。以前对Turbo码性能进行研究的工作都是将码率固定在某一码率条件下进行分析。由于空地信道衰落较为严重，本文选取1/2、1/3、1/6和1/10码率，在信噪比（SNR）较低的环境下进行仿真。采用随机交织方式，编码帧长取1 000bit，进行4次迭代译码，误码率仿真结果如图4所示：

图4　不同传输码率对Turbo码性能的影响

从图4可以看出，当信噪比小于-4dB时，4种码率的误码率性能大致相同，误码率较高。从信噪比大于-4dB开始，误码率曲线出现拐点，误码率明显下降；4种码率的性能出现差异，码率降低，误码性能越来越好。在保证误码率为10-4时，1/2码率、1/3码率、1/6码率和1/10码率的正常工作信噪比分别为不小于-0.37dB、-2.13dB、-2.68dB和-2.81dB。1/2码率的性能最差，且随着信噪比增大，与其它码率的误码性能差距越来越大。其次性能较差的是1/3码率，但其与1/6码率和1/10码率的性能差距不大。1/6码率和1/10码率的误码率曲线几乎重合，性能接近，即当码率达到1/6时，通过降低码率来增加冗余信息，误码率性能提高有限。

（2）不同循环迭代次数对Turbo码性能的影响

下面分析不同循环迭代次数对Turbo码误码率性能的影响。采用随机交织方式，编码帧长取1 000bit，传输码率选取1/3，迭代次数分别为1至8次的误码率仿真结果如图5所示（其中画出了1次、2次、3次、4次、7次、8次迭代共6条曲线）：

图5　不同迭代次数对误码率曲线的影响

从图5可以看出，当信噪比小于-4dB时，多种迭代次数的误码率性能大致相同，误码率较高。当信噪比大于-4dB时，曲线开始呈现快速下降的趋势，并且迭代次数越多，下降速度越快，误码率越低。迭代少于2次时性能较差，且与较高迭代次数的性能差距较为明显。当迭代次数大于4次时，几条曲线的误码性能非常接近，尤其是迭代次数超过7次，误码率曲线出现收敛现象，译码器之间信息的交换带来性能的提高很有限，即通过增加分量译码器之间外部信息的交换不再带来明显的性能提高。

（3）不同编码帧长对Turbo码性能的影响

下面分析不同编码帧长对Turbo码误码率性能的影响。采用随机交织方式，传输码率选取1/3，迭代4次，帧长分别为200bit、500bit、1 000bit和2 000bit的误码率仿真结果如图6所示：

图6　不同编码帧长对Turbo码性能的影响

从图6可以看出，当信噪比小于-3dB时，4种帧长的误码率性能大致相同，误码率较高。当信噪比大于-3dB时，误码率曲线快速下降，且编码帧长越长，编码增益越高。当编码帧长大于1 000bit时，在信噪比大于-2dB情况下，误码率均可达到10-5以下。大于1 000bit的编码帧长带来的编码增益有限，且会导致译码延时增大，不便于实时性要求较高传输系统的工程实现。

（4）不同信道下的Turbo码性能分析

机载通信系统空-空通信信道衰落主要类型为自由空间传输衰落，空-地信道衰落主要类型为自由空间衰落和多径衰落。下面分析这2种信道下Turbo码的误码率性能。其中，空地多径信道选取K=0.3和K=3这2种Rician信道模型。采用随机交织方式，编码码率取1/3，帧长取1 000bit，进行4次迭代译码，误码率仿真结果如图7所示。

从图7可以看出，当信噪比小于-6dB时，3条曲线并无太大差异，误码率较高。随着信噪比的逐渐增高，误码率曲线逐渐下降。当信噪比大于-4dB时，空空信道与空地信道（Rician K=0.3）误码率曲线快速下降，信噪比大于0dB，前者误码率达到10-5以下，信噪比大于1dB，后者误码率达到10-5以下。当信噪比大于0dB时，空地信道（Rician K=3）的误码率曲线才出现快速下降，信噪比大于5.4dB，误码率可达到10-5以下。

因此，当前Turbo编码的参数的选取满足机载通信系统在信噪比较低情况下的误码率要求。由于编码帧长和译码迭代次数已经接近收敛状态，如果在电磁环境更差的情况下通信，可选取1/6码率或更低码率提高编码增益，以提高通信可靠性。

图7　不同信道下Turbo码误码率曲线

4　结论

本文介绍了Turbo码的编译码器的组成结构，并且仿真了Turbo编码在不同设计参数下的性能。仿真结果表明：Turbo码在码率为1/3、编码帧长大于1 000bit、迭代次数大于4次的情况下，通过增加冗余信息和编译码复杂度对误码性能改善缓慢，带来的编码增益有限。以上的参数选取，能够满足机载通信系统在信噪比较低情况下的通信指标要求。

[1] 刘鑫,崔嘏,俞赓. Turbo码技术及其在3G中的应用[J]. 现代电子技术, 2003(17): 50-52.

[2] 张英. Turbo码在准4G及级联调制系统下仿真研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2009.

[3] 陈妍妍,刘发林. Ka频段移动卫星系统的Turbo码仿真性能[J]. 计算机仿真, 2006(6): 88-90.

[4] BERROU C, GLAVIEUX A, THITIMAJSHAMA P. Near Shannon limit error correcting coding and decoding: Turbo codes[C]. IEEE ICC, 1993: 1064-1070.

[5] 林丽. AWGN信道下Turbo码性能分析与仿真[J]. 电脑知识与技术, 2011,7(26): 6353-6355.

[6] 冯战,侯孝民,郑海昕,等. 基于CCSDS标准的Turbo码译码性能仿真研究[J]. 无线电工程, 2014(4): 7-9.

[7] 马建,邵朝. Turbo码及其译码算法研究[J]. 西安邮电学院学报, 2010,15(5): 38-42.

[8] 胡晓明,毛远林. Turbo码性能仿真研究[J]. 广西轻工业, 2010(10): 101-102.

[9] 卢辉斌,邓雄. Turbo码的性能分析与仿真[J]. 计算机安全, 2012(3): 7-10.

[10] 蔡梦凡,刘莉. Turbo码中交织器的性能及应用[J]. 移动通信, 2003(27): 77-80.★

王兆伟：工程师，博士毕业于北京交通大学信号与信息处理专业，现任职于中国电子科技集团公司电子科学研究院，从事网络架构及路由协议研究工作。

王永达：助理工程师，学士毕业于桂林电子科技大学通信工程专业，现任职于中国电子科技集团公司电子科学研究院，从事数据链编码技术研究工作。

李秉权：工程师，硕士毕业于北京理工大学通信与信息工程专业，现任职于中国电子科技集团公司电子科学研究院，从事数据链关键技术研究工作。

Research on Application of Turbo Code to Channel Coding of Airborne Communication

WANG Zhao-wei, WANG Yong-da, LI Bing-quan
(China Academy of Electronic and Information Technology, Beijing 100041, China)

With the wide application of multimedia service in military information system, Turbo code draws attention due to its good encoding and decoding performances. Since Turbo code can get better BER performance under low SNR, it provides good guarantee to reliable transmission of communication link. The applicability of Turbo code to airborne communication link was researched. The performance of Turbo code for different coding parameters was simulated and analyzed through MATLAB. Especially, the performance of Turbo code under air-air and air-ground channel models was investigated for appropriate parameters that it is highly significant to high-speed airborne communication system.

Turbo codeiterative decodingcoded frame lengthairborne communicationchannel coding

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.16.011

TN911.22

A

1006-1010(2015)16-0055-05

2015-07-09

责任编辑：袁婷yuanting@mbcom.cn

引用格式：王兆伟,王永达,李秉权. Turbo码应用于机载通信信道编码的研究[J]. 移动通信, 2015,39(16): 55-59.