摘 要: 提出了一類新的串行級(jí)聯(lián)卷積碼解碼算法中外信息交換方法,并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法比較了它與傳統(tǒng)外信息交換方法的性能表現(xiàn),顯示了它的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞: 串行級(jí)聯(lián)卷積碼(SCCC) MAP算法 外信息交換
1993年,C.Berrou提出了Turbo Code(并行級(jí)聯(lián)卷積碼)這一全新的編碼方式,得到了逼近香濃極限的誤碼性能表現(xiàn)。之后,許多學(xué)者對(duì)這種新型的碼作了大量的研究,對(duì)它進(jìn)行了多方面不斷的改進(jìn),最大可能的挖掘它的糾錯(cuò)潛力。在分量碼解碼上分別出現(xiàn)了MAP、SOVA、Log-MAP、Max-Log-MAP等算法;分量碼的選擇上有卷積碼、RS碼、線性分組碼等;解碼結(jié)構(gòu)有C.Berrou結(jié)構(gòu)和P.Robertison結(jié)構(gòu)。1996年,S.Benedetto把“Turbo”的解碼概念引入傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)碼中得到了一類SCCC(串行級(jí)聯(lián)卷積碼),在文獻(xiàn)[1][2]中分別給出了理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果,認(rèn)為SCCC有著比Turbo Code更優(yōu)越的性能表現(xiàn)。本文的重點(diǎn)不在于這兩者之間的比較,而是通過(guò)改變SCCC解碼算法過(guò)程中的外信息交換方式使其性能有更進(jìn)一步的提高。
1 SCCC的編解碼結(jié)構(gòu)
類似于Turbo Code,SCCC碼編碼器也是由分量碼編碼器和交織器組合而成,只是結(jié)構(gòu)上有區(qū)別。圖1是它們的示意圖。
圖1中SCCC碼的速率為1/3。一般的,編碼器1是普通的非系統(tǒng)非遞歸卷積碼,稱為外碼;編碼器2是系統(tǒng)遞歸卷積碼,稱為內(nèi)碼。編碼器1以1/2速率進(jìn)行編碼,輸出碼字經(jīng)過(guò)交織器作為信息碼字輸入編碼器2進(jìn)行2/3編碼。有時(shí),為了得到高速率的碼,在兩個(gè)編碼器之間會(huì)加入一個(gè)穿孔器。
S.Benedetto在文獻(xiàn)[2]中給出了基于SISO的SCCC解碼器結(jié)構(gòu),如圖2所示。
圖2中SISO是分量碼的解碼器,具體的解碼算法可以是MAP、Log-MAP、Max-Log-MAP、SOVA等。本文中使用的是MAP算法。P(U;I)是輸入信息字似然值,P(C;I)是輸入碼字似然值,P(U;O)是輸出信息字似然值,P(C;O)是輸出碼字似然值。從圖中可以看出,SCCC碼的解碼結(jié)構(gòu)是一種非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。所以在解碼的過(guò)程中分量碼解碼器的功能會(huì)有所不同。SISO1是內(nèi)碼解碼器,它接收解調(diào)器輸出作為碼字似然值的輸入,結(jié)合外信息進(jìn)行解碼;輸出信息字似然值通過(guò)解交織器作為外信息量輸入給SISO2——外碼解碼器的輸入碼字似然值端口,輸出碼字似然值再回環(huán)給SISO1作為外信息量。下面給出SISO內(nèi)的解碼算法和兩種不同的外信息量計(jì)算方式。
2 兩種不同的外信息量計(jì)算方式
P.Robertson在文獻(xiàn)[3]中詳細(xì)地論述了MAP算法,我們這里就不再重復(fù),只是給出了在推導(dǎo)過(guò)程中要用到的一些公式:
定義
其中Rk是接收碼字,不妨設(shè)Rk=(xk,yk),αk(m)是前向迭代系數(shù),βk(m)是后向迭代系數(shù)。這里要特別一提的是對(duì)SISO1來(lái)講Rk是接收的解調(diào)器輸出;對(duì)SISO2來(lái)講Rk是SISO1的解碼輸出,是Uk的重新組合。為了論述方便,這里不加以區(qū)分,由前所述,兩個(gè)分量碼解碼器的功能不一樣。對(duì)SISO1,我們關(guān)心的是它的輸出信息字似然值:
當(dāng)輸入外信息Z1(k)作為先驗(yàn)概率代入計(jì)算公式時(shí)(4)式中的L(uk)可表示為:
(5)式中的第一項(xiàng)作為本次解碼產(chǎn)生的外信息量傳給SISO2。實(shí)際上,對(duì)SISO2來(lái)講,接收的是碼字序列,它在計(jì)算輸出信息字似然值的同時(shí),要進(jìn)行碼字似然值的刷新。即要計(jì)算輸出碼字似然值:
其中wt是本次解碼增加的信息量,σ12是所估計(jì)的方差,mt是所估計(jì)的均值。從分析可以看出,wt完全是由內(nèi)碼的編碼約束產(chǎn)生的。在迭代的初期,隨著迭代次數(shù)的增加wt應(yīng)該是遞增的。但如果迭代是收斂的,wt應(yīng)該趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。我們認(rèn)為,怎樣從L(tk)中抽取一個(gè)合適的量作為本次迭代產(chǎn)生的外信息量決定了解碼算法的性能。文獻(xiàn)[2]中把wt作為外信息量傳給SISO1,而SISO1直接把wt作為先驗(yàn)信息代入本次迭代,我們稱之為簡(jiǎn)單交換法。文獻(xiàn)[2]中仿真的結(jié)果都是在長(zhǎng)幀和低信噪比的情況下得到的,性能要比PCCC好,很重要的一點(diǎn)是消除了(或者說(shuō)是降低了)PCCC的錯(cuò)誤平臺(tái)效應(yīng)。但在我們要尋找一種更適合實(shí)際應(yīng)用、幀長(zhǎng)較短的SCCC碼的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)短幀SCCC碼在信噪比較高的時(shí)候,迭代算法有不收斂的現(xiàn)象。即在迭代次數(shù)增加的時(shí)候,誤碼率反而會(huì)增加。分析認(rèn)為,解碼算法中把SISO2的輸入認(rèn)為是高斯分布的,解碼中要進(jìn)行均值估計(jì)和方差估計(jì)。由于幀長(zhǎng)較短,估計(jì)中造成一定的偏差,幾次迭代以后,分布會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致估計(jì)的進(jìn)一步偏差,導(dǎo)致wt收斂過(guò)程中的波動(dòng)現(xiàn)象。這要求外信息的交換方法能夠抑制單次外信息對(duì)迭代過(guò)程的影響。我們提出一種平均交換法,即SISO2把wt傳給SISO1,而SISO1把歷次的wt進(jìn)行平均后作為本次迭代的先驗(yàn)信息。
3 計(jì)算機(jī)仿真
計(jì)算機(jī)仿真主要是比較兩種方法下wt的收斂過(guò)程。其實(shí)就是在不同SNR的情況下BER隨迭代次數(shù)的增加而變化的情況。包括收斂速度的快慢、收斂的穩(wěn)定性、是否有正反饋等。同時(shí),比較兩種方法能達(dá)到的糾錯(cuò)性能下限,以確定那種方法更有糾錯(cuò)潛力可挖。
仿真在AWGN信道進(jìn)行,SCCC碼的編碼速率是1/4。外碼采用1/2的非系統(tǒng)非遞歸卷積碼,約束長(zhǎng)度為3,編碼多項(xiàng)式為(5,7);內(nèi)碼為1/2的系統(tǒng)遞歸卷積碼,約束長(zhǎng)度為4,反饋多項(xiàng)式為015,前饋多項(xiàng)式為017;交織器采用比特翻轉(zhuǎn)交織器;一幀的信息比特長(zhǎng)度是690,外碼加2個(gè)尾比特,則交織器的長(zhǎng)度為1384,內(nèi)碼編碼不加尾比特,則編碼后的長(zhǎng)度是2768。因?yàn)槭窃贏WGN信道,仿真中沒(méi)有用到信道交織。它的編碼示意圖如圖3所示。
下面圖4、圖5分別是信噪比為1.5dB和2.0dB交換方式的誤碼率隨迭代次數(shù)的變化曲線。
從圖中可以看到,當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到一定的門限時(shí)(1.5dB時(shí)為5次;2.0dB時(shí)為4次),迭代次數(shù)的增加對(duì)誤碼率的降低已無(wú)明顯的效果。但總的來(lái)說(shuō),沒(méi)有正反饋的現(xiàn)象。同時(shí)我們看到,在相同的信噪比下,平均交換方式的糾錯(cuò)能力要比簡(jiǎn)單交換方式好。
圖6、圖7分別是信噪比為2.5dB和3.0dB交換方式的誤碼率隨迭代次數(shù)的變化曲線。
從圖中可以看出,在大信噪比的時(shí)候,通過(guò)很少的迭代次數(shù)(3次)就能達(dá)到很好的誤碼率。在實(shí)際應(yīng)用中有利于實(shí)時(shí)的解碼處理。但簡(jiǎn)單交換方法存在嚴(yán)重的正反饋現(xiàn)象。相比而言,平均交換方法要好多了,特別是在2.5dB的時(shí)候,已無(wú)正反饋現(xiàn)象。但在更大信噪比的時(shí)候,還是有一定的正反饋存在。同樣,平均交換方式的糾錯(cuò)性能下限要比簡(jiǎn)單交換方式好一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。
從前面的分析可以看出,平均交換在誤碼性能上要比簡(jiǎn)單交換好。在小信噪比的時(shí)候,兩者都無(wú)正反饋現(xiàn)象。在大信噪比的時(shí)候,兩種方法都經(jīng)過(guò)較少次數(shù)的迭代就能得到較好的誤碼率,有利于實(shí)際應(yīng)用;缺點(diǎn)是兩者都存在正反饋現(xiàn)象(特別是在3.0dB時(shí))。很重要的一點(diǎn)是,外信息平均交換方法提供了一個(gè)比簡(jiǎn)單交換方法優(yōu)越的誤碼率性能下限,更有糾錯(cuò)潛力可挖。當(dāng)結(jié)合采用動(dòng)態(tài)迭代方法,及時(shí)檢測(cè)到正反饋的發(fā)生而終止迭代過(guò)程時(shí),平均交換方式是一種非常好的方法。
參考文獻(xiàn)
1 S.Benedetto,D.Divsalar,G.Montorsi, F.Pollara.A Soft-Input Soft-Output Maximum A Posteriori(MAP) Module to Decode Parallel and Serial concatenated Codes.TDA Progress Report,1996;(15):42~127
2 S.Benedetto,D.Divsalar,G.Montorsi,and F.Pollara.Serial concatenation of Interleaved Codes: Performance Analysis, Design, and Iterative Decoding.TDA Progress Report, 1996;(15):42~126
3 J.Hagenauer,P.Robertson.Iterative (″TURBO″) Decoding of Systematic Concolutional Codes with the MAP and SOVA Algorithms.