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AWGN信道下Turbo码解码算法的选择

2022-04-23 来源:榕意旅游网
第26卷第8期 信号处理 Vo1.26. No.8 2010年8月 SIGNAL PROCESSING Aug.2010 AWGN信道下Turbo码解码算法的选择 许 可 万建伟 王玲 (国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073) 摘要:在加性高斯白噪声(AWGN)信道下,采用最大后验概率(MAP)算法的Turbo码解码是误比特率最低的算 法。为了降低运算量实现快速解码,Log—MAP算法、Max-Log—Map算法和线性Max—Log-Map算法分别对MAP算法进行了不 同程度的简化。本文简单介绍了基于MAP算法的Turbo码解码原理,从纠正函数的角度出发归纳和比较了三种MAP类简化 算法,通过纠正函数从理论上对算法性能以及对信噪比估计误差的敏感度进行了分析,对分析结果进行了仿真验证。综合 解码性能和运算量,提出了Turbo码解码的算法选择方案,以及实用,简易的Turbo码解码参数设置建议。 关键词:Turbo码;Log—MAP算法;Max—oLg—MAP算法;线性Max—oLg—MAP算法;信噪比估计误差 中图分类号:TN911.23 文献标识码:A 文章编号:1003—0530(2010)08—1217—05 Turbo-Decoding Algorithm Selection on AWGN Channels XU Ke WAN Jian—wei WANG Ling (College of Electircal Science and Engineering,National Univ. of Defense Technology,Changsha 410073,China) Abstract: For Turbo decoding on the additive white Gaussian noise(AWGN)channel,the optimal lagorithm in term of bit error rate(BER)is symbol by symbol maximum a posteriori(MAP)algoirthm.In order to reduce the computational complexity and to imple— ment the MAP decoding algorithm,a number of simplified MAP—based methods have been proposed recently,e.g.the Log-MAP algo— rithm,the Max Log—MAP algorithm and the linear Max Log-MAP algorithm.This paper introduces the basic principle of MAP—based tur— bo decoding.In addition,by the means of the SO called correction function,these simplified MAP・based approaches are categorized and compared,while the performance and sensitivity to the signal to noise ratio(SNR)ofsets of those simpliifed algoirthms盯e.also theoret— ically investigated.Further,all the results aye veriifed with a number of computer simulations.By considering both the performance and the computational cost,Turbo decoding algorithm selection suggestion as well as a practical and easy parameter configuration are pro・ posed. Key words:Turbo codes;Log—MAP algorithm;Max—Log・MAP algorithm;Linear Max—Log—MAP algorithm;Signal—to・Noise Rati- O estimation error 1 引言 的最优算法;后者将In(e +e )进一步简化为求最大值 操作,运算量大大减小,但在一定程度上牺牲了解码性 1993年C.Berrou等人提出的Turbo码掀起了纠错 能。文献[9]提出的线性Max—Log—MAP算法是以上两 编码领域的一场革命…。由于其解码性能非常接近于 者的折衷,其运算量接近Max—Log—MAP算法,而解码性 Shannon理论极限,Turbo码已成为了第3代高速移动 能接近Log—MAP算法。 通信的信道编码标准之一 。 在加性高斯白噪声(AWGN)信道下,信噪比数值 Turbo码一般采用的是基于最大后验概率(MAP)准 是Turbo解码的重要参数。文献[7,8]研究了信噪比 则的解码算法,这是一种追求误比特率最低的算法 。 估计误差对Log.MAP和Max.Log.MAP算法解码性能的 由于在MAP算法中存在大量形如1n(e +e )的运算,为 影响,并提出了在AWGN信道下Turbo解码的算法选 了降低运算量,文献[6]提出了Log—MAP算法和Max— 择方案。文献[8]的研究表明:Log-MAP算法对信噪比 Log—MAP算法:前者利用雅克比对数方程对ln(e +e ) 估计误差较敏感,而Max—Log.MAP算法和信噪比参数 运算做了等价转换,是在解码性能上等价于MAP算法 无关。 收稿13期:2010年1月14日;修回日期:2010年5月11日 12l8 信号处理 第26卷 本文将主要分析信噪比估计误差对线性Max—Log— MAP算法解码性能的影响,并提出AWGN信道下Tur— bo码解码的算法选择及参数设置的建议。本文第2节 简要回顾Turbo码的解码流程和算法,介绍了Log— MAP,Max—Log.MAP和线性Max—Log—MAP三种算法;第 3节以纠正函数为出发点分析了信噪比估计误差对线 决;第二个输出£苫 ( )称作外部信息,它体现了SISO 解码器扣除£ ‘( )和Y 这两个内部输入后对解码的 “纯贡献”。 := Pr( 1 l observation)> Pr( 0 l observation)< 2.1 Turbo码的解码算法 性Max.Og—LMAP算法的影响;第4节给出仿真结果和 算法选择方案;第5节对全文进行总结。 2 Turbo码解码算法与分类 经典的Turbo码是并行级联卷积码(PCCC),有关 使用MAP算法的SISO解码器存在大量形如In(e +e )的运算,为了减少运算量实现快速解码,一般用 max (・)操作来取代对数运算和指数运算 ,定义如 下: Turbo码的详细原理可以参考文献[10]。Turbo码解码 器由两个软输入软输出(SISO)分量解码器组成,SISO ln(e +e )=max ( ,Y)=max( ,Y)+ (1 x-y 1) (2) 其中max(・)是取最大值操作, (・)称为“纠正函数”。 此时 的后验概率对数似然比为: 解码器中输出和反馈的只是待判决比特位是0或1的 概率。 l , ‘ ( )= 警 { ,[(Y ,yf),S ,s 一I]+ 一。(s 一 )+卢 (s )} 、t I- ‘一t J —mf 、{ 。[(Y , ),S ,S ]+ (s ) (S )} l ^, 一l J (3) s 表示编码器在k时刻的状态, ,』B和 分别被称为 前向状态度量,后向状态度量和分支度量。 图1 SISO解码器 (S )= a)( { 。[(Y ,Y ),s ,5 一 ]+ 一 (s 一 )}(4) 1tl, 图1描述了SISO解码器的输入输出和运作流程, =卢 (S )=max 、u“1,‘ [(y s,yf+。),S ,S川] 川(S )} (5) ( :, :)和Y =(Y , )分别表示k时刻传递和收到 ,的信息码和校验码。第一个输入Y 来自AWGN信道 输出;第二个输入 ‘( )来自SISO解码器的反馈,代 表了信息码 :取0或1的先验概率;第一个输出 ( )代表了 取0或1的后验概率,根据最大后验 [(y ,y ),5 ,5 一 ]: ), ( )+j : ( s ,S ) (J U +InPr{5 I Js } (6) 在计算 的过程中,InPr{S l s }代表了 的先验概 率对数似然比, 概率准则我们可以用公式(1)来对 进行0或1的判 l Pr{S }= ‘ )一In( +e%¨ ),g(铲s l s ,s )= (7) 【一In(1+e h ), 后的结果。 g( s 0 f Sk,S )= 代人公式(6)和(8): Sk,S ]:lyi s ( )+ —Ti[(),s), , 外部信息 ( )是SISO解码器对Turbo迭代解 码过程的“纯贡献”,是扣除内部输入 ( s )和Y 影响^ f(iS ,S ) ,ol P {s J sor +。Rl。 —r}  .r1(9)。,  (10) ( )=LT-( )_ /-ys 一 ( s) (8) ( ): ( )一— 一 ( s ) -如果假设符号能量E为 ,噪声为双边带,码率为 1/2,信噪比EJNo=1/o" 。在信噪比未知情况下,需要 对噪声方差 (或信噪比1/tr )进行估计,将估计值 。 由此可以看出 由于使用估计值3z引起的信噪比 (1/ )估计误差对 ( s )和 ‘( s )的计算有着重 ,要的影响。 1220 信号处理 第26卷 数据帧长度为1024比特,码率r=1/2。用 表示 AWGN信道的真实信噪比, 表示实际使用的信噪比, 图3显示了 分别为ldB,1.5dB和2dB时三种解码算 法在5次迭代后的误比特率。横坐标原点表示当前信 噪比估计值和真实值相同( 一y=0),原点以右表示高 估信噪比( 一y>0),原点以左表示低估信噪比( 一y< 0)。 10 ̄ 10"’ 瓣10": 嚣 丑 10- l0 .6 .4 —2 0 2 4 6 信噪比偏差(dB) 图3信噪比估计误差对解码算法性能的 影响,1024比特,5次迭代 从图3可以看出:对于Log—MAP算法而言,高估信 噪比不会太影响解码性能,但信噪比的低估会很快带 来解码性能的极大下降,或者我们可以认为低估信噪 比更加“危险”;对于Max—Log—MAP算法而言,解码性 能与信噪比数值无关,它的误比特率曲线是一条直线; 对于线性Max。Log.MAP算法而言,其解码性能和对信 噪比估计误差的敏感程度都介于Log—MAP算法和 Max.Log.MAP算法之间,仿真结果证实了前一节的理 论分析。 文献[8]提出了AWGN信道下Turbo码解码算法 的选择方案:当信噪比时变或不好估计时应该选用 Max.Log.MAP算法;当信噪比不变或缓变时应该使用 Log-MAP算法,并采用“设计点”的信噪比作为解码 参数。所谓设计点法,就是选取误比特率曲线上当误 比特率为l0~,10 或10“时候的信噪比作为LOg—MAP 算法的解码参数输入。这种方案的缺点在于:第一、 在实际情况下设计点的信噪比数值会随着帧长,生成 矩阵和码率等参数变化,需要一段训练数据才能知道 设计点的位置;第二、当真实信噪比在变化时,设计点 及其对应的信噪比参数也是随之变化的;第三、由于 非线性纠正函数的引入,LOg—MAP算法的运算量偏 大。 图3的结果与文献[7]得出的结论是一致的,即适 当低估信噪比会对Log。MAP算法的解码性能有微量提 升。文献[11]进一步提出这个低估的数值应该为一y, 相当于始终使用0dB作为信噪比估计值。本文将文献 [11]提出的结论推广到线性Max.Log.MAP算法,并进 行了仿真分析。图4和图5显示了将Log—MAP算法和 线性Max—OLg—MAP算法的输入信噪比固定为0dB时的 误比特率曲线,图4数据帧长度为1024比特,图5的数 据帧长度为128比特。 褂 # 丑 信噪tL(dn) 图4设定信噪比恒为OdB时的误比特率曲线,1024比特,5次迭代 图5没定信噪比恒为0dB时的误比特率曲线,128比特,5次迭代 从图4和图5可以看出:对于线性Max—oLg.MAP 算法而言,将信噪比估计值 固定为0dB时与使用准 确参数( = )时的解码性能非常接近。相比于Log— MAP算法,线性Max.Log.MAP算法的优点在于:第 一、在几乎拥有相同解码性能的前提下,线性Max— Log。MAP算法的运算量小于Log—MAP算法,有利于 Turbo码解码的硬件实现;第二、从对信噪比估计误差 敏感度考虑,线性Max—oLg—MAP算法比Log-MAP算 法更鲁棒。 在综合考虑解码性能和对信噪比误差敏感度的情 况下,在AWGN信道下Turbo码解码算法应以如下方 案来选择解码算法和设置解码参数: 第8期 许可等:AWGN信道下Turbo码解码算法的选择 1221 ・ 当AWGN信道信噪比不变或者缓变时,建议Turbo 码解码器选择线性Max—Log—MAP算法,并设定输人参 数 恒为0dB。 [6] ROBERTSON P.,HOEHER P.,et a1.Optimal and Sub— Optimal Maximum A Posteriori Algorithms Suitable for Turbo Decoding[J].European Transactions on Telecom. 1997,8(2):119—125. ・ 当AWGN信道信噪比时变或者不好估计时,建议 Turbo码解码器选择Max-Log—MAP算法。 [7] SUMMERS T.,WILSON S.SNR Mismatch and Online Estimation in Turbo Decoding[J].IEEE Transactions on 5结束语 [8] Communications,1998,46(4):421—423. WORM A.,HOEHER P.,et a1.Turbo—decoding without 本文利用纠正函数分析了Log—MAP,Max—Log—MAP SNR Estimation『J].IEEE Communications Letters, 和线性Max—oLg.MAP这三种算法的解码性能和对信噪 比估计误差的敏感性,并对分析结果进行了仿真验证。 针对不同时变特性的AWGN信道,在综合考虑解码性 能和对信噪比估计误差敏感性的基础上,提出了Turbo 码解码的算法选择及参数设置方案。该方案不仅能保 证解码性能和有利于Turbo码解码的硬件实现,而且输 入参数简单易得。 参考文献 『1] BERROU C.,GLAVIEUX A.,et a1. Near Shannon Limit Error—Correcting Coding and Decoding:Turbo— Codes(1)『C].IEEE Int.Conf.on Communications, 1993,1064—1070. [2]LEE L.,HAMMONS A.,et a1.Application and Stand— ardization of Turbo Codes in Third・-Generation High・-Speed Wireless Data Services『J 1.IEEE Transactions on Ve— hicular Technology,2000,49(6):2190—2207. [3] 3rd Generation Partnership Project,Technical Speciifca— tion Group,Radio Access Network,Working Group 1, Multiplexing and Channel Coding(FDD)Release 5.0 [S].3GPPTS 25.212,2002,http:///www.mumor.ors/ public/background/25212—500.pdf. [4] Introduction to for CDMA2000 Standards for Spread Spec— trum Systems[S],TIA/EIA/IS-2000.1一A,2000,http: ff tiaonline.org/standards/technology/cdma2000/ documents/TIA—EIA・IS一2000—1一A.pdf. [5] BAHL L.,COCKE J.,et a1.Optimal Decoding of Linear Codes for Minimizing Symbol Error Rate[J].IEEE Transactions on Information Theory 1974,284—287. 2000,4(6):193・195. [9] TALAKOUB,S.,SABETI L.,et a1.An Improved Max・ Log—MAP Algorithm for Turbo Decoding and Turbo Equal— ization『J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2007,56(3):1058—1063. [10] SKLAR,B.A Primer on Turbo Code Concepts[J]. IEEE Communications Magazine,1997,35(12):94— 102. LEE,K.,Lee H.,et a1.A New Channel Reliability Val— ue for Iterative MAP Turbo Decoder[C .IEEE Interna— tional Conference on Wireless&Mobile Computing.Net— working&Communication.2008.333・334. 作者简介 许可(1982.),男,生于四川I乐山, 现为国防科技大学电子科学与工程学院 博士研究生,主要从事统计信号处理,数 字通信等方面的研究。 E—mail:xuke@nudt.edu.on 万建伟(1964一),男,生于江西南昌, 博士,国防科技大学电子科学与工程学院 教授,博士生导师,主要从事现代信号处 理研究。 E—mail:kermitwjw@139.con 王玲(1965一),女,生于河南郑州,博士,国防科技大学 电子科学与工程学院副教授,硕士生导师,主要从事传感器 网络研究。 

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