CN101523734B - 用于turbo编码的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于turbo编码的方法和装置。提供了一种使用turbo码来编码对信息位流的装置。所述装置包括用于产生临时位流的临时位生成器、用于独立地接收所述信息位流和所述临时位流的交织器、用于独立地接收所述信息位流和临时位流并且生成第一奇偶校验位流的第一组成编码器，以及用于接收所述交织器的输出并且生成第二奇偶校验位流的第二组成编码器。在不改变码率的情况下，通过使解码位流更长，能够提高turbo码的性能。

Description

用于turbo编码的方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通信，并且特别涉及用于turbo编码的方法和装置。
背景技术
在无线通信系统中，通过各种传播路径传送数字信号。此外，从诸如光盘(CD)或数字多功能光盘(DVD)的记录介质再现数字信号。由于通过各种信道被传送和再现时的噪声或失真，数字信号可能包括各种数据错误。
用于纠错的一种技术是纠错编码。纠错编码将附加码添加到数据，使得在数据中包括错误的时侯，来恢复正确的数据。
Turbo码是一种纠错编码。常规的turbo码对于单个输入使用双二进制递归系统卷积码。与每次处理一个输入的常规turbo码不同，又提出了每次同时处理多个输入的非二进制turbo码。可参考Proc.Inf.Theory Workshop，Cairns，Australia，sep.2001，pp.61-63，C.Berrou，M.Jezequel，C.Douillard和S.Kerouedan的“The advantages of non-binaryturbo codes(非二进制turbo码的优势)”作为非二进制turbo码的示例。
由于非二进制turbo码比起常规turbo码所具有的优势，已经将非二进制turbo码之一的双二进制turbo码用作数字视频广播-经由卫星的回传信道(DVB-RCS)的ETSI 301 790和IEEE(电气电子工程师学会)802.16-2004章8.3.3.2.3的标准。在以上标准中，二进制turbo码也被称为卷积turbo码。
码率(code rate)可以被定义为信息位流的长度除以编码位流的长度。例如，如果编码位流的长度为30并且信息位流的长度为10，则码率为三分之一。
信息位流越长，编码位流就变得越长，并且提高了turbo码的性能。如果在码率保持不变时确定了信息位流的长度，则也就确定了编码位流的长度。给定码率，限制了改善turbo码的性能。
因此，存在这样的需要，以给定的码率在不增加编码位流长度的情况下，改善turbo码的性能。
发明内容
技术问题
本发明通过使用临时位来提供用于turbo编码的方法和装置。
技术方案
一方面，提供了使用turbo码来编码信息位流的装置。所述装置包括：用于产生临时位流的临时位生成器、用于独立接收信息位流和临时位流的交织器、用于独立接收信息位流和临时位流并且生成第一奇偶校验位流的第一组成编码器、以及用于接收交织器的输出并且生成第二奇偶校验位流的第二组成编码器。
另一方面，提供了使用turbo码来编码信息位流的方法。所述方法包括：生成不依赖于信息位流的临时位流，以及通过编码信息位流和临时位流来生成奇偶校验位流。
优良效果
在不改变码率的情况下，通过使解码位流更长，能够提高turbo码的性能。另外，通过不依赖于信息位流而生成临时位流并且允许临时位流影响turbo编码位流的生成，能够提高turbo码的可靠度。
附图说明
图1为示出通信系统的方框图。
图2为示出根据本发明一个实施例的编码装置的方框图。
图3为示出根据本发明另一实施例的编码装置的方框图。
图4为示出根据本发明又一实施例的编码装置的方框图。
图5为示出根据本发明一个实施例的解码装置的方框图。
图6为示出嵌入接收到的系统位流中的临时位流的示意图。
图7所示为比较本发明的仿真结果和常规技术的仿真结果的图表。
图8为示出根据本发明又一实施例的编码装置的方框图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。另外，在说明本发明实施例的附图中，具有相同功能的要素将会用相同的附图标记和细节表示，其后将不被重复。
本技术能够被用于下行链路或上行链路。下行链路指的是从基站(BS)到移动站(MS)的通信，而上行链路指的是从MS到BS的通信。一般地，BS对应于与MS进行通信的固定站，BS能够被称为节点B、基站收发系统(BTS)、接入点等等。MS对应于固定站或移动站，MS可被称为用户设备(UE)、用户终端(UT)、订户站(subscriberstation)、无线设备等等。
图1是示出无线通信系统的方框图。无线通信系统被广泛地部署用以提供各种通信服务，诸如语音、分组、数据等等。
参考图1，无线通信系统包括发射器100和接收器200。在下行链路中，发射器100可以是BS的一部分，并且接收器200可以是MS的一部分。在上行链路中，发射器100可以是MS的一部分，并且接收器200可以是BS的一部分。BS可包括多个接收器和发射器。MS可包括多个接收器和发射器。
发射器100包括循环冗余校验(CRC)编码器110、信道编码器120、调制器130和传输电路140。
CRC编码器110把用于检测错误的CRC位添加到输入数据。输入数据能够包括文本、语音、图像或其他数据。
信道编码器120对输入数据进行编码以形成编码位。信道编码器能够执行turbo编码。
调制器130调制编码位。能够使用任意调制方案，并且能够使用m-正交移相键控(m-PSK)或m-正交调幅(m-QAM)。例如，m-PSK能够为二进制PSK(BPSK)、正交PSK(QPSK)或8-PSK。m-QAM能够为16-QAM、64-QAM或256-QAM。
传输电路140把调制的数据转换为模拟信号，并且通过发送天线190把转换的模拟信号传送到一个或多个接收器200。
接收器200包括接收电路210、解调器220、信道解码器230和CRC解码器240。接收电路210把通过接收天线290接收到的模拟信号转换为数字信号。解调器220解调数字信号，并且信道解码器230对解调的数字信号进行解码。信道解码器230能够执行turbo解码。CRC解码器240确认在解码数据中是否检测到了错误。
如果检测到了错误，接收器200能够请求发射器100重新传送数据。响应于重新传送请求，发射器100重新传送数据，并且接收器200再次确认在重新传送的数据中是否检测到了错误。这被称作混合自动重复请求(HARQ)。对于HARQ，接收器200能够进一步包括传输电路(未示出)，并且发射器100能够进一步包括接收电路(未示出)。
接收器200能够把信道质量指示符(CQI)传送到发射器100。接收器200通过CQI反馈信道状态，并且发射器100能够根据CQI自适应地改变调制和编码方案。这被称为自适应调制和编码(AMC)方案。对于AMC方案，接收器200能够进一步包括传输电路(未示出)，并且发射器100能够进一步包括接收电路(未示出)。
下文中，描述用于使用turbo码来进行编码和解码的技术。信息位指的是未被编码的数据，并且编码位指的是被编码的数据。
图2为示出根据本发明一个实施例的编码装置的方框图。
参考图2，编码装置300包括临时位生成器310、交织器320、第一组成编码器330、第二组成编码器340和复用器350。
临时位生成器310生成临时位流，该临时位流的长度与信息位流的长度相同。临时位生成器310不依赖于信息位流而生成临时位流。临时位对于编码装置100和解码装置(未示出)二者都是已知的，并且产生临时位的规则或顺序不受限。例如，临时位生成器310能够重复生成具有值‘0’的临时位。作为替换，临时位生成器310能够重复生成具有值‘1’的临时位。临时位生成器310能够重复生成具有值‘01’的临时位。
信息位流变成系统位流X。该系统位流是信息位流的副本。在系统位流中不包括由临时位生成器310生成的临时位流。由于临时位流是编码装置100和解码装置之间的先前已知的位流，所以不需要传送临时位流。
能够使用各种方法使得不把临时位流包括在系统位流内。例如，临时位生成器310的输出可以不与复用器350的输入连接。作为替换，虽然将临时位生成器310的输出与复用器350的输入连接，但是在复用器350中，临时位流可被删截(punctured out)。另外，可以在临时位生成器310和复用器350之间安装附加的临时位移除器(未示出)。
交织器320将信息位流与临时位流交织。交织器320不依赖于信息位流而接收临时位流。交织器320接收作为第一输入的信息位流和作为第二输入的临时位流。
第一组成编码器330对信息位流和临时位流进行编码，并且生成奇偶校验位流Y1。第一组成编码器330不依赖于信息位流而接收临时位流。第二组成编码器340对从交织器320输出的成对的位流进行编码，并且生成第二奇偶校验位流Y2。第一组成编码器330和第二组成编码器340可以具有相同的双二进制递归系统卷积码结构。
虽然第一组成编码器330和第二组成编码器340分别提供一个第一奇偶校验位流Y1和一个第二奇偶校验位流Y2，但是第一组成编码器330和第二组成编码器340所提供的奇偶校验位流的数量是不受限制的，并且能够生成两个或多个奇偶校验位流。
复用器350复用系统位流、第一奇偶校验位流和第二奇偶校验位流。复用器350接收系统位流X、第一奇偶校验位流Y1和第二奇偶校验位流Y2，并且在每单位时间生成串行编码位流(turbo编码位流)。复用器350能够根据期望的码率对第一奇偶校验位流或第二奇偶校验位流进行删截(puncturing)。
临时位生成器310生成临时位流，该临时位流的长度与信息位流的长度相同。信息位流成为系统位流X并被输入到交织器320和第一组成编码器330二者中。临时位流不依赖于信息位流而被输入到交织器320和第一组成编码器330二者中。信息位流和临时位流的每一个被逐位地依次输入到第一组成编码器330和交织器320中。
第一组成编码器330接收信息位流和临时位流，并且输出第一奇偶校验位流Y1。信息位流和临时位流经由交织器320被输入到第二组成编码器340中，并且第二组成编码器340输出第二奇偶校验位流Y2。复用器350接收系统位流X、第一奇偶校验位流Y1和第二奇偶校验位流Y2，并且输出编码位流。
根据如上所述配置的编码装置300，一个系统位X对应一个信息位。第一奇偶校验位流Y1对一个信息位和一个临时位分配一个位，并且第二奇偶校验位流Y2也对一个信息位和一个临时位分配一个位。所以，如果假设信息位流的长度为n，则编码位流的长度为3n，该编码位流长度为系统位流X、第一奇偶校验位流Y1和第二奇偶校验位流Y2的总和。因此，码率为三分之一。
然而，经过删截(puncturing)或通过建立多个附加奇偶校验位流，能够改变码率。例如，如果复用器350对第二奇偶校验位流Y2进行删截，则码率变为一半。如果第一组成编码器330生成两个第一奇偶校验位流Y1和W1，并且第二组成编码器340生成两个第二奇偶校验位流Y2和W2，则码率变为四分之一。
临时位流不依赖于信息位流被生成并被输入到交织器320和第一组成编码器330中。通过基于交织器320的交织方案来选择有效临时位流，能够提高交织增益。另外，临时位流对第一奇偶校验位流和第二奇偶校验位流二者都有影响。由于信道条件对临时位流的影响一般比较小，所以能够提高turbo编码位流的可靠度。
图3为示出根据本发明另一实施例的编码装置的方框图。
参考图3，编码装置400包括临时位生成器410、交织器420、第一组成编码器430和第二组成编码器440。编码装置400实现图2的第一组成编码器330和第二组成编码器340。
将临时位生成器410和交织器420配置为执行与图2的临时位生成器310和交织器320相同的功能。
第一组成编码器430对信息位流和由临时位生成器410生成的临时位流进行编码，并且输出第一奇偶校验位流Y1。第一组成编码器430包括三个串联连接的延迟433a、433b和433c以及四个模2加法器436a、436b、436c和436d。
每个延迟433a、433b和433c的初始状态为‘0’。如果信息位流和临时位流被输入，则第一模2加法器436a对信息位、临时位、第一延迟433a的输出位和第三延迟433c的输出位执行模2加法，并且向第一延迟433a提供模2加法的结果。第二模2加法器436b对第一延迟433a的输出位和临时位执行模2加法，并且向第二延迟433b提供模2加法的结果。第三模2加法器436c对第二延迟433b的输出位和临时位执行模2加法，并且向第三延迟433c提供模2加法的结果。第四模2加法器436d对第一模2加法器436a的输出位、第二延迟433b的输出位和第三延迟433c的输出位执行模2加法。第四模2加法器的输出成为第一奇偶校验位。因此，第一奇偶校验位的多项式为1+D2+D3。
第二组成编码器440对两个交织的位流进行编码，并且输出第二奇偶校验位流Y2。第二组成编码器440包括三个串联连接的延迟443a、443b和443c以及四个模2加法器446a、446b、446c和446d。第二组成编码器440以和第一组成编码器430相同的方式进行操作。因此，第二奇偶校验位的多项式为1+D2+D3。
图4为示出根据本发明又一实施例的编码装置的方框图。
参考图4，编码装置500包括临时位生成器510、交织器520、第一组成编码器530和第二组成编码器540。编码装置500与图3的编码装置400不同，因为第一组成编码器530和第二组成编码器540的每一个都输出两个奇偶校验位流。
第一组成编码器530输出两个第一奇偶校验位流Y1和W1。第一奇偶校验位流的第一位流Y1的多项式为1+D2+D3。模2加法器536e对第一模2加法器536a的输出位和第三延迟533c的输出位执行模2加法。因此，第一奇偶校验位流的第二位流W1的多项式为1+D3。
第二组成编码器540输出两个第二奇偶校验位流Y2和W2。第二奇偶校验位流的第一位流Y2的多项式为1+D2+D3。此外，第二奇偶校验位流的第二位流W2的多项式为1+D3。
由于对一个信息位流X生成四个奇偶校验位流，所以码率为五分之一。
图5为示出根据本发明实施例的解码装置的方框图。
参考图5，解码装置600包括临时位嵌入器610、turbo解码器630和临时位移除器650。解码装置600的输入包括接收到的系统位、接收到的第一奇偶校验位和接收到的第二奇偶校验位，这些都是通过解调接收到的信号而检测到的。接收到的系统位对应从编码装置300输出的系统位。接收到的第一奇偶校验位对应从编码装置300输出的第一奇偶校验位，并且接收到的第二奇偶校验位对应从编码装置300输出的第二奇偶校验位。
输入到解码装置600的每个值均为从信道接收到的位的软值(softvalue)。接收到的系统位指的是从信道接收到的系统位的软值，接收到的第一奇偶校验位指的是从信道接收到的第一奇偶校验位的软值，并且接收到的第二奇偶校验位指的是从信道接收到的第二奇偶校验位的软值。
临时位嵌入器610将临时位流嵌入接收到的系统位流。嵌入的临时位流与由编码装置的临时位生成器生成的临时位流相同。嵌入值为临时位的软值。其中嵌入有临时位流的位流被称为解码位流。
turbo解码器630包括两个组成解码器631和632、两个交织器633和634以及解交织器635。
turbo解码器是按重复方式进行操作的一般turbo码解码器。第一组成解码器631和第二组成解码器632分别对应编码装置的第一组成编码器和第二组成编码器。第一组成解码器631对输入的解码位流和接收到的第一奇偶校验位流进行运算，并且为1或0的每个数据位产生概率估计。该概率估计与接收到的第二奇偶校验位流和交织的解码位流一起被输入到第二组成解码器632。重复这一过程，直至完成预定数量的迭代或满足预定的误码率(BER)。在完成重复之后，硬判决单元636对软值做出判决并且输出位数据。
临时位移除器650把临时位流从输出自turbo解码器630的位数据流中移除。如果临时位流被移除，则原始信息位流被重建。
最大后验概率(MAP)算法能够被应用于组成解码器631和632。MAP算法为栅解码算法，如Viterbi算法。如果在对数域中执行MAP算法，则它被称为对数最大后验概率(log-MAP)算法。
虽然从编码装置向信道传送的编码位流的长度为3n，但是，由于长度n的临时位流的附加，在解码装置600中进行解码的解码位流长度变为4n。在不改变实际码率的情况下，通过使得解码位流更长，能够提高turbo码的可靠度。
图6为示出嵌入到接收到的系统位流中的临时位流的示意图。
参考图6，当将临时位流嵌入到接收到的系统位流时，临时位流能够具有高可靠度。例如，临时位流的软值能够比接收到的系统位流的最大软值更大。替换地，临时位流的软值能够是接收到的系统位流的平均值的一倍或多倍。
图中示出具有统一幅度的临时位流，但不限制为此。能够改变临时位流的幅度。
临时位流被独立地嵌入以具有高可靠度，并且因此，能够限制由于错误路径而被选择的可能性，并且能够实现可靠解码。
图7示出比较本发明的仿真结果与常规技术的仿真结果的图表。信息位流的长度为480比特，并且在加性白高斯噪声(AWGN)信道环境中使用BPSK调制、8次重复解码以及对数最大后验概率算法。具有三分之一码率的常规双二进制turbo码被用作常规技术。
参考图7，其示出本发明中的误帧率(FER)较之常规技术有所改善。
图8为示出根据本发明又一实施例的编码装置的方框图。
参考图8，编码装置700包括临时位生成器710、交织器720、第一组成编码器730、第二组成编码器740以及复用器750。编码装置700与图2的编码装置300不同，因为每次输入成对的信息位。
第一组成编码器730对两个信息位流和临时位流进行编码，并且生成两个第一奇偶校验位流Y1和W1。第二组成编码器740对从交织器720输出的三个位流进行编码，并且生成两个第二奇偶校验位流Y2和W2。第一组成编码器730和第二组成编码器740可以具有相同的3-二进制递归系统卷积码结构。
复用器750接收成对的系统位流A和B、成对的第一奇偶校验位流Y1和W1以及成对的第二奇偶校验位流Y2和W2，并且在每单位时间生成串行编码位流。
如果假设信息位流的长度为2n，则编码位流的长度成为6n，该编码位流为系统位流A和B、第一奇偶校验位流Y1和W1以及第二奇偶校验位流Y2和W2的总和。因此，码率成为三分之一。
作为替换，如果第一组成编码器730和第二组成编码器740分别生成一个奇偶校验位流，则码率变成一半。
编码装置被描述为并行接收两个信息位，但编码装置能够并行接收m(m≥1)个信息位。另外，能够设置k(k≥1)个临时位生成器。在这个时候，组成编码器可以具有(m+k)二进制递归系统卷积码的结构。
以上实施例中描述了应用于通信系统的编码装置的示例。然而，编码装置能够被应用于使用turbo码的其他系统。例如，能够将编码装置应用于记录装置，用于将数据记录在诸如CD、DVD、磁带等等的记录介质上，或应用于再现装置，用于从其上记录数据的记录介质再现数据。
虽然以上已经描述了具有单发送天线和单接收天线的单输入单输出(SISO)系统，但是本发明的思想也能够被应用于具有多个发送天线和多个接收天线的多输入多输出(MIMO)系统。
本文中所公开的结合实施例所描述的方法的步骤可以由硬件、软件或其组合来实现。由被设计为执行以上功能的专用集成电路(ASIC)、数字信号处理(DSP)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微处理器、其它电子单元或其组合能够实现硬件。用于执行以上功能的模块可以实现软件。该软件可以存储在存储器单元中，并且由处理器来执行。存储器单元或处理器可以使用本领域技术人员所熟知的各种装置。
由于本发明在不背离其精神或本质特征的情况下可以按若干形式来实施，所以还应该理解，上述实施例不受前面所描述的任何细节的限制，而是应该在权利要求所定义的精神和范围之内被广义地解释，除非另有说明。因此，权利要求应该包括落在权利要求范围内的所有变化和修改或该范围内的等同替换。

Claims (4)

1.使用turbo码来编码信息位流的装置，所述装置包括：
临时位生成器，用于生成临时位流，所述临时位流的长度等于所述信息位流的长度；
交织器，用于生成交织的信息位流和交织的临时位流，所述交织的信息位流通过交织所述信息位流而生成，所述交织的临时位流通过交织所述临时位流而生成；
第一组成编码器，用于根据所述信息位流和所述临时位流生成第一奇偶校验位流；
第二组成编码器，用于根据所述交织的信息位流和所述交织的临时位流生成第二奇偶校验位流；以及
复用器，用于生成与所述信息位流、所述第一奇偶校验位流和所述第二奇偶校验位流相关联的系统位流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一组成编码器和所述第二组成编码器具有相同的双二进制递归系统卷积码结构。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述系统位流是所述信息位流的副本。
4.使用turbo码来编码信息位流的方法，所述方法包括：
生成临时位流，所述临时位流的长度等于所述信息位流的长度；
通过交织所述信息位流而生成交织的信息位流；
通过交织所述临时位流而生成交织的临时位流；
根据所述信息位流和所述临时位流生成第一奇偶校验位流；
根据所述交织的信息位流和所述交织的临时位流生成第二奇偶校验位流；以及
生成与所述信息位流、所述第一奇偶校验位流和所述第二奇偶校验位流相关联的系统位流。
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