CN102244521A - 一种归零Turbo码编码参数的盲识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种归零Turbo码编码参数的盲识别方法。该方法通过线性变换在初步确定归零Turbo码输出块长和交织帧起点后，对归零Turbo码的码率和归零Turbo码中RSC的寄存器长度进行估计，通过构造卷积码识别序列来确定RSC的生成多项式，同时通过识别出来的RSC的生成多项式来判断前面所估计码率和寄存器长度的正确性。在通过分析得到交织长度、交织起点的基础上，恢复得到交织序列，进一步，通过穷举比对的方法最终确定归零Turbo码中的交织关系。本发明适用于智能通信、信息处理等领域。

Description

一种归零Turbo码编码参数的盲识别方法

技术领域

本发明涉及数字通信系统中一种归零Turbo码编码参数的盲识别方法，适用于智能通信、信息处理等领域。

背景技术

Turbo码在现代通信中应用非常广泛，随着数字通信技术的发展，越来越多的领域都会产生对Turbo码盲识别技术的需求，Turbo码盲识别技术也成为当今通信研究的前沿领域。

Turbo码的结构如图1所示，图1中(a)为其一般编码结构，常用的经典结构为图1中的(b)所示，图1中(b)的编码器主要由两个递归循环卷积编码(RSC)并行级联而成，卷积编码器之间用交织器相连，一般情况下，各RSC的编码结构相同。

Turbo码中由于使用了交织器，故对编码数据要按帧处理，当对每帧信息进行编码时，编码器的初始状态和终止状态会不相同。Turbo码的末状态处理有多种方法，根据RSC是否归零可将Turbo码分为归零Turbo码和归零Turbo码。对帧长为L的信息序列，如常用的1/3码率Turbo码，若RSC中的寄存器长度为m，当对RSC进行归零时，则编码后2个RSC各附加2m个尾比特(包括信息位和检验位各m比特)，这样编码后的总码元数3L+4m。如未对RSC进行归零处理，则编码后RSC无附加比特，编码后的总码元数3L。

针对1/2码率的卷积码，已经有不少盲识别的方法。中国专利CN101557233A于2009年10月14日公开了一种容误码的卷积码编码参数盲识别方法，具体公开了一种基于Walsh-Hadamard矩阵的盲识别法。该方法对待识别编码参数构造二元域的线性方程，然后通过对方程组做Walsh-Hadamard变换来求解容错线性方程进而识别该卷积码的编码参数，仅通过通信内容实现卷积码编码参数的盲识别。中国专利CN1713559A于2005年12月28日公开了一种容误码的通信信道编码参数盲识别方法，具体公开了一种基于BM快速合冲法的盲识别方法，该方法通过对关键方程进行推广，构造了一个齐次关键模方程。并用域F上的两个变元的多项式环的齐次理想刻画该方程的解空间，证明了齐次关键模方程可以用来解决卷积码的盲识别问题，利用该方法得到二元多项式齐次理想Grobner基的快速算法，给出了求解齐次关键模方程的快速算法。

但对于并行级联卷积码结构的Turbo码，目前尚未见有关盲识别方面的资料，本发明主要解决归零Turbo码的盲识别问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种运算复杂度低，适用面广的归零Turbo码编码参数的盲识别方法。本发明方法通过线性变换在确定归零Turbo码输出块长和交织帧起点后，对归零Turbo码的码率和归零Turbo码中RSC的寄存器长度进行估计，通过构造卷积码识别序列来确定子编码器RSC的生成多项式，同时通过识别出来的RSC生成多项式来判断前面所估计码率和寄存器长度的正确性。在通过分析得到交织长度、交织起点的基础上，恢复得到交织序列，进一步，通过穷举比对的方法最终确定归零Turbo码中的交织关系。

为了解决上述技术问题，本发明提供的归零Turbo码编码参数的盲识别方法，包括如下步骤：

①根据接收的数据选取合适长度序列作为识别序列，确定将要排列的矩阵行数p，p大于归零Turbo码的输出块长；

②取定列数最大值和最小值，按列数变化将数据序列排成矩阵形式，对矩阵进行初等变换，计算各矩阵的秩，并记下单位化后左上角单位阵的维数，初步确定归零Turbo码的输出块长；

③设N为②中列数的一个较小留存值，以N为基取若干个列数，行数大于列数即可；将码序列进行移位，对各矩阵分别求秩，记下N种移位情况(无移位和N-1种不同移位)时不同维数下矩阵的秩，分析确定归零Turbo码中的交织帧起始点，同时确定其输出块长；

④对归零Turbo码的码率和归零Turbo码中RSC的寄存器长度进行估计，从③中分析的归零Turbo码交织帧起点开始，取归零Turbo码的信息序列和第1路校验序列组合成待识别的1/2卷积码识别序列，对该新序列进行1/2码率的卷积码识别，得到归零Turbo码中RSC的编码器生成多项式，同时验证归零Turbo码的码率估计值和归零Turbo码中RSC寄存器长度估计值的正确性；

⑤从Turbo码交织帧起点开始，取含交织的校验序列，对该序列进行自同步加扰以恢复RSC中加法器后的节点数据序列，进而恢复交织序列，分析确定交织长度；

⑥在已知交织前序列、交织序列和交织长度、交织起点后，通过不断穷举比对交织前序列和交织后序列的数据值，最终确定归零Turbo码中的交织关系。

优选地，本发明上述归零Turbo码编码参数的盲识别方法中，归零Turbo码输出块长的初步确定：对1/n归零Turbo码所构成的p×q矩阵(p＞q)，若q为输出块长nL+2(n-1)m的整数倍或其公约数，则单位化后矩阵的秩必不等于列数q。

优选地，本发明上述归零Turbo码编码参数的盲识别方法中，归零Turbo码交织帧起始点的确定：对1/n归零Turbo码所构成的p×q矩阵(p＞q)，若q为输出块长nL+2(n-1)m的整数倍。如Turbo码交织帧起点与矩阵每行起点重合，则单位化后其左上角单位阵的维数最小。

优选地，本发明上述归零Turbo码编码参数的盲识别方法中，归零Turbo码中卷积码识别序列的确定：取归零Turbo码的信息序列和第1路不含交织的校验序列组合即可得1/2卷积码识别序列。

优选地，本发明上述归零Turbo码编码参数的盲识别方法中，归零Turbo码交织关系的确定：从交织起点开始，确定交织前i(1≤i≤L)处对应交织后的置换位置j(1≤j≤L)，可通过不断连续比对交织后对应交织长度内位置的数据，当连续多帧都是唯一对应且没有其他点重合对应时，即可确定该点的对应关系，继续进行下一个交织关系的确定。

本发明方法通过线性变换在初步确定归零Turbo码输出块长和交织帧起点后，对归零Turbo码的码率和归零Turbo码中RSC的寄存器长度进行估计，通过构造卷积码识别序列来确定RSC的生成多项式，同时通过识别出来的RSC的生成多项式来判断前面所估计码率和寄存器长度的正确性。在通过分析得到交织长度、交织起点的基础上，恢复得到交织序列，进一步，通过穷举比对的方法最终确定归零Turbo码中的交织关系。本发明较好地解决了归零Turbo码输出块长确定，输出交织帧起点确定，交织长度确定，交织序列恢复及交织关系确定等问题。仅通过通信内容即可实现归零Turbo码码编码参数的盲识别，具有算法简捷，过程清晰，识别速度快等特点。

附图说明

图1为本发明Turbo码的一般结构图。

图2为本发明归零Turbo码编码参数盲识别的基本流程图。

图3为本发明归零Turbo码输出块长的初步确定流程图。

图4为本发明归零Turbo码交织帧起点确定流程图。

图5为本发明归零Turbo码中RSC编码器结构图。

图6为本发明基于穷举比对的交织关系分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

本发明以下优选实施例旨在提出一种便于实现的归零Turbo码盲识别方法，在确定归零Turbo码输出块长和交织帧起点后，通过对RSC模型的变换，为利用背景技术中1/2码率卷积码的盲识别方法创造条件；在分析得到RSC的生成多项式后，恢复得到交织序列，进一步通过穷举比对交织前序列和交织后序列的数据值，最终确定归零Turbo码中的交织关系。

如图2所示，本发明优选实施例提供的归零Turbo码编码参数的盲识别方法，包括如下步骤：

①根据接收的数据选取合适长度序列作为识别序列，确定将要排列的矩阵行数p，p大于归零Turbo码的输出块长；

本实施例中为了保证②中归零Turbo码输出块长确定的有效性，矩阵行数p应大于归零Turbo码的输出块长；对1/n归零Turbo码，除信息输出序列外，各校验输出序列均进行归零，如RSC中寄存器长度为m，交织长度为L，则每交织帧长度输入数据时附加(n-1)m比特尾比特，输出块长为nL+2(n-1)m。

②取定列数最大值和最小值，按列数变化将数据序列排成矩阵形式，对矩阵进行初等变换，计算各矩阵的秩，并记下单位化后左上角单位阵的维数，初步确定归零Turbo码的输出块长；

本实施例中将数据序列排成p行q列的矩阵形式，对每个矩阵进行初等变换，计算并记下其秩和单位化后左上角单位阵的维数。初步确定本实施例中归零Turbo码输出块长的定理1为：对1/n归零Turbo码所构成的p×q矩阵(p＞q)，若q为输出块长nL+2(n-1)m的整数倍或其公约数，则单位化后矩阵的秩必不等于列数q。

对定理1的证明如下：对1/n码率的归零Turbo码，由于每输出块nL+2(n-1)m比特中除尾比特输出部分外的部分满足1/n非归零的约束关系，从后面④中对RSC模型的分析可知，其信息序列和不含交织的校验序列就是普通1/2卷积码的输出。对含交织的校验序列，则和此卷积码无关。当归零Turbo码排成p×q矩阵(p＞q)，若q为输出块长的整数倍或其公约数，对p×q矩阵而言，每行至少存在1个位置完全对齐的完整Turbo码码组，此时矩阵的秩必定小于q。同理，当q与输出块长没有倍数关系或公约数关系时，每行要么不存在完整的编码约束长度内码组，要么虽然存在完整的归零Turbo码码组，但其位置却是没对齐的，对矩阵而言，就是各列线性无关，其秩必然为列数q。

此时归零Turbo码中构造卷积码的输出就是Turbo码的信息序列和不含交织的校验序列，而输出块中尾比特输出部分不满足1/n码率非归零的约束关系，单位化后左上角单位阵维数必不相等，据此也可判定此Turbo码为归零Turbo码。

故只需对留存的列值取最大公约数即可得到归零Turbo码输出码长的公约数。

如图3所示即为归零Turbo码输出块长初步确定流程图。

③设N为②中列数的一个较小留存值，以N为基取若干个列数，行数大于列数即可。将码序列进行移位，对各矩阵分别求秩，记下N种移位情况(无移位和N-1种不同移位)时不同维数下矩阵的秩，分析确定归零Turbo码中的交织帧起始点，同时确定其输出块长。

本实施例中确定归零Turbo码交织帧起点的定理2为：对1/n归零Turbo码所构成的p×q矩阵(p＞q)，若q为输出块长nL+2(n-1)m的整数倍，如Turbo码交织帧起点与矩阵每行起点重合，则单位化后其左上角单位阵的维数最小。

对定理2的证明如下：对p×q矩阵(p＞q)而言，当q为输出块长倍数时，每行码组内位置必定是一一对齐的，若矩阵的每行起点恰好为归零Turbo码输出块的起点(必为交织帧起点)，则每行从起点开始必存在最多个完整的归零Turbo码组，这样单位化后其左上角单位阵的维数必定最小。

故当记下矩阵移位的N种情况(无移位和N-1种不同移位)时，则当各矩阵中左上角单位阵维数最小时的移位即为归零Turbo码的交织帧起点。

如图4所示即为归零Turbo码交织帧起点确定流程图。

④对归零Turbo码的码率和归零Turbo码中RSC的寄存器长度进行估计，从③中分析的归零Turbo码交织帧起点开始，取归零Turbo码的信息序列和第1路校验序列组合成待识别的1/2卷积码识别序列，对该新序列进行1/2码率的卷积码识别，得到归零Turbo码中RSC的编码器生成多项式，同时验证归零Turbo码的码率估计值和归零Turbo码中RSC寄存器长度估计值的正确性。

本实施例中考虑归零Turbo码中RSC的一般编码结构，如图5所示。由图可以看出，该码为一个系统码，包含反馈结构，该反馈结构保证了RSC较之于一般的卷积码记忆性更长。

从图中可以看出编码器的生成多项式：

g₁＝{g₁₀，g₁₁，L，g_1(m-1)，g_1m}    (1)

g₂＝{g₂₀，g₂₁，L，g_2(m-1)，g_2m}    (2)

其中g₁₀指加法器前的支路，总为1；g₂₀指加法器和第一个寄存器之间的节点。

对于该系统码，RSC中寄存器的内容受g₁的影响，设RSC的输入数据为d_k，加法器后的节点数据为u_k，当对信息数据进行编码时，输入数据d_k连接待编码信息数据序列。

$x_k^1=d_k---\left(3\right)$

$u_k=d_k+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{1i}{u}_{k-i}\mathrm{mod}2---\left(4\right)$

$x_k^2=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{2i}{u}_{k-i}\mathrm{mod}2---\left(5\right)$

对图5中的虚线框内部分，如将u_k看作输入，则虚线框内的部分就是普通卷积码的某支路。对式(4)和式(5)，重新列如下：

$d_k=u_k+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{1i}{u}_{k-i}\mathrm{mod}2---\left(6\right)$

$x_k^2=g_{20}{u}_k+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{2i}{u}_{k-i}\mathrm{mod}2---\left(7\right)$

从上两式可以看出，如以u_k为输入，以d_k和为输出，则上两式所表示的关系就是码率为1/2的普通卷积码的输出。

此时Turbo码的码率1/n和RSC中寄存器长度m仍然未知，需进行估计。在假定n和m的估计值后，从③中分析的归零Turbo码交织帧起点开始，可得如下确定归零Turbo码中卷积码识别序列的定理3：取归零Turbo码的信息序列和第1路校验序列组合即可得到待识别的1/2卷积码识别序列。

由此自然可应用前面背景技术中所述的1/2码率卷积码的识别分析方法，从而可得到归零Turbo码中RSC的编码器生成多项式。从识别得到的编码器生成多项式中的m值即可反证n和m估计值的正确性。

⑤从Turbo码交织帧起点开始，取含交织的校验序列，对该序列进行自同步加扰以恢复RSC中加法器后的节点数据序列，进而恢复交织序列，分析确定交织长度；

本实施例中在完成对RSC的识别后，开始对交织进行识别分析，考虑含交织的校验序列，如设交织后数据为d_k′，RSC编码器中加法器后的节点数据为u_k′，编码后数据为y_k，由式(7)有：

$y_k=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{2i}{u_{k-i}}^{\′}\mathrm{mod}2$

观察图5中RSC编码器虚线框内由u_k′生成y_k的部分，发现其结构与自同步解扰器的结构完全相同，鉴于自同步加解扰过程的可逆性，由此可得到一个解决u_k′恢复问题的简单办法：对y_k进行自同步加扰。由于归零性，在含交织的校验序列中利用自同步加扰器恢复交织序列时，其初态必为全0。然后根据：

${d_k}^{\′}={u_k}^{\′}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{1i}{u_{k-i}}^{\′}=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{1i}{u_{k-i}}^{\′}\mathrm{mod}2$

求出交织序列。

以识别出的RSC编码参数对构造的卷积码输出序列进行译码，其译码输出序列就是在输入RSC中寄存器的状态序列，Turbo码中交织长度为L，RSC中寄存器长度为m，那么译码序列中必定每隔L位出现m位连0，该连0子序列后紧接着的即为交织帧起点。

⑥在已知交织前序列、交织后序列和交织长度、交织起点后，通过不断穷举比对交织前序列和交织后序列的数据值，最终确定归零Turbo码中的交织关系。

本实施例中在已知交织前序列、交织后序列和交织长度、交织起点后，可分析确定归零Turbo码中交织置换关系。归零Turbo码中交织前后其交织长度内的数据序号映射关系必是唯一的。

如从交织起点开始，确定交织前i(1≤i≤L)处对应交织后的置换位置j(1≤j≤L)，可通过不断连续比对交织后对应交织长度内位置的数据，当连续多帧都是唯一对应且没有其他点重合对应时，即可确定该点的对应关系，继续进行下一个交织关系的确定。

如图6所示即为基于穷举比对的交织分析流程。

本发明所涉及的数学符号均为本技术领域常用符号。

Claims (7)

1.一种归零Turbo码编码参数的盲识别方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①根据接收的数据选取合适长度序列作为识别序列，确定将要排列的矩阵行数p，p大于归零Turbo码的输出块长；

②取定列数最大值和最小值，按列数变化将数据序列排成矩阵形式，对矩阵进行初等变换，计算各矩阵的秩，并记下单位化后左上角单位阵的维数，初步确定归零Turbo码的输出块长；

③设N为②中列数的一个较小留存值，以N为基取若干个列数，行数大于列数即可；将码序列进行移位，对各矩阵分别求秩，记下N种移位情况时不同维数下矩阵的秩，分析确定归零Turbo码中的交织帧起始点，同时确定其输出块长；

④对归零Turbo码的码率和归零Turbo码中RSC的寄存器长度进行估计，从③中分析的归零Turbo码交织帧起点开始，取归零Turbo码的信息序列和第1路校验序列组合成待识别的1/2卷积码识别序列，对该新序列进行1/2码率的卷积码识别，得到归零Turbo码中RSC的编码器生成多项式，同时验证归零Turbo码的码率估计值和归零Turbo码中RSC寄存器长度估计值的正确性；

⑤从Turbo码交织帧起点开始，取含交织的校验序列，对该序列进行自同步加扰以恢复RSC中加法器后的节点数据序列，进而恢复交织序列，分析确定交织长度；

⑥在已知交织前序列、交织序列和交织长度、交织起点后，通过不断穷举比对交织前序列和交织后序列的数据值，最终确定归零Turbo码中的交织关系。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，归零Turbo码输出块长的初步确定：对1/n归零Turbo码所构成的p×q矩阵，p＞q，若q为输出块长nL+2(n-1)m的整数倍或其公约数，则单位化后矩阵的秩必不等于列数q。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，归零Turbo码交织帧起点的确定：对1/n归零Turbo码所构成的p×q矩阵，p＞q，若q为输出块长nL+2(n-1)m的整数倍，如Turbo码交织帧起点与矩阵每行起点重合，则单位化后其左上角单位阵的维数最小。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，归零Turbo码中卷积码识别序列的确定：取归零Turbo码的信息序列和第1路校验序列组合即可得1/2卷积码识别序列。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，归零Turbo码交织关系的确定：从交织起点开始，确定交织前i(1≤i≤L)处对应交织后的置换位置j(1≤j≤L)，可通过不断连续比对交织后对应交织长度内位置的数据，当连续多帧都是唯一对应而且没有其他点重合对应时，即可确定该点的对应关系，继续进行下一个交织关系的确定。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，归零Turbo码含交织校验路中RSC中加法器后的节点数据的恢复：从Turbo码组起点开始，取含交织的校验序列，对该序列进行自同步加扰。

7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，归零Turbo码中交织关系的确定方法同样适用于其他已知交织前序列和已知交织后序列情况下交织关系的确定。

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