CN103220007B - 一种自适应调整子码不可靠位数的tpc迭代译码算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全新的自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码算法。该算法主要包括将传统的Chase？II迭代译码方案每次译码为固定值的不可靠位数P进行改进，采用一种新的算法，进行块统计具有相同最小欧氏距离的行(列)数，根据设定的门限值A自适应调整P值，然后迭代译码。通过Matlab仿真平台，在SISO系统中实现了本算法，并且与R.Pyndiah的Chase？II四次迭代均采用p＝4译码方案对比，本发明的算法可以在误码率性能损失很小、较大信噪比情况下，大幅度提高译码速率，同时降低译码的复杂度，减小运算量，节约硬件实现的存储空间，尤其适用于通信实时性要求较高的场合。

Description

一种自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码算法

技术领域

本发明属于数字通信领域，特别涉及自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码算法。

背景技术

1994年R.Pyndiah等人将性能接近于香农极限的Turbo码的软输入软输出迭代译码算法应用于乘积码，提出Turbo乘积码(TurboProductCode，简称TPC)的概念，该译码算法与硬件条件匹配，掀起了人们研究TPC码的热潮。已有文献证实了TPC码有接近香农极限的纠错性能和在高码率下仍然可以保持较强纠错性能的特点。这些特点使得TPC码在航空遥测、卫星通信系统和数字存储系统中得到广泛地应用，并且TPC码能够提供很高的频带利用率，已经成为基于IEEE802.16的OFDM标准。

TPC译码一般采用Chase-II迭代译码算法，它既可以用于行译码又可以用于列译码，并且迭代收敛速度快，在高码率下仍然可以保持较强的纠错性能，有利于提高频谱利用率及抗衰落性能。Chase-II译码基本原理是：对接收到的信号，利用硬判决译码器，根据不同的试探序列产生候选码字，然后把它们与接收序列相对比，选择一个与接收序列有最小软距离的候选码字作为译码器的输出码字。TPC译码是迭代译码过程，通过每次迭代输出的外信息矩阵去调节下一次迭代译码的软输入信息，一般经过四次行列迭代译码，输出最终译码结果。

目前，由于通信系统对信号传输实时性要求越来越高，因此，大量研究人员都致力于如何提高信道编译码速率和译码质量。上述经典的TPCChaseII迭代译码算法，它四次迭代中每一次行和列译码采用的不可靠位数的值都是固定的，这样就导致在较大信噪比时，存在译码延时和硬件资源的浪费，并且译码复杂度高。

已有文献中的自适应TPC译码算法，是针对一个TPC码块中的一行或者一列接收序列，根据不同的信噪比和码率设定门限值，然后按照门限值对接收序列进行映射，降低不可靠位数的值。该自适应算法在实际应用过程中需要对信噪比进行估计，存在一定的估计误差，实用性不强。如何采用一种更简单易行、不需要估计信噪比的TPC算法来自适应调整译码不可靠位数的值，是本发明研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提出一种全新的自适应的TPC译码方案，以TPC一个码块为对象，根据前面每一次的行(列)译码结果，进行块统计具有相同最小欧氏距离的行(列)数，设定门限值去自适应调整译码不可靠位数。本发明的自适应算法可以在较大信噪比时，大幅度降低译码复杂度，提高译码速率，节约存储空间。

扩展汉明码可以纠正一个随机错误，同时发现两个随机错误。本发明的技术原理都是基于TPC子码为扩展汉明码的情况。三个重要的技术原理如下：

(1)在行(列)译码过程中，采用最不可靠位数p，可以产生2^p个测试序列，经过代数译码后得到2^p个译码序列。如果有一个错误发生在p个不可靠位中，则译码序列中存在p+1个序列，它们与接收序列的欧氏距离最小。

(2)如果有一个错误发生在除了p个最不可靠位的其它位，虽然概率比较小，译码序列中只存在一个序列，它与接收序列的欧氏距离最小。

(3)随着行列迭代译码的进行，错误发生在p个最不可靠位的概率Pr(p)要远远大于错误发生在除了p个最不可靠位的其它位的概率即

对于上述三个重要的技术原理解释如下：

以TPC的一个码块为单位进行译码，在一次ChaseII迭代译码过程中，假设行或者列译码使用p＝4个不可靠位，一个码块的一行或者一列软输入数据r，可以产生16个错误图样序列，与接收序列r模二加后，产生16个测试序列t₁，t₂，…，t₁₆，经过代数译码，得到16个译码序列c₁，c₂，…，c₁₆，它们与软输入数据r计算出16个欧氏距离d₁，d₂，…，d₁₆。

经过研究发现，在竞争码字bb可以找到的情况下，如果有相同的最小欧氏距离，其相同的个数为5，即有5个相同的译码序列。理论分析可知，16个测试序列通过代数译码只能纠正一个随机错误，有相同最小欧氏距离的情况是，16个测试序列t₁，t₂，…，t₁₆中有一个是译码序列dd，假设其中一个序列为译码序列dd，只有和它最小汉明距离为1的测试序列才可能被代数译码纠正为译码序列dd，根据测试序列产生的规律，16个测试序列中，任意一个序列与其它序列最小汉明距离为1的序列只有4个，加上其本身，可以验证相同的最小欧氏距离存在的个数为5个，即有5个相同的译码序列，若此种情况出现，则可以降低p值来进行下一次迭代；如果没有相同的最小欧氏距离，说明产生的16个测试序列t₁，t₂，…，t₁₆中没有最终的译码序列，即除了被挑选出来的p＝4个不可靠位的其它位出现了错误，而16个测试序列中与最终译码序列dd最小汉明距离为1的只有一个序列，它可以被代数译码纠正得到译码序列dd。

同理，当ChaseII译码中使用p＝3个不可靠位，那么计算出的8个欧氏距离，在竞争码字dd可以找到的情况下，如果有相同的最小欧氏距离，相同的个数为4；随着迭代译码的进行，错误码字在不断被纠正，所以错误发生在p个不可靠位的概率Pr(p)要逐渐变大，发生在其它位的概率要逐渐变小。

本发明提出的自适应TPC译码采用了以下的技术方案：

步骤1：对接收到的一个TPC码块进行第一次ChaseII行译码。采用不可靠位数p_r＝4，每一行译码输出后得到该行软输入数据与代数译码后的序列的16个欧氏距离，然后对16个欧氏距离排序，记录具有相同最小欧氏距离的个数。等到一个码块的所有行译码结束后，统计这个码块中最小相同欧氏距离个数大于等于3的行数N_r，如果N_r≥A，则p_r值减1，进行第二次行译码，如果N_r＜A，则p_r值不变。具体门限值A值取决于TPC子码的构造；

步骤2：行列交织后对TPC码块进行第一次ChaseII列译码。列译码开始采用不可靠位数p_c＝3进行译码，按照(1)的规则，统计一个码块中最小相同欧氏距离个数大于等于3的列数N_c，如果N_c≥A，则p_c值减1，进行第二次列译码，如果N_c＜A，则p_c值不变；

步骤3：按照上述(1)和(2)的规则进行第二次，第三次和第四次基于ChaseII块译码并统计相同最小欧氏距离的个数、不可靠位数p驱动下的自适应TPC迭代译码，输出最终译码结果。

本发明提出的全新的TPC自适应译码方案，为了更好地反映新算法的译码性能，还需要考虑这种TPC自适应译码方案的误码率和译码复杂度性能，因此进行了SISO(Single-InputSingle-Output)系统下的仿真，通过与R.Pyndiah的ChaseII四次迭代均采用p＝4译码方案的误码率性能进行对比分析，验证了本算法的正确性和可行性。

本发明提出的TPC自适应译码方案，与R.Pyndiah的ChaseII四次迭代均采用p＝4译码方案相比，具有如下优点：

1、充分考虑了TPC码的块状特点，基于统计方法，算法简便易于实现。

2、可以通过调节自适应译码过程中的门限值，来控制误码率性能和复杂度性能。

3、在较大信噪比时，本算法可以在牺牲很小一部分性能的情况下，大幅度提高译码速率，降低译码复杂度，实现通信系统信号的实时传输。

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为自适应TPC迭代译码总体框图。

图2为四次完整的自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码流程图。

图3为一次完整的自适应TPC行译码与传统ChaseII行译码对比流程图。

图4为SISO系统下，TPC子码采用扩展汉明码(32，26，4)²的误码率性能曲线。

图5为SISO系统下，TPC子码采用扩展汉明码(32，26，4)²的复杂度性能曲线。

注：图中误码率曲线包括本发明的自适应TPC译码误码率曲线、R.Pyndiah的四次迭代均采用ChaseII不可靠位数p＝4的误码率曲线。

具体实施方式

本发明提出的全新的自适应TPC译码方案已经在Matlab平台上进行了验证。从仿真结果可以看出该自适应译码方案在误码性能、降低译码延迟和提高译码效率方面的优越性。附图1为自适应TPC迭代译码总体框图，虚线部分为自适应行/列译码器，是本发明研究的重点。

附图2给出了四次完整的自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码流程图，同时，附图3给出了一次完整的自适应TPC行译码与传统ChaseII行译码对比流程图，其中虚线部分为本发明的自适应译码具体步骤。下面给出具体的SISO系统实施的技术方案：

(1)首先对信息进行TPC二维编码，产生发射信号矩阵，然后采用BPSK调制，即{0，1}映射成{-1，1}。

(2)将TPC编码调制后的信号矩阵经过高斯白噪声信道，在接收端得到输出信号矩阵。

(3)对输出信号进行基于ChaseII算法的TPC自适应译码，选择一个与接收序列有最小软距离的候选码字作为译码器的输出码字。

设传输码字为X＝(x₁，x₂，…，x_n)，接收序列为R＝(r₁，r₂，…，r_n)，R＝X+N，其中，N＝(n₁，n₂，…，n_n)是方差为σ²的高斯白噪声，D＝(d₁，d₂，…，d_n)为最佳判决序列。

自适应TPCChaseII译码算法过程如下：

①以接收到的一个TPC码块为对象，对其中的每一行进行译码。假设接收序列矩阵中的一行为R＝(r₁，r₂，…，r_n)，对其进行硬判决，得到硬判决序列H＝(h₁，h₂，…，h_n)，其中h_i＝(1+sign(r_i))/2，i＝1，2，…n，h_i∈{0，1}。

②对一个TPC码块中的每一行进行第一次自适应ChaseII行译码，找出接收序列矩阵中每一行绝对值最小的p＝4个不可靠位。

③接收矩阵中每一行都形成2^p个错误图样序列。将第二步中的p个位置分别用0，1表示，其他位置用0表示。

④对接收矩阵的每一行产生2^p个测试序列其中为模2加。

⑤对每一行所有的2^p个测试序列进行代数译码，将有效的译码结果存入集合C中。

⑥分别计算集合C中的有效译码结果与软输入TPC矩阵序列该行的欧氏距离，选择具有最小欧氏距离的码字作为该行的最佳判决码字D，具有第二小欧氏距离的码字作为该行的竞争码字B。对每一行计算出的16个欧氏距离排序，记录具有相同最小欧氏距离的个数。等到一个码块的所有行译码结束后，统计这个码块中最小相同欧氏距离个数大于等于3的行数N_r，如果N_r≥A，则p_r值减1，进行第二次行译码；如果N_r＜A，则p_r值不变。具体门限值A取决于TPC子码的构造。

⑦行列交织，进行第一次TPC码块的列译码，原理同行译码，只是第一次列译码的初值设为p_c＝3。

⑧进行第二次、第三次、第四次ChaseII行、列译码，采用自适应的p值，输出最终译码结果。

(4)根据发送的数据和接收解码的数据，计算误码率。

附图4和附图5分别为SISO系统下，TPC子码采用扩展汉明码(32，26，4)²的误码率性能曲线和复杂度性能曲线。本发明的自适应TPC迭代译码算法当门限A＝28时，与R.Pyndiah四次迭代均采用p＝4的ChaseII算法性能相比，几乎没有损失，只相差了0.03dB，但是自适应TPC译码在较大信噪比时，提高了译码速率，节约了存储空间，平均复杂度降低了约45％；当门限A＝12时，自适应TPC译码与ChaseIIAlgorithm译码在误码率10-4处，相差了0.47dB，但是平均复杂度降低了64.1％。

以上所述，仅为本发明的较佳具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码算法，其特征在于，在译码过程中，遵循以下步骤：

步骤1：对接收到的一个TPC码块进行第一次ChaseII行译码，采用不可靠位数p_r＝4，每一行译码输出后得到该行软输入数据与代数译码后的序列的16个欧氏距离，然后对16个欧氏距离排序，记录具有相同最小欧氏距离的个数，等到一个码块的所有行译码结束后，统计这个码块中最小相同欧氏距离个数大于等于3的行数N_r，如果N_r≥A，则p_r值减1，进行第二次行译码，如果N_r＜A，则p_r值不变，具体门限值A值取决于TPC子码的构造；

步骤2：行列交织后对TPC码块进行第一次ChaseII列译码，列译码开始采用不可靠位数p_c＝3进行译码，按照步骤1的规则，统计一个码块中最小相同欧氏距离个数大于等于3的列数N_c，如果N_c≥A，则p_c值减1进行第二次列译码，如果N_c＜A，则p_c值不变；

步骤3：按照上述步骤1和步骤2的规则进行第二次，第三次和第四次基于ChaseII块译码并统计相同最小欧氏距离的个数、不可靠位数p驱动下的自适应TPC迭代译码，输出最终译码结果。

2.根据权利要求1所述一种自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码算法，其特征在于：

所述步骤1中，对输入的一个TPC码块的每一行记录相同最小欧氏距离的个数，并且等行译码结束后，统计这个码块中最小相同欧氏距离个数大于等于3的行数N_r，再设定门限A去自适应调整不可靠位数的值，方案基于统计规律，简便易于实现，实用价值高。

3.根据权利要求1所述一种自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码算法，其特征在于：

所述步骤2中，对第一次行译码后的TPC码块进行行列交织，列译码开始采用的不可靠位数为p_c＝3，这样可以降低译码复杂度，减小译码延迟，提高存储空间的利用率，适用于对通信实时性要求比较高的场合。

4.根据权利要求1所述的一种自适应调整子码不可靠位数的TPC迭代译码算法，其特征在于：

所述步骤3中，第二次、第三次和第四次行列译码的不可靠位值都是经过前面一次迭代译码产生的，并且可以通过门限值A来调节误码率性能和译码复杂度需求，取得两者的折中，如果采用R.Pyndiah的四次迭代均采用ChaseIIp＝4的译码方案，不可靠位的值是固定的，在大信噪比时会使译码复杂度提高。