CN115333549A - 一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通讯技术领域，具体涉及一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法。本发明的Turbo码译码自适应停止迭代的方法无需CRC校验、能够在不损失译码性能的前提下有效地停止迭代，从而降低时延、减少接收终端的计算量，进而延长移动终端的待机时长，增加通讯系统的可靠性。

Description

一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法

技术领域

本发明涉及移动通讯技术领域，具体涉及一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法。

背景技术

在移动通信系统中，由于通信环境的多样性以及接收机的移动特性，导致用户接收的信号是叠加了各种噪声的有噪信号。当通信链路所处的噪声功率较小时对接收机的影响较小，例如在以语音通信为主的业务中，传输的信息出现少量错误后基本不影响话音的可懂度；而当通信链路所处的噪声功率较大时就会对接收机造成较大的影响，严重时甚至无法进行有用信息的传输。一般的，为了解决上述问题，是在发送端对信息进行编码，其方式是对有用信息增加冗余，在接收端基于这些冗余信息来纠正传输过程中出现的错误。

在通信系统中将对信息添加冗余的过程称为信道编码，将纠正错误的过程称为信道译码。随着通信系统的发展，出现了许多的信道编码制式，如BCH码、RS码和卷积码等等，这些码都是建立在数学模型且具有严谨的代数结构之上。然而这些码字的构造并不符合Shannon所提出的随机编码思想，因此基于代数结构的码字的性能距香农限还有一定的距离。1993年C.Berrou提出了Turbo码，Turbo码巧妙的将两个简单的分量码通过伪随机交织器并行级联，从而构造出具有伪随机特性的码，并通过在两个分量译码器之间反复迭代，从而实现了伪随机译码，其性能远远超过了具有代数结构的码字。

由于Turbo码具有优越的译码性能，因此被众多通信系统列入标准。然而Turbo译码器自身不具有判断译码是否成功的能力，即使是在迭代过程中译码成功也不会停止迭代，而会继续迭代直到达到最大迭代次数为止。而过多的迭代会对使用者产生时延，同时也会造成接收终端计算量的增加，即意味着接收终端功耗的增加。因此在译码成功时需要及时停止迭代从而降低计算量延长接收终端的待机时间。

常见的Turbo码译码停止迭代方法主要采用数据信息上添加CRC的方法，在Turbo迭代译码过程中，每结束一次迭代就进行CRC校验，根据CRC校验结果来判断是否达到停止迭代的条件；或者计算两次迭代之间的余弦相似度，来判断是否停止迭代。

这两种方法，前者由于必须发送添加了CRC的数据，因此序列中携带有效信息的比特个数减少，降低了整个系统的数据吞吐量；而后者由于需要计算前后两次迭代输出外部信息序列的相似度，计算比较复杂，也给译码器带来了附加的计算量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法，包括以下步骤：

Turbo码译码迭代过程中，当经过第一分量译码器时，计算第一分量译码器输出的软信息与解交织后的第二分量译码器输出的软信息之间的差熵和，当该差熵和小于或等于门限系数ξ与信息比特个数k之积时，停止迭代，并将第一分量译码器输出的软信息输出；

Turbo码译码迭代过程中，当经过第二分量译码器时，计算第二分量译码器输出的软信息与交织后的第一分量译码器输出的软信息之间的差熵和，当该差熵和小于或等于门限系数ξ与信息比特个数k之积时，停止迭代，并将第二分量译码器输出的软信息进行解交织后输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的Turbo码译码自适应停止迭代的方法无需CRC校验、能够在不损失译码性能的前提下有效地停止迭代，从而降低时延、减少接收终端的计算量，进而延长移动终端的待机时长，增加通讯系统的可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为Turbo译码器的译码流程图；

图2为在1.0dB信噪比下使用本发明方法译码时，每次迭代后错误个数变化示意图；

图3为在1.0dB信噪比下使用本发明方法译码时，每次迭代后对应的差熵和变化示意图；

图4为使用本发明方法译码时不同停止门限下的译码性能与理想情况的译码性能的对比图；

图5为使用本发明方法译码时不同停止门限下的平均迭代次数与理想情况的平均迭代次数的对比图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

参考图1，为Turbo译码器的译码流程图。

Turbo译码器接收到对数似然比

和

其中

为系统信息的对数似然比；

为第一分量译码器的校验位信息对数似然比；

为第二分量译码器的校验位信息对数似然比。

第一分量译码器利用系统信息

和校验信息

以及第二分量译码器提供给第一分量译码器的先验信息

进行译码，第一分量译码器输出的信息为关于比特向量X的对数似然比λ⁽¹⁾(x_t|r)，称为软信息；而后去除第一分量译码器输出的软信息中的系统信息

和先验信息

后，得到第一分量译码器输出的外信息

第二分量译码器将第一分量译码器输出的外信息经交织后作为先验信息

并结合系统信息

和校验信息

进行译码，第二分量译码器输出的信息为关于比特向量的对数似然比λ⁽²⁾(x_Π(t)|r)，与第一分量译码器不同的是其顺序是经过交织的；而后去除系统信息

和先验信息

后，得到第二分量译码器输出的外信息

第二分量译码器输出的外信息

经过逆交织器后的信息作为第一分量译码器在下一次迭代时使用的先验信息

Turbo码译码迭代过程中，由于两个分量译码器都能给出译码结果，因此可以计算两个分量译码器输出的软信息的相似性，若两个软信息完全相同或非常相似，则认为译码器继续迭代也不能获取新的有用信息，即可以停止迭代。分量译码器输出的软信息为关于比特向量的对数似然比。本发明利用差熵和来判断软信息之间的相似程度，从而判断是否停止迭代。

一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法，包括以下步骤：

Turbo码译码迭代过程中，当经过第一分量译码器时，计算第一分量译码器输出的软信息与解交织后的第二分量译码器输出的软信息之间的差熵和，当该差熵和小于或等于门限系数ξ与信息比特个数k之积时，停止迭代，并将第一分量译码器输出的软信息输出；

Turbo码译码迭代过程中，当经过第二分量译码器时，计算第二分量译码器输出的软信息与交织后的第一分量译码器输出的软信息之间的差熵和，当该差熵和小于或等于门限系数ξ与信息比特个数k之积时，停止迭代，并将第二分量译码器输出的软信息进行解交织后输出。

关于比特的对数似然比的定义如下：设有随机变量X，其可能的取值为比特0或比特1，则对数似然比定义为判决为比特0的概率与判决为比特1的概率之比的对数，其数学表达式为：

利用交叉熵可以用来考察两个随机变量的相似程度。

若有两个随机变量P和Q，则两者的相似程度可以由交叉熵D(P||Q)来定义：

式中，E表示数学期望。

一般的，对于二元随机变量有

从(1)式可以看到在计算D(P||Q)时需要使用每个随机变量的概率取值，这个值需要由对数似然比λ_P和λ_Q导出，因此增加了一定的计算量。例如

和

引入“差熵”来定义两个随机变量的相似程度。将差熵定义为Z(P||Q)＝E_P(|P-Q|)，对于二元随机变量有

Z(P||Q)＝p(P＝1)|p(P＝1)-p(Q＝1)|+p(P＝0)|p(P＝0)-p(Q＝0)| (2)

注意到

p(P＝0)-p(Q＝0)＝1-p(P＝1)-1+p(Q＝1)

＝-(p(P＝1)-p(Q＝1))

则有

|p(P＝0)-p(Q＝0)|＝|p(P＝1)-p(Q＝1)| (3)

将(3)式代入(2)式得

从式(4)可以看到差熵的取值范围介于[0,1]，同时取值越小说明越相似，当取值为0时，说明两个随机变量的概率分布完全相同。

在Turbo译码迭代的过程中随着迭代次数的增加分量译码器得到的码字逐渐趋于稳定，即两个分量译码器对应的关于比特对数似然比相同符号的个数随着迭代次数的增加而增加。

若二元随机变量P和Q的对数似然比λ_P和λ_Q均大于0，则式(4)的分母

若对数似然比λ_P和λ_Q均小于0，则有式(4)的分母

因此在Turbo译码后期有

将(5)式代入(4)式有

其中，Δλ＝λ_P-λ_Q。

这里再次说明在迭代后期随着迭代次数的增加每个分量译码器输出的软信息λ_P和λ_Q会逐渐向两个极端取值，即越来越接近于+∞或-∞，则

同时考虑到函数f(x)＝e^x恒大于0，则(6)式可进一步简化，得

式(7)即为两个随机变量的差熵计算公式。

若有随机变量P＝(P₁,P₂,…,P_N)和Q＝(Q₁,Q₂,…,Q_N)则它们之间的差熵和为

对于第一分量译码器，有如下步骤：

步骤1.1，利用系统信息

校验信息

计算第一分量译码器输出的软信息λ⁽¹⁾(x_t|r)；

步骤1.2，对第二分量译码器输出的软信息λ⁽²⁾(x_Π(t)|r)进行解交织，得到解交织后的软信息λ⁽²⁾(x_t|r)；

步骤1.3，利用(7)式计算两个分量译码器输出软信息的差熵和

步骤1.4，更新迭代索引变量l＝l+0.5；

步骤1.5，若

则停止迭代，并输出软信息λ⁽¹⁾(x_t|r)；否则至第二分量解码器继续迭代。

对于第二分量译码器，有如下步骤：

步骤2.1，利用系统信息

校验信息

计算第二分量译码器输出的软信息λ⁽²⁾(x_Π(t)|r)；

步骤2.2，对第一分量译码器输出的软信息λ⁽¹⁾(x_t|r)进行交织，得到交织后得软信息λ⁽¹⁾(x_Π(t)|r)；

步骤2.3，利用(7)式计算两个分量译码器输出软信息的差熵和

步骤2.4，更新迭代索引变量l＝l+0.5；

步骤2.5，若

则停止迭代，并输出软信息λ⁽²⁾(x_t|r)；否则至第一分量解码器继续迭代。

仿真试验

令信息长度k＝5000bit，最大迭代次数L＝30。打孔矩阵为

调制方式为二进制相移键控(Binary Phase Shift Key,BPSK)，经高斯信道输出到Turbo译码器。分量译码器采用对数域的最大后验概率(Log Maximum Aprior Probility,Log-MAP)算法。

仿真1

考察在1.0dB信噪比下每次迭代后的错误个数及对应的差熵和变化情况。信噪比

定义为每个比特能量E_b与单边带功率谱N₀之比，门限系数ξ＝0.001。

参考图2，纵坐标为比特错误个数，其定义为经译码后的比特与发送比特不同个数的总和；横坐标为迭代次数。参考图3，纵坐标为差熵和；横坐标为迭代次数。

在图2中，0次迭代对应的错误个数表示的是在未进行Turbo译码时(接收到的数据直接硬判决)的比特错误个数，0.5次迭代对应的错误个数表示经过第一分量译码器译码后的比特错误个数；1.0次迭代对应的错误个数表示经过第一分量译码器--第二分量译码器译码后的比特错误个数，1.5次迭代对应的错误个数表示经过第一分量译码器--第二分量译码器--第一分量译码器译码后的比特错误个数，依次类推，可以看到随着迭代次数的增加，错误个数逐渐减少。

第3.5次迭代时，比特错误个数为2个，对应的差熵和为36，大于门限ξk＝0.5，因此继续迭代；

第4.0次迭代时，比特错误个数为0，而对应的差熵和为3.713，仍大于门限ξk＝0.5，因此继续迭代；

第4.5次迭代时，比特错误个数为0，对应的差熵和为0.1280，小于门限ξk＝0.5，因此停止迭代。

从仿真1中可以看出，使用本发明方法进行译码时根据差熵和与门限的比较，避免了后续无意义的迭代过程，从而降低了计算量。

仿真2

比较本发明方法在不同停止门限下进行译码与理想情况译码的译码性能与迭代次数。这里理想情况是指迭代译码过程中一旦译码正确即无错误比特则停止迭代。需要说明Turbo译码中的迭代次数直接与译码计算量相关，迭代次数越多计算量越大，因此迭代次数也间接反映了计算量的大小。

参考图4，纵坐标为误比特率，指译码后的错误比特个数与总比特个数之比。误比特率越小说明译码性能越好。由图4可以看出，在信噪比小于等于0.8dB时，不同停止门限对应的译码性能与理想情况基本一致；而在信噪比大于等于1.0dB时有明显区别，停止门限为5的译码性能与理想情况的译码性能有较大的出入，停止门限为0.5的译码性能与理想情况的译码性能基本相同。这是由于门限较大时停止迭代的条件较为宽松，有可能出现达到了停止条件而仍然有错误比特的情况。

参考图5，可以看出，停止门限为5的平均迭代次数略低于理想情况的平均迭代次数，而停止门限为0.5的平均迭代次数略高于理想情况。

这是因为停止门限为5时，其停止条件较为宽松可能会出现译码后存在错误比特而差熵和已经小于判决门限，提前于理想情况停止迭代，因此对应的平均迭代次数曲线会略低于理想情况；而停止门限为0.5时，其停止条件较为严苛即便分量译码器译码后没有错误但对应的差熵和仍然大于设定的门限值，因此会继续迭代。如仿真1中第4次迭代就是这种情况。

进一步参考图5，可以看出，停止门限为0.5时的平均迭代次数与理想情况的平均迭代次数基本一致。

在信噪比1.0dB时，理想情况的平均迭代次数为5.7114，停止门限为0.5的平均迭代次数为5.9622，两者相差0.2508次；在信噪比2.0dB时，理想情况的平均迭代次数为2.4052，停止门限为0.5的平均迭代次数为2.8556，两者相差0.4504次。可见停止门限0.5的平均迭代次数相比于理想情况不大于0.5次(即多了一次分量译码过程)。

从仿真2的结果可进一步得出，采用本发明方法进行译码时，能在不损失译码性能的前提下有效地停止迭代，同时所需的平均迭代次数仅比理想情况多大约0.5次。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种Turbo码译码自适应停止迭代的方法，其特征在于，包括以下步骤：

Turbo码译码迭代过程中，当经过第一分量译码器时，计算第一分量译码器输出的软信息与解交织后的第二分量译码器输出的软信息之间的差熵和，当该差熵和小于或等于门限系数ξ与信息比特个数k之积时，停止迭代，并将第一分量译码器输出的软信息输出；

Turbo码译码迭代过程中，当经过第二分量译码器时，计算第二分量译码器输出的软信息与交织后的第一分量译码器输出的软信息之间的差熵和，当该差熵和小于或等于门限系数ξ与信息比特个数k之积时，停止迭代，并将第二分量译码器输出的软信息进行解交织后输出。

2.根据权利要求1所述的Turbo码译码自适应停止迭代的方法，其特征在于，差熵的计算方式如下：

式中，P和Q均表示随机变量，λ_P为随机变量P的对数似然比，λ_Q为随机变量Q的对数似然比，Δλ＝λ_P-λ_Q。

3.根据权利要求2所述的Turbo码译码自适应停止迭代的方法，其特征在于，对于随机变量P＝(P₁,P₂,…,P_N)和随机变量Q＝(Q₁,Q₂,…,Q_N)，则随机变量P与Q之间的差熵和为

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