CN1555628A

CN1555628A - 一种Turbo乘积码与时空Trellis码级联的编码方法及装置

Info

Publication number: CN1555628A
Application number: CNA028181212A
Authority: CN
Inventors: 轶李; 李轶; 李永会; 张永生
Original assignee: Linkair Communications Inc
Current assignee: Linkair Communications Inc
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2004-12-15
Also published as: WO2003092206A1; AU2002257490A1

Abstract

一种Turbo乘积码与时空Trellis码级联的编码方法及装置，其中：发射端对输入比特采用Turbo乘积码与时空Trellis码的级联编码；接收端对所接收的信号采用Turbo乘积码译码和时空Trellis码译码之间的迭代译码。发射端至少包括Turbo乘积码编码器和时空Trellis码编码器级联构成的编码装置；接收端至少包括Turbo乘积码译码器和时空Trellis码译码器级联构成的译码装置。采用TPC作为级联编码的外码，降低了译码的复杂性和译码时延，减少了缓存的开销，采用了Turbo乘积码和时空Trellis码之间的迭代译码，在获得分集增益的同时还大大提高了编码增益。

Description

一种 Turbo乘积、码与时空 Tr e 11 i s码级联的编码方法及装置

技未领域

本发明涉及通信技术领域，其特别涉及一种用于通信系统的时空编码方案，具体的讲是一种 Turbo乘积码（TPC ) 与时空 Trel l i s码（ STTC )级联的编码方法及装置。背景技术

众所周知，在衰落信道中，信号的衰落将严重恶化系统的性能。克服衰落最有效的手段是采用分集技术。时空编码技术（参见参考文献 [1]、 [2]、

[3]- ), 可以同时获得分集增益和编码增益，克服衰落的影响，提高传输的可靠性。

近年来，将时空编码与信道纠错码结合引起了人们的关注，两者的有效结合可以使系统在获得分集增益，编码增益的同时还能获得额外的编码增益，从而大大提高系统的抗衰落性能和纠错性能。

现有的系统大都采用卷积码 (参见参考文献 [4] )或者 Turbo码 (参见参考文献 [5] ) 与时空码的结合，这些方案的译码复杂度太高，实际应用中有一定的困难，而且没有在信道糾错码和时空码之间进行迭代译码 , 不能获得足够大的编码增益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种 Turbo乘积码与时空 Trel 1 i s码级联的编码方法及装置，用以降低译码的复杂性和译码时延，减少緩存的开销，并且在获得分集增益的同时还可提高编码增益。

本发明的技术方案为：

一种 Turbo乘积码与时空 Trel l i s码级联的编码方法，其中：发射端对输入比特采用 Turbo乘积码与时空 Trel l is码的级联编码；接收端对所接的信号进行译码。

所述的发射端对输入比特采用 Turbo乘积码与时空 Trellis码的级联编码是指： Turbo 乘积码为级联编码的外码，时空 Trellis 码为级联编码的内码；在编码时，先进行 Turbo乘积码编码，对 Turbo乘积码编码后的比进行交织，交织后的比特再进行时空 Trellis编码。

所述的接收端对所接收的信号进行译码是指：接收端对所接收的信号采用 Turbo乘积码译码和时空 Trellis码译码之间的迭代译码。

所述的发射端对输入比特采用 Turbo乘积码与时空 Trellis码的级联编码的步骤包括：

在编码时，对输入比特先进行 Turbo乘积码编码；

对 Turbo乘积码编码后的比特进行交织；

交织后的比特再进行时空 Trellis编码；

, 級联编码后的比特转换成符号；

对所述的符号进行调制；

调制后的信号从发射天线上发射出去。

所述的接收端对所接收的信号采用了 Turbo乘积码译码和时空 Trellis 码译码之间的迭代译码的步骤包括： '

在第一次译码时，时空 Trellis 码译码没有先验信息，可让似然比先验信息的输入值为零；

时空 Trellis码译码居接收到的信号序列，译码得到相应信息在比特

.级上的可靠性，这时的可靠性信息是全信息；

用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

把所述的新信息经过反交织后进行 Turbo乘积码译码；

同样 Turbo乘积码译码输出的是全信息；

；用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

把这些新信息反馈给时空 Trellis码译码做先验信息用；重复以上所述步驟进行迭代译码；

. 在最后一次迭代结束后，用最后一次 Turbo 乘积码译码输出的全信息判决输出。

所述的调制可以采用 QPSK调制。

所述的调制可以采用其他常规调制方式。

所述的天线可以采用一个以上发射天线的发射和一个以上接收天线的接。

所述的天线可采用两个发射天线的发射和一个接收天线的接收。

所述的 Turbo乘积码译码可为任何 Turbo乘积码的译码算法，这里推荐采用 PML译码算法；所述的时空 Trellis码译码可采用多种译码算法，这给出一种 LOG-MAP译码算法。

所述的方法，其步骤进一步包括：

在编码时：

对输入比特先进行 Turbo乘积码编码；

s对 Turbo乘积码编码后的比特进行交织；

交织后的比特再进行时空 Trellis编码；

级联编码后的两路比特分别转换成符号；

对所述的符号分别进行 QPSK调制；

=调制后的两路信号 x₁₅ x₂分别从两个发射天线上发射出去；

设在 t 时刻，第一个发射天线和接收线之间的信道衰落为 ω ,第二个发射天线和接收天线之间的信道衰落为 h₂(t) , 接收天线收到的信号记为 y_t,接收信号受到高斯白噪声的干扰，噪声的双边功率谱密度记为

, 这样有：

在译码时：

所述的 Turbo乘积码译码可为 PML译码，所述的时空 Trellis码译码可为 LOG- MAP译码;

在第一次译码时，时空 Trellis 码译码没有先验信息，可让似然比先猃信息的输入值为零；

时空 Trellis 码译码根据接收到的信号序列 γ = ( y_1? y₂, y_N )，译码得到相应信息在比特级上的可靠性，其中：译码算法中的先验信息是 ln[P =u)], 即是符号级上的；而 TPC译码器的输出是用比特级的似然比定义的可靠性，所以要进行转换，所述转换需满足下列条件：

+ ^;还要进一步 4巴 In [P (u_k=u I γ「） ]转换成比特级的似然比，所述转换需满足下列条件：

' 这时的可靠性信息是全信息；

用全信息减去输入的先检信息得到新信息；

把所述的新信息经过反交织后进行 Turbo乘积码译码；

同样 Turbo乘积码译码输出的是全信息；

' 用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

把这些新信息反馈给时空 Trellis码译码做先验信息用；

重复以上所述译码步骤进行迭代译码；

在最后一次迭代结束后，用最后一次 Turbo 乘积码译码输出的全信息判决输出。

一种 Turbo乘积码与时空 Trellis码级联的编码装置，其中：发射端至少包括 Turbo乘积码编码器和时空 Trellis码编码器级联构成的编码装置；

接收端至少包括 Turbo乘积码译码器和时空 Trellis码译码器级联构成的译码装置。

所述的发射端的编码装置可包括： Turbo乘积码编码器、时空 Trellis 码编码器、交织器；其中：输入比特为 Turbo乘积码编码器的输入， Turbo 乘^码编码器的输出为交织器的输入，交织器的输出为 Trellis 码编码器的输入， Trellis码编码器的输出为编码后的比特。

所述的接收端的译码装置可包括： Turbo乘积码译码器、时空 Trellis 码译码器、反交织器；其中：接收信号序列和反馈信息为时空 Trellis 码译器的输入，时空 Trellis 码译码器的输出和反馈信息为反交织器的输入，反交织器的输出分别为 Turbo 乘积码译码器的输入以及反馈信息的组成信息之一， Turbo 乘积码译码器的输出分别为判决输出以及反馈信息的组成信息之一。

' '所述的发射端还可包括：比特转换成符号的转换装置、调制器、天线； • 其中： Trellis 码编码器输出的编码后的比特为比特转换成符号的转换装置的输入，比特转换成符号的转换装置的输出为调制器的输入，调制器的输出为天线的输入，天线发射信号。

' 以上以两个发射天线一个接收天线并采用 QPSK调制为例，可以用相同的步骤和方法推广应用于多个发射天线多个接收天线并釆用其他调制方式的情况。

本发明的有益效果为: 采用 TPC作为级联编码的外码，降低了译码的复杂性和译码时延，减少了緩存的开销，采用了 Turbo乘积码和时空 Trellis 码之间的迭代译码 , 在获得分集增益的同时还大大提高了编码增益。

附图说明

图 1示出了本发明所述装置，采用两个发射天线和一个接收天线的结构框图；

图 2示出了本发明所述 Trellis栅格中的一条边；

图 3示出了本发明所述装置，采用级联的迭代译码的结构框图。具体实施方式

为了便于描述，在这里我们以两个发射天线一个接收天线和 QPSK为例进行说明，可以推广到多个发射天线多个接收天线和其它调制方案。

如图 1所示为 Turbo乘积码与时空 Trellis码（参见参考文献 [3] ) 的级联编码，采用两个发射天线一个接收天线，采用 QPSK调制。输入比特首先 ±行 TPC编码 , 编码后的比特经过交织，交织后的比特再经过 STTC编码，级联编码后的比特转换成符号，对这些符号进行调制，调制后的两路信号 x_1? x₂分别从两个发射天线上发射出去。假设在 t 时刻，发射天线 1 和接收天线之间的信道衰落记为 h^t)，发射天线 2和接收天线之间的信道衰落记 h₂ (t) , 接收天线收到的信号记为 y_t,接收信号受到高斯白噪声的干扰，噪声的双边功率谱密度记为 σ²=Ν。/2 。这样有：

y_t=h₁(t)x₁ + h₂(t)x₂ + v_t (1) 关于时空 Trellis 码的译码可以采用多种译码算法，这里给出一种 LOG- MAP算法，算法描述如下：

为了描述清楚，图 2所示为 Trellis栅格中的一条边 e (或者称为分支），在 k时刻边 e的起始状态为 _s ^s _K(e)末状态为 _s(_e)，表示 k时刻与边 e对应的信息字（包含 k_Q个比特）， c_k(e)表示 k时刻与边 e对应的符号字 (包含 n。个比特 )。在一个连续的状态序列中 s ,(_e) =

。定义 γ「= (yi，y_i+1， .，.，yj)，接收序列为 γ 。信息字序列为（u .··, ) ，用 u 表示一个信息字（包含 k。个比特）， u¹, i=l,2,..,k。表示信息字 u的第 i个比特分量。

这样有： ^p(U_k = u|Y)

= -^Λ ∑Pfe (e),S ),Y「.

pYi j ^e:u(^e)^=u

Pfe^S _k(^e)'SX Y;

- ^P(Y:LlS^E _K(e))' lfee),Y_KlS^SJ. Pfe^S _K(e),Y

其中：

(4)

M_K(e) = Pfe (e),Y_KIS^SJ (5)

P(Y lS【(e)) (6)

= P(S【(e) = s,Y）

- ∑ns ) = S，Y_k I s^s _K(e)) · p(s^s _K(e)，Y— ')

e^:S_K(^e)^=s

(

∑^P(YK₊₂ I ^P(S (^e)' Y_K+11 S ) = s

M_K(^e)^{= P}fe )'Y_KIS^S _K(e)

P(Y_K 1 S^S _K(e),SX (e) I S【(e))

P(Y_KlS^S _K(e),U_K = u)

ln[M_K(e)]

二丄 Y_K - - _Sl + h₂ · s₂)|² + ln[P(u_k = u)] (11) ln[A_K(S (e) = s)]

= ma ln(M_K(e)) + ln(A_K_₁(S^S _K(e)))

= _e max__s ln[B _K+1 (SL, (^e))] + ^[M_K+1 (e)] (12)

= max ln[A_K_,(^(e) - s)]+lnP_K(^(e) = s)]+ln|M_K(e)] (13)

e:u(e)=u

. 前面算法中的先验信息是 ln[P_(Uk = _U)] , 即是符号级上的，而 TPC译码器的输出是用比特级的似然比定义的可靠性，所以要进一步把它换算成 ln[P(u_k = u)] , 换算算法如下：按照似然比的定义： (14)

e

P(u^;=l)=

l + e^

总之有： P(u^!=b)= b=0,l

1 + e

现在计算得到的 In [P (u_k=u I γ「） ]是在已知接收序列 γ「时判断信息字序列中的第 k个信息字 u_k等于 u的概率的自然对数值。由于 TPC译码器的输入输出均是用比特级的似然比定义的可靠性，所以在这里还要进一步把 In [P (u_k=u I γ「） ]换算称比特级的似然比，换算算法如下：

- 用 _u'_k表示信息字的第 i个比特分量。

In

关于 TPC译码可以采用多种译码算法，这里推荐采用文献 [6]中介绍的 PML算法。

如图 3所示为 Turbo乘积码和时空 Trel l is码级联的迭代译码结构图。在第一次译码时, STTC译码器没有先验信息，由于先验信息是用似然比定义的可靠性，所以可让先验信息的输入值为零，表示没有先验信息。 STTC 译码器根据接收到的信号序列 γ = ( y_{1 ;} y₂, . . .，y_N )译码得到相应于图 1 中

13 处的信息在比特级上的可靠性（用似然比定义）, 这时的可靠性信息是全笮息，用全信息减去输入的先验信息得到新信息，把这些新信息经过反交织后送给 TPC译码器进行译码，同样 TPC译码器输出的是全信息，用全信息减去输入的先验信息得到新信息，把这些新信息反馈给 STTC译码器做先验信息用。如此进行迭代译码。在最后一次迭代结束后，用最后一次 TPC 码器输出的全信息判决输出。

从本发明的具体实施方式可见: 采用 TPC作为级联编码的外码，降低了译码的复杂性和译码时延，减少了緩存的开销，采用了 Turb (？乘积码和时空 Trel l i s 码之间的迭代译码，在获得分集增益的同时还大大提高了编 .码增益。

以上具体实施方式仅用于说明本发明, 而非用于限定本发明。参考文献

.. [1] Siavash M. Alamouti, "A simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications," IEEE Journal on select areas in communications. Vol. 16. NO.8, October 1998.

[2] Valiid Tarokh, Hamid Jafark ani and A. Robert Calderbank, "Space-Time Block

Coding for Wireless Communications： Performance Results IEEE Journal on select areas in communications. Vol. 17. NO.3, March 1999.

[3] V. Tarokh, N. Ses adri, and A. R. Calderbank, "Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction," IEEE Trans. IT, 44(2): 744-765, Mar. 1998.

[4] Zhipei Chi, Zhongfeng Wang and Keshab K. Parhi, "Iterative Decoding of Space- Time Trellis Codes and Related Implementation Issues," Signals, Systems and Computers, 2000. Conference Record of the Thirty-Fourth Asilomar Conference on, Volume: 1, 2000 page(s): 562-566 vol.1

[5] Gerhard Bauch, "Concatenation of Space-Time Block Codes and "Turbo"-TCM,"

Communications, 1999. ICC'99. 1999 IEEE International Conference on, 1999 page(s): 1202- 1206 vol.2

⁼ [6] United States patent, patent NO:5,930,272

Claims

权利要求

1. 一种 Turbo乘积码与时空 Trellis码级联的编码方法，其中：发射端对输入比特采用 Turbo乘积码与时空 Trellis码的级联编码；接收端对所接收的信号进行译码。
2. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述的发射端对输入比特采用 Turbo乘积码与时空 Trellis码的级联编码是指： Turbo乘积码为级联编码的外码，时空 Trellis 码为级联编码的内码；在编码时，先进行 Turbo 乘积码编码，对 Turbo 乘积码编码后的比特进行交织，交织后的比特再进行时空 Trellis编码。
3. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述的接收端对所接收的信号进行译码是指：接收端对所接收的信号采用 Turbo 乘积码译码和时空 Trellis码译码之间的迭代译码。
4. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述的发射端对输入比特采用 Turbo乘积码与时空 Trellis码的级联编码是指： Turbo乘积码为级联编码的外码，时空 Trellis 码为级联编码的内码；在编码时，先进行 Turbo 乘积码编码，对 Turbo 乘积码编码后的比特进行交织，交织后的比特再进行时空 Trellis编码；

所述的接收端对所接收的信号进行译码是指：接收端对所接收的信号采用 Turbo乘积码译码和时空 Trel 1 is码译码之间的迭代译码。
5. 根据权利要求 4 所述的方法，其特征在于，所述的发射端对输入比特采用 Turbo乘积码与时空 Trellis码的级联编码的步驟包括：

在编码时，对输入比特先进行 Turbo乘积码编码；

对 Turbo乘积码编码后的比特进行交织；

交织后的比特再进行时空 Trellis编码；

级联编码后的比特转换成符号；对所述的符号进行调制；

>调制后的信号从发射天线上发射出去。
6. 根据权利要求 4所述的方法，其特征在于，所述的接收端对所接收的信号采用了 Turbo乘积码译码和时空 Trel l is码译码之间的迭代译码的步骤包括：

,在第一次译码时，时空 Trel l is 码译码没有先验信息，可让似然比先验信息的输入值为零；

时空 Trel l i s码译码根据接收到的信号序列，译码得到相应信息在比特级上的可靠性，这时的可靠性信息是全信息；

. _;用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

把所述的新信息经过反交织后进行 Turbo乘积码译码；

同样 Turbo乘积码译码输出的是全信息；

用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

'把这些新信息反馈给时空 Trel l is码译码做先验信息用；

重复以上所述步骤进行迭代译码;

在最后一次迭代结束后，用最后一次 Turbo 乘积码译码输出的全信息判决输出。

. 7. 根据权利要求 4所述的方法，其步骤包括：

在编码时：

对输入比特先进行 Turbo乘积码编码;

对 Turbo乘积码编码后的比特进行交织；

. 交织后的比特再进行时空 Trel l is编码；

级联编码后的比特转换成符号；

对所述的符号进行调制；

调制后的信号从发射天线上发射出去；

,在译码时：在第一次译码时，时空 Trel l is 码译码没有先验信息，可让先验信息的输入值为零；

时空 Trel l i s码译码根据接收到的信号序列，译码得到相应信息在比特级的可靠性，这时的可靠性信息是全信息；

用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

把所述的新信息经过反交织后进行 Turbo乘积码译码；

同样 Turbo乘积码译码输出的是全信息；

用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

把这些新信息反馈给时空 Trel l i s码译码做先险信息用；

重复以上所述译码步骤进行迭代译码；

在最后一次迭代结束后，用最后一次 Turbo 乘积码译码输出的全信息判决输出。
8.根据权利要求 7所述的方法，其特征在于，所述的调制可以采用 QPSK 调制。
9. 根据权利要求 7所述的方法，其特征在于，所述的调制可以采用其他常规调制方式。
10. 根据权利要求 7 所述的方法，其特征在于，所述的天线可以采用一个以上发射天线的发射和一个以上接收天线的接收。
11. 据权利要求 7 所述的方法，其特征在于，所述的天线可以采用两个发射天线的发射和一个接收天线的接收。
12. 艮据权利要求 7所述的方法，其特征在于，所述的 Turbo乘积码译码可为 PML译码；

所述的时空 Trel 1 i s码译码可为 LOG-MAP译码。
13. 根据权利要求 7所述的方法，其步驟进一步包括：

在编码时：

对输入比特先进行 Turbo乘积码编码；对 Turbo乘积码编码后的比特进行交织;

交织后的比特再进行时空 Trellis编码；

级联编码后的两路比特分别转换成符号；

对所述的符号分别进行 QPSK调制；

调制后的两路信号 x₁₅ x₂分别从两个发射天线上发射出去；

设在 t 时刻，第一个发射天线和接收天线之间的信道衰落为 h^t)，第二个发射天线和接收天线之间的信道衰落为 h₂(t)，接收天线收到的信号记为 y_t,接收信号受到高斯白噪声的干扰，噪声的双边功率谱密度记为 (^=^/2 , 这样有：

y_t=h₁(t)x₁ + h₂(t)x₂ + v_t

在译码时：所述的 Turbo乘积码译码可为 PML译码，所述的时空 Trellis码译码可为 LOG- MAP译码；

在第一次译码时，时空 Trellis 码译码没有先验信息，可让似然比先验信息的输入值为零；

时空 Trellis 码译码根据接收到的信号序列 = ( y_l3 y₂, y_N ) ，译码得到相应信息在比特级上的可靠性，其中：先验信息是 ln[P_(Uk=_U)]，即是符号级上的；而 TPC译码器的输出是用比特级的似然比定义的可靠性，所以要进行转换，所述转换需满足下列条件：

还要进一步把 In [P (¾=u I _Y ]转换成比特级的似然比，所述转换需满足下列条件：

这时的可靠性信息是全信息；

用全信息減去输入的先验信息得到新信息， -把所述的新信息经过反交织后进行 Turbo乘积码译码；

同样 Turbo乘积码译码输出的是全信息；

用全信息减去输入的先验信息得到新信息；

把这些新信息反馈给时空 Trellis码译码做先验信息用；

重复以上所述译码步驟进行迭代译码；

在最后一次迭代结束后，用最后一次 Turbo 乘积码译码输出的全信息判决输出。
14. 一种 Turbo乘积码与时空 Trellis码级联的编码装置，其中：发射端至少包括 Turbo乘积码编码器和时空 Trellis码编码器级联构成的编码装置；

接收端至少包括 Turbo乘积码译码器和时空 Trellis码译码器级联构成的译码装置。

. 15. 居权利要求 14所述的装置，其特征在于，所述的发射端的编码装置可包括： Turbo 乘积码编码器、时空 Trellis 码编码器、交织器；其中：输入比特为 Turbo 乘积码编码器的输入， Turbo 乘积码编码器的输出为交织器的输入，交织器的输出为 Trellis码编码器的输入， Trellis码编码器的输出为编码后的比特。
16. 根据权利要求 14所述的装置，其特征在于，所述的接收端的译码装置可包括： Turbo 乘积码译码器、时空 Trellis 码译码器、反交织器；其中：接收信号序列和反馈信息为时空 Trellis 码译码器的输入，时空 Trellis 码译码器的输出和反馈信息为反交织器的输入，反交织器的输出分别为 Turbo 乘积码译码器的输入以及反馈信息的组成信息之一， Turbo 乘积码译码器的输出分別为判决输出以及反馈信息的組成信息之一。
17. 根据权利要求 14所述的装置，其特征在于，所述的发射端的编码装置可包括： Turbo 乘积码编码器、时空 Trellis 码编码器、交织器；其中：输入比特为 Turbo 乘积码编码器的输入， Turbo 乘积码编码器的输出为交织器的输入，交织器的输出为 Trellis 码编码器的输入， Trellis 码编码器的输出为编码后的比特。

- 所述的接收端的译码装置可包括： Turbo乘积码译码器、时空 Trellis 码译码器、反交织器；其中：接收信号序列和反馈信息为时空 Trellis 码译码器的输入，时空 Trellis 码译码器的输出和反馈信息为反交织器的输入，反交织器的输出分别为 Turbo乘积码译码器的输入以及反馈信息的组成信息之一， Turbo 乘积码译码器的输出分别为判决输出以及反馈信息的组成信息之一。
18. 根据权利要求 17所述的装置，其特征在于，所述的发射端还可包括：比特转换成符号的转换装置、调制器、天线；其中： Trellis 码编码器输出的编码后的比特为比特转换成符号的转换装置的输入，比特转换成符号的转换装置的输出为调制器的输入，调制器的输出为天线的输入，天线发射信号。