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1、一种咬尾双二进制 Turbo 码并行译码方案 王琼 王伦 杨太海 重庆邮电大学通信核心芯片协议及系统应用创新团队 摘 要： 针对双二进制 Turbo 译码使用并行、滑动窗联合译码技术时, 其咬尾的编码构造和窗分割导致边界状态值难以获取的问题, 提出了一种新咬尾 Turbo 码并行、滑动窗译码方案扩展交叠方案。该方案采用了边界状态盲估计和滑动窗状态回溯两种新译码技术。相比于传统的边界状态度量传播方法 (又称迭代法) , 新方法一方面提高了边界状态度量的准确性, 从而加快了译码收敛速度, 一定程度上减小了高信噪比下的性能损失;另一方面避免了存储前一次译码的迭代度量值, 更有利于硬件设计。仿真表明,
2、 新方案在 64 左右的中等窗长下即可消除并行和滑动窗影响, 逼近原始无并行无滑动窗译码的性能, 且窗长越小, 其相较传统迭代法带来的译码性能增益就越明显。该方案具有较好的实用性和应用价值, 可以满足 5G 的高速率、低时延和低存储的数据传输要求。关键词： 双二进制 Turbo 码; 滑动窗译码; 并行译码; 咬尾码; 作者简介：王琼 (1971) , 女, 湖北黄冈人, 高级工程师、硕士生导师, 主要研究方向为移动通信;Email:作者简介：王伦 (1992) , 男, 重庆铜梁人, 硕士研究生, 主要研究方向为移动通信物理层算法、信息论与信道编码, Email:.作者简介：杨太海 (199
3、4) , 男, 江苏南京人, 硕士研究生, 主要研究方向为移动通信物理层算法。收稿日期：2017-07-04基金：国家科技重大专项 (2016ZX03002010-003) A Parallel Decoding Scheme for Tail-biting Duo-binary Turbo CodesWANG Qiong WANG Lun YANG Taihai Communication Core Chip, Protocols and Application Innovation Team, Chongqing University of Posts and Telecommunicat
4、ions; Abstract： When the tail-biting duo-binary Turbo codes use parallel and sliding window joint decoding technology, the tail-biting encoding structure and the window segmentation lead to the difficulty of obtaining the boundary state metric. To solve the problem, this paper presents a novel paral
5、lel and sliding window decoding scheme called extended overlap scheme. The new scheme utilizes two new decoding techniques:the boundary state blind estimation technique and the sliding window state backtracking technique.Compared with the traditional Boundary State Metric Propagation ( BSMP) method
6、( also called the iterative method) , on the one hand, the new method improves the accuracy of the boundary state metric, thus speeding up the decoding convergence, and reducing the performance loss at a high signal-to-noise ratio ( SNR) to some extent. On the other hand, it helps to avoid storing t
7、he state metric of the last iteration, which is more conducive to the hardware design. Simulation results show that this method can eliminate the effects of parallel and sliding window, approximating the performance of the original non-parallel and non-sliding window decoding method at the medium wi
8、ndow length about 64. And the smaller the window length is, the more obvious the decoding performance gain is than the traditional iteration method. Therefore, this scheme has better practicability and application value, which satisfies the current high speed, low latency and low storage data transm
9、ission requirements of 5 G.Keyword： duo-binary Turbo code; slipping window decoding; parallel decoding; tail-biting code; Received： 2017-07-041 引言Turbo 码自 1993 年提出以来1, 便因其接近香农限的译码性能受到广泛关注, 也因此成为了第四代移动通信 (Long Term Evolution, LTE) 的物理层关键技术之一。随着虚拟现实、无人机和无人驾驶等技术的发展, 人们对通信数据吞吐率的要求越来越高, 带来的是对物理层编码技术更为严苛的
10、要求。双二进制Turbo 码的提出使得 Turbo 码的性能进一步提升2, 是一种十分理想的未来高速率数据通信的信道编码技术, 能很好地为上述新技术的发展提供技术支持。目前, 双二进制 Turbo 码 (Turbo 2.0) 还被提为 5G NR 的候选编码技术之一, 有着十分重要的研究价值。双二进制 Turbo 码的译码多采用基于外信息迭代交换的经典 BCJR 译码算法3, 如 MAP (Maximum A Posteriori) 算法, 这类算法普遍具有译码复杂度高、时延大、储存空间占用多的特点, 非常不利于工程应用。为此, 基于硬件结构的多数据块并行和滑动窗译码技术的发展, 相比算法优化
11、而言更为直接有效地解决了译码时延和存储消耗问题。Turbo 码本质上是卷积码, 为避免“尾效应”产生, 需要让编码器状态循环。Turbo 编码器使用两个分量编码器, 且它们之间存在交织器阻隔, 要想让两个分量编码器都实现状态循环一直是 Turbo 编码器设计的一个难点。LTE 的二进制 Turbo 编码器采用 12 个尾比特来归零尾状态, 会降低信道的带宽利用率。对于双二进制 Turbo 码, 考虑其结构特点, 通常采用文献4提出的咬尾 Turbo 码来实现状态循环, 但带来了译码端难以获取准确的边界状态的新问题。特别是在使用并行和滑动窗技术之后, 窗边界状态的未知使得各状态度量的计算准确度降
12、低。文献5提出了用交叠法来获取状态度量估计以实现传统 Turbo 码的并行译码, 遗憾的是该方法基于数据块的首末两端状态为零的迫零编码结构, 不能应用于咬尾 Turbo 码。文献6提出了用前一次迭代的度量值作为下一次迭代的初始值的边界度量传播法 (以下简称迭代法) , 然而此方法受限于码长, 使用并行和滑动窗技术之后, 因单个滑动窗的长度受限, 使得该算法收敛速度较慢, 必须作出译码性能或译码时间复杂度的妥协。基于上述问题, 为满足低时延和低存储的要求, 提高双二进制 Turbo 码并行和滑动窗联合译码性能, 本文提出了一种新的双二进制 Turbo 码高速译码方案, 即适应于咬尾双二进制 Tu
13、rbo 码的扩展交叠方案, 并通过仿真验证了其具有较好的实用性和应用价值。2 双二进制 Turbo 码不同于传统二进制 Turbo 码, 双二进制 Turbo 码得益于符号级的编码、交织结构和状态咬尾的卷积编码器, 体现出许多优势7:一是减小了交织深度, 交织器效率更高;二是无需传输尾比特, 带宽利用率更大;三是环形结构的网格编码对于每个信息比特有同样的保护, 不会产生边界效应, 降低了“误码平层”。此外, 一些学者还对其距离谱进行了计算和研究8, 从更深的理论上揭示了双二进制 Turbo 码的结构优势。2.1 双二进制 Turbo 码咬尾处理将双二进制 Turbo 码进行咬尾处理, 能使其状
14、态循环, 从而保证边界比特与中间比特受保护程度相同。本文采用如下咬尾处理过程:Step 1 将 RSC 编码器初始化为全 0 状态, 即 S0=s1, s2, s3=0, 0, 0。Step 2 将整个 FEC 块经分量编码器编码 (此次的输出不使用) , 得到编码后寄存器的最终状态为 SN。Step 3 由公式求得的状态 S0即为咬尾状态。Step 4 将分量编码器的初始状态设为咬尾状态 S0, 再次对同样的 FEC 块编码, 编码后的状态仍然是 S0, 即实现了状态循环。矩阵 M 与具体的编码结构有关:式中:I 为单位矩阵;N 为码字长度;G 为编码器生成矩阵, 取决于分量编码器的具体结构
15、, 通常都采用递归系统卷积码 (Recursive Systematic Convolution code, RSC) 。以图 1 所示电力线通信 Home Plug 协议中的双二进制 Turbo 编码器为例9, G矩阵可表示为图 1 分量编码器结构图 Fig.1 Structure diagram of component encoder 下载原图因 G=I, 可将式 (1) 所示预编码末状态与咬尾状态的对应关系制作成表格, 通过预编码末状态和编码码字长度可容易地查得咬尾状态。表 1 列出了图 2 所示编码结构下各码字长度的咬尾状态。表 1 循环状态 S0 查询表 Tab.1 The loo
16、p state table 下载原表 需要说明的是, 经过咬尾处理后两个 RSC 编码器的咬尾状态并不相同, 且接收端无法获取该状态, 这也是双二进制译码的技术难点, 亦是本文要解决的问题。2.2 双二进制 Turbo 码译码原理双二进制 Turbo 码的译码结构基于外信息交换的迭代译码。两个分量译码器通过交织 (解交织) 器相连, 其中一个译码器的外信息作为另一个译码器的先验信息实现迭代译码。最后, 将其中一个分量译码器硬判决即得到发送信息序列的估计值。两译码器间的信息交换使得译码结果最终收敛于最大似然译码。分量译码器的实现算法较多, 但考虑到性能、硬件实现和时间复杂度的折中, 本文都将采用 MAX-Log-MAP 作为译码算法。双二进制 Turbo 码的 MAX-Log-MAP 译码由似然比进行比特判决, 似然比计算公式如下:式中:i=1, 2, 3 为不同的输入信息比特;max 为最大值运算;y 1为接收
