《OFDM系统中TURBO编码混合ARQ技术的研究和实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《OFDM系统中TURBO编码混合ARQ技术的研究和实现（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、OFDM系统中Turbo编码混合ARQ技术 的研究和实现 答辩人：刘伟峰 指导老师：朱杰 1Bell Joint Lab背景概述2Bell Joint Lab课题背景l高频短波通信 抗毁能力极强覆盖范围广运行成本低机动灵活l战争、自然灾害、边远地区的主要通信方式3Bell Joint Lab研究重点lTurbo码的原理、仿真和设计Matlab建模仿真矩阵推导MAP算法短帧Turbo码的设计方法lTurbo编码混合自动重复请求方案现有方案的分析比较提出新颖的“分而治之Turbo编码HARQ”方案l系统模块的DSP实现与优化循环冗余校验码的快速实现Max-Log-MAP算法的实现与优化4Bell
2、Joint LabOFDM抗多径衰落的尖兵l频谱划分成窄的平坦衰落子 信道l串并变换后，每个子信道上 的符号速率下降，可以很好 的对抗时延扩展l把频率和时间选择性衰落的 影响随机化，有利于纠错码 工作一个频率选择性信道多个 非频率选择性信道5Bell Joint LabOFDM的Matlab实现 6Bell Joint LabTurbo码的原理、仿真和设计7Bell Joint LabTurbo码接近Shannon限的好码l编码器由两个递归系统卷积码通过交织器级 联的方式结合而成，以较小的编译码复杂度 ，生成码重分布优良的长码 l译码器采用迭代的方式，两个分量译码器互 相帮助，充分利用码子的约
3、束信息 l在短约束长度、长分组以及10到20次迭代的 情况下，Turbo码在误码率（BER）10e-5处 距离Shannon限0.5dB左右 8Bell Joint LabTurbo编码器并行级联卷积编码器串行级联卷积编码器9Bell Joint LabTurbo解码器并行级联卷积译码器10Bell Joint Lab软输入软输出分量译码器l对数似然比（LLR）lY是观测，uk 是估计值l符号表示0，1比特，幅度表示可靠程度11Bell Joint LabMAP算法l想法把比特的概率估计转化为状态转移的概率估计把状态转移的概率估计以递推形式计算l计算三种度量，两次递推，一步到位 l特点（相比维
4、特比算法）复杂度大（乘法，除法，指数，对数计算）卷积译码无优势可以输出译码软信息12Bell Joint LabMAP算法l前向度量l后向度量l分支度量l前向递推 l后向递推 l后验概率LLR13Bell Joint LabMAP算法的计算流程l计算分支度量l前向递推计算 前向度量l后向递推计算 前向度量l综合计算后验 概率LLR14Bell Joint LabMAP算法的矩阵表示前向度量后向度量分支度量矩阵前向递推后向递推 15Bell Joint LabMAP算法的矩阵表示16Bell Joint LabMAP的简化算法Max-Log-MAP指数运算和乘法运算的噩梦l变换到对数域中 l利用
5、近似公式17Bell Joint LabMax-Log-MAP算法简化前向递推 简化后向递推 支路度量计算 后验概率计算 18Bell Joint LabLog-MAP算法 l近似导致性能损失l引入纠正项19Bell Joint Lab串行级联卷积码系统Matlab实现20Bell Joint Lab并行级联卷积码系统Matlab实现121Bell Joint Lab并行级联卷积码系统Matlab实现222Bell Joint LabTurbo码仿真1之译码器结构迭代次数23Bell Joint LabTurbo码仿真1之译码器结构误码率24Bell Joint Lab短帧Turbo码的设计要
6、点1l译码器结构的选择：PCCC结构的误码平层 大约为1e-5，而SCCC结构能够提供更低的 误码平层（大约1e-7），SCCC需要更多的 迭代次数达到误码平层，本身的译码复杂度 也是远远高于PCCC（内编码器是4进制输入 ，8进制输出，格形图上有16个状态，每个 状态出发有4条路径，每个状态有4条路径交 汇）。在本系统中，我们选择PCCC结构。25Bell Joint LabTurbo码仿真2之分量码递归26Bell Joint LabTurbo码仿真2之分量码生成多项式27Bell Joint LabTurbo码仿真2之分量码约束长度28Bell Joint Lab短帧Turbo码的设计要
7、点2l分量码的选择：分量码必须是递归形式的， 递归形式的分量码对于Turbo码减少低码重 码子起着十分重要的作用，分量码的生成多 项式也起着十分重要的作用，必须优化设计 ，分量码的约束长度对于Turbo码的作用十 分有限，增大分量码的约束长度导致译码器 复杂度的增加。在本系统中，我们推荐使用 poly2trellis(3, 7 5,7)分量码。29Bell Joint LabTurbo码仿真3之帧长30Bell Joint Lab短帧Turbo码的设计要点3l帧长：对于Turbo码的性能而言，希望帧长 越长越好，虽然帧长度的增加不会增加单位 比特译码的复杂度，但是帧长直接决定了系 统传输的时间
8、延迟和译码存储空间，所以帧 长度的选择必须折中考虑。一般的对于语音 系统，帧长为200比特左右，对于视频系统 ，帧长为1000比特左右。本系统中，我们使 用256比特作为帧的长度。31Bell Joint LabTurbo码仿真4之交织器SCCC32Bell Joint LabTurbo码仿真4之交织器PCCC33Bell Joint LabTurbo码仿真4之交织器奇偶分离34Bell Joint Lab短帧Turbo码的设计要点4l交织器：交织器在Turbo码系统中也是一个十分重要 的组件，相比较差的交织器，良好的交织器可以提 供大约0.2dB到1dB左右的增益，大量的试验证明， 一般的随
9、机交织可以取得良好的性能，代数交织和 随机交织的性能相当，但是随着帧长的变小，随机 交织的优越性会消失，直至我们必须“刻意”的设计交 织器，才能使Turbo码正常工作。随机交织对于帧长 度没有约束，代数交织器一般对于帧长有着特殊的 要求，矩阵交织器同样要求帧长能够分解成两个相 近数的乘积。所有的交织器都可以通过查表的方式 完成。本系统中，我们推荐使用随机交织。35Bell Joint LabTurbo码仿真5之译码算法简化36Bell Joint LabTurbo码仿真5之译码算法量化比特数37Bell Joint Lab短帧Turbo码的设计要点5l译码算法：Log-MAP算法和MAP算法相
10、当， Max-Log-MAP有大约0.5dB的性能损失， MAP算法复杂度最大，Log-MAP和Max-Log- MAP计算量相近，但是Max-Log-MAP算法在 结构上最接近维特比算法，容易在DSP上快 速实现。3比特的量化足够，但是在高信噪比 区，推荐6比特量化。在本系统中，我们使用 Max-Log-MAP算法，6比特量化。38Bell Joint LabTurbo码仿真6之打孔39Bell Joint Lab短帧Turbo码的设计要点6l打孔：打孔可以提高码率，但是会带来误码 率方面的性能损失，打孔的选择应该基于系 统设计要求的考虑，没有孰优孰劣的问题。 本系统中，我们使用1/2码率的
11、Turbo码，打 孔方式取经典方案。40Bell Joint LabTurbo码仿真7之结尾41Bell Joint Lab短帧Turbo码的设计要点7l结尾策略：对于帧长大约1000比特的系统， 无需考虑迫零处理，当帧长小于50比特，我 们采用方案4迫零处理。42Bell Joint LabTurbo码混合ARQ系统43Bell Joint LabTurbo编码混合ARQ系统44Bell Joint Lab传统HARQ分类lType I HARQ：数据被加以CRC并用FEC编码，重 传时，错误分组被丢弃，重传分组与前一次相同。lType II HARQ：考虑无线信道的时变特性，在首次 传输数
12、据块时没有或带有较少的冗余，如果传输失 败，重传的数据块不是首次所传数据块的复制，而 是增加了其中的冗余部分。在接收端将两次收到的 数据块进行合并，编码速率下降而提高编码增益。lType III HARQ：与第二类HARQ不同的是重传码字 具有自解码能力，因此接收端可以直接从重传码字 当中解码恢复数据，也可以将出错重传码字与已有 缓存的码字进行合并后解码。45Bell Joint LabTurbo码HARQ I型l我们用ARQ I型广义的表示发送端在重发数 据分组时，不生成新的码子，与传统定义不 同的是，接收端不一定丢弃首发分组，完全 可以利用首发的信息，增加系统的通过率。l这种ARQ机制的优
13、点是系统充分利用了硬件 资源，编译码器的结构和控制都比较简单， 有利于系统降低复杂性和减少功耗。46Bell Joint LabTurbo码HARQ I型 接力棒式Turbo码HARQ l在发方，首先将欲传信息经Turbo编码器编码后发送出去，接 收端经过Turbo译码，如果通过CRC检错校验，反馈ACK信号 回发送端，如果不能通过CRC检错校验，则反馈NACK信号到 发送端；l发送端收到重发指令，则将该信息的原先的码子重新发送；l在收方，对于重发帧的译码，可将上一帧的译码结果用作先验 信息，并用于Turbo译码器进行译码。如果译码结果通过CRC 检错校验，反馈ACK，否则反馈NACK；l重复
14、第2、第3步，直到发送端收到ACK信号，或者达到最大的 重发次数，放弃此次通信。47Bell Joint LabTurbo码HARQ II型 l我们用ARQ II型表示发送端在重发数据分组时，生 成新的校验信息，即所谓的增量冗余信息，但是新 的分组没有自解码性质。lARQ I型：简单的“重复码”，其最小码距是原来的L 倍；实际上，通过L次重发可以构成纠错能力更强的 纠错码。l这种ARQ机制的优点是能够充分利用重发的分组资 源，纠错能力比I型更强，但是系统的编译码硬件设 计必须以最低码率的纠错码设计，而系统一般运行 在较高的码率水平上，所以不能充分利用硬件资源 ，编译码器的结构和控制相对复杂。4
15、8Bell Joint LabTurbo码HARQ II型 速率兼容打孔Turbo码HARQ l发送端生成L*N比特长度的Turbo码，经过打孔形成N比特长度分组， 发送到信道，并且保存被删除的其他校验比特； l接收端接收到分组，经过Turbo译码，如果通过了CRC检错，发送 ACK信号，否则，发送NACK信号；l发送端收到NACK信号，并累计重发次数，发送剩余的相应的N比特校 验比特； l接收端接收到重发分组后，与首发分组组成新的码子，经过Turbo译 码，如果通过了CRC检错，发送ACK信号，否则，发送NACK信号；l发送端收到NACK信号，并累加重发次数，发送剩余的相应的N比特校 验比特
16、； l接收端接收到重发分组后，与前两次的分组组成新码子，经过Turbo 译码，如果通过CRC检错，发送ACK信号，否则，发送NACK信号；l重复上述过程，直到发送端收到ACK信号，或者重发次数达到最大的 L次，放弃本次通信。49Bell Joint LabTurbo码HARQ II型 Turbo码分而治之HARQl基本思想是：假设系统是1/2码率的Turbo码，我们的编译码硬 件设计也是按照基本的1/2码率的Turbo码来设计，当发送端被 要求重发时，我们可以把信息序列分成奇数位和偶数位两类， 奇数位的信息比特保持不变，但是偶数位的信息比特用已知的 “01”序列代替，然后经过编码器生成码子，实际上，新生成的 码子的有效信息比特只有原来的一半，同时，码率也下降了一 半，这也就意味着码子有着更强的纠错能力，在接收端，译码 器首先对重发分组进行译码，运用相应的先验信息，得到关于 信息序列奇数位比特的可靠信息，然后把这些信息反馈到第一 个分组的译码器，通过奇数位比特的可靠信息来获得的正确译 码。如
