一種基於誤比特率分布的Turbo碼刪餘方法與流程
2023-04-30 10:38:27
本發明涉及通信或信息處理
技術領域：
，特別涉及一種根據誤比特率分布的Turbo碼的刪餘序列設計方法。
背景技術：
：在數據通信中，為了增強信息傳輸的可靠性，通常採用信道編碼的方法對數據在傳輸中產生的錯誤進行檢測和糾正。Turbo碼是近十餘年來發展的一種性能優異的糾錯碼，具有非常好的糾錯能力，能大大改善系統性能。Turbo碼的分量碼構造簡單，應用靈活，有著良好的應用前景。為了達到規定的傳輸速率，需要對編碼後的序列進行刪餘，即刪去某些位置上碼元比特。完成此功能的裝置稱為刪餘矩陣(或刪餘序列)。刪餘矩陣不僅能改變Turbo碼的碼率，還直接影響到Turbo碼的誤比特率特性。因此，如何設計刪餘矩陣是Turbo碼研究中的一個重要部分。文獻[NearShannonlimiterror-correctingcodinganddecoding:Turbo-codes，inProc.IEEEInt.Conf.Commun.(ICC),Geneva,SWitzerland,May1993,pp.1064-1070.]探討了一種簡單的刪餘方案，刪餘矩陣可表示為也可表示為p＝[10；01]。矩陣中的第一行對應著對第一路校驗序列的刪餘。「1」意味著此位置的信息不被刪除，「0」意味著相應位置上的信息被刪除。因此p的刪餘機制為：對信息序列不進行刪餘，對第一路校驗序列，第一位保留，然後每隔一位保留一位。對第二路校驗序列第一位刪除，然後每隔一位刪除一位。這是一種最簡單的周期性刪餘方案，給出1/2的碼率，被廣泛應用。上述文獻中使用這種刪餘矩陣達到了接近香農限的誤比特率特性。這種刪餘方案採用周期刪餘，是一種隨機均勻的刪餘，這與Turbo碼產生隨機編碼的思想是一致的。但是這種刪餘方案沒有考慮刪餘對碼重分布的影響，可能會使得刪餘前重量小的碼字在刪餘後變成重量更小的碼字，從而使得刪餘前後Turbo碼的誤比特率特性下降明顯。因此不是最佳的刪餘方案。文獻[TheOptimalPuncturingPatternDesignforRate-CompatiblePuncturedTurboCodes，2009InternationalConferenceonWirelessCommunicationsandSignalProcessing,WCSP2009，Page(s):1-5]給出了一種新的刪餘方案。這種刪餘方案是基於碼重分布進行設計的。首先求出Turbo碼的低碼重分布，在設計刪餘序列時儘量避免刪去低碼重碼字的碼元。因此，這種刪餘方案可以保證刪餘前最小重量的碼字在刪餘後保持不變，減小了刪餘前後Turbo碼的誤比特率特性下降程度。文獻還對周期性刪餘和非周期性刪餘誤比特率特性進行了比較，結論是非周期性刪餘的效果一般好於周期性刪餘的效果，尤其是當周期較短時，差別更大。可以認為這種刪截方案是一種最佳的刪餘方案。由於這種刪餘方案是基於低碼重碼字分布的，必須求出低碼重碼字分布才能進行刪餘方案的設計。而對於Turbo碼，尤其是當碼字長度較長時，求出低碼重碼字分布是相當困難的。因此這種刪餘方案只適用於碼字長度較短(如信息序列長度不超過150時)的Turbo碼。技術實現要素：有鑑於此，本發明的目的在於，提供一種基於誤比特率分布的Turbo碼刪餘方法，在周期刪餘的基礎上，根據誤比特率分布對需要刪餘的碼元位置進行修正，從而保證最小重量的碼字在刪餘前後保持不變，減小了刪餘後Turbo碼的誤比特率下降程度。本發明的目的是以下述方式實現的：一種基於誤比特率分布的Turbo碼刪餘方法，所述方法包括以下步驟：步驟一：確定一個Turbo碼母碼，設所述Turbo碼母碼的信息序列長度為k，碼率為R，碼長為N＝k/R，生成多項式矩陣為g＝(1，g(D)/h(D))，並給定交織器類型和刪餘矩陣；步驟二：對未刪餘的Turbo碼母碼在給定信噪比SNR的條件下進行蒙特卡洛仿真，求出信息序列的誤比特率分布P＝(p1,p2,…,pN)，式中P(j)＝pj，j＝1，2，…，N，P(j)為Turbo碼母碼碼字序列中第j個碼元的誤比特率；步驟三:對各個碼元的誤比特率的大小從大到小進行重新排序，得到排序表B＝(b1,b2,…,bN)，式中B(i)＝bi，i＝1，2，…，N；步驟四:由給定的刪餘矩陣，生成周期刪餘序列W＝[W1,W2,…,WN]，即W(q)＝Wq，q＝1，2，…，N；Wq＝0或1，如果是「0」,表示對應位置上的碼元被刪除；如果是「1」,表示對應位置上的碼元不被刪除；步驟五：對周期刪餘序列W按如下步驟進行修改：501)給定一個整數s，s取值範圍為[6,10],設前向循環次數t＝0；反向循環次數T＝N+1；502)令t＝t+1，如果t>s，轉到步驟506)；否則，轉到步驟503)；503)檢測位置為B(t)＝bt的碼元是否被刪除，即W(B(t))＝W(bt)是否為0，如果沒有被刪除，轉到步驟502)；否則，修改此位置上刪餘序列W(bt)的值，即將「0」改為「1」，保留此碼元不被刪除，轉到步驟504)；504)令T＝T-1；檢測T是否等於0，若是，轉到步驟506)；若否，轉到步驟505)；505)檢測位置為B(T)的碼元是否未被刪除，即W(B(T))＝W(bT)是否為1；如果未被刪除，則修改刪截序列W(bT)的值，即將「1」改為「0」，刪除此碼元，然後，回到步驟502)；如果被刪除，回到步驟504)；506)修改結束，給出修改後的刪餘序列W′。步驟501中，當k不大於1000時，s取值範圍為[6,7]。步驟501中，當k大於1000時，s取值範圍為[8,10]。步驟四中，當刪餘矩陣p＝[10；01]時，產生的周期刪餘序列W為[110101]的循環序列；當刪餘矩陣p＝[01；10]時，產生的周期刪餘序列W為[101110]的循環序列。相對於現有技術，本發明不依賴於Turbo碼的類型，與碼的結構無關，只要通過仿真得到了誤比特率分布，在周期刪餘的基礎上根據誤比特率分布對原刪餘序列進行修正，就可以進行刪餘序列的設計。這種刪餘方案既保留了均勻刪餘的思想，又兼顧了碼重分布的影響，從而達到提高Turbo碼的糾錯能力的目的。附圖說明圖1為本發明的實現流程圖。圖2為本發明的母碼的誤比特率分布曲線示意圖。圖3為本發明刪餘序列修改前後Turbo碼的誤比特率曲線比較示意圖。圖4為本發明交織長度為1024的Turbo碼的誤比特率曲線對比示意圖。具體實施方式本發明的流程圖如圖1所示，所述方法包括以下步驟：A：確定一個Turbo碼母碼，Turbo碼母碼的信息序列長度為k，碼率為1/3，因此碼長為N＝3k。生成多項式矩陣為g＝(1，g(D)/h(D))，並給定交織器類型和刪餘矩陣。B：對未刪餘的Turbo碼母碼在給定信噪比SNR的條件下進行蒙特卡洛仿真，求出信息序列的誤比特率分布P＝(p1,p2,…,pN)，式中P(j)＝pj，j＝1，2，…，N，P(j)為Turbo碼母碼碼字序列中第j個碼元的誤比特率；C:對各個碼元的誤比特率的大小從大到小進行重新排序，進行標記，稱為排序表，記為B＝(b1,b2,…,bN)，或表示為B(i)＝bi，i＝1，2，…，N。如B(1)＝b1，表示誤比特率最大的碼元的位置，B(2)＝b2表示誤比特率為次最大的碼元的位置，依次類推。誤比特率最小的碼元位置為B(N)＝bN。D:由給定的刪餘矩陣，生成刪餘序列W＝[W1,W2,…,WN]。或表示為W(q)＝Wq，q＝1，2，…，N。且Wq＝0或1。如果是」0」,表示對應位置上的碼元被刪除，如果是」1」,表示對應位置上的碼元不被刪除。E：以下是對周期刪截序列W的修改：1)設定一個整數s，設前向循環次數t＝0；反向循環次數T＝N+1；2)t＝t+1。如果t>s，轉到步驟6)；否則，轉到步驟3)；3)檢測位置為B(t)＝bt的碼元是否被刪除，即W(B(t))＝W(bt)是否為0。如果沒有被刪除，轉到步驟2)；否則，修改此位置上刪餘序列W(bt)的值，即將「0」改為「1」，保留此碼元不被刪除，轉到步驟4)；4)T＝T-1；檢測T是否等於0，若是，轉到步驟6)；若否，轉到步驟5)；5)檢測位置為B(T)的碼元是否未被刪除，即W(B(T))＝W(bT)是否為1。如果未被刪除，則修改刪截序列W(bT)的值，即將「1」改為「0」，刪除此碼元，然後，回到步驟2)；如果被刪除，回到步驟4)；6)修改結束，給出修改後的刪餘序列W′。下面結合具體實例說明上述步驟：A：Turbo碼母碼，生成多項式矩陣為g＝(1,1101/1011)，隨機交織器，信息序列長度為k＝24，碼率為1/3，碼字序列長度為N＝72。B：在信噪比SNR＝4dB時，對母碼進行蒙特卡洛仿真，得到母碼的誤比特率分布。如圖2所示，橫坐標表示碼字序列各個碼元的位置，縱坐標是各個碼元對應的誤比特率。C：排序後得到的排序矩陣B＝[565935443865683251295333715462426343506147573455413031674036213914232649374548665815186927201941764116024255268137072124652271210163289]顯然，B(1)＝56，說明在碼字序列中，第56個碼元具有最大的誤比特率，B(72)＝9，說明在碼字序列中，第9個碼元具有最小的誤比特率。D：由刪餘矩陣p＝[10；01]，可以給出周期刪餘序列W＝[110101110101110101110101110101110101110101110101110101110101110101110101]。為清楚起見，下面表1給出碼字序列位置與周期刪餘序列的對應關係。123456789101112131415161718192021222324110101110101110101110101252627282930313233343536373839404142434445464748110101110101110101110101495051525354555657585960616263646566676869707172110101110101110101110101表1碼字序列位置與周期刪餘序列的對應關係E：對周期刪餘序列W進行修改：1)設整數s＝6，設前向循環次數t＝0，反向循環次數T＝N+1＝73；2)令t＝t+1，如果t>s，進入步驟6)；此時t＝1，t＜s，轉到步驟3)；3)由於B(1)＝56，在刪餘序列W可以查到W(B(1))＝W(56)＝1，即位置56上的碼元沒有被刪除，因此，此位置上的刪餘狀態不改變，轉到步驟2)繼續執行；令t＝2，由於B(2)＝59，在刪餘序列W可以查到W(B(2))＝W(59)＝0，即位置59上的碼元被刪除，因此，此位置上的刪餘狀態需要改變，既將刪餘序列中W(59)的「0」改為「1」即可，然後進入到第4)步；4)T＝T-1；如果T＝0，進入步驟6)；此時T＝72，T不等於0，進入下一步；5)查看位置B(N＝72)＝9的刪餘狀態，由刪餘序列看以看出W(B(72))＝W(9)的狀態為「0」，已被刪除，回到步驟4)繼續執行；令T＝71，查看位置B(71)＝28的刪餘狀態，由刪餘序列可以看出W(B(71))＝W(28)的狀態為「1」，未被刪除，將W(28)的值改為「0」。回到步驟2)繼續執行。令t＝3，由B(3)＝35，在刪餘序列W可以查到W(B(3))＝W(35)＝1，即此位置上的碼元沒有被刪除，因此，此位置上的刪餘狀態不改變，回到步驟2)繼續執行。令t＝4，由於B(4)＝44，在刪餘序列可以查到W(B(4))＝W(44)＝1，即此位置上的碼元沒有被刪除，因此，此位置上的刪餘狀態不改變，回到步驟2)繼續執行。令t＝5，由於B(5)＝38，在刪餘序列可以查到W(B(5))＝W(38)＝1，即此位置上得碼元沒有被刪除，因此，此位置上的刪餘狀態不改變，回到步驟2)繼續執行。令t＝6，由於B(6)＝65，在刪餘序列可以查到W(B(6))＝W(65)＝0，即此位置上的碼元被刪除，因此，此位置上的刪餘狀態需要改變，既將刪餘序列中W(65)的值由「0」改為「1」。回到步驟4)繼續執行。令N＝70，查看位置B(70)＝3的刪餘狀態，由刪餘序列W可以看出W(B(70))＝W(3)的狀態為「0」，已被刪除。回到步驟4)繼續執行。令N＝69，查看位置B(69)＝16的刪餘狀態，由刪餘序列W可以看出W(B(69))＝W(16)的狀態為「1」，未被刪除，將此位置的值改為「0」。回到步驟2)繼續執行。令t＝7，此時由於s＝6，t已大於s，進入步驟6)。6)修改完成，給出修改後的刪餘序列。W′＝[110101110101110001110101100101110101110101110101110101110111110111110101]。與原周期刪餘序列相比，修改後的刪餘序列W′是原周期刪餘序列W中的59位置和65位置的「0」改為「1」，位置16和位置28的狀態「1」改為「0」即可。為清楚起見，下面表2給出碼字序列位置與修改後的刪餘序列的對應關係。123456789101112131415161718192021222324110101110101110001110101252627282930313233343536373839404142434445464748100101110101110101110101495051525354555657585960616263646566676869707172110101110111110111110101表2碼字序列位置與修改後的刪餘序列的對應關係圖3給出了刪餘序列修改前後Turbo碼的誤比特率曲線比較。由圖可以看出，修改後的刪餘序列給出的誤比特率曲線有了明顯改善。圖4給出了交織長度為1024的一個Turbo碼的誤比特率曲線的對比。同樣可以看出，當信噪比大於1.5dB後，修改後的誤比特率曲線相比於修改前，也有了明顯改進。本發明中的部分技術說明如下：1、Turbo碼的碼字結構：設Turbo碼的信息序列長度(也即交織器長度)為k，沒有任何刪餘，則碼率為1/3，在不考慮結尾序列的情況下，碼字長度為N＝3k。設信息序列為(m1，m2，...，mk)，第一路校驗序列為(r1，r2，...，rk)，第二路校驗序列為(v1，v2，...，vk)。則Turbo碼的碼字序列結構為(m1r1v1m2r2v2，...，mkrkvk)。碼字序列中的各個符號稱為碼元。2、刪餘矩陣為了達到所需要的碼率，需要對原始的Turbo碼的碼字序列中的碼元進行刪除，如果是周期性的刪除，可由刪餘矩陣表示具體的刪餘方式。例如如下的刪餘矩陣表示一個周期為2的刪餘方式。第一行給出對信息序列的刪餘狀況，第二行給出對第一路校驗序列的刪除狀態，第三行給出對第二路校驗序列的刪除狀態。「1」表示對應位置上的碼元保留，不被刪除；「0」表示對應位置上的碼元被刪除。因此，第一行的「11」表示不對信息序列進行任何刪除；第二行的「10」表示，保留第一路校驗序列的第一個碼元，刪除第二個碼元，保留第三個碼元，刪除第四個碼元，以此類推；第三行的「01」表示，刪除第二路校驗序列的第一個碼元，保留第二個碼元，刪除第三個碼元，保留第四個碼元，以此類推。如果不對信息序列進行刪餘，刪餘矩陣還可簡化為也可表示為p＝[10；01]。3.周期刪餘序列W：周期刪餘序列W是一個長度與碼字序列一樣的由「1」和「0」組成的序列。如果刪餘序列中某個位置是「1」，表明與此位置上對應的碼元保留，如果是「0」，表明與此位置上對應的碼元被刪除。因此它描述了對碼字序列中各個碼元的刪餘情況。如刪餘矩陣p＝[10；01]產生的周期刪餘序列可表示為W＝[110101110101......]。如果是非周期刪餘，必須用刪餘序列表示對碼字序列的刪餘情況。修改後的刪餘序列由W′表示。4.整數s值的選取：s值得範圍一般在8左右。隨著信息序列長度k的增加，s的值也隨之增加。當k不大於1000時，s可取值6～7；當k大於1000時，s可取值8～10。以上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本發明整體構思前提下，還可以作出若干改變和改進，這些也應該視為本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3