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LTE系统中Turbo编码的理论分析
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2017-10-27
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通过对常用Turbo编码原理的研究分析，提出了一种简单有效的Turbo编码实现方案，该方案已经在TMS320C64× DSP中实现。将Turbo编码程序在CCS3.3中运行，验证了方案的可行性、高效性。该方案已应用于LTE-TDD无线综合测试仪表的开发中。
信道编码是消除或降低信息传输错误概率的有效手段之一。根据Shannon有噪信道编码定理，在信道传输速率R不超过信道容量C的前提下，只有在码组长度无限的码集合中随机地选择编码码字并且在接收端采用最大似然译码算法时，才能使误码率接近为零。Turbo编码［1］巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，获得了接近Shannon理论极限的译码性能。
Turbo码又称并行级联卷积码PCCC（Parallel Concatenated Convolutional Code），它将卷积码和随机交织器结合，实现了随机编码的思想，在实现随机编码思想的同时，通过交织器实现了由短码构造长码的方法。Turbo码由分量码经由交织器级联而成。分量码和交织器设计的好坏是决定Turbo码性能的关键因素。Turbo码的提出，不仅提供了一个性能优越的编码方法，还更新了编码理论研究中的一些概念和方法。由于Turbo码具有接近Shannon理论极限的性能［2］，尤其是低信噪比下的优异性能，使Turbo码成为第三代移动通信高质量、高速率信道中的首选编码方法。
1 LTE系统中的Turbo编码
LTE作为准4 G技术，以正交频分复用OFDM和多输入多输出MIMO技术为基础，下行采用正交频分多址（OFDM）技术，上行采用单载波频分多址（SC-FDMA）技术，在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mb/s与上行50 Mb/s的峰值速率。
在LTE系统中，Turbo编码主要应用于上行共享信道、下行共享信道、寻呼信道和多播信道的信道编码［3］处理。由MAC层传来的数据和控制信息比特流经过添加CRC以及码块分割后进入编码单元，编码完成后进行速率匹配［3-4］。
0。为了让编码器从0状态开始且编码之后回到0状态，编码后的输出比特数为D=K+4，最后的4个比特被称为栅格停止尾比特。Turbo编码器结构如图1 所示。
2 Turbo编码算法分析
Turbo编码原理相对简单，主要由两个子编码器和内交织器组成。每次输入一个码块数据流，两个子编码器结构一样，可以并行处理，其中输入在进入第二个编码器之前要先进入一个交织单元，经交织后作为输入比特序列，然后进入第二个编码器处理［2］。输出三路数据，分别为信息比特流、校验比特流1、校验比特流2。本文提出采用查表法来实现Turbo编码的算法。
具体算法描述如下：
（1）码块分割完后可能出现不同码块大小（K+，K-），算法采用每个码块单独处理。所以需要定义一个标识来查表当前码块需要交织时的参数。
（2）Turbo编码时有反馈的影响，即每个输入比特与反馈值做了“异或”后才能作为移位寄存器的下一个状态，故在实际DSP实现过程中使用了逐位比特处理的方式。
（3）由于Turbo编码器上下两部分处理方法一样，所以在处理上半部分编码器时同时并行处理下半部分，而下半部分输入是经过交织之后的输出比特序列。
（4）根据不同的f1和f2可以有不同的结果。f1和f2一共有188种配对，规律性低，本文只能采用一比特一比特按照公式计算出对应位置，然后进行交织。
（5）采用查表的方式，每输入一个比特加上现在寄存器里面的3个比特作为一个状态（一共4个比特16种状态，输入比特作为最低位），可以查出一个输出比特和下一个寄存器状态。
（6）在尾比特的处理上，每一路的最后3位尾比特与输入无关，只与现在寄存器的状态有关（3 bit 一共8种状态）。本文全部列出了8种状态下可能出现的结果。在DSP实现功能时直接判断现在的寄存器处于哪种状态，然后利用查表可以得出3个尾比特。
（7）最后对四路输出的尾比特（3×4=12 bit）按标准做一个赋值处理，然后移位接到之前的比特序列中去就可以得到最终的三路输出比特序列。
3 Turbo编码算法的DSP实现
3.1 硬件
TMS320C6000系列DSP是TI公司推向市场的高性能DSP，综合了目前性价比高、功耗低等优点。TMS320C64系列在TMS320C6000×DSP芯片中处于领先水平，它不但提高了时钟频率，而且在体系结构上采用了VelociTI 甚长指令集VLIW（Very Long Instruction Word）结构［5］，芯片内有8个独立功能单元的内核，每个周期可以并行执行8条32 bit指令，最大峰值速度为4 800 MIPS，2组共64个32 bit通用寄存器，32 bit寻址范围，支持8/16/32/40 bit的数据访问，芯片内集成大容量SRAM，最大可达8 Mbit。由于其出色的运算能力、高效的指令集、大范围的寻址能力，使其特别适用于无线基站、测试仪表等对运算能力和存储量要求高的应用场合。
信道编码是消除或降低信息传输错误概率的有效手段之一。根据Shannon有噪信道编码定理，在信道传输速率R不超过信道容量C的前提下，只有在码组长度无限的码集合中随机地选择编码码字并且在接收端采用最大似然译码算法时，才能使误码率接近为零。Turbo编码［1］巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，获得了接近Shannon理论极限的译码性能。
Turbo码又称并行级联卷积码PCCC（Parallel Concatenated Convolutional Code），它将卷积码和随机交织器结合，实现了随机编码的思想，在实现随机编码思想的同时，通过交织器实现了由短码构造长码的方法。Turbo码由分量码经由交织器级联而成。分量码和交织器设计的好坏是决定Turbo码性能的关键因素。Turbo码的提出，不仅提供了一个性能优越的编码方法，还更新了编码理论研究中的一些概念和方法。由于Turbo码具有接近Shannon理论极限的性能［2］，尤其是低信噪比下的优异性能，使Turbo码成为第三代移动通信高质量、高速率信道中的首选编码方法。
1 LTE系统中的Turbo编码
LTE作为准4 G技术，以正交频分复用OFDM和多输入多输出MIMO技术为基础，下行采用正交频分多址（OFDM）技术，上行采用单载波频分多址（SC-FDMA）技术，在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mb/s与上行50 Mb/s的峰值速率。
在LTE系统中，Turbo编码主要应用于上行共享信道、下行共享信道、寻呼信道和多播信道的信道编码［3］处理。由MAC层传来的数据和控制信息比特流经过添加CRC以及码块分割后进入编码单元，编码完成后进行速率匹配［3-4］。
0。为了让编码器从0状态开始且编码之后回到0状态，编码后的输出比特数为D=K+4，最后的4个比特被称为栅格停止尾比特。Turbo编码器结构如图1 所示。
2 Turbo编码算法分析
Turbo编码原理相对简单，主要由两个子编码器和内交织器组成。每次输入一个码块数据流，两个子编码器结构一样，可以并行处理，其中输入在进入第二个编码器之前要先进入一个交织单元，经交织后作为输入比特序列，然后进入第二个编码器处理［2］。输出三路数据，分别为信息比特流、校验比特流1、校验比特流2。本文提出采用查表法来实现Turbo编码的算法。
具体算法描述如下：
（1）码块分割完后可能出现不同码块大小（K+，K-），算法采用每个码块单独处理。所以需要定义一个标识来查表当前码块需要交织时的参数。
（2）Turbo编码时有反馈的影响，即每个输入比特与反馈值做了“异或”后才能作为移位寄存器的下一个状态，故在实际DSP实现过程中使用了逐位比特处理的方式。
（3）由于Turbo编码器上下两部分处理方法一样，所以在处理上半部分编码器时同时并行处理下半部分，而下半部分输入是经过交织之后的输出比特序列。
（4）根据不同的f1和f2可以有不同的结果。f1和f2一共有188种配对，规律性低，本文只能采用一比特一比特按照公式计算出对应位置，然后进行交织。
（5）采用查表的方式，每输入一个比特加上现在寄存器里面的3个比特作为一个状态（一共4个比特16种状态，输入比特作为最低位），可以查出一个输出比特和下一个寄存器状态。
（6）在尾比特的处理上，每一路的最后3位尾比特与输入无关，只与现在寄存器的状态有关（3 bit 一共8种状态）。本文全部列出了8种状态下可能出现的结果。在DSP实现功能时直接判断现在的寄存器处于哪种状态，然后利用查表可以得出3个尾比特。
（7）最后对四路输出的尾比特（3×4=12 bit）按标准做一个赋值处理，然后移位接到之前的比特序列中去就可以得到最终的三路输出比特序列。
3 Turbo编码算法的DSP实现
3.1 硬件
TMS320C6000系列DSP是TI公司推向市场的高性能DSP，综合了目前性价比高、功耗低等优点。TMS320C64系列在TMS320C6000×DSP芯片中处于领先水平，它不但提高了时钟频率，而且在体系结构上采用了VelociTI 甚长指令集VLIW（Very Long Instruction Word）结构［5］，芯片内有8个独立功能单元的内核，每个周期可以并行执行8条32 bit指令，最大峰值速度为4 800 MIPS，2组共64个32 bit通用寄存器，32 bit寻址范围，支持8/16/32/40 bit的数据访问，芯片内集成大容量SRAM，最大可达8 Mbit。由于其出色的运算能力、高效的指令集、大范围的寻址能力，使其特别适用于无线基站、测试仪表等对运算能力和存储量要求高的应用场合。
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