一篇文章让你认识并读懂大数据29

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BellJointLab2背景概述BellJointLab3课题背景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战争、自然灾害、边远地区的主要通信方式BellJointLab4研究重点Turbo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Turbo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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BellJointLab5OFDM——抗多径衰落的尖兵频谱划分成窄的平坦衰落子信道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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BellJointLab6OFDM的Matlab实现BellJointLab7Turbo码的原理、仿真和设计BellJointLab8Turbo码——接近Shannon限的好码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译码器采用迭代的方式，两个分量译码器互相帮助，充分利用码子的约束信息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BellJointLab9Turbo编码器DDDDinterleaverkukx1ky2kyku3ky1ky2ky½ConvolutionalEncoderinterleaver2/3ConvolutionalEncoder并行级联卷积编码器串行级联卷积编码器BellJointLab10Turbo解码器interleaverkdkx1ky2kySISODecoder1SISODecoder2interleaverDe-interleaver+De-interleaverHardDecision()kLLRd并行级联卷积译码器BellJointLab11软输入软输出分量译码器对数似然比（LLR）Y是观测，uk是估计值符号表示0，1比特，幅度表示可靠程度(1|)(|)ln()(1|)kkkPuYLuYPuYBellJointLab12MAP算法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计算–三种度量，两次递推，一步到位特点（相比维特比算法）–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BellJointLab13MAP算法前向度量后向度量分支度量前向递推后向递推后验概率LLR1111(')(';)kkkmPSmY1()(|)NkkkmPYSm1(',)(;|')kkkkmmPSmySm1'()(',)(')kkkmmmmm11'()(')(,')kkkmmmmm1(',)11(',)1(')(',)()(|)ln()(')(',)()kkkkkmmukkkkmmummmmLuYmmmmBellJointLab14MAP算法的计算流程计算分支度量前向递推计算前向度量后向递推计算前向度量综合计算后验概率LLRY()kLu(',)kmmkmkm(|)kLuYBellJointLab15MAP算法的矩阵表示(0)(1)(1)kkkkAM(0)(1)(1)kkkkBM(0,0)(0,1)(0,1)(1,0)(1,1)(1,1)(1,0)(1,1)(1,1)kkkkkkkkkkMMMMMM前向度量后向度量分支度量矩阵'1kkkAA11kkkBB前向递推后向递推BellJointLab16MAP算法的矩阵表示''''1210kkkAA12kkkNNBB101210'()()'()MNNNkkkkmABmmAB(()())()()kkkkDiagmmDiagADiagB1(1)*(1)1[(')(',)()]()()kkkMMkkkmmmmDiagADiagBBellJointLab17MAP的简化算法——Max-Log-MAP指数运算和乘法运算的噩梦变换到对数域中利用近似公式()ln(())kkAmm()ln(())kkBmm(',)ln((',))kkmmmmln()max()ixiiiexBellJointLab18Max-Log-MAP算法简化前向递推1'()max((')(',))kkkmAmAmmm简化后向递推1(')max(()(',))kkkmBmBmmm支路度量计算11(',)()22nckkkklklLmmuLuxy后验概率计算1(',)11(',)1(|)max((')(',)())max((')(',)())kkkkkkmmukkkmmuLuYAmmmBmAmmmBmBellJointLab19Log-MAP算法近似导致性能损失引入纠正项1212||121212ln()max(,)ln(1)max(,)||xxxxceexxexxfxxBellJointLab20串行级联卷积码系统Matlab实现BellJointLab21并行级联卷积码系统Matlab实现1BellJointLab22并行级联卷积码系统Matlab实现2BellJointLab23Turbo码仿真1之译码器结构——迭代次数BellJointLab24Turbo码仿真1之译码器结构——误码率BellJointLab25短帧Turbo码的设计要点1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。BellJointLab26Turbo码仿真2之分量码——递归BellJointLab27Turbo码仿真2之分量码——生成多项式BellJointLab28Turbo码仿真2之分量码——约束长度BellJointLab29短帧Turbo码的设计要点2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,[75],7)分量码。BellJointLab30Turbo码仿真3之帧长BellJointLab31短帧Turbo码的设计要点3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。BellJointLab32Turbo码仿真4之交织器——SCCCBellJointLab33Turbo码仿真4之交织器——PCCCBellJointLab34Turbo码仿真4之交织器——奇偶分离BellJointLab35短帧Turbo码的设计要点4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。BellJointLab36Turbo码仿真5之译码算法——简化BellJointLab37Turbo码仿真5之译码算法——量化比特数BellJointLab38短帧Turbo码的设计要点5译码算法：Log-MAP算法和MAP算法相当，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。BellJointLab39Turbo码仿真6之打孔BellJointLab40短帧Turbo码的设计要点6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Turbo码，打孔方式取经典方案。BellJointLab41Turbo码仿真7之结尾BellJointLab42短帧Turbo码的设计要点7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。BellJointLab43Turbo码混合ARQ系统BellJointLab44sourceCRCTurboEncTxBuffersinkCRCTurboDecRxBufferFeedbackCHChannelARQControlARQControlTurbo编码混合ARQ系统BellJointLab45传统HARQ分类TypeIHARQ：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。TypeIIHARQ：考虑无线信道的时变特性，在首次传输数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。TypeIIIHARQ：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。BellJointLab46Turbo码HARQI型我们用ARQI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。这种ARQ机制的优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。BellJointLab47Turbo码HARQI型接力棒式Turbo码HARQ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；发送端收到重发指令，则将该信息的原先的码子重新发送；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；重复第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。BellJointLab48Turb