關(guān)鍵詞： 移動(dòng)無線信道 圖像傳輸 TURBO碼 編碼比率 交織尺寸
移動(dòng)無線信道由于存在多徑效應(yīng)、路徑損耗和環(huán)境噪聲的改變，因而信道質(zhì)量差。在通過移動(dòng)無線信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)一般需要引入信道編碼技術(shù)。TURBO碼是將信道交織和迭代譯碼結(jié)合起來，因而具有很強(qiáng)的抗干擾性能。通過改變TURBO碼分量編碼器的約束長度、交織器尺寸、編碼比率可以得到不同的信道編碼方案。本文對(duì)編碼比率、交織器尺寸如何影響TURBO碼在移動(dòng)無線信道下的差錯(cuò)保護(hù)性能進(jìn)行了分析，介紹了一種Helical交織器的構(gòu)造方法。這種Helical交織器只需要添加一個(gè)長度為分量編碼器記憶深度位數(shù)據(jù)就可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)分量編碼器結(jié)束于相同狀態(tài)（這種屬性稱為smile屬性）。本文以移動(dòng)無線信道的二狀態(tài)Gillbert-Elliot模型為基礎(chǔ)，結(jié)合圖像數(shù)據(jù)，采用TURBO碼作為信道編碼方案，對(duì)于在移動(dòng)無線信道下數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)TURBO碼的編碼比率、交織器尺寸對(duì)圖像傳輸效果的影響進(jìn)行了分析。
1 移動(dòng)無線信道的二狀態(tài)Gillbert-Elliot模型
在移動(dòng)無線信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸差錯(cuò)具有突發(fā)性。在發(fā)生突發(fā)性差錯(cuò)時(shí)差錯(cuò)率可達(dá)1/2(這種狀態(tài)稱為“壞”狀態(tài))，在正常狀態(tài)下差錯(cuò)率很小(如10-5，這種狀態(tài)稱為 “好”狀態(tài))。突發(fā)性差錯(cuò)的產(chǎn)生可能是由尖銳的強(qiáng)噪聲、接收機(jī)失去同步、信號(hào)衰落等原因引起。對(duì)于二進(jìn)制突發(fā)差錯(cuò)信道可以用Gillbert-Elliot模型描述。假設(shè)信道處于下面2種狀態(tài)之一：G表示“好”狀態(tài)，B表示“壞”狀態(tài)，則二狀態(tài)Gillbert-Elliot模型如圖1所示。
圖中，α表示信道處于“好”狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)移到“好”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，1-α表示信道處于“好”狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)移到“壞”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，β表示信道處于“壞”狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)移到“壞”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，1-β表示信道處于“壞”狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)移到“好”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。用PG表示信道處于“好”狀態(tài)的概率，PB表示信道處于“壞”狀態(tài)的概率，則存在如下約束關(guān)系式：
給定一組α、β，根據(jù)以上約束關(guān)系可以計(jì)算出PG和PB。用EG和EB分別表示移動(dòng)無線信道好狀態(tài)和壞狀態(tài)下的誤碼率，則移動(dòng)無線信道總的誤碼率可以由下面公式計(jì)算：
E=EGPG+EBPB
從以上的分析可以看出，使用PG、PB、EG、EB 4個(gè)參數(shù)可以表征移動(dòng)無線信道的質(zhì)量。Gillbert-Elliot信道模型參數(shù)如表1所示。表中列出了本文仿真使用的4種信道的特征參數(shù)。其中信道1與900M GSM系統(tǒng)用戶以每小時(shí)35km的速度運(yùn)動(dòng)、數(shù)據(jù)速率為33.8Kbps時(shí)的信道相對(duì)應(yīng)，該信道為強(qiáng)干擾信道。信道2和信道3為干擾強(qiáng)度較小的信道。表1中的平均誤碼率是通過上面的公式根據(jù)PG、PB、EG、EB 4個(gè)參數(shù)計(jì)算得到的。
2 TURBO碼簡介及本文使用的編碼器模型
TURBO碼是1993年在國際通信會(huì)議上由法國人Berrou等提出的一種新型信道編碼方案。在TURBO碼系統(tǒng)中，其編碼器由2個(gè)或多個(gè)二元遞歸系統(tǒng)卷積碼（Recursive Systematic Convolutional Codes，RSC)并行級(jí)聯(lián)構(gòu)成。典型的TURBO碼編碼器模型如圖2所示。信息位輸入序列被組織成長度為N的數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊由水平分量編碼器進(jìn)行編碼。水平分量編碼器是一種半碼率遞歸系統(tǒng)卷積編碼器。相同的數(shù)據(jù)塊被交織器交織，然后由垂直分量編碼器編碼。垂直分量編碼器也是一種半碼率遞歸系統(tǒng)卷積編碼器。
本文計(jì)算機(jī)仿真使用的TURBO碼分量編碼器為(2，1，3)、G=(7，5)的RSC卷積碼，交織器使用具有smile屬性的Helical固定交織器。具有smile屬性的Helical固定交織器交織算法如下：首先將信息數(shù)據(jù)按行寫入，得到矩陣M[LINE][COL]，其中LINE為交織器的行數(shù)，COL為交織器的列數(shù)，然后對(duì)每一列內(nèi)部的信息位進(jìn)行交織得到交織矩陣MINT[LINE][COL]，該矩陣的第j行第i列元素由下面算法得到：
按行讀取交織矩陣得到交織后的信息序列。使用這種交織器對(duì)交織后序列進(jìn)行編碼的分量編碼器最終狀態(tài)與對(duì)未交織序列進(jìn)行編碼的分量編碼器最終狀態(tài)相同。此外，交織后輸出序列的下標(biāo)呈現(xiàn)奇偶交替排列，使得這種Helical交織器還具有“奇偶”塊狀交織器的屬性。
1/2編碼比率的TURBO碼譯碼器輸入如圖3所示。譯碼時(shí)對(duì)于未傳輸?shù)木幋a位用0代替。1/3編碼比率的譯碼器輸入如圖4所示。
3 計(jì)算機(jī)模擬與結(jié)果分析
對(duì)大小為256×256象素，灰度級(jí)為256的未壓縮LENA圖像數(shù)據(jù)在模擬的移動(dòng)無線信道下進(jìn)行傳輸。調(diào)制方式采用BPSK，TURBO碼的譯碼采用改進(jìn)的BCJR迭代譯碼算法，迭代次數(shù)為8。在譯碼過程中，根據(jù)表1中不同信道的平均誤碼率對(duì)噪聲方差進(jìn)行估計(jì)，通過查高斯白噪聲信道下差錯(cuò)互補(bǔ)函數(shù)表，使用相同誤碼率對(duì)應(yīng)的噪聲方差，分別進(jìn)行5種方案的圖像傳輸試驗(yàn)：第1種不進(jìn)行信道編碼直接傳輸圖像數(shù)據(jù)；第2種使用二狀態(tài)1/2碼率，使用13行24列具有smile屬性Helical交織器的TURBO碼進(jìn)行信道編碼；第3種使用1/3碼率，使用13行24列具有smile屬性Helical交織器TURBO碼進(jìn)行信道編碼；第4種使用二狀態(tài)1/2碼率，使用26行24列具有smile屬性Helical交織器的TURBO碼進(jìn)行信道編碼；第5種使用二狀態(tài)1/3碼率，使用26行24列具有smile屬性Helical交織器的TURBO碼進(jìn)行信道編碼。5種方案在表1所列的4種信道下傳輸圖像數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)差錯(cuò)率如表2所示。
從表中的數(shù)據(jù)可以看出，1/2編碼比率使用Helical交織器的TURBO碼在強(qiáng)干擾移動(dòng)無線信道下糾錯(cuò)性能不好。若信道干擾強(qiáng)度下降，則糾錯(cuò)性能提高。為了更直觀地觀察不同信道下信道編碼方案對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響，差錯(cuò)率降低系數(shù)定義為
。其中En表示傳輸方案n對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)差錯(cuò)率，E1表示不進(jìn)行信道編碼時(shí)的數(shù)據(jù)差錯(cuò)率。使用表2數(shù)據(jù)按上面的公式計(jì)算，得到不同信道下傳輸方案2到傳輸方案5對(duì)應(yīng)的差錯(cuò)率降低系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。
從表3可以看出，1/3編碼比率的TURBO碼在強(qiáng)干擾信道和弱干擾信道下都有很高的編碼增益，而1/2編碼比率的TURBO碼在強(qiáng)干擾信道下的編碼增益很低，在弱干擾信道下(如信道4)取得了較高的編碼增益。編碼比率為1/3時(shí)糾錯(cuò)能力很強(qiáng)，在不同干擾強(qiáng)度的移動(dòng)無線信道下都取得了很好的差錯(cuò)保護(hù)性能。相同編碼比率加大交織尺寸并不能明顯地提高糾錯(cuò)性能。不同傳輸方案接收端恢復(fù)出的圖像如圖5所示。圖5(a)～(e)分別對(duì)應(yīng)方案1～5在信道1中傳輸圖像數(shù)據(jù)時(shí)，在接收端恢復(fù)出的LENA圖像，(f)是原始的LENA圖像。從圖中可以更直觀地觀察圖像糾錯(cuò)效果。 圖5(a)是未經(jīng)過信道編碼直接傳輸圖像數(shù)據(jù)在接收端恢復(fù)的圖像，可以看出在信道1表征的強(qiáng)干擾移動(dòng)無線信道下，不經(jīng)過信道編碼，圖像傳輸后質(zhì)量很差，圖像被雪花噪點(diǎn)所覆蓋。從圖5(b)～(e)可以看出1/2碼率使用Helical交織器的TURBO碼在強(qiáng)干擾移動(dòng)無線信道下對(duì)圖像傳輸?shù)募m錯(cuò)效果不好，與不進(jìn)行信道編碼的傳輸效果接近。而1/3碼率在相同情況下的糾錯(cuò)效果比較理想，基本上在接收端恢復(fù)了原始圖像，只有少許的雪花噪點(diǎn)。
采用1/3編碼比率的TURBO碼比采用1/2編碼比率的TURBO碼糾錯(cuò)性能強(qiáng)，所付出的代價(jià)是在信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位增加了。以傳輸256×256象素。灰度級(jí)為256的未壓縮LENA圖像為例，使用1/3編碼比率的TURBO碼需要傳輸1 572 864位數(shù)據(jù)（不包括TURBO碼編碼時(shí)的“尾”添加位），而使用1/2編碼比率的TURBO碼需要傳輸
1 048 576位數(shù)據(jù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中可以根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整TURBO碼的編碼比率，在信道干擾強(qiáng)度小時(shí)使用1/2編碼比率，信道干擾強(qiáng)度大時(shí)使用1/3編碼比率。這樣可以在通信的有效性和可靠性2個(gè)方面取得最佳的平衡。付出的代價(jià)是通信設(shè)備的復(fù)雜性增加了。由于1/3編碼比率的TURBO碼在不同干擾強(qiáng)度的移動(dòng)無線信道下都取得了良好的差錯(cuò)保護(hù)性能，因此在新一代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)3G-WCDMA的信道編碼方案中只使用1/3編碼比率的TURBO碼，而不再根據(jù)信道狀態(tài)進(jìn)行碼率適配。
4 結(jié)束語
TURBO碼是近年來信道編碼領(lǐng)域的一大突破。由于把信道交織和迭代譯碼結(jié)合起來，因而具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)性能。如何選擇TURBO碼的分量編碼器約束長度、交織器類型、交織器尺寸、編碼比率，以使在移動(dòng)無線信道上傳輸圖像數(shù)據(jù)能取得好的效果是目前移動(dòng)通信領(lǐng)域一個(gè)新的研究方向。本文對(duì)于使用Helical交織器的TURBO碼傳輸非壓縮圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，對(duì)于使用隨機(jī)交織器的TURBO碼在移動(dòng)無線信道下傳輸非壓縮圖像數(shù)據(jù)及壓縮圖像數(shù)據(jù)的研究仍在進(jìn)行。
參考文獻(xiàn)
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3 袁東風(fēng).移動(dòng)數(shù)字信道差錯(cuò)控制系統(tǒng)的性能估計(jì)與計(jì)算機(jī)模擬.通信學(xué)報(bào)，1991；12（1）