基于BICM-ID系统的信道编码性能分析

基于BICM-ID系统的信道编码性能分析[摘要]对于BICM-ID系统，编码，交织器、调制星座的选择以及编码比特到星座符号的映射方式都会影响迭代译码的性能，其中编码和交织器是决定系统迭代译码性能的关键因素之一，对系统性能影响较大。本文主要基于8PSK调制SP映射相结合的BICM-ID平台，从不同码率、织深度以及迭代次数分别对系统性能影响进行分析，研究卷积编码和交织技术相结合对整个系统的性能影响。[关键字]BICM-ID；信道编码；卷积编码；交织器PerformanceAnalysisofChannelCodingbasedonBICM-IDSystemLanXuliu(SchoolofInformationEngineering,CommunicationUniversityofChina,Beijing100024，China)[Abstract]InBICM-IDsystem,coding,interleaver,modulationconstellations,andthecodingbittoconstellationsymbolmappingwillaffecttheperformanceofiterativedecoding.Codingandinterleaverwhicharekeyfactorsdecidetheiterativedecodingperformanceofthesystem.Thispaperanalyzesdifferentrate,interleavingdepthanditaretion,andresearchsConvolutioncodingandinterleaverwhichhaveanimpactonperformanceofthesystem.[Keywords]BICM-ID；Channelcoding；Convolutioncoding；Interleaver比特交织编码调制迭代译码系统（BICM-ID）是基于网格编码调制技术（TCM），并将解调器纳入到迭代译码的过程中，通过在解调器和译码器之间进行译码信息的迭代来完成译码,这种译码思路最早由LiXiaodong等提出。BICM-ID系统具有灵活性强、频谱利用率高、性能优异等特点，并在AWGN信道下其性能逼近T-TCM的性能[1]。在BICM-ID系统中，编码，交织器和调制方式以及星座映射等都会影响迭代译码的性能，其中编码和交织器是决定系统迭代译码性能的关键因素之一，对系统的影响较大。理论上，BICM-ID系统的交织深度越大，信号的相关性将会减小，抗突发错误的能力就会随之增加，即系统性能越好。但采用长交织会给系统带来更大的延时，因此在实际应用中应该综合考虑系统性能要求来选择交织深度。本文首先对基于8-PSK调试，SP星座映射的BICM-ID系统在AWGN信道下进行MATLAB仿真，验证BICM-ID系统性能，研究分析卷积码码率和约束长度、交织技术、迭代次数对整个系统的性能影响，并对仿真结果进行总结归纳，最后得出相关结论。1BICM-ID系统相关技术1.1BICM-ID基本原理比特交织编码调制迭代译码（BICM-ID）是一种将编码、调制和迭代译码等相结合的技术，可有效地解决无线通信系统的传输效率和传输可靠性问题。BICM-ID系统[2]原理图如图2.1。图2.1BICM-ID系统原理图从原理图可以看出，BICM-ID系统在通信系统结构中加入了比特交织和软输入软输出译码器。BICM-ID系统的工作过程：信息比特流经过编码器输出码字序列，码字序列经过比特交织器后输出相关性小的比特序列，再送入映射调制器后进行信道传输，然后送入解比特交织器进行解交织，最后使用软输入软输出译码器进行迭代译码。在迭代进行过程中，分量译码器之间也通过相互交换软比特信息提高译码性能，使BICM-ID系统性能更加良好。1.2卷积码的基本原理卷积码是1955年由爱丽斯提出的一种性能优越的信道编码[3]。卷积码是数学信号处理领域的卷积运算，它的码字不仅和当前的输入有关系，还和以前的输入有关系。卷积码编码器的输入和输出是一种卷积运算关系，其解码器是编码器的逆系统。非分组码的卷积码（n，k，M）编码器[4]，M为卷积码的约束长度，每k个比特输入，得到n比特输出，k/n为编码效率。卷积码（n，k，M）在任一段规定时间内产生n个码元，它不仅取决于当前段的k个信息，还取决于（M-1）段的信息。卷积码常用的表示方法：生成多项式表示法，树图表示法，状态图表示法和网格表示法[5]。不同的卷积码的表示方法适用于不同的场合，它们本质上是等价的。卷积码中通常采用两种距离：最小距dmin和自由距dfree。最小距dmin是卷积码中长度为nM的编码后序列之间的最小汉明距，自由距dfree是任意长编码后序列之间的最小汉明距。由于卷积码是不划分码字，因此把自由距离作为纠错能力的度量更为合理，卷积码的自由距离越大，纠错能力就越强。随着约束长度的增加，卷积码的最小自由距离也随之增大，卷积码的性能也越好。同时，在相同约束长度条件下，降低编码码率可以提高卷积码的最小自由距离，使其纠错能力增强。1.3交织基本原理交织技术[6]是将已编码的信号按照一定的规则打乱，把原先聚集成片的误码在时间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效的进行纠错。其本质上则是一种实现最大限度的改变信息结构而不改变内容的器件。理论上交织度越大，抗突发错误的能力就越强，但是要求译码器的暂存区就越大，相应的给通信系统带来的延时就越大。分块交织、随机交织是两种常见的交织方式，可通过通信传输要求和信息序列的特点来选择交织方式。当序列较短时，信息帧较短的通信系统，随机数之间的相关性较大，对于实时性要求较高，分块交织器优于随机式交织器；而当信息帧长度较长时，对译码精度较高的通信系统，则应当采用随机交织器。1.4调制技术和星座映射调制[7]就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使信号更适合于信道传输，同时对相邻的信道信号干扰较小，解调方便且易于集成。调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类，模拟调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。数字调制有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）和差分移相键控（DPSK）等，8PSK是一种采用8相位区分符号的相位调制算法。一般用“星座图”来描述星座映射，星座图中定义了的两个基本参数：信号分布和与调制数字比特之间的映关系[8]。BICM-ID给出的基本星座子集划分方案共有3种：Gray标号法、SP标号法和SSP标号法，不同的星座映射方法对应不同的欧氏距离。星座映射的平均欧氏距离决定了BICM-ID系统传输数据可靠性的性能。2BICM-ID系统性能分析，2.1信道编码对系统性能影响的分析本实验是基于卷积码和8PSK调制以及SP映射相结合的BICM-ID平台。主要采用AWGN信道模型，对不同的卷积码率、约束长度、交织深度、译码迭代次数进行仿真，得到BICM-ID系统在AWGN信道误码率相对信噪比曲线。下面所有的卷积码码率为1/2的生成式都为：（2-1）（2-2）对于卷积码而言，卷积码的约束长度决定了卷积码自身的纠错能力。图3.1为卷积码(2，1，7)和(3，2，7)，码率分别为1/2和2/3，约束长度都为7，交织长度为5114、迭代5次的仿真结果图。图3.1AWGN信道下不同码率对系统性能的影响从图3.1可以看出，在相同约束长度下，在低信噪比中，系统分别在码率为1/2和码率为2/3的条件下，系统误码率相差不多，对系统的影响大致相当；在高信噪比中，从图中可以很明显的看出在相同信噪比下1/2码率的误码率比2/3码率的误码率小，即系统在1/2码率的性能比2/3码率的性能好一些。交织器是BICM-ID的重要组成部分，也是BICM-ID技术最显著的特点之一。无论是块交织还是随机交织，交织器容量的大小都是影响其性能的关键参数。下面就对交织器的不同交织深度分别在AWGN信道下进行仿真。图3.2为BICM-ID系统在高斯信道下卷积码(2，1，7)，交织深度分别为5114、2048、1024，迭代5次的仿真结果图。图3.2AWGN信道下不同交织深度对系统性能的影响从图3.2可以看出，在低信噪比下，交织深度对系统性能影响不大；但是在高信噪比下，曲线之间的间隔很明显，在相同的信噪比下，可以看出交织深度越深，系统误码率越小，即交织深度越大，系统性能越好一些。2.2迭代次数对系统性能影响的分析图3.3为BICM-ID系统在高斯信道下卷积码(2，1，7)、交织深度为5114，图中所示为迭代2次和10次的仿真结果图。图3.3AWGN信道下不同迭代次数对系统性能的影响从图3.3可以看出，在低信噪比下，迭代次数对系统性能影响不大；但是在高信噪比下，曲线之间的间隔很明显，在相同的信噪比下，可以看出迭代次数为10的误码率比迭代次数为2的误码率小，即迭代次数越大，系统性能越好一些。图3.4为BICM-ID系统在高斯信道下卷积码(3，2，7)交织深度为5114，图中所示为迭代2次和10次的仿真结果。图3.4AWGN信道下不同迭代次数对系统性能的影响图3.4和图3.3相比较，在相同的高信噪比下，曲线之间的间隔距离对比明显，迭代次数对卷积码(2，1，7)比卷积码(3，2，7在)的影响大，即码率越小对迭代次数越敏感。图3.5为BICM-ID系统在高斯信道下卷积码(2，1，7)交织深度分别为5114、2048，迭代2次和10次的仿真结果图。图3.5AWGN信道下不同交织深度和迭代次数对系统性能的影响从图3.5可以看出，在低信噪比下，迭代次数对系统性能影响不大；但是在高信噪比下，曲线之间的间隔很明显，在相同的信噪比下，可以看出迭代次数为10的误码率比迭代次数为2的误码率小，即迭代次数越大，系统性能越好一些。同时也可以看出交织深度为2048、迭代次数为10的曲线在高信噪比下明显在交织深度为5114、迭代次数为2的曲线下面，即前者的系统性能比后者的系统性能好一些。还可以得出交织深度越深系统性能越好，但是小的交织深度采用较大的迭代次数可以与大的交织深度的系统性能相近，甚至更好。在实际的通信系统中还要具体问题具体分析，综合考虑交织深度和迭代次数给系统性能带来的影响。图3.6为BICM-ID系统在高斯信道下卷积码分别为(2，1，7)、(3，2，7)、交织深度为5114，为迭代1次、2次和10次的仿真结果图。图3.6AWGN信道下不同迭代次数和码率对系统性能的影响从图3.6可以看出，在低信噪比下，迭代次数对系统性能影响不大；但是在高信噪比下，曲线之间的间隔很明显，在相同的信噪比下，可以看出迭代次数为10的误码率比迭代次数为2的误码率小，即迭代次数越大，系统性能越好一些。同时还可以看出码率为1/2中迭代次数为1次的曲线几乎和码率为2/3中迭代次数为2次曲线重合，即它们的系统性能大不多；码率为2/3中迭代次数2次和10次的误码率在相同的高信噪比下比码率为1/2迭代次数为1的误码率小，即此时的系统性能要好一些。所以可以得出码率为2/3的系统性能比码率为1/2的系统性能差，但是码率为2/3中选用较大的迭代次数可以与码率为1/2中相对小的迭代次数的系统性能相当，甚至更好。所以码率大的可以选用较大的迭代次数是可以和码率小的系统性能相媲美，但是随着迭代次数的增加，也伴随着延时的增加，因此在实际应用中应该综合考虑。3结论在BICM-ID系统中，理论上，码率越小，误码率越小，即系统译码性能越好；交织器的交织深度越深，信号间的相关性越小，抗突发错误的能力越强。本文研究了BICM-ID交织器的交织深度与系统误码率性能的关系，仿真结果表明交织深度越大，系统的误码率越小；本文还研究了码率和迭代次数与系统误码率性能的关系，在相同的码率条件下，迭代次数越大系统性能越好；虽然码率小的比码率大的系统性能好一些，但是在大的码率系统中可以用较大的迭代次数取得较好的性能。通过对BICM-ID系统性能的研究分析，验证了系统性能的优越性。