基于反向驗(yàn)證的RSC碼編碼參數(shù)盲識別*

彭貽云，張 玉，楊曉靜（電子工程學(xué)院，合肥 230037）

基于反向驗(yàn)證的RSC碼編碼參數(shù)盲識別*

彭貽云，張 玉，楊曉靜
（電子工程學(xué)院，合肥 230037）

針對Turbo碼編碼中應(yīng)用的RSC編碼器盲識別問題，提出一種反向驗(yàn)證的方法，對其參數(shù)進(jìn)行識別分析。通過對RSC編碼器參數(shù)進(jìn)行遍歷估計(jì)，重新輸入碼字序列，將得到的碼字序列與原來的輸出序列進(jìn)行對比，找出最優(yōu)的參數(shù)組合，完成對RSC編碼參數(shù)的識別。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效完成對RSC編碼器的參數(shù)識別，特別在誤碼率為0.3時(shí)，依然能夠達(dá)到識別效果，具有較好的容錯(cuò)性能。

反向驗(yàn)證，盲識別，遞歸系統(tǒng)卷積碼，信道編碼

0 引言

遞歸系統(tǒng)卷積（RSC）碼作為卷積碼的一種，在Turbo碼編碼中應(yīng)用廣泛。目前，隨著Turbo碼在深空通信、移動通信和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷拓展，針對Turbo碼的識別分析也顯得越發(fā)迫切，作為Turbo碼編碼中重要的組成部分，對RSC碼編碼器的參數(shù)識別部分也顯示出其意義。因此，完成對Turbo碼編碼中的RSC碼編碼器的參數(shù)識別是Turbo碼識別的基礎(chǔ)。

RSC碼作為一種卷積碼，針對卷積碼識別的方法同樣適用于RSC碼。當(dāng)前對卷積碼的識別方法主要有快速雙合沖算法、歐幾里得算法［1］、分析矩陣構(gòu)建法［2］和Walsh-Hadamard變換法［3］等。其中，快速雙合沖算法僅使用較少的數(shù)據(jù)就能夠達(dá)到識別效果，但只適用于碼率為1/2的卷積碼；歐幾里得算法能夠用于1/n碼率，需要的數(shù)據(jù)量也較少，但不具有容錯(cuò)性；分析矩陣構(gòu)造法能夠?qū)崿F(xiàn)對（n，k，m）卷積碼參數(shù)的盲識別，但容錯(cuò)性能有待提升；Walsh-Hadamard變換法只適用于碼率為1/n的卷積碼情況，具有較好的容錯(cuò)性能，但需要提前獲得卷積碼碼率和碼字起點(diǎn)的先驗(yàn)條件。

目前國內(nèi)外相關(guān)研究主要是集中在對一般卷積碼的識別分析上，對于RSC碼的識別分析較少，特別是針對Turbo碼編碼中RSC碼編碼器的特定情況，沒有相關(guān)的研究進(jìn)行分析，同時(shí)識別的容錯(cuò)性能有待進(jìn)一步提升。為了實(shí)現(xiàn)對Turbo編碼中RSC碼編碼參數(shù)的識別分析，利用Turbo碼編碼構(gòu)造中子編碼器RSC碼的特定結(jié)構(gòu)，運(yùn)用反向驗(yàn)證的方法，通過遍歷RSC碼編碼器的相關(guān)參數(shù)，對比得到RSC碼的最佳參數(shù)組合。

1 問題描述

Turbo碼的編碼構(gòu)造［4］中，主要是由兩個(gè)RSC碼編碼器和一個(gè)交織器組合而成，通常采用的是并行級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 Turbo碼編碼結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)Turbo碼的編碼結(jié)構(gòu)圖可以看出，產(chǎn)生的Turbo碼是由兩路分量編碼器產(chǎn)生的與信息位等長的校驗(yàn)序列和一路信息序列經(jīng)過復(fù)接后得到。假設(shè)信息序列為Xs，兩個(gè)子編碼器產(chǎn)生的序列分別為X1，X2，復(fù)用得到的Turbo碼序列為X。為了實(shí)現(xiàn)對Turbo碼的識別分析，首先需要對Turbo碼進(jìn)行分離，提取出這3路序列，即通過截獲的X，得到Xs，X1，X23路序列值。

在實(shí)現(xiàn)對Turbo碼序列的分離后，通過提取出的3路序列，對具體的Turbo碼編碼參數(shù)進(jìn)行識別。Turbo碼編碼參數(shù)的識別主要集中在對交織器和RSC子編碼器的參數(shù)識別上，對于RSC子編碼器的參數(shù)識別，本文主要利用分離出的Xs和X1兩路序列進(jìn)行分析。

為了更好地實(shí)現(xiàn)對RSC編碼器的參數(shù)識別，對RSC編碼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其一般結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 RSC編碼器的結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出分量編碼器RSC的結(jié)構(gòu)可以用S1，S2來表示，即:

其中，m為寄存器的個(gè)數(shù)。

通過對S1，S2的數(shù)值進(jìn)行確定，即可得到RSC編碼器的結(jié)構(gòu)。同時(shí)可以由此產(chǎn)生RSC碼生成矩陣的傳遞函數(shù)

在已知RSC碼的生成矩陣后，可以對信息序列Xs進(jìn)行編碼處理，生成相應(yīng)的RSC碼序列:

在利用式（3）產(chǎn)生RSC碼序列后，需要利用得到的編碼序列對RSC碼編碼器的參數(shù)進(jìn)行識別分析，實(shí)現(xiàn)對RSC碼參數(shù)識別，為進(jìn)一步識別出Turbo碼的編碼參數(shù)打下良好的基礎(chǔ)。

2 RSC碼編碼器參數(shù)識別

對RSC碼參數(shù)的識別，主要是能夠得到產(chǎn)生RSC碼的生成矩陣的參數(shù)信息。通過對RSC編碼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，可以發(fā)現(xiàn)對于特定的RSC碼，構(gòu)成的RSC編碼器的S1，S2的值也已經(jīng)固定。為了得到RSC編碼器的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)包含所有可能情況的編碼器庫，通過反向驗(yàn)證的方法，實(shí)現(xiàn)對RSC編碼器參數(shù)的識別。

反向驗(yàn)證方法，是在限定的條件范圍內(nèi)，將接收到的信息序列帶入可能的RSC編碼器進(jìn)行編碼，產(chǎn)生的RSC碼字序列與原來接收到的RSC碼進(jìn)行對比驗(yàn)證，識別出最佳的RSC編碼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

為了盡量減少識別的運(yùn)算量，首先需要對可能存在的RSC編碼器進(jìn)行限定，縮小遍歷的范圍。根據(jù)目前對Turbo碼編碼中應(yīng)用到的RSC編碼器知識的掌握，可以將RSC編碼器中寄存器的數(shù)量m限定在12以內(nèi)，則當(dāng)s1，12=0且s2，12=0時(shí)，滿足m=11的取值情況。以此類推，將m設(shè)置為12包含了全部m=2，…，12的編碼器結(jié)構(gòu)情況。舍去S1=0，S2=0的情況，則建立的編碼器庫中存在的元素個(gè)數(shù)為225-1。在實(shí)際的通信中應(yīng)用到的Turbo碼分量編碼器結(jié)構(gòu)數(shù)量遠(yuǎn)小于這個(gè)庫中的元素，因此，可以通過實(shí)際可能應(yīng)用到的Turbo碼編碼結(jié)構(gòu)，對庫中元素進(jìn)一步地精簡，實(shí)現(xiàn)對搜索速度的大幅提升，提高識別速度。

在構(gòu)建了RSC編碼器的參數(shù)庫之后，需要對庫中元素進(jìn)行搜索，找到符合條件的元素信息。對于截獲到的Turbo碼序列，通過對其進(jìn)行分離處理，可以得到3路序列，因此，能夠得到RSC編碼器的輸入和輸出序列。通過對RSC編碼器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將得到的信息序列Xs重新輸入RSC編碼器，得到新的RSC碼序列X3。通過將序列X3與原來的序列X1進(jìn)行對比，找到兩序列X1和X3相等時(shí)的參數(shù)設(shè)置值，即為要識別的RSC編碼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，由于誤碼的存在，得到的兩序列X1和X3可能無法達(dá)到完全相等的要求。因此，本文中將序列X1和X3對應(yīng)位置相同元素的個(gè)數(shù)占整個(gè)序列長度的比率η作為評判的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)η達(dá)到最大值時(shí)，即可認(rèn)為此時(shí)設(shè)置的參數(shù)即為所要識別的編碼器參數(shù)，完成對RSC編碼器的識別研究。具體識別過程如圖3所示:

圖3 基于反向驗(yàn)證法的識別原理圖

通過對接收到的Turbo碼序列進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對Turbo碼分量編碼器RSC的結(jié)構(gòu)識別，得到生成RSC碼的生成矩陣信息以及寄存器長度m的具體值，為下一步對Turbo碼的識別分析做好準(zhǔn)備。

3 識別仿真

為了驗(yàn)證本文算法的有效性，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析。假設(shè)接收到的Turbo碼序列能夠?qū)崿F(xiàn)對3路復(fù)用序列的分離，誤碼率設(shè)置為0.001，將Turbo碼的第1路輸入序列和第2路校驗(yàn)序列提取出來實(shí)現(xiàn)RSC編碼器的識別分析。假設(shè)實(shí)驗(yàn)中用到的RSC編碼器的生成矩陣的傳遞函數(shù)，下面利用反向驗(yàn)證的方法實(shí)現(xiàn)對RSC編碼器的識別:

將構(gòu)建的庫中元素按照順序進(jìn)行編排，帶入RSC編碼器進(jìn)行驗(yàn)證，得到不同的η值，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，在第1 246號參數(shù)相似度值達(dá)到最大，此時(shí)即為所要求的RSC編碼器參數(shù)值位置。根據(jù)1 246號對應(yīng)的RSC編碼器結(jié)構(gòu)狀態(tài)值為1 245，化為二進(jìn)制值為10011011101，此時(shí)得到RSC編碼器結(jié)構(gòu)為S1={0，1，0，0，1，1}，S2= {0，1，1，1，0，1}，寄存器長度m=4。

圖4 RSC編碼參數(shù)識別結(jié)果圖

接著分析誤碼對算法性能的影響，通過設(shè)置不同的誤碼率，按照上述的方法進(jìn)行識別分析，仿真誤碼率不斷升高的情況下對識別效果的影響，其結(jié)果如圖5所示:

圖5 不同誤碼條件下的識別結(jié)果圖

通過對不同誤碼率條件下的識別效果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到圖5所示的識別結(jié)果，當(dāng)誤碼率在0.3時(shí)，本文算法仍能夠很好識別出RSC編碼器的編碼參數(shù)；但隨著誤碼率的提高，識別的效果受到較大的干擾，在誤碼率為0.35時(shí)已經(jīng)無法通過本文算法進(jìn)行識別。對于誤碼率低于0.3的條件，本文算法具有較好的識別效果，能夠完成實(shí)際應(yīng)用中的識別分析。

4 結(jié)論

本文針對Turbo碼編碼識別中對RSC編碼器的識別問題，提出一種遍歷反向驗(yàn)證的方法。該方法利用RSC編碼器結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)數(shù)特定的特點(diǎn)，通過構(gòu)建一個(gè)編碼器參數(shù)庫，對庫中的參數(shù)進(jìn)行遍歷分析。同時(shí)通過帶入信息序列進(jìn)行方向驗(yàn)證，找到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成對RSC編碼器參數(shù)的識別。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在誤碼率低于0.3時(shí)，該方法仍可以很好地完成對RSC編碼器的參數(shù)識別。但為了有效減少運(yùn)算量，需要提前構(gòu)建可靠地編碼器參數(shù)庫，對于實(shí)際中的應(yīng)用提出新的要求。

［1］劉杰，張立民，蘭天.卷積碼盲識別技術(shù)研究［J］.航天電子對抗，2014，30（4）:26-29.

［2］張立民，劉杰，鐘兆銀.（n，1，m）遞歸系統(tǒng)卷積碼的盲識別［J］.電訊技術(shù)，2014，54（9）:1220-1225.

［3］劉健，王曉君，周希元.基于Walsh-Hadamard變換的卷積碼盲識別［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32（4）:884-888.

［4］閻劍，易正紅，石榮，等.誤碼條件下Turbo碼編碼參數(shù)的盲識別［J］.電子信息對抗技術(shù)，2014，29（3）:13-16.

［5］解輝，黃知濤，王豐華.信道編碼盲識別技術(shù)研究進(jìn)展［J］.電子學(xué)報(bào)，2013，41（6）:1167-1168.

［6］劉建成，楊曉靜.基于求解校驗(yàn)序列的（n，1，m）卷積碼盲識別［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2013，34（10）:2363-2368.

［7］張永光.一種Turbo碼編碼參數(shù)的盲識別方法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，38（2）:167-172.

［8］劉建成，楊曉靜.（n，1，m）RSC碼的盲識別［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2012，17（6）:84-88.

［9］肖揚(yáng).Turbo與LDPC編解碼及其應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［10］武恒州，羅霄斌，劉杰.Turbo碼盲識別方法研究［J］.無線電工程，2015，45（5）:24-27.

Blind Recognition of RSC Code Encoding Parameters Based on Reverse Verification

PENG Yi-yun，ZHANG Yu，YANG Xiao-jing
（Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）

In order to solve the problem of the blind recognition of RSC encoder on the Turbo coding，a method of reverse verification is proposed.By traversing the RSC encoder parameters estimation，re-entering the codeword sequence and comparing the obtained codeword sequence with the original output sequence，we can find the optimal combination of parameters and complete identification of the RSC encoding parameters.Simulation result showed that this method can effectively complete the RSC encoder parameter identification，and still be able to achieve recognition results in BER 0.3.It reflects a better fault tolerance.

reverse verification，blind recognition，recurisive systematic convolutional code，channel coding

TP309

A

1002-0640（2017）03-0029-03

2016-02-05

2016-03-21

國家自然科學(xué)基金（61201379）；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1208085QF103）

彭貽云（1992- ），男，江西泰和人，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理，通信信號分析。