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数字卫星到移动用户通信中信道编码技术的性能比较及改进
摘要
欧洲卫星数字多媒体广播服务在移动卫星服务 (MSS) 的频带分配由两个标准所分配，即欧洲电信标准协会 (ETSI) 卫星数字无线电 (SDR) 和数字视频广播卫星服务到掌上电脑(DVB-SH)标准。基于这些标准的商业用途业务系统在未来几年预计主要针对六个大的欧洲市场。这些标准中先进的信道编码被部署基于第三代合作项目 2 (3GPP2) ，这些信道编码有广泛的编码速率。本文的目的有以下两个: (i) 3GPP2 turbo 码作为基准的系统设计工程师第一次用于在上述系统中，对这些信道编码位误差率 (BER) 性能进行了研究和比较 (ii) 研究了替代信道编码方案，包括其他STA Turbo码和具有线性时间的LDPC编码、不规则重复积累(IRA)码，以提高性能或减少未来移动卫星广播系统的复杂性。在添加白高斯噪声 (AWGN) 和不相关的瑞利/莱斯衰落信道中，性能评价结果表明多元turbo 码较3GPP2 turbo码提高0.25db的性能，但译码复杂度几乎翻了一番。此外，双二进制 turbo 码的使用相比于3GPP2减少了译码延迟并且提高了0.3db的增益，但在非常低的编码速率会降低其性能。另一方面，码率兼容的 (RC)-IRA 码相对于3GPP2 turbo码改进较小，只增加0.1db，但是有较好的码率扩展性能，可以通过简单扩展的方法来构造不同的码长。
介绍
以为小型手持设备，如手机和掌上电脑提供提供视频，音频和数据服务为目的数字多媒体广播系统的业务已经在过去的几年中呈现出了不断增长的需求，对于这类系统，人们提出并分析了广播网络 （如数字视频广播-掌上电脑 (DVB-H)） 和多播/广播扩展的细胞单播网络 (例如第三代合作伙伴项目 (3GPP) 多媒体广播/组播业务 (MBMS)) 。一个前瞻性的科学研究最近发表了题为 移动多媒体广播才特别期刊，提出各种多媒体广播系统的现有发展水平。这些系统包括美国开发的MediaFLO、DVB-H和中国数字电视地面广播(DTMB)标准。其中DTMB标准不仅可以利用在中国，也可以在其他国家使用。
除了在这些陆地无线通信系统发挥作用，由于卫星广泛的覆盖范围和其较高的高可用带宽，卫星还在混合卫星/地面系统中起重要作用。对于这种混合通信系统，地面设备常需要同频广播放大器提高信号接收质量，特别是在直接接收来自卫星信号不可行的地区。在欧洲，这种系统通常称为卫星数字多媒体广播 (S-DMB) 系统。对这种系统早期的研究活在2004年-2006 年在欧洲信息社会技术 (IST) 项目 MASTERO 的框架内进行。这个项目最初研究MBMS 系统，已经提出了包括使用宽带多址 (WCDMA) 技术的卫星组件和3GPP规范扩展的地面系统。另一方面，在 2006 年，欧洲电信标准协会 (ETSI) 卫星数字无线电 (SDR) 标准公布，使L-波段的卫星数字多媒体信号能高质量被固定和移动接收终端接收。这种标准在物理层上和SDMB系统最大的差异在于（1）使用3GPP2编码取代3GPP Turbo码，（2）使用正交频分复用（OFDM）代替WCDMA来对抗多径信道衰弱。
DVB 卫星服务已从陆地的 DVB-H的系统发展到到手持设备上(DVB-SH)的系统。发表于2004年的文献6提出了在 UHF 频段的手持电视的服务。2006年起，DVB-SH已经开始规范的商业化活动，目的是扩展 DVB-H 和允许接收卫星传输信号在 S-波段工作（即低于 3 KMHZ），于2007年制定的DVB-H标准与ETSI软件定义的无线电有许多共同之处。因为DVB-SH是包含现在已部署的相关商业通信系统的标准，卫星的发射预计针对主要六个大的欧洲市场。法国的远期Ramp;D计划已经搭载被称作SDMB的项目，这个项目包含了基于DVB-H的协议栈上对S-DMB系统不同通信层的可靠性调查。该项目于平行于“无限移动电视”项目，其中的DVB-SH的概念首次被引入。
除了最近欧洲开发的S-DMB概念，美国和加拿大也开展了基于七颗卫星的卫星数字音频广播服务（SDARS），2008年以来，XM卫星收音机和Sirius卫星收音机两家公司合并成立Sirius XM。在中国，运行在S波段频率、被称为卫星和地面交互式多媒体基础设施的混合卫星/地面无线广播系统看作是中国移动多媒体广播（CMMB）系统的核心传输技术。此外，2005年后，韩国TU-媒体提供商开始利用同步地球卫星提供S-DMB服务。在上述通信系统中，都运用了我们本篇文章所关心的信道编码技术，其使用的技术如下表。
因为DVB-SH和ETSI SDR是最近开发的系统，所以至今公开的文献和比较研究报告中很少有相关的研究活动。此外，从信道编码方式而言，就我们所知，也没有相关的关于这些系统中信道编码的性能比较。因此在这篇文章中，第一次以系统的方式，将DVB-SH和ETSI SDR系统中使用不同码率的3GPP2信道编码进行了分析和比较。目前，现在大多数现存DMB系统使用Turbo码或LDPC码进行信道编码。新型信道编码方案通过研究，为卫星广播应用使用三种配置方案：1.基于国际空间数据系统咨询委员会具有较高的状态数的Turbo码，2.基于DVB-返回通道的卫星上的双2进制Turbo码，3. 支持率（RC）不规则重复累加（IRA）码，这是LDPC类型编码的特殊情况，能够实现高吞吐量解码。
本文的结构安排如下：介绍章节之后，DVB-SH/ ETSI SDR结构和所用的3GPP2信道码的简要说明在第二节呈现。在随后的三节，针对所调查移动卫星广播应用方案中的信道编码的说明，即延长CCSDS Turbo码（第三节），扩展DVB-RCS Turbo码（第四节）和RC-IRA码（第五部分）。
随后，在加性高斯白噪声（AWGN）和瑞利/ Rician衰落信道的背景下计算位错误率（BER）和不相干性等各种性能。计算结果在第六节中给出。第七章为结束语。
第二节：系统架构和3GPP2信道编码
在本章节的针对DVB-SH的提出的架构指出，与相应的ETSI SDR系统卫星多媒体和数据服务，与在S波段频率的小型手持终端有许多共性。如图1所示，一个卫星/地面混合架构使用的是卫星以实现覆盖广泛区域，在卫星信号接收不足的地区经常需要部署同频广播放大器。对于DVB-SH的系统和波形规格可参考文献12,13。而对于ETSI SDR相应规格可参考文献14，OFDM为地面或卫星传输模式以及时分多路复用（TDM），被用于卫星模式被部署以确保高效的传输方案。DVB-SH A：两个参考体系结构中地面和卫星系统中使用的OFDM传输。（ⅱ）DVB-SH B：对于地面使用OFDM传输和卫星采用TDM传输。
相对于在DVB-SH标准中使用的信道编码中，3GPP2 Turbo码已经被使用，例如参照图2，式中给出了系统比特和奇偶校验比特。其主要特点为：
1．8状态并行级联递归系统编码器，如图3
2．可以兼容较低的码率如R=2/9, 1/4, 2/7, 1/3, 2/5和较高的码率如R=2/3。
3．输入帧比特数12282bits。
4. 使用适当的删余技术，以获得不同的编码率。
在ETSI SDR标准3GPP2 Turbo码可以支持3/4和6/7码率。3GPP2Turbo交织器基于这样一种方法：交织器的的全部输入位序列顺序写入到一个数组，然后整个序列是从由程序定义的地址的序列中读出数据的。
第三节 拓展 CCSDS TURBO 码
自1999年以来Turbo码已成为深空通信CCSDS标准，使用这种编码能较之前的CCSDS信道编码的标准（内码为卷积码，外码为串联的RS码块比特交织）提升2db的额外编码增益。图4描绘了CCSDS标准中的Turbo码，它使用两个连续的RSC编码，记为E1和E2，每一个分别具有16个状态，编码率1/4。在CCSDS标准的不同编码率的选择，码率R=1/2,1/3,1/4,1/6，通过两个RSC编码器产生的奇偶校验位的适当互连得到图4中的p，为了降低尽可能的存储器存储需求，交织器置换法被确定下来。标准中有四个输入帧长可以被选择，即：1784,3568,7136,8920和16384。
该CCSDS Turbo码与3GPP2 Turbo码类似，在这个意义上，它们都支持低码率。然而，CCSDS turbo码是一个16状态的码，并且可以估计其可行性比以复杂度增加为代价的3GPP2 Turbo码更好。由CCSDS turbo码的设计所施加的唯一限制是，输入帧的长度应是8的倍数，这是为了便于交织置换法。对于DVB-SH/ ETSI标准的SDR，指定帧的长度是12282位。因此，对于适于移动卫星广播应用的CCSDS turbo码，被称为扩展CCSDS Turbo码已经将帧长度略微降为12280，根据CCSDS的标准，交织法则保持不变，扩展CCSDS turbo码也已修改为支持编码率为1/5。此外，常规的删除模式的程序已通过从两个组成编码器中周期性地删除奇偶校验位来获得编码率Rgt;1/2的情况。
第四节：拓展DVB-RCS TURBO码
在DVB-RCS标准中，指定终端到集线器之间采用传输速度为144 kbps到2 Mbps的非对称全IP非对称卫星通信模式。一个灵活的传输方案，需要能够支持各种码率和不同帧长的用户服务应用。在该标准中，应用了二进制Turbo码的解决方案，为了提供足够的编码增益，卫星使用经典的外部RS内部CC码的级联方案。DVB-RCS turbo码支持12帧大小（范围从48到864位对）和7个编码率（R=1/3,2/5, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5 ,6/7）, 它由并行级联两个双二进制编码器RSC，两个编码器各自有8个状态，码率R=2/4，如图5所示。组成RSC的生成多项式编码遵循八进制形式的符号（5,13,11），三个参数分别代表反馈，第一前馈和第二前馈。采用的双二进制Turbo码编码器在一个时隙内有两个二进制输入端口。与同同等实现复杂度的传统的二元Turbo码相比，这些代码具有了以下潜在优势：1.错误路径密度降低，2.解码时间降低一半，3.高码率穿刺必要性降低，4.支持内外符号交织。Turbo码交织器以两个步骤进行。首先，将比特对输入序列反转随后位对间应用非均匀交织。在后一种情况下，只有少数参数需要被指定，根据帧大小值，减少了存储器存储需求。为了获得大于1/2的码率，应当利用适当的穿刺技术。
图5
DVB-RCS turbo码能够较好地适用于移动卫星广播应用，因为其能够兼容从R=1/3到6/7的较宽范围的码率。为了获得更低的编码速率以达到最佳性能，人们设置了两个附加的前馈多项式，八进制形式的17和12。这使得具有扩展构成的RSC编码器可获得R=2/6的码率。因此，所得到的“扩展”DVB-RCS turbo码是能够支持编码率可达R=1/5。相对于用该交织器设计的扩展DVB-RCS turbo码，当前的DVB-RCS标准不支持这样长的交织器，其最大帧长度值为864位对或者1728比特。特别是，如在扩展CCSDS Turbo的情况下，帧长度已略微降低至12280位（即包含8个多元），然而，随着对位的码间用于扩展DVB-RCS Turbo码交织处理，半S-Random交织一直被认为是大小6140位，S =56，为达到最佳性能，在S-随机交织与其它涡轮交织器进行测试，相比于DVB-RCS标准符号，内交织已经保持不变。
第五节 RC-IRA码
在1980年代以来RC码已被应用范围的信号和比（SNR）下工作的通信系统，以提供自适应前向纠错（FEC），同时保持单个编码器/解码器结构。RC方案非常适合实际应用，因为它们保证高吞吐量和可靠的传输。在过去几年的研究中，LDPC码已经被证实可以提供相当或比turbo码甚至更好的纠错性能。相比于Turbo码，LDPC码获得了更高的编码增益，包括允许并行解码从而更合适使用高速硬件执行结构。更具体的说，IRA码是LDPC码的一类，具有线性编码时间复杂度和较低的误码平层。由于上述优点，LDPC码被用作在DVB-S2系统内码和在IEEE802.11n和的IEEE 802.16e系统作为任选的信道码。文献27中引入了一种新的确定性扩展方法的RC-IRA码，以在宽范围的编码速率获得一类具有良好纠错性能的S波段移动卫星广播应用码。讨论这些RC-IRA码最重要的因素后，我们把有关删截方法的一些见解和新的性能评价结果赋予到独立的兼容S波段和L波段移动卫星广播应用中。
为了构建适用于卫星移动广播应用的RC-IRA码，一个具有强纠错能力的（N,K）有限长的IRA母矩阵应当率先被构造出来。鉴于广泛的DVB-SH/ ETSI SDR标准，编码率的编码R= 1/3被选择为母码。以下为二部图的比特节点组V被划分成两个不相交的子集的结构的方法：1.冗余子集Vst，2.一个信息子集Vsi，特殊的，根据DVB-SH/ETSI SDR标准Vsi包含最后M冗余比特节点和其相关联的边缘是预先指定的使用之字形图案。包含12282位剩余式信息比特节点，因此，与对应于VST边缘已经在图中，曲线图的其余部分是用所谓的渐进边沿生长（PEG）算法构成。为了保证更好的周长特征。给定一个位节点度分布，PEG是众所周知的产生均匀的校验节点度分布非常好的码的方法。PEG构造的结果是环长为8。由密度进化设计方法为母代码1位优化的节点度分布，有如下公式：
第六节：性能评估/比较和讨论
对于先前讨论的针对不同信噪比的不同码率卫星移动广播信道编码方案，已经经过Monte Carol计算机模拟，结果显示在图8-10当中，显示出来二进制相移键控数字调制（BPSK）分别在加性白高斯噪声（AWGN）和不相关的莱斯/瑞利衰落信道中的信号的性能。在莱斯衰落信道，已经假定K =10dB的典型
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