Using Turbo-Code in Wireless LAN
WANGXiu-fang, WANGYang, WEIYu-heng
(DaqingPetroleum Institute, Daqing, Heilongjiang163318, China)
Abstract:Turbo-code used in wireless LAN(WLAN)is proposed by analyzing the data transmission through WLAN,and a new coding and decoding scheme is presented to improve the performance of WLAN.The performance of Turbo code with the changes of correlative parameters is studied through computer simulations.Performance comparison with convolutional code which is widely used in traditional WLAN is conducted.Simulation results show that Turbo-code can greatly enhance WLAN performance.
Keywords:wireless LAN;turbo-code;convolutional code
无线局域网中Turbo码的应用研究
王秀芳, 王洋, 魏宇恒
(大庆石油学院, 黑龙江大庆163318)
摘要:通过分析无线局域网中数据传输的特点， 对Turbo码编码和译码方案进行适合于WLAN的改进，设计出无线局域网中Turbo码编译码器的实现方案。通过计算机仿真研究相关参数的变化对Turbo码性能的影响，并与传统WLAN中应用广泛的卷积码进行性能比较，仿真结果表明，利用Turbo码编码技术能够较大地提高无线局域网传输性能。
关键词:无线局域网；Turbo码；卷积码
0 Introduction
WLAN technology, because of a series of advantages, is getting widely used in global communication systems.It becomes an more attractive solution and connects more and more equipments, such as the interconnecting Of notebook PC,cellphone, VoIP(Voice over Internet Protocol), PDA(Personal Digital Assistant)and so on.In order to improve the reliability of wireless communications systems and reduce power consumption, people have adopted a lot of methods to optimize designs.Among the methods, channel coding and decoding technique is an important one.With the amendment of the protocols of WLAN, convolutional coding technique with different generator polynom ia ls cant meet the requirement of transmission speed.
In this paper, we present a new scheme for encoder and decoder of Turbo code in WLAN by analyzing the characteristics of data transmission in order to meet the requirements of communication qualities and transmission speed, and provide more high quality services with minimum complexity and lowest power consumption.Firstly,we overview turbo-code and select the best decoding algorithm from four kinds of decoding algorithms.Secondly,the principle and structure of turbo-code used in WLAN are described in detail.The simulations of bit error rate(BER)performances of turbo-code in an Additive White Gaussian Noise(AWGN) channel are performed in Section4.In Section5, we conclude this paper.
1 Turbo Code Overview
A new scheme was introduced by some French researchers, Berrou, Glavieux and Thitimajshima in 1993[1] .They used a parallel concatenated scheme which got the nick name Turbo-code after the resemblance with the turbo engine.It was one of the most important developments in channel coding theory for many years.A turbo code is known as a linear block code[2], which adopts a simple structure of concentral convolution code and Maximum a posteriori probability(MAP)decoding algorithm, has attracted the attention of many researchers for its remarkable coding gains close to Shannon theoretical limits in an AWGN channel.In the simulation, framesize is 65535, interation number is 18, the French researchers decoded a rater=1/3 Turbo-code with a so-called it erative decoding algorithm,they claimed that a bit error of could be achieved at a singal-to-noise rate(SNR) of 0.7dB.Turbo-code can obtain high performance, low consumption and low complexity, so it is very suitable for wireless communications systems.
2 DecodingAlgorithmSelection
It is well known that MAP[3] algorithm can calculate the a posteriori probability(APP) of the information sequence derictly,which is the best decoding algorithm for turbo-code.But it is hard to realize in practical application,because it needs a mass of calculations.Log-MAP algorithm[4] is the algorithm which uses MAP in logarithm field,its advantage is changing multiply operation to add operation, so it can reduce the calculation complexity greatly and be more practical,at the same, it is approximately equal to MAP algorithm on decoding performance.Max-log-MAP algorithm is a simplified version of the Log-MAP algorithm that uses only addition,comparison and selection functions, which is only an approximation of Log-MAP algorithm, so it certainly will lead to the decline on decoding performance.Althrough the complexity of Log-MAP algorithm is about twice that of Soft Output Viterbi Algorithm(SOVA)[ 5] , it is obviously superior to SOVA algorithm on BER performance.Through comparisons above, we select Log-MAP algorithm as decoding algorithm in this paper.
Fig.1 Structure of Turbo-Code Encoder and Decoder
Fig.2 Structure of Turbo-Code Encoder and Decoder
3 Principle and Structure of Turbo-Code in WLAN
Figure 1 shows the structure of turbo encoder and decoder[ 6] .The two parallel concatenated constituent encoders,interleaver, puncter and multiplexer form the turbo encoder, as shown in Figure3(a).The interleaver is employed to permute the input bits so that the two constituent encoders work on the same bits, but different sequences.In this paper, we adopt that constraint length K of each recursive systematic convolutional(RSC) component code is 4,two generator polynomials with octal form: and random interleaver.
With the delay of encoding and interleaving negligible, turbo encoder has three outputs corresponding to the source bit, one is the information bit, the others are the parity bits and from the recursive systematic convolutional(RSC) encoders respectively.The sequences of are punctured to improve the efficiency of the encoder,and multiplexed to constitue the output bits, from which the output sequences of the turbo encoder are constructed.Since is independent of and, the sequences are treated as discrete Markov source to the equivalent wireless channel with limited status.
Figure1(b) gives the detail of the turbo decoder.The decoder consists of two identical soft
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无线局域网中Turbo码的应用研究
王秀芳，王洋，魏宇恒
(黑龙江省大庆石油学院，大庆163318)
摘要：通过分析无线局域网中数据传输的特点，对Turbo码编码和译码方案进行适合于WLAN 的改进，设计出无线局域网中Turbo码编译码器的实现方案。通过计算机仿真研究相关参数的变化对Turbo码性能的影响，并与传统WLAN 中应用广泛的卷积码进行性能比较，仿真结果表明，利用Turbo码编码技术能够较大地提高无线局域网传输性能。
关键词：无线局域网；Turbo码；卷积码；802.11
Research on the Application of Turbo Code in WLAN
WANG Xiufang,WANG Yang ,WEI Yuheng
(Heilongjiang Daqing Petroleum Institute,Daqing 163318)
Abstract：By analyzing the data transmission through WLAN,points out how to use Turbo code in wire1ess LAN,gives a coding and decoding program which is suitable for WLAN improvement,and gives a flow chart of Turbo code in wireless LAN．Studies the performances of Turbo code with the changes of relative parameters through computer simulations,and makes a performance comparison with Convolutional code which has a widely use in traditional WLAN.The simulation shows that the Turbo code can obviously enhance the WLAN performance．
Keywords：Wireless LAN;Turbo Code;Convolutional Code;802.11
0 引言
无线局域网技术由于其一系列的优点，正在全球范围内得到广泛的应用。它正连接越来越多的设备，成为一种富有吸引力的解决方案，例如笔记本、手机、智能电话(VoIP)、PDA等设备的互联。它由一系列的标准(802.11，802.11a/b/g等协议)组成。为了提高无线通信的可靠性和节省功耗，人们采取了很多方法来优化设计。物理层的信道编译码技术是其中的一个重要方面。随着无线局域网中协议的不断修改，使用不同生成多项式的卷积码编码技术已经不能满足人们对传输速度的要求。
1 Turbo码简介
Turho码，又称并行级联卷积码（Parallel Concentral Convolution Code，PCCC)，是由C.Berrou等在1993年ICC会议上提出的，这是信道编码技术领域一次重要的突破。Turbo码采用一种简单的卷积码级联结构和最大后验概率（Maximum a posteriori probability—MAP）迭代译码算法，取得了接近香农(Shannon)极限的纠错码性能。当时的模拟结果表明，如果采用大小为65535的随机交织器，并且进行18次迭代，则在Eb/N0ge;0.7dB时，码率为1/2的Turbo码在AWGN信道上的误比特率BERle;，达到了逼近Shannon极限的性能。而与同类编码方案相比，在传输同样长信息位的数据块的前提下，Turbo码可以比里德一索洛蒙（RS）码与卷积码组成的串行级联码多1dB的编码增益，是目前各种纠错码方案中性能较好的。
2 Turbo码译码算法的选取
研究表明．MAP算法能直接计算信息比特的后验概率，是Turbo译码的最佳算法。但是在实际应用中却难以实现，主要原因是运算量太大，对每个比特需要做6x次乘法运算。Log-MAP算法是对数域的MAP算法，在对数域执行算法的好处是可以变乘法运算为加法运算，从而大大降低算法的复杂性，使其具有实用性。它在性能上等效于MAP算法，是Turbo码的最实用算法。Max-Log-MAP算法是对数域的MAP算法的近似，造成了性能上的损失。虽然Log-MAP算法的复杂性是SOVA算法的两倍左右，但在BER性能上明显优于SOVA算法。所以本文选择了Log-MAP算法作为设计方案的译码算法。
3 WLAN中Turbo码实现方案
3.1WLAN中Turbo码编码器实现方案
目前Turbo码有多种编码实现方式，在进行比较之后选择了与TD--SCDMA标准相同的编码技术。这样使得设计出来的编译码器更加具有通用性。方案中使用了约束度为4的并行级联卷积码(PCCC)，如图1所示。
图1 Turbo码编码器结构框图
一般情况下两个分量编码器结构相同，信息序列u经过分量译码器1产生校验序列，信息序列u交织后经过分量译码器2产生校验序列。为了提高码率，序列和需要经过删余矩阵，采用删余技术从这两个校验序列中周期地删除一些校验位，形成校验序列，再与原信息序列(系统比特序列)一起经过复用后生成了Turho码序列X，完成编码。这里使用的分量编码是递归系统卷积码，其生成多项式为。
3.2WLAN中Turbo码译码器实现方案
Turbo码译码器的基本结构如图2所示。来自信道带噪声的系统比特序列（与 相对应）和校验序列（和相对应）以及先验信息一起输入到分量译码器1进行译码,得到逐比特的软信息。由该软信息得到分量译码器2的先验信息.
它和经过交织后和（与相对应）一起输人到分量译码器2进行译码，得到逐比特软信息，完成一次迭代译码过程。然后该软信息经解交织后反馈回分量译码器1，进行下一次迭代译码。经过几次迭代后进行硬判决，输出译码序列。
图2 Turb0码译码器结构图
从Turbo码的编译码器结构可以看出，Turbo码的性能与以下几个因素有关：帧长、码率、译码算法、交织器、编码器、删余矩阵等。
4 WLAN中Turbo码的应用分析
4.1基于帧长的考虑
图3所示的仿真结果显示了帧长(即交织器长度)对于1/2码率的Turbo码性能的影响。 仿真中所使用的Turbo码是15/13码，迭代次数为4次，仿真信道为AWGN信道。
显然，根据图3的仿真结果可知，增加帧长(即交织器的长度)可以提高Turbo码的性能。在信噪比为1．5dB时，帧长为512的Turbo码在AWGN信道中的传输误比特率为，帧长为1024的Turbo码的传输误比特率降低到，帧长为2048的Turbo码可以达到的误比特率，而帧长为4086的Turbo码的误比特率降低到了。
图3 帧长对Turh0码性能的影响
由于Turob码的性能随着译码长度增加而提高，但同时译码时延也随着增大，需要的数据存储量也变大，实现的结构更复杂。因此有必要分析WLAN中传输数据帧长的特点。
通过对网络层IP流量的统计分析，如图4所示。网络流量以较短的猝发数据为主，其中出现小于127字节长度的数据包占了54％，考虑到WLAN数据传递时还有一些控制帧、管理帧，并且每个数据帧接收结束之后还有一个确认帧(ACK)，这样小于127字节长度的数据包占65％以上。因此短帧对实际情况下WLAN应用的功耗影响较大，在设计中应予以重点考虑。
图4 IEEE网络流量数据包大小模型
Turbo码译码是基于帧的，即它在接收到整个帧后再进行译码（利用滑动窗方法可以不对帧译码，但有性能上的损失）。因此如果帧长较大则译码延迟会较大。分析了帧长对WLAN的性能的影响之后，可以得到在无线局域网中Turbo码编译码长度应以128字节(1024比特)为宜。这样大多数的短帧不用分段译码，有利于性能的提高。对于长度超过128字节的数据帧分成几段编译码。如图3所示，Turbo码性能随译码长度增加而性能提高，在译码长度超过1024比特之后，长度增加带来的译码性能的提高减缓，故选择1024比特长度作为译码长度就是有效地利用了Turbo码的这个特点。另外，因为译码长度取值适中，不会产生太大的译码延迟，能过满足802.11a对于译码时间的规定（802．11a规定接收方在接收到数据后10us内要给发送方发送一个ACK帧），译码时中间数据的存储量增加也不大。
4.2基于码率的考虑
图5的仿真结果显示了码率对Turbo码性能的影响，仿真信道为AWGN信道，仿真中所使用的Turbo码为15/13码，帧长(即交织器长度)为1024，迭代次数为8次。
图5 码率对rrIJrho码性能的影响
从图5可以看出，当编码约束度相同的时候，1/3码率的Turbo码在BER性能上要优于1/2码率的Turbo码。当AWGN信道的Eb/No为1.5dB，对于(15/13)Turho码而言，码率为1/2 时传输的误比特率为，码率为l/3时传输的误比特率降低。
根据这些仿真结果，可以得到结论：降低码率可以改善Turbo码的性能，降低误比特率，但是码率的降低意味着Turbo码传输效率的降低，所以选择码率的时候，需要权衡传输速率和传输质量两方面的得失。
4.3 基于译码算法的考虑
图6的仿真结果显示了译码算法对Turbo码性能的影响，仿真信道为AWGN信道，仿真中所使用的Turbo码为15/13码，码率为1/2，帧长(即交织器长度)为1024，3232的分组交织器，迭代次数为5次。
图6 译码算法对Turbo码性能的影响
从图6可以看出，当编码约束条件相同的时候，使用Log-MAP算法的Turbo码在BER性能上要优于使用SOVA算法的Turbo码。当AWGN信道的Eb/No为1．5dB，对于(15/13)Turbo码而言，使用SOVA算法时传输的误比特率为，而使用Log-MAP算法时传输的误比特率降低到。
4.4 基于交织器的考虑
图7的仿真结果显示了不同交织器对Turbo码性能的影响，仿真信道为AWGN信道，仿真中所使用Turbo码的多项式 （八进制），码率为l/2，帧长(即交织器长度)为1024，采用Log-MAP算法，迭代次数为5次。
从图7可以看出，使用随机交织器的Turbo码在BER性能上要优于使用分组交织器和快速交织器的Turbo码，但3种交织器在性能上差异不是特别大。当AWGN信道的Eb/No为2.0dB，对于(15/13)Turbo码而言，使用快速交织器时传输的误比特率为，使用分组交织器时传输的误比特率降低到，而使用随机交织器时的误比特率降低到。由于随机交织器译码时延较大，并且硬件实现复杂度高，所以在BER性能下降不是特别大的情况下，可以尝试使用分组交织器或快速交织器来代替随机交织器，这样可以大大地降低译码时延和硬件实现的复杂度，以提高无线局域网中Turbo码的综合性能，更具有实用价值。
图7 交织器对Turho码性能的影响
4.5与卷积码性能的比较
设计了Turbo码编码和译码的仿真程序，对Turbo码在高斯白噪声(AWGN)信道中的纠错译码性能进行了仿真，并与卷积码的译码性能进行比较。仿真中使用了(15/13)的Turbo码和约束度为7的卷积码。码率同为1/2，译码长度同为1024比特，使用了随机交织器，迭代8次。仿真结果如图8所示，图中横坐标代表信道的信噪比(Eh/No)，纵坐标代表误比特率(Bit Error Rate：BER)。
图8 Turbo码与卷积码的性能比较
由图8所示的仿真结果可以看出，当信道的信噪比Eb/No大于0.5dB以后，(15/13)Turbo码的误比特率开始随着Eb/No的增加快速降低。当Eb/No为4.OdB时，(15/13)Turbo码的译码误比特率已降低到；而相同的信噪比下，约束度为7的卷积码的误比特率。仿真结果表明，与传统无线局域网中应用广泛的卷积码相比，Turbo码大大的降低了误比特率，显著提高了信息的传输质量。
另外，Turbo码的1/2码率是通过删余技术实现的，如果不进行删余，使用1/3码率时，则可以获得额外的0.5dB的编码增益，而且此时没有任何运算上的开销增加。而用卷积码获得l/3码率时，则需要在编码和译码结构上都要作改动，并且带来的运算开销增加也较大。从通过改变码率来提高编码性能的角度看，Turbo码具有较大的灵活性，明显优于传统无线局域网中使用的卷积码，更能适应无线局域网技术发展的要求，以提供更多更好的服务。
5 结语
本文研究了把性能优越的Turbo码技术应用在无线局域网中的可行性，并以802.1la协议为基础，针对无线局域网的协议特点给出了WLAN中Turbo码编译码器实现方案。通过计算机仿真可以看到，在802.1la中使用Turho码技术可以有效的提高编码增益，与传统无线局域网中使用的卷积码相比可以提高约2dB。也就意味着在相同的收发距离和数据传输速度条件下，Turbo码技术可以使发送方以较低的发送功率工作，从而可以有效地降低功耗，延长便携式设备的电池工作时间，具有实用价值。
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