1基于Turbo码的矿井移动通信系统
1.1系统模型
根据矿井通信实际需要，可得出基于Turbo码的矿井通信系统框图(图2)。在图2中，将信源产生的信息序列送入Turbo码编码器进行相应的编码，编码后的序列通过调制器的调制，经矿井衰落信道送入解调器，将得到的解调信号通过Turbo码译码器进行译码处理，再由接收端进行接收，最后通过计算得到误码率。本文采用Matlab7.0中Simulink模块搭建了矿井通信系统Turbo码仿真模型(图3)。系统模块主要由伯努利二进制随机发生器(BernoulliBinaryGenerator)、Turbo码编码器(TurboEncoder)、DQPSK调制器、矿井衰落信道(MineFa-dingChannel)、Turbo码译码器(TurboDecoder)、DQPSK解调器和译码误比特率计算模块(MultipleIterationErrorＲateCalculation)组成。其中，调制/解调均采用正交相移键控π/4-DQPSK方式，该方式是利用DQPSK模块将相位旋转π/4得到，得到的信号再由误比特率计算模块进行计算，通过模块Dis-play显示结果，并将结果用表示所需储存数据量的模块s13写入到工作空间。Turbo码编码器模块是系统模型中的一个重要部分，根据Turbo码的编码原理，采用Simulink构建Turbo码编码器的内部框图(图4)。由图4可以看出，仿真模型的结构是根据Turbo码的编码结构图设计的。其中由InsertZero模块和Sum模块构成复接器，由Puncture模块构成删余阵，通过InsertZero模块来控制插入的码元0数目，Puncture模块来实现删除码元的数目和位置，这样就得到不用码率的Turbo码。系统模型中最重要的部分是Turbo码译码器模块，根据Turbo码译码原理构建Turbo码译码器内部框图(图5)。由解调器解调后的信息由Inl模块输入，分量译码器由APPDecoder模块实现，其中L(c)对应系统信息，L(u)对应的是先验信息。其解交织通过随机解交织模块(ＲandomDeinterleaver)实现，经过多次迭代，将得到的似然比进行相应的判决，从而得到最佳估值序列，再通过Out1模块输出。在系统中，利用InsertZero模块实现归零操作;利用Puncture模块对序列进行删余;利用Zero-OrderHold模块对迭代次数进行控制;利用随机交织模块(ＲandomInterleaver)完成交织过程;选用DiscretePulseGenerator模块、IntegerDelay模块和Product模块实现将系统信息初始化为0;利用HardDecision模块来完成对L(u)的硬判决。其中用s9-s12分别表示所需储存数据量并写入工作空间。
1.2仿真结果及分析
本文主要以误比特率(BEＲ)评价一个通信系统设计的好坏，进而考查Turbo码的纠错性能。仿真参数:采用SISO译码器，译码算法是LOG-MAP算法，帧长为4000bit，采用改进的S随机交织器，π/4-DQPSK调制方式，移动速度为40km/h，载频为2GHz，Nakagami衰落信道，采用频率为10MHz，分别对系统在未编码状态和编码状态下的性能进行仿真，其中编码状态又分为采用卷积码状态以及采用不用码率的Turbo码状态，仿真结果如图6所示。由仿真结果可以看出，对于构建的矿井移动通信系统，在编码状态的系统性能要优于未编码状态，验证了该仿真系统与理论结果的吻合性;而又因采用不同种类的编码其性能也不尽相同，又可直观地说明在矿井移动通信中使用Turbo码编码方案的优势所在［1-4］。
2矿井移动通信系统中Turbo码性能分析
2.1编码长度对Turbo码性能的影响
首先给出不同编码长度对Turbo码性能的影响。仿真参数:信道采用已经构建好的Nakagami多径衰落信道，调制采用π/4-DQPSK方式，解码采用LOG-MAP算法，迭代次数为8次，所用子编码器为(1，7/5)的递归系统卷积码，码率为1/2，帧长为512bit，采用的编码约束度K分别为3、4、5、6。其仿真结果如图7所示。从图7的仿真结果可以看出，增加编码约束度K可以改善Turbo码的误比特性能。当BEＲ＞10－3时，K的改变不会引起BEＲ的曲线有明显的变化;然而当BEＲ＜10－3时，增加K会降低Turbo码的误比特率，其性能会得到提高。当交织器长度和码率一定情况下，K越大，则Turbo码的性能越好［5-7］。
2.2迭代次数对Turbo码性能的影响
以下针对不同迭代次数对Turbo码性能的影响进行仿真。仿真参数:信道采用Nakagami多径衰落信道，调制采用π/4-DQPSK方式，解码采用LOG-MAP算法，所用的子编码器为(1，7/5)的递归系统卷积码，码率为1/2，编码约束度K=3，帧长FS=256，迭代次数Iter分别为1，5，8。其仿真结果如图8所示。由图8仿真结果可知，在衰落信道条件下，增加迭代次数也会改善Turbo码的误比特性能。当Eb/No=2时，LOG-MAP算法迭代1次，BEＲ=1.1899×10－1;迭代5次，BEＲ=8.6895×10－2;迭代8次，BEＲ=5.3112×10－2。因此，进行足够次数的迭代，可以获得较好的纠错性能。但当经过一定数值的迭代后译码性能趋于稳定，再增加新的迭代，不但不能提高Turbo码的译码性能，反而会带来一定的编码增益。因此，在对Turbo码进行设计时，要根据实际译码情况及时停止迭代，这样可以在不影响误比特率性能或对误比特率性能影响很小的情况下，有效降低迭代译码过程中的计算量。
2.3码率对Turbo码性能的影响
在对Turbo码进行编码时，为了得到高的传输速率，通常会在编码器之后进行删除操作。以下为仿真不同速率对Turbo码性能的影响。仿真参数:仿真信道为Nakagami多径衰落信道，调制方式采用π/4-DQPSK，解码采用LOG-MAP算法，迭代次数为5次，所用的子编码器为(1，7/5)的递归系统卷积码，编码约束度K=3，帧长FS=256，码率Ｒ分别为1/2，1/3。仿真结果如图9所示。从图9可以看出，码率Ｒ=1/2的Turbo码性能在Turbo码编码长度相同情况下时，与码率Ｒ=1/3的Turbo码性能相比要差。例如对于(1，7/5)的卷积码，约束度K=4，当信道的信噪比Eb/No=4、码率Ｒ=1/2时，BEＲ为2.155×10－2，而码率Ｒ=1/3时，BEＲ降低到1.3481×10－3。因此，在衰落信道条件下，降低码率可以提高Turbo码的性能，降低误比特率，但同时也使得码元的传输效率降低。综上所述，在对码率进行选择时，要综合考虑传输效率和传输质量2个方面。
2.4帧长对Turbo码性能的影响
对不同帧长对Turbo码性能的影响进行仿真。仿真参数:仿真信道为Nakagami多径衰落信道，调制方式采用π/4-DQPSK，解码采用LOG-MAP算法，迭代次数为5次，所用的子编码器为(1，7/5)的递归系统卷积码，码率为1/2，编码约束度K=3，帧长FS分别为64，256，1024bit。仿真结果如图10所示。从图10中的仿真结果看出，在衰落信道条件下，增加交织器的长度即帧长FS，可以提高Turbo码的性能。例如在Eb/No=3时，帧长256bit的Turbo码在Nakagami多径衰落信道中传输的误比特率BEＲ=1.5350×10－2，而当帧长为1024bit时，误比特率BEＲ可以达到6.3480×10－3的水平。
2.5移动台速度对Turbo码性能的影响
针对不同速度下Turbo性能进行仿真。仿真参数:仿真信道为Nakagami多径衰落信道，调制方式采用的是π/4-DQPSK，解码采用的是LOG-MAP算法，迭代次数为5次，所用的子编码器为(1，7/5)的递归系统卷积码，码率为1/2，编码约束度K=3，帧长FS=1024bit，载频为2GHz。在矿井中由于移动台不同，所以速度不等，但速度都不高。本节主要针对6，8，30，40km/h情况下的Turbo码性能进行仿真，仿真结果如图11所示。从图11仿真结果看出，除了采用纠错编码技术外，没有采取任何抗衰落技术的情况下，随着移动台速度的提高，Turbo码的误比特率曲线明显升高，从而导致性能的降低。由此可见，在衰落信道中必须要采取相应的抗衰落技术才能确保通信的质量，因此在后续的研究中，还需要考虑对衰落信道采用抗衰落技术。
3结语
由于井下环境的复杂性及其生产的特殊性，导致煤矿安全事故频发，给煤炭生产和工人生命带来了严重威胁。为了解决这个难题，建立一种准确快速的矿井移动通信系统是十分必要的。本文在信道中引入了Turbo码编码技术，这将为井下无线通信的深入发展和煤炭的安全生产提供十分重要的理论依据。
作者：叶萧然 郝先虎 张艳芳 单位：鹤壁汽车工程职业学院 河南能源化工集团
