[发明专利]一种软件无线电系统中的高速并行Turbo译码方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及在软件无线电系统中，基于SIMD处理器的并行Turbo译码方法及系统。 

背景技术

近年来，软件无线电技术的出现备受关注。它突破传统通信平台扩展性差、功能单一、开发成本高的局限性，它把硬件作为无线通信的基本平台，尽可能多得用软件实现无线通信功能。软件无线电的主要优点是它的灵活性。在软件无线电中，诸如信道带宽、调制以及编码等可以动态调整，以适应不同的标准和环境、网络通信负荷以及用户需求的变化。软件无线电中主要组成部分为射频单元和基带处理部分，以及连接它们的接口。基带处理部分由软件实现运行在处理器上。由于无线通信系统支持的数据速率和对时延的要求越来越高，因此基带处理算法如何在处理器上高效地实现就显得至关重要，尤其是复杂度相对较高的Turbo译码算法。 

目前主流的CPU都支持单指令多数据(Single Instruction Multiple Data，SIMD)扩展。SIMD表示单个指令并行地完成对多个数据条目的操作，比如加减乘等算术运算、逻辑运算、移位运算等操作。SIMD通过在单个指令内同时完成多个操作而显著提高了执行速度，因此成为基带处理算法在处理器上高效实现的重要手段。典型的SIMD指令集包括Intel的流SIMD扩展(Streaming SIMD Extensions，SSE)系列(包括SSE、SSE2、SSE3、SSE4)和高级矢量扩展(Advanced Vector Extensions，AVX)指令集，以及ARM的NEON指令集。例如，SSE2/3/4系列指令集使用128位的SIMD寄存器，支持2路并行双精度浮点运算、4路并行单精度浮点运算、4路并行32位整数运算、8路并行16位整数运算以及16路并行8位整数运算。 

Turbo码是一种并行级联卷积码，将两个简单的分量码通过随机交织器并行级联从而构造出近似随机的长码。分量码一般选择为递归系统卷积码(RSC)。由于其纠错性能远远超过了分组码、卷积码等传统的信道编码方式，因此在无线通信领域得到了广泛的应用。UMTS、LTE等移动通信标准中均采用了Turbo码。 

一个典型的Turbo译码过程是多次迭代的过程，其中每一次迭代按顺序包括四个步骤：第一个分量码进行软输入软输出(Soft Input Soft Output，SISO)译码、对第一个分量码译码输出的外信息进行交织操作并将交织结果作为第二个分量码的先验信息输入、第二个分量码进行SISO译码、对第二个分量码译码输出的外信息进行解交织操作并将交织结果作为第一个分量码的先验信息输入。主要的Turbo码分量码译码算法包括最大后验概率(MAP)译码算法及其对数域形式的Log-MAP译码算法、在Log-MAP基础上简化的Max-Log-MAP译码算法、软输出维特比译码算法(SOVA)等。其中Max-Log-MAP算法复杂度较低，同时相比Log-MAP算法性能损失不大，因此得到了广泛的应用。 

为了满足宽带无线通信系统对高数据率的要求，需要设计出Turbo译码在SIMD处理器上的高效优化实现方法，而这是一项充满挑战性和技巧性的任务。具体来自于以下几点： 

1)Max-Log-MAP算法本身分为前向状态递推、后向状态递推以及外信息计算三部分。为了充分利用SIMD指令提供的指令级并行度，需要在系统允许的译码性能损失的前提下仔细设计算法的并行化方法，并合理地安排数据存储方式，以方便SIMD指令的操作。 

2)为了获得好的译码性能，Turbo码所采用的交织器往往经过了精心的设计，因此交织表的生成方法也相应地具有较高的计算复杂度(比如WCDMA和LTE所采用的交织表设计方法)。而迭代译码过程中需要多次进行交织和解交织操作。为了提高译码速率，需要设计出高效的生成交织地址的方法。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在软件无线电系统中实现高速的Turbo译码，以满足UMTS、LTE等宽带无线通信系统对高数据率的要求。 

为此，本发明的一个目的在于提出一种软件无线电系统中的高速并行Turbo译码方法。 

本发明的另一目的在于提出一种软件无线电系统中的高速并行Turbo译码系统。