Turbo-Code

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Turbo-Codes sind Codes zur Kanalkodierung auf störanfälligen Übertragungssystemen (z.B. Satelliten-Übertragungsstrecken).

Sie basieren auf den Ergebnissen der französischen Wissenschaftler Berrou, Glavieux und Thitimajshima (von der ENST Bretagne, Frankreich) die erstmals 1993 unter dem Titel "Near Shannon Limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes" in Proceedings of IEEE International Communications Conference veröffentlicht wurden [1]. Die Entwicklung der Turbo-Codes bedeutete einen großen Fortschritt, da sie eine deutliche Verbesserung der bisher real erreichbaren Kanalausnutzung bewirkte.

Ein Turbo-Kodierer besteht aus mindestens 2 parallel geschalteten Kodierern. Während der erste Kodierer die Nutzdaten in unveränderter Form erhält, bekommen die anderen Kodierer als Eingangssignal die Nutzdaten in veränderter Reihenfolge (Interleaving). Entsprechend werden auf Empfängerseite auch mehrere Dekodierer parallel betrieben. Diese Dekodierer tauschen untereinander Informationen zur Fehlerkorrektur aus, wodurch sich für einen vergleichsweise geringen algorithmischen Aufwand eine sehr leistungsstarke Fehlerkorrektur ergibt.

Grundsätzlich können beliebige Kodierer eingesetzt werden. Es müssen nicht einmal alle Kodierer gleich sein. Bei Einsatz von Produkt-Codes spricht man von Turbo-Product-Codes (TPC), bei Verwendung von Faltungs-Codes erhält man Turbo-Convolutional-Codes (TCC).

[Bearbeiten] Beschreibung

Turbo-Convolutional-Codes sind parallel verkettete systematische Faltungs-Codes. Die Verkettung erfolgt senderseitig durch mehrfache Kodierung der jeweils verwürfelten Nutzdaten. Durch diesen Prozess werden die Paritäten der verschiedenen Faltungscodes (Komponentencodes) voneinander dekorreliert (geringe statistische Abhängigkeit).

Die Verwürfelung der zu sendenden Informationsbitfolge entsteht in einem Prozess, der Interleaving genannt wird. In der Praxis werden häufig Zufallsinterleaver eingesetzt, um einen großen Abstand vormals benachbarter Bits, und somit eine Dekorrelation, zu erzielen.

Um höhere Coderaten zu ermöglichen, werden – meist periodisch – Paritätsbits der Komponentencodes punktiert. Punktieren heißt, dass ein Codebit nicht gesendet wird. Dies muss folglicherweise auf Empfängerseite als Auslöschung berücksichtigt werden (alle möglichen Empfangswerte haben für den Dekodierer die gleiche Auftrittswahrscheinlichkeit).

Mithilfe einer iterativen Dekodierung (hier: abwechselndes Dekodieren der Komponentencodes, z. B. mittels BCJR-Algorithmus, unter Austausch von extrinsischer Information) werden Ergebnisse nahe der Kanalkapazität erzielt.

Werden die Komponentencodes nicht parallel sondern seriell verkettet, so spricht man von Woven-Codes. Die iterative Dekodierung, mit welcher zur Zeit die besten Ergebnisse erzielt werden, findet beispielsweise auch bei den Low-Density-Parity-Check-Codes (LDPC) Anwendung.

Bei einer Implementation sollte man darauf achten, dass eine Vielzahl von Turbo Codes durch Patente der France Telecom unter dem U.S. Patent 5,446,747 geschützt sind.

[Bearbeiten] Anwendungsbeispiele

In UMTS und DVB-RCS werden neben Faltungs-Codes auch Turbo-Codes eingesetzt.
Die ESA-Raumsonden SMART-1 und Rosetta nutzen Turbo-Codes bei der Kommunikation.