一种二次置换多项式交织器
技术领域
本发明涉及数字通信领域,具体而言,本发明涉及一种二次置换多项式交织器。
背景技术
数字信号在传输过程中由于受到噪声和干扰的影响会出现差错,在通信系统中一般采用纠错编码技术来保证可靠的传输。Turbo码是C.Berrou等人于1993年提出的一种编码方案,由于其在低信噪比的应用环境下比其它编码性能好,因而在多种移动通信系统中,将Turbo码作为无线信道的编码标准之一。一般地,Turbo编码器由两个系统递归卷积(RSC)编码器、交织器组成。
随着移动通信的不断发展,Turbo码编译码技术不断得到发展和完善,并广泛应用于各种系统中,但在不同移动通信系统中所采用的具体编码方法和交织器有所不同。Turbo码的纠错性能受到交织器性能的影响,因此交织技术是影响Turbo码性能的一个关键因素。而且,码块分段、速率匹配等编码后相关处理技术都受到Turbo码交织器长度的限制。一般而言,Turbo码交织器的长度越连续,码块分段带来的冗余就越少,速率匹配的性能就越好,频谱效率就越高。
UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)采用的Turbo码交织器不能支持无冲突的并行译码,因而在3GPP的LTE(Long Term Evolution,长期演进)的系统中,交织器采用的是QPP二次置换多项式(Quadratic Permutation Polynomial,二次置换多项式)交织器。当交织器能够支持交织长度K的任意因子个处理器并行操作时,该交织器被称为MCF最大无冲突交织器(Maximum Contention Free,最大无冲突),QPP交织器为一种最大无冲突交织器。
然而,目前LTE系统中采用的QPP交织器的参数设计使得交织器的粒度过大,使得在码块分段时,需要填充较多的冗余比特,以满足QPP长度的要求,导致了较高的伪比特开销,降低了Turbo码的频谱效率,不利于Turbo码性能的提高
因此,有必要对QPP交织器的参数进行优化设计,使得优化后的QPP交织器能够降低Turbo码交织器的粒度,增加Turbo交织器的连续性,减少码块分段以及速率匹配中的伪比特数目,降低码字的频谱开销,从而提高Turbo码的性能。
发明内容
本发明要解决的问题是提出一种二次置换多项式交织器,解决现有系统中交织器的粒度过大、伪比特开销较高、不利于Turbo码性能的提高的问题。
为了达到上述目的,本发明提出了一种二次置换多项式QPP交织器,其特征在于,输入交织器的序列uk以函数f(i)=(f1i+f2i2)mod(K)进行交织后输出序列u'k,K为交织器的长度,i为所述序列uk中对应元素ui的位置,且0≤i<K,f(i)为所述元素ui交织后在交织后序列u'k中的位置,其中,所述K、f1、f2的取值为以下具体实施方式部分中任意一个二次置换多项式QPP交织器中的参数表里的任意一组K、f1、f2值。
在以下任意一个参数表中,对于任意的一个,第1、2、3列的任意一行参数,构成一组K、f1、f2值,同理,第4、5、6列、第7、8、9列、第10、11、12列以及第13、14、15列的任意一行参数也构成一组K、f1、f2值。每组K、f1、f2参数构成的QPP交织器,能够降低Turbo码交织器的粒度,增加Turbo交织器的连续性,有利于减少码块分段以及速率匹配中的伪比特数目,降低码字的频谱开销。
本发明还提供了一种Turbo码编码器,包括:第一分量编码器、第二分量编码器以及如以下任意一种所述的二次置换多项式QPP交织器;
所述第一分量编码器对所述序列uk进行编码,得到并输出第一校验比特序列Y1;
所述二次置换多项式QPP交织器将所述序列uk进行交织处理,得到并输出经过交织处理的序列u′k;
所述第二分量编码器对所述u′k进行编码,得到并输出第二校验比特序列Y2;
所述Turbo码编码器将所述序列uk、第一校验比特序列Y1和第二校验比特序列Y2依次串联得到编码结果C,C=[uk,Y1,Y2]。
相对于现有系统中交织器的粒度过大,导致了较高的伪比特开销,不利于Turbo码性能的提高,本发明提出的二次置换多项式交织器能够降低Turbo码交织器的粒度,增加Turbo交织器的连续性,减少码块分段以及速率匹配中的伪比特数目,降低码字的频谱开销。此外,采用本发明提供的交织器的Turbo码编码器也能有效提高Turbo码的性能。
附图说明
图1为本发明提出的QPP交织器;
图2为本发明提出的Turbo码编码器;
图3为序列长度为40时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图4为序列长度为48时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图5为序列长度为96时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图6为序列长度为136时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图7为序列长度为144时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图8为序列长度为184时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图9为序列长度为224时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图10为序列长度为232时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图11为序列长度为312时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图12为序列长度为320时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图13为序列长度为360时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图14为序列长度为368时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图15为序列长度为448时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图16为序列长度为456时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图17为序列长度为544时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图18为序列长度为624时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图19为序列长度为688时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图20为序列长度为696时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图;
图21为序列长度为736时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图22为序列长度为776时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图;
图23为序列长度为784时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图24为序列长度为816时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图25为序列长度为864时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图26为序列长度为872时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图;
图27为序列长度为880时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图28为序列长度为912时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图29为序列长度为944时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图30为序列长度为952时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图;
图31为序列长度为960时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图32为序列长度为976时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图33为序列长度为992时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图;
图34为序列长度为1016时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述:
如图1所示,为本发明提出的QPP交织器。该QPP交织器包括置换装置,该置换装置对输入交织器的序列uk进行交织运算:交织装置利用输入序列uk的长度K的值为索引值来索引以下任意一个参数表,确定一组K、f1、f2参数值,然后对输入序列uk中的每个元素经过置换函数(1)进行置换运算,
f(i)=(f1i+f2i2)mod(K) (1)
在置换函数(1)中,K为交织器的长度,i为所述序列uk中对应元素ui的位置,且0≤i<K,f(i)为所述元素ui交织后在交织后序列u'k中的位置。通过置换函数(1),该置换装置对输入的序列uk能得到唯一的交织后的序列u′k。
在以下任意一个参数表中,第1、2、3列的任意一行参数,构成一组K、f1、f2值,同理,第4、5、6列、第7、8、9列、第10、11、12列以及第13、14、15列的任意一行参数也构成一组K、f1、f2值。
如以下任意一个参数表所示,输入序列的长度K的粒度为8,即不同长度的输入序列之间的最小间隔为8。如果交织器的粒度过大,使得在码块分段时,需要填充较多的冗余比特,以满足QPP长度的要求,导致了较高的伪比特开销,降低了Turbo码的频谱效率。以下任意一个参数表为对应于不同的输入序列长度K,优选出来的多组f1、f2参数,由上述参数构成的QPP交织器,能够降低Turbo码交织器的粒度,增加Turbo交织器的连续性,有利于减少码块分段以及速率匹配中的伪比特数目,降低码字的频谱开销。
参数表1
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
40 |
13 |
20 |
56 |
19 |
14 |
80 |
31 |
60 |
96 |
19 |
78 |
120 |
11 |
90 |
40 |
9 |
20 |
56 |
17 |
14 |
80 |
71 |
20 |
96 |
47 |
72 |
120 |
7 |
60 |
40 |
3 |
20 |
56 |
47 |
42 |
80 |
49 |
60 |
96 |
29 |
60 |
120 |
71 |
90 |
40 |
37 |
20 |
56 |
51 |
28 |
80 |
49 |
20 |
96 |
19 |
36 |
120 |
113 |
60 |
40 |
39 |
20 |
56 |
17 |
42 |
80 |
51 |
60 |
104 |
99 |
52 |
120 |
79 |
60 |
40 |
23 |
20 |
56 |
33 |
14 |
80 |
11 |
20 |
104 |
21 |
52 |
120 |
67 |
90 |
40 |
33 |
30 |
56 |
11 |
28 |
80 |
9 |
60 |
104 |
5 |
52 |
120 |
67 |
30 |
40 |
17 |
10 |
56 |
43 |
28 |
80 |
31 |
20 |
104 |
59 |
26 |
120 |
109 |
30 |
40 |
27 |
20 |
64 |
15 |
52 |
80 |
53 |
70 |
104 |
59 |
78 |
120 |
43 |
90 |
40 |
13 |
10 |
64 |
55 |
52 |
80 |
37 |
10 |
104 |
7 |
26 |
120 |
43 |
30 |
40 |
37 |
10 |
64 |
39 |
52 |
80 |
67 |
70 |
104 |
7 |
78 |
120 |
17 |
30 |
40 |
17 |
30 |
64 |
63 |
52 |
80 |
27 |
70 |
104 |
67 |
78 |
120 |
53 |
90 |
40 |
37 |
30 |
64 |
31 |
52 |
80 |
57 |
10 |
104 |
97 |
26 |
128 |
111 |
60 |
40 |
27 |
30 |
64 |
23 |
52 |
80 |
37 |
50 |
104 |
81 |
52 |
128 |
23 |
52 |
40 |
13 |
30 |
64 |
31 |
20 |
80 |
33 |
70 |
104 |
95 |
52 |
128 |
23 |
124 |
40 |
23 |
10 |
64 |
23 |
20 |
80 |
33 |
10 |
104 |
9 |
52 |
128 |
87 |
116 |
40 |
7 |
10 |
64 |
39 |
20 |
88 |
5 |
44 |
104 |
71 |
52 |
128 |
87 |
60 |
40 |
27 |
10 |
64 |
47 |
20 |
88 |
53 |
44 |
104 |
15 |
52 |
128 |
39 |
60 |
40 |
31 |
20 |
64 |
7 |
52 |
88 |
83 |
44 |
104 |
37 |
78 |
128 |
15 |
60 |
40 |
7 |
30 |
64 |
63 |
20 |
88 |
85 |
44 |
104 |
97 |
52 |
128 |
127 |
52 |
48 |
41 |
24 |
64 |
7 |
20 |
88 |
25 |
44 |
104 |
7 |
52 |
128 |
111 |
92 |
48 |
7 |
24 |
64 |
17 |
20 |
88 |
35 |
44 |
104 |
19 |
52 |
128 |
103 |
52 |
48 |
11 |
24 |
64 |
9 |
12 |
88 |
53 |
66 |
104 |
11 |
78 |
128 |
55 |
92 |
48 |
35 |
24 |
64 |
49 |
12 |
88 |
49 |
66 |
104 |
63 |
78 |
128 |
23 |
68 |
48 |
13 |
24 |
64 |
41 |
60 |
88 |
29 |
44 |
112 |
97 |
28 |
128 |
23 |
4 |
48 |
19 |
24 |
64 |
9 |
28 |
88 |
69 |
22 |
112 |
41 |
28 |
128 |
63 |
92 |
48 |
31 |
36 |
64 |
7 |
32 |
88 |
75 |
44 |
112 |
41 |
84 |
128 |
127 |
28 |
48 |
43 |
24 |
64 |
9 |
16 |
88 |
81 |
44 |
112 |
97 |
84 |
128 |
87 |
4 |
48 |
7 |
18 |
72 |
29 |
48 |
88 |
31 |
44 |
112 |
15 |
84 |
128 |
95 |
84 |
48 |
7 |
12 |
72 |
65 |
12 |
88 |
5 |
66 |
112 |
71 |
28 |
128 |
95 |
116 |
48 |
5 |
24 |
72 |
59 |
24 |
88 |
71 |
66 |
112 |
15 |
28 |
128 |
31 |
12 |
48 |
5 |
36 |
72 |
11 |
24 |
88 |
57 |
44 |
112 |
71 |
84 |
128 |
39 |
68 |
参数表2
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
K |
f1 |
f2 |
144 |
19 |
78 |
160 |
89 |
20 |
176 |
97 |
66 |
192 |
23 |
144 |
208 |
25 |
52 |
144 |
41 |
24 |
160 |
71 |
60 |
176 |
79 |
110 |
192 |
47 |
72 |
208 |
52 |
156 |
144 |
55 |
24 |
160 |
31 |
60 |
176 |
5 |
110 |
192 |
115 |
84 |
208 |
19 |
52 |
144 |
89 |
24 |
160 |
71 |
20 |
176 |
171 |
22 |
192 |
19 |
36 |
208 |
7 |
26 |
144 |
29 |
60 |
160 |
49 |
60 |
176 |
167 |
22 |
192 |
29 |
60 |
216 |
7 |
24 |
144 |
137 |
24 |
160 |
49 |
20 |
176 |
53 |
22 |
192 |
17 |
108 |
216 |
17 |
36 |
144 |
17 |
48 |
160 |
51 |
60 |
176 |
39 |
22 |
192 |
25 |
48 |
216 |
17 |
24 |
144 |
31 |
48 |
160 |
11 |
20 |
176 |
141 |
154 |
192 |
11 |
24 |
216 |
19 |
72 |
144 |
23 |
48 |
160 |
9 |
60 |
176 |
123 |
22 |
200 |
151 |
160 |
216 |
101 |
36 |
144 |
79 |
48 |
160 |
51 |
20 |
176 |
35 |
110 |
200 |
131 |
140 |
216 |
37 |
168 |
144 |
55 |
84 |
160 |
11 |
60 |
176 |
5 |
22 |
200 |
131 |
60 |
216 |
47 |
192 |
144 |
115 |
84 |
160 |
9 |
20 |
176 |
137 |
110 |
200 |
171 |
60 |
216 |
17 |
72 |
144 |
65 |
96 |
160 |
71 |
60 |
184 |
159 |
138 |
200 |
51 |
20 |
216 |
101 |
48 |
144 |
17 |
66 |
160 |
31 |
60 |
184 |
25 |
138 |
200 |
31 |
40 |
216 |
11 |
72 |
144 |
55 |
120 |
160 |
17 |
10 |
184 |
173 |
46 |
200 |
151 |
120 |
216 |
127 |
192 |
144 |
79 |
120 |
160 |
53 |
90 |
184 |
81 |
138 |
200 |
71 |
40 |
216 |
19 |
36 |
144 |
25 |
102 |
168 |
61 |
42 |
184 |
35 |
138 |
200 |
49 |
180 |
216 |
47 |
144 |
144 |
137 |
120 |
168 |
145 |
126 |
184 |
11 |
46 |
200 |
149 |
80 |
216 |
17 |
48 |
144 |
17 |
96 |
168 |
61 |
126 |
184 |
81 |
46 |
200 |
11 |
60 |
216 |
11 |
36 |
144 |
19 |
36 |
168 |
55 |
84 |
184 |
103 |
138 |
200 |
131 |
180 |
216 |
127 |
96 |
152 |
35 |
76 |
168 |
73 |
126 |
184 |
173 |
138 |
200 |
151 |
180 |
216 |
19 |
96 |
152 |
105 |
38 |
168 |
19 |
84 |
184 |
57 |
138 |
200 |
151 |
80 |
216 |
47 |
72 |
152 |
47 |
38 |
168 |
157 |
42 |
184 |
21 |
138 |
200 |
51 |
120 |
216 |
19 |
192 |
152 |
121 |
76 |
168 |
13 |
126 |
184 |
103 |
46 |
200 |
153 |
80 |
216 |
31 |
96 |
152 |
139 |
76 |
168 |
73 |
42 |
184 |
21 |
46 |
200 |
151 |
40 |
224 |
97 |
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参数表4
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参数表8
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参数表10
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如图2所示,为本发明提出的Turbo码编码器。下面结合图1、图2对本发明提出的编码器的工作流程进行描述:
第一步,编码器利用第一分量编码器ENC1对uk进行编码,得到并输出第一校验比特序列Y1;
第二步,交织装置利用输入序列uk的长度K的值为索引值来索引上述任意一个参数表,找到匹配的序列长度K,得到相应的参数对(f1,f2)的值;
第三步,交织装置利用参数对(f1,f2)的值和置换函数(1),对输入序列uk进行交织运算,得到并输出经过交织处理的序列u′k;
第四步,编码器利用第二分量编码器ENC2对u′k进行编码,得到并输出第二校验比特序列Y2;
第五步,将信息比特序列X、第一校验比特序列Y1和第二校验比特序列Y2依次串联起来得到编码码字,即C=[X,Y1,Y2]。
现有系统中交织器的粒度过大,容易导致了较高的伪比特开销,因此不利于Turbo码性能的提高。本发明提出的二次置换多项式交织器长度K的粒度为8,因此能够有效降低Turbo码交织器的粒度,增加Turbo交织器的连续性,减少码块分段以及速率匹配中的伪比特数目,降低码字的频谱开销。
上述方案的改进,还有利于提高Turbo的性能。为了进一步说明本发明提出的交织器的性能,下面结合附图对本发明提出的部分交织器的性能通过与LTE或UMTS中的相应的交织器进行性能比较。
作为本发明的实施例,在加性高斯白噪声AWGN信道下,对二进制相移键控BPSK的信号进行计算机仿真。
下面结合图1和图2对本发明具体的实施例进行说明,在本实施例中,包括以下步骤:
(1)编码前,用‘0’初始化编码器ENC1和ENC2中所有的移位寄存器;
(2)将输入序列uk直接输入到第一分量编码器进行编码,并得到第一校验比特流;
(3)将输入序列uk输入到QPP交织器中的置换装置,置换装置利用输入序列的长度K=40,查找如上述任意一个参数表中的索引值,如K与索引值相等,则获取该索引值对应的20组参数中的任意一组,例如,选取参数f1=9,f2=20;
(4)置换函数利用f1=9,f2=20计算得到置换装置的置换序列,其中,f(i)=(9×i+20×i2)mod(40),得到不同的i位置的元素置换后在序列u′k中的位置分别为[0,29,18,7,36,25,14,3,32,21,10,39,28,17,6,35,24,13,2,31,20,9,38,27,16,5,34,23,12,1,30,19,8,37,26,15,4,33,22,11];
(5)置换装置利用置换函数计算得到的置换序列对输入序列uk进行置换处理,并输出置换以后的序列u′k;
(6)将置换以后的序列u′k输入到第二分量编码器进行编码,并得到第二校验比特流;
(7)直接输出序列uk作为编码器输出的系统比特流;
(8)复用系统比特流、第一校验比特流以及第二校验比特流得到编码码字。
在加性高斯白噪声AWGN信道下,对二进制相移键控BPSK的信号为序列长度为40时,使用本发明的交织器与LTE交织器的性能进行计算机仿真,得到如图3所示的性能曲线。在图3中,纵坐标为误帧率,横坐标为Eb/N0,其中Eb为每比特的发送功率,N0为噪声谱密度。显然,使用本发明提出的交织器的性能优于LTE中相应的交织器的性能,尤其是在Eb/N0较大的情况下。
本发明公开的技术方案,对于不同交织器长度K的情况下的性能也有一定改善。在加性高斯白噪声AWGN信道下,对二进制相移键控BPSK的信号进行计算机仿真,如附图所示,图4为序列长度为48时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图5为序列长度为96时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图6为序列长度为136时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图7为序列长度为144时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图8为序列长度为184时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图9为序列长度为224时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图10为序列长度为232时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图11为序列长度为312时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图12为序列长度为320时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图13为序列长度为360时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图14为序列长度为368时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图15为序列长度为448时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图16为序列长度为456时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图17为序列长度为544时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图18为序列长度为624时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图19为序列长度为688时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图20为序列长度为696时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图,图21为序列长度为736时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图22为序列长度为776时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图,图23为序列长度为784时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图24为序列长度为816时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图25为序列长度为864时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图26为序列长度为872时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图,图27为序列长度为880时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图28为序列长度为912时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图29为序列长度为944时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图30为序列长度为952时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图,图31为序列长度为960时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图32为序列长度为976时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图33为序列长度为992时本发明的交织器与LTE交织器的性能曲线图,图34为序列长度为1016时本发明的交织器与UMTS交织器的性能曲线图。
在上述附图中,纵坐标为误帧率,横坐标为Eb/N0,其中Eb为每比特的发送功率,N0为噪声谱密度。显然,使用本发明提出的交织器的性能优于LTE或UMTS中的相应的交织器的性能,尤其是在Eb/N0较大的情况下。
相对于现有系统中交织器的粒度过大,导致了较高的伪比特开销,不利于Turbo码性能的提高,本发明提出的二次置换多项式交织器能够降低Turbo码交织器的粒度,增加Turbo交织器的连续性,减少码块分段以及速率匹配中的伪比特数目,降低码字的频谱开销。此外,使用本发明的交织器,还有利于提高Turbo的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。