CN103457894A - 一种正交频分复用系统中的交织方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交频分复用系统中的交织方法，所述交织方法基于块交织，包括以下步骤：将输入的符号序列x＝(x₀，x₁，…，x_M×N-1)依次按行写入，得到符号的矩阵形式表示为X；将矩阵X按列划分为子矩阵块，基于最大化频率分集增益原则，各子矩阵块内采用行交织，得到子块行交织后的符号的矩阵形式

其中，M为交织器行数，N为列数，N_OFDM为OFDM有效子载波数，交织大小包含整数个OFDM符号，即M×N＝T×N_OFDM，其中T为正整数；对子块行交织步骤中得到的矩阵

基于最大化时间分集增益原则，采用交替按列读取的方式获得交织后符号序列

Description

一种正交频分复用系统中的交织方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及正交频分复用(OFDM)系统，更具体的，本发明涉及一种可提高OFDM系统中时间/频率分集增益的交织方法。

背景技术

在通信和广播系统中，实际信道通常在时间和频率域具有一定的相关性。从时域看，相邻时间段的信道时域冲击响应(CI R)变化不大；从频域看，相邻频率内的信道频域冲击响应(CFR)也近乎相同；即，信道具有记忆特性。这种时/频域的信道响应的记忆性容易导致突发错误，即时/频域相邻的数据同时处于深衰落的可能性极大，尤其对于地面无线通信和广播系统。然而，当前研究得较为深刻的、性能优异的信道编码通常针对离散无记忆信道设计。为了得到信道编码所要求的无记忆信道，理想的交织便是一种将实际有记忆信道转换成离散无记忆信道的有效方式。缘于此，当前的通信系统框图基本采用如下结构：发射端先经过信道编码，然后经过交织发送出去；而接收端则相反经过解交织，之后送给信道译码。如此一来，经过理想的交织与解交织，信道编码之后至信道译码之前的等效信道可以认为是无记忆的。

然而受限于交织深度、延时、吞吐率、处理复杂度等各种因素，实际的交织远非理想。以正交频分复用(OFDM)系统中的块交织为例，假设OFDM的子载波个数为4096，OFDM调制之前的针对星座符号的块交织器包含240行，4096列。交织时采用行写列读方式，解交织时采用列写行读的方式。不难发现，解交织之后，虽然每一行包含4096个符号，但这4096个符号仅来自256个不同子载波。当把这4096或其中一部分(大于256)符号送给译码器进行译码的时候，译码器所获得的频率分集增益阶数仅为256。

为了获得比传统块交织更大的频率分集增益，多种改进的交织器被提了出来。例如，文献(村上洋平，“OFDM发送装置和OFDM接收装置及交织方法，”中国发明专利，申请号200880100831.9)采用了一种随机数生成的方法来实现交织；或者文献(雅普·范·德·毕克，布兰尼斯拉夫.M.波波维奇，“用于正交频分复用通信的交织方法，”中国发明专利，公开号CN1742450A)将OFDM频带分为若干子频带再进行交织处理。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：设计一种OFDM系统中的交织器，使得系统获得较高的时间/频率分集增益，同时保持较高的数据吞吐率和较低的实现复杂度。

(二)技术方案

一种OFDM系统中的交织方法，所述交织方法基于块交织，所述交织方法包括以下步骤：

S1行写步骤：将输入的符号序列x＝(x₀，x₁，…，x_M×N-1）依次按行写入，得到符号的矩阵形式表示为X；

S2子块行交织步骤：将矩阵X按列划分为子矩阵块，基于最大化频率分集增益原则，各子矩阵块内采用行交织，得到子块行交织后的符号的矩阵形式X，其中，M为交织器行数，N为列数，N_OFDM为OFDM有效子载波数，交织大小包含整数个OFDM符号，即M×N＝T×N_OFDM，其中T为正整数；

S3交替列读步骤：对S2子块行交织步骤中得到的矩阵

基于最大化时间分集增益原则，采用交替按列读取的方式获得交织后符号序列 $\tilde{x}=({\tilde{x}}_0,{\tilde{x}}_1...,{\tilde{x}}_{M\×N-1}).$

优选的，所述S1行写步骤中得到的符号矩阵形式X＝{X_i，j}，其中X_i，j表示矩阵X第i行第j列的元素，0≤i＜M，0≤j＜N，且X_i，j＝x_i×N+j。

优选的，所述S2子块行交织步骤采用循环移位的方法完成子块行交织。

优选的，所述循环移位的方法过程如下：

S21、令M与N_OFDM的最小公倍数为G，且M×G₁＝N_OFDM×G₂＝G，其中G₁为N的因子，G₂为T的因子且N/G₁＝T/G₂＝S；

S22、将矩阵X按列每G₁列划分为一个子矩阵，总共有S个子矩阵块，记为X＝[X⁽⁰⁾，…，X^(S-1)]，其中X^(s)称为子块，0≤s＜S；

S23、将子块X^(s)按行进行循环移位，即令

是长度为G₁的行向量，表示X^(s)的第i行，0≤i＜M，X^(s)向下行循环移位f_s得到

即

其中j＝mod(i+M-f_s，M)，0≤i＜M，

表示

的第i行，mod(a，b)表示取a模b的余数；

S24、得到子块循环移位后的矩阵

其中循环移位偏移量f_s，0≤s＜S为预先设置值；

优选的，所述S3交替列读步骤中交替按列读取的过程为：

S31、将按列等分为L个子矩阵

其中L为S的一个因子；

S32、每次按列从

中依次顺序读取N_OFDM个符号，其中L与π_l均为预先设置值，

是{0，1，…，L-1}的一个排列，0≤π_l＜L；

S33、得到

与

之间的关系公式化表示为

0≤k＜M×N，其中

i＝mod(pN_OFDM+q，M)

其中

l＝mod(n，L)，

q＝mod(k，N_OFDM)，

表示向下取整。

优选的，所述的偏移量f_s是s的函数，设置为等差数列，即f_s＝δ·s，其中δ为正整数。

优选的，所述的L与π_l，0≤l＜L设置为

当L＝1时，π₀＝0；

或者L＝2，π_l＝l，0≤l＜2；

或者L＝2η，π_l＝l，0≤l＜L；

或者L＝2η， ${\mathrm{\π}}_l=b_{\mathrm{\η}-1}^{\left(l\right)}+b_{\mathrm{\η}-2}^{\left(l\right)}\·2+\·\·\·+b_0^{\left(l\right)}\·2^{\mathrm{\η}-1},$ 其中 $(b_{\mathrm{\η}-1}^{\left(l\right)},b_{\mathrm{\η}-2}^{\left(l\right)},\·\·\·,b_0^{\left(l\right)})$ 为l的二进制表示，且 $l=b_{\mathrm{\η}-1}^{\left(l\right)}\·2^{\mathrm{\η}-1}+\·\·\·+b_0^{\left(l\right)}.$

(三)有益效果

本发明设计一种用于OFDM通信系统的交织器，提高了系统的时间/频率分集增益，同时保持了较高的吞吐率和较低的实现复杂度。

附图说明

图1是按照本发明一种交织方法的总体流程图；

图2是按照本发明一种优选交织方法的流程图；

图3是按照本发明对应优选交织方法的解交织方法流程图；

图4是一种典型的OFDM系统框图。

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。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所述交织方法工作流程图如图1所示，分为S1至S3共三个步骤，分别为依次按行写入、子块行交织、交替按列读取；优选的，采用循环移位行交织的交织方法如图2所示，分为A1至A3三步，其对应的解交织方法工作流程图如图3所示，分为B1至B3三步，分别为交替按列写入、子块行循环移位、依次按行读取：

交替列写：假设收到的OFDM解调后的符号序列为其中连续的N_OFDM个符号来自同一OFDM符号，将按交替列写方式转换为矩阵形式

其对应关系为

其中k，i，j，L，π_l如权利要求5所示；

子块行循环移位：令步骤B1所得

其中

称为子块，0≤s＜S，将子块按行进行循环移位，其向上循环移位偏移量为f_s，得到Y^(s)，即

其中0≤i＜M，j＝mod(i+f_s，M)，

表示Y^(s)的第i行，

表示

的第j行，从而，得到子块循环移位后的矩阵Y＝[Y⁽⁰⁾，…，Y^(S-1)]，其中循环移位偏移量f_s，0≤s＜S与步骤A2相同；

行读：针对步骤B2得到的符号的矩阵形式Y，采用按行读取的方法得到输出符号序列y＝(y₀，y₁，…，y_M×N-1)，其对应关系为y_i×N+j＝Y_i，j，其中0≤i＜M，0≤j＜N。

假设一个典型的OFDM系统如图4所示，在发送端信源比特经过信道编码、比特交织、星座映射、符号交织、OFDM调制以及后续操作等发送出去；在接收端则经过对应的逆操作最终得到信宿比特。例如为了在信道译码与解映射之间进行迭代，图中的比特交织仅局限于信道编码码字内部。假设信道编码码字长度为N_code，假设星座映射调制阶数为M_mod，则每个星座符号对应的比特数为m_mod＝log₂M_mod，从而每个信道码字所包含的符号个数为N_s＝N_code/m_mod，然而，由于交织的不理想等，这N_s个符号并一定来自不同的OFDM子载波，称每个码字最坏情况下所包含的不同子载波个数为独立子载波个数，记为N_ind。一个好的交织器，应该使得具有较大的N_ind且这N_ind个子载波分布较为均匀，从而获得较大的频率分集增益。

实施例一：一种针对子载波数为4096的OFDM系统的交织器

本实施例针对子载波数为4096的OFDM系统，按照本发明方法给出了交织器详细的参数设计，并分析了交织效果。

(参数)：假设子载波数N_OFDM＝4096，交织器行数M＝240，交织器列数N＝4096；从而G＝61440，G₁＝256，G₂＝15，S＝16；令循环偏移地址f_s＝δ·s＝2s，0≤s＜S；令L＝1，π₀＝0，即交织时采用普通按列读取，解交织时采用普通按列写入。

若码长为15360比特，则对应不同调制阶数M_mod，独立子载波数N_ind如表1所示，其中所对比的块交织行数为240，列数为4096，即不采用本发明所述子块循环移位。若码长为61440比特，则N_ind如表2所示。从表中可以看出，本发明交织器显著提高了频率分集增益。表1：码长为15360比特，OFDM子载波数N_OFDM＝4096，不同调制阶数，不同交织器最坏情况下码字所包含独立子载波数N_ind。

表2：码长为61440比特，OFDM子载波数N_OFDM＝4096，不同调制阶数，不同交织器最坏情况下码字所包含独立子载波数N_ind。

实施例二：一种针对子载波数为32768的OFDM系统的交织器

本实施例针对子载波数为32768的OFDM系统，按照本发明方法给出了交织器详细的参数设计，并分析了交织效果。

(参数)：假设子载波数N_OFDM＝32768，交织器行数M＝240，交织器列数N＝4096；从而最小公倍数G＝491520，G₁＝2048，G₂＝15，S＝2；令循环偏移地址f_s＝δ·s＝8s，0≤s＜S；令L＝1，π₀＝0，即交织时采用普通按列读取，解交织时采用普通按列写入。

当码长为15360比特时，则对应不同调制阶数M_mod，N_ind如表3所示。当码长为61440比特时，则对应不同调制阶数M_mod，N_ind如表4所示。从表中可以看出，如同实施例1，本发明交织器针对长OFDM调制，也能显著提高了频率分集增益。

表3：码长为15360比特，OFDM子载波数N_OFDM＝32768，不同调制阶数，不同交织器最坏情况下码字所包含独立子载波数N_ind。

表4：码长为61440比特，OFDM子载波数N_OFDM＝32768，不同调制阶数，不同交织器最坏情况下码字所包含独立子载波数N_ind。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，所述行与列属于抽象概念，二者可以互换，即块交织也可以被认为采用列写行读的方式，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种正交频分复用系统中的交织方法，其特征在于，所述交织方法基于块交织，包括以下步骤：

S1行写步骤：将输入的符号序列x＝(x₀，x₁，…，x_M×N-1)依次按行写入，得到符号的矩阵形式表示为X；

S2子块行交织步骤：将矩阵X按列划分为子矩阵块，基于最大化频率分集增益原则，各子矩阵块内采用行交织，得到子块行交织后的符号的矩阵形式 其中，M为交织器行数，N为列数，N_OFDM为OFDM有效子载波数，交织大小包含整数个OFDM符号，即M×N＝T×N_OFDM，其中T为正整数；

S3交替列读步骤：对S2子块行交织步骤中得到的矩阵 基于最大化时间分集增益原则，采用交替按列读取的方式获得交织后符号序列

2.如权利要求1所述一种OFDM系统中的交织方法，其特征在于，所述S1行写步骤中得到的符号矩阵形式X＝{X_i，j}，其中X_i，j表示矩阵X第i行第j列的元素，0≤i＜M，0≤j＜N，且X_i，j＝x_i×N+j。

3.如权利要求1所述一种OFDM系统中的交织方法，其特征在于，所述S2子块行交织步骤采用循环移位的方法完成子块行交织。

4.如权利要求3所述一种OFDM系统中的交织方法，其特征在于，所述循环移位的方法过程如下：

S21、令M与N_OFDM的最小公倍数为G，且M×G₁＝NOFDM×G₂＝G，其中G₁为N的因子，G₂为T的因子且N/G₁＝T/G₂＝S；

S22、将矩阵X按列每G₁列划分为一个子矩阵，总共有S个子矩阵块，记为X＝[X⁽⁰⁾，…，X^(S-1)]，其中X^(s)称为子块，0≤s＜S；

S23、将子块X^(s)按行进行循环移位，即令 

是长度为G₁的行向量，表示X^(s)的第i行，0≤i＜M，X^(s)向下行循环移位f_s得到 

即 其中j＝mod(i+M-f_s，M)，0≤i＜M， 表示 

的第i行，mod(a，b)表示取a模b的余数；

S24、得到子块循环移位后的矩阵 其中循环移位偏移量f_s，0≤s＜S为预先设置值。

5.如权利要求1所述一种OFDM系统中的交织方法，其特征在于，所述S3交替列读步骤中交替按列读取的过程为：

S31、将 按列等分为L个子矩阵 

其中L为S的一个因子；

S32、每次按列从 

中依次顺序读取N_OFDM个符号，其中L与π_l均为预先设置值， 

是{0，1，…，L-1}的一个排列，0≤π_l＜L；

S33、得到 

与 

之间的关系公式化表示为 

0≤k＜M×N，其中

i＝mod(pN_OFDM+q，M)

其中 

l＝mod(n，L)， q＝mod(k，N_OFDM)， 表示向下取整。

6.如权利要求4所述一种OFDM系统中的交织方法，其特征在于，所述的偏移量f_s是s的函数，设置为等差数列，即f_s＝δ·s，其中δ为正整数。

7.如权利要求5所述一种OFDM系统中的交织方法，其特征在于，所述的L与π_l，0≤l＜L设置为

当L＝1时，π0＝0；

或者L＝2，π_l＝l，0≤l＜2；

或者L＝2^η，π_l＝l，0≤l＜L；

或者L＝2η，

其中 

为l的二进制表示，且

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