CN104065454A - 基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法及装置，所述方法为：发射机针对不同带宽与不同空间数据流数之间的组合值，采用不同最优交织深度对发送数据进行符号交织处理，并将交织相关信息记入物理层帧的信令字段，接收机通过解析信令字段来获取带宽和空间数据流数信息，利用不同带宽和不同空间数据流数之间的组合值所对应的交织深度对接收到的数据进行符号解交织处理，恢复空间数据流。本发明还提供了一种针对上述方法的交织和解交织装置，通过所述装置可以实现基于空间数据流数的动态符号交织及解交织功能，而且在不增加实现复杂度的条件下最大限度的发挥交织带来的性能增益。

Description

基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法及装置，属于无线通信系统技术领域。

背景技术

为了抵抗信道衰落造成的突发性错误，提升发射信号鲁棒性，通信系统需要一系列提升通信系统性能的发送与接收处理，例如发送机对发送数据流进行交织处理和接收机对数据流进行解交织处理，即离散化突发错误块，进而通过接收机前向纠错译码来纠正离散性错误，实现通信系统性能的提升。

为了进一步提升无线局域网的传输速率，IEEE802.11n和IEEE802.11ac两个标准均采用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术实现空间复用目标。虽然这两个标准中均采用交织方法来提升抗突发错误能力，不同带宽下其交织和解交织采用的交织深度不同，但是同一带宽内的不同数据流均采用相同的交织深度。

基于带宽确定的最优交织深度，对于不同的空间数据流数采用同一交织深度未必都是最优的，即不同空间数据流数时，符号交织所对应的最优交织深度也不同，其主要原因包括：1)不同的空间数据流数，其等效信道衰落状况也不同；2)不同的空间数据流数，一个正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)符号来自的低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)的码字数目也不同。对于后一个原因，无线通信系统要求突发性错误能离散到最多的LDPC码字上，而且同一OFDM符号所能包含的LDPC码字数随着空间数据流数的增加而增加。同时，跨码字间交织可进一步增加抗突发错误的能力。基于此发现，本发明提出了一种基于空间数据流数的动态符号交织方法和装置，并提出了相应的解交织方法和装置。本发明在通过结合已知空间数据流的前提下，充分发挥不同空间数据流的复用优化，最大限度的发挥交织作用，实现不增加复杂度的同时进一步改善系统性能。

发明内容

发明目的：本发明通过在无线通信系统中，利用物理层帧的信令(SIG)字段信息，在发送端和接收端基于不同空间数据流数实现动态的符号交织和解交织方法，解决传统的符号交织和解交织方法存在的以下问题：基于带宽的符号交织，对于每一种带宽只有一个固定的交织深度，其对于不同空间数据流数的交织深度不一定最优；基于带宽的符号交织和解交织方法，不能按照空间数据流数自适应地设计其交织深度。本发明还提供了一种针对上述方法的交织和解交织装置，通过这种装置，可以实现基于空间数据流数的动态符号交织，而且在不增加实现复杂度的条件下最大限度的发挥交织所带来的性能增益。

技术方案：一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法，包括如下步骤：

步骤1：发送端在符号交织模块从不同带宽和不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取所对应的最优交织深度，对用户的每一个空间数据流进行交织处理；

步骤2：物理层帧的SIG字段中配置与交织相关的子字段，配置按照相应的发送端基带处理模块进行，主要包括用于数据发送所使用信道带宽的带宽(BW)子字段、指示用户是否使用空时分组编码(Space Time Block Coding，STBC)的STBC子字段(其取值为0或1，0表示不使用STBC，1表示使用STBC)和用于指示用户空时数据流数的空时数据流数(NSTS)子字段三个字段；

步骤3：接收端接收数据并解析物理层帧的SIG字段，解析SIG字段的BW子字段、STBC子字段、NSTS子字段三个字段，来获得对应带宽和空间数据流数信息，其中空间数据流数的计算公式为：

$N_{\mathrm{SS}}=\frac{N_{\mathrm{STS}}}{2^{\mathrm{STBC}}}$

其中N_SS为用户的空间数据流数，N_STS为用户的空时流数目；

步骤4：接收端在解交织模块根据步骤3中获得的带宽和空间数据流数，从不同带宽和不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度进行解交织，恢复用户的每一个空间数据流。

一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织的装置，发送端包括发送端交织深度选择模块、交织信息配置模块和符号交织器，接收端包括交织信息解析模块、接收端交织深度选择模块以及符号解交织器；

所述发送端交织深度选择模块从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度，所述符号交织器根据交织深度选择模块选择出的最优交织深度进行符号交织；

所述交织信息配置模块用于将交织相关子字段配置在物理层帧的SIG字段中；

所述交织信息解析模块用于从物理层帧的SIG字段中解析出交织相关子字段；

所述接收端交织深度选择模块从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度，所述符号解交织器根据最优交织深度进行符号解交织。

有益效果：本发明提供的基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法，解决了传统的符号交织和解交织方法无法按照空间数据流数的最优交织深度进行交织的问题，最大限度的发挥了交织带来的性能增益。与基于带宽的固定符号交织方法相比，本发明提供的方法具有较强的自适应性。而其利用的SIG字段的信息为固定信息，不会额外增加系统的传输开销，因此其具有较强的可实现性。仿真结果表明，本发明提出的动态符号交织和解交织方法以及装置，明显优于传统的方法以及装置，特别是在空间数据流数较少的情况下，其带来的误包率性能增益比传统方法可以高2dB。

附图说明

图1为基于空间数据流数的动态符号交织和解交织实现流程图；

图2为本发明实施例中发射机的符号交织模块流程图；

图3为本发明实施例中的物理层帧的SIG字段相关子字段；

图4为本发明实施例中接收机的符号解交织模块流程图；

图5为本发明实施例采用的符号交织方法与基于带宽的符号交织方法的性能对比图，1080MHz带宽，一个空间数据流，64QAM(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)调制；

图6为本发明实施例采用的符号交织方法与基于带宽的符号交织方法的性能对比图，1080MHz带宽，两个空间数据流，64QAM调制；

图7为本发明不同带宽和不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中最优交织深度参数选取流程图。

具体实施方式

下面以毫米波无线局域网(IEEE802.11aj)1080MHz带宽下两个空间流，64QAM调制为例，结合附图对本发明基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法和装置的具体实施方式作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利。

本发明实施例中，IEEE802.11aj支持两种带宽540MHz和1080MHz，最大空间数据流数为8，为了仿真对比，本实施例定义了SIG字段支持的空间数据流数为1,2,4,8，支持的码率为1/2，其它参数见表1，基于带宽的传统交织方法的交织参数见表2，基于本发明实施例的交织参数见表3。支持不同空间数据流数和不同码率的场景可以修改本实施例中的例子得到。

表1仿真参数设置

表2基于带宽的最优符号交织深度

带宽	540MHz	1080MHz
			交织深度	12	24

表3基于空间数据流数的动态符号交织方法的最优交织深度

(N_SS代表空间数据流数)

参数	NSS＝1	NSS＝2	NSS＝4	NSS＝8
					540MHz	3	4	6	12
1080MHz	6	6	12	24

其中最优交织深度的选取流程如图7所示，具体包括如下步骤：

S1：设置所有MCS集合，记为M＝{1,2,…,m}，其中m为MCS的种类个数，计算交织深度可选的参数集合Α＝{a₁,…,a_k}，其中a_i为数据子载波数N_SD的因数，并且满足N_CBPS表示每OFDM符号编码比特数，N_SS表示空间数据流数，L_CW表示LDPC编码码字长度；

S2：利用计算交织深度参数集C，其中，K为集合A的元素个数，N_CBPS为每OFDM符号编码比特数，N_SD为数据子载波数，L_CW为LDPC编码码字长度；交织深度参数集的生成方法描述如下：

S2.1：首先对i∈M，通过仿真计算交织深度可选的参数集合A中不同交织深度a_i的性能曲线在误包率为10％时的，将这些按从小到大排列，将最小SNR对应的交织深度加入集合B_i。再将满足下式的SNR所对应的交织深度加入集合B_i：

$\frac{|{\mathrm{SNR}}_{a_i}-{\mathrm{SNR}}_{a_c}|}{|{\mathrm{SNR}}_1-{\mathrm{SNR}}_{a_c}|}<p$

其中，|·|表示取绝对值，为交织深度为a_i的性能曲线在误包率为10％时的信噪比，a_c为最小SNR对应的交织深度，为无符号交织的性能曲线在误包率为10％时的信噪比；

S2.2：针对M中所有的元素，按照步骤S2.1计算出所有MCS对应的集合，即{B₁,…,B_m}，计算C＝B₁∩B₂∩…∩B_m，得到集合C；

步骤S3：判断集合C的元素个数，如果元素个数是1，转到步骤S4；如果集合C的元素个数大于1，则令 $p_{\min }=0,p_{\max }=\frac{{3\mathrm{KN}}_{\mathrm{CBPS}}}{N_{\mathrm{SD}}{L}_{\mathrm{CW}}},$ 在区间 $[0,\frac{{3\mathrm{KN}}_{\mathrm{CBPS}}}{N_{\mathrm{SD}}{L}_{\mathrm{CW}}}]$ 中使用二分法更新p值，使得计算得到的交织深度参数集C元素个数为1；如果元素个数小于1则令p_max＝1，在区间中使用二分法更新p值，使得计算得到的交织深度参数集C元素个数为1；

步骤S3中二分法寻找p的过程描述如下：

S3.1：令计算交织深度参数集C；

S3.2：对交织深度参数集C元素个数进行判断，如果元素个数是1，转到步骤S4；如果元素个数大于1，则令p_max＝p，返回执行步骤S3.1；如果元素个数小于1则令p_min＝p，返回执行步骤S3.1；

步骤S4：选取C中唯一元素为最优符号交织深度。

以1080MHz带宽、两个空间数据流为例，计算最优交织深度的过程如下：

步骤S1：设置所有MCS集合，记为M＝{1,2,3}，其中MCS＝1对应调制方式为1080MHz带宽、两个空间数据流时QPSK调制，帧长为4096字节；MCS＝2对应调制方式为1080MHz带宽、两个空间数据流时16QAM调制，帧长为4096字节；MCS＝3对应调制方式为1080MHz带宽、两个空间数据流时64QAM调制，帧长为4096字节，此处因为1080MHz带宽、两个空间数据流采用BPSK调制，帧长为4096字节时不同交织深度对应的系统性能非常相近，在计算两个空间数据流的最优交织深度时可不考虑。数据子载波数N_SD所有因数中满足不小于N_CBPS·N_SS/L_CW＝336×6×2/672＝6且小于N_SD＝336的因数组成交织深度可选的参数集合A＝{6,7,8,12,14,16,21,24,28,42,48,56,84,112,168}；

步骤S2：计算交织深度的集合C：对MCS＝1，对比A中不同交织深度在误包率为10％时的SNR，首先将最小SNR对应的交织深度D_TM＝6加入B₁。集合A元素个数K＝15，计算得选取集合B₁的

观察各曲线在误包率为10％时的性能增益： ${\mathrm{SNR}}_{D_{\mathrm{TM}}=1}=17.66\mathrm{dB},$ 因为 ${\mathrm{SNR}}_{D_{\mathrm{TM}}=7}=15.22\mathrm{dB},\frac{15.22-15.2}{17.66-15.2}=0.008<p,$ 所以D_TM＝7被选入较优的交织深度参数集合B₁，同理，D_TM＝8,12,14,16,21,24,28,42,48,56也被选入B₁中，由于p的限制，没有其他符号交织深度参数被选入B₁中，所以1080MHz带宽、两个空间数据流、QPSK调制和帧长为4096字节时的较优的交织深度参数集合B₁＝{6,7,8,12,14,16,21,24,28,42,48,56}。

对MCS＝2,按照如上步骤可计算得B₂＝{6,7,8,12,14,16,21,24,28,42}；对MCS＝3，按照如上步骤可计算得B₃＝{6,7,8,12,14,16,21,24,28,42}。

计算C＝B₁∩B₂∩…∩B₄，得到交织深度的最优参数集C＝{6,7,8,12,14,16,21,24,28,42}。

步骤S3：获得最优的D_TM：如步骤S2所得，1080MHz带宽、两个空间数据流下的集合C＝{6,7,8,12,14,16,21,24,28,42}，集合C元素个数大于1，则令p_min＝0，p_max＝0.402，在区间[0,0.402]中使用二分法更新p值，使得计算得到的交织深度参数集C元素个数为1，最终可得D_TM＝6为1080MHz带宽下、两个空间数据流时的最优符号交织深度。

针对毫米波无线局域网(IEEE802.11aj)中540MHz带宽和1080MHz带宽下不同的空间数据流数，可以采用相同的如上方法得到不同带宽和不同空间数据流数的组合值所对应的最优交织深度，具体如表3。

如图1所示，一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法，包括以下步骤：

(1)发送端在符号交织模块从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度，以交织深度为矩阵的行数，按行顺序地将每个空间数据流写入矩阵，然后按列顺序地读出数据，完成符号交织处理，发送端符号交织模块流程如图2所示，本例中带宽为1080MHz，两个空间数据流，通过查询表3，得到采用的交织深度为6；

(2)物理层帧的SIG字段中配置与交织相关的子字段，配置按照相应的发送端基带处理模块进行，主要字段包括BW子字段(其取值为0或1，0表示带宽为540MHz，1表示带宽为1080MHz)，STBC子字段(其取值为0或1，0表示不使用STBC，1表示使用STBC)，NSTS子字段(其取值为1、2、3、4，分别表示一个、两个、四个、八个空时流)，用数据发送所使用的信道带宽配置BW子字段、用户是否使用STBC配置STBC子字段，用户空时数据流数配置NSTS子字段。本例中BW＝1，STBC＝0，NSTS＝2；

(3)接收端通过接收并解析SIG字段的BW子字段、STBC子字段、NSTS子字段三个字段，来获得对应带宽和空间数据流数信息，其中空间数据流数的计算公式为(注：表示当不使用STBC时，空间数据流数等于空时数据流数，当使用STBC时，空间数据流数等于空时数据流数的一半)。本例中由BW＝1得带宽为1080MHz，由得出空间数据流数为2；

(4)在解交织模块，接收机从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度进行解交织，即以交织深度为矩阵的行数，按列顺序地将每个空间数据流写入矩阵，然后按行顺序地读出数据完成符号解交织处理，即可恢复每一个空间数据流，相应的符号解交织模块流程如图4所示，本例中通过查询表3，得到1080MHz带宽下、两个空间数据流时的交织深度为6，并以6为交织深度进行解交织，恢复每一个空间数据流。

本发明还提供了一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织的装置，发送端包括发送端交织深度选择模块、交织信息配置模块和符号交织器，接收端包括交织信息解析模块、接收端交织深度选择模块以及符号解交织器；

所述发送端交织深度选择模块从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度值，所述符号交织器根据交织深度选择模块选择的最优交织深度进行符号交织，具有空间数据流数自适应性；

所述交织信息配置模块用于将交织相关子字段配置在物理层帧的SIG字段中，配置的子字段包括BW子字段、STBC子字段和NSTS子字段；

所述交织信息解析模块用于从物理层帧的SIG字段中解析出交织相关子字段，解析的子字段包括BW子字段、STBC子字段和NSTS子字段，计算空间数据流数的方法为：

$N_{\mathrm{SS}}=\frac{N_{\mathrm{STS}}}{2^{\mathrm{STBC}}}$

所述接收端的交织深度选择模块从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度值，所述符号解交织器根据最优交织深度进行符号解交织。

为了对比同传统的符号交织的之间的性能差异，本发明实施例还提供了同传统符号交织方法和装置的性能对比图，基于带宽的传统交织方法的交织参数见表2，表3为基于本发明实施例的交织参数。本发明实施例以1080MHz带宽下一个空间流、64QAM调制和两个空间流、64QAM调制的两种场景为例，对本发明的性能进行了对比说明，具体见图5和图6。可以看出，在空间数据流数较少的情况下，本发明提供的交织方法，明显优于传统的交织方法，其带来的性能增益会随着空间数据流数的增加而减少，并逐渐趋向于传统的交织方法。

Claims (4)

1.一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)发送端在符号交织模块从不同带宽和不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取所对应的最优交织深度，对用户的每一个空间数据流进行交织处理；

(2)发送端将与交织相关信息配置在物理层帧的相关信令字段中；

(3)接收端通过解析物理层帧的信令字段，获取交织相关信息；

(4)接收端在解交织模块根据步骤(3)中获得的交织相关信息，从不同带宽和不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度进行解交织，恢复用户的每一个空间数据流。

2.如权利要求1所述的基于空间数据流数的动态符号交织和解交织方法，其特征在于：

所述步骤(2)中的物理层帧的信令字段中配置的交织相关信息包括：指示用户数据发送所使用信道带宽的带宽BW子字段、指示用户是否使用空时分组编码的空时分组编码STBC子字段和指示用户空时数据流数的空时数据流数NSTS子字段；

所述步骤(3)中的交织相关信息包括带宽和空间数据流数，所述空间数据流数由STBC子字段和NSTS子字段计算得出，计算公式为：

$N_{\mathrm{SS}}=\frac{N_{\mathrm{STS}}}{2^{\mathrm{STBC}}}$

其中N_SS为用户的空间数据流数，N_STS为用户的空时数据流数，STBC取值为0或1，0表示用户不使用空时分组编码，1表示用户使用空时分组编码。

3.一种基于空间数据流数的动态符号交织和解交织装置，其特征在于：发送端包括发送端交织深度选择模块、交织信息配置模块、符号交织器，接收端包括交织信息解析模块、接收端交织深度选择模块、符号解交织器；

所述发送端交织深度选择模块用于从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表中读取相应的最优交织深度，所述符号交织器根据交织深度选择模块选择的最优交织深度进行符号交织；

所述交织信息配置模块用于将交织相关信息配置到物理层帧的相应信令字段；

所述交织信息解析模块用于从物理层帧的信令字段中解析出交织相关子字段信息；

所述接收端交织深度选择模块用于从不同带宽与不同空间数据流数的组合值所生成的交织深度对照表读取相应的最优交织深度，所述符号解交织器根据最优交织深度进行符号解交织。

4.如权利要求3所述的基于空间数据流数的动态符号交织和解交织装置，其特征在于：

所述交织信息配置模块配置在物理层帧的信令字段中的交织相关子字段包括指示用户数据发送所使用信道带宽的BW子字段、指示用户是否使用空时分组编码的STBC子字段和指示用户空时数据流数的NSTS子字段；

所述交织信息解析模块解析交织相关的子字段包括BW子字段、STBC子字段和NSTS子字段，并根据STBC子字段和NSTS子字段计算出空间数据流数，计算公式为：

$N_{\mathrm{SS}}=\frac{N_{\mathrm{STS}}}{2^{\mathrm{STBC}}}$

其中N_SS为用户的空间数据流数，N_STS为用户的空时流数，STBC取值为0或1，0表示用户不使用空时分组编码，1表示用户使用空时分组编码。