CN104168084B

CN104168084B - 自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法及装置

Info

Publication number: CN104168084B
Application number: CN201410351311.2A
Authority: CN
Inventors: 何世文; 王海明; 黄永明; 李长庚; 闫文; 张军
Original assignee: In Jiangsu Emerging Micro-Communication Ceases Science And Technology Ltd
Current assignee: Nanjing etaco Communication Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2017-11-28
Anticipated expiration: 2034-07-22
Also published as: CN104168084A

Abstract

本发明公开了一种自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法及装置，属于无线通信技术领域。所述方法为：发射机针对不同信道带宽和不同调制编码方案之间的组合值，采用不同最优交织深度对发送数据进行符号交织处理；接收机通过获取物理层信令字段的带宽和调制编码方案信息并选取最优交织深度对接收的数据进行解交织处理，恢复交织前的数据。本发明还提供了一种采用上述方法的交织和解交织装置，实现自适应于调制编码方案的符号交织和解交织功能。与现有技术相比，本发明在没有引入额外的信令通信业务量的条件下可明显地改善无线通信系统的误包率性能。

Description

自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法及装置

技术领域

本发明涉及一种自适应于调制编码方案的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接收数据流进行解交织处理，即离散化突发错误块，进而充分发挥前向纠错译码纠正离散性错误的能力，实现提升通信系统性能的目的。

无线局域网标准IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac均采用多输入多输出(MultipleInput Multiple Output，MIMO)技术进一步提升无线局域网的传输速率，即实现空间复用。虽然这两个标准采用针对不同带宽使用不同的交织深度进行符号交织与解交织来实现提升抗突发错误能力，但是同一带宽内的所有调制编码方案均使用相同的交织深度。

通常，对不同的调制编码方案采用同一交织深度并不能实现最优的无线通信系统性能，其主要原因包括：1)不同的调制编码方案，其信道衰落状况及突发错误情形不同；2)不同的调制编码方案，一个正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)符号所包含的低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)的码字数目也不同；3)LDPC码对不同的编码码率具有不同的纠错能力。一方面，相比于低阶调制，高阶调制下的一个OFDM符号所包括LDPC码字数比较多，基于此发现，基于带宽的最优交织深度方法为了把突发性错误尽可能地离散到最多的LDPC码字上，其主要考虑高阶调制的无线通信系统性能，造成低阶调制的无线通信系统性能损失。另一方面，不同码率的LDPC具有不同的纠错能力以及交织方法也需要不同的最优交织深度，这样，基于带宽的交织方法无法最大限度的发挥LDPC码的纠错能力。另外，现有无线局域网通信系统的信令字段均包含调制编码方案及带宽信息。基于上述发现，本发明提出了一种自适应于调制编码方案的符号交织方法和装置以及相应的解交织方法和装置。本发明在充分利用现有信令字段所提供的基本信令信息(即不增加任何额外信令通信业务)条件下发明一种进一步提升无线通信系统性能的符号交织方法和装置。

发明内容

发明目的：本发明旨在利用无线通信系统的物理层信令(SIG)字段的基本信息及不增加额外通信业务信息的前提下，发送端和接收端分别设计自适应于不同带宽和调制编码方案的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存在的以下问题：现有符号交织实现装置对于每一种带宽下的所有调制编码方案均采用相同的交织深度，然而，这种交织方法不能最大限度地实现所有调制编码方案的最优性能。本发明还提供了实现自适应于调制编码方案的交织和解交织装置。

技术方案：本发明提供了一种自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法，发送端针对不同带宽和不同调制编码方案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；接收端获取到与发送端相同的最优交织深度对接收到的数据进行解交织处理，方法具体包括以下步骤：

步骤1：在符号交织模块，根据带宽和调制编码方案，发送端从不同带宽和不同调制编码方案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，对发送数据以每个OFDM符号所包含的星座调制符号为交织基本数据块，将交织基本数据块按行写入方式排成一个D_TM行列矩阵，再按列读出完成交织处理，其中D_TM表示最优交织深度，N_SD表示每个OFDM符号所包含的星座调制符号数；

步骤2：根据媒体访问控制层(Medium Access Control，MAC)传递来的信息(包括带宽、调制编码方案等信息)，发送端在物理层帧的SIG字段中配置与交织相关的子字段，主要包括用于数据发送的信道带宽的带宽(BW)子字段、调制编码方案(MCS)子字段(IEEE802.11 ac协议包括单用户发送及多用户发送，因此协议的信令配置包含单用户MCS配置和多用户MCS配置)。单用户发送时，将指示BW和SU MCS的子字段写入用户的SIG-A字段；多用户发送时，将指示各用户MCS的MU MCS写入各用户的SIG-B字段；

步骤3：接收端通过接收并解析SIG字段(即：BW子字段、MCS子字段)来获得相应的带宽和调制编码方案信息。在IEEE 802.11ac协议中，从SIG-A字段的BW子字段获取用户的带宽信息，单用户发送时，从SIG-A字段的SUMCS子字段获取用户的调制编码方案信息；多用户发送时，从SIG-B字段的MU MCS子字段获取各用户的调制编码方案信息；

步骤4：在解交织模块，根据解析SIG字段得到的带宽和调制编码方案，接收端从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的交织深度对照表中读取相对应的最优交织深度，对接收到的数据以每个OFDM符号所包含的星座调制符号为交织基本数据块，将交织基本数据块按列写入方式排成一个D_TM行列矩阵，再按行读出完成解交织处理，恢复出用户交织前的数据。

本发明还提供了一种采用以上方法的自适应于调制编码方案的符号交织及解交织装置，发送端包括用于对用户数据进行符号交织处理的符号交织器，以及用于将包括带宽和调制编码方案的信息配置到物理层帧信息字段(带宽为BW子字段，调制编码方案为MCS子字段)的物理层帧配置模块；接收端包括用于对接收到的数据进行符号解交织处理的符号解交织器，以及用于从物理层帧信息字段中解析出包括带宽和调制编码方案的信息的物理层帧解析模块；发送端还包括发送端交织深度选择模块，接收端还包括接收端交织深度选择模块。

所述发送端交织深度选择模块用于根据带宽和调制编码方案从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的交织深度对照表中获取对应的最优交织深度，并将最优交织深度传入符号交织器，符号交织器根据最优交织深度对用户数据进行符号交织处理；

所述接收端交织深度选择模块用于根据物理层帧解析模块解析得到的带宽和调制编码方案从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的交织深度对照表中获取对应的最优交织深度，并将最优交织深度传入符号解交织器，符号解交织器根据最优交织深度对接收到的数据进行符号解交织处理。

有益效果：本发明提供的自适应于调制编码方案的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调制编码方案的最优交织深度进行交织的问题，最大限度的发挥了交织所带来的性能增益。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。本发明所有的信息均是利用现有SIG字段所能提供的信息，不会增加额外的系统传输开销。仿真结果表明，相比于传统的方法，本发明所发明的符号交织和解交织方法及装置能够明显改善通信系统的性能，特别是在调制编码方案较少的情况下，其带来的误包率性能增益比传统方法可以高1dB。

附图说明

图1为自适应于调制编码方案的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为本发明实施例中采用的符号交织方法同基于带宽的符号交织方法的性能对比图，1080MHz带宽，两个空间流，16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制，码率为1/2；

图6为本发明实施例中采用的符号交织方法同基于带宽的符号交织方法的性能对比图，1080MHz带宽，两个空间流，64QAM调制，码率为1/2；

图7为本发明不同带宽和不同调制编码方案组合值的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(IEEE 802.11aj)单用户情形，1080MHz带宽下16QAM调制，1/2码率为例，结合附图对本发明自适应于调制编码方案的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，IEEE 802.11aj支持两种带宽540MHz和1080MHz，调制编码方案见表1，最高调制方式为256QAM，仿真中考察的码率为1/2，其他调制编码方案的实现可以参考本实施例的仿真例子，其它参数见表2。

表1 调制编码方案(MCS)

表2 仿真参数设置

基于带宽的传统交织方法的交织参数见表3，本发明实施例中采用的不同带宽和不同调制编码方案对应的不同的最优交织深度的参数表见表4。

表3 基于带宽的最优符号交织深度

带宽	540MHz	1080MHz
			交织深度	12	24

表4 自适应于调制编码方案的符号交织方法的最优交织深度

参数	BPSK	QPSK	16QAM	64QAM	256QAM
						540MHz	2	4	6	8	12
1080MHz	4	6	12	14	21

表4中的不同带宽和不同调制编码方案对应的不同的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：设置所有空间数据流数集合M＝{1,2,…,m}，其中m为空间数据流数的种类个数，计算交织深度可选的参数集合Α＝{a₁,…,a_k}，其中a_i为每个OFDM符号所包含的星座调制符号数N_SD的因数，并且满足N_CBPS表示每个OFDM符号编码比特数，表示最大空间数据流数，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为每个OFDM符号编码比特数，N_SD为每个OFDM符号所包含的星座调制符号数，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：

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计算出所有空间数据流数对应的集合，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，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；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，调制方式为16QAM，码率为1/2，帧长为4096字节为例，计算最优交织深度的过程如下：

步骤S1：设置所有空间数据流数N_SS集合M＝{1,2,3，4}，分别表示一个、两个、三个、四个空间数据流。每个OFDM符号所包含的星座调制符号数N_SD所有因数中满足不小于且小于N_SD＝336的因数组成交织深度可选的参数集合A＝{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N_SS＝2，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＝12加入B₁。集合A元素个数K＝13，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：因为所以D_TM＝14被选入较优的交织深度参数集合B₁，同理，D_TM＝8,16,21,24,28,42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、16QAM调制和帧长为4096字节时的较优的交织深度参数集合B₂＝{12,14,8,16,21,24,28,42}。

对N_SS＝1,按照如上步骤可计算得B₁＝{14,24,12,8,16,21,28,42}；对N_SS＝3，按照如上步骤可计算得B₃＝{12,14,8,16,21,24,28}；对N_SS＝4，按照如上步骤可计算得B₄＝{12,14,24,8,16,21,28,42}。

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

步骤S3：获得最优的D_TM：如步骤S2所得，1080MHz带宽，16QAM调制，码率为1/2，帧长为4096字节下的集合C＝{8,12,14,16,21,24,28}，集合C元素个数大于1，则令p_min＝0，p_max＝0.232，在区间[0,0.232]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＝12为1080MHz带宽，16QAM调制，码率为1/2，帧长为4096字节下的最优符号交织深度。

针对毫米波无线局域网(IEEE 802.11aj)中540MHz带宽和1080MHz带宽下不同的调制编码方案，可以采用相同的如上方法得到不同带宽和不同调制编码方案的组合值所对应的最优交织深度，具体如表4。

如图1所示，本发明实施例公开了一种自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法，包括以下步骤：

步骤1：在符号交织模块，根据带宽和调制编码方案，发送端从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的交织深度对照表中读出对应的最优交织深度，对发送数据以每个OFDM符号所包含的星座调制符号为交织基本数据块，将交织基本数据块按行写入方式排成一个D_TM行列矩阵，再按列读出完成交织处理。发送机符号交织模块如图2所示，本例中带宽为1080MHz，调制方式为16QAM，码率为1/2，通过查询表4，得到采用的交织深度为12；

步骤2：发送端在物理层帧的SIG字段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)，MCS子字段(对单用户，SU MCS取值为0到7，如表1中MCS索引所示；对多用户，MU MCS中每个用户的MCS取值为0到7，如表1中MCS索引所示)，如图3所示，用数据发送所使用的信道带宽配置BW子字段，单用户时用该用户的MCS配置SU MCS子字段，多用户时分别用每个用户的MCS配置MU MCS子字段相应该用户的部分。本例中为单用户，BW＝1，SUMCS＝3；

步骤3：接收端通过接收并解析SIG字段的BW子字段、MCS子字段，来获得对应带宽和调制编码方案信息，其中对于单用户情形从SIG-A字段的SUMCS字段获取信息，对于多用户情形，则从SIG-B字段的MU MCS字段获取信息，本实施例中MCS索引说明具体见表1，本例中由BW＝1得带宽为1080MHz，SU MCS＝3知为单用户，调制方式为16QAM，码率为1/2；

步骤4：在解交织模块，接收端根据解析SIG字段得到的带宽和调制编码方案从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的交织深度对照表中读出对应的最优交织深度，对接收到的数据以每个OFDM符号所包含的星座调制符号为交织基本数据块，将交织基本数据块按列写入方式排成一个D_TM行列矩阵，再按行读出完成解交织处理，恢复出用户交织前的数据，符号解交织模块如图4所示。本例中通过查询表4，得到1080MHz带宽，16QAM调制，1/2码率时的交织深度为12，并以12为交织深度进行解交织，恢复出用户交织前的数据。

对于多用户的情形，如上步骤中只需将发射机MCS子字段配置分别用每个用户的MCS配置MU MCS子字段相应该用户的部分，接收机解析SIG字段的MCS子字段获取每个用户的MCS信息，针对每个用户的数据按照每个用户从不同带宽和不同调制编码方案组合值的交织深度对照表中读出相应的最优交织深度进行交织和解交织处理。

本发明实施例还公开了一种自适应于调制编码方案的符号交织和解交织装置，发送端包括用于对用户数据进行符号交织处理的符号交织器，用于将包括带宽和调制编码方案的信息配置到物理层帧信息字段的物理层帧配置模块，以及用于获取最优交织深度的发送端交织深度选择模块。

接收端包括用于对接收到的数据进行符号解交织处理的符号解交织器，用于从物理层帧信息字段中解析出包括带宽和调制编码方案的信息的物理层帧解析模块，以及用于获取最优交织深度的接收端交织深度选择模块。

物理层帧配置模块配置的字段包括BW子字段和MCS子字段，用数据发送所使用的信道带宽配置BW子字段，单用户时用该用户的MCS配置SU MCS子字段，多用户时分别用每个用户的MCS配置MU MCS子字段相应该用户的部分。

物理层帧解析模块解析SIG字段的BW子字段、MCS子字段，来获得对应带宽和调制编码方案信息，其中对于单用户情形从SIG-A字段的SU MCS字段获取信息，对于多用户情形，则从SIG-B字段的MU MCS字段获取信息。

发送端交织深度选择模块用于根据带宽和调制编码方案从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的交织深度对照表中获取对应的最优交织深度，并将最优交织深度传入符号交织器，符号交织器根据最优交织深度对用户数据进行按行写入再按列读出完成符号交织处理；

接收端交织深度选择模块用于根据物理层帧解析模块解析得到的带宽和调制编码方案从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的交织深度对照表中获取对应的最优交织深度，并将最优交织深度传入符号解交织器，符号解交织器根据最优交织深度对接收到的数据进行按列写入再按行读出完成符号解交织处理。

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3，表4为自适应于调制编码方案的交织方法的交织参数。本发明实施例以两个空间流下16QAM调制1/2码率和64QAM调制1/2码率的两种场景为例，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，在低阶调制的情况下，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调制阶数的增加而减少，并逐渐趋向于传统的交织方法。

Claims

1.一种自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法，其特征在于，发送端针对不同带宽和不同调制编码方案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；接收端获取到与发送端相同的最优交织深度对接收到的数据进行解交织处理，所述方法的具体步骤为：

1)发送端根据带宽和调制编码方案从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的最优交织深度对照表中读取最优交织深度，采用最优交织深度对发送的数据进行符号交织处理；

2)发送端将带宽和调制编码方案的信息配置在物理层帧的信令字段中；

3)接收端从物理层帧的信令字段中解析出带宽和调制编码方案的信息；

4)接收端根据步骤3)中得到的带宽和调制编码方案从不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的最优交织深度对照表中读取最优交织深度，采用最优交织深度对接收到的数据进行解交织处理。

2.如权利要求1所述的自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法，其特征在于，所述不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的最优交织深度对照表中的不同带宽包括540MHz的带宽和1080MHz的带宽，不同调制编码方案包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。

3.如权利要求2所述的自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法，其特征在于，所述不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的最优交织深度对照表的内容包括：带宽为540MHz时，调制编码方案为BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，码率为1/2对应的最优交织深度分别为2、4、6、8和12；带宽为1080MHz时，调制编码方案为BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，码率为1/2对应的最优交织深度分别为4、6、12、14和21。

4.如权利要求1所述的自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法，其特征在于，

所述采用最优交织深度对发送的数据进行符号交织处理的方法为：以每个OFDM符号所包含的星座调制符号为交织基本数据块，将交织基本数据块按行写入方式排成一个D_TM行列矩阵，再按列读出完成交织处理，其中D_TM表示最优交织深度，N_SD表示每个OFDM符号所包含的星座调制符号数；

所述采用最优交织深度对接收到的数据进行解交织处理的方法为：以每个OFDM符号所包含的星座调制符号为交织基本数据块，将交织基本数据块按列写入方式排成一个D_TM行列矩阵，再按行读出完成解交织处理。

5.一种采用如权利要求1所述的自适应于调制编码方案的符号交织和解交织方法的自适应于调制编码方案的符号交织和解交织装置，发送端包括用于对用户数据进行符号交织处理的符号交织器；以及用于将包括带宽和调制编码方案的信息配置到物理层帧信息字段的物理层帧配置模块，接收端包括用于对接收到的数据进行符号解交织处理的符号解交织器；以及用于从物理层帧信息字段中解析出包括带宽和调制编码方案的信息的物理层帧解析模块；其特征在于：发送端还包括发送端交织深度选择模块，接收端还包括接收端交织深度选择模块；

6.如权利要求5所述的自适应于调制编码方案的符号交织和解交织装置，其特征在于，所述发送端交织深度选择模块和接收端交织深度选择模块的不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的最优交织深度对照表中的不同带宽包括540MHz的带宽和1080MHz的带宽，不同调制编码方案包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。

7.如权利要求6所述的自适应于调制编码方案的符号交织和解交织装置，其特征在于，所述发送端交织深度选择模块和接收端交织深度选择模块的不同带宽和不同调制编码方案的组合值所生成的最优交织深度对照表的内容包括：带宽为540MHz时，调制编码方案为BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，码率为1/2对应的最优交织深度分别为2、4、6、8和12；带宽为1080MHz时，调制编码方案为BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，码率为1/2对应的最优交织深度分别为4、6、12、14和21。