CN104184550A - 一种自适应三维度信息的符号交织和解交织方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应于带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织方法及装置，所述方法为：发送端根据不同带宽、空间数据流数和调制方式计算最优交织深度对发送数据进行符号交织。同时，接收端通过解析物理层帧中的信令字段来获取对应的三个参数信息，利用相同的计算方法得到交织深度，对接收数据进行符号解交织。为了提高系统的处理速度，也可采用查询预先存储的三维交织深度对照表的方式替代实时计算方式得到最优交织深度。本发明还提供了采用上述方法的自适应交织和解交织装置，在不提高系统复杂度的情况下充分利用带宽、空间数据流数和调制方式信息自适应地进行交织和解交织，可以明显改善系统性能。

Description

一种自适应三维度信息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三维度信息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

在通信系统中，由于噪声、信道衰落等原因，信号在传输过程中会产生错误。利用信道编码对信号进行相应的处理，可使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力。然而在多径衰落及快变信道条件下，比特差错经常成串发生，针对这种情况，仅能检测单个差错和不太长的差错串的信道编码总是表现得心有余而力不足。为了克服这一困难，人们经常将信道编码和交织技术结合起来，即对已编码的信号按一定规则重新排列，从而长串错误离散化，同时利用前向纠错码来纠正离散性错误，提高整个通信系统的可靠性。

IEEE 802.11n结合多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术，使无线传输质量和传输速率得到了极大地提高。在IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac标准中均采用了交织技术来提高信道的抗突发错误能力。但在同一带宽、不同空间数据流数和调制方式下，采用同一交织深度的基于带宽的交织方法未能充分发挥交织方提升性能增益的能力，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不同；2)不同的空间数据流数和不同的调制阶数下，一个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够离散到尽可能多的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和调制阶数的增加而增加。同时，跨码字交织可进一步增加抗突发错误的能力。

本发明提出了一种自适应三维度信息的符号交织和解交织方法及装置，充分利用发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息，在不增加信令开销及复杂度的前提下最大限度地发挥交织离散突发错误的作用，进一步改善系统性能。

发明内容

发明目的：为了离散并纠正突发性差错，改善移动通信的传输特性，本发明在发送端和接收端中利用物理层帧信令字段的带宽、空间数据流数和调制方式的信息计算交织深度，以实现自适应地符号交织和解交织。本发明设计的自适应交织方法充分利用原有信令字段中的上述三个信息，最大限度地发挥交织离散突发错误的作用。不但解决了传统的符号交织不能按照带宽、空间数据流数和调制方式自适应地进行交织处理，也解决了交织深度需要通过大量统计和仿真来获取的难题，可以较大限度的提高系统性能。

技术方案：一种自适应于带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织的方法，包括如下步骤：

步骤1：发送端根据发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息计算交织深度，其计算公式为：

   (公式1)

公式1中argmin{·}表示使得括号内取值最小的a_t的值，即交织深度N_SD为用户发送数据所采用带宽对应的每个OFDM符号所包含的星座调制符号数，N_BPSCS为用户发送数据所采用调制方式对应的每个空间流每个星座调制符号的比特数，N_SS为空间数据流数，L_CW为信道编码码字长度，N_SDN_BPSCS表示每个空间流每个OFDM符号的编码比特数，表示每个OFDM符号包含的码字数，|·|表示取绝对值，s.t表示满足，表示向上取整，M为N_SD的所有因子构成的集合；

步骤2：在交织模块，发送端根据步骤1中得到的交织深度，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为交织深度，N_SD为用户发送数据所采用带宽对应的每个OFDM符号所包含的星座调制符号数；

步骤3：根据媒体访问控制层(Medium Access Control，MAC)传递来的信息(包括带宽、空间数据流数、调制方式等信息)，发送端物理层帧的信令(SIG)字段中配置与交织相关的子字段，按照相应的发送端基带处理模块进行配置，主要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(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)、用于指示用户空时数据流数的空时数据流数(NSTS)子字段和用于指示用户所采用的调制方式的MCS子字段四个字段；

步骤4：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子字段和MCS子字段四个字段，来获得发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式，其中空间数据流数的计算公式为：

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

公式2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目；

步骤5：接收端根据步骤4中获得发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息，按照公式1计算交织深度。

步骤6：在解交织模块，接收端利用步骤5中得到的交织深度，对接收到的数据以用户发送数据所采用带宽对应的每个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。

进一步的，发送端和接收端可以存储基于带宽、空间数据流数和调制方式的三维交织深度对照表，上述步骤1和步骤5中可通过查找三维交织深度对照表来省去按照公式1计算交织深度的步骤，从而加快系统处理速度，提高系统性能。

一种采用上述方法的自适应带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织的装置，发送端包括发送端交织深度计算模块、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、接收端交织深度计算模块以及符号解交织器；

所述发送端交织深度计算模块用于根据带宽、空间数据流数和调制方式按照公式1计算或者通过查找三维交织深度对照表获得对应的交织深度，所述符号交织器用于根据交织深度计算模块得出的交织深度以用户发送数据所采用带宽对应的每个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；

所述交织信息配置模块用于将发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息配置在物理层帧的SIG字段中；

所述交织信息解析模块用于从物理层帧的SIG字段中解析出发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息；

所述接收端交织深度计算模块用于根据从交织信息解析模块获得发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式按照公式1计算或者通过查找三维交织深度对照表获得对应的交织深度，所述符号解交织器用于根据接收端交织深度计算模块得出的交织深度对接收到的数据以用户发送数据所采用带宽对应的每个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。

有益效果：本发明提供的自适应于带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织方法及装置，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和调制方式进行对应交织深度选择的问题，最大限度地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很强的自适应性。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，本发明提出的自适应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。

附图说明

图1为本发明实施例1的实现流程图；

图2为本发明实施例1中发送端的符号交织模块流程图；

图3为本发明实施例1中的物理层帧的SIG字段相关子字段；

图4为本发明实施例1中接收端的符号解交织模块流程图；

图5为本发明实施例2中基于带宽、空间数据流数和调制方式的三维交织深度对照表；

图6为本发明实施例1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，仿真场景为：1080MHz带宽，一个空间数据流，64QAM(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制。

具体实施方式

下面以毫米波无线局域网(IEEE 802.11aj)为例，结合附图对本发明自适应于带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息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，其对应的每个OFDM符号所包含的星座调制符号数为168和336，最大空间数据流数为8，为了仿真对比，本实施例定义了SIG字段支持的可配置空间数据流数有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，自适应于带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织深度参数分别见表3和表4。支持不同空间数据流数和不同调制方式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联合利用带宽、空间数据流数和调制方式的符号交织深度(540MHz)

表4联合利用带宽、空间数据流数和调制方式的符号交织深度(1080MHz)

注：对于空间数据流数较小和低阶调制的组合时，每OFDM符号的编码比特数不超过一个码字个数，所以交织深度统一设定为1。

实施例1：

如图1所示，以1080MHz带宽，64QAM调制，一个空间流为例，一种自适应于带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织方法，包括以下步骤：

(1)发送端基于发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式计算交织深度，其计算公式为：

(公式1)

其中argmin{·}表示使得括号内取值最小的a_t的值，即N_SD为用户发送数据所采用带宽对应的每个OFDM符号所包含的星座调制符号数，N_BPSCS为用户发送数据所采用调制方式对应的每个空间流每个星座调制符号比特数，N_SS为空间数据流数，L_CW为信道编码码字长度，表示用户发送数据所采用带宽对应的每个OFDM符号包含的码子个数，|·|表示取绝对值，s.t表示优化问题需要满足的约束条件，表示向上取整，M为N_SD的所有因子集合。本例中N_SD＝336，N_BPSCS＝6，N_SS＝1，L_CW＝672，M＝{1,2,3,4,6,7,8,12,14,21,24,28,42,56,84,112,168}，得到交织深度为3。

(2)在交织模块，发送端利用交织深度3对发送数据以用户发送数据所采用带宽对应的每个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(3行112列)矩阵，再按列读出完成交织处理。相应的符号交织模块流程如图2所示。

(3)根据媒体访问控制层(Medium Access Control，MAC)传递来的信息(包括带宽、空间数据流数、调制方式等信息)，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0、1、2、3，分别表示一个、两个、四个、八个空时流，MCS子字段(其取值为0、1、2、3，分别表示调制方式为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，码率为1/2)，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、用户数据所使用的调制方式配置MCS子字段，相关子字段如图3所示。本例中BW＝1，STBC＝0，NSTS＝0，MCS＝3。

(4)接收端通过接收并解析SIG字段的BW子字段、STBC子字段、NSTS子字段和MCS子字段，来获得对应带宽、空间数据流数和调制方式信息，其中空间数据流数的计算公式为：

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

N_SS为用户的空间数据流数，N_STS为用户的空时数据流数目公式2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1，MCS＝3得出调制方式为64QAM；

(5)接收端通过根据步骤(4)中获得的带宽、空间数据流数和调制方式，按照公式1计算交织深度。本例中交织深度计算得到为3。

(6)在解交织模块，接收端用计算得到的交织深度3进行解交织，即对接收到的数据以用户发送数据所采用带宽对应的每个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(3行112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，相应的符号解交织模块流程如图4所示。

一种自适应于带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织的装置，发送端包括发送端交织深度计算模块、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、接收端交织深度计算模块以及符号解交织器；

发送端交织深度计算模块用于根据带宽、空间数据流数和调制方式按照公式1计算得出对应的交织深度，符号交织器用于根据交织深度计算模块得出的交织深度以用户发送数据所采用带宽对应的每个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；

交织信息配置模块用于将带宽、空间数据流数和调制方式的信息配置在物理层帧的SIG字段中，配置的字段包括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0、1、2、3，分别表示一个、两个、四个、八个空时流，MCS子字段(其取值为0、1、2、3，分别表示调制方式为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，码率为1/2)；

交织信息解析模块用于从物理层帧的SIG字段中解析出带宽、空间数据流数和调制方式的信息，解析的字段包括BW子字段、STBC子字段、NSTS子字段和MCS子字段，空间数据流数根据公式2计算得出；

接收端交织深度计算模块用于根据从交织信息解析模块获得的带宽、空间数据流数和调制方式按照公式1计算得出对应的交织深度，符号解交织器根据接收端交织深度计算模块得出的交织深度对接收到的数据以用户发送数据所采用带宽对应的每个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。

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。本发明实施例以1080MHz带宽下一个空间流、64QAM调制为例，对本发明的性能进行了对比说明，具体见图6。可以看出，本发明提供的交织方法，明显优于传统的交织方法。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于：实施例1中自适应带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织方法的步骤(1)和步骤(5)中获取交织深度的方式不同，自适应带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织的装置的发送端交织深度计算模块和接收端交织深度计算模块获取交织深度的方式不同，其他部分与实施例1相同。

实施例2的自适应带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织方法中，发送端根据发送带宽、空间数据流数和调制方式通过查找如图5所示的基于带宽、空间数据流数和调制方式的三维交织深度对照表得到交织深度，三维交织深度对照表的值预先根据公式1计算得出，存储在发送端和接收端，通过查表得出交织深度省去了交织深度的计算，加快了系统的处理速度。同样接收端也根据解析SIG字段中得到的带宽、空间数据流数和调制方式，通过查找三维交织深度对照表得到交织深度。

实施例2的自适应带宽、空间数据流数和调制方式三维度信息的符号交织和解交织的装置中，发送端和接收端分别存储如图5所示的基于带宽、空间数据流数和调制方式的三维交织深度对照表，发送端交织深度计算模块用于根据带宽、空间数据流数和调制方式查找三维交织深度对照表获得对应的交织深度。接收端交织深度计算模块用于根据从交织信息解析模块获得的带宽、空间数据流数和调制方式查找三维交织深度对照表获得对应的交织深度。

实施例2在达到与实施例1相同的误包率性能的基础上，进一步提高了系统的处理速度。

Claims (6)

1.一种自适应三维度信息的符号交织和解交织方法，其中三维度信息为带宽、空间数据流数和调制方式信息，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 

(1)发送端根据发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息计算得出交织深度或通过查三维交织深度对照表得到交织深度； 

(2)发送端利用步骤(1)得到的交织深度，对发送数据进行符号交织处理； 

(3)发送端将带宽、空间数据流数和调制方式的信息配置写入物理层帧的信令字段的相应字段； 

(4)接收端从物理层帧的信令字段中解析出带宽、空间数据流数和调制方式的信息； 

(5)接收端根据步骤(4)中获得的带宽、空间数据流数和调制方式的信息，采用与步骤(1)中相同的计算方法得出交织深度或通过查三维交织深度对照表得到交织深度； 

(6)接收端利用步骤(5)得到的交织深度，对接收数据进行符号解交织处理。 

2.根据权利要求1所述的自适应三维度信息的符号交织和解交织方法，其特征在于，所述步骤(1)中发送端根据发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息计算得出交织深度的计算公式为： 

   (公式1) 

公式1中argmin{·}表示使得括号内取值最小的a_t的值，即交织深度N_SD为用户发送数据所采用带宽对应的每个OFDM符号所包含的星座调制符号数，N_BPSCS为用户发送数据所采用调制方式对应的每个空间流每个星座调制符号的比特数，N_SS为空间数据流数，L_CW为信道编码码字长度，|·|表示取绝对值，s.t表示满足，表示向上取整，M为N_SD的所有因子构成的集合。 

3.根据权利要求1所述的自适应三维度信息的符号交织和解交织方法，其特征在于， 

所述步骤(2)中对发送数据进行符号交织处理的方法为： 

对发送数据以用户发送数据所采用带宽对应的每个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，然后按列读出数据完成交织处理，其中D_TM为交织深度，N_SD为用户发送数据所采用带宽对应的每个OFDM符号所包含的星座调制符号数； 

所述步骤(6)中对接收数据进行符号解交织处理的方法为： 

对接收到的数据以用户发送数据所采用带宽对应的每个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。 

4.根据权利要求1所述的自适应三维度信息的符号交织和解交织方法，其特征在于，所述步骤(3)中的物理层帧的信令字段中配置的字段包括：指示用户发送数据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、指示用户空时数据流数的空时数据流数NSTS子字段和指示用户所采用的调制方式的MCS子字段； 

所述步骤(4)中从物理层帧的信令字段中解析的字段包括BW子字段、STBC子字段、NSTS子字段和MCS子字段，获得对应的带宽、空间数据流数和调制方式，其中空间数据流数的计算公式为： 

   (公式2) 

公式2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。 

5.根据权利要求1所述的自适应三维度信息的符号交织和解交织方法，其特征在于，所述步骤(1)中的三维交织深度对照表包括发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式三个维度，带宽包括540MHz的带宽和1080MHz的带宽，空间数据流数包括1-8个空间流数，调制方式包括BPSK、 QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。 

6.一种采用如权利要求1-5所述的任一项自适应三维度信息的符号交织和解交织方法的自适应三维度信息的符号交织和解交织装置，发送端包括发送端交织深度计算模块、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、接收端交织深度计算模块以及符号解交织器； 

所述发送端交织深度计算模块用于根据发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式计算或者通过查找三维交织深度对照表获得对应的交织深度，并将交织深度传入符号交织器，符号交织器用于根据交织深度对用户数据进行符号交织处理； 

所述交织信息配置模块用于将发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息配置在物理层帧的信令字段中； 

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发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式的信息； 

所述接收端交织深度计算模块用于根据从交织信息解析模块获得发送数据所采用的带宽、空间数据流数和调制方式计算或者通过查找三维交织深度对照表获得对应的交织深度，并将交织深度传入符号解交织器，符号解交织器根据交织深度对接收数据进行符号解交织处理。