CN104301069B - 基于同余类交织映射序列的交织和解交织方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同余类交织映射序列的交织和解交织方法，发送端生成与通信系统基本交织单元长度相等的同余类交织映射序列，交织器根据交织映射序列对基本交织单元进行交织操作；在接收端，解交织器对接收到的数据按基本交织单元根据与发送端相同的交织映射序列进行解交织操作，恢复出用户数据。本发明还提供了采用上述方法的基于同余类交织映射序列的交织和解交织装置，与现有技术相比，本发明将交织对数据的离散程度与突发错误的发生概率相结合，使得相距越近的数据交织后离散得越远，可以明显改善系统性能。

Description

基于同余类交织映射序列的交织和解交织方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于同余类交织映射序列的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。但是，信道编码无法纠正多径衰落及快变信道条件下引起的连续长串的错误比特。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，从而将长串的错误比特离散化，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的提高。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。它们采用的交织技术都是在发送端采用按行写入，按列读出的方式对发送数据进行离散，再在接收端对接收到的数据采用按列写入，按行读出的方式恢复出发送数据。通过如上传统的交织方法，可以将相邻的数据离散到相隔距离为交织深度的位置，但这种交织方法没有考虑到突发数据错误的发生概率随着突发长度的增加而降低，即相隔距离越近的数据，产生使两个数据都发生错误的突发错误的概率越大，应通过交织使这两个数据离散到越远的位置。本发明提出了同余类交织映射序列设计方法，将交织对数据的离散程度与突发错误的发生概率相结合，使得相距越近的数据交织后离散得越远，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，本发明结合通信系统中基本交织单元的数据长度，设计出符合通信系统的交织映射序列，基于同余类交织映射序列对发送数据进行交织，使得相距越近的数据交织后离散得越远，尽可能地离散化相邻数据，可以较大限度的提高系统性能。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于同余类交织映射序列的交织方法，包括如下步骤：

步骤1：以通信系统进行交织处理时的数据单元块为基本交织单元，发送端根据基本交织单元的长度n＝2^M，产生长度为n的同余类交织映射序列S_n；

步骤2：发送端对基本交织单元进行交织操作，具体为对输入序列的索引序号m＝0,1，…,n-1按交织映射序列S_n映射到输出序列的S_n(m)位置得到输出序列，或者，将输入序列与交织映射序列S_n对应的交织映射矩阵P相乘得到输出序列，其中，P的(S_n(m),m)位元素为1，P的第S_n(m)行其他元素为0，第m列其他元素为0。

步骤1中产生长度为n的同余类交织映射序列S_n的具体步骤为：

(A1)设定需要产生序列的长度n＝2^M和迭代的起始序列S₁＝[0]；

(A2)按照(公式1)迭代M次得到同余类交织映射序列S_n：

(公式1)中表示交织映射序列生成过程中第i次迭代产生的长度为2ⁱ的序列。按照该公式产生的交织映射序列可以很好的匹配基本交织单元长度为2的整数次幂的通信系统，对于基本交织单元长度不是2的整数次幂的情况，可以通过补零使长度为2的整数次幂。同时，容易发现(公式1)生成的交织映射序列S_n的前半部分由偶数组成，后半部分由奇数组成。

步骤1中产生长度为n的同余类交织映射序列S_n的另外一种方法具体步骤为：

(B1)设定需要产生序列的长度n＝2^M；

(B2)产生长度为n的序列seq_n＝[0,1，…，2^M-1]；

(B3)将序列seq_n按照(公式2)进行变换得到同余类交织映射序列S_n：

S_n＝bin2dec{bitrevorder[dec2bin(seq_n,M)]} (公式2)

(公式2)中dec2bin(·,M)表示将十进制表示转化为M位二进制表示，bitrevorder(·)表示对M位二进制序列按比特进行中心对称翻转操作，bin2dec(·)表示将二进制表示转化为十进制表示，即交织映射序列S_n可由0到2^M-1的顺序序列转化为M位二进制表示并按比特进行中心对称翻转后，再转换成十进制表示得到。

本发明交织方法步骤1中产生的交织映射序列S_n具有如下性质：

性质1：交织映射序列S_n对不大于n的2的整数次幂满足按同余类等分性质，表示如下式：

S_n(m)≡S_n(p)(mod2^k),j·2^M-k≤m,p≤(j+1)·2^M-k-1 (公式3)

其中j＝0,1,…,2^k-1，k＝0,1,…,M，m和p表示交织映射序列S_n索引序号，S_n索引序号取值范围为0到n-1。上式表示将交织映射序列S_n等分为2^k个块，每个块大小为2^M-k时，每个块的值对2^k同余，即这2^k个块正是交织映射序列S_n针对2^k的同余类划分。性质1采用数学归纳法证明如下：

(1)当M＝0时，n＝2⁰＝1，k＝0，S₁(0)≡S₁(0)mod(2⁰)，(公式3)显然满足。

(2)假设当M＝l(l≥1)时，n＝2^l，满足(公式3)。当M＝l+1时，n＝2^l+1，

当k＝0时，中所有元素分成2^k＝2⁰＝1块，易知对2^k＝2⁰＝1同余。

当k＝l+1时，中所有元素分成2^k＝2^l+1块，即一个元素一块，易知每块对2^k＝2^l+1同余。

下证对2^k(1≤k≤l)满足同余类等分性质。由的结构可以看出，当把等分成2^k块时，等价于把等分成2^k-1块。

由数学归纳法，对2^k-1(1≤k≤l)满足同余类等分性质，每个同余类块大小为2^{l +1-k}，即对于j·2^l+1-k≤m,p≤(j+1)·2^l+1-k-1,j＝0,1,…,2^k-1-1有

则有

所以的前半部分分成大小为2^l+1-k的块，各块对2^k(1≤k≤l+1)满足同余类等分性质，且对应余数互异地从集合{0,2，…，2^k-2}中取值。同理的后半部分分成大小为2^l+1-k的块，各块对2^k(1≤k≤l+1)也满足同余类等分性质，对应余数互异地从集合{1,3，…，2^k-1}中取值。所以对2^k(1≤k≤l+1)满足同余类等分性质，同余类对应余数恰好组成所有余数集合{0,1，…，2^k-1}。终上所述，对于2^k(0≤k≤l+1)满足同余类等分性质。

结合(1)和(2)，由数学归纳法，(公式3)得证。

性质2：按照(公式2)的交织映射序列生成方法与(公式1)表示的交织映射序列迭代生成方法等价，用数学归纳法证明如下：

(1)当M＝0时，n＝2⁰＝1，seq₁＝[0]，由(公式2)得到S₁‘＝[0]，与(公式1)生成的交织映射序列S₁相同。

(2)假设当M＝l(l≥1)时，按(公式2)由生成的交织映射序列和按(公式1)生成的交织映射序列相同。当M＝l+1时，按(公式2)由生成按(公式1)生成由于对于中前一半元素m∈[0,2^l-1]，不妨设dec2bin(m,l+1)＝a_la_l-1…a₀，由于m∈[0,2^l-1]，有a_l＝0，所以

而由假设所以同理对于中后一半元素p∈[2^l,2^l+1-1]，不妨设dec2bin(p,l+1)＝b_lb_l-1…b₀，由于p∈[2^l,2^l+1-1]，有b_l＝1，所以

由于dec2bin(p,l+1)＝1b_l-1b_l-2…b₀，所以dec2bin(p-2^l,l)＝b_l-1b_l-2…b₀，所以所以由假设所以

综上所述，

结合(1)和(2)，由数学归纳法可得证。

性质3：交织映射序列S_n对应的交织映射矩阵P称为同余类转换矩阵，且P^T＝P。证明如下：

由性质2，S_n(m)＝bin2dec{bitrevorder[dec2bin(m,M)]}，所以P的(S_n(m),m)位元素为1，且P的第S_n(m)行其他元素为0，第m列其他元素为0，为表述统一，这里认为P的行号和列号范围均是0到n-1。因为

bin2dec{bitrevorder[dec2bin(S_n(m),M)]}

＝bin2dec{bitrevorder[dec2bin(bin2dec{bitrevorder[dec2bin(m,M)]},M)]}

＝bin2dec{bitrevorder[{bitrevorder[dec2bin(m,M)]}]}

＝bin2dec{dec2bin(m,M)}

＝m

所以P的(m,S_n(m))位元素为1，且P的第m行的其他元素为0，第S_n(m)列的其他元素为0。由于m可从[0,n-1]中任意取值，所以P为对称方阵，即有P^T＝P。

基于上述交织映射序列S_n的性质3可知同余类转换矩阵P为对称阵，即交织映射序列的逆交织映射序列为自身，解交织操作方法与交织方法相同。

一种基于同余类交织映射序列的解交织方法，包括如下步骤：

步骤3：接收端根据基本交织单元的长度n＝2^M，产生长度为n的同余类交织映射序列S_n；序列S_n的产生方法与步骤1相同。

步骤4：接收端对基本交织单元进行解交织操作，具体为对输入序列的索引序号m＝0,1，…,n-1按交织映射序列S_n映射到输出序列的S_n(m)位置得到输出序列，或者，将输入序列与交织映射序列S_n对应的交织映射矩阵P相乘得到输出序列，其中，P的(S_n(m),m)位元素为1，P的第S_n(m)行的其他元素为0，第m列的其他元素为0。

一种采用上述交织方法的基于同余类交织映射序列的交织装置，包括：

交织映射序列生成器，用于产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现发送数据的交织操作。

一种采用上述解交织方法的基于同余类交织映射序列的解交织装置，包括：

交织映射序列生成器，用于产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

解交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现对接收数据的解交织操作。

一种基于同余类交织映射序列的交织和解交织的通信系统，包括发送端和接收端，发送端包括上述基于同余类交织映射序列的交织装置，接收端包括上述基于同余类交织映射序列的解交织装置。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于同余类交织映射序列的交织和解交织方法及装置，按设计出的交织映射序列进行交织操作，使得相距越近的数据交织后离散得越远，尽可能地离散化相邻数据，最大限度地发挥交织离散突发错误的作用。仿真结果表明，本发明提出的基于同余类交织映射序列的交织方法，明显优于传统的交织方法。

附图说明

图1为本发明交织和解交织方法的实现流程图；

图2为本发明实施例交织映射序列按同余类等分性质说明图；

图3为本发明实施例采用的交织方法与传统的交织方法的性能对比图，仿真场景为：540MHz带宽，四个空间数据流，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，结合附图对本发明基于同余类交织映射序列的交织和解交织方法及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，采用IEEE 802.11aj中的单载波数据发送，采用数据发送带宽为540MHz，其对应的基本交织单元包含的星座调制符号数为256，仿真采用的空间数据流数为4，其它参数见表1。支持不同带宽、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

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于同余类交织映射序列的交织方法和解交织方法，其中，交织方法包括如下步骤：

步骤1：以通信系统进行交织处理时的数据单元块为基本交织单元，本例中基本交织单元包含的星座调制符号数为256，当采用符号交织时n＝256。按照交织映射序列迭代公式产生长度为256的交织映射序列S₂₅₆，交织映射序列迭代公式如下：

(公式4)中表示交织映射序列生成过程中第i次迭代产生的长度为2ⁱ的序列，迭代的起始序列为S₁＝[0]。本例中产生的交织映射序列S₂₅₆如表2所示：

表2本发明实施例中数据交织和解交织采用的交织映射序列S₂₅₆

上表中，m表示交织后星座调制符号的输出序号，S(m)表示m对应的基本交织单元中星座调制符号的序号。从上表可以看出，输出序号0到127对应偶数序号的星座调制符号，而输出序号128到255对应奇数序号的星座调制符号，即交织后基本交织单元中前一半输出序号对应的星座调制符号序号都可被2整除，而后一半输出序号对应的星座调制符号序号都被2除余数为1。还可从表2中看出，输出序号0到63对应的星座调制符号序号都可被4整除，输出序号64到127对应的星座调制符号序号都被4除余2，输出序号128到191对应的星座调制符号序号都被4除余1，输出序号192到255对应的星座调制符号序号都被4除余3。实际上，交织操作即是对基本交织单元中的数据读取顺序进行改变，从而将相邻的星座调制符号离散化，再结合纠错编码来对抗突发性错误。本例中基于同余的交织映射序列，对基本交织单元中的数据读取时进行了分类，如表2所示，256个星座调制符号序号以2为模，余数为0的星座调制符号序号映射到了交织后基本交织单元的前一半，余数为1的星座调制符号序号映射到了交织后基本交织单元的后一半。不仅如此，对256个星座调制符号序号以4为模，基本交织单元等分为4块，且每个块对应的星座调制符号序号都模4同余。更一般的，对交织映射序列S₂₅₆的分析有下式：

其中j＝0,1,…,2^k-1，k＝0,1,…,8。通过本例中交织映射序列S₂₅₆的交织操作，256个星座调制符号按序号对不大于256的任意2的整数次幂取模，256个星座调制符号序号均按同余类进行了等分，如图2所示。为进一步说明交织映射序列S₂₅₆对星座调制符号的离散作用，选取序号为1、2、4、8、16、32、64、128的星座调制符号，从表2中可以看出，通过交织映射序列S₂₅₆的交织操作，以上各星座调制符号与序号为0的星座调制符号的距离分别为128、64、32、16、8、2、4、1个星座调制符号，即序号越接近的星座调制符号经过交织后相距越远，这也与通信系统中突发错误的发生概率随突发错误长度的增加而降低，所以相距越近的星座调制符号应离散到相隔越远的位置这一规则相吻合。

步骤2：在交织模块，交织器根据步骤1中生成的交织映射序列对基本交织单元进行交织操作，交织操作为对输入序列的索引序号m＝0,1，…,n-1按交织映射序列S_n映射到输出序列的S_n(m)位置，本例中交织操作根据如下公式进行：

b(S₂₅₆(m))＝a(m)，m＝0,1,…,255 (公式6)

(公式6)中，a表示交织前的基本交织单元序列，b表示交织后的基本交织单元序列，m为交织前序列的索引序号，S₂₅₆(m)表示交织映射序列中索引序号m对应的取值。该步骤中，也可以将输入序列与S₂₅₆对应的同余类转换矩阵P相乘得到输出序列。

解交织方法包括如下步骤：

步骤3：接收端采用与发送端相同的方法产生交织映射序列S₂₅₆；

步骤4：在接收端解交织模块，解交织器根据步骤1中生成的交织映射序列对接收到的数据按基本交织单元进行解交织操作。由步骤1性质3知同余类转换矩阵P为对称阵，即交织映射序列的逆交织映射序列为自身，解交织操作可通过对交织后序列索引序号按交织映射序列再次映射完成，本例中解交织操作根据如下公式进行：

d(S₂₅₆(p))＝c(p)，p＝0,1,…,255 (公式7)

(公式7)中，c表示解交织前的基本交织单元序列，d表示解交织后的基本交织单元序列，p为解交织前序列的索引序号，S₂₅₆(p)表示交织映射序列中索引序号p对应取值。本例中解交织器按照(公式7)对接收数据进行解交织处理，恢复出用户交织前的数据。

一种基于同余类交织映射序列的交织装置，包括：

交织映射序列生成器，用于根据(公式1)或(公式2)产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现发送数据的交织操作。

一种基于同余类交织映射序列的解交织装置，包括：

交织映射序列生成器，用于根据(公式1)或(公式2)产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

解交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现对接收数据的解交织操作。

一种基于同余类交织映射序列的交织和解交织的通信系统，包括发送端和接收端，发送端包括上述基于同余类交织映射序列的交织装置，接收端包括上述基于同余类交织映射序列的解交织装置。

为了对比同传统按行写入、按列读出的交织方法之间的性能差异，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。本发明实施例以540MHz带宽下四个空间流、64QAM调制为例，对本发明的性能进行了对比说明，具体见图3，仿真中传统交织方法在540MHz带宽下四个空间流、64QAM调制时采用的交织深度为16，其他仿真参数同表1。从图3中可以看出，本发明提供的交织方法，明显优于传统的交织方法。

Claims (9)

1.一种基于同余类交织映射序列的交织方法，其特征在于包括如下步骤：

发送端根据基本交织单元的长度n＝2^M，产生长度为n的同余类交织映射序列S_n；

发送端对基本交织单元进行交织操作，具体为对输入序列的索引序号m＝0,1，…,n-1按交织映射序列S_n映射到输出序列的S_n(m)位置得到输出序列，或者，将输入序列与交织映射序列S_n对应的交织映射矩阵P相乘得到输出序列，其中，P的(S_n(m),m)位元素为1，P的第S_n(m)行的其他元素为0，第m列的其他元素为0；

所述同余类交织映射序列S_n满足：

S_n(m)≡S_n(p)(mod2^k),j·2^M-k≤m,p≤(j+1)·2^M-k-1

其中，j＝0,1,…,2^k-1；k＝0,1,…,M；m和p表示交织映射序列S_n索引序号；M为二进制序列位数；所述交织映射矩阵P为同余类转换矩阵且满足P^T＝P。

2.根据权利要求1所述的基于同余类交织映射序列的交织方法，其特征在于，

所述产生长度为n的同余类交织映射序列S_n的具体步骤为：

(A1)设定需要产生序列的长度n＝2^M和迭代的起始序列S₁＝[0]；

(A2)按照公式1迭代M次得到同余类交织映射序列S_n：

公式1中表示交织映射序列生成过程中第i次迭代产生的长度为2ⁱ的序列。

3.根据权利要求1所述的基于同余类交织映射序列的交织方法，其特征在于，

所述产生长度为n的同余类交织映射序列S_n的具体步骤为：

(B1)设定需要产生序列的长度n＝2^M；

(B2)产生长度为n的序列seq_n＝[0,1，…，2^M-1]；

(B3)将序列seq_n按照公式2进行变换得到同余类交织映射序列S_n：

S_n＝bin2dec{bitrevorder[dec2bin(seq_n,M)]} 公式2

公式2中，dec2bin(·,M)表示将十进制表示转化为M位二进制表示，bitrevorder(·)表示对M位二进制序列按比特进行中心对称翻转操作，bin2dec(·)表示将二进制表示转化为十进制表示。

4.一种基于同余类交织映射序列的解交织方法，其特征在于包括如下步骤：

接收端根据基本交织单元的长度n＝2^M，产生长度为n的同余类交织映射序列S_n；

接收端对基本交织单元进行解交织操作，具体为对输入序列的索引序号m＝0,1，…,n-1按交织映射序列S_n映射到输出序列的S_n(m)位置得到输出序列，或者，将输入序列与交织映射序列S_n对应的交织映射矩阵P相乘得到输出序列，其中，P的(S_n(m),m)位元素为1，P的第S_n(m)行的其他元素为0，第m列的其他元素为0；

所述同余类交织映射序列S_n满足：

S_n(m)≡S_n(p)(mod2^k),j·2^M-k≤m,p≤(j+1)·2^M-k-1

其中，j＝0,1,…,2^k-1；k＝0,1,…,M；m和p表示交织映射序列S_n索引序号；M为二进制序列位数；所述交织映射矩阵P为同余类转换矩阵且满足P^T＝P。

5.根据权利要求4所述的基于同余类交织映射序列的解交织方法，其特征在于，所述产生长度为n的同余类交织映射序列S_n的具体步骤为：

(A1)设定需要产生序列的长度n＝2^M和迭代的起始序列S₁＝[0]；

(A2)按照公式1迭代M次得到同余类交织映射序列S_n：

公式1中表示交织映射序列生成过程中第i次迭代产生的长度为2ⁱ的序列。

6.根据权利要求4所述的基于同余类交织映射序列的解交织方法，其特征在于，

所述产生长度为n的同余类交织映射序列S_n的具体步骤为：

(B1)设定需要产生序列的长度n＝2^M；

(B2)产生长度为n的序列seq_n＝[0,1，…，2^M-1]；

(B3)将序列seq_n按照公式2进行变换得到同余类交织映射序列S_n：

S_n＝bin2dec{bitrevorder[dec2bin(seq_n,M)]} 公式2

公式2中，dec2bin(·,M)表示将十进制表示转化为M位二进制表示，bitrevorder(·)表示对M位二进制序列按比特进行中心对称翻转操作，bin2dec(·)表示将二进制表示转化为十进制表示。

7.一种采用根据权利要求1-3任一项所述的基于同余类交织映射序列的交织方法的基于同余类交织映射序列的交织装置，其特征在于包括：

交织映射序列生成器，用于产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现发送数据的交织操作。

8.一种采用根据权利要求4-6任一项所述的基于同余类交织映射序列的解交织方法的基于同余类交织映射序列的解交织装置，其特征在于包括：

交织映射序列生成器，用于产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

解交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现对接收数据的解交织操作。

9.一种基于同余类交织映射序列的交织和解交织的通信系统，包括发送端和接收端，其特征在于，发送端采用根据权利要求1-3任一项所述的基于同余类交织映射序列的交织方法，包括：

交织映射序列生成器，用于产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现发送数据的交织操作；

接收端采用根据权利要求4-6任一项所述的基于同余类交织映射序列的解交织方法，包括：

交织映射序列生成器，用于产生和基本交织单元的长度相同的同余类交织映射序列；以及，

解交织器，用于根据同余类交织映射序列对基本交织单元进行元素映射，或者，将基本交织单元与同余类交织映射序列对应的交织映射矩阵相乘，实现对接收数据的解交织操作。