CN104717040B

CN104717040B - 一种基于信道质量信息的自适应交织方法及装置

Info

Publication number: CN104717040B
Application number: CN201510141494.XA
Authority: CN
Inventors: 杨绿溪; 李长庚; 魏明君; 陈�峰; 王雅芳
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: CN104717040A

Abstract

本发明公开了一种基于信道质量信息的自适应交织方法，所述方法为接收端进行信道质量信息估计，并根据CQI对子载波进行状态分类和反馈；然后发送端和接收端根据子载波状态分类反馈分别确定交织深度和交织规则，并按照上述规则进行交织和解交织。本发明还提供了一种采用上述方法的自适应交织装置，具体包括发送端的交织深度计算模块、交织规则确定模块和交织模块，接收端的信道质量信息估计模块、子载波状态计算模块、交织深度计算模块、解交织规则确定模块和解交织模块。本发明提供的方法和装置可在反馈少量信息的情况下完成自适应交织和解交织，有效地解决了传统交织不适用于变化信道的问题，整体上降低了系统误包率，改善了系统性能。

Description

一种基于信道质量信息的自适应交织方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于信道质量信息的自适应交织方法及装置，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线通信系统存在两类错误：一类称为随机错误，由噪声引起；另一类称为突发错误，由信道衰落、干扰和系统配置错误引起。前向纠错码，包括低密度奇偶校验码(LowDensity Parity Check Code，LDPC)和二进制卷积码(Binary Convolution Code，BCC)，是无线通信系统中用来检测和纠正系统错误的常用信道编码。但是前向纠错码的纠正突发错误的能力有限，因此需要通过交织技术将突发错误进行离散随机化，形成离散错误，以在接收端纠正这些错误，提升系统性能。

目前，交织技术已被广泛应用于各种无线通信系统和标准。其中IEEE802.11n/ac标准分别定义了两种交织方式：一种是符号交织，主要针对LDPC编码；一种是比特交织，主要针对BCC编码。IEEE 802.11ad/af等协议也定义了符号交织。

交织器的设计是无线通信中的一个重要课题。常用的交织器包括随机交织器和矩阵分组交织器。随机式是通过计算机产生伪随机数来决定重新排列的顺序。矩阵分组式是根据一定的算法将原始码元按行写入交织矩阵再按列读出从而实现码元的重新排列。传统的块交织是矩阵分组交织器的一种，目前正交频分复用(Orthogonal FrequecncyDivision Multiplexing，OFDM)系统针对LDPC编码采用的最多的交织器即为块交织器。另外，交织器还可以按照信号的维度分为二维交织器、三维交织器和多维交织器，其分别针对的信号维度为一维、二维和多维。

无线通信标准中定义的交织方法为固定的交织方法，采用的是固定的交织算法和交织参数。而无线通信的信道环境是不断变化的，也就是说信道具有变化性。因此，传统的交织方法并不适应于变化信道。对于OFDM系统，数据信息被调制于频域，并通过频域信道进行传输，而频域信道具有选择性衰落特征，在相干带块内，相邻的子载波很可能同时处于深衰落状态，从而引起接收数据的突发错误。同时，OFDM系统子载波的衰落状态往往处于不断变化之中，造成突发错误情形也处在不断变化之中。

发明内容

发明目的：OFDM系统的信道往往具有变化性，传统的符号交织方法并不能最大限度地发挥交织带来的系统性能。针对这一问题，本发明的第一目的是提供一种基于信道质量信息的自适应交织方法，通过反馈少量信道质量信息、利用信道质量信息确定交织深度和交织规则、实现自适应符号交织和解交织，更好地离散突发错误，最大限度地发挥离散带来的性能增益。本发明的第二目的是提供一种基于信道质量信息的自适应交织装置。

技术方案：一种基于信道质量信息的自适应交织方法，包括如下步骤：

步骤1：发送端发送信道质量信息(Channel Quality Information，CQI)请求帧，并发送空数据帧；

步骤2：接收端在接收到请求信息后，通过空数据帧进行CQI估计，CQI的计算公式为：

公式1中CQI_k表示信道质量估计值，多空间流时用表示，其中k和i_SS分别表示数据子载波索引和空间流索引，S_k表示子载波上信号功率，多空间流时用表示，I和N分别表示平均干扰功率和平均噪声功率，多空间流时用和表示。

步骤3：接收端根据步骤2中得到的CQI对子载波进行状态分类，并对所有子载波的状态进行反馈，子载波划分为高质量和低质量两类子载波，状态分别为0和1，计算公式为：

公式2中ST_k表示子载波k的状态，多空间流时可用表示，β表示判决门限，本发明中β取值为所有子载波上的平均信噪比，即

由状态划分可知每一个子载波的状态反馈仅需要1比特信息，因此接收端总共需要反馈N_SSN_SD比特信息给发送端，其中N_SS为空间流数，N_SD表示用户发送数据所采用带宽对应的数据子载波数。

步骤4：发送端和接收端分别根据步骤3得到的子载波状态分类反馈计算自适应交织深度，计算自适应交织深度的公式为：

公式3中D_TM表示自适应交织深度，N_SD表示用户发送数据所采用带宽对应的数据子载波数，N_BPSCS表示每个空间流每个星座调制符号的比特数，N_SS表示空间数据流数，L_CW表示码字长度，N_SDN_BPSCS表示每个空间流每个OFDM符号的编码比特数，N_SDN_BPSCSN_SS/L_CW表示每个OFDM符号包含的码字数；N_TB表示最大的连续低质量子载波数，通过对反馈的子载波状态值进行顺序查表获得，具体流程见图2。表示不超过括号内实数的最大整数，max{·}表示括号内的数的最大值，两者取最大值是为了确保来自一个码字的比特能分布于整个频域信道以获得频域增益。

步骤5：发送端和接收端通过步骤3得到的子载波状态值和步骤4得到的自适应交织深度确定用于交织的交织配对集合P和用于解交织的解交织配对集合P′，具体方法为：

步骤5.1：通过CQI反馈分别得到高质量子载波和低质量子载波对应的序号序列G和B，计算公式为：

公式4中G₁,G₂,...,和B₁,B₂,...,分别表示高低质量子载波的序号，且满足G₁＜G₂＜...＜和B₁＜B₂＜...＜两个关系式。

步骤5.2：将序列G和B按照D_TM行写入矩阵M，写入的方式分两种情况，当N_G≥N_B时，写入的矩阵为

当N_G＜N_B时，写入的矩阵为

公式5和6中N_COL表示交织的列数，计算公式为N_COL＝N_SD/D_TM。在写入时，如果G和B中的一个序列已完成写入，则从下一个位置开始写入另一个序列剩下的符号，直到两个序列所有的符号都写入矩阵。

步骤5.3：对M按列读出，得到交织配对集合和解交织配对集合，具体方法为：

若对M按列读出序列为[c1,c2,...cN_SD]，则接收端用于解交织的解交织配对集合为

P′＝{(c1,0),(c2,1),...,(cN_SD,N_SD-1)} (公式7)

因此，发送端用于交织的交织配对集合为

P＝{(0,c1),(1,c2),...,(N_SD-1,cN_SD)} (公式8)

公式7和公式8中P和P′分别表示交织规则配对集合和解交织规则配对集合，(a,b)表示一个交织配对，a表示交织前符号的输入序号，b表示交织后符号的输出序号。

步骤6：发送端按照步骤5得到的交织配对集合P对发送数据进行交织处理；

步骤7：接收端在数据到达解交织模块后按照步骤5得到的解交织配对集合P′对数据进行同步解交织，恢复数据序列。

一种基于信道质量信息的自适应交织装置，包括发送端和接收端，所述发送端包括交织深度计算模块、交织规则确定模块和交织模块，所述接收端包括信道质量信息估计模块、子载波状态计算模块、交织深度计算模块、解交织规则确定模块和解交织模块，具体描述如下：

所述信道质量估计模块用于对接收的数据进行信道质量信息估计，估计的方法见公式1；

所述子载波状态计算模块用于对子载波进行状态分类和反馈，状态分类的方法见公式2；

所述的交织深度计算模块用于计算自适应交织深度，计算的方法见公式3；

所述的交织规则确定模块用于根据子载波状态确定用于交织的交织配对集合P；

所述的解交织规则确定模块用于根据子载波状态值确定解交织配对结合P′；

所述的交织模块用于按照交织配对集合P定义的规则对用户发送数据进行交织处理；

所述解交织模块用于按照解交织配对集合P′定义的规则对接收到的数据进行解交织处理，恢复出用户数据。

有益效果：本发明提供的基于信道质量信息的自适应符号交织方法及装置，解决了传统的符号交织方法不适用于变化信道、无法结合实时信道进行自适应交织和无法最大限度地离散突发错误的问题。与传统符号交织方法相比，本发明提供的方法具有很强的自适应性，可以依据信道质量信息自适应地离散突发错误从而降低错误概率。而本发明中每一个子载波的状态反馈仅需要1比特信息，不会过多增加系统的传输开销，具有较强的可实现性。仿真结果表明，本发明提出的自适应交织方法以及装置明显优于传统符号交织方法以及装置。

附图说明

图1为本发明自适应信道质量信息的符号交织和解交织实现流程图；

图2为本发明实施例中计算最大的连续低质量子载波数N_TB算法流程图；

图3为本发明实施例采用的符号交织方法与传统的符号交织方法的性能对比图，1080MHz带宽，两个空间数据流，16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制；

图4为本发明实施例采用的符号交织方法与传统的符号交织方法的性能对比图，1080MHz带宽，四个空间数据流，16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明自适应于信道质量信息的符号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。

实施例1：

如图1所示，考虑这样一个OFDM—MIMO通信系统，信道编码为低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code，LDPC)，调制方式为16QAM，OFDM系统采用16个子载波、一个空间流，一种自适应于信道质量信息的符号交织方法，包括以下步骤：

公式1中CQI_k表示信道质量估计值，多空间流时用表示，其中k和i_SS分别表示数据子载波索引和空间流索引，S_k表示子载波上信号功率，多空间流时用表示，I和N分别表示平均干扰功率和平均噪声功率，多空间流时用I_iSS和N_iSS表示。

步骤3：接收端根据步骤1中得到的CQI对子载波进行状态分类，并对所有子载波的状态进行反馈，子载波划分为高质量和低质量两类子载波，状态分别为0和1，计算公式为:

在本实施例中，以某一帧的数据为例子，通过步骤1、2得到如表1的信道状态表，以下的自适应交织方法全部基于此信道状态表。

步骤4：发送端和接收端分别根据步骤3得到的子载波状态分类反馈计算自适应交织深度，具体方法为：

首先，根据信道状态表计算最大的连续低质量子载波数N_TB，计算方式主要见图2，其中i和j为临时变量，N为连续低质量子载波数中间变量，具体过程为：从表中第一个子载波状态开始搜索连续的低质量子载波，当子载波出现0时，第一次搜索结束，并将连续的低质量子载波数N赋值给N_TB，再从下一个子载波状态为1的子载波开始搜索，重新获得下一个连续的低质量子载波数N，如果N大于N_TB，则将N赋值给N_TB，否则不变，依次类推到获得最终的N_TB。

本例中，由信道状态表可知，持续最长的连续低质量子载波为子载波8到11，共4个子载波，即N_TB＝4。

然后，计算交织矩阵的行数D_TM，具体公式为

公式3中D_TM表示自适应交织深度，N_SD表示用户发送数据所采用带宽对应的数据子载波数，N_BPSCS表示每个空间流每个星座调制符号的比特数，N_SS表示空间数据流数，L_CW表示信道编码码字长度，N_SDN_BPSCS表示每个空间流每个OFDM符号的编码比特数，N_SDN_BPSCSN_SS/L_CW表示每个OFDM符号包含的码字数。表示不超过括号内实数的最大整数，max{·}表示括号内的数的最大值，两者取最大值是为了确保来自一个码字的比特能分布于整个频域信道以获得频域增益。

本例中采用16QAM调制，故N_BPSCS＝4,N_SD＝16,N_SS＝1,N_TB＝4,LDPC信道编码码字长度L_CW＝672，故D_TM＝4。

步骤5：发送端和接收端通过步骤3得到的子载波状态值和步骤4得到的自适应交织深度确定用于交织的交织规则，具体方法为：

本例中

G＝[0,3,4,5,6,7,12,14]

B＝[1,2,8,9,10,11,13,15]

当N_G＜N_B时，写入的矩阵为

本例中N_COL＝N_SD/N_TM＝16/4＝4，由公式6得

P′＝{(c1,0),(c2,1),...,(cN_SD,N_SD-1)} (公式7)

因此，发送端用于交织的交织配对集合为

P＝{(0,c1),(1,c2),...,(N_SD-1,cN_SD)} (公式8)

本例中对M按列读出序列为[1,0,10,6,2,3,11,7,8,4,13,12,9,5,15,14]，则接收端用于解交织的解交织配对集合为

P'＝{(1,0),(0,1),(10,2),(6,3),(2,4),(3,5),(11,6),(7,7),

(8,8),(4,9),(13,10),(12,11),(9,12),(5,13),(15,14),(14,15)}

因此，发送端用于交织的交织配对集合为

P＝{(0,1),(1,0),(2,10),(3,6),(4,2),(5,3),(6,11),(7,7),

(8,8),(9,4),(10,13),(11,12),(12,9),(13,5),(14,15),(15,14)}

步骤6：发送端按照步骤5得到的交织规则配对集合P对发送数据进行交织处理；

步骤7：接收端在数据到达解交织模块后按照步骤5得到的解交织规则配对集合P′对数据进行同步解交织，恢复数据序列。

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误码率对比分析。本发明实施例以16个子载波，一个空间流、16QAM调制为例，对本发明的性能进行了对比说明，具体见表2。传统交织方法采用块交织方法且交织深度为2。基于CQI的自适应交织按上文的步骤1至7实现。

OFDM系统共有16个子载波，其中状态为1的即标红色部分的为低质量载波，状态为0的为高质量载波。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。传统交织处理过的数据仍有一个长度为4码元和一个长度为2码元的突发错误，与不做交织处理的数据相比没有很大改善。本例中的交织算法将所有突发错误都离散成单个码元长度的随机性错误，从而可以被信道纠错码纠正，大大降低系统误率。

实施例2：

实施例1为理论分析，实施例2主要以IEEE 802.11aj(45GHz)的OFDM系统为例，以系统仿真的方法说明本发明在具体无线通信系统中的误包率性能表现。IEEE 802.11aj(45GHz)标准支持两种带宽540MHz和1080MHz，其对应的数据子载波数为168和336，最大空间数据流数为4。此外接收端采用MMSE接收机，信道估计为理想信道估计，其它参数见表3。在本实施例中规定基于信道质量信息的自适应交织算法每一帧反馈一次CQI，并随之更新交织配对集合P和解交织配对集合P'。由IEEE 802.11aj协议规定的传统交织方法的交织参数见表4。

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，传统交织方法的交织参数见表4。图3为在1080MHz带宽、16QAM调制和2个空间流条件下的误包率曲线，其中横坐标为信噪比，纵坐标为误包率，可以看出使用传统交织的系统误包率比无交织系统的误包率低很多，而使用本发明基于CQI交织算法的系统误包率又显著低于使用传统交织的系统误包率。本发明提供的交织方法，明显优于传统的交织方法。图4为在1080MHz带宽、16QAM调制和4个空间流条件下的误包率曲线，可以得出和图3一样的结论，说明了本发明适用于不同的应用场景。

表1信道状态表示例

子载波	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																	信道状态	0	1	1	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	1	0	1

表2信道质量自适应交织同传统交织误码率对比分析

子载波

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

状态

0

1

0

1

0

1

0

1

初始序列

s₀

s₁

s₂

s₃

s₄

s₅

s₆

s₇

s₈

s₉

s₁₀

s₁₁

s₁₂

s₁₃

s₁₄

s₁₅

传统交织后数据

s₀

s₈

s₁

s₉

s₂

s₁₀

s₃

s₁₁

s₄

s₁₂

s₅

s₁₃

s₆

s₁₄

s₇

s₁₅

恢复排列

s₀

s₁

s₂

s₃

s₄

s₅

s₆

s₇

s₈

s₉

s₁₀

s₁₁

s₁₂

s₁₃

s₁₄

s₁₅

基于CQI交织后数据

s₁

s₀

s₄

s₅

s₉

s₁₃

s₃

s₇

s₈

s₁₂

s₂

s₆

s₁₁

s₁₀

s₁₅

s₁₄

恢复排列

s₀

s₁

s₂

s₃

s₄

s₅

s₆

s₇

s₈

s₉

s₁₀

s₁₁

s₁₂

s₁₃

s₁₄

s₁₅

表3仿真参数设置

表4传统交织算法的最优符号交织深度

带宽	540MHz	1080MHz
			交织深度	6	12

Claims

1.一种基于信道质量信息的自适应交织方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)发送端发送信道质量信息请求帧，并发送空数据帧；

(2)接收端接收到请求信息后，通过空数据帧进行信道质量信息估计；

(3)接收端根据步骤(2)得到的信道质量信息对子载波进行状态分类，并反馈所有子载波的状态；

(4)发送端和接收端根据步骤(3)得到的子载波状态值分别计算自适应交织深度；

(5)发送端和接收端根据步骤(3)得到的子载波状态值和步骤(4)得到的交织深度分别计算用于交织的交织配对集合P和用于解交织的解交织配对集合P′；

(6)发送端按照步骤(5)得到的交织配对集合P对发送数据进行交织处理；

(7)接收端在数据到达解交织模块后按照步骤(5)得到的解交织配对集合P′对接收数据进行同步解交织，恢复数据序列。

2.根据权利要求1所述的基于信道质量信息的自适应交织方法，其特征在于，所述步骤(2)中接收端进行信道质量信息估计的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的基于信道质量信息的自适应交织方法，其特征在于，所述步骤(3)中对子载波进行状态分类的方法为：

将子载波划分为高质量和低质量两类子载波，状态分别为0和1，则子载波状态划分的公式可以表示为

公式2中ST_k表示子载波k的状态，多空间流时可用表示，其中k和i_SS分别表示数据子载波索引和空间流索引，CQI_k表示信道质量估计值，多空间流时用表示，表示所有子载波上的平均信噪比。

4.根据权利要求1所述的基于信道质量信息的自适应交织方法，其特征在于，所述步骤(4)中计算自适应交织深度的公式为：

公式3中D_TM表示自适应交织深度，N_SD表示用户发送数据所采用带宽对应的数据子载波数，N_BPSCS表示每个空间流每个星座调制符号的比特数，N_SS表示空间数据流数，L_CW表示信道编码码字长度，N_TB表示最大的连续低质量子载波数，表示不超过括号内实数的最大整数，max{·}表示括号内的数的最大值。

5.根据权利要求1所述的基于信道质量信息的自适应交织方法，其特征在于，所述步骤(5)中确定交织配对集合P的方法为：

(1)通过CQI反馈模块分别得到高质量子载波和低质量子载波对应的序号序列G和B，具体公式为

公式4中和分别表示高低质量子载波的序号，且满足和两个关系式；

(2)将序列G和B按照D_TM行写入矩阵M，写入的方式分两种情况，即N_G≥N_B时，写入的矩阵为

当N_G＜N_B时，写入的矩阵为

公式5和6中N_COL表示交织的列数，计算公式为N_COL＝N_SD/D_TM，其中D_TM表示自适应交织深度，N_SD表示用户发送数据所采用带宽对应的数据子载波数；

(3)对M按列读出，假定读出序列为[c1,c2,...cN_SD]，则接收端用于解交织的解交织配对集合为

P′＝{(c1,0),(c2,1),...,(cN_SD,N_SD-1)} (公式7)

发送端用于交织的交织配对集合为

P＝{(0,c1),(1,c2),...,(N_SD-1,cN_SD)} (公式8)

公式7和公式8中P和P′分别表示交织规则配对集合和解交织规则配对集合，(a,b)表示一个交织配对，a表示交织前符号的输入序号，b表示交织后符号的输出。

6.一种基于信道质量信息的自适应交织装置，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括交织深度计算模块、交织规则确定模块和交织模块，所述接收端包括信道质量信息估计模块、子载波状态计算模块、交织深度计算模块、解交织规则确定模块和解交织模块，具体描述如下：

信道质量估计模块用于对接收的数据进行信道质量信息估计；

子载波状态计算模块用于根据信道质量信息对子载波进行状态分类和反馈；

交织深度计算模块用于计算自适应交织深度；

交织规则确定模块用于根据子载波状态确定用于交织的交织规则配对集合P；

解交织规则确定模块用于根据子载波状态值确定解交织配对集合P′；

交织模块用于按照交织配对集合P定义的交织规则对用户发送数据进行交织处理；

解交织模块用于按照解交织配对集合P′定义的解交织规则对接收到的数据进行解交织处理，恢复出用户数据。