TWI572148B

TWI572148B - Optimized interleaved sequence generation method and interleaver for turbo code interleaver

Info

Publication number: TWI572148B
Application number: TW104120109A
Authority: TW
Inventors: Shou-Xu Lin; Yu-Cheng Li; Shang-Ting Lin
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2017-02-21
Also published as: TW201701594A

Description

渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法及其交錯器

本發明係關於一種渦輪碼交錯器中交錯序列的產生方法及其交錯器，尤指一種應用於渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法及其交錯器，可使交錯器的交錯序列能有效率地優化其交錯序列，以降低渦輪碼的位元錯誤率（BER）。

相較於現有的各種錯誤更正碼，渦輪碼係一種錯誤更正率相當優越的通道編碼，其也已經成為現今第四代行動通訊中長期演進技術（Long Term Evolution，簡稱LTE）所採用的標準之一。

請參閱圖7，係一種渦輪碼的編碼器，其包含有一第一迴旋編碼單元71、一第二迴旋編碼單元72及一交錯器73，其中該交錯器 73串接於該第一迴旋編碼單元71的輸入端以及該第二迴旋編碼單元72的輸入端之兩者之間，且該交錯器73內設有一交錯序列產生模組731，以該交錯序列設定模組731產生一交錯序列，其中，為交錯後的位元順序編號，為交錯前的順序編號，該交錯序列依順序設定有複數位元序數，如 ={2，3，1，0}。

當一包含有複數位元的待傳輸資料輸入上述渦輪碼的編碼器的第一迴旋編碼單元71的輸入端時，該第一迴旋編碼單元71即將該待傳輸資料經迴旋編碼（Convolutional encoding）為一第一同位碼（Parity Code），而該待傳輸資料又會同時輸入該交錯器73，由該交錯器73依據該交錯序列進行排序待傳輸資料中複數位元的順序為。例如：交錯序列中的位元序數若依序為｛ X ₂, X ₃, X ₁, X ₀｝，則表示將待傳輸資料中順序2的位元換到順序0（起始順序為順序0）、順序3的位元換到順序1、順序1的位元換到順序2、順序0的位元換到順序3，再由該第二迴旋編碼單元72將重新排列後的待傳輸資料迴旋編碼出一第二同位碼。

最後則由渦輪碼的編碼器輸出上述待傳輸資料、第一同位碼及第二同位碼至傳輸通道中進行資料傳輸，由接收端接收三者經過傳輸通道後的訊號進行解碼，藉以達到錯誤更正之效果。

上述交錯器73在渦輪碼的編碼器扮演著一個相當重要的角色，交錯器73的目的在於令待傳輸資料複數位元的順序重新排列，當傳輸通道於特定時點發生訊號干擾時，待傳輸資料的位元順序被重新排列而編出的第二同位碼即可讓此傳輸通道因受雜訊或干擾而造成位元錯誤的機率降低，因此，交錯序列產生模組731所產生的交錯序列，將影響整個渦輪碼的編碼器的錯誤更正率，即關乎整個通訊系統的位元錯誤率（Bit Error Rate，簡稱BER），故若交錯序列產生模組731能找到最匹配其通訊系統的交錯序列，則勢必能減少通訊系統的位元錯誤率。

交錯序列產生模組731尋找最佳化交錯序列的方式有許多種方式，且其必須顧及運算效率及速度：若假設一個渦輪碼的編碼器所接收的待傳輸資料包含有16個位元，則交錯器73可能的交錯序列的種類總共會有16階乘種，若待傳輸資料包含64位元，則交錯序列產生模組731可能產生的交錯序列種類總共會有64階乘種，交錯序列產生模組731若將所有可能的交錯序列都評估過一次，將會耗費相當長的時間。

為了使交錯序列產生模組731有效率地尋找較佳的交錯序列，現今通訊相關學術已提出四種不同交錯序列的產生方法：1. 均勻隨機交錯序列（Uniform Random Interleaver，URI）產生方法、2. S隨機交錯序列（S-Random Interleaver，SRI）產生方法、3. QPP交錯序列（Quadratic Permutation Polynomial）產生方法及4. DRP交錯序列（Dither Relative Prime）產生方法。

目前已有數學理論能評估上述四種交錯序列對應的渦輪碼性能（通常藉由計算渦輪碼的距離頻譜或位元錯誤率），而這些評估數據仍顯示現有的各種交錯序列尚有改善的空間。因此，如何找到能有效且盡可能提升渦輪碼性能的交錯序列之方法，至今仍是學術界與產業界的一大研究方向。

有鑑於現有渦輪碼交錯器所產生的交錯序列可達成的渦輪碼性能尚有改善空間，本發明的主要目的係提出一種渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法及其交錯器。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法包含有：

產生一待優化交錯序列，其中，該待優化交錯序列係依順序設定有複數位元序數；

交換位元序數及評估取得優化交錯序列，係設定一交換基數，再將該待優化交錯序列中順序對應該交換基數的位元序數依序與其他順序在交換基數後的位元序數交換，而排列出複數種新交錯序列，並以一渦輪碼性能計算程序計算該待優化交錯序列及各種新交錯序列分別對應的渦輪碼性能後，取得其中對應渦輪碼性能最佳者為一優化交錯序列；

將該對應渦輪碼性能最佳的優化交錯序列設定為交錯器的交錯序列。

又，欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該渦輪碼交錯器包含有：

一交錯序列產生模組，係產生一待優化交錯序列，該待優化交錯序列係依順序設定有複數位元序數；

一交錯序列優化模組，係與該交錯序列產生模組連接，且內建有一交錯序列優化程序及一渦輪碼性能計算程序，該交錯序列優化程序係設定一交換基數，且接收該待優化交錯序列，將該待優化交錯序列中順序對應該交換基數的位元序數依序與其他順序在交換基數後的位元序數交換，而排列出複數種新交錯序列，且依據該渦輪碼性能計算程序評估該待優化交錯序列及各種新交錯序列對應的渦輪碼性能，而從中取得對應渦輪碼性能最佳的一優化交錯序列，並將此優化交錯序列設定為此交錯器的交錯序列。

本發明的交錯器所採用交錯序列優化方法之主要目的並非重新產生交錯序列，而是將一種已知的待優化交錯序列進行排列，進而找到一個較優化之交錯序列，其對應的渦輪碼性能優於排列前的待優化交錯序列，而該待優化交錯序列可包括但不限定於均勻隨機交錯序列（URI）、S隨機交錯序列（SRI）、QPP交錯序列及DRP交錯序列，意即為任意已知之交錯序列，皆可為該待優化交錯序列。

前述之交錯序列已經使渦輪碼具有一定的位元更正能力，具有一定的渦輪碼性能，而本發明得使最後交錯器所設定優化交錯序列對應的渦輪碼效能優於優化前交錯序列對應的渦輪碼性能，進而降低通訊系統中因傳輸造成的位元錯誤率。

再就其運算複雜度而論，由於本發明的交錯器在排序待優化交錯序列時，只將順序對應交換基數的位元序數與順序在交換基數後的位元序數交換，可避免排出相同的交錯序列，而依據此排序方式，其交換位元序數的總次數會呈等差遞減級數。

舉例而言，若對應有16位元的交錯序列，則上述交換位元序數所評估的步驟只需排次，其所需的運算次數遠小於16階乘，因此本發明之渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法得以顧及運算的複雜度以及運算的速度。

請參閱圖1，本發明的渦輪碼交錯器係包含有：

一交錯序列產生模組10，係產生一待優化交錯序列，該待優化交錯序列係依順序設定有複數位元序數，於本實施例中，該交錯序列產生模組10可產生包括但不限定於一均勻隨機交錯序列（URI）或一S隨機交錯序列（SRI）做為該待優化交錯序列；

一交錯序列優化模組20，係與該交錯序列產生模組10連接，而接收該待優化交錯序列，且內建有一交錯序列優化程序及一渦輪碼性能計算程序，用以產生優化交錯序列。

請進一步參閱圖2，該交錯序列優化程序包含以下步驟：

接收該待優化交錯序列 S10；

交換位元序數，並評估渦輪碼性能，且從中獲得一對應渦輪碼性能最佳的優化交錯序列S20。（有關其進一步詳細流程請容後再詳述）；以及

將對應渦輪碼性能最佳的優化交錯序列設定為交錯器的交錯序列S30。

由此可見，本發明之目的在於利用交錯序列產生模組10產生待優化交錯序列，再將該待優化交錯序列加以優化，以得到渦輪碼性能更優於該待優化交錯序列的優化交錯序列，如此，不僅能相容於各種交錯序列，而從其產生的交錯序列中找到對應渦輪碼性能更優者，更提供了交錯器新的設計架構，即使在未來有更優於URI、SRI、QPP及DRP的交錯序列，本發明仍可依據其產生的交錯序列為基礎，找到對應渦輪碼性能更優越的優化交錯序列。

請進一步參閱圖3，上述交換位元序數並獲得對應渦輪碼性能最佳的優化交錯序列S20，係包含以下步驟：

設定一交換基數j（S21），於本實施例中，該交換基數j初始為0，且進一步設定一已優化次數i及一最大優化次數K，該已優化次數i初始為0，該最大優化次數K則由使用者設定；

將該待優化交錯序列中順序對應該交換基數j的位元序數依序與其他順序大於交換基數的位元序數交換，而排列出複數種新交錯序列，並以該渦輪碼性能計算程序分別評估該待優化交錯序列及各新交錯序列對應的渦輪碼性能（S22）。如圖4A所示，係以待優化交錯序列中設定有16個位元序數 ~ 為例，起初，交換基數為0，故將待優化交錯序列中其第0個順序（即第一個位元序數）依序與第0個順序後的所有位元序數 ~ 交換，而排列出15種新交錯序列（ ~ ），並依據該渦輪碼性能計算程序以計算該待優化交錯序列及各新交錯序列的渦輪碼性能（ P ₀~ P ₁₅）；

自該待優化交錯序列及複數新交錯序列中取得一對應渦輪碼性能最佳者而做為一參考序列（S23）。如圖4A中，即表示以對應渦輪碼位元錯誤率最小者的交錯序列做為參考序列；

判斷該參考序列是否同於該待優化交錯序列（S24）？若是，則表示尚未找到優於該待優化交錯序列的優化交錯序列，須調整該交換基數j，故先判斷交換基數j是否小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度N（S25）後；

當交換基數j小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度N者，將交換基數j加1且回到上述交換位元序數並評估之步驟（S22），此後，該步驟（S22）交換交錯序列中的位元序數將如圖4B所示；而若判斷該參考序列非為該待優化交錯序列者，則進入下一步驟；

判斷已優化次數i是否小於該最大優化次數K（S26），若小於該最大優化次數K，則將該參考序列做為該待優化交錯序列（S27），並將已優化次數i加1。而交換基數j再度設為0後，則回到交換待優化交錯序列中順序並評估的步驟（S22）；反之，若已優化次數i不小於該最大優化次數K，則將該參考序列決定為該優化交錯序列（S28）。

上述設定最大優化次數K可避免硬體運算產生無限迴圈；且於比較交換基數j與待優化交錯序列包含位元序數的長度N之步驟而判斷為不小於者，表示已無法再增加交換基數j，則進入將參考序列決定為該優化交錯序列之步驟（S28）。

據此，即可從上述過程中排出的所有種的新交錯序列中找到對應渦輪碼性能最佳的交錯序列，且此交錯序列對應的渦輪碼性能必定優於該待優化交錯序列所對應的渦輪碼性能。

以下所述，謹進一步說明上述步驟的總排列次數，以待優化交錯序列包含有N個位元序數為例，於第一次優化過程中（即i=1時），將所有可行的交換基數j=0~N全部交換過，則總交換次數為，即次，若恰巧在最後找到了一個非為原待優化交錯序列的參考序列，則便會將此參考序列當做待優化交錯序列而進入第二次優化（即i=2時）而重新排序。

同樣地，最大的交換次數與上一次相同，故上述步驟的最大總排列次數為，遠小於N的位元次序任意排列所需的N階乘，且設定最大優化次數K便得以控制總排列次數，可供使用者依據硬體的最大效能來估算最大優化次數K。

上述渦輪碼性能計算程序係以計算各交錯序列對應渦輪碼的距離頻譜以進行渦輪碼性能的評估，亦可進一步依據距離頻譜計算出位元錯誤率來評估，對應位元錯誤率越小則表示其渦輪碼性能越佳，而漢明距離與位元錯誤率之計算程序已普遍用於通訊產業或見於學術論文，在此便不多贅述。

再請進一步參閱圖5及圖6，係以交錯序列包含256個位元序數，即N=256，配合上述二種現有的交錯序列進行渦輪碼性能模擬，其中圖5以URI交錯序列做為待優化交錯序列，圖中明顯看出，設定最大優化次數K=1者，已經優化了原來URI交錯序列，設定最大優化次數K=16者效果又更顯著。圖6為以SRI交錯序列做為待優化交錯序列，同樣呈現優化後的優化交錯序列改善了待優化序列的渦輪碼性能。

綜上所述，本發明得以在顧及硬體效能的前提下，以將一個待優化交錯序列優化的方式取得渦輪碼效能更佳或者至少相等的優化交錯序列，以降低通訊系統的位元錯誤率。

10 交錯序列產生模組 20 交錯序列優化模組 71 第一迴旋編碼單元 72 第二迴旋編碼單元 73 交錯器 731 交錯序列產生模組

圖1為本發明交錯器之電路方塊圖。圖2為圖1交錯序列優化模組中交錯序列優化程序流程圖。圖3為圖2交換位元序數並評估而取得優化交錯序列之步驟的詳細流程圖。圖4A為圖3交換交錯序列的一示意圖。圖4B為圖3交換交錯序列的另一示意圖。圖5為URI交錯序列優化前後的渦輪碼性能曲線圖。圖6為SRI交錯序列優化前後的渦輪碼性能曲線圖。圖7為現有渦輪碼編碼器的系統方塊圖。

10 交錯序列產生模組 20 交錯序列優化模組

Claims

一種渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法，係包含：產生一待優化交錯序列，其中，該待優化交錯序列係依順序設定有複數位元序數；交換該位元序數及評估取得一優化交錯序列，係設定一交換基數，再將該待優化交錯序列中順序對應該交換基數的位元序數依序與其他順序在該交換基數後的位元序數交換，而排列出複數種新交錯序列，並以一渦輪碼性能計算程序計算該待優化交錯序列及各該複數種新交錯序列分別對應的渦輪碼性能後，取得其中對應渦輪碼性能最佳者為一優化交錯序列；以及將該對應渦輪碼性能最佳的優化交錯序列設定為該渦輪碼交錯器的一交錯序列。
如請求項1所述之渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法，該交換位元序數及評估取得優化交錯序列之步驟，係包含： (a) 設定該交換基數初始為0，並進一步設定一已優化次數及一最大優化次數，且該已優化次數初始為0； (b) 將該待優化交錯序列中順序對應該交換基數的位元序數依序與其他順序大於交換基數的位元序數交換，而排列出複數種新交錯序列，並依據該渦輪碼性能計算程序分別評估該待優化交錯序列及各該複數種新交錯序列對應的渦輪碼性能； (c) 自該待優化交錯序列及該複數種新交錯序列中取得一對應渦輪碼性能最佳者而做為一參考序列； (d) 判斷該參考序列是否同於該待優化交錯序列，若是，則再判斷該交換基數是否小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度，於該交換基數小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度者，將該交換基數加1且回到上述交換位元序數評估步驟(b)，若判斷該參考序列非為該待優化交錯序列者，則進入下一步驟；以及 (e) 判斷已優化次數是否小於該最大優化次數，若小於該最大優化次數，則以該參考序列做為該待優化交錯序列，並將已優化次數加1，而該交換基數再度設為0後，回到上述交換位元序數評估步驟(b)；反之，若已優化次數不小於該最大優化次數，則將該參考序列決定為該優化交錯序列。
如請求項2所述之渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法，該判斷交換基數是否小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度之步驟中，若判斷該交換基數不小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度，則進入將參考序列決定為優化交錯序列之步驟。
如請求項1至3任一項所述之渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法，該渦輪碼性能計算程序係計算各交錯序列對應渦輪碼的距離頻譜。
如請求項1至3任一項所述之渦輪碼交錯器的優化交錯序列產生方法，該渦輪碼性能計算程序係計算各交錯序列對應渦輪碼的位元錯誤率。
一種交錯器，係包含：一交錯序列產生模組，係產生一待優化交錯序列，該待優化交錯序列係依順序設定有複數位元序數；以及一交錯序列優化模組，係與該交錯序列產生模組連接，且內建有一交錯序列優化程序及一渦輪碼性能計算程序，該交錯序列優化程序係設定一交換基數，且接收該待優化交錯序列，將該待優化交錯序列中順序對應該交換基數的位元序數依序與其他順序在該交換基數後的位元序數交換，而排列出複數種新交錯序列，且依據該渦輪碼性能計算程序評估該待優化交錯序列及各種新交錯序列對應的渦輪碼性能，而從中取得對應渦輪碼性能最佳的一優化交錯序列，並將該優化交錯序列設定為該交錯器的交錯序列。
如請求項6所述之交錯器，其中，該交錯序列優化程序包含： (a) 設定該交換基數初始為0，並進一步設定一已優化次數及一最大優化次數，且該已優化次數初始為0； (b) 將該待優化交錯序列中順序對應該交換基數的位元序數依序與其他順序大於該交換基數的位元序數交換，而排列出複數種新交錯序列，並依據該渦輪碼性能計算程序分別評估該待優化交錯序列及各該複數種新交錯序列對應的渦輪碼性能； (c) 自該待優化交錯序列及該複數種新交錯序列中取得一對應渦輪碼性能最佳者而做為一參考序列； (d) 判斷該參考序列是否同於該待優化交錯序列，若是，則再判斷該交換基數是否小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度，於該交換基數小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度者，將該交換基數加1且回到上述交換位元序數評估步驟(b)；若判斷該參考序列非為該待優化交錯序列者，則進入下一步驟；以及 (e) 判斷已優化次數是否小於該最大優化次數，若小於該最大優化次數，則以該參考序列做為該待優化交錯序列，並將已優化次數加1，而該交換基數再度設為0後，回到上述交換位元序數評估步驟(b)；反之，若已優化次數不小於該最大優化次數，則將該參考序列決定為該優化交錯序列，以設定為該交錯器的一交錯序列。
如請求項7所述之交錯器，其中，該判斷交換基數是否小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度之步驟，若判斷該交換基數不小於待優化交錯序列所包含位元序數的長度，則進入將參考序列決定為該優化交錯序列之步驟。
如請求項6至8中任一項所述之交錯器，其中，該渦輪碼性能計算程序係計算各交錯序列對應渦輪碼的距離頻譜。
如請求項6至8中任一項所述之交錯器，其中，該渦輪碼性能計算程序係計算各交錯序列對應渦輪碼的位元錯誤率。