專利名稱：卷積Turbo碼交織器和解交織器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)通信領(lǐng)域，尤其涉及卷積Turbo碼(Convolutionalturbo code，CTC)的交織器設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：
Shannon編碼定理指出如果采用足夠長的隨機(jī)編碼，就能逼近Shannon信道容量。但是傳統(tǒng)的編碼都有規(guī)則的代數(shù)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上“隨機(jī)”；同時(shí)，出于譯碼復(fù)雜度的考慮，碼長也不可能太長。所以傳統(tǒng)的信道編碼性能與信道容量之間都有較大的差距。事實(shí)上，長期以來信道容量僅作為一個(gè)理論極限存在，實(shí)際的編碼方案設(shè)計(jì)和評估都沒有以Shannon限為依據(jù)。信息論誕生50多年以來，人們一直努力尋找更加接近Shannon限、誤差概率小的的編碼方法。
1993年出現(xiàn)了一種全新的編碼方式——Turbo碼。它巧妙地將兩個(gè)簡單分量碼通過偽隨機(jī)交織器并行級(jí)聯(lián)來構(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的長碼，并通過在兩個(gè)軟入/軟出(SISO)譯碼器之間進(jìn)行多次迭代實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼。仿真結(jié)果表明，在AWGN信道下，碼率為12的Turbo碼在達(dá)到誤比特率(BER)≤10-5時(shí)，0ENb僅為約0.7dB(這種情況下達(dá)到信道容量的理想0ENb值為0db)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他的編碼方式。
從第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)候選方案來看，普遍要求提供中速或者高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，一般的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道為64kbps，144kbps，384kbps。在信噪比低的無線信道中，Turbo碼的性能要優(yōu)異的多，比較用于第二代移動(dòng)通信中的級(jí)聯(lián)RS加卷積碼，Turbo碼性能可提高1dB以上。所以IMT-2000多種方案中，已經(jīng)將Turbo碼做為傳輸高速數(shù)據(jù)的信道編碼標(biāo)準(zhǔn)之一。
已在Turbo碼的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了卷積Turbo碼，它是廣泛被采用的一種Quandary Turbo code。卷積Turbo碼是很靈活的碼字，幀長和碼率的變化范圍很大，它采用遞歸系統(tǒng)卷積碼作為子碼，相對于經(jīng)典Turbo碼，它具有編碼效率高，相同復(fù)雜度譯碼器下糾錯(cuò)性能好以及譯碼時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn)，因此被選擇做為WiMax標(biāo)準(zhǔn)中的信道編碼方案之一。
圖1是傳統(tǒng)卷積Turbo碼所使用的編碼器100，其包括CTC交織器110和編碼器120。在卷積Turbo碼中，交織器110的作用是將原始數(shù)據(jù)序列A、B打亂，使得交織前后數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性減弱，這樣做突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)便是大大降低了數(shù)據(jù)突發(fā)錯(cuò)誤的影響，以進(jìn)一步提高抗干擾性能。另一方面，解交織器將交織器打亂的字節(jié)序列重新排列恢復(fù)原始碼字。
高數(shù)據(jù)率的通信系統(tǒng)要求有高吞吐量的譯碼器，而并行譯碼是高吞吐量的譯碼器的一種有效實(shí)現(xiàn)方法。對于采用并行譯碼的Turbo碼，交織器的設(shè)計(jì)是決定其性能和譯碼器吞吐量的關(guān)鍵因素。然而現(xiàn)有的用于卷積Turbo碼的交織器不容易實(shí)現(xiàn)并行處理。另外，傳統(tǒng)卷積Turbo碼交織器還有內(nèi)存不夠節(jié)約的缺陷。
Oscar Y.Takeshita在”O(jiān)n maximum Contention-Free Interleaversand Permutation Polynomials over Integer Rings”(IEEE Transactions，April 28，2005)中，提出了一種用于經(jīng)典Turbo碼的二次群交織器，能夠用多個(gè)處理器并行處理turbo碼的迭代解碼，并且取得良好的比特誤碼性能。Takeshita的二次群交織器主要用于經(jīng)典Turbo碼，只能用于一個(gè)數(shù)據(jù)流的交織，同時(shí)很難發(fā)現(xiàn)有對稱的交織和解交織結(jié)構(gòu)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于卷積Turbo編碼的交織器和解交織器，該交織器可以實(shí)現(xiàn)較佳比特誤碼性能下的并行處理，且解交織器和交織器對稱。
本發(fā)明提出一種卷積Turbo碼交織器，包括交換器、第一子交織器及第二子交織器。交換器用以對輸入的長度為N的第一、第二數(shù)據(jù)流每隔1數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交換。第一子交織器對交換后的第一數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第一子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)。第二子交織器對交換后的第二數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第二子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
本發(fā)明還提出一種卷積Turbo碼解交織器，用以對經(jīng)過上述的交織器交織后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織，該解交織器包括交換器、第一子解交織器及第二子解交織器。交換器用以對輸入的長度為N的第一、第二數(shù)據(jù)流每隔1數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交換；第一子解交織器對交換后的第二數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第一子解交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(modN)。第二子解交織器對交換后的第一數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第二子解交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
基于上述的交織器、解交織器對稱關(guān)系，本發(fā)明再提出一種卷積Turbo碼交織器及解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)，包括切換開關(guān)、交換器、第一子交織器及第二子交織器。切換開關(guān)接收長度為N的第一、第二數(shù)據(jù)流，并根據(jù)一切換信號(hào)是否對第一、第二數(shù)據(jù)流進(jìn)行切換。交換器用以該第一、第二數(shù)據(jù)流每隔1數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交換。第一子交織器對交換后的第一數(shù)據(jù)流和第二數(shù)據(jù)流之其一進(jìn)行交織操作，其中該第一子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)。第二子交織器對交換后的第一數(shù)據(jù)流和第二數(shù)據(jù)流之另一進(jìn)行交織操作，其中該第二子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
其中，當(dāng)未對輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行切換時(shí)，上述交織器及解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)是作為上述交織器使用，而當(dāng)切換輸入數(shù)據(jù)流時(shí)，上述交織器解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)是作為上述解交織器使用。
其中，在上述的交織器、解交織器中，交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(modN)滿足 如果

or 4|N(即nN，2≠1)，則gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，

使得nN，p≥1； 如果2|N and

(即nN，2＝1)，則f1+f2是奇數(shù)，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，

使得p≠2且nN，p≥1； 其中P為素?cái)?shù)集。
本發(fā)明的交織器和解交織器所達(dá)到的誤碼率性能可以比WiMax標(biāo)準(zhǔn)中的誤碼率性能更好，但是由于使用了代數(shù)二次多項(xiàng)式交織器，因此非常方便并行處理，并且對稱的交織和解交織結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)存需要，使得交織器和解交織器可以采用相同地址譯碼方式。



圖1是傳統(tǒng)卷積Turbo碼所使用的編碼器。
圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的交織器示意圖。
圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的解交織器示意圖。
圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的交織器和解交織器復(fù)用的示意圖。
圖5是本發(fā)明的交織器與Wimax標(biāo)準(zhǔn)中的交織器性能比較圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明所提出的一種用于卷積Turbo碼的交織器，是在卷積Turbo碼中結(jié)合了改進(jìn)的Takeshita的二次群代數(shù)交織器，它可以實(shí)現(xiàn)卷積Turbo碼的并行譯碼處理，由此突破了二次群代數(shù)交織器的應(yīng)用局限，并意想不到地得到了對稱的交織器和解交織器結(jié)構(gòu)。
根據(jù)Takeshita的工作，我們知道下面的關(guān)于二次多項(xiàng)式的引理定理。
我們稱一個(gè)二次多項(xiàng)式為一個(gè)交織二次多項(xiàng)式，當(dāng)且僅當(dāng)該多項(xiàng)式滿足給定一個(gè)整數(shù)N，二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)，當(dāng)x的元素是{0，1，2...N-1}時(shí)，f(x)的結(jié)果仍然是集合{0，1，2...N-1}，而且每個(gè)元素僅出現(xiàn)一次。
設(shè)素?cái)?shù)集P＝{2，3，5，7，...}，則任意整數(shù)N可分解為對有限數(shù)p，nN，p≥1，否則nN，p＝1。例如N＝120＝23×31×51，N120，2＝3，N120，3＝1。
對于2個(gè)整數(shù)a，b，我們把a(bǔ)能夠整除b表示為a|b，不能整除表示為

a，b最大公約數(shù)表示為gcd(a，b)。
一個(gè)交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(modN)必須滿足 如果

or 4|N(即，nN，2≠1)，gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，

使得nN，p≥1； 如果2|N and

(即，nN，2＝1)， f1+f2是奇數(shù)，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，

使得p≠2且nN，p≥1。
舉例來說，N＝120， f1需要與N＝120互素，因此可選f1＝11； 同時(shí)，f2＝22×31×51＝60。
因此，f(x)＝11x+60x2(mod 120)。
對于一個(gè)交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)存在一個(gè)可逆交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，也就是滿足x≡g(f(x))。
上述推導(dǎo)過程的更多細(xì)節(jié)請參見”O(jiān)n maximum Contention-FreeInterleavers and Permutation Polynomials over Integer Rings”(Oscar Y.Takeshita，IEEE Transactions，April 28，2005)。
由此，我們得到了2個(gè)可逆的交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(modN)以及g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，它們可產(chǎn)生最大無競爭(maximumcontention-free，MCF)交織器，也就是說，對于交織器長度N，采用該交織二次多項(xiàng)式的交織器能夠使譯碼時(shí)可以對以N分成的M個(gè)長度為W的窗口進(jìn)行并行處理，其中M＝N/W。下面就來描述利用這種交織二次多項(xiàng)式的卷積Turbo碼用交織器。
參照圖2所示，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的交織器結(jié)構(gòu)200包括第一子交織器210以及第二子交織器220，其中第一子交織器210滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(modN)，第一子交織器220滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
交織器200中輸入數(shù)據(jù)流A，B，假定A，B數(shù)據(jù)流長度為N，其中A對應(yīng)于第一子交織器210，B對應(yīng)于第二子交織器220。
在進(jìn)入各子交織器之前，A，B數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過一交換器202，使數(shù)據(jù)流A，B中的數(shù)據(jù)每隔一個(gè)作交換，也就是A(i)＝B(i)，i＝1，3，5，...，N-1，從而獲得交換后數(shù)據(jù)流A1，B1。當(dāng)然，也可對偶數(shù)次序的的數(shù)進(jìn)行交互。經(jīng)過交換器201交換后的A1，B1數(shù)據(jù)流通過代數(shù)二次多項(xiàng)式交織器210和220。其中A1數(shù)據(jù)流通過由交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(modN)定義的子交織器210，B1數(shù)據(jù)流通過由交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(modN)定義的子交織器220。
在各子交織器210、220中，分別對長度N的數(shù)據(jù)流A1、B1進(jìn)行交織操作，以得到交織后數(shù)據(jù)流A2、B2。
對于解交織器的設(shè)計(jì)，可以完全復(fù)用交織器，只需要切換輸入數(shù)據(jù)源即可。請參照圖3，數(shù)據(jù)流A’、B’經(jīng)過交換器302交換后成為數(shù)據(jù)流A’1，B’1，其中B’1數(shù)據(jù)流通過由交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)定義的子解交織器310，得到數(shù)據(jù)流B’2；A’1數(shù)據(jù)流通過由交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(modN)定義的子解交織器320，得到數(shù)據(jù)流A’2。經(jīng)過解交織器300之后的數(shù)據(jù)B’2、A’2再經(jīng)過譯碼，即可得到原始輸入數(shù)據(jù)A、B。
根據(jù)前面的論述，我們知道應(yīng)用這種交織器200以及解交織器300，能夠在譯碼時(shí)使多個(gè)譯碼器對以N分成的M個(gè)長度為W的窗口進(jìn)行并行處理，其中M＝N/W。具體地說，在譯碼涉及的內(nèi)存讀取過程中，可以將內(nèi)存分為M個(gè)窗口，而由數(shù)量不大于M的多個(gè)譯碼器互不競爭地讀取各個(gè)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)，這種并行處理可以有效提高譯碼速度。
基于上述交織器和解交織器的對稱結(jié)構(gòu)，可以用一個(gè)復(fù)用的交織器-解交織器結(jié)構(gòu)來提供上述交織和解交織操作功能。圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的交織器和解交織器復(fù)用的示意圖，參照圖3所示，此交織器-解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)400包括一切換開關(guān)401、一交換器402、一第一子交織器410、以及一第二子交織器420。其中交換器402、第一子交織器410以及第二子交織器420的結(jié)構(gòu)可與圖2所示的交換器202、第一子交織器210以及第二子交織器220相同。
承接上述，切換開關(guān)401根據(jù)一切換信號(hào)Swh控制是否切換數(shù)據(jù)流A、B。當(dāng)未對數(shù)據(jù)流A、B進(jìn)行切換時(shí)，此交織器-解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)400是作為一交織器使用，而當(dāng)切換數(shù)據(jù)流A、B時(shí)，此交織器-解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)400是作為一解交織器使用。這種對稱的交織和解交織結(jié)構(gòu)可降低內(nèi)存需要。為進(jìn)一步減少可存儲(chǔ)器需要實(shí)現(xiàn)量，交織器、解交織器設(shè)計(jì)采用相同地址翻譯方式對交織器、解交織器的讀或?qū)懙牡刂愤M(jìn)行變換；尤其是這種對稱結(jié)構(gòu)，使得交織器和解交織器可以采用相同地址譯碼方式，這是Takeshita等人的用于單個(gè)數(shù)據(jù)流的交織器所不具有的特性。
圖5分別用本發(fā)明提出的交織器和WiMax標(biāo)準(zhǔn)中的交織器作誤碼率性能仿真對比，可以看出本發(fā)明的交織器的誤碼率性能甚至比標(biāo)準(zhǔn)中的性能更好。但是本發(fā)明的方案相比WiMax標(biāo)準(zhǔn)中的交織器具有更容易并行處理、具有對稱結(jié)構(gòu)、節(jié)約內(nèi)存和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種卷積Turbo碼交織器，包括
交換器，用以對輸入的長度為N的第一、第二數(shù)據(jù)流每隔1數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交換；
第一子交織器，對交換后的第一數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第一子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)；
第二子交織器，對交換后的第二數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第二子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。
2、如權(quán)利要求1所述的卷積Turbo碼交織器，其特征在于，所述交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)滿足
如果2+N or 4|N，則gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，
使得nN，p≥1；
如果2|N and 4+N，則f1+f2是奇數(shù)，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1；
其中P為素?cái)?shù)集。
3、一種卷積Turbo碼解交織器用以對經(jīng)過權(quán)利要求1所述的交織器交織后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織，該解交織器包括
交換器，用以對輸入的長度為N的第一、第二數(shù)據(jù)流每隔1數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交換；
第一子解交織器，對交換后的第二數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第一子解交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)；
第二子解交織器，對交換后的第一數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第二子解交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。
4、如權(quán)利要求3所述的卷積Turbo碼解交織器，其特征在于，所述交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)滿足
如果2+N or 4|N，則gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，
使得nN，p≥1；
如果2|N and 4+N，則f1+f2是奇數(shù)，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1；
其中P為素?cái)?shù)集。
5、一種卷積Turbo碼交織器及解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)，包括
切換開關(guān)，接收長度為N的第一、第二數(shù)據(jù)流，并根據(jù)一切換信號(hào)是否對第一、第二數(shù)據(jù)流進(jìn)行切換；
交換器，用以該第一、第二數(shù)據(jù)流每隔1數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交換；
第一子交織器，對交換后的第一數(shù)據(jù)流和第二數(shù)據(jù)流之其一進(jìn)行交織操作，其中該第一子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)；
第二子交織器，對交換后的第一數(shù)據(jù)流和第二數(shù)據(jù)流之另一進(jìn)行交織操作，其中該第二子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。
6、如權(quán)利要求5所述的交織器及解交織器復(fù)用結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)滿足
如果2+N or 4|N，則gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，
使得nN，p≥1；
如果2|N and 4+N，則f1+f2是奇數(shù)，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1；
其中P為素?cái)?shù)集。
全文摘要
本發(fā)明提出一種卷積Turbo碼交織器及解交織器，其中交織器包括交換器、第一子交織器及第二子交織器。交換器用以對輸入的長度為N的第一、第二數(shù)據(jù)流每隔1數(shù)據(jù)進(jìn)行相互交換。第一子交織器對交換后的第一數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第一子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)。第二子交織器對交換后的第二數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織操作，其中該第二子交織器是滿足交織二次多項(xiàng)式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。另外，解交織器可以完全復(fù)用交織器。本發(fā)明的交織器可以實(shí)現(xiàn)較佳比特誤碼性能下的并行處理，且解交織器和交織器對稱。
文檔編號(hào)H03M13/27GK101582737SQ20081003742
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者華 魏, 玲 呂 申請人:展訊通信(上海)有限公司