實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法
2023-06-07 01:53:31
專利名稱：實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種移動通信技術領域的方法，具體是一種實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法。
背景技術：
在數字移動通信的傳播環境中，由於移動臺和基站之間的各種障礙物所產生的反射、繞射和散射等現象，接收信號通常由多徑信號成分組成。根據發送信號與信道變化快慢 程度的比較，當信道衝激響應在符號周期內變化很快時，這種信道稱為快衰落信道。快衰落 信道中，由於都卜勒擴展引起頻率色散，從而導致了信號失真。在機載通信系統中，由於應 用場景中存在低仰角通信，以及移動節點間較高的相對移動速度，造成可以達到kHz級別 的多頻率頻展，此時快速衰落問題尤為突出。這種明顯的都卜勒快衰嚴重惡化接收機性能。在衰落信道中，由於Rayleigh或Rician衰落等脈衝噪聲造成突發錯誤，交織器可 以對付這種突發錯誤。實際使用中，在發送端糾錯編碼器後接數字交織單元，接收端解調後 接去交織，通過交織去交織電路的作用，將突發錯誤信道改造成了獨立的隨機錯誤信道，從 而將突發錯誤離散化，使得突發錯誤散布在糾錯解碼器糾錯範圍之內，提高了信道糾錯能 力。交織技術根本的思想就是在時間上分離碼元，將一個有記憶信道成功轉變為無記 憶信道，從而使得糾隨機錯誤的編碼同樣適用於噪聲突發信道。常用的交織器有塊交織器 和卷積交織器兩類。電平交叉率(LCR，level crossing rate)是指衰落包絡歸一化為本地rms信 號電平後，沿正向穿過某一指定電平(R)的速率。平均衰落時段(AFD，average fading duration)定義為接收信號低於某指定電平(R)的平均時間段的值。信號平均衰落時段有 助於確定衰落期間最可能丟失的信號比特數。目前現有的交織器技術主要配合編碼一起使用，考慮對象為脈衝噪聲信道，脈衝 長度一般取經驗值，沒有考慮具體的衰落信道特性。由於快衰落信道的都卜勒頻展比較嚴 重，目前的交織器技術存在不足以滿足系統性能需求以及交織器延時過大的問題。經對現有文獻的檢索發現，北京航天航空大學的李永會和張其善等人在「衰落信 道中基於都卜勒頻率測量的自適應交織器」(Li Yong-hui, Zhang Qi-shan, He Hui-xia. Adaptiveinterleaver based on the measurement of Doppler shift in fading channe 1[C]//2001IEEEInternational Vehicle Electronics Conference(IVEC2001). Tottori, Japan [s. n. ], Sept. 2001 :233_236.) —文中提出的，在衰落信道中，利用測量得到的多普 勒頻率計算相干時間，通過交織把相干時間內的比特通過塊交織分散到相干時間之外，由 於都卜勒頻率不同，相干時間也不同，同時考慮系統延時和誤碼率(BER)性能最優化，用自 適應選擇的方法選擇交織器深度。這種方法提出了衰落信道下利用都卜勒頻率設計交織 器，但較為複雜，需要自適應過程。同時，該技術中的交織器為塊交織器，且都卜勒頻率、突 發錯誤長度和交織器深度這三者之間沒有準確的定量關係，因此沒有達到交織延時的最優化。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種實現衰落信道中交織器降 低存儲空間和交織延時的方法。本發明根據衰落信道的電平交叉率和平均衰落時間得到突 發差錯長度，確定交織器的類型和參數，實現了降低存儲空間和交織延時，該方法用於快衰 落信道中系統性能提高更明顯。本發明是通過以下技術方案實現的，包括以下步驟步驟1，提取衰減信道中的都卜勒頻率展寬範圍，取該範圍中最小的值fd，同時提 取Rician (瑞森)信道下的Rician功率因子K，並對fd和K進行預處理，得到無LDPC (低 密度奇偶校驗碼)編碼時的誤碼門限P6和門限電平R。所述的預處理，具體是得到通信系統在都卜勒頻率fd和Rician功率因子K下 AffGN信道和衰落信道中有LDPC編碼和無LDPC編碼的誤碼率BER性能曲線圖，在該曲線圖 中找出衰落信道中無LDPC編碼時誤碼門限Pe，進而根據下面的公式得到無LDPC編碼時的 門限電平R ；Pe=I-Q(42K, ^2(K + \)R)，其中Q( ·)代表Marcum函數。步驟2，根據都卜勒頻率fd、RiCian功率因子K和門限電平R，得到每秒電平交叉的 數目Nk、平均衰落時間T，進而得到衰落時段內突發錯誤比特數m和交叉間隔比特數N2。所述的每秒電平交叉的數目Νκ，具體是當 衰 落 信 道 是 Rician衰 落 信 道 時， Nr = ^2π(Κ + \)fdpeWK+X)p2]I0{lp^K{K +1))；當衰落信道是Rayleigh (瑞利)衰落信道時，Λ。= 『力/^一一 ；
R其中/ = ^~，RMS代表功率電平的均方根值。
rms所述的平均衰落時間T，具體是當衰落信道是—衰落信道時，+； 當衰落信道是Rayleigh衰落信道時， = ^ ； R其中= f，Rrms代表功率電平的均方根值，Q( ·)代表Marcum函數。
rms
ψ所述的衰落時段內突發錯誤比特數Ni，具體是 .扒=-·』其中Tb是系統的單位比特周期。
HNr所述的交叉間隔比特數Ν2，具體是:Ν2 = ~^·，其中Tb是系統的單位比特周期。
步驟3，根據都卜勒頻率fd與系統基帶信號帶寬的關係，確定交織器的類型，其中當都卜勒頻率fd大於基帶信號帶寬時，選擇卷積交織器；當都卜勒頻率fd小於或者等於基 帶信號寬度時，選擇塊交織器或者卷積交織器。步驟4，根據衰落時段內突發錯誤比特數Ni、交叉間隔比特數N2和交織器的類型， 確定交織器的參數，即交織深度和單位深度，其中當交織器的類型是卷積交織器時，交 織深度Bwr= N2/N1，單位深度Mew= N1*N1/N2 ；當交織器的類型是塊交織器時，交織深度 Btt= Ni，單位深度 Mtt= N2/N1。與現有技術相比，本發明的有益效果是對於衰落信道，利用電平交叉率和平均衰 落時間得到突發差錯長度，確定交織器的類型和參數，實現了降低存儲空間和交織延時，該 方法用於快衰落信道中系統性能提高更明顯，而且方法簡單、實用。
圖1是實施例在AWGN(加性高斯白噪聲)信道和Rician信道中有無LDPC編碼的 系統性能仿真圖；圖2是實施例中系統使用不同參數交織器時的系統誤碼率性能仿真圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的方法進一步描述本實施例在以本發明技術方案為提前 下進行實施，給出了詳細的實施方案和具體操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的 實施例。實施例本實施例包括以下步驟步驟1，提取衰減信道中的都卜勒頻率展寬範圍，取該範圍中最小的值fd，同時提 取Rician信道下的Rician功率因子K，並對fd和K進行預處理，得到無LDPC編碼時的誤 碼門限P6和門限電平R。所述的提取衰減信道中的都卜勒頻率展寬範圍，具體是取每一個信道衝激響 應重對應位置的值，採用Welch估計對其進行譜估計得到衰減信道中的都卜勒頻率展寬 範圍，本實施例得到的都卜勒頻率展寬範圍是1620Ηζ-3500Ηζ，該範圍內最小的值fd = 1620Hz。所述的提取Rician信道下的Rician功率因子K，具體是根據系統輸出的相關後 的信道衝激響應值，採用時間片段估計方法，得到Rician功率因子K，本實施例的Rician 功率因子 K = 10 (參考:L. J. Greenstein, D. G. Michelson, and V. Erceg, "Moment method estimationof the Ricean K-factor,，，in IEEE Communications Letters, vol. 3, No. 6, pp. 175-176，June 1999.即「基於時間片段估計Rician因子K的方法」)。所述的預處理，包括步驟為1)得到通信系統在都卜勒頻率fd = 1620Hz和Rician功率因子K = 10下AWGN 信道和衰落信道中有LDPC編碼和無LDPC編碼的誤碼率BER性能曲線圖，如圖1所示；2)設定無誤碼門限T (本實施例T = 3e-6)，得到AWGN信道中LDPC編碼在此無誤 碼門限T下的電平值(SNR_AWGN_LDPC)值為2. 642dB ；
3)根據圖1中SNR_AWGN_LDPC在AWGN信道的BER曲線圖找到該SNR值對應的在無 LDPC 碼情況的誤碼門限 Pe = 0. 0826，即 BER_AWGN_without_LDPC，此 BER 值就代表了 LDPC 碼的糾錯能力。BER_AWGN_without_LDPC對應Rician信道沒有LDPC對應的電平值SNR_ Rician_without_LDPC 為 4. ldB。即在電平值 SNR_Rician_without_LDPC 下，理想的交織器 將突發錯誤分散為隨機錯誤，然後LDPC的糾錯能力BER_AWGN_with0Utrms_LDPC將誤碼降 低到無誤碼門限T ；4)通過誤碼門限Pe和門限電平R的關係式，由Pe = 0. 0826得到在此誤碼門限Pe 下的門限電平R = O. 6859，即在此門限電平R下，加上LDPC編碼能使誤碼性能低至無誤碼 門限T。所述的誤碼門限P6和門限電平R的關係式，具體是 N χ —
Pe ~ 一秒時間總比特數「TT^r Rρ(ν ，ν )，其中ΝΚ代表每秒電平交叉的數目，T代表平均衰落時段，Tb代表系統的單位比特 周期，K代表Rician功率因子，R代表電平交叉門限，Q ( ·)代表Marcum函數。步驟2，根據都卜勒頻率fd、RiCian功率因子K和門限電平R，得到每秒電平交叉的 數目Nk、平均衰落時間T，進而得到衰落時段內突發錯誤比特數m和交叉間隔比特數N2。所述的每秒電平交叉的數目Νκ，具體是當 衰 落 信 道 是 Rician衰 落 信 道 時， Nr = ^2π(Κ + \)fdpe[-K-iK+l^\(2p^K(K +1))；當衰落信道是Rayleigh衰落信道時，Λ。·,
R其中= j一，Rrms代表功率電平的均方根值。
rms所述的平均衰落時間丁，具體是
當衰落信道是Rician衰落信道時，、+ ；當衰落信道是Rayleigh衰落信道時， = 二 ；
R其中= f，Rrms代表功率電平的均方根值，Q( ·)代表Marcum函數。
rms
ψ所述的衰落時段內突發錯誤比特數Ni，具體是 .扒=-·』其中Tb是系統的單位比特周期。
1/N所述的交叉間隔比特數N2，具體是:Ν2 = ~^·，
H其中Tb是系統的單位比特周期。步驟3，根據都卜勒頻率fd與系統基帶信號帶寬的關係，確定交織器的類型，其中 當都卜勒頻率fd大於基帶信號帶寬時，選擇卷積交織器；當都卜勒頻率fd小於或者等於基帶信號寬度時，選擇塊交織器或者卷積交織器。本實施例選擇卷積交織器。步驟4，根據衰落時段內突發錯誤比特數Ni、交叉間隔比特數N2和交織器的類型，確定交織器的參數，其中當交織器的類型是卷積交織器時，交織深度Bew= N2/N1，單位深 度M卷積=N1*N1/N2 ；當交織器的類型是塊交織器時，交織深度Btt= Ni，單位深度Mtt= N2/ Ni。本實施例卷積交織器的交織深度B = 12，單位深度N = 448。圖1是本實施例在AWGN信道和Rician信道中有無LDPC編碼的系統性能仿真圖， 從圖1可以看到，理想交織器使Rice信道在有LDPC情況下，信噪比SNR = 4. IdB時可以達 到3e_6誤碼性能(根據可視門限(Threshold of Visibility)定義，誤碼低於3e_6可視 作無誤碼)。圖2是實施例中系統使用不同參數交織器時的系統誤碼率性能仿真圖，從圖2 可知SNR = 4. 3dB時，24X448卷積交織已經可以達到3e_6誤碼性能，24X448卷積交織已經 接近這種理想交織器性能。然而，Bew從12增大到16和24，存儲空間相對於12X448卷積 交織分別增加了 82%，318%，存儲空間增大比例很大，但使BER數量級到e_6的SNR只下降 了 IdB左右。而當Bew減小到8和6時，存儲空間相對於12X448卷積交織分別降低了 58% 和77%，而SNR需要增加到IOdB左右才能達到e-6數量級的誤碼率性能。因此本實施例設 計的12X448卷積交織已經相當接近理想交織器的的性能。由於理想交織器存儲空間和造 成的延時太大，不適用於實際系統，由此驗證得到本實施例設計的交織器在誤碼率性能和 存儲空間(時延)綜合考慮上是為最優。
權利要求
一種實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，提取衰減信道中的都卜勒頻率展寬範圍，取該範圍中最小的值fd，同時提取Rician信道下的Rician功率因子K，並對fd和K進行預處理，得到無LDPC編碼時的誤碼門限Pe和門限電平R；步驟2，根據都卜勒頻率fd、Rician功率因子K和門限電平R，得到每秒電平交叉的數目NR、平均衰落時間τ，進而得到衰落時段內突發錯誤比特數N1和交叉間隔比特數N2；步驟3，根據都卜勒頻率fd與系統基帶信號帶寬的關係，確定交織器的類型，其中當都卜勒頻率fd大於基帶信號帶寬時，選擇卷積交織器；當都卜勒頻率fd小於或者等於基帶信號寬度時，選擇塊交織器或者卷積交織器；步驟4，根據衰落時段內突發錯誤比特數N1、交叉間隔比特數N2和交織器的類型，確定交織器的參數，即交織深度和單元深度，其中當交織器的類型是卷積交織器時，交織深度B卷積＝N2/N1，單位深度M卷積＝N1*N1/N2；當交織器的類型是塊交織器時，交織深度B塊＝N1，單位深度M塊＝N2/N1。
2.根據權利要求1所述的實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法，其 特徵是，步驟1中所述的預處理，具體是得到通信系統在都卜勒頻率fd和Rician功率因 子K下AWGN信道和衰落信道中有LDPC編碼和無LDPC編碼的誤碼率BER性能曲線圖，在該 曲線圖中找出衰落信道中無LDPC編碼時誤碼門限Pe，進而根據下面的公式得到無LDPC編 碼時的門限電平R ；formula see original document page 2其中Q( ·)代表Marcum函數。
3.根據權利要求1所述的實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法，其 特徵是，步驟2中所述的每秒電平交叉的數目Νκ，具體是當衰落信道是 Rician 衰落信道時-.formula see original document page 2當衰落信道是Rayleigh衰落信道中，formula see original document page 2其中p=r/Rrms, Rrms代表功率電平的均方根值。
4.根據權利要求1所述的實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法，其 特徵是，步驟2中所述的平均衰落時間τ，具體是當衰落信道是Rician衰落信道時，formula see original document page 2當衰落信道是Rayleigh衰落信道時，formula see original document page 2其中p=r/Rrms, Rrms代表功率電平的均方根值，Q(·)代表Marcum函數。
5.根據權利要求1所述的實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法，其 特徵是，步驟2中所述的衰落時段內突發錯誤比特數m，具體是formula see original document page 3其中Tb是系統的單位比特周期。
6.根據權利要求1所述的實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法，其 特徵是，步驟2中所述的交叉間隔比特數N2，具體是formula see original document page 3其中Tb是系統的單位比特周期。
全文摘要
一種移動通信技術領域的實現衰落信道中交織器降低存儲空間和交織延時的方法，包括以下步驟提取衰減信道中的最小都卜勒頻率和Rician功率因子，並得到無LDPC編碼時的誤碼門限和門限電平；得到每秒電平交叉的數目、平均衰落時間，進而得到衰落時段內突發錯誤比特數和交叉間隔比特數；根據都卜勒頻率與系統基帶信號帶寬的關係，確定交織器的類型；根據衰落時段內突發錯誤比特數、交叉間隔比特數和交織器的類型，確定交織器的參數。本發明根據衰落信道的電平交叉率和平均衰落時間得到突發差錯長度，從而確定交織器的類型和參數，進一步降低存儲空間和交織延時，該方法用於快衰落信道中系統性能提高更明顯。
文檔編號H04L1/00GK101807972SQ201010127248
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月19日 優先權日2010年3月19日
發明者劉勃, 歸琳, 林珠, 熊箭, 顏致挺 申請人:上海交通大學