专利名称：实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种移动通信技术领域的方法，具体是一种实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法。
背景技术：
在数字移动通信的传播环境中，由于移动台和基站之间的各种障碍物所产生的反射、绕射和散射等现象，接收信号通常由多径信号成分组成。根据发送信号与信道变化快慢 程度的比较，当信道冲激响应在符号周期内变化很快时，这种信道称为快衰落信道。快衰落 信道中，由于多普勒扩展引起频率色散，从而导致了信号失真。在机载通信系统中，由于应 用场景中存在低仰角通信，以及移动节点间较高的相对移动速度，造成可以达到kHz级别 的多频率频展，此时快速衰落问题尤为突出。这种明显的多普勒快衰严重恶化接收机性能。在衰落信道中，由于Rayleigh或Rician衰落等脉冲噪声造成突发错误，交织器可 以对付这种突发错误。实际使用中，在发送端纠错编码器后接数字交织单元，接收端解调后 接去交织，通过交织去交织电路的作用，将突发错误信道改造成了独立的随机错误信道，从 而将突发错误离散化，使得突发错误散布在纠错解码器纠错范围之内，提高了信道纠错能 力。交织技术根本的思想就是在时间上分离码元，将一个有记忆信道成功转变为无记 忆信道，从而使得纠随机错误的编码同样适用于噪声突发信道。常用的交织器有块交织器 和卷积交织器两类。电平交叉率(LCR，level crossing rate)是指衰落包络归一化为本地rms信 号电平后，沿正向穿过某一指定电平(R)的速率。平均衰落时段(AFD，average fading duration)定义为接收信号低于某指定电平(R)的平均时间段的值。信号平均衰落时段有 助于确定衰落期间最可能丢失的信号比特数。目前现有的交织器技术主要配合编码一起使用，考虑对象为脉冲噪声信道，脉冲 长度一般取经验值，没有考虑具体的衰落信道特性。由于快衰落信道的多普勒频展比较严 重，目前的交织器技术存在不足以满足系统性能需求以及交织器延时过大的问题。经对现有文献的检索发现，北京航天航空大学的李永会和张其善等人在“衰落信 道中基于多普勒频率测量的自适应交织器”(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，利用测量得到的多普 勒频率计算相干时间，通过交织把相干时间内的比特通过块交织分散到相干时间之外，由 于多普勒频率不同，相干时间也不同，同时考虑系统延时和误码率(BER)性能最优化，用自 适应选择的方法选择交织器深度。这种方法提出了衰落信道下利用多普勒频率设计交织 器，但较为复杂，需要自适应过程。同时，该技术中的交织器为块交织器，且多普勒频率、突 发错误长度和交织器深度这三者之间没有准确的定量关系，因此没有达到交织延时的最优化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种实现衰落信道中交织器降 低存储空间和交织延时的方法。本发明根据衰落信道的电平交叉率和平均衰落时间得到突 发差错长度，确定交织器的类型和参数，实现了降低存储空间和交织延时，该方法用于快衰 落信道中系统性能提高更明显。本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤步骤1，提取衰减信道中的多普勒频率展宽范围，取该范围中最小的值fd，同时提 取Rician (瑞森)信道下的Rician功率因子K，并对fd和K进行预处理，得到无LDPC (低 密度奇偶校验码)编码时的误码门限P6和门限电平R。所述的预处理，具体是得到通信系统在多普勒频率fd和Rician功率因子K下 AffGN信道和衰落信道中有LDPC编码和无LDPC编码的误码率BER性能曲线图，在该曲线图 中找出衰落信道中无LDPC编码时误码门限Pe，进而根据下面的公式得到无LDPC编码时的 门限电平R ；Pe=I-Q(42K, ^2(K + \)R)，其中Q( ·)代表Marcum函数。步骤2，根据多普勒频率fd、RiCian功率因子K和门限电平R，得到每秒电平交叉的 数目Nk、平均衰落时间T，进而得到衰落时段内突发错误比特数m和交叉间隔比特数N2。所述的每秒电平交叉的数目Νκ，具体是当 衰 落 信 道 是 Rician衰 落 信 道 时， Nr = ^2π(Κ + \)fdpeWK+X)p2]I0{lp^K{K +1))；当衰落信道是Rayleigh (瑞利)衰落信道时，Λ。= ‘力/^一一 ；
R其中/ = ^~，RMS代表功率电平的均方根值。
rms所述的平均衰落时间T，具体是当衰落信道是—衰落信道时，+； 当衰落信道是Rayleigh衰落信道时， = ^ ； R其中= f，Rrms代表功率电平的均方根值，Q( ·)代表Marcum函数。
rms
ψ所述的衰落时段内突发错误比特数Ni，具体是 .扒=-·’其中Tb是系统的单位比特周期。
HNr所述的交叉间隔比特数Ν2，具体是:Ν2 = ~^·，其中Tb是系统的单位比特周期。
步骤3，根据多普勒频率fd与系统基带信号带宽的关系，确定交织器的类型，其中当多普勒频率fd大于基带信号带宽时，选择卷积交织器；当多普勒频率fd小于或者等于基 带信号宽度时，选择块交织器或者卷积交织器。步骤4，根据衰落时段内突发错误比特数Ni、交叉间隔比特数N2和交织器的类型， 确定交织器的参数，即交织深度和单位深度，其中当交织器的类型是卷积交织器时，交 织深度Bwr= N2/N1，单位深度Mew= N1*N1/N2 ；当交织器的类型是块交织器时，交织深度 Btt= Ni，单位深度 Mtt= N2/N1。与现有技术相比，本发明的有益效果是对于衰落信道，利用电平交叉率和平均衰 落时间得到突发差错长度，确定交织器的类型和参数，实现了降低存储空间和交织延时，该 方法用于快衰落信道中系统性能提高更明显，而且方法简单、实用。
图1是实施例在AWGN(加性高斯白噪声)信道和Rician信道中有无LDPC编码的 系统性能仿真图；图2是实施例中系统使用不同参数交织器时的系统误码率性能仿真图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的方法进一步描述本实施例在以本发明技术方案为提前 下进行实施，给出了详细的实施方案和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的 实施例。实施例本实施例包括以下步骤步骤1，提取衰减信道中的多普勒频率展宽范围，取该范围中最小的值fd，同时提 取Rician信道下的Rician功率因子K，并对fd和K进行预处理，得到无LDPC编码时的误 码门限P6和门限电平R。所述的提取衰减信道中的多普勒频率展宽范围，具体是取每一个信道冲激响 应重对应位置的值，采用Welch估计对其进行谱估计得到衰减信道中的多普勒频率展宽 范围，本实施例得到的多普勒频率展宽范围是1620Ηζ-3500Ηζ，该范围内最小的值fd = 1620Hz。所述的提取Rician信道下的Rician功率因子K，具体是根据系统输出的相关后 的信道冲激响应值，采用时间片段估计方法，得到Rician功率因子K，本实施例的Rician 功率因子 K = 10 (参考: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“基于时间片段估计Rician因子K的方法”)。所述的预处理，包括步骤为1)得到通信系统在多普勒频率fd = 1620Hz和Rician功率因子K = 10下AWGN 信道和衰落信道中有LDPC编码和无LDPC编码的误码率BER性能曲线图，如图1所示；2)设定无误码门限T (本实施例T = 3e-6)，得到AWGN信道中LDPC编码在此无误 码门限T下的电平值(SNR_AWGN_LDPC)值为2. 642dB ；
3)根据图1中SNR_AWGN_LDPC在AWGN信道的BER曲线图找到该SNR值对应的在无 LDPC 码情况的误码门限 Pe = 0. 0826，即 BER_AWGN_without_LDPC，此 BER 值就代表了 LDPC 码的纠错能力。BER_AWGN_without_LDPC对应Rician信道没有LDPC对应的电平值SNR_ Rician_without_LDPC 为 4. ldB。即在电平值 SNR_Rician_without_LDPC 下，理想的交织器 将突发错误分散为随机错误，然后LDPC的纠错能力BER_AWGN_with0Utrms_LDPC将误码降 低到无误码门限T ；4)通过误码门限Pe和门限电平R的关系式，由Pe = 0. 0826得到在此误码门限Pe 下的门限电平R = O. 6859，即在此门限电平R下，加上LDPC编码能使误码性能低至无误码 门限T。所述的误码门限P6和门限电平R的关系式，具体是 N χ —
Pe ~ 一秒时间总比特数“TT^r Rρ(ν ，ν ())，其中ΝΚ代表每秒电平交叉的数目，T代表平均衰落时段，Tb代表系统的单位比特 周期，K代表Rician功率因子，R代表电平交叉门限，Q ( ·)代表Marcum函数。步骤2，根据多普勒频率fd、RiCian功率因子K和门限电平R，得到每秒电平交叉的 数目Nk、平均衰落时间T，进而得到衰落时段内突发错误比特数m和交叉间隔比特数N2。所述的每秒电平交叉的数目Νκ，具体是当 衰 落 信 道 是 Rician衰 落 信 道 时， Nr = ^2π(Κ + \)fdpe[-K-iK+l^\(2p^K(K +1))；当衰落信道是Rayleigh衰落信道时，Λ。·,
R其中= j一，Rrms代表功率电平的均方根值。
rms所述的平均衰落时间丁，具体是
当衰落信道是Rician衰落信道时，、+ ；当衰落信道是Rayleigh衰落信道时， = 二 ；
R其中= f，Rrms代表功率电平的均方根值，Q( ·)代表Marcum函数。
rms
ψ所述的衰落时段内突发错误比特数Ni，具体是 .扒=-·’其中Tb是系统的单位比特周期。
1/N所述的交叉间隔比特数N2，具体是:Ν2 = ~^·，
H其中Tb是系统的单位比特周期。步骤3，根据多普勒频率fd与系统基带信号带宽的关系，确定交织器的类型，其中 当多普勒频率fd大于基带信号带宽时，选择卷积交织器；当多普勒频率fd小于或者等于基带信号宽度时，选择块交织器或者卷积交织器。本实施例选择卷积交织器。步骤4，根据衰落时段内突发错误比特数Ni、交叉间隔比特数N2和交织器的类型，确定交织器的参数，其中当交织器的类型是卷积交织器时，交织深度Bew= N2/N1，单位深 度M卷积=N1*N1/N2 ；当交织器的类型是块交织器时，交织深度Btt= Ni，单位深度Mtt= N2/ Ni。本实施例卷积交织器的交织深度B = 12，单位深度N = 448。图1是本实施例在AWGN信道和Rician信道中有无LDPC编码的系统性能仿真图， 从图1可以看到，理想交织器使Rice信道在有LDPC情况下，信噪比SNR = 4. IdB时可以达 到3e_6误码性能(根据可视门限(Threshold of Visibility)定义，误码低于3e_6可视 作无误码)。图2是实施例中系统使用不同参数交织器时的系统误码率性能仿真图，从图2 可知SNR = 4. 3dB时，24X448卷积交织已经可以达到3e_6误码性能，24X448卷积交织已经 接近这种理想交织器性能。然而，Bew从12增大到16和24，存储空间相对于12X448卷积 交织分别增加了 82%，318%，存储空间增大比例很大，但使BER数量级到e_6的SNR只下降 了 IdB左右。而当Bew减小到8和6时，存储空间相对于12X448卷积交织分别降低了 58% 和77%，而SNR需要增加到IOdB左右才能达到e-6数量级的误码率性能。因此本实施例设 计的12X448卷积交织已经相当接近理想交织器的的性能。由于理想交织器存储空间和造 成的延时太大，不适用于实际系统，由此验证得到本实施例设计的交织器在误码率性能和 存储空间(时延)综合考虑上是为最优。
权利要求
一种实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，提取衰减信道中的多普勒频率展宽范围，取该范围中最小的值fd，同时提取Rician信道下的Rician功率因子K，并对fd和K进行预处理，得到无LDPC编码时的误码门限Pe和门限电平R；步骤2，根据多普勒频率fd、Rician功率因子K和门限电平R，得到每秒电平交叉的数目NR、平均衰落时间τ，进而得到衰落时段内突发错误比特数N1和交叉间隔比特数N2；步骤3，根据多普勒频率fd与系统基带信号带宽的关系，确定交织器的类型，其中当多普勒频率fd大于基带信号带宽时，选择卷积交织器；当多普勒频率fd小于或者等于基带信号宽度时，选择块交织器或者卷积交织器；步骤4，根据衰落时段内突发错误比特数N1、交叉间隔比特数N2和交织器的类型，确定交织器的参数，即交织深度和单元深度，其中当交织器的类型是卷积交织器时，交织深度B卷积＝N2/N1，单位深度M卷积＝N1*N1/N2；当交织器的类型是块交织器时，交织深度B块＝N1，单位深度M块＝N2/N1。
2.根据权利要求1所述的实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法，其 特征是，步骤1中所述的预处理，具体是得到通信系统在多普勒频率fd和Rician功率因 子K下AWGN信道和衰落信道中有LDPC编码和无LDPC编码的误码率BER性能曲线图，在该 曲线图中找出衰落信道中无LDPC编码时误码门限Pe，进而根据下面的公式得到无LDPC编 码时的门限电平R ；<formula>formula see original document page 2</formula>其中Q( ·)代表Marcum函数。
3.根据权利要求1所述的实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法，其 特征是，步骤2中所述的每秒电平交叉的数目Νκ，具体是当衰落信道是 Rician 衰落信道时-.<formula>formula see original document page 2</formula>当衰落信道是Rayleigh衰落信道中，<formula>formula see original document page 2</formula>其中p=r/Rrms, Rrms代表功率电平的均方根值。
4.根据权利要求1所述的实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法，其 特征是，步骤2中所述的平均衰落时间τ，具体是当衰落信道是Rician衰落信道时，<formula>formula see original document page 2</formula>当衰落信道是Rayleigh衰落信道时，<formula>formula see original document page 2</formula>其中p=r/Rrms, Rrms代表功率电平的均方根值，Q(·)代表Marcum函数。
5.根据权利要求1所述的实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法，其 特征是，步骤2中所述的衰落时段内突发错误比特数m，具体是<formula>formula see original document page 3</formula>其中Tb是系统的单位比特周期。
6.根据权利要求1所述的实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法，其 特征是，步骤2中所述的交叉间隔比特数N2，具体是<formula>formula see original document page 3</formula>其中Tb是系统的单位比特周期。
全文摘要
一种移动通信技术领域的实现衰落信道中交织器降低存储空间和交织延时的方法，包括以下步骤提取衰减信道中的最小多普勒频率和Rician功率因子，并得到无LDPC编码时的误码门限和门限电平；得到每秒电平交叉的数目、平均衰落时间，进而得到衰落时段内突发错误比特数和交叉间隔比特数；根据多普勒频率与系统基带信号带宽的关系，确定交织器的类型；根据衰落时段内突发错误比特数、交叉间隔比特数和交织器的类型，确定交织器的参数。本发明根据衰落信道的电平交叉率和平均衰落时间得到突发差错长度，从而确定交织器的类型和参数，进一步降低存储空间和交织延时，该方法用于快衰落信道中系统性能提高更明显。
文档编号H04L1/00GK101807972SQ201010127248
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者刘勃, 归琳, 林珠, 熊箭, 颜致挺 申请人:上海交通大学