专利名称：卷积Turbo码交织器和解交织器的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及卷积Turbo码(Convolutionalturbo code，CTC)的交织器设计。
背景技术：
Shannon编码定理指出如果采用足够长的随机编码，就能逼近Shannon信道容量。但是传统的编码都有规则的代数结构，远远谈不上“随机”；同时，出于译码复杂度的考虑，码长也不可能太长。所以传统的信道编码性能与信道容量之间都有较大的差距。事实上，长期以来信道容量仅作为一个理论极限存在，实际的编码方案设计和评估都没有以Shannon限为依据。信息论诞生50多年以来，人们一直努力寻找更加接近Shannon限、误差概率小的的编码方法。
1993年出现了一种全新的编码方式——Turbo码。它巧妙地将两个简单分量码通过伪随机交织器并行级联来构造具有伪随机特性的长码，并通过在两个软入/软出(SISO)译码器之间进行多次迭代实现了伪随机译码。仿真结果表明，在AWGN信道下，码率为12的Turbo码在达到误比特率(BER)≤10-5时，0ENb仅为约0.7dB(这种情况下达到信道容量的理想0ENb值为0db)，远远超过了其他的编码方式。
从第三代移动通信系统候选方案来看，普遍要求提供中速或者高速的数据业务，一般的数据业务信道为64kbps，144kbps，384kbps。在信噪比低的无线信道中，Turbo码的性能要优异的多，比较用于第二代移动通信中的级联RS加卷积码，Turbo码性能可提高1dB以上。所以IMT-2000多种方案中，已经将Turbo码做为传输高速数据的信道编码标准之一。
已在Turbo码的基础上，发展出了卷积Turbo码，它是广泛被采用的一种Quandary Turbo code。卷积Turbo码是很灵活的码字，帧长和码率的变化范围很大，它采用递归系统卷积码作为子码，相对于经典Turbo码，它具有编码效率高，相同复杂度译码器下纠错性能好以及译码时延小等优点，因此被选择做为WiMax标准中的信道编码方案之一。
图1是传统卷积Turbo码所使用的编码器100，其包括CTC交织器110和编码器120。在卷积Turbo码中，交织器110的作用是将原始数据序列A、B打乱，使得交织前后数据序列的相关性减弱，这样做突出的一个优点便是大大降低了数据突发错误的影响，以进一步提高抗干扰性能。另一方面，解交织器将交织器打乱的字节序列重新排列恢复原始码字。
高数据率的通信系统要求有高吞吐量的译码器，而并行译码是高吞吐量的译码器的一种有效实现方法。对于采用并行译码的Turbo码，交织器的设计是决定其性能和译码器吞吐量的关键因素。然而现有的用于卷积Turbo码的交织器不容易实现并行处理。另外，传统卷积Turbo码交织器还有内存不够节约的缺陷。
Oscar Y.Takeshita在”On maximum Contention-Free Interleaversand Permutation Polynomials over Integer Rings”(IEEE Transactions，April 28，2005)中，提出了一种用于经典Turbo码的二次群交织器，能够用多个处理器并行处理turbo码的迭代解码，并且取得良好的比特误码性能。Takeshita的二次群交织器主要用于经典Turbo码，只能用于一个数据流的交织，同时很难发现有对称的交织和解交织结构。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于卷积Turbo编码的交织器和解交织器，该交织器可以实现较佳比特误码性能下的并行处理，且解交织器和交织器对称。
本发明提出一种卷积Turbo码交织器，包括交换器、第一子交织器及第二子交织器。交换器用以对输入的长度为N的第一、第二数据流每隔1数据进行相互交换。第一子交织器对交换后的第一数据流进行交织操作，其中该第一子交织器是满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)。第二子交织器对交换后的第二数据流进行交织操作，其中该第二子交织器是满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
本发明还提出一种卷积Turbo码解交织器，用以对经过上述的交织器交织后的数据进行解交织，该解交织器包括交换器、第一子解交织器及第二子解交织器。交换器用以对输入的长度为N的第一、第二数据流每隔1数据进行相互交换；第一子解交织器对交换后的第二数据流进行交织操作，其中该第一子解交织器是满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(modN)。第二子解交织器对交换后的第一数据流进行交织操作，其中该第二子解交织器是满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
基于上述的交织器、解交织器对称关系，本发明再提出一种卷积Turbo码交织器及解交织器复用结构，包括切换开关、交换器、第一子交织器及第二子交织器。切换开关接收长度为N的第一、第二数据流，并根据一切换信号是否对第一、第二数据流进行切换。交换器用以该第一、第二数据流每隔1数据进行相互交换。第一子交织器对交换后的第一数据流和第二数据流之其一进行交织操作，其中该第一子交织器是满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)。第二子交织器对交换后的第一数据流和第二数据流之另一进行交织操作，其中该第二子交织器是满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
其中，当未对输入数据流进行切换时，上述交织器及解交织器复用结构是作为上述交织器使用，而当切换输入数据流时，上述交织器解交织器复用结构是作为上述解交织器使用。
其中，在上述的交织器、解交织器中，交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(modN)满足 如果
or 4|N(即nN，2≠1)，则gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，
使得nN，p≥1； 如果2|N and
(即nN，2＝1)，则f1+f2是奇数，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1； 其中P为素数集。
本发明的交织器和解交织器所达到的误码率性能可以比WiMax标准中的误码率性能更好，但是由于使用了代数二次多项式交织器，因此非常方便并行处理，并且对称的交织和解交织结构，降低内存需要，使得交织器和解交织器可以采用相同地址译码方式。
图1是传统卷积Turbo码所使用的编码器。
图2是本发明一个实施例的交织器示意图。
图3是本发明一个实施例的解交织器示意图。
图4是本发明一个实施例的交织器和解交织器复用的示意图。
图5是本发明的交织器与Wimax标准中的交织器性能比较图。
具体实施例方式 本发明所提出的一种用于卷积Turbo码的交织器，是在卷积Turbo码中结合了改进的Takeshita的二次群代数交织器，它可以实现卷积Turbo码的并行译码处理，由此突破了二次群代数交织器的应用局限，并意想不到地得到了对称的交织器和解交织器结构。
根据Takeshita的工作，我们知道下面的关于二次多项式的引理定理。
我们称一个二次多项式为一个交织二次多项式，当且仅当该多项式满足给定一个整数N，二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)，当x的元素是{0，1，2...N-1}时，f(x)的结果仍然是集合{0，1，2...N-1}，而且每个元素仅出现一次。
设素数集P＝{2，3，5，7，...}，则任意整数N可分解为对有限数p，nN，p≥1，否则nN，p＝1。例如N＝120＝23×31×51，N120，2＝3，N120，3＝1。
对于2个整数a，b，我们把a能够整除b表示为a|b，不能整除表示为
a，b最大公约数表示为gcd(a，b)。
一个交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(modN)必须满足 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是奇数，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1。
举例来说，N＝120， f1需要与N＝120互素，因此可选f1＝11； 同时，f2＝22×31×51＝60。
因此，f(x)＝11x+60x2(mod 120)。
对于一个交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)存在一个可逆交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，也就是满足x≡g(f(x))。
上述推导过程的更多细节请参见”On maximum Contention-FreeInterleavers and Permutation Polynomials over Integer Rings”(Oscar Y.Takeshita，IEEE Transactions，April 28，2005)。
由此，我们得到了2个可逆的交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(modN)以及g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，它们可产生最大无竞争(maximumcontention-free，MCF)交织器，也就是说，对于交织器长度N，采用该交织二次多项式的交织器能够使译码时可以对以N分成的M个长度为W的窗口进行并行处理，其中M＝N/W。下面就来描述利用这种交织二次多项式的卷积Turbo码用交织器。
参照图2所示，本发明一个实施例的交织器结构200包括第一子交织器210以及第二子交织器220，其中第一子交织器210满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(modN)，第一子交织器220满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(modN)，并且f(x)和g(x)可逆。
交织器200中输入数据流A，B，假定A，B数据流长度为N，其中A对应于第一子交织器210，B对应于第二子交织器220。
在进入各子交织器之前，A，B数据流首先经过一交换器202，使数据流A，B中的数据每隔一个作交换，也就是A(i)＝B(i)，i＝1，3，5，...，N-1，从而获得交换后数据流A1，B1。当然，也可对偶数次序的的数进行交互。经过交换器201交换后的A1，B1数据流通过代数二次多项式交织器210和220。其中A1数据流通过由交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(modN)定义的子交织器210，B1数据流通过由交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(modN)定义的子交织器220。
在各子交织器210、220中，分别对长度N的数据流A1、B1进行交织操作，以得到交织后数据流A2、B2。
对于解交织器的设计，可以完全复用交织器，只需要切换输入数据源即可。请参照图3，数据流A’、B’经过交换器302交换后成为数据流A’1，B’1，其中B’1数据流通过由交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)定义的子解交织器310，得到数据流B’2；A’1数据流通过由交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(modN)定义的子解交织器320，得到数据流A’2。经过解交织器300之后的数据B’2、A’2再经过译码，即可得到原始输入数据A、B。
根据前面的论述，我们知道应用这种交织器200以及解交织器300，能够在译码时使多个译码器对以N分成的M个长度为W的窗口进行并行处理，其中M＝N/W。具体地说，在译码涉及的内存读取过程中，可以将内存分为M个窗口，而由数量不大于M的多个译码器互不竞争地读取各个窗口内的数据，这种并行处理可以有效提高译码速度。
基于上述交织器和解交织器的对称结构，可以用一个复用的交织器-解交织器结构来提供上述交织和解交织操作功能。图3是本发明一个实施例的交织器和解交织器复用的示意图，参照图3所示，此交织器-解交织器复用结构400包括一切换开关401、一交换器402、一第一子交织器410、以及一第二子交织器420。其中交换器402、第一子交织器410以及第二子交织器420的结构可与图2所示的交换器202、第一子交织器210以及第二子交织器220相同。
承接上述，切换开关401根据一切换信号Swh控制是否切换数据流A、B。当未对数据流A、B进行切换时，此交织器-解交织器复用结构400是作为一交织器使用，而当切换数据流A、B时，此交织器-解交织器复用结构400是作为一解交织器使用。这种对称的交织和解交织结构可降低内存需要。为进一步减少可存储器需要实现量，交织器、解交织器设计采用相同地址翻译方式对交织器、解交织器的读或写的地址进行变换；尤其是这种对称结构，使得交织器和解交织器可以采用相同地址译码方式，这是Takeshita等人的用于单个数据流的交织器所不具有的特性。
图5分别用本发明提出的交织器和WiMax标准中的交织器作误码率性能仿真对比，可以看出本发明的交织器的误码率性能甚至比标准中的性能更好。但是本发明的方案相比WiMax标准中的交织器具有更容易并行处理、具有对称结构、节约内存和易于实现的优点。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求
1、一种卷积Turbo码交织器，包括
交换器，用以对输入的长度为N的第一、第二数据流每隔1数据进行相互交换；
第一子交织器，对交换后的第一数据流进行交织操作，其中该第一子交织器是满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)；
第二子交织器，对交换后的第二数据流进行交织操作，其中该第二子交织器是满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。
2、如权利要求1所述的卷积Turbo码交织器，其特征在于，所述交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)满足
如果2+N or 4|N，则gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，
使得nN，p≥1；
如果2|N and 4+N，则f1+f2是奇数，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1；
其中P为素数集。
3、一种卷积Turbo码解交织器用以对经过权利要求1所述的交织器交织后的数据进行解交织，该解交织器包括
交换器，用以对输入的长度为N的第一、第二数据流每隔1数据进行相互交换；
第一子解交织器，对交换后的第二数据流进行交织操作，其中该第一子解交织器是满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)；
第二子解交织器，对交换后的第一数据流进行交织操作，其中该第二子解交织器是满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。
4、如权利要求3所述的卷积Turbo码解交织器，其特征在于，所述交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)满足
如果2+N or 4|N，则gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，
使得nN，p≥1；
如果2|N and 4+N，则f1+f2是奇数，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1；
其中P为素数集。
5、一种卷积Turbo码交织器及解交织器复用结构，包括
切换开关，接收长度为N的第一、第二数据流，并根据一切换信号是否对第一、第二数据流进行切换；
交换器，用以该第一、第二数据流每隔1数据进行相互交换；
第一子交织器，对交换后的第一数据流和第二数据流之其一进行交织操作，其中该第一子交织器是满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)；
第二子交织器，对交换后的第一数据流和第二数据流之另一进行交织操作，其中该第二子交织器是满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。
6、如权利要求5所述的交织器及解交织器复用结构，其特征在于，所述交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)满足
如果2+N or 4|N，则gcd(f1，N)＝1且nF，p≥1，
使得nN，p≥1；
如果2|N and 4+N，则f1+f2是奇数，gcd(f1，N/2)＝1且nF，p≥1，
使得p≠2且nN，p≥1；
其中P为素数集。
全文摘要
本发明提出一种卷积Turbo码交织器及解交织器，其中交织器包括交换器、第一子交织器及第二子交织器。交换器用以对输入的长度为N的第一、第二数据流每隔1数据进行相互交换。第一子交织器对交换后的第一数据流进行交织操作，其中该第一子交织器是满足交织二次多项式f(x)＝f1x+f2x2(mod N)。第二子交织器对交换后的第二数据流进行交织操作，其中该第二子交织器是满足交织二次多项式g(x)＝g1x+g2x2(mod N)，并且f(x)和g(x)可逆。另外，解交织器可以完全复用交织器。本发明的交织器可以实现较佳比特误码性能下的并行处理，且解交织器和交织器对称。
文档编号H03M13/27GK101582737SQ20081003742
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者华 魏, 玲 吕 申请人:展讯通信(上海)有限公司