WCDMA中交織技術(shù)的研究與仿真

萬 敏， 張 強(qiáng)， 張培志

(西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

0 引言

WCDMA主要起源于歐洲和日本的早期第三代無線研究活動(dòng)，WCDMA是開放無線接入技術(shù)，能夠提供高級移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)如音樂、電視和視頻等豐富的娛樂內(nèi)容和互聯(lián)網(wǎng)接入。WCDMA系統(tǒng)模型如圖1所示，此模型對上下行鏈路均實(shí)用。

很早以前人們就已經(jīng)將交織器應(yīng)用于通信中。在移動(dòng)通信這種變參信道上，比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的。然而，信道編碼僅在檢測和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長的差錯(cuò)串時(shí)才有效，這時(shí)就要用交織器把一條消息中的相繼比特分開。這樣，在傳輸過程中即使發(fā)生了成串差錯(cuò)，經(jīng)交織后差錯(cuò)也就變成單個(gè)，這時(shí)再用信道編碼糾錯(cuò)功能糾正差錯(cuò)，恢復(fù)原消息[1-2]。在WCDMA系統(tǒng)多次采用交織技術(shù)：一次交織、二次交織，Turbo碼中的交織。

1 WCDMA中交織技術(shù)應(yīng)用

第一次交織也稱為幀間交織。第一次交織的長度規(guī)定為20 ms、40 ms和 80 ms。交織的深度取決于傳輸時(shí)間間隔（TTI）。采用第一次交織后，幀分割模塊將按照交織長度的大小有序地在2、4或8個(gè)連續(xù)幀上發(fā)送來自第一次交織器的數(shù)據(jù)[1]。

第二次交織是在 10ms的無線幀內(nèi)進(jìn)行的交織，也稱為幀內(nèi)交織。它使用的是進(jìn)行 30列列間交織的塊交織器，輸入序列在交織器內(nèi)進(jìn)行列間交換后，濾除填充比特后從交織器輸出序列[1]。

到目前為止，Turbo碼在現(xiàn)有信道編碼方案中是最好的。其中具有代表性的3GPP標(biāo)準(zhǔn)(WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA)均在信道編碼中使用Turbo碼用以傳輸高速率、高質(zhì)量的通信業(yè)務(wù)。交織器在Turbo碼中，起著非常重要的作用，在很大程度上影響著Turbo碼的性能。在Turbo碼中交織器的主要作用是減少檢驗(yàn)比特之間的相關(guān)性，進(jìn)而在迭代譯碼中減少誤比特率[3-4]。

2 交織器原理及分類

交織技術(shù)是一種標(biāo)準(zhǔn)的信號處理技術(shù)。常規(guī)交織器的主要作用就是按某個(gè)給定方式重新排列字符的順序,將原始數(shù)據(jù)序列打亂,使得交織前后數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性減弱,從而大大降低突發(fā)錯(cuò)誤對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀虼私豢棇?shí)際上就是將數(shù)據(jù)序列中元素的位置進(jìn)行重置，從而得到交織序列的過程，而相應(yīng)的逆過程則是將交織序列元素恢復(fù)原有順序，從而恢復(fù)原始序列的過程，這個(gè)過程一般也稱為解交織過程。實(shí)現(xiàn)交織和解交織過程的設(shè)備成為交織器和解交織器。

交織器大致分為兩類:規(guī)則交織器和隨機(jī)交織器。

規(guī)則交織器是最早應(yīng)用于信道編碼中的，其實(shí)它就是通常所說的分組交織器，一個(gè)典型的分組交織器是一個(gè)按著M×N矩陣描述的周期為T=M×N的交織器，這些交織器典型的特征就是在數(shù)據(jù)的讀寫過程中是按著行讀列出或列讀行出的形式進(jìn)行的，多在形式上不同，但就其本質(zhì)來講所表現(xiàn)的特性卻是完全一致的。

隨機(jī)交織器是隨著Turbo碼的產(chǎn)生而受到廣泛應(yīng)用。譯碼器中的交織器是要與編碼器中的交織器相對應(yīng)的。由于對于每一組信息序列所產(chǎn)生的交織后的結(jié)果是隨機(jī)性的，而譯碼器則要求對每幀數(shù)據(jù)都要有相應(yīng)的交織順序，所以在傳輸編碼序列的同時(shí)，在信道上還要傳輸交織器的信息，這不僅加大譯碼器的復(fù)雜度，而且也加大了信道負(fù)載，而且如果在中途交織器信息出現(xiàn)錯(cuò)誤，則會(huì)使譯碼的誤碼增多，所以現(xiàn)在所采用的隨機(jī)交織器都是偽隨機(jī)的，是事先經(jīng)過隨機(jī)選擇而生成的一種性能較好的交織方式，然后將其做成表的形式存儲起來而進(jìn)行讀取的[5]。

3 交織器的設(shè)計(jì)與仿真

3.1 交織器設(shè)計(jì)的基本原則

①最大程度地置亂原數(shù)據(jù)排列順序，避免置換前相距較近的數(shù)據(jù)在置換后仍相距較近，特別要避免置換前相鄰的數(shù)據(jù)在置換后仍然相鄰；②盡可能避免與同一信息位相關(guān)的兩個(gè)分量編碼器中的校驗(yàn)位均被刪除；③對于不歸零的編碼器，交織器設(shè)計(jì)時(shí)要避免出現(xiàn)尾效應(yīng)圖案；④在滿足上述要求的交織器中再選擇一個(gè)較好的交織器，使碼字之間的最小距離(即自由距離)dmin盡可能大，而重量為dmin的碼字?jǐn)?shù)要盡可能少，以改善Turbo碼在高信噪比時(shí)的性能[3]。

3.2 系統(tǒng)仿真模型

為了驗(yàn)證比較所設(shè)計(jì)的各種交織器的性能建立了如圖 2所示的仿真模型，該模型首先產(chǎn)生伯努利二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)和信道編碼，最后利用設(shè)計(jì)的交織器進(jìn)行交織處理。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過加性高斯白噪聲信道傳送后進(jìn)行解交織和信道譯碼，最后比較發(fā)送前后的數(shù)據(jù)。在仿真過程中將所設(shè)計(jì)的各種交織器分別放入該模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。由于在通信系統(tǒng)中最關(guān)心的就是信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，即傳輸信號的誤碼率，故仿真結(jié)果均以不同信噪比條件下的BER的關(guān)系曲線形式給出[6]。

4 仿真結(jié)果及分析

由圖3可知，在信噪比為0 dB時(shí)，一般分組交織器的誤碼率達(dá)已經(jīng)接近10-4，而旋轉(zhuǎn)90°后的分組交織器在0 dB時(shí)誤碼率比普通的分組交織更高，而使用上下翻轉(zhuǎn)交織器的系統(tǒng)的誤碼率就已經(jīng)超過了10-4，往更小的方向發(fā)展，更接近0了，此交織器的性能比一般的分組交織器的誤碼特性有了一定的改進(jìn)、提高；使用左右翻轉(zhuǎn)分組交織器的系統(tǒng)的誤碼率比使用上下翻轉(zhuǎn)分組交織器的誤碼率更低，由此可見在分組交織器中，左右翻轉(zhuǎn)的交織器性能最佳。

從圖4的仿真結(jié)果看出分組螺旋交織器的性能最好，在信噪比0 dB時(shí)誤碼率就達(dá)到了10-5;未改進(jìn)的隨機(jī)交織器在信噪比為-1dB時(shí)就達(dá)到了錯(cuò)誤平層;而改進(jìn)的隨機(jī)交織器在0dB的時(shí)候,誤碼率已經(jīng)小于10-4接近 10-5,在工程上 10-5視為0,即可靠無誤傳輸，設(shè)計(jì)時(shí)這種交織器結(jié)合了分組交織器和隨機(jī)交織器的優(yōu)點(diǎn),性能介于兩者之間,雖然說在幀長度較長時(shí)誤碼率不如隨機(jī)交織器小，但是其延時(shí)明顯縮短，更適合短幀的傳輸[7]。

5 結(jié)語

通過利用同一仿真模型及數(shù)據(jù)源對各種交織器及其在不同交織長度下，并選擇不同的仿真時(shí)間進(jìn)行仿真，歸納出選擇交織器的一般原則，以上仿真結(jié)果表明，這里所選擇原則具有一定的實(shí)用性及有效性。

①隨機(jī)干擾信道：交織長度較小的交織器；②突發(fā)錯(cuò)誤大的信道：交織長度較大的交織器；③幀長較短時(shí)：分組交織器；④幀長較長時(shí)：隨機(jī)交織器；⑤實(shí)時(shí)性較高時(shí)：分組交織器；⑥實(shí)時(shí)性無要求但準(zhǔn)確率較高時(shí)：隨機(jī)交織器。

[1] 付景興,馬敏,陳澤強(qiáng),等.WCDMA技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 李娜,謝志遠(yuǎn),李樂樂.基于 ARM的交織編碼技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2008,41(01):33-35.

[3] 肖東亮,石鴻凌,孫洪,等.一種改進(jìn)的 S-random隨機(jī)交織器的設(shè)計(jì)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào),2005(04):86-90,15.

[4] 黃卉,王輝.高速并行 Turbo譯碼中的交織器技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2008,41(06):83-85.

[5] 許成謙,林雪紅.信道編碼中交織技術(shù)的應(yīng)用[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2006(06):30-35.

[6] 李賀冰.SimuLink通信仿真教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[7] 朱建春,楊福寶.Turob碼交織器的性能分析及仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003(04):250-252.