信道编码中交织器的研究:信道编码交织

　　摘要　论文简述了信道编码的原理，交织的思想，以及交织器在信道编码中的作用。将目前信道编码中存在的交织器进行了分类，并在每类交织器中选取1~2个代表性的交织器作了详细介绍，分析了其优缺点和在编码中的适用范围。论文认为确定结构交织器因其自身的优点，其设计及研究将受到更多关注。
　　关键词　信道编码　交织器　校验矩阵　渐进增边
　　信道编码也称纠错编码，是通过提高信息序列自身的纠错能力以确保通信质量的一种手段，是数字通信系统中非常重要的一个环节。具体说，信道编码是通过不同的编码规则，对输入信息序列进行处理，得到相应码字。在接收端，将接收到的码字通过译码从而得到原信息数列的过程。1993年，Berrow等人提出了具有优越性能的turbo码，将两个递归系统卷积码通过交织器并行级联的编码方式，巧妙的将交织器引入到信道编码中。交织器的引入，并未增加编码的复杂度，但却大大提高了码型的性能，交织器也因此成为了研究的热点。
　　1　交织思想简介
　　交织的思想是按照一定的规则，将输入的信息序列打乱，最大程度的乱置原有的信息序列。通过交织得到的码字可以把在传递过程中产生的突发差错在解交织后化为随机差错，将错误比特数控制在码型自身纠错范围内，从而提升码型的性能。交织的思想很简单，但作用却很显著。当前在信道编码中，存在着各类交织器，对于不同的码型，交织器的选择也应注意不同的问题。论文[1]中指出，turbo码中交织器的设计应能保证编码后总的输出码重，对于low density parity check code（LDPC，低密度奇偶校验码），交织器的设计则应避免校验矩阵中短环的存在。论文第二部分交织器的分类与举例中给出了交织器的分类并分别选取每一类下代表性的交织器作详细介绍并给出了该交织的优缺点和适用范围。
　　2　交织器的分类与举例
　　交织器按照生成规则可以分为随机交织器、伪随机交织器、确定结构交织器、引入随机特性的确定结构交织器，另外也可以采用特定算法来生成交织规则。
　　1、随机交织器
　　随机交织器的主要思想是：若输入信息序列长度为N，那么产生0~N-1之间数字的随机排列∏（即交织规则），按照∏读取原信息序列，达到交织的目的。随机交织器适用于码长为中长的情况，但在码长较短的情况交织效果并不明显。
　　2、伪随机交织器
　　伪随机交织器是在随机交织器的基础上引入了一些约束，其中S-Random交织器是伪随机交织器的代表。S（spread）是该交织器的主要参数，S-Random交织器中规定在输入信息序列中距离在S位以内的两个信息比特，在输出序列中的它们距离至少为S。若两个信息比特在输入中的位置是i、j，|i-j|≤S，其在输出序列中的位置是∏（i），∏（j），那么应满足|∏（i）-∏（j）|≥S。论文[2]给出，若信息序列长度为N，理论上S可以取到，实际应用中，S一般取。由于该交织器的随机性，并不能确保可以生成满足条件的交织规则，若N增大，生成交织规则用时也会相应增长。综上所述，S-Random交织器适用于码长为中短的情况。
　　3　确定结构交织器
　　确定结构交织器也叫代数交织器，该类交织器具有确定的交织规则。
　　3.1　分组交织器
　　分组交织器也叫块交织器是一类常见的确定结构交织器，其交织规则是将信息序列顺序写入一个M*K的矩阵，然后将其按列读出，达到交织的目的，其中K为交织深度，M为交织约束长度或宽度。分组交织器是很多交织器的基础，易于实现，适于中短码型，由于交织规则单一，所以当码长较长时，其性能劣于随机交织器。
　　3.2　L-type交织器
　　4　引入随机特性的确定结构交织器
　　论文[4]中提出的Dithered golden interleavers，论文[5]中提出的dithered relative prime（DRP）interleavers 和论文[6]所提出的Quasi-Cyclic Interleavers（准循环交织器）都属于此类交织器。我们将介绍论文[6]中的准循环交织器。
　　准循环交织器也基于分组交织器，其交织规则如下：将信息序列顺序写入一个M*K矩阵A，随机产生0~K-1之间数的随机排列∏1，并按照∏1重新排列A中的列，得到一个新的矩阵B。随机产生1~M之间数的随机排列∏2，按照∏2对B的相应列元素进行循环移位，得到最终的矩阵C。顺序读出矩阵C的元素，达到交织的目的。若信息序列长度为25，准循环交织器中M=5，K=5，∏1、∏2为随机得到，按照上述交织规则得到的输出序列∏如图2所示。QC交织器交织规则简单，在中短码长的情况下，其性能远远优于随机交织器。
　　5　特定算法生成交织规则
　　目前，在各类交织器中，因确定结构交织器具有特定的规则，易于实现，性能良好，而受到更多的关注，越来越多的应用在各类码型中。根据码型的结构和编码规则，针对性的设计交织器更能对码型起到很好的优化效果。
　　参考文献
　　[1] Turbo码最优周期交织器设计，达新宇，孙宁宁，闫大勇，空军工程大学学报，2004年10月，第5卷第5期。
　　[2] 基于S交织算法的改进的交织器，赵旦峰，董玉华，肖瑛，现代电子技术，2003年第20期。
　　[3] Practical interleavers for Repeat-Accumulate Codes, Sarah J.Johnson, IEEE transactions on Communications, May.2009, VOL.57, NO 5.
　　[4] Performance of turbo codes with relative prime and golden interleaving strategies, S.N.Crozier, J.Lodge, P.Guinand, A.Hunt, in Proc.6th Int.Mobile satellite Conf.(IMSC′99), ON, Canada, June 1999, pp.268~275.
　　[5] High-performance low-memory interleaver banks for turbo codes, S.N.Crozier, P.Guinand, in Proc. 54th IEEE Vehicular. Technology Conf.(VTC′01), Atlantic city, NJ, October 2001, pp.2394~2398.
　　[6] On Quasi-Cyclic Interleavers for Paraller Turbo Codes, Joseph J.Boutros, IEEE transactions on Information Theory, April 2006, VOL.52, NO 4.
　　[7] Progressive Edge-Growth Tanner Graphs, Xiao-Yu Hu, Evangelos Eleftheriou, Dieter-Michael Arnold, Global Telecommunications Conference, 2001, 995-1001 vol.2.

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