WCDMA中交織技術的研究與仿真

萬 敏， 張 強， 張培志

(西南石油大學，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，WCDMA是開放無線接入技術，能夠提供高級移動多媒體業(yè)務如音樂、電視和視頻等豐富的娛樂內容和互聯(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用。

很早以前人們就已經(jīng)將交織器應用于通信中。在移動通信這種變參信道上，比特差錯經(jīng)常是成串發(fā)生的。然而，信道編碼僅在檢測和校正單個差錯和不太長的差錯串時才有效，這時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，經(jīng)交織后差錯也就變成單個，這時再用信道編碼糾錯功能糾正差錯，恢復原消息[1-2]。在WCDMA系統(tǒng)多次采用交織技術：一次交織、二次交織，Turbo碼中的交織。

1 WCDMA中交織技術應用

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的無線幀內進行的交織，也稱為幀內交織。它使用的是進行 30列列間交織的塊交織器，輸入序列在交織器內進行列間交換后，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標準(WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA)均在信道編碼中使用Turbo碼用以傳輸高速率、高質量的通信業(yè)務。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比特之間的相關性，進而在迭代譯碼中減少誤比特率[3-4]。

2 交織器原理及分類

交織技術是一種標準的信號處理技術。常規(guī)交織器的主要作用就是按某個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)序列的相關性減弱,從而大大降低突發(fā)錯誤對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，因此交織實際上就是將數(shù)據(jù)序列中元素的位置進行重置，從而得到交織序列的過程，而相應的逆過程則是將交織序列元素恢復原有順序，從而恢復原始序列的過程，這個過程一般也稱為解交織過程。實現(xiàn)交織和解交織過程的設備成為交織器和解交織器。

交織器大致分為兩類:規(guī)則交織器和隨機交織器。

規(guī)則交織器是最早應用于信道編碼中的，其實它就是通常所說的分組交織器，一個典型的分組交織器是一個按著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行的，多在形式上不同，但就其本質來講所表現(xiàn)的特性卻是完全一致的。

隨機交織器是隨著Turbo碼的產(chǎn)生而受到廣泛應用。譯碼器中的交織器是要與編碼器中的交織器相對應的。由于對于每一組信息序列所產(chǎn)生的交織后的結果是隨機性的，而譯碼器則要求對每幀數(shù)據(jù)都要有相應的交織順序，所以在傳輸編碼序列的同時，在信道上還要傳輸交織器的信息，這不僅加大譯碼器的復雜度，而且也加大了信道負載，而且如果在中途交織器信息出現(xiàn)錯誤，則會使譯碼的誤碼增多，所以現(xiàn)在所采用的隨機交織器都是偽隨機的，是事先經(jīng)過隨機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行讀取的[5]。

3 交織器的設計與仿真

3.1 交織器設計的基本原則

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的兩個分量編碼器中的校驗位均被刪除；③對于不歸零的編碼器，交織器設計時要避免出現(xiàn)尾效應圖案；④在滿足上述要求的交織器中再選擇一個較好的交織器，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的碼字數(shù)要盡可能少，以改善Turbo碼在高信噪比時的性能[3]。

3.2 系統(tǒng)仿真模型

為了驗證比較所設計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)生伯努利二進制數(shù)據(jù)，然后進行CRC校驗和信道編碼，最后利用設計的交織器進行交織處理。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計的各種交織器分別放入該模型進行仿真驗證。由于在通信系統(tǒng)中最關心的就是信息傳輸?shù)馁|量，即傳輸信號的誤碼率，故仿真結果均以不同信噪比條件下的BER的關系曲線形式給出[6]。

4 仿真結果及分析

由圖3可知，在信噪比為0 dB時，一般分組交織器的誤碼率達已經(jīng)接近10-4，而旋轉90°后的分組交織器在0 dB時誤碼率比普通的分組交織更高，而使用上下翻轉交織器的系統(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、提高；使用左右翻轉分組交織器的系統(tǒng)的誤碼率比使用上下翻轉分組交織器的誤碼率更低，由此可見在分組交織器中，左右翻轉的交織器性能最佳。

從圖4的仿真結果看出分組螺旋交織器的性能最好，在信噪比0 dB時誤碼率就達到了10-5;未改進的隨機交織器在信噪比為-1dB時就達到了錯誤平層;而改進的隨機交織器在0dB的時候,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，設計時這種交織器結合了分組交織器和隨機交織器的優(yōu)點,性能介于兩者之間,雖然說在幀長度較長時誤碼率不如隨機交織器小，但是其延時明顯縮短，更適合短幀的傳輸[7]。

5 結語

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間進行仿真，歸納出選擇交織器的一般原則，以上仿真結果表明，這里所選擇原則具有一定的實用性及有效性。

①隨機干擾信道：交織長度較小的交織器；②突發(fā)錯誤大的信道：交織長度較大的交織器；③幀長較短時：分組交織器；④幀長較長時：隨機交織器；⑤實時性較高時：分組交織器；⑥實時性無要求但準確率較高時：隨機交織器。

[1] 付景興,馬敏,陳澤強,等.WCDMA技術與系統(tǒng)設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

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

[3] 肖東亮,石鴻凌,孫洪,等.一種改進的 S-random隨機交織器的設計[J].電路與系統(tǒng)學報,2005(04):86-90,15.

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

[5] 許成謙,林雪紅.信道編碼中交織技術的應用[J].電信工程技術與標準化,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].武漢理工大學學報,2003(04):250-252.