一种Turbo码信道外交织器的设计方法

摘要

本申请公开了一种Turbo码信道外交织器的设计方法，该方法包括：修改Turbo码的编码结构，在分析编码后信息位、校验位的排列关系后，制定了一种新的信息比特排列规律。使在将直升机旋翼对信号遮挡作用看作对信号周期性的删除时，被删除的信息比特间的距离增大，易于Turbo译码信息恢复。本申请解决了现有技术中交织器随机性较差且受限于直升机旋翼遮挡信号比例的技术问题。

说明书

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种Turbo码信道外交织器的设计方法。

背景技术

对于通信天线安装于旋翼下方的直升机而言，在与卫星通信时，直升机旋翼转动遮挡通信信号而导致链路质量下降甚至通信中断，需要可靠的抗旋翼遮挡通信策略保证通信效果。

目前，为了保证直升机通信系统的通信效果，通常采用将信道外交织器与前向纠错码相结合的设计方案在不降低信息传输效率的同时适当减小旋翼遮挡带来的性能损失，如肖创创等，直升机卫星通信系统中Turbo码外交织器设计与仿真,电讯技术，2014年。在该文献中指出旋翼遮挡相当于对码字信息的成片删除，通过分析删余Turbo码中删余矩阵的设计准则，提出了一种适用于直升机旋翼遮挡环境下的交织器，该交织器满足以下特性：将删除均匀分散在整个码字序列中，变突发错误为随机错误；码字中每个信息位与其对应的2比特校验位中最多只删1位；与被删比特组相邻的两个比特组保留；删除部分中以信息位-校验位1-校验位2的模式循环，这些特性保证了删除信息的可靠恢复。但是该交织器随机性较差且受限于直升机旋翼遮挡信号比例。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中交织器随机性较差且受限于直升机旋翼遮挡信号比例的问题，本申请提供了一种Turbo码信道外交织器的设计方法，本申请实施例所提供的方案中，通过将Turbo编码器得到的编码后信息的比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息，然后根据预设的比特位排列顺序将第一组比特信息以及第二组比特信息进行重新排序得到第一矩阵和第二矩阵，然后根据第一矩阵和第二矩阵得到外交织器，即本申请实施例所提供的方案中，外交织器中信息可以根据预设的比特位排列顺序进行排序，进而提高了外交织器的随机性和灵活性。

第一方面，本申请实施例提供一种Turbo码信道外交织器的设计方法，应用于直升机卫星通信系统，该方法包括：

根据预设的遮挡信道参数确定外交织器的长度，将从Turbo编码器得到的编码后信息的比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息；

根据预设的比特位排列顺序将所述第一组比特信息以及所述第二组比特信息中的信息比特位进行重新排序得到第一矩阵和第二矩阵，并根据所述第一矩阵和所述第二矩阵得到外交织器。

本申请实施例所提供的方案中，通过将Turbo编码器得到的编码后信息的比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息，然后根据预设的比特位排列顺序将第一组比特信息以及第二组比特信息进行重新排序得到第一矩阵和第二矩阵，然后根据第一矩阵和第二矩阵得到外交织器，即本申请实施例所提供的方案中，外交织器中信息可以根据预设的比特位排列顺序进行排序，进而提高了外交织器的随机性和灵活性。

可选地，所述编码后信息的比特位包括信息比特、RSC1输出的第一校验比特和RSC2输出的第二校验比特，所述RSC1和所述RSC2是所述Turbo编码器中的两个分量编码器；

将从Turbo编码器得到的编码后信息的比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息，包括：

分别确定出所述编码后信息中所述信息比特、所述第一校验位以及所述第二校验位的偶数位和奇数位；

根据所述Turbo编码器的输入信息序列顺序将所述信息比特、所述第一校验位以及所述第二校验位中的偶数位提取出来得到所述第一组比特信息；

根据所述Turbo编码器的输入信息序列顺序将所述信息比特、所述第一校验位以及所述第二校验位中的奇数位提取出来得到所述第二组比特信息。

可选地，所述预设的比特位排列顺序为信息位-第一校验位-第二校验位循环顺序。

本申请实施例所提供的方案中，采用信息位-第一校验位-第二校验位循环顺序对第一组比特信息和第二组比特信息进行重新排序，使每组相邻码字的信息比特排列顺序也为信息位-第一校验位-第二校验位的循环，当信号被遮挡时保证了每个码字的信息位、两个校验位中最多一位被删除，且信号被遮挡部分为连续三个信息位-第一校验位-第二校验位的循环，避免删除每个码字中的多个信息，导致信息不能尽可能大的被恢复的问题。

可选地，根据预设的比特位排列顺序将所述第一组比特信息以及所述第二组比特信息中的信息比特位进行重新排序得到第一矩阵和第二矩阵，包括：

根据所述预设的比特位排列顺序分别确定出所述第一组比特信息对应的第一转换矩阵和所述第二组比特信息对应的第二转换矩阵；

将所述第一转换矩阵与所述第一组比特信息相乘得到所述第一矩阵，将所述第二转换矩阵与所述第二组比特信息相乘得到所述第二矩阵。

可选地，根据所述第一矩阵和所述第二矩阵得到外交织器，包括：

根据所述第一矩阵和所述第二矩阵得到第三矩阵，将所述第三矩阵中每一列数据作为一个数据块；

根据预设交织规则将所述第三矩阵中每个所述数据块进行交织处理得到第四矩阵，将所述第四矩阵按行读取得到所述外交织器。

可选地，根据预设交织规则将所述第三矩阵中每个所述数据块进行交织处理得到第四矩阵，包括：

设置数据块分散距离，并随机产生一正整数以及确定历史随机产生的正整数序列，所述正整取值范围为[1,258]；

判断所述正整数序列中是否包含所述正整数；

若包含，则重新随机产生一新的正整数，直到所述正整数序列中不包含所述新的正整数为止，并分别计算所述新的正整数与所述正整数序列中末尾P个元素的距离；

判断所述距离是否小于P；

若不小于，则更新所述正整数序列，并随机生成下一个正整数直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止；

若小于，则重新随机产生一新的正整数，直到所述正整数序列中不包含所述新的正整数且所述距离小于所述P为止。

可选地，更新所述正整数序列，并随机生成下一个正整数直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止，包括：确定当前生成正整数的次数，判断所述次数是否达到预设阈值；若未达到所述预设阈值，则根据所述正整数序列的顺序更新所述正整数序列，直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止；若达到所述预设阈值，则判断所述正整数序列中正整数的个数是否小于258；若小于，则依次将所述正整数分别插入到所述正整数序列中的每个位置，以所述每个位置为中心分别计算所述正整数序列中每个位置前后各P个元素与所述正整数的距离之和，确定出距离之和最大所对应的位置，将所述正整数插入到所述位置，并随机生成下一个正整数直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止。

在本申请实施例所提供的方案中，通过预设交织规则将得到的第三矩阵进一步进行交织处理，增大相邻比特之间的最小距离，实现消除被遮挡比特之间的相关性，进而减小遮挡对信号恢复的影响，便于实现对信号的恢复。

可选地，所述第二校验比特顺序与所述输入信息序列顺序相同。

在本申请实施例所提供的方案中，通过第二校验比特顺序转换为所述输入信息序列顺序相同，避免通过外交织器随机打散的比特序列重新组合得到与Turbo码内交织器输入信息序列顺序相同，抵消Turbo码内交织器交织效果的问题。

可选地，还包括：将所述外交织矩阵进行行列交换得到新的交织器。

在本申请实施例所提供的方案中，通过对外交织矩阵进行行列交换得到新的交织器，使得新的外交织器能够适用更大遮挡比例，进而提供了交织器的适用性。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种Turbo码信道外交织器的设计方法的流程示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种直升机卫星通信系统的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种直升机卫星通信系统的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种直升机旋翼遮挡通信信号的示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种Turbo编码器的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种修改后的Turbo码编码结构示意图；

图7为本申请实施例所提供的一种不同交织器对采用相同编码方式系统的性能对比图。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种Turbo码信道外交织器的设计方法做进一步详细的说明，该方法应用于直升机卫星通信系统，该方法具体实现方式可以包括以下步骤(方法流程如图1所示)：

步骤101，根据预设的遮挡信道参数确定外交织器的长度，将从Turbo编码器得到的编码后信息的比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息。

具体的，参见图2和图3，为本申请实施例所提供的一种直升机卫星通信系统的结构示意图。在图2中，直升机卫星通信系统包括依次连接的Turbo编码器、外交织器、调制器、解调器、解调外交织器以及Turbo解码器。本申请实施例所指的外编码交织器即为设置于Turbo编码器和调制器之间的外交织器，其中，调制器包括但不限制于QPSK调制器。

为了便于理解下面对直升机卫星通信系统工作过程进行简要介绍。

以上行链路为例，首先，数据信息进入到发射端(直升机)的Turbo编码器进行编码得到编码后信息，然后编码后的信息经发射端外交织器交织处理后进入到调制器，通过调制器对交织处理后的信息进行调制，然后发射端将调制后信息发送给卫星接收端，卫星接收端接收调制信息并进行解调，解调后的信息经解外交织处理后进入Turbo解码器进行解码得到解码数据信息。下行链路与上行链路过程类似，在此不做赘述。

由于直升机卫星在通信过程中存在遮挡与高斯噪声。在本申实施例所提供的方案中通常用遮挡信道数据模型来描述直升机卫星在通信过程中存在遮挡，具体的，遮挡信道数据模型如下所示：

其中，B(n)表示遮挡信道数据模型；S(n)表示离散的经过高斯白噪声的信号序列；α表示部分遮挡状态下的信号衰减系数；β表示完全遮挡状态下的信号衰减系数；A

进一步，接收机在对接收信号进行解调时，由于通信时信号受到旋翼遮挡与链路噪声等衰减影响，因此，突发错误信号超出向前纠错码纠错能力，为了降低错误超出译码器译码性能的概率，在本申请实施例所提供的方案中，通过对外交织器进行设计来尽可能降低直升机卫星遮挡或高斯噪声信息对解码过程的影响。

具体的，首先根据直升机卫星通信系统中预设的遮挡信道参数确定外交织器的长度，然后从Turbo编码器得到的编码后信息的比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息。参见图4，为本申请实施例所提供的一种直升机旋翼遮挡通信信号的示意图。

在一种可能实现的方式中，所述编码后信息的比特位包括信息比特、RSC1输出的第一校验比特和RSC2输出的第二校验比特，所述RSC1和所述RSC2是所述Turbo编码器中的两个分量编码器；

将Turbo编码后信息比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息，包括：分别确定出所述编码后信息中所述信息比特、所述第一校验位以及所述第二校验位的偶数位和奇数位；根据所述Turbo编码器的输入信息序列顺序将所述信息比特、所述第一校验位以及所述第二校验位中的偶数位提取出来得到所述第一组比特信息；根据所述Turbo编码器的输入信息序列顺序将所述信息比特、所述第一校验位以及所述第二校验位中的奇数位提取出来得到所述第二组比特信息。

具体的，参见图5，为本申请实施例所提供的一种Turbo编码器的结构示意图，在图5中，Turbo编码器包括RSC1分量编码器、RSC2分量编码器、交织器以及复接器。Turbo编码器的工作过程为：将输入信息序列X

例如，以长度为N信息序列，经1/3码率的Turbo编码后，编码后信息Ci包含3部分，分别为信息比特X

C＝[C

＝[(X

＝[(X

进一步，对于每一个信息比特，保留编码后RSC1和RSC2任一校验位时，Turbo码译码性能得以保证。将1/3Turbo编码后的码字分为奇偶两路C

在一定遮挡比例下，保证了信息位或校验位被遮挡的码元C

步骤102，根据预设的比特位排列顺序将所述第一组比特信息以及所述第二组比特信息中的信息比特位进行重新排序得到第一矩阵和第二矩阵，并根据所述第一矩阵和所述第二矩阵得到外交织器。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，预设的比特位排列顺序有多种，下面以一种较佳的为例进行说明。

在一种可能实现的方式中，所述预设的比特位排列顺序为信息位-第一校验位-第二校验位循环顺序。

在一种可能实现的方式中，根据预设的比特位排列顺序将所述第一组比特信息以及所述第二组比特信息中的信息比特位进行重新排序得到第一矩阵和第二矩阵，包括：根据所述预设的比特位排列顺序分别确定出所述第一组比特信息对应的第一转换矩阵和所述第二组比特信息对应的第二转换矩阵；将所述第一转换矩阵与所述第一组比特信息相乘得到所述第一矩阵，将所述第二转换矩阵与所述第二组比特信息相乘得到所述第二矩阵。

具体的，分别将第一组比特信息以及第二组比特信息中每个码字信息位和校验位排列顺序修改为信息位-第一校验位-第二校验位的循环，使每组相邻码字的信息比特排列顺序也为信息位-第一校验位-第二校验位的循环，得到第一矩阵C

进一步，为了使遮挡后的信号最大可能地被恢复，需保证每个码字C的信息位、两个校验位中最多一位被删除，且信号被遮挡部分为连续三个比特X、Y

具体的，将上述矩阵C

本申请实施例所提供的方案中，采用信息位-第一校验位-第二校验位循环顺序对第一组比特信息和第二组比特信息进行重新排序，使每组相邻码字的信息比特排列顺序也为信息位-第一校验位-第二校验位的循环，当信号被遮挡时保证了每个码字的信息位、两个校验位中最多一位被删除，且信号被遮挡部分为连续三个信息位-第一校验位-第二校验位的循环，避免删除每个码字中的多个信息，导致信息不能尽可能大的被恢复的问题。

进一步，在得到第一矩阵和第二矩阵之后，根据得到第一矩阵和第二矩阵得到外交织器的方式有多种，为了进一步消除被遮挡比特之间的相关性，提高交织器随机性，需要增加相邻比特之间的最小距离。具体的，增加相邻比特之间的最小距离的方式有多种，下面以一种较佳的方式为例进行说明。

在一种可能实现的方式中，根据所述第一矩阵和所述第二矩阵得到外交织器，包括：根据所述第一矩阵和所述第二矩阵得到第三矩阵，将所述第三矩阵中每一列数据作为一个数据块；根据预设交织规则将所述第三矩阵中每个所述数据块进行交织处理得到第四矩阵，将所述第四矩阵按行读取得到所述外交织器。

在一种可能实现的方式中，根据预设交织规则将所述第三矩阵中每个所述数据块进行交织处理得到第四矩阵，包括：设置数据块分散距离，并随机产生一正整数以及确定历史随机产生的正整数序列，所述正整取值范围为[1，258]；判断所述正整数序列中是否包含所述正整数；若包含，则重新随机产生一新的正整数，直到所述正整数序列中不包含所述新的正整数为止，并分别计算所述新的正整数与所述正整数序列中末尾P个元素的距离；判断所述距离是否小于P；若不小于，则更新所述正整数序列，并随机生成下一个正整数直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止。若小于，则重新随机产生一新的正整数，直到所述正整数序列中不包含所述新的正整数且所述距离小于所述P为止。

进一步，在一种可能实现的方式中，更新所述正整数序列，并随机生成下一个正整数直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止，包括：确定当前生成正整数的次数，判断所述次数是否达到预设阈值；若未达到所述预设阈值，则根据所述正整数序列的顺序更新所述正整数序列，直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止；若达到所述预设阈值，则判断所述正整数序列中正整数的个数是否小于258；若小于，则依次将所述正整数分别插入到所述正整数序列中的每个位置，以所述每个位置为中心分别计算所述正整数序列中每个位置前后各P个元素与所述正整数的距离之和，确定出距离之和最大所对应的位置，将所述正整数插入到所述位置，并随机生成下一个正整数直到所述正整数序列中正整数的个数等于258为止。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，第三矩阵用C来表示，其中，C＝[C

C＝[C

其中，p

根据第三矩阵C和预设交织规则π得到第四矩阵D的步骤如下所示：

(1)设置数据块分散距离P(P＝12)，随机产生正整数π(1)，π(1)∈[1,258]；

(2)、随机产生正整数π(i)，π(i)∈[1,258]；

(3)、若π(i)在已有序列[π(1),[π(2),...,[π(i-1)]中出现过，则重复操作(2-2)；若π(i)没有在已有序列中出现过，则计算π(i)与已有序列中最后P个元素π(i-P),π(i-P+1),...,π(i-1)的距离d

(4)、若最终产生的序号个数K

(5)、若产生的序号个数K

对第三矩阵C进行π交织处理得到第四矩阵D。具体的，第四矩阵D可以通过下式表示：

D＝C(π)

由于数据块分散距离为P，则经交织处理后绝大多数相邻被删除的信息位或校验位的最小距离为P，被删除比特i

在本申请实施例所提供的方案中，通过预设交织规则将得到的第三矩阵进一步进行交织处理，增大相邻比特之间的最小距离，实现消除被遮挡比特之间的相关性，进而减小遮挡对信号恢复的影响，便于实现对信号的恢复。

进一步，为了简化信道交织器的设计，避免Turbo码内交织器将通过外交织器随机打散的比特序列重新组合，在一种可能实现的方式中，所述第二校验比特顺序与所述输入信息序列顺序相同。

具体的，为了实现第二校验比特顺序与输入信息序列顺序相同，在本申请实施例所提供的方案中，对直升机卫星通信系统中Turbo码编码结构进行修改，参见图6，为本申请实施例提供的一种修改后的Turbo码编码结构示意图。在图6中，在RSC2分量编码器与复接器之间设置一解交织器，该解交织器用于将RSC2分量编码器输出的校验比特进行解交织处理得到第二校验比特，使得第二校验比特顺序与所述输入信息序列顺序相同。

在本申请实施例所提供的方案中，通过第二校验比特顺序转换为所述输入信息序列顺序相同，避免通过外交织器随机打散的比特序列重新组合得到与Turbo码内交织器输入信息序列顺序相同，抵消Turbo码内交织器交织效果的问题。

进一步，为了适用于更高的信道遮挡比例，在一种可能实现的方式中，还包括：将所述外交织矩阵进行行列交换得到新的交织器。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，还以信道遮挡比例ρ为1/5为例，通过E表示外交织器，对于遮挡比例为1/5的系统(深衰落比例较大)，对在外交织器E进行行交织处理，使编码码字经历遮挡后只删除其信息位或任一校验位。此处将信息位X与两个校验位Y

E＝[E

对于遮挡比例大于1/6且不大于1/3的系统，则对外交织器E进行行列交换得到如下新的交织器F，具体的，新的交织器F可通过下式表示：

F＝[E

在深衰落比例ρ不大于1/3时，遮挡带来的删除最多为F的两行，可保证每一个码字最多有一位信息位或校验位被删除。矩阵F按行读出后得到的外交织器F为大衰落比例的直升机遮挡信道下改进的外交织器。

在本申请实施例所提供的方案中，通过对外交织矩阵进行行列交换得到新的交织器，使得新的外交织器能够适用更大遮挡比例，进而提供了交织器的适用性。

进一步，为例便于理解本申请实施例所提供的方案中，外交织器对采用相同编码方式系统的性能改善情况，下面以直升机旋翼遮挡约为1/5时为例来对比不同外交织器的效果。

参见图7，为本申请实施例所提供的一种不同交织器对采用相同编码方式系统的性能对比图。将改进的外交织器E、F与不采用外交织器、采用分组外交织器、S-random外交织器、抗遮挡外交织器进行性能对比。由图可见，不采用外交织器的系统性能较差，旋翼遮挡带来的连续突发错误过多，远远超出了Turbo码的纠错能力，从而导致系统误码率在E

本申请实施例所提供的方案中，通过将Turbo编码器得到的编码后信息的比特位进行奇偶分组得到第一组比特信息以及第二组比特信息，然后根据预设的比特位排列顺序将第一组比特信息以及第二组比特信息进行重新排序得到第一矩阵和第二矩阵，然后根据第一矩阵和第二矩阵得到外交织器，即本申请实施例所提供的方案中，外交织器中信息可以根据预设的比特位排列顺序进行排序，进而提高了外交织器的随机性和灵活性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。