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交織所屬現代詞,指的是由於持續較長的深衰落谷點會影響到相繼一串的比特。

1 交織 -詞語

jiāo zhī ㄐㄧㄠ ㄓㄧ 

[interweave] 錯綜複雜地合為一體。

例句:喜悅和驚異的感情交織在一起。

2 交織 -紡織術語

在紡織行業中交織意為:梭織布在織造時,經向和緯向的紗線相互穿插交匯織造出布面的過程,稱之為交織或梭織織造。

交織交織布

 

有二重含義:

1、經緯向紗線(或絲線)相互穿插織造。

2、特指經向和緯向的紗線採用不同的原材料而生產出來的布料。





3 交織 -通信技術

交織交織原理
交織其實是通信系統中進行數據處理而採用的一種技術,交織器從其本質上來說就是一種實現最大限度的改變信息結構而不改變信息內容的器件。從傳統上來講就是使通道傳輸過程中所突發產生集中的錯誤最大限度的分散化。因此,具體來講也許數據置亂器這個稱呼更加符合交織器其本質,會讓人們對交織器的基本工作機理有更多的感性認識。
交織交織器

假定由一些4比特組成的消息分組,把4個相繼分組中的第1個比特取出來,並讓這4個第1比特組成一個新的4比特分組,稱作第一幀,4個消息分組中的比特2~4,也作同樣處理,如圖所示。

然後依次傳送第1比特組成的幀,第2比特組成的幀,……。在傳輸期間,幀2丟失,如果沒有交織,那就會丟失某一整個消息分組,但採用了交織,僅每個消息分組的第2比特丟失,再利用通道編碼, 全部分組中的消息仍能得以恢復,這就是交織技術的基本原理。概括地說,交織就是把碼字的b個比特分散到n個幀中,以改變比特間的鄰近關係,因此n值越大,傳輸特性越好,但傳輸時延也越大,所以在實際使用中必須作折衷考慮。

規則交織器
交織分組交織器生成示意圖

規則交織器是最早應用於通道編碼中的,其實它就是通常我們所說的分組交織器,也就是行讀列出或列讀行出的交織器,從圖3這個簡單的3 x 3 交織矩陣可以看出一共有32種交織方式的存在,然而這32種讀法中雖然有許多在形式上不同,但就其本質來講所表現的特性卻是完全一致的。所以它們又可以歸納為有限的四種形式,我們用L代表左,R代表右,T代表上,B代表下,則這四種交織器依次可以表示成:LR/TB,LR/BT,RL/TB ,RL/BT 。其中LR 表示由左至右寫人,TB 表示由上至下讀出,其它的表示形式也依此類推。有文獻對第二、三種交織器進行了詳細的比較稱之為典型的分組交織器,最後推出第二種交織器比較好,但是此種交織方式對於奇數行乘以奇數列的方陣來說,會由於交織前後的不動點太多而使交織前後的相關性很大,而如果採用第一、四種交織則效果會更好,這是由於用此交織方式在交織前後的不動點最多為1 ,從而大大減小了信息之間的相關性。

 

不規則交織器

其實不規則交織器的形式大部分是由我們上面所提及的4種分組交織器演變而來的,目前主要有對角交織器、螺旋交織器、奇偶交織器等形式,對角交織器和螺旋交織器都是採用行寫而對角讀出的方式,兩者不同是在於對角交織器是行寫然後從第一行的第一個元素開始以對角方式讀出,而螺旋交織器則是從最後一行的第一個元素開始以對角的方式讀出,具體的示意圖如圖所示。

交織交織方式示意圖

圖中所示的是3 x 3的交織矩陣,箭頭所示的方向便為讀寫方向,從總體上來說這兩種交織器是由分組交織器演變而來的,其性能要比典型的分組交織器好一些。而下面提到的奇偶交織器並不是一種獨立的交織器生成方法,而是配合刪余技術在交織器生成時加上限制條件的一種方法。刪余技術其實就是在編解碼過程中將信息以刪余截短碼的形式送入通道,收端通過加入模擬零的方式加以恢復,這本身對碼元的糾錯能力將打折扣,但是卻能提高編碼效率。因此,刪余技術在編碼中通常被廣泛使用,但研究者發現,在Turbo碼中因為應用此技術而帶來的影響比在其應用於其它的傳統編碼中的影響會更大,這是因為在Turbo碼中冗餘位的作用很大,正是亂序編碼產生的冗餘位才引入了交織器的隨機性,一般的編碼在採取了刪余技術以後,冗餘位對信息位的保護是平衡的,而在Turbo碼中由於交織器的使用,如果採取不恰當的交織方式就會有較壞的情況發生,即有可能是有的信息位有重複的對應冗餘位送入通道而有的信息位卻無對應的冗餘位送入通道,這就造成了冗餘位對信息位保護不均的現象,也勢必會影響碼元的糾錯能力。為此採用奇偶交織方式就可以很好的解決這個問題,它會在生成截短Turbo碼的同時,每次分別將經由編碼器對應於輸入的奇數和偶數信息位所產生的冗餘位交替的送往通道,這樣就可以保證信息序列中的每一位均有對應的元余位通過通道傳輸送抵至解碼器,從而使編解碼器工作在正常狀態下。

 

隨機交織器

隨機交織器是最近剛剛興起的一種交織器,其實我們也可以說它是隨著Turbo碼的產生而被日益廣泛的應用起來的。顧名思義,隨機交織器應該實現的思想便是隨機交織過程,但是我們現在所說的隨機交織器大部分恰當的來講應該稱之為偽隨機交織器。這是因為從Turbo碼的編解碼器結構可以看出 。

交織Turbo碼編解碼其結構框圖

解碼器中的交織器是要與編碼器中的交織器相對應的。而分組交織器是以規則的順序進行交織的,所以在收發兩端可以通過一定的協議來確定交織器的工作方式。但是在採用了隨機交織器的Turbo碼系統中,由於對於每一組信息序列所產生的交織后的結果是隨機性的,而解碼器則要求對每幀數據都要有相應的交織順序,所以在傳輸編碼序列的同時,在通道上還要傳輸交織器的信息,這不僅加大解碼器的複雜度,而且也加大了通道負載,而且如果在中途交織器信息出現錯誤,則會使解碼的i吳碼增多,所以現在所採用的隨機交織器都是偽隨機的,是事先經過隨機選擇而生成的一種性能較好的交織方式,然後將其做成表的形式存儲起來而進行讀取的。

隨機交織器的隨機性能主要取決於隨機數的產生方式、交織器主要參數S、取值的選取等方面。現在主要有利用基於線性取余貝斯-拉姆洗牌技術以及對系統時鐘進行隨機抽樣產生隨機數的方法。

除了隨機數的產生方法不同之外,現在人們將目光都投向了如何利用交織器的主要參數而設計出較好的隨機交織器這一方向上來,由此我們介紹幾種基本的隨機交織器。

1.S-隨機交織器

這種交織器其實隨機數的產生是與其它交織器一樣的,只不過它有一個附加條件,要求在交織前的信息序列長為S的各信息位在交織后必須相鄰大於S+1個單位,其實也就是讓交織器擁有最大分散因子參數的特性。目前在Turbo碼中採用的大部分都是這種交織器或是由此而情變出的S-隨機交織器。

2. T-隨機交織器

這種交織器其實是一種特殊的隨機交織器,它要求碼字中的任何一對相鄰的信息位在交織后的距離要大於整個碼的約束長度,它只適合於那些由重量為2且兩個"1" 信元相鄰K個單位的碼而產生的最小漢明重量的信息序列。一般來講,只有採用K3的卷積碼才能產生出符合此種要求的隨機交織器。

3. S-T-隨機交織器

此交織器其實是對S-隨機交織器和T-隨機交織器兩種產生條件的綜合,實現起來就更加困難了,屬於較為特殊的隨機交織器。

綜上所述,從總體上來講S隨機交織器比較容易生成,而且生成速度較快,是較為理想的隨機交織器,而其它兩種只是在特殊場合下才得以應用。所以現在應用的大部分隨機交織器應該都是屬於S-隨機交織器。我們在下面提到的隨機交織器都是指S-隨機交織器。

 

Turbo 碼中的應用

在前文中我們已經提到自從交織器應用到通道編碼中尤其是在近幾年剛剛興起的Turbo 碼中,它的對編碼整體性能的影響已經越來越受到人們的重視。

每種事物的產生必定有它的原因,也肯定有優劣不同的成分,對於交織器當然也不能違反這一客觀規律。在Turbo碼中其實是可以利用任何一種交織器的,只是由於針對誤碼率,通信延時或幀長等一系列性能要求,人們就必須選擇一個能使編碼整體性能有所保障的最佳交織器,下面我們就結合各種交織器的優缺點將其在Turbo 碼不同場合下應用中的情況簡要的分析一下:

交織Turbo 碼的解碼結構圖
在傳輸信息幀較短的通信系統中應用Turbo碼,採用分組交織更有利一些。這是由於隨機交織器在數據幀較短時計算產生的隨機數之間存在著較大的相關性。從現有的分析及計算機模擬結果可以得知對於幀長較短的信息序列,當信噪比( SNR)較低肘,分組交織器的性能要優於隨機交織器性能。就是在信噪比較大時,前者還是稍優於後者的。例如:在個人通信中最常用的話音標準率為9.6kbit/s,相應的每幀數據長度為192bit,在信噪比小於2.5dB時,採用分組交織器的效果明顯比隨機交織器好,就是在信噪比較大時,前者也是略優於後者的。所以,對於短幀通信,相比來說還是採用分組交織器比較好。

而當傳輸信息幀較大時,採用分組交織器的Turbo碼要比採用隨機交織器在解碼性能的體現上遜色不少。這是由於隨著交織長度的增大,分組交織前後信息序列的比特位不動點增多,相關性加大,而隨機交織器隨機數的產生卻越來越均勻,交織前後序列相關性將逐漸減小。但是相對於分組交織器它的生成時間卻會變得越來越長,從而導致整個系統時延的增大。所以,在信息幀長較長且對解碼精確度要求較高但卻不要求太高的實時性的通信系統中,最好是採用隨機交織器。這樣就可以使得Turbo碼的整體性能達到最佳狀態,例如,宇航器與地面之間的通信,要求宇航器的信息可以在全部接收后慢慢譯,可以不考慮延時的影響,因此使用帶有隨機交織器的Turbo碼不失為一種好的選擇。

不規則交織器雖然從形式土不同於兩種交織器,但是大部分是對交織器的一種改進或限制。在本質上是沒有什麼變化的,其性能從總體上來說是介於兩種交織器之間的,所以就不再詳細說明。而在具體工程應用中,有時針對分組交織器和隨機交織器各自的特點,將二者有機的結合起來組成新的交織器以滿足一定通信系統的要求,這就是混合型交織器。其生成的基本原理就是在分組交織的思想下進行隨機的讀寫。從廣義上說其實亦是屬於隨機交織器的一種。

GSM系統中的應用

在GSM系統中,通道編碼後進行交織,交織分為兩次,第一次交織為內部交織,第二次交織為塊間交織。

交織GSM 20ms話音編碼交織
話音編碼器和通道編碼器將每一20ms話音數字化並編碼,提供456個比特。首先對它進行內部交織,即將456個比特分成8幀,每幀57比特,見圖所示。

如果將同一20ms話音的2組57比特插入到同一普通突發脈衝序列中(見圖),那麼該突發脈衝串丟失則會導致該20ms的話音損失25%的比特,顯然通道編碼難以恢復這麼多丟失的比特。因此必須在兩個話音幀間再進行一次交織,即塊間交織。

交織普通突發脈衝串
把每20ms話音456比特分成的8幀為一個塊,假設有A、B、C、D四塊,見圖所示,在第一個普通突發脈衝串中,兩個57比特組分別插入A塊和D塊的各1幀(插入方式如圖、所示,這就是二次交織),這樣一個20ms的話音8幀分別插入8個不同普通突發脈衝序列中,然後一個一個突發脈衝序列發送,發送的突發脈衝序列首尾相接處不是同一話音塊,這樣即使在傳輸中丟失一個脈衝串,隻影響每一話音比特數的12.5%,而這能通過通道編碼加以校正。
交織二次交織
 

二次交織經得住喪失一整個突發脈衝串的打擊,但增加了系統時延。因此,在GSM系統中,移動台和中繼電路上增加了回波抵消器,以改善由於時延而引起的通話迴音。

 

 

 

存在問題及發展方向

交織技術的出現和應用,使得好的長碼構造置成了可能,使得迭代演算法也得到了充分的利用。從而使人們在通道編碼中向逼近Shannon極限值又邁進了一步。這確實是令人感到興奮的技術創新。但是現在對於交織器的研究還不是很充分,還有很多問題需要解決,這主要表現在以下幾個方面:

1. 至今仍沒再非常嚴格的理論推導證明來找到最佳的隨機交織器。所以許多設計方法最終只能通過計算機模擬結果來說明問題。

2. 對於影響交織器的各項參數的最佳值選擇仍沒有定論。有時也只能靠計算機模擬搜索出最佳的參考值。

3. 結合給定的交織器,從理論上對Turbo碼進行完整嚴格的性能分析還沒有。現只在一個平均性能分析。

4. 交織器在其他通信系統中的應用也有待於研究和開發。

4 交織 -相關詞條

Trubo碼,突發錯誤,GSM,移動通信

5 交織 -參考資料

[1]. 通道編碼中交織技術的應用,《電信工程技術與標準化》
[2]. http://www.mc21st.com/techfield/systech/gsm/g3-9.htm
[3]. http://scholar.ilib.cn/Abstract.aspx?A=hbydjs200604008
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