通信-交织技术

如果你是学通信的，当有人问你什么是交织，你会怎么说？

最简单的一句话便可描述交织技术，懂的人听到这句话就明白你的意思，就会觉得你不错。相反，如果你对这个名词有点印象，但又说不出什么来，这种情况气氛就会比较尴尬。

总结为一句话就是：交织的实质是将突发错误分散开来，而且交织深度越深，抗突发错误的能力越强。补充：交织前相邻的符号在交织后的最小距离称为交织深度（也叫交织距离，GSM采用的交织深度为8）. 交织深度应不小于信道上可能的突发错长度，否则解交织后仍可能存在一定的突发错误。

    在陆地移动通信这种瑞利信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续时间较长的信道深衰落谷点会影响到相继一串的比特。但是，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题，希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在传输过程中即使发生成串差错，在接收端恢复成相继比特串的消息时，也就变成单个或长度很短的差错，再用信道编码所具有的纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种将相继比特分散开的技术就是交织技术。因此，交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）等信道编码技术消除随机差错。信道编码只能消除随机差错（如加性高斯白噪声引起的），但当信道陷入深衰落时，将发生突发差错（连续好多bit都会出错），信道编码就没办法纠错了（信道编码是用信息位和校验位的组合做纠错，错的bit多了就纠正不了），这时候就要靠交织了（交织可以打散突发差错为随机差错）。所以，信道编码和交织通常结合起来使用，以提高通信系统的可靠性。

说完了交织的作用和目的，接下来再说说，交织是怎么做的。这里只介绍矩阵交织。

     假定由一些4bit组成的消息分组，把4个分组中的第一个比特取出来，并让这4个第一比特组成一个新的4bit组，称作第一帧，4个消息分组中的比特2～4也作同样处理，如图1所示。然后依次传送第1bit组成的帧，第2bit组成的帧，……。如果在传输期间，帧2丢失，在没有交织时，就会丢失某一整个消息分组，在采用交织技术后，仅每个消息分组的第2bit丢失。如果所采用的纠错编码技术能将4个码中的一个错码纠正过来，则利用信道编码，仍能恢复全部分组中的消息，这就是交织技术的基本原理。交织就是把一个码块中的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大。这是用文字描述的，应该也能看懂，大概明白其意思和做法即可。

图1

交织技术通过存储器完成，在信道的输入端将信息按行写入交织器，再按列读出发送；在信道的输出端，按列写入交织器，再按行读出。如图2所示。

图 2

现在假设我要发送信息：

第一句是：今晚吃汉堡

第二句是：大概8点半

第三句是：在学校门口

如果没有交织，直接发送，假设信道陷入深衰落，第一行全错了，那么接收端就不能正确还原我原来要发送的信息，他收到了在学校门口八点半，却不知道干什么。如果他懒得出来，就没法和我一起去吃汉堡了，如果他知道是去吃汉堡，说不定就和我出来了。

那么使用交织呢？若使用交织技术，将信息按行写入交织器，再按列读出（图3）：

图3

那么我发送的就是，先发送第一帧 “今大在”，再发送第二帧“晚概学”.....（图4）

图4

如果信道突发错误，第一帧（第一行）全错了，第一帧就是***（图5），第二帧是“晚概学”...

图5

接收端将收到的每一帧按列写入交织器（解交织），按行读出，得到（图6）

图 6

然后接收端收到信息，纠正错误，恢复出原来的信息，我和他就一起吃了汉堡。最终的错误其实分散到了每一句话，也就是说每一句话只错了一个字，我们将很有可能（使用信道编码）纠正一句话中的这一个错误。如果没有交织，正好在这个时间信道陷入深衰落导致一句话全出错，那就纠正不了了。矩阵交织的基本过程如上，我们看到了它的好处，但它也有缺点，在完成交织与去交织的时候，在交织器中将花费一定的时间（2*M*N个符号时间），M行N列），造成时延。所以在实际应用中，需要做一个tradeoff。

了解了交织的基本过程后，我们来看一个系统应用实例。因为这学期正在学移动通信系统，所以看下GSM系统是如何交织的。

在GSM系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次为内部交织，第二次为块间交织。

首先看看内部交织（图7）：

图7

每20ms有456bit语音，我们把这456bit分成8个帧，每帧57bit，交织的方式是第一个bit放入第1帧，第2个bit放入第2帧....，第8个bit放入第8帧，第9个bit放入第1帧，第10个bit放入第2帧，按这个顺序。这样交织后，如果错了某一帧，丢失的就不是连续的bit，而是第1，9,17,25..449bit错误（按第1帧错误举个例子）。

图8

如果将同一20ms话音里的两帧插入一个突发脉冲序列（TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列），如果这个突发脉冲序列错了，相当于同一20ms话音的两帧都错了，不利于信道编码纠错。我们总是希望错误尽可能的散开，这对我们纠错有好处，如果一个东西全错了那还怎么纠？（图8里的25%是由2帧/8帧得到的，8帧错了2帧，错误率为25%）

图9

如图9所示，我们把同一20ms话音的8个帧定义为一个块，上图中有4个块ABCD，即4个20ms话音。我们怎么在不同20ms话音之间进行块交织，将数据分散的更开？

图10

图10为块间交织的一种方式，把块A（是同一20ms话音，有8个帧），把A的8个帧分别放入不同的突发脉冲序列中（如图10所示），块BCD同样做这种操作，最后得到的结果是每个20ms话音的8个帧分别放入了不同的突发脉冲序列，一个突发脉冲序列里包含了两个不同块的帧，如图10所示。

图11

图11是总结，如果错了一个突发脉冲序列错了，里面的两帧也跟着错了，现在这两帧属于不同的20ms话音（即不同的块），所以对于每个20ms话音而言只错了一帧。错误率为1/8=12.5%。

GSM系统采用的交织深度为8，编码流程如图12所示。把2个20ms的语音比特（共40ms）（2*456bit=912bit）组成8X114的矩阵，按水平写入、垂直读出的顺序进行交织（如图13所示）。获得8个114bit的信息段，每个信息段要占用一个时隙且逐帧进行传输。可见每40ms的语音需要8帧才能传送完毕。

图12就是块间交织的操作。类比图10。在一个突发脉冲序列中放入属于不同块的两个帧，进行块间交织。

图12 图13

图13所画的按行水平写入，就是内部交织的操作，把456bit分成8个帧，分法和图7相同（不清楚的话返回去看图7，图13是图7的矩阵表达形式），按行写入，第1个bit放入第1帧（一共有8帧，即8列），第2个bit放入第2帧....,第8个bit放入第8帧，第9个bit放入第1帧...如此循环（就是我用笔在图13方格内部写的）。最后再按列垂直读出，矩阵的一列（1个突发脉冲序列，图13说这个是帧，看图12就知道这个帧就是突发脉冲序列）的上半部分和下半部分属于不同的20ms话音（不同的块）。

交织就总结到这里，如果以后做科研需要这部分知识，有了新的理解再进行补充。

鼓起劲来学通信工程吧，虽然这个专业是真的很难，搞得最后好多通信喵都转CS做了码农。但坚持下来好好学习通信知识，将来出路肯定很好，因为未来通信的发展有无限的可能。（入了通信的坑就别想走了）