交织

　　交织既指纵横交错或错综复杂点合在一起，也是一种通讯技术。语出清钱谦益《罗延光授文林郎制》：“传遽交织，而野无劳人。”

　　基本原理

　　交织其实是通信系统中进行数据处理而采用的一种技术，交织器从其本质上来说就是一种实现最大

　　限度的改变信息结构而不改变信息内容的器件。从传统上来讲就是使信道传输过程中所突发产生集中的错误最大限度的分散化。因此，具体来讲也许数据置乱器这个称呼更加符合交织器其本质，会让人们对交织器的基本工作机理有更多的感性认识。

　　在陆地移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，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了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种方法就是交织技术。

　　规则交织器

　　分组交织器生成示意图规则交织器是最早应用于信道编码中的，其实它就是通常我们所说的分组交织器，也就是行读列出或列读行出的交织器，从图3这个简单的3 x 3 交织矩阵可以看出一共有32种交织方式的存在，然而这32种读法中虽然有许多在形式上不同，但就其本质来讲所表现的特性却是完全一致的。所以它们又可以归纳为有限的四种形式，我们用L代表左，R代表右，T代表上，B代表下，则这四种交织器依次可以表示成：LR/TB，LR/BT，RL/TB ，RL/BT 。其中LR 表示由左至右写人，TB 表示由上至下读出，其它的表示形式也依此类推。有文献对第二、三种交织器进行了详细的比较称之为典型的分组交织器，最后推出第二种交织器比较好，但是此种交织方式对于奇数行乘以奇数列的方阵来说，会由于交织前后的不动点太多而使交织前后的相关性很大，而如果采用第一、四种交织则效果会更好，这是由于用此交织方式在交织前后的不动点最多为1 ，从而大大减小了信息之间的相关性。

　　不规则交织器

　　其实不规则交织器的形式大部分是由我们上面所提及的4种分组交织器演变而来的，主要有对角交织器、螺旋交织器、奇偶交织器等形式，对角交织器和螺旋交织器都是采用行写而对角读出的方式，两者不同是在于对角交织器是行写然后从第一行的第一个元素开始以对角方式读出，而螺旋交织器则是从最后一行的第一个元素开始以对角的方式读出，具体的示意图如图所示。

　　交织方式示意图图中所示的是3 x 3的交织矩阵，箭头所示的方向便为读写方向，从总体上来说这两种交织器是由分组交织器演变而来的，其性能要比典型的分组交织器好一些。而下面提到的奇偶交织器并不是一种独立的交织器生成方法，而是配合删余技术在交织器生成时加上限制条件的一种方法。删余技术其实就是在编译码过程中将信息以删余截短码的形式送入信道，收端通过加入模拟零的方式加以恢复，这本身对码元的纠错能力将打折扣，但是却能提高编码效率。因此，删余技术在编码中通常被广泛使用，但研究者发现，在Turbo码中因为应用此技术而带来的影响比在其应用于其它的传统编码中的影响会更大，这是因为在Turbo码中冗余位的作用很大，正是乱序编码产生的冗余位才引入了交织器的随机性，一般的编码在采取了删余技术以后，冗余位对信息位的保护是平衡的，而在Turbo码中由于交织器的使用，如果采取不恰当的交织方式就会有较坏的情况发生，即有可能是有的信息位有重复的对应冗余位送入信道而有的信息位却无对应的冗余位送入信道，这就造成了冗余位对信息位保护不均的现象，也势必会影响码元的纠错能力。为此采用奇偶交织方式就可以很好的解决这个问题，它会在生成截短Turbo码的同时，每次分别将经由编码器对应于输入的奇数和偶数信息位所产生的冗余位交替的送往信道，这样就可以保证信息序列中的每一位均有对应的元余位通过信道传输送抵至译码器，从而使编译码器工作在正常状态下。

　　随机交织器

　　随机交织器是兴起的一种交织器，其实我们也可以说它是随着Turbo码的产生而被日益广泛的应用起来的。顾名思义，随机交织器应该实现的思想便是随机交织过程，但是我们所说的随机交织器大部分恰当的来讲应该称之为伪随机交织器。这是因为从Turbo码的编译码器结构可以看出 。

　　Turbo码编译码其结构框图译码器中的交织器是要与编码器中的交织器相对应的。而分组交织器是以规则的顺序进行交织的，所以在收发两端可以通过一定的协议来确定交织器的工作方式。但是在采用了随机交织器的Turbo码系统中，由于对于每一组信息序列所产生的交织后的结果是随机性的，而译码器则要求对每帧数据都要有相应的交织顺序，所以在传输编码序列的同时，在信道上还要传输交织器的信息，这不仅加大译码器的复杂度，而且也加大了信道负载，而且如果在中途交织器信息出现错误，则会使译码的误码增多，所以所采用的随机交织器都是伪随机的，是事先经过随机选择而生成的一种性能较好的交织方式，然后将其做成表的形式存储起来而进行读取的。

　　随机交织器的随机性能主要取决于随机数的产生方式、交织器主要参数S、取值的选取等方面。主要有利用基于线性取余贝斯-拉姆洗牌技术以及对系统时钟进行随机抽样产生随机数的方法。

　　除了随机数的产生方法不同之外，人们将目光都投向了如何利用交织器的主要参数而设计出较好的随机交织器这一方向上来，由此我们介绍几种基本的随机交织器。

　　1. S-随机交织器这种交织器其实随机数的产生是与其它交织器一样的，只不过它有一个附加条件，要求在交织前的信息序列长为S的各信息位在交织后必须相邻大于S+1个单位，其实也就是让交织器拥有最大分散因子参数的特性。在Turbo码中采用的大部分都是这种交织器或是由此而情变出的S-随机交织器。2. T-随机交织器这种交织器其实是一种特殊的随机交织器，它要求码字中的任何一对相邻的信息位在交织后的距离要大于整个码的约束长度，它只适合于那些由重量为2且两个"1" 信元相邻K个单位的码而产生的最小汉明重量的信息序列。一般来讲，只有采用K3的卷积码才能产生出符合此种要求的随机交织器。3. S-T-随机交织器此交织器其实是对S-随机交织器和T-随机交织器两种产生条件的综合，实现起来就更加困难了，属于较为特殊的随机交织器。

　　综上所述，从总体上来讲S随机交织器比较容易生成，而且生成速度较快，是较为理想的随机交织器，而其它两种只是在特殊场合下才得以应用。所以应用的大部分随机交织器应该都是属于S-随机交织器。我们在下面提到的随机交织器都是指S-随机交织器。1

　　实际应用

　　Turbo 码

　　在前文中我们已经提到自从交织器应用到信道编码中尤其是在刚刚兴起的Turbo 码中，它的对编码整体性能的影响已经越来越受到人们的重视。每种事物的产生必定有它的原因，也肯定有优劣不同的成分，对于交织器当然也不能违反这一客观规律。在Turbo码中其实是可以利用任何一种交织器的，只是由于针对误码率，通信延时或帧长等一系列性能要求，人们就必须选择一个能使编码整体性能有所保障的最佳交织器，下面我们就结合各种交织器的优缺点将其在Turbo 码不同场合下应用中的情况简要的分析一下：

　　Turbo 码的译码结构图在传输信息帧较短的通信系统中应用Turbo码，采用分组交织更有利一些。这是由于随机交织器在数据帧较短时计算产生的随机数之间存在着较大的相关性。从现有的分析及计算机仿真结果可以得知对于帧长较短的信息序列，当信噪比( SNR)较低肘，分组交织器的性能要优于随机交织器性能。就是在信噪比较大时，前者还是稍优于后者的。例如：在个人通信中最常用的话音标准率为9.6kbit/s，相应的每帧数据长度为192bit，在信噪比小于2.5dB时，采用分组交织器的效果明显比随机交织器好，就是在信噪比较大时，前者也是略优于后者的。所以，对于短帧通信，相比来说还是采用分组交织器比较好。

　　而当传输信息帧较大时，采用分组交织器的Turbo码要比采用随机交织器在译码性能的体现上逊色不少。这是由于随着交织长度的增大，分组交织前后信息序列的比特位不动点增多，相关性加大，而随机交织器随机数的产生却越来越均匀，交织前后序列相关性将逐渐减小。但是相对于分组交织器它的生成时间却会变得越来越长，从而导致整个系统时延的增大。所以，在信息帧长较长且对译码精确度要求较高但却不要求太高的实时性的通信系统中，最好是采用随机交织器。这样就可以使得Turbo码的整体性能达到最佳状态，例如，宇航器与地面之间的通信，要求宇航器的信息可以在全部接收后慢慢译，可以不考虑延时的影响，因此使用带有随机交织器的Turbo码不失为一种好的选择。不规则交织器虽然从形式土不同于两种交织器，但是大部分是对交织器的一种改进或限制。在本质上是没有什么变化的，其性能从总体上来说是介于两种交织器之间的，所以就不再详细说明。而在具体工程应用中，有时针对分组交织器和随机交织器各自的特点，将二者有机的结合起来组成新的交织器以满足一定通信系统的要求，这就是混合型交织器。其生成的基本原理就是在分组交织的思想下进行随机的读写。从广义上说其实亦是属于随机交织器的一种。1

　　GSM系统

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

　　GSM 20ms话音编码交织话音编码器和信道编码器将每一20ms话音数字化并编码，提供456个比特。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，见图所示。

　　如果将同一20ms话音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中(见图)，那么该突发脉冲串丢失则会导致该20ms的话音损失25%的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。

　　普通突发脉冲串把每20ms话音456比特分成的8帧为一个块，假设有A、B、C、D四块，见图所示，在第一个普通突发脉冲串中，两个57比特组分别插入A块和D块的各1帧(插入方式如图、所示，这就是二次交织)，这样一个20ms的话音8帧分别插入8个不同普通突发脉冲序列中，然后一个一个突发脉冲序列发送，发送的突发脉冲序列首尾相接处不是同一话音块，这样即使在传输中丢失一个脉冲串，只影响每一话音比特数的12.5%，而这能通过信道编码加以校正。

　　二次交织

　　二次交织经得住丧失一整个突发脉冲串的打击，但增加了系统时延。因此，在GSM系统中，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，以改善由于时延而引起的通话回音。

　　问题方向

　　交织技术的出现和应用，使得好的长码构造置成了可能，使得迭代算法也得到了充分的利用。从而使人们在信道编码中向逼近Shannon极限值又迈进了一步。这确实是令人感到兴奋的技术创新。但是对于交织器的研究还不是很充分，还有很多问题需要解决，这主要表现于以下几个方面：

　　1. 没再非常严格的理论推导证明来找到最佳的随机交织器。所以许多设计方法最终只能通过计算机仿真结果来说明问题。2. 对于影响交织器的各项参数的最佳值选择仍没有定论。有时也只能靠计算机模拟搜索出最佳的参考值。3. 结合给定的交织器，从理论上对Turbo码进行完整严格的性能分析还没有。现只在一个平均性能分析。4. 交织器在其他通信系统中的应用也有待于研究和开发。

　　本词条内容贡献者为:

　　李岳阳 - 副教授 - 江南大学