CN101521514A - 结合重复累积码的多元编码调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了结合重复累积码的多元编码调制方法及其装置。本发明的方法包括：对Kb比特的信息比特流进行高阶域编码，得到GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，该重复累积码具有N个属于高阶域编码符号的q元编码符号；把每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，然后经由预编码后构成多元编码调制(QCM)符号；把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送。利用本发明，可以在AWGN或衰落信道上均得到很好性能。

Description

结合重复累积码的多元编码调制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统中的多元编码调制方法。

背景技术

在带宽和功率都受限的条件下，提高系统的传输效率及可靠性是新一代无线通信系统需要解决的最主要问题之一。

编码调制(Coded Modulation)技术自从1982年Ungerboeck提出TCM以来一直是个热门研究领域，由于采用联合信道编码和调制在不展宽频带的前提下获得所需要的编码增益，TCM以及编码调制联合设计一直是通信特别是要求高频谱效率的无线通信中的一个重要研究方向。

Ungerboeck提出的网格编码调制TCM在AWGN信道中，不增加带宽和功率，相同的信息速率下可获得3—6dB的编码增益。Ungerboeck同时给出了AWGN信道下TCM好码的欧氏空间度量的定义，这与传统上的采用Hamming距离作为好码判据不同。同样思想的分组编码调制BCM是用分组码代替TCM中的卷积码。

但是，TCM的良好性能主要体现在高斯信道下，而在多径衰落信道下，TCM性能并不及另一种被广泛采用的编码调制方式—比特交织编码调制(BICM)。BICM的原理比较简单，编码后的比特流通过比特交织器，之后再按顺序映射到调制星座点，这里，星座映射采用格雷映射，比特交织器可以精心设计，但采用随机交织器即可保证获得较好性能。BICM的优点是：1、BICM追求汉明距的最大化，尽管牺牲了一些欧氏距离特性，但使得码分集数最大，在Rayleigh衰落信道下具有高度的鲁棒性；2、在理想交织时，编码器和调制器分离设计，高度的设计灵活性。当前的绝大多数无线通信系统，如2G、3G、WIMAX等系统，均采用了BICM及在其基础上演进的编码调制方式。

衰落信道下，采用更为复杂的信号空间分集(SSD)方法能获得比BICM更好的性能。SSD是一种应用于SISO系统，在衰落信道下不损失传输效率的分集技术(Full-diversity)，其主要思想是将多个符号经过某种映射(如旋转矩阵方法)后在多个符号区间发送。理论上，SISO系统采用SSD技术在独立同分布Rayleigh信道下的性能可以非常逼近(<1dB)同等传输效率的AWGN信道的BER性能，其代价是接收复杂度增加和系统实现困难。

多天线技术(MIMO)作为提高频谱效率、保证传输可靠性的重要手段，近年来在无线通信系统中得到了越来越广泛的应用。空时码，包括空时空时格码(STTC)和空时块码(STBC)，在空间和时间维度对信号进行联合调制编码。相比STBC只是获得分集增益，STTC由于可以同时获得编码增益和分集增益具有更好的性能，但由于STTC是一个多维卷积编码，接收处理复杂度随系统维度呈指数增长，在实际系统中STTC很难得到有效应用。另一方面尽管STBC性能稍差于STTC，但结合外部信道编码及BICM，总体的链路性能和STTC可比拟，另外关键是STBC接收复杂度较低，在一些3G系统中，STBC已经成为一个重要的技术。

1993年，Turbo码的引入引起了信道编码领域革命性的变革，迭代译码成为主流。1996年，LDPC码被重新发现，在采用软信息迭代的BP译码算法时能取得比Turbo码更好的性能。但LDPC码的编码复杂度较高，而具有快速编码结构的LDPC码性能并不比Turbo好。并且，更重要的，这两种码的逼近香农限的优异性能都只有在长码块时才能取得，在短码块、中高码率情况下，结合Turbo码或LDPC码的BICM性能并不令人满意。

重复累积码(RA码)于1998年由Divsalar，Jin和McEliece提出，2000年，Jin，Khandekar和McEliece又提出非规则重复累积码(IRA码)。RA码可同时看作一类简单的Turbo码或LDPC码：当看作一个级联码时，它由一个码率1/q的重复码和一个称作累加器的码率为1的1/(1+D)卷积码以及它们之间的交织器组成；当看作LDPC码时，累加器对应为其校验矩阵中一部分重量为2的列，交织器则决定着校验矩阵中其它列的结构，这些列的重量则由重复码决定。

综上所述，RA/IRA码可以如Turbo码一样通过级联两个组成码进行编码，同时如LDPC码一样利用和积译码算法在码的Tanner图上进行译码。因此它同时具有Turbo码的低编码复杂度和LDPC码译码的并行性和译码能力，这是RA码相对于Turbo码或LDPC码的优势。

采用多元码与高阶调制器相结合的多元编码调制方式，其接收机可以采用逐符号最大后验概率的最佳的非迭代检测技术。与BICM相比，在衰落信道上，由于最佳检测所获得的性能增益能够弥补非比特交织造成的时间分集损失，使得能这种方案具有较低的检测时延而不失最佳性。而且，多元码的Hamming距离直接对应于信号序列之间的Hamming距离，有利于设计具有好的乘积距离的编码调制系统。已有的结果证实，该方案在AWGN与衰落信道上均具有很好的性能。

相关的现有技术有：

网格编码调制(trellis coded modulation，简称TCM)：G.Ungerboeck，Channel coding with multilevel/phase signals，IEEE Trans.Inf.Theory，VOL.IT-28，PP.56-67，January 1982.

比特交织编码调制(bit-interleaved coded modulation，简称BICM)：G.Caire，G.Taricco and E.Biglieri，Bit-Interleaved Coded Modulation，IEEE Trans.Inf.Theory，VOL.44，NO.3，May 1998.

信号空间分集(signal space diversity，简称SSD)：J.Boutros and E.Viterbo，Signal space diversity：a power-and bandwidth-efficientdiversity technique for the Rayleigh fading channel，IEEE Trans.Inf.Theory，VOL.44，NO.4，July 1998.

空时格码(space-time trellis code，简称STTC)：V.Tarokh，N.Seshadriand A.R.Calderbank，Space-Time codes for high data rate wirelesscommunication：performance criterion and code construction，IEEE Trans.Inf.Theory，VOL.44，NO.2，March 1998.

空时块码(space-time block code，简称STBC)：V.Tarokh，H.Jafarkhaniand A.R.Calderbank，Space-Time Block codes from orthogonal designs，IEEE Trans.Inf.Theory，VOL.45，NO.5，July 1999.

重复累积码(repeat accumulate code，简称RA码)：D.Divsalar，H.JinandR.J.McEliece，Coding theorems for turbo-like codes，Proc.36^thAllerton Conf.on Communications，Control and Computing，pp.201-210，September 1998.

非规则重复累积码(irregular repeat accumulate code，简称IRA码)：H.Jin，A.Khandekar and R.J.McEliece，Irregular repeat-accumulatecodes，Proc.2^nd.Int.Symp.Turbo codes and Related Topics，Brest France，pp.1-8，September 2000.

多元低密度奇偶校验码(Non binary LDPC code)：M.C.Davey and D.Mackay，Low-density parity check codes over GF(q)，IEEE Commun.Lett.，VOL.2，PP.165-167，June 1998.

发明内容

本发明的目的是，在给定的限制条件下，提供一种结合多元重复累积码的广义多元编码调制方案。

本发明利用多元符号编码的内在相关性，通过将高阶域的编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，经过预编码后构成多元编码调制(QCM)符号，再分配到对应的多维物理信道上发送。QCM方案中的多元符号与可用的不同维度的物理资源相对应，不同的场景下具有不同的物理意义。

在本发明的一个方面中，本发明的结合重复累积码的多元编码调制方法包括以下步骤：

对Kb比特的信息比特流进行高阶域编码，得到GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，该重复累积码具有N个属于高阶域编码符号的q元编码符号；

把每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，然后经由预编码后构成多元编码调制(QCM)符号；

把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送；

其中，所述N、K、b、q均为正整数。

本发明的对Kb比特的信息比特流进行编码的步骤包括：

对所述Kb信息比特流进行比特至GF(q)变换，得到K个未编码信息符号；

对K个未编码信息符号进行q元RA编码或者q元iRA编码，从而得到所述N个属于高阶域编码符号的q元编码符号。

本发明的把每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号的步骤包括：

进行符号到比特转换，得到b个比特；

将b个比特分割为b₁，b₂，…，b_M共M组比特流，满足b₁+b₂+…+b_M＝b；

对第i组(1≤i≤M)的b_i个比特，进行 $q_i=2^{b_i}$ 维的符号调制映射，得到调制符号S_i，直至得到M个调制符号S₁，S₂，…，S_M，其中q₁q₂…q_M＝q；

利用预编码矩阵P对M个调制符号S₁，S₂，…，S_M，进行M维预编码，得到M维的QCM符号。

本发明的把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的步骤包括：将M维的QCM符号映射到M维的物理信道上进行发送。

其中，所述预编码矩阵P的维度可以是M×M。预编码矩阵P可以是M×M旋转矩阵。

其中，所述多维物理信道是空域的多天线，或者是频域的多频点，或者是时域的多时段，或者是所述空、时、频域多种资源的结合。

当多维物理信道为空域的多天线时，把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的步骤包括：

对N个M维QCM符号进行频域的符号交织；

将交织后的M维QCM符号映射到M根发射天线的同一子载波上，经过IFFT后发射。

在本发明的另一方面中，本发明的结合重复累积码的多元编码调制设备，包括：

对Kb比特的信息比特流进行高阶域编码的装置，用于得到GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，该重复累积码具有N个属于高阶域编码符号的q元编码符号；

对每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，然后经由预编码后构成多元编码调制(QCM)符号的装置；

把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的装置。

采用本发明技术方案，可以在AWGN域衰落信道上均具有很好性能。

另外，采用本发明技术方案后，接收端信号处理均在符号级，不存在符号、比特之间的信息转化损失，符号检测与多元译码之间不需要迭代处理。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的基本的多元编码调制收发框图；

图2是显示本发明的结合重复累积码的多元编码调制方法的框图；

图3是本发明的结合重复累积码的多元编码调制设备的原理框图；

图4是适用于本发明的LTE框架下结合q-iRA码的QCM收发框图。

具体实施方式

下面将结合实例详细说明本发明的基本原理、数学描述及具体实施方式。

图2显示了本发明的结合重复累积码的多元编码调制方法，本发明的结合重复累积码的多元编码调制方法包括以下步骤：

对Kb比特的信息比特流进行高阶域编码，得到GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，该重复累积码具有N个属于高阶域编码符号的q元编码符号；

把每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，然后经由预编码后构成多元编码调制(QCM)符号；

把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送；

其中，所述N、K、b、q均为正整数。

本发明的对Kb比特的信息比特流进行编码的步骤包括：

对所述Kb信息比特流进行比特至GF(q)变换，得到K个未编码信息符号；

对K个未编码信息符号进行q元重复累积(q-RA)编码或者q元非对称重复累积(q-iRA)编码，从而得到所述N个属于高阶域编码符号的q元编码符号。

上述的把每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号的步骤包括：

进行符号到比特转换，得到b个比特；

将b个比特分割为b₁，b₂，…，b_M共M组比特流，满足b₁+b₂+…+b_M＝b；

对第i组(1≤i≤M)的b_i个比特，进行 $q_i=2^{b_i}$ 维的符号调制映射，得到调制符号S_i，直至得到M个调制符号S₁，S₂，…，S_M，其中q₁q₂…q_M＝q；

利用预编码矩阵P对M个调制符号S₁，S₂，…，S_M，进行M维预编码，得到M维的QCM符号。

上述的把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的步骤包括：将M维的QCM符号映射到M维的物理信道上进行发送。所述预编码矩阵P的维度为M×M。该预编码矩阵P可以是M×M旋转矩阵。

本发明的多维物理信道可以是空域的多天线，或者可以是频域的多频点，或者可以是时域的多时段，或者可以是所述空、时、频域多种资源的结合。

如果多维物理信道是空域的多天线，则上述的把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的步骤包括：

对N个M维QCM符号进行频域的符号交织；

将交织后的M维QCM符号映射到M根发射天线的同一子载波上，经过IFFT后发射。

概括地说，本发明的多元编码调制方案是：

令2^b＝q，针对GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，其符号级未编码块长度为K个符号，编码块长度为N个符号，分别对应为Kb及Nb个比特，编码效率为r＝K/N。

输入Kb比特的信息比特流，经过比特到符号的转换，得到K个未编码信息符号。

K个未编码符号经过q-RA/q-iRA编码，得到N个符号的编码块。

对每个q元编码符号，进行以下操作：

1、符号到比特转换，得到b个比特；

2、将b个比特分割为b₁，b₂，…，b_M共M组比特流，满足b₁+b₂+…+b_M＝b；

3、对第i组(1≤i≤M)的b_i个比特，进行 $q_i=2^{b_i}$ 维的符号调制映射，得到调制符号S_i，显然有q₁q₂…q_M＝q；

4、对于M个调制符号S₁，S₂，…，S_M，进行M维预编码，得到M维的QCM符号，预编码矩阵P的维度为M×M；

5、将M维的QCM符号映射到M维的物理信道上进行发送，这里的多维物理信道指的是可用的多维的物理资源，可以是空域的多天线，可以是频域的多频点，可以是时域的多时段，也可以是上述空、时、频域多种资源的结合。

对于q₁，q₂，…，q_M，可以相等，也可以不相等。

预编码矩阵P可以根据不同系统、不同可用物理资源灵活选取，比如可选用旋转矩阵，甚至可采用最简单的单位阵。

当M＝1时，图2退化为图1，即图1是本发明所提供方案的一种特殊情况。

图3显示了本发明的结合重复累积码的多元编码调制设备的原理性结构，如图3所示，本发明的结合重复累积码的多元编码调制设备包括：

对Kb比特的信息比特流进行高阶域编码的装置1，用于得到GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，该重复累积码具有N个属于高阶域编码符号的q元编码符号；

对每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，然后经由预编码后构成多元编码调制(QCM)符号的装置2；

把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的装置3。

图4显示了适用于本发明的LTE框架下结合q-iRA码的QCM收发结构。

以LTE(长期演进)系统5MHz带宽框架为例，采用512点FFT(快速傅立叶变换)/IFFT(快速傅立叶逆变换)。

令q＝256，因此每个编码符号含b＝8比特信息。

令M＝2，采用2发2收天线，利用空域的2天线资源。

令b₁＝b₂＝4，则q₁＝q₂＝16，2路数据均采用16QAM调制。

预编码矩阵P采用2 x 2旋转矩阵， $P=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& e^{-j2\mathrm{\&pi;}/2}\end{array}\right].$

采用GF(256)上的(126，63)q-iRA码，对应信息比特为504，编码块比特为1008。

对于每个256元的编码符号，转换到2路4比特组进行调制，得到2个16QAM符号。

2个16QAM调制符号经过预编码矩阵P，得到M＝2维的QCM符号。

对126个2维QCM符号进行频域的符号交织。

将交织后的2维QCM符号映射到2根发送天线的同一子载波上，经过IFFT后发送。

信号经过信道后，在接收端经过同步、估计等处理后，2根天线的接收信号分别做FFT，之后再做频域解交织。然后对于每一个子载波，进行q维的MIMO检测，直接输出q维符号软值供q-iRA译码。最后硬判决输出。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种符号级的多元编码调制方法，包括以下步骤：

将高阶域的编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，经过预编码后构成多元编码调制(QCM)符号，再分配到对应的多维物理信道上发送。

2、一种结合重复累积码的多元编码调制方法，包括以下步骤：

对Kb比特的信息比特流进行高阶域编码，得到GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，该重复累积码具有N个属于高阶域编码符号的q元编码符号；

把每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，然后经由预编码后构成多元编码调制(QCM)符号；

把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送；

其中，所述N、K、b、q均为正整数。

3、根据权利要求2所述的方法，其中所述对Kb比特的信息比特流进行编码的步骤包括：

对所述Kb信息比特流进行比特至GF(q)变换，得到K个未编码信息符号；

对K个未编码信息符号进行q元重复累积编码或者q元非对称重复累积编码，从而得到所述N个属于高阶域编码符号的q元编码符号。

4、根据权利要求2或3所述的方法，其中所述把每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号的步骤包括：

进行符号到比特转换，得到b个比特；

将b个比特分割为b₁，b₂，…，b_M共M组比特流，满足b₁+b₂+…+b_M＝b；

对第i组(1≤i≤M)的b_i个比特，进行 $q_i=2^{b_i}$ 维的符号调制映射，得到调制符号S_i，直至得到M个调制符号S₁，S₂，…，S_M，其中q₁q₂…q_M＝q；

利用预编码矩阵P对M个调制符号S₁，S₂，…，S_M，进行M维预编码，得到M维的QCM符号。

5、根据权利要求2或4所述的方法，其中把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的步骤包括：将M维的QCM符号映射到M维的物理信道上进行发送。

6、根据权利要求4所述的方法，其中所述预编码矩阵P的维度为M×M。

7、根据权利要求4所述的方法，其中所述预编码矩阵P是M×M矩阵。

8、根据权利要求2或5所述的方法，其中所述多维物理信道是空域的多天线，或者是频域的多频点，或者是时域的多时段，或者是所述空、时、频域多种资源的结合。

9、根据权利要求8所述的方法，其中把对应于每个q元编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的步骤包括：

对N个M维QCM符号进行一个或者多个域(空域、时域、频域)上的M个资源单元(例如M个天线)上的符号交织；

将交织后的M维QCM符号映射到M个资源单元经过处理后发射。

10、一种结合重复累积码的多元编码调制设备，包括：

对Kb比特的信息比特流进行高阶域编码的装置(1)，用于得到GF(q)上的q元(N，K)重复累积码，该重复累积码具有N个属于高阶域编码符号的q元编码符号；

对每个q元编码符号并行映射为多个低阶域的调制符号，然后经由预编码后构成多元编码调制(QCM)符号的装置(2)；

把对应于每个q编码符号的所述多元编码调制符号分配到对应的多维物理信道上发送的装置(3)。

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