CN101547058A - 基于分层编码调制的高阶调制实现方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种高阶调制的低复杂度实现方法，采用分层编码调制的思想，属于无线通信技术领域，特别涉及大容量传输系统的信号发送和检测方法。本方法达到以下目的：1.采用基于分层编码的高阶调制信号设计方法，使难以在通信系统中应用的高阶调制，可以通过低阶调制的逐层迭加去实现，从而降低了高阶调制的实现复杂度；2.采用基于迭代的信号检测，在接收端，按发送端的调制信号阶数进行软解调，其它层的信号作为干扰，通过软译码得到编码比特，并用编码比特进行软干扰消除，从而降低了高阶调制的解调的实现复杂度；3.采用高阶调制层每层加权系数的优化设计，根据调制星座与发送功率、误码率要求以及传输信道特点等准则进行优化；采用该方法可以降低系统对信道非线性的敏感性，也可实现高阶调制在无线通信中的应用。

Description

基于分层编码调制的高阶调制实现方法与装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及大容量传输系统的信号发送和检测方法。

背景技术

由于高阶调制对信道的非线性的敏感而限制了其在无线通信中的应用。同时，由于高阶调制具有庞大的调制星座，增加了根据接收信号去解调发送信号的难度。从而导致了现有技术限制了高阶调制在通信系统中的应用。

本发明提出了一种高阶调制的低复杂度实现方法，它采用分层编码调制的思想，使高阶调制可以分解为多个低阶调制的迭加，通过迭代检测与译码，提高整个系统性能。这种方法可以使难以在通信系统中应用的高阶调制，可以通过低阶调制的逐层迭加去实现，从而降低了高阶调制的实现复杂度，通过这种调制阶数的分层降低，可以降低对信道非线性的敏感性，也可实现高阶调制在无线通信中的应用。

发明内容

(1)基于分层编码的高阶调制信号设计方法，将高阶调制信号分解为几层低阶调制的迭加，用功率加权的方法让每一编码层的在接收端的误码率最低。

(2)基于迭代的信号检测，在接收端，按发送端的调制信号阶数进行软解调，其它层的信号作为干扰，通过软译码得到编码比特，并用编码比特进行软干扰消除。

(3)高阶调制层每层加权系数的优化设计，根据调制星座与发送功率、误码率要求以及传输信道特点等准则进行优化。通过蒙特卡罗仿真进行加权系数的优化。

1.发射部分的设计

本专利提出的发射机结构如图1所示，数据流经过串并转换得到每一编码调制层的数据流，每一层经过编码与调制后，经幅度放大系数α进行幅度放大，最后，发送信号星座组合成高阶调制星座。

图2给出一个由2个QPSK组合成16QAM的一个示例。图2示意出了将两个QPSK可组成一个16QAM星座的情况，信息比特与调制符号之间的映射关系如式(1)所示：

x(t)＝2[b₀(t)+jb₁(t)]+[b₂(t)+b₃(t)]，             (1)

式中，x(t)为t的调制符号，b₀(t)、b₁(t)、b₂(t)、b₃(t)为该时刻的信息比特，将幅度系数α定义为2，表示将符号传输幅度增加1倍。

对于1024QAM调制，可以分解为2个16QAM调制符号、1个QPSK调制符号的方式，由三个分支组合成1024QAM调制，为了使接收端编码器简单，可以采用每路编码器相同的方法，来实现其中的分层编码，如图3所示。图3给出了由一个QPSK、2个16QAM组合成1024QAM的结构图，由三个独立的编码器、调制器来构成通常的一个编码器加一个1024QAM调制器的结构。比特到符号的映射关系如式(2)所示。

x(t)＝8(2[b₀(t)+jb₁(t)]+[b₂(t)+b₃t)])+2(2*[b₄(t)+jb₅(t)]+[b₆(t)+b₇t)])

      +[b₈(t)+jb₉(t)]，(2)

的系数分别为8，2，1。由这种方法构成的发送信号调制星座如图4所示。可以构成标准的1024QAM调制星座。

2.接收机的设计

分层编码调制的接收机的框图如图5所示。在检测某一级接接收信号时，将其它级的信号作为干扰，通过第一层进行解调与解码，得到第一层数据流信息；将该数据流信息进行软信号调制映射，在接收数据流中减去第一级带来的干扰，进行第二层信号的解调与解码；再将第二层的调制软信息从接收信号减去，依次得到最后一层编码比特，将每层的译码信号进行组合，得到发送端数据。

作为示例，给出1024QAM分层编码的译码结构如图6所示。采用了串行干扰对消方式消除不同调制方式间的干扰，并用卷积码的软入软出(SISO)译码方式译码出软编码比特信息，对于解调器也采用软解调方式得到每个调制比特的软信息，再将比特信息经过式(1)的调制方式，重新构建调制符号，从接收数据中减去本级调制符号。采用这种方式后，对1024QAM调制的解调难度可以降低，但以增加了2个译码器的复杂度作为代价。可以将图6构成一个译码解调器，与均衡器之间采用迭代接收方式可以进一步提高系统性能。

3.关于幅度加权值的优化

为了提高分层编码调制的传输性能，第一层的错误会形成层间的错误传播，同时，由于第一层的错误会导致后面几层的解调错误发生，对前几层的保护能力要比后面几层的高。

对于非遍历衰落信道，通常采用掉线容量来衡量系统的性能限。对于第i层支持的速率为r_i，定义掉线概率为：

$P_{\mathrm{out}}^i(\mathrm{\&gamma;},r_i)=\mathrm{Pr}(C_i(\mathrm{\&gamma;},H)<r_i)=E_H\left\{1_{\{C_i(\mathrm{\&gamma;},H)<r_i\}}\right\},\mathrm{\&gamma;}\&Element;R^{+},r_i\&Element;R^{+},---\left(3\right)$

γ为天线平均传输功率，H为信道参数。

对于信道所有的SNR值的情况下，设计分层编码的每一层，使得每一层对应掉线概率容量限由错误比特率决定，不同系数α的优化问题变为：

$\begin{array}{ccc}\max \underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i,s.t.P_{\mathrm{out}}^i(\mathrm{\&gamma;},r_i)\&le;{\hat{P}}_i\left(e\right)& \&ForAll;i,& r_i>0,\end{array}---\left(4\right)$

对式(4)的优化解是当存在一个给定γ的条件下，对于

满足：

$P_{\mathrm{out}}^1(\mathrm{\&gamma;},r_1^{*})\&GreaterEqual;P_{\mathrm{out}}^2(\mathrm{\&gamma;},r_2^{*})\&GreaterEqual;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&GreaterEqual;P_{\mathrm{out}}^M(\mathrm{\&gamma;},r_M^{*})={\hat{P}}_e,---\left(5\right)$

对于r_i和α的联合优化，是一复杂问题，在本专利提了一种近似解法，对于某时刻k的，在第i层解调时信道干扰噪声比(SINR)ζ，通过线性MMSE检测，可得其表达示为：

${\mathrm{\&zeta;}}_{k,i}=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{M}{\mathrm{\&alpha;}}_i{h}_{k,i}^{*}{(I+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{M}{\mathrm{\&alpha;}}_j\underset{j>i}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{k,j}{h}_{k,j}^{*})}^{-1}{h}_{k,i},---\left(6\right)$

用LMMSE滤波的输出采用高斯近似，可以得到第i层的互信息为：

为了计算第i层的掉线概率，可以采用蒙特卡罗仿真方法，去优化式(4)，对所有的M层进搜索，直到最优解得到。

实际上，同样的(γ，H)可能有不同的编码调制数据速率，并小于理想的r_ideal(ζ_k，i)，因为给定码率与调制方式的数据传输率不是连续可变的。例如，可以用低密度校验码(LDPC)码进行速率兼容设计，在一定帧错误率条件下，由高斯信道(AWGN)对不同编码调制方式进行仿真，得到在某种编码调制方式下的数据速率。

$r_{\mathrm{ldpc}}\left(\mathrm{\&zeta;}\right)=\{r_{\mathrm{ldpc}}\&Element;R^{+}|P_{\mathrm{FER}}(\mathrm{\&zeta;},r_{\mathrm{ldpc}})=\hat{P}\left(e\right),\mathrm{\&zeta;}\&Element;R^{+}\},---\left(8\right)$

在得到不同信号噪声干扰比下的编码与调制方式后，可以根据信道条件，采用查表的方式去优化实际通信系统。

附图说明

图1基于分层编码调制的高阶调制发送信号设计

图216QAM等效为两个QPSK的星座图

图31024QAM的分层编码调制图

图4用分层编码调制方式构成的1024QAM星座

图5分层编码调制的接收机框图

图61024QAM分层编码调制的解调结构。

Claims (3)

1.将高阶调制信号分解为几层低阶调制的迭加，用功率加权的方法让每一编码层在接收端的误码率最低。具体包括如下步骤：

对于1024QAM调制，可以分解为2个16QAM调制符号、1个QPSK调制符号的方式，由三个分支组合成1024QAM调制，比特到符号的映射关系为：

x(t)＝8(2[b₀(t)+jb₁(t)]+[b₂(t)+b₃t)])+2(2*[b₄(t)+jb₅(t)]+[b₆(t)+b₇t)])

                                                         ，(1)

+[b₈(t)+jb₉(t)]

式中，x(t)为t的调制符号，b₀(t)～b₉(t)为该时刻的信息比特，系数分别为8，2，1。

2.分层编码调制的接收机。具体包括如下步骤：

采用串行干扰对消方式消除不同调制方式间的干扰，并用卷积码的软入软出(SISO)译码方式译码出软编码比特信息，对于解调器也采用软解调方式得到每个调制比特的软信息，再将比特信息经过式(1)的调制方式，重新构建调制符号，从接收数据中减去本级调制符号。

3.高阶调制层每层加权系数的优化设计，根据调制星座与发送功率、误码率要求以及传输信道特点等准则进行优化。通过蒙特卡罗仿真进行加权系数的优化。

对于非遍历衰落信道，通常采用掉线容量来衡量系统的性能限。对于第i层支持的速率为r_i，定义掉线概率为：

$P_{\mathrm{out}}^i(\mathrm{\&gamma;},r_i)=\mathrm{Pr}(C_i(\mathrm{\&gamma;},H)<r_i)=E_H\left\{1_{\{C_i(\mathrm{\&gamma;},H)<r_i\}}\right\},\mathrm{\&gamma;}\&Element;R^{+},r_i\&Element;R^{+},---\left(2\right)$

γ为天线平均传输功率，H为信道参数。

对于信道所有的SNR值的情况下，设计分层编码的每一层，使得每一层对应掉线概率容量限由错误比特率决定，不同系数α的优化问题变为：

$\begin{array}{ccc}\max \underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i,s.t.P_{\mathrm{out}}^i(\mathrm{\&gamma;},r_i)\&le;{\hat{P}}_i\left(e\right)& \&ForAll;i,& r_i>0\end{array},---\left(3\right)$

对于某时刻k的，在第i层解调时信道干扰噪声比(SINR)ζ，通过线性MMSE检测，可得其表达示为：

${\mathrm{\&zeta;}}_{k,i}=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{M}{\mathrm{\&alpha;}}_i{h}_{k,i}^{*}{(I+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{M}{\mathrm{\&alpha;}}_j\underset{j>i}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{k,j}{h}_{k,j}^{*})}^{-1}{h}_{k,i},---\left(4\right)$

用LMMSE滤波的输出采用高斯近似，可以得到第i层的互信息为：

为了计算第i层的掉线概率，可以采用蒙特卡罗仿真方法，去优化式(3)，对所有的M层进搜索，直到最优解得到。

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