CN101621363A - 一种多符号间比特重排序方法及使用该方法的系统 - Google Patents

Abstract

一种多符号间比特重排序方法，用于同一数据包采用不同调制方式重传时提高译码性能，其包括以下步骤：计算前次传输时采用的第一调制阶数的一半与后次传输时采用的第二调制阶数的一半的公倍数；将前次传输符号内不同编码比特的可靠性进行标记，作为该编码比特的已有可靠性等级；在后次传输时，把每个步骤一中的公倍数的两倍编码比特分为一组，在前次传输中映射到越高可靠性位置的比特被安排到当前剩余可用的越低可靠性位置，反之亦然。本发明技术方案使编码比特经合并后可靠性分布更加平均，从而提高译码性能。

Description

一种多符号间比特重排序方法及使用该方法的系统

技术领域

本发明涉及一种多符号间比特重排序方法及使用该方法的系统，应用于无线通信系统中同一数据包前后两次传输采用不同调制方式的情况，属于物理层的链路传输技术。

背景技术

自适应编码调制(AMC)技术由于能够根据信道质量实现链路自适应而在无线通信系统中被广泛的采用，它能够提高系统的频谱效率，特别是当信道质量较好AMC选择了高阶调制方式的时候。而正交幅度调制(QAM)是目前无线通信系统中主要选用的高阶调制方式。

在高阶QAM调制中，映射到一个符号的多个比特之间具有不同的可靠性，当同一个数据包由于传输失败要进行混合自动请求重传(HARQ)时，如果不改变编码比特到高阶QAM调制符号的映射方式，则那些在较高可靠位置上的比特将累积越来越高的可靠性而那些在较低可靠位置上的比特的可靠性将越来越低，从而导致一个编码中的不同编码比特之间的可靠性差异太大而影响译码性能。

为了解决这一问题，在高速下行分组接入(HSDPA)中提出了比特重排序的方案，改变在重传时编码比特到调制符号的映射顺序，使得两次传输的数据合并后编码比特之间具有比较平均的可靠性，从而提高译码性能。

例如，HSDPA中的比特重排序功能用于16QAM和64QAM调制，表1给出了16QAM的几种重排序操作方式，输入序列每4个比特一组进行映射调制，记作v_p，k，v_p，k+1，v_p，k+2，v_p，k+3，其中kmod4＝1；

表1：16QAM的比特重排序

星座版本参数b	输出序列	具体操作
			0	vp，kvp，k+1vp，k+2vp，k+3	无
1	vp，k+2vp，k+3vp，kvp，k+1	交换MSBs与LSBs位置
			2	vp，kvp，k+1 vp，k+2vp，k+3	对LSBs逻辑取反
3	vp，k+2vp，k+3 vp，kvp，k+1	交换MSBs与LSBs位置，并且对LSBs逻辑取反

注：表中MSB指最高重要性(即可靠性)比特(Most Significant Bit)，LSB指最低重要性(即可靠性)比特(Least Significant Bit)。

表2给出了64QAM的几种重排序操作方式。输入序列每6个比特一组进行映射调制，记作v_p，k，v_p，k+1，v_p，k+2，v_p，k+3，v_p，k+4，v_p，k+5，其中kmod 6＝1。

表2：64QAM的比特重排序

星座版本参数b	输出序列	具体操作
			0	vp，kvp，k+1vp，k+2vp，k+3vp，k+4vp，k+5	无
1	vp，k+4vp，k+5 vp，k+2vp，k+3 vp，kvp，k+1	交换MSBs与LSBs位置，并对居中重要性比特逻辑取反
			2	vp，k+2vp，k+3 vp，k+4vp，k+5 vp，kvp，k+1	将输入比特序列以2比特为单位进行向左循环移位，并对中间重要性比特逻辑取反
3	vp，kvp，k+1 vp，k+2vp，k+3 vp，k+4vp，k+5	对中间重要性比特逻辑取反

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上述方案仅仅考虑了当前重传时采用的调制方式，因此它只能够用于同一个数据包的前后两次传输(重传)采用同一调制方式的情况下才有性能增益。如果同一个数据包的前后两次传输(重传)采用不同的调制方式(例如第一次传输采用16QAM，第二次重传采用64QAM)，上述方案不能获得性能增益。这是因为不同的QAM调制，它的一个符号对应的比特数不一样，一个符号内各比特的可靠性分布不一样，而上述方案并没有联合考虑前后两次采用不同的QAM调制的情况。因此仅仅采用上述方案，在同一个数据包前后两次传输(重传)采用不同的QAM调制的情况下，并不能达到使合并后的编码比特可靠性平均化的目的，这是上述方案的一大缺陷。

除了HARQ重传，比特重排序方案还能够应用于协作中继场景中。在协作中继中，源点广播数据包，中继节点和目的节点同时接收，然后中继节点再将接收到的数据包转发给目的节点，这样目的节点收到同一个数据包的两个不同版本的信号，将这两个版本合并后进行译码。因此如果中继节点对于转发的数据包进行比特重排序，则目的节点合并后的编码比特就具有比较平均的可靠性，从而提高译码性能。

事实上，在协作中继场景下，中继转发数据包所经历的信道(或者数据包重传所经历的信道)与源点发送该数据包所经历的信道(或者该数据包前一次传输所经历的信道)是相互独立的。如果系统采用AMC技术，那么将会根据不同的信道质量选择不同的调制编码格式(MCS)。由于两次传输信道是相互独立的，通过AMC选择不同的调制方式的可能性是比较大的。特别是协作中继场景下，中继节点到目的节点之间的信道很有可能比源点到目的节点的信道要好很多，因此同一个数据包的前后两次传输采用不同调制方式具有较大的可能性。由于对于不同的QAM调制，一个符号对应的比特数不一样，一个符号内各比特的可靠性分布不一样，如何综合考虑前后两次不同QAM调制的符号内比特可靠性的分布，找到更有效的比特重排序方案来提高性能是一个值得研究的问题。

因此，实有必要对现有的比特重排序方法做进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出了一种针对同一个数据包的前后两次传输采用不同调制方式的多符号间比特重排序方案，使编码比特经合并后可靠性分布更加平均，从而提高译码性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种多符号间比特重排序方法，用于同一数据包采用不同调制方式重传时提高译码性能，该方法包括以下步骤：

步骤一，计算前次传输时采用的第一调制阶数的一半与后次传输时采用的第二调制阶数的一半的公倍数；

步骤二，将前次传输符号内不同编码比特的可靠性进行标记，作为该编码比特的已有可靠性等级；

步骤三，在后次传输时，把每个步骤一中的公倍数的两倍编码比特分为一组，在前次传输中映射到越高可靠性位置的比特被安排到当前剩余可用的越低可靠性位置，反之亦然。

作为本发明的优选方案之一，步骤一中的公倍数为最小公倍数。

为了解决上述技术问题，本发明进一步包括一种使用上述多符号间比特重排序方法的系统，该系统包括发送端、接收端及连接发送端与接收端的信道，其中，所述发送端模块与接收端模块互为反函数，所述发送端至少包括

信道编码模块；

比特重排序模块，用于对重传的编码比特进行的重排序；

及依次与所述比特重排序模块连接的符号调制模块，用于把编码后的二进制比特按调制方式的规定映射成为选定调制的复数符号；

所述接收端至少包括

信道译码模块；

解比特重排序模块，把编码比特恢复到原有的顺序；

及依次与所述解比特重排序模块连接的符号解调模块，用于将复数符号映射成二进制编码比特。

作为本发明的优选方案之一，所述发送端进一步包括依次连接于信道编码模块与比特重排序模块之间的速率匹配模块及比特交织模块，所述接收端进一步包括依次连接于解比特重排序模块及信道译码模块之间的解比特交织模块及解速率匹配模块。

作为本发明的优选方案之一，所述发送端进一步包括连接于信道编码模块与比特重排序模块之间的速率匹配模块及连接于符号调制模块后的符号交织模块，所述接收端进一步包括连接于解比特重排序模块及信道译码模块之间的解速率匹配模块及连接于符号解调模块前的解符号交织模块。

本发明提出了一种针对不同调制方式的多符号间比特重排序方法及使用该方法的系统，不同考虑了前后两次传输采用不同QAM调制的情况及跨越多个符号进行比特重排序，即在每2Mmcm比特一组内进行的比特重排序方案使编码比特经合并后可靠性分布更加平均，从而提高译码性能。

附图说明

图1是本发明比特重排序方法的流程图；

图2是本发明使用多符号间比特重排序方法的一种系统实现框图；

图3是本发明使用多符号间比特重排序方法的另一种系统实现框图；

图4是本发明仿真参数1的仿真曲线图；

图5是本发明仿真参数2的仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

请参照图1所示，本发明的比特重排序方案可以按照下面具体步骤实施：：

1.输入前一次传输(或者源点传输)的调制阶数M₁和当前重传(或者中继转发传输)的调制阶数M₂。并按照前一次传输(或者源点传输)时映射的可靠性位置对编码比特进行可靠性等级标记。

2.把编码比特每2M_mcm分成一组，记作

其中kmod2_mcm＝0，下标表示编码比特的序号。

3.在每个2M_mcm编码比特的组内，按照前一次传输(或者源点传输)时标记的可靠性等级从高到低进行排序，结果得到： $\{w_k^1,w_{k+1}^1,\·\·\·,w_{k+{2M}_{\mathrm{mem}}-2}^{M_1/2},w_{k+{2M}_{\mathrm{mcm}}-1}^{M_1/2}\}=F\left(\right\{b_k,b_{k+1},\·\·\·,b_{k+{2M}_{\mathrm{mcm}}-1}\left\}\right),$ 其中kmod2M_mcm＝0，F(·)表示按照前一次传输(或者源点传输)时标记的可靠性等级从高到低进行排序的函数。上述序列中上标表示所标记的已有可靠性等级，1表示最高可靠性等级(即MSB)，M₁/2表示最低可靠性等级(LSB)。

4.对上述得到的比特序列按照从低到高的顺序分配当前重传(或者中继传输)时的可靠性等级，也就是把前一次传输中最高可靠性位置的比特被安排到当前剩余可用的最低可靠性的位置，结果得到如下的序列： $\{w_k^{M_2/2},w_{k+1}^{M_2/2},\·\·\·,w_{k+{2M}_{\mathrm{mem}}-2}^1,w_{k+{2M}_{\mathrm{mcm}}-1}^1\},$ 其中kmod2M_mcm＝0

5.按照上一步分配好的新的可靠性等级，把编码比特放入新的符号映射的相应位置，得到如下序列： $\{e_k,e_{k+1},\·\·\·,e_{k+{2M}_{\mathrm{mcm}}-1}\}=H\left(\{w_k^{M_2/2},w_{k+1}^{M_2/2},\·\·\·,w_{k+{2M}_{\mathrm{mem}}-2}^1,w_{k+{2M}_{\mathrm{mcm}}-1}^1\}\right),$ 其中kmod2M_mcm＝0，H(·)表示按照上一步分配好的新的可靠性等级把编码比特放入新的符号映射的相应位置的比特重排序函数。

实际上，系统实现时只关心上述流程的输入序列和输出序列的关系，因而上述复杂的步骤是可以离线计算的。只需要离线计算好任意两种调制方式M₁、M₂下的输入序列

和输出序列

的函数关系，并把它存储在收发两端，在每次数据包传输中根据AMC结果来进行比特重排序函数的选择。

具体发送端和接收端的系统实现框图如图2及图3所示，图2及图3给出了系统实现框图的两种形式，区别在于信道交织器是采用比特交织还是符号交织。

各模块作用如下：

信道编码模块：为了克服因传输信道的干扰和噪声导致的误码而对信息码元序列进行的检错纠错编码，例如卷积码、Turbo码、LDPC码等。接收端的信道译码是发送端的信道编码的逆过程。

速率匹配模块：未来宽带无线通信系统中为了适配信道质量，提高频谱效率，对信道编码后的编码序列进行打孔，传输打孔后剩余的编码比特，使传输的序列长度减小。接收端的解速率匹配是发送端速率匹配的逆过程，即对接收到的编码比特在被发送端打过孔的位置补零，恢复成原有信道编码后的编码序列长度。

比特重排序模块：为了使重传数据包合并后编码比特的可靠性分布尽可能均匀而对重传的编码比特进行的按照一定规律的重新排序。接收端的解比特重排序是对发送端比特重排序的逆过程，即把编码比特恢复到原有的顺序。

符号调制模块：根据信道质量选定调制方式后把编码后的二进制比特按调制方式的规定映射成为选定调制的复数符号，例如BPSK，QPSK，16QAM等调制方式。接收端的符号解调是发送端符号调制的逆过程，即将复数符号映射成二进制编码比特的过程。

交织模块：为了防止信道的突变和深度衰落导致的传输序列的突发错误，把传输序列按一定规则打乱后再发送到信道中，使误码离散化，将突发差错信道变为离散差错信道从而能够通过信道编码来纠正离散差错，改善数据传输质量。接收端的解符号交织是发送端符号交织的逆过程。

交织可以基于信道编码后的二进制比特进行(叫做比特交织)，也可以基于调制后的复数符号进行(叫做符号交织)。

图2及图3中方框表示本方案所应用的模块，实际上可以按照前述步骤计算任意前后两次重传的调制方式下的比特重排序函数，存储在该模块，对输入序列采用对应的函数处理即可。发送端和接收端的对应模块互为反函数。

另外，图2及图3系统框图中的虚线框内的模块为可选模块，具体系统可能有所不同。系统框图的关键在于采用本发明发送端的比特重排序模块紧接在符号调制模块前面。在比特重排序模块的前面和调制模块的后面都可以根据系统需要添加不同的模块。

最后，当接收端收到后一次重传(或者中继传输)时先进行解调，解调后的比特采用上述比特重排序函数的反函数来恢复到原有的顺序，然后与前一次传输(或者源点传输)的解调比特合并后再进行译码。

这里我们举例说明上述方案的实现过程：令前一次传输采用16QAM(M₁＝4)，当前重传采用64QAM(M₂＝6).首先定义映射为1个16QAM符号的4个比特有两个可靠性等级，记作{b_p ¹，b_p+1 ¹，b_p+2 ²，b_p+3 ²}，其中pmod4＝0，映射为1个64QAM符号的6个比特有三个可靠性等级，记作{b_p ¹，b_p+1 ¹，b_p+2 ²，b_p+3 ²，b_p+4 ³，b_p+5 ³}，其中pmod6＝0.上标表示标记的可靠性等级，数字越小可靠性等级越高；下标表示比特序号。

现在我们对编码比特按照2M_mcm＝12进行分组得到：

{b_k ¹，b_k+1 ¹，b_k+2 ²，b_k+3 ²，b_k+4 ¹，b_k+5 ¹，b_k+6 ²，b_k+7 ²，b_k+8 ¹，b_k+9 ¹，b_k+10 ²，b_k+11 ²}，其中kmod12＝0(1)

然后我们按照前一次传输的可靠性等级从高到低进行比特排序：

$\{w_k^1,w_{k+1}^1,\·\·\·,w_{k+10}^2,w_{k+11}^2\}=\{b_k^1,b_{k+1}^1,b_{k+4}^1,b_{k+5}^1,b_{k+8}^1,b_{k+9}^1,b_{k+2}^2,b_{k+3}^2,b_{k+6}^2,b_{k+7}^2,b_{k+10}^2,b_{k+11}^2\}---\left(2\right)$

对上述排序的序列从低到高分配当前重传的可靠性等级：

$\{w_k^3,w_{k+1}^3,\·\·\·,w_{k+10}^1,w_{k+11}^1\}=\{b_k^3,b_{k+1}^3,b_{k+4}^3,b_{k+5}^3,b_{k+8}^2,b_{k+9}^2,b_{k+2}^2,b_{k+3}^2,b_{k+6}^1,b_{k+7}^1,b_{k+10}^1,b_{k+11}^1\}---\left(3\right)$

最后，我们按照分配好的新的可靠性等级把编码比特放入新的调制映射的对应位置，最后得到的输入64QAM符号调制的比特序列为：

$\{e_k,e_{k+1},\·\·\·,e_{k+11}\}=\{b_{p+10}^1,b_{p+11}^1,b_{p+2}^2,b_{p+3}^2,b_{p+4}^3,b_{p+5}^3,b_{p+6}^1,b_{p+7}^1,b_{p+8}^2,b_{p+9}^2,b_p^3,b_{p+1}^3\}---\left(4\right)$

比较公式(4)和(1)的比特序列的下标(比特序号)，可以发现最终得到的比特重排序函数是一个非常简单的形式：只需要在每12个比特的组内把最后两比特与最前两比特交换次序即可。实际上，前一次传输和当前重传采用任意两种调制方式下的比特重排序函数的计算流程是可以离线计算的。实现中，我们只需要离线计算好任意两种调制方式下的比特重排序函数并把它存储在收发两端，在每次数据包传输中根据AMC结果来进行比特重排序函数的选择。

按照上述例子进行的链路仿真，参数如表1、图2所示及表2、图3所示。

表1.仿真参数1

场景	协作中继；下行
		比较的方案	1.HSDPA中的传统方案2.本发明提供的方案
信道编码	(13，11)Turbo码，码率＝1/2
		调制	BS(基站)到UE(用户)采用16QAM；FR(固定中继)到UE采用64QAM
信道模型	瑞利块衰落
		信道质量	BS到FR的信噪比等于BS到UE的信噪比FR到UE的信噪比等于BS到UE的信噪比加9dB(分贝)

表2.仿真参数2

场景	协作中继；下行
		比较的方案	3.HSDPA中的传统方案4.本发明提供的方案
信道编码	(13，11)Turbo码，码率＝1/2
		调制	BS到UE采用64QAM；FR到UE采用16QAM
信道模型	瑞利块衰落
		信道质量	BS到FR的信噪比等于BS到UE的信噪比FR到UE的信噪比等于BS到UE的信噪比加9dB(分贝)

上述仿真结果说明本发明提出的方案比传统方案不管在M₁＞M₂还是M₁＜M₂的情况下都能够获得0.5dB的性能增益。而本方案中任意两种调制方式对应的比特重排序函数是可以离线计算的，我们只需要存储得到的函数，并根据系统AMC结果选择相应的比特重排序函数来进行。所以本发明方案不会引入任何复杂性或其他损失，却带来了明显的频谱效率的增益，因而是实际系统中值得采用的方案。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。如，通过对某些比特取反等方法来得到其他变形形式的方案等特征均不脱离本发明精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多符号间比特重排序方法，用于同一数据包采用不同调制方式重传时提高译码性能，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一，计算前次传输时采用的第一调制阶数的一半与后次传输时采用的第二调制阶数的一半的公倍数；

步骤二，将前次传输符号内不同编码比特的可靠性进行标记，作为该编码比特的已有可靠性等级；

步骤三，在后次传输时，把每个步骤一中的公倍数的两倍编码比特分为一组，在前次传输中映射到越高可靠性位置的比特被安排到当前剩余可用的越低可靠性位置，反之亦然。

2.如权利要求1所述的一种多符号间比特重排序方法，其特征在于：步骤一中的公倍数为最小公倍数。

3.一种使用权利要求1所述的多符号间比特重排序方法的系统，该系统包括发送端、接收端及连接发送端与接收端的信道，其特征在于：所述发送端模块与接收端模块互为反函数，所述发送端至少包括

信道编码模块；

比特重排序模块，用于对重传的编码比特进行的重排序；

及依次与所述比特重排序模块连接的符号调制模块，用于把编码后的二进制比特按调制方式的规定映射成为选定调制的复数符号；

所述接收端至少包括

信道译码模块；

解比特重排序模块，把编码比特恢复到原有的顺序；

及依次与所述解比特重排序模块连接的符号解调模块，用于将复数符号映射成二进制编码比特。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述发送端进一步包括依次连接于信道编码模块与比特重排序模块之间的速率匹配模块及比特交织模块，所述接收端进一步包括依次连接于解比特重排序模块及信道译码模块之间的解比特交织模块及解速率匹配模块。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述发送端进一步包括连接于信道编码模块与比特重排序模块之间的速率匹配模块及连接于符号调制模块后的符号交织模块，所述接收端进一步包括连接于解比特重排序模块及信道译码模块之间的解速率匹配模块及连接于符号解调模块前的解符号交织模块。

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