CN102694624A - 自适应编码调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应编码调制方法及装置，涉及数字信息传输技术领域，所述方法包括：S1：通信系统发送端对待传输信息比特进行当前编码调制，获得星座符号，将所述星座符号通过信道发送至通信系统接收端；S2：所述通信系统接收端结合所述信道的当前信道状态信息，按照所述当前编码调制方式，对接收到的所述星座符号进行当前解映射解码；S3：更新所述当前编码调制方式，返回步骤S1。本发明克服了传统的自适应编码调制方法无法实现自适应星座映射方式和比特交织方式的不足，在不同接收条件及各种应用场景下优化了通信系统的性能，提高了自适应编码调制的灵活性和可靠性。

Description

自适应编码调制方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种自适应编码调制方法及装置。

背景技术

对于无线数字通信系统，无线信道在数据传输过程中常常具有时变衰落特性，即发射信号功率一定时，信道容量随时间变化。为了最大化系统吞吐量，人们提出了自适应编码调制（Adaptive Coding andModulation,ACM）技术。

星座映射是将二进制比特组（m个比特），映射为一个K维实数向量表示的符号。所有可能的符号的集合称为星座图（Constellation），集合大小为M=2^m。二进制比特组到星座图中星座点的对应关系，一般称为星座映射方式（Labeling）。Labeling的选择对BICM-ID系统的设计至关重要，一个合适的Labeling，可以使系统获得逼近香农极限的性能。在BICM或BICM-ID系统中，编码器输出的编码比特首先经过比特交织，而后进行星座映射。传统的星座映射是顺序地将m个比特映射为星座图中的符号，但是高阶星座映射会引入不均等差错保护（Unequal Error Protection,UEP），即同一个星座符号中不同位置的比特在传输过程中经历不同的保护程度；同时信道编码也会造成比特保护程度的不均等，例如非规则低密度奇偶校验（Low-DensityParity-Check,LDPC）码中不同列重的变量节点。可以预见，具有不同保护程度的编码比特到具有不同保护程度的星座符号比特之间的映射方式对系统性能也有着至关重要的影响，研究表明通过合理设计比特交织，可以进一步提升编码调制的性能。这种不同保护程度的编码比特到具有不同保护程度的星座符号比特之间的映射方式的选择被称为解复用（Demux）技术。解复用技术可以视为星座映射方式的一种特殊优化技术。

比特交织（Bit-Interleaving）是近年来编码调制系统中主要采用的一种交织技术。比特交织编码调制（Bit-Interleaved CodedModulation，BICM）在加性高斯白噪声（Additive White GaussianNoise，AWGN）信道下性能较网格编码调制（Trellis CodedModulation，TCM）有所损失，但在衰落信道下有不俗的表现。在1998年由ten Brink和Li同时独立提出了一种BICM改进方案：接收端迭代解映射解码的BICM技术，即BICM-ID（BICM with IterativeDemapping and Decoding）。BICM-ID在保证衰落信道下分集阶数的同时，通过将解码输出的信息反馈给解映射作为解映射的先验信息，增大了先验信息条件下星座点之间的欧氏距离，从而在AWGN信道下获得了与网格编码调制TCM同样好的误码性能。

传统的自适应编码调制技术存在一定的缺陷，对于确定的星座图，星座映射方式是唯一的。例如：长期演进（Long Term Evolution,LTE）系统设计主要面向独立解映射的情况，星座映射方式是一种格雷映射，如果终端采用迭代解映射，增益较小。尤其对于采用BICM-ID技术的通信系统，信道编码方案一定的情况下，如果信道类型、解映射解码算法改变，解映射的EXIT曲线和解码的反EXIT曲线最佳匹配时，所对应的Labeling也会改变。在不同信道类型、解映射解码采用不同算法情况下，如果接收端仍然采用在单一接收条件下确定的星座映射（包括星座图和星座映射方式），则系统性能在某些接收条件下会有较大的损失。例如，在BICM-ID系统中，针对AWGN信道下搜索得到的使系统性能最优的Labeling，不能使系统在Rayleigh信道下性能最优，此时需要重新针对Rayleigh信道搜索Labeling。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何克服传统的自适应编码调制方法无法实现自适应星座映射方式和比特交织方式的不足，在不同接收条件及各种应用场景下优化通信系统的性能，提高自适应编码调制的灵活性和可靠性。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应编码调制方法，所述方法包括：

S1：通信系统发送端对待传输信息比特进行当前编码调制，获得星座符号，将所述星座符号通过信道发送至通信系统接收端；

S2：所述通信系统接收端结合所述信道的当前信道状态信息，按照所述当前编码调制方式，对接收到的所述星座符号进行当前解映射解码；

S3：根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式，再返回步骤S1。

优选地，所述信道为前向等效信道，步骤S1具体包括：

所述通信系统发送端通过信令将所述当前编码调制方式传送给所述通信系统接收端，或者，所述通信系统接收端通过自动检测的方式得到所述当前编码调制方式。

优选地，步骤S3之前包括：

所述通信系统发送端建立所述预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系；

步骤S3具体包括以下步骤：

所述通信系统接收端将所述当前信道状态信息和当前解映射解码算法信息通过回传信道反馈至所述通信系统发送端；

所述通信系统发送端根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式。

优选地，步骤S3之前包括：

所述通信系统接收端建立所述预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系；

步骤S3具体包括以下步骤：

所述通信系统接收端根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系获取对应的编码调制方式；

所述通信系统接收端将获取的编码调制方式通过回传信道反馈至所述通信系统发送端，以更新所述当前编码调制方式。

优选地，所述编码调制包括依次进行的信道编码、比特交织和星座映射。

优选地，所述信道状态信息包括：信道类型信息以及信道等效信噪比。

优选地，所述解映射解码包括依次进行的解映射、比特解交织和信道解码。

本发明还公开了一种自适应编码调制装置，所述装置包括：

编码调制模块，用于通信系统发送端对待传输信息比特进行当前编码调制，获得星座符号，将所述星座符号通过信道发送至通信系统接收端；

解映射解码模块，用于所述通信系统接收端通过所述信道的当前信道状态信息，按照所述当前编码调制方式，对接收到的所述星座符号进行当前解映射解码；

编码调制方式更新模块，用于根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式，再将更新后的当前编码调制方式传递给编码调制模块。

（三）有益效果

本发明克服了传统的自适应编码调制方法无法实现自适应星座映射方式和比特交织方式的不足，在不同接收条件及各种应用场景下优化了通信系统的性能，提高了自适应编码调制的灵活性和可靠性。

附图说明

图1是按照本发明一种实施方式的自适应编码调制方法的流程图；

图2是按照本发明一种实施方式的自适应编码调制装置的结构框图；

图3为本发明实施例BICM/BICM-ID系统发送端的实现示意图；

图4为本发明实施例doping编码器示意图；

图5为本发明实施例1中可选的一种64QAM格雷映射示意图；

图6为本发明实施例1中可选的一种64QAM非格雷映射示意图；

图7为本发明实施例BICM系统接收端的实现结构示意图；

图8为本发明实施例BICM-ID系统接收端的实现结构示意图；

图9为本发明实施例1中BICM系统在可选的两种星座映射方式下的误码性能示意图；

图10为本发明实施例1中BICM-ID系统对应可选的格雷映射的EXIT图；

图11为本发明实施例1中BICM-ID系统对应可选的非格雷映射的EXIT图；

图12为本发明实施例1中BICM-ID系统在可选的两种星座映射方式下的误码性能示意图；

图13为本发明实施例2中采用的64APSK星座图的示意图；

图14为本发明实施例2中可选的一种64APSK星座映射方式（labeling1）的示意图；

图15为本发明实施例2中可选的一种64APSK星座映射方式（labeling2）的示意图；

图16为本发明实施例2中可选的一种64APSK星座映射方式（labeling3）的示意图；

图17本发明实施例2中可选的一种64APSK星座映射方式（labeling4）的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的主要思想为：通信系统的发送端或接收端，根据信道传输条件自适应地选取编码调制方式，从而兼顾多种信道传输条件，提高通信系统的灵活性和可靠性，使通信系统在各种传输条件下均可获得更好的性能。

所述信道传输条件包括：信道状态信息和通信系统接收端解映射解码算法信息，所述解映射解码算法信息包括：通信系统接收端是否采用迭代解映射、以及解映射解码计算方法；

图1是按照本发明一种实施方式的自适应编码调制方法的流程图；参照图1，所述方法包括：

S1：通信系统发送端对待传输信息比特进行当前编码调制，获得星座符号，将所述星座符号通过信道发送至通信系统接收端；

S2：所述通信系统接收端结合所述信道的当前信道状态信息，按照所述当前编码调制方式，对接收到的所述星座符号进行当前解映射解码；

S3：根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式，再返回步骤S1。

优选地，所述信道为前向等效信道，步骤S1具体包括：

所述通信系统发送端通过信令将所述当前编码调制方式传送给所述通信系统接收端，或者，所述通信系统接收端通过自动检测的方式得到所述当前编码调制方式。

本发明中的自适应编码调制方法分为两种工作模式：第一种是接收端将信道传输条件通过回传信道反馈回发送端，由发送端来决定编码调制方式，本文称为系统模式1；第二种是接收端直接处理信道传输条件，并决定编码调制方式，再反馈回发送端，本文称为系统模式2。

对于系统模式1，优选地，步骤S3之前包括：

所述通信系统发送端建立所述预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系；

步骤S3具体包括以下步骤：

所述通信系统接收端将所述当前信道状态信息和当前解映射解码算法信息通过回传信道反馈至所述通信系统发送端；

所述通信系统发送端根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式。

对于系统模式2，优选地，步骤S3之前包括：

所述通信系统接收端建立所述预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系；

步骤S3具体包括以下步骤：

所述通信系统接收端根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系获取对应的编码调制方式；

所述通信系统接收端将获取的编码调制方式通过回传信道反馈至所述通信系统发送端，以更新所述当前编码调制方式。

优选地，所述编码调制包括依次进行的信道编码、比特交织和星座映射，预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系中，所述编码调制方式包括预先选定的具有多种码率和码长的信道编码、预先选定的多种比特交织、以及预先选定的多种星座映射，所述星座映射是指比特交织输出的二进制比特到星座符号的映射，包括星座图和星座映射方式，解复用（Demux）技术可视为星座映射方式的一种特殊优化技术。

优选地，所述信道状态信息包括信道类型信息以及信道等效信噪比。

优选地，所述解码解映射包括依次进行的解映射、比特解交织和信道解码。

本发明还公开了一种自适应编码调制装置，参照图2，所述装置包括：

编码调制模块，用于通信系统发送端对待传输信息比特进行当前编码调制，获得星座符号，将所述星座符号通过所述前向等效信道发送至通信系统接收端；

解映射解码模块，用于所述通信系统接收端结合所述信道的当前信道状态信息，按照所述当前编码调制方式，对接收到的所述星座符号进行当前解映射解码；

编码调制方式更新模块，用于根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式，再将更新后的当前编码调制方式传递给编码调制模块。

实施例1

本实施例给出一个有具体参数的通信系统，工作模式为系统模式1，即由通信系统发送端来决定编码调制方式，系统方案采用BICM/BICM-ID技术，其中：

1）通信系统发送端编码调制模块的实现采用卷积编码器、比特交织器、doping编码器和星座映射器相级联，如图3所示，具体参数包括：

卷积编码采用两状态RSC(1,[3,2]₈)，其中，RSC(v，[Gr,G])是反馈系统卷积码的一种简单表示方法，v代表寄存器级数，Gr代表反馈多项式，G代表前馈多项式，多项式均以八进制数表示；

码长固定为64800，码率固定为1/2；

doping编码即码率为1的反馈系统卷积码，母码采用两状态RSC(1,[3,2]₈)，具体编码过程如图4所示，为了使码率为1，doping编码将每P个信息比特置换为对应的校验比特，其中P被称为doping率。

比特交织方式固定，采用伪随机交织方式，交织深度为50；

星座映射为规则星座映射，星座图固定为64QAM；

可选的星座映射方式：一种格雷映射，如图5所示，和一种非格雷映射，如图6所示。

2）通信系统接收端解映射解码模块的实现采用解映射器、doping解码器、比特解交织器和卷积解码器；通信系统接收端采用独立解映射时的信号流程如图7所示；接收端采用迭代解映射时的信号流程如图8所示；其中解映射、doping码解码和卷积码解码均采用最优算法，即Log-MAP算法。

3）编码调制方式的更新采用查表法实现，存储编码调制方式与不同信道状态信息，以及与不同解映射解码算法信息的对应关系。本实施例中，接收端采用独立解映射时，对应的星座映射方式为格雷映射，接收端采用迭代解映射时，对应的星座映射方式为非格雷映射。

本实施例中，通信系统接收端采用独立解映射时，两种星座映射方式对应的误码性能如图9所示；从图中可以看出，系统采用格雷映射时的性能比采用非格雷映射时好。所以为了最大化系统性能，在接收端采用独立解映射时，应该选取该格雷映射。

本实施例中，系统接收端采用迭代解映射时，设置最大迭代次数为100次。利用EXIT图对两种星座映射方式进行分析，如图10和图11所示，当星座映射方式采用格雷映射时，对应的信噪比门限是14.8dB，当星座映射方式采用非格雷映射时，对应的信噪比门限仅为9.7dB，说明采用格雷映射时系统的性能劣于采用非格雷映射的性能。两种星座映射方式下系统的误码性能如图12所示，采用格雷映射时系统的性能劣于采用非格雷映射的性能，和EXIT图的分析结果一致。所以为了最大化系统性能，在接收端采用迭代解映射时，应该选取该非格雷映射。

实施例2

本实施例给出一个有具体参数的通信系统，工作模式为系统模式2，即由通信系统接收端来决定编码调制方式，系统方案采用BICM-ID技术，即通信系统接收端采用迭代解映射，其中：

1）通信系统发送端编码调制的实现采用卷积编码器、比特交织器、doping编码器和星座映射器相级联，如图3所示，具体参数包括：

卷积编码采用四状态RSC(2,[7,5]₈)；

doping编码采用两状态RSC(1,[3,2]₈)；

码长固定为64800，码率固定为2/3；

比特交织方式固定，采用伪随机交织方式，交织深度为50；

星座映射为规则星座映射，星座图固定为64APSK，其中64APSK星座图的星座点在幅度方向呈环状排列、在相位方向呈均匀分布，每个圆环上的星座点可以具有不同的初始相移；本实施采用的64APSK的星座图总共6个环，各环半径大小依次为[0.2631,0.5395,0.7919,1.0660,1.4622,2.1291]，各环上点数依次为[4,8,8,12,16,16]，各环上的点起始相位为[π/4,π/8,0,π/12,π/16,0 ]，如图13所示。

可选的星座映射方式为：Labeling1、Labeling2、Labeling3和Labeling4，如图14~17所示。

2）通信系统接收端解映射解码模块具体包括：解映射器、doping解码器、比特解交织器和卷积解码器，信号流程如图8所示。

3）编码调制方式的更新采用查表法实现，存储信道状态信息及解映射解码算法信息与编码调制方式对应关系；其中不同信道类型，不同解映射解码方法对应的星座映射方式具体见表1：

表1接收端采用迭代解映射时，不同信道类型，不同解映射解码方法对应的星座映射

本实施例中，通信系统接收端采用迭代解映射，利用EXIT图分析四种星座映射方式下，通信系统在不同的信道类型、不同解映射解码算法下的信噪比门限，结果如表2所示；从表中可以看出，在特定情况下，对于不同的Labeling，系统的信噪比门限不同，即在不同的信道类型、不同解映射解码算法下，采用四种星座映射方式时，系统的误码性能也不同。所以为了最大化系统性能，对不同的信道传输条件，应该选取不同的星座映射方式。

表2四种星座映射方式下，系统在不同传输条件下的信噪比门限

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种自适应编码调制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：通信系统发送端对待传输信息比特进行当前编码调制，获得星座符号，将所述星座符号通过信道发送至通信系统接收端；

S2：所述通信系统接收端结合所述信道的当前信道状态信息，按照所述当前编码调制方式，对接收到的所述星座符号进行当前解映射解码；

S3：根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式，再返回步骤S1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道为前向等效信道，步骤S1具体包括：

所述通信系统发送端通过信令将所述当前编码调制方式传送给所述通信系统接收端，或者，所述通信系统接收端通过自动检测的方式得到所述当前编码调制方式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3之前包括：

所述通信系统发送端建立所述预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系；

步骤S3具体包括以下步骤：

所述通信系统接收端将所述当前信道状态信息和当前解映射解码算法信息通过回传信道反馈至所述通信系统发送端；

所述通信系统发送端根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3之前包括：

所述通信系统接收端建立所述预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系；

步骤S3具体包括以下步骤：

所述通信系统接收端根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系获取对应的编码调制方式；

所述通信系统接收端将获取的编码调制方式通过回传信道反馈至所述通信系统发送端，以更新所述当前编码调制方式。

5.如权利要求1~4中任一项所述的方法，其特征在于，所述编码调制包括依次进行的信道编码、比特交织和星座映射。

6.如权利要求1~4中任一项所述的方法，其特征在于，所述信道状态信息包括：信道类型信息以及信道等效信噪比。

7.如权利要求1~4中任一项所述的方法，其特征在于，所述解映射解码包括依次进行的解映射、比特解交织和信道解码。

8.一种自适应编码调制装置，其特征在于，所述装置包括：

编码调制模块，用于通信系统发送端对待传输信息比特进行当前编码调制，获得星座符号，将所述星座符号通过信道发送至通信系统接收端；

解映射解码模块，用于所述通信系统接收端通过所述信道的当前信道状态信息，按照所述当前编码调制方式，对接收到的所述星座符号进行当前解映射解码；

编码调制方式更新模块，用于根据所述当前信道状态信息和所述当前解映射解码算法信息，利用预设的信道状态信息、解映射解码算法信息及编码调制方式之间的对应关系更新所述当前编码调制方式，再将更新后的当前编码调制方式传递给编码调制模块。

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