CN104393959A - 一种编码调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域中的一种联合编码调制技术，尤其涉及编码调制方法中的生成矩阵的构造。本发明构造生成矩阵G，设置生成矩阵G的权重，使不同的信噪比的情况下，单位时间内正确传输的比特数都优于RCM和传统译码方法。所述生成矩阵G中的非零元素是实数，编码后的符号也是实数。当信噪比很低的时候，使用生成矩阵G的全部行数进行编码。随着信噪比的增加，选用生成矩阵G的行数越少，产生的符号数越少，速率越高，接收机只要收到足够多的符号数就能译码，如果符号数不够，译码不成功，就继续等待接收机发送更多的符号。

Description

一种编码调制方法

技术领域

本发明涉及通信领域中的一种联合编码调制技术，尤其涉及编码调制方法中的生成矩阵的构造。

背景技术

现有的通信系统大多采用速率兼容的编码RCC和相对固定的调制方式来组合出若干种编码调制方式。在信道条件好的时候，使用高阶调制方式。在信道条件差的时候，使用低阶调制方式。例如，在信道条件差的时候，为了保证传输数据的准确性，降低误码率，往往采用低码率(比如1/2码率)的LDPC码进行编码，再用低阶调制方式(比如QPSK)调制以后进行传输，这时传输的速率低。然而，信道的情况是变化的，如果信道情况变好，就需要将信道情况变好这一信息反馈给发射机，发射机接收到反馈的信息以后，选择一个高码率(比如5/6码率)的LDPC码进行编码，然后选择一种高阶调制方式进行调制(比如128QAM，1024QAM)，最后再进行传输，因为这时信道条件好，误码率也很低，传输的速率高。也就是说，发射机要适应当前的信道条件，这就需要信道反馈信息来选择适当的编码调制方式。所以，传统的编码调制方式可以提供的调整的码率是有限个，在现有技术的情况下，不能平滑地进行码率调整，因为可选的码率和调制方式只有预先设定的几种。

学术界提出了速率兼容调制的方法(RCM)，该技术不需要信道信息反馈，同时还可以实现平滑的速率自适应，但是，文献“Seamless Rate Adaptation for WirelessNetworking”在构造生成矩阵G的时候，采用了随机置换的方式，这种方式构造的生成矩阵并不能保证RCM一定具有好的性能。首先，这种随机置换的方式，会使生成矩阵G中产生不少的四环，而RCM采用BP译码算法，四环的存在会严重影响译码的性能。而本专利采用结构化的设计方法，有效的避免了生成矩阵G中大量的四环，从而提升了性能。另外，本专利在码长特别大的时候也适用。而且，重新设置的权重，可以使编码后产生更多的符号值，从而提升符号熵。从信息论的角度，符号熵足够大，就能避免在高信噪比时出现速率饱和。

虽然文献“Seamless Rate Adaptation for Wireless Networking”构造的映射矩阵比采用Turbo码和Raptor码的HARQ系统分别获得了28.8％和43.8％的性能增益。但是，在信噪比很低的时候(信道条件很差的时候)，其传输速率仍然低于采用Turbo码和Raptor码的HARQ系统。在一些信噪比下，速率低于LDPC编码结合QAM调制的自适应系统。而本专利设计的生成矩阵G，在任何信噪比下，传输速率都优于上述的传统编码调制系统。

发明内容

本发明针对现有现有技术的不足，提出了一种编码调制方法，该方法利用构造的生成矩阵G，使不同的信噪比的情况下，单位时间内正确传输的比特数都优于RCM和传统译码方法。所述生成矩阵G中的非零元素是实数，编码后的符号也是实数。当信噪比很低的时候，使用生成矩阵G的全部行数进行编码。随着信噪比的增加，选用生成矩阵G的行数越少，产生的符号数越少，速率越高，接收机只要收到足够多的符号数就能译码，如果符号数不够，译码不成功(比如循环冗余校验不通过)，就继续等待接收机发送更多的符号。

一种编码调制方法，具体步骤如下：

S1、设置生成矩阵G的权重为：+1,-1,+2,-2,+4,-4,+7,-7；

S2、构造生成矩阵G，具体如下：

$G=\left[\begin{array}{cccccccc}{A}_1& B_a& C_{a^2}& D_{a^3}& 2\·I_{a^4}& -2\·I_{a^5}& -1\·I_{a^6}& I_{a^7}\\ 2\·I_b& -2\·I_{\mathrm{ab}}& I_{a^{2}b}& -1\·I_{a^{3}b}& 4\·I_{a^{4}b}& -4\·I_{a^{5}b}& 7\·I_{a^{6}b}& -7\·I_{a^{7}b}\\ -7\·I_{b^2}& 7\·I_{{\mathrm{ab}}^2}& 2\·I_{a^2{b}^2}& -2\·I_{a^3{b}^2}& I_{a^4{b}^2}& -1\·I_{a^5{b}^2}& -4\·I_{a^6{b}^2}& 4\·I_{a^7{b}^2}\\ -4\·I_{b^3}& 4\·I_{a{b}^3}& -7\·I_{a^2{b}^3}& 7\·I_{a^3{b}^3}& 2\·I_{a^4{b}^3}& -2\·I_{a^5{b}^3}& -1\·I_{a^6{b}^3}& I_{a^7{b}^3}\\ -1\·I_{b^4}& I_{{\mathrm{ab}}^4}& -4\·I_{a^2{b}^4}& 4\·I_{a^3{b}^4}& -7\·I_{a^4{b}^4}& 7\·I_{a^5{b}^4}& 2\·I_{a^6{b}^4}& -2\·I_{a^7{b}^4}\\ 2\·I_{b^5}& -2\·I_{{\mathrm{ab}}^5}& -1\·I_{a^2{b}^5}& I_{a^3{b}^5}& -4\·I_{a^4{b}^5}& 4\·I_{a^5{b}^5}& -7\·I_{a^6{b}^5}& 7\·I_{a^7{b}^5}\\ 7\·I_{b^6}& -7\·I_{{\mathrm{ab}}^6}& -2\·I_{a^2{b}^6}& 2\·I_{a^3{b}^6}& I_{a^4{b}^6}& -1\·I_{a^5{b}^6}& 4\·I_{a^6{b}^6}& -4\·I_{a^7{b}^6}\\ I_{b^7}& -1\·I_{{\mathrm{ab}}^7}& 4\·I_{a^2{b}^7}& -4\·I_{a^3{b}^7}& 7\·I_{a^4{b}^7}& -7\·I_{a^5{b}^7}& -2\·I_{a^6{b}^7}& 2\·I_{a^7{b}^7}\end{array}\right],$ 其中，所述生成矩阵G的长度为N，即生成矩阵G是一个N×N的矩阵，所述生成矩阵G第i行表示一个校验节点，记作u_i，所述生成矩阵G的第j列代表一个信息符号，记作b_j，若生成矩阵G的第i行第j列的元素不为0，则说明u_i和b_j相连，每i行中非零元素的个数称为第i个校验节点的度，第j列中非零元素的个数称为第j个信息符号的度，所述生成矩阵G有个校验节点的度为12，个校验节点的度为8，I_x表示的单位矩阵循环右移x位，A,B,C,D是大小为的双对角矩阵，

$A=\left[\begin{array}{cccccc}4& & & & & \\ 1& 4& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & 1& 4& \\ & & & & 1& 4\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{cccccc}-4& & & & & \\ -1& -4& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & -1& -4& \\ & & & & -1& -4\end{array}\right],$ $C=\left[\begin{array}{cccccc}7& & & & & \\ 1& 7& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & 1& 7& \\ & & & & 1& 7\end{array}\right],$

$D=\left[\begin{array}{cccccc}-7& & & & & \\ -1& -7& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & -1& -7& \\ & & & & -1& -7\end{array}\right],$

S3、将二进制信息序列I经过BPSK调制，得到序列b；

S4、利用S2构造的生成矩阵G对S3所述序列b进行编码，得到符号u＝G·b；

S5、将两个连续的符号u连成一个调制信号进行传输，其中一个符号作为实部，另一个符号作为虚部，即调制信号其中，k＝0,1,…M/2-1，其中，M为传输的符号数，即生成矩阵G的行数。用于传输的的星座图为31*31的矩形星座图；

S6、将S5所述调制信号s(k)通过AWGN信道，得到调制信号向量s'；

S7、接收端将接到的S6所述调制信号向量s'还原为实数符号向量u'；

S8、进行译码。

进一步地，S2所述是一个素数。

进一步地，S4所述利用S2构造的生成矩阵G对S3所述序列b进行编码，具体为：

当符号信噪比小于等于5dB的时候，使用生成矩阵G的全部行数进行编码。随着信噪比的增加，选用生成矩阵G的行数越少。

本发明的有益效果是：

本发明通过构造生成矩阵G，设置为一个素数，解决了随机矩阵存在很多四环的问题，提高了译码性能。构造的生成矩阵G不必全部使用，只要发送足够的符号数即可，从而可以实现平滑的速率自适应。本发明在码长特别大的时候也适用。另外，权重设置为{+1,-1,+2,-2,+4,-4,+7,-7}，可以使编码后产生更多的符号值，从而提升符号熵。从信息论的角度，符号熵足够大，就能避免在高信噪比时出现速率饱和。

附图说明

图1为本发明符号u的星座图。

图2为本发明与RCM的仿真对比曲线图。

图3为本发明与传统编码调制方式的仿真对比曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

以码长N＝3448为例：

二进制比特序列I经过BPSK调制，得到序列其中，b∈(-1,1)，N是码长，即生成矩阵G的列数。

构造生成矩阵：

$G=\left[\begin{array}{cccccccc}{A}_1& B_a& C_{a^2}& D_{a^3}& 2\·I_{a^4}& -2\·I_{a^5}& -1\·I_{a^6}& I_{a^7}\\ 2\·I_b& -2\·I_{\mathrm{ab}}& I_{a^{2}b}& -1\·I_{a^{3}b}& 4\·I_{a^{4}b}& -4\·I_{a^{5}b}& 7\·I_{a^{6}b}& -7\·I_{a^{7}b}\\ -7\·I_{b^2}& 7\·I_{{\mathrm{ab}}^2}& 2\·I_{a^2{b}^2}& -2\·I_{a^3{b}^2}& I_{a^4{b}^2}& -1\·I_{a^5{b}^2}& -4\·I_{a^6{b}^2}& 4\·I_{a^7{b}^2}\\ -4\·I_{b^3}& 4\·I_{a{b}^3}& -7\·I_{a^2{b}^3}& 7\·I_{a^3{b}^3}& 2\·I_{a^4{b}^3}& -2\·I_{a^5{b}^3}& -1\·I_{a^6{b}^3}& I_{a^7{b}^3}\\ -1\·I_{b^4}& I_{{\mathrm{ab}}^4}& -4\·I_{a^2{b}^4}& 4\·I_{a^3{b}^4}& -7\·I_{a^4{b}^4}& 7\·I_{a^5{b}^4}& 2\·I_{a^6{b}^4}& -2\·I_{a^7{b}^4}\\ 2\·I_{b^5}& -2\·I_{{\mathrm{ab}}^5}& -1\·I_{a^2{b}^5}& I_{a^3{b}^5}& -4\·I_{a^4{b}^5}& 4\·I_{a^5{b}^5}& -7\·I_{a^6{b}^5}& 7\·I_{a^7{b}^5}\\ 7\·I_{b^6}& -7\·I_{{\mathrm{ab}}^6}& -2\·I_{a^2{b}^6}& 2\·I_{a^3{b}^6}& I_{a^4{b}^6}& -1\·I_{a^5{b}^6}& 4\·I_{a^6{b}^6}& -4\·I_{a^7{b}^6}\\ I_{b^7}& -1\·I_{{\mathrm{ab}}^7}& 4\·I_{a^2{b}^7}& -4\·I_{a^3{b}^7}& 7\·I_{a^4{b}^7}& -7\·I_{a^5{b}^7}& -2\·I_{a^6{b}^7}& 2\·I_{a^7{b}^7}\end{array}\right],$ 其中，I_x表示431×431的单位矩阵循环右移x位，A,B,C,D是大小为431×431的双对角矩阵。

基于生成矩阵G，得到符号其中，M为传输的符号数，即生成矩阵G的行数，1≤m≤M。当符号信噪比小于等于5dB的时候，使用生成矩阵G的全部行数进行编码。随着信噪比的增加，选用生成矩阵G的行数越少。如，当高信噪比为25dB的时候，使用生成矩阵G的前1100行即可进行编译码。

符号u通过标准的AWGN信道模型后得到u'＝G·b+e，其中，高斯白噪声e(m)服从高斯分布N(0,δ²)。

为了充分利用星座图的平面(即同向相位和正交相位)，提高传输效率，每两个连续的符号组成一个调制信号。所述调制信号表示为其中，k＝0,1,…M/2-1。

调制信号s(k)通过AWGN信道，得到调制信号向量s'。

接收端将收到的调制信号向量s'还原为实数符号向量u'，进行译码。

如图2所示，本发明与RCM和传统的编码调制方式进行对比，。在保证误码率P_e≤10^-4的前提下，本发明的方法在低信噪比的时候比RCM高了0.5—1bit/s/HZ的GOODPUT，本发明的方法在高信噪比的时候比RCM高了高了0.3—0.5bit/s/HZ.。而且本发明的编码调制方法误码率P_e≤10^-4，而RCM错误平层较高，误码率P_e≥10^-3。可见，本发明在性能上完全优于RCM。

如图3所示，本发明无论在低信噪比还是高信噪比时都能获得较好的性能，而传统的编码调制方式在高信噪比的时候需要使用高阶调制方式才能能获得高的速率。本发明提出的方法比传统的编码调制方式具有优越性。

Claims (3)

1.一种编码调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、设置生成矩阵G的权重为：+1,-1,+2,-2,+4,-4,+7,-7；

S2、构造生成矩阵G，具体如下：

$G=\left[\begin{array}{cccccccc}{A}_1& B_a& C_{a^2}& D_{a^3}& 2\·I_{a^4}& -2\·I_{a^5}& -1\·I_{a^6}& I_{a^7}\\ 2\·I_b& -2\·I_{\mathrm{ab}}& I_{a^{2}b}& -1\·I_{a^{3}b}& 4\·I_{a^{4}b}& -4\·I_{a^{5}b}& 7\·I_{a^{6}b}& -7\·I_{a^{7}b}\\ -7\·I_{b^2}& 7\·I_{{\mathrm{ab}}^2}& 2\·I_{a^2{b}^2}& -2\·I_{a^3{b}^2}& I_{a^4{b}^2}& -1\·I_{a^5{b}^2}& -4\·I_{a^6{b}^2}& 4\·I_{a^7{b}^2}\\ -4\·I_{b^3}& 4\·I_{{\mathrm{ab}}^3}& -7\·I_{a^2{b}^3}& 7\·I_{a^3{b}^3}& 2\·I_{a^4{b}^3}& -2{\·I}_{a^5{b}^3}& -1\·I_{a^6{b}^3}& I_{a^7{b}^3}\\ -1\·I_{b^4}& I_{{\mathrm{ab}}^4}& -4\·I_{a^2{b}^4}& 4\·I_{a^3{b}^4}& -7\·I_{a^4{b}^4}& 7\·I_{a^5{b}^4}& 2\·I_{a^6{b}^4}& -2\·I_{a^7{b}^4}\\ 2\·I_{b^5}& -2\·I_{{\mathrm{ab}}^5}& -1\·I_{a^2{b}^5}& I_{a^3{b}^5}& -4\·I_{a^4{b}^5}& 4\·I_{a^5{b}^5}& -7\·I_{a^6{b}^5}& 7\·I_{a^7{b}^5}\\ 7\·I_{b^6}& -7\·I_{{\mathrm{ab}}^6}& -2\·I_{a^2{b}^6}& 2\·I_{a^3{b}^6}& I_{a^4{b}^6}& -1\·I_{a^5{b}^6}& 4\·I_{a^6{b}^6}& -4{\·I}_{a^7{b}^6}\\ I_{b^7}& -1\·I_{{\mathrm{ab}}^7}& 4\·I_{a^2{b}^7}& -4\·I_{a^3{b}^7}& 7\·I_{a^4{b}^7}& -7\·I_{a^5{b}^7}& -2\·I_{a^6{a}^7}& 2\·I_{a^7{b}^7}\end{array}\right],$

其中，所述生成矩阵G的长度为N，即生成矩阵G是一个N×N的矩阵，所述生成矩阵G第i行表示一个校验节点，记作u_i，所述生成矩阵G的第j列代表一个信息符号，记作b_j，若生成矩阵G的第i行第j列的元素不为0，则说明u_i和b_j相连，每i行中非零元素的个数称为第i个校验节点的度，第j列中非零元素的个数称为第j个信息符号的度，所述生成矩阵G有个校验节点的度为12，个校验节点的度为8，I_x表示的单位矩阵循环右移x位，A,B,C,D是大小为的双对角矩阵， $A=\left[\begin{array}{cccccc}4& & & & & \\ 1& 4& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & 1& 4& \\ & & & & 1& 4\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{cccccc}-4& & & & & \\ -1& -4& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & -1& -4& \\ & & & & -1& -4\end{array}\right],$ $C=\left[\begin{array}{cccccc}7& & & & & \\ 1& 7& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & 1& 7& \\ & & & & 1& 7\end{array}\right],D=\left[\begin{array}{cccccc}-7& & & & & \\ -1& -7& & & & \\ & ...& ...& & & \\ & & ...& ...& & \\ & & & -1& -7& \\ & & & & -1& -7\end{array}\right];$

S3、将二进制信息序列I经过BPSK调制，得到序列b；

S4、利用S2构造的生成矩阵G对S3所述序列b进行编码，得到符号u＝G·b；

S5、将两个连续的符号u连成一个调制信号进行传输，其中一个符号作为实部，另一个符号作为虚部，即调制信号其中，k＝0,1,…M/2-1，其中，M为传输的符号数，即生成矩阵G的行数，用于传输的的星座图为31*31的矩形星座图；

S6、将S5所述调制信号s(k)通过AWGN信道，得到调制信号向量s'；

S7、接收端将接到的S6所述调制信号向量s'还原为实数符号向量u'；

S8、进行译码。

2.根据权利要求1所述的一种编码调制方法，其特征在于：S2所述是一个素数。

3.根据权利要求1所述的一种编码调制方法，其特征在于：4所述利用S2构造的生成矩阵G对S3所述序列b进行编码，具体为：

当符号信噪比小于等于5dB的时候，使用生成矩阵G的全部行数进行编码，当符号信噪比大于5dB的时候，随着信噪比的增加，选用生成矩阵G的行数减少。