CN106789829A - Bicm‑id系统中一种三环结构的16qam映射设计方案 - Google Patents

Bicm‑id系统中一种三环结构的16qam映射设计方案 Download PDF

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Abstract

本发明涉及比特交织编码调制迭代译码(BICM‑ID)系统中一种新颖三环结构的Tricyclic‑16QAM映射设计方案。该方案为了增大BICM‑ID系统的有效性和可靠性，基于欧氏距离准则，结合最小平方欧式重量(MSEW)准则和比特最小判决区域最大化准则对16阶正交振幅调制(16QAM)映射方案进行优化。仿真结果表明：该方案的信道容量高于经典格雷(Gray)映射、集分割(SP)映射和混合集分割(MSP)映射方案的信道容量，具有更好的有效性和更高的可靠性；并且BICM‑ID系统所联合的低密度奇偶校验码的译码性能与该Tricyclic‑16QAM映射方案是更匹配的，理论上具有更优的误比特性能。

Description

BICM-ID系统中一种三环结构的16QAM映射设计方案
技术领域
本发明属于信号处理领域，涉及无线通信中的比特交织编码调制迭代译码(BICM-ID)系统，具体涉及一种具有三环结构的Tricyclic-16QAM映射方案设计。
背景技术
通信的目的是在有干扰和噪声的环境中利用尽可能少的带宽、功率资源来可靠的传输信息。节省带宽的比特交织编码调制迭代解调/译码(Bit-interleaved CodedModulation Iterative Demodulation/Decoding,BICM-ID)方案是未来无线通信系统中的关键技术之一。利用解调信息和译码信息联合进行迭代的BICM-ID技术主要用来提高卷积码编码的BICM系统在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道下的译码性能。
对于BICM-ID系统，映射方式的设计直接影响到其误比特率性能中的“瀑布区”效应和编码增益。正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)是一种振幅和相位联合键控，特别适合于频带资源有限的场合。而应用于BICM-ID系统的QAM经典映射方式有格雷(Gray)映射、集分割(Set partition,SP)映射和混合集分割(Mixed Setpartition,MSP)映射等，它们都是在不同设计准则下得到的最佳映射。每个方案都有自己的优点和不足，很难有一种映射在任意信道下或整个信噪比区间内都有最佳性能。根据国内外的近期研究，BICM-ID系统中16QAM星座映射方案的设计已从规则映射图案向非规则图案转变，二进制比特流向符号的映射也不再局限于Gray映射、SP映射和MSP映射等，调制阶数也越来越高。众多文献给出了很多的星座映射设计准则以及在准则下设计出的QAM映射方案，如基于比特不等保护度改进的16QAM映射方案，适用于瑞利衰落信道中带宽有效的新颖16QAM空间分集技术，以及加入预编码(Precoding mapping)的高阶QAM新颖映射方案。然而，大多映射方案需要使用运算量很大的成本函数进行计算，增加了系统复杂度，而通过计算机搜索适用于BICM-ID系统的高阶信号星座却由于其复杂度高而变得难以处理。
另外，国内外很多文献对影响映射方式性能的因素展开了研究，并总结了迭代增益是一个选择和设计映射方案的确切标准，而在任意两个只有一位比特不同的符号之间的最小欧式距离对BICM-ID系统的误比特率性能有着重要的影响。三环结构的Tricyclic-16QAM映射方案正是由于其星座信号点之间较大的欧式距离而能带来系统更高的净编码增益(Net Coding Gain,NCG)。
发明内容
有鉴于此，本发明基于欧氏距离准则，结合最小平方欧式重量(Min-squareEuropean weight,MSEW)映射准则和比特最小判决区域最大化准则对16QAM星座映射方案进行设计，目的在于构造一种能兼顾信息传输的可靠性和有效性、节省带宽、降低系统复杂度、增加编码增益的16QAM新颖映射方案。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种BICM-ID系统中具有三环结构的Tricyclic-16QAM映射方案设计，包括：
首先，确定新颖16QAM映射方案的星座结构为三环。
其次，确定所有星座点的比特最高位的值，按照MSEW准则进行排列，即最高位b1＝0时该信号点在最外环R3上，b1＝1时该信号点在R1和R2上。
进一步，用b2、b3、b4这三个比特的八种组合去选择八个相位，遵从比特最小判决区域最大化准则。使bi＝0和bi＝1(0＜i≤m)集合中相邻符号之间的距离尽可能的远，目的是为了得到的软解调信息更可靠。
最后，最小平方欧氏距离调和均值(Harmonic Mean of Minimum SquaredEuclidean Distance,HMMSE)和无错反馈的最小平方欧氏距离调和均值这两个参数对提出的新颖Tricyclic16QAM映射方案进行考察。
本发明的有益效果在于：
采取三环的结构不仅能够增大星座图的欧式距离，而且能够带来解调时复杂度的降低，进而会直接影响整个系统的编码增益和频谱有效性。新颖的三环星座更加容易进行调制解调。并且Tricyclic-16QAM映射方案的星座中各信号点的最小相位差更大，因此容许较大的相位抖动。运用新颖Tricyclic-16QAM映射方案的BICM-ID系统的抗干扰能力比运用16QAM的经典Gray映射、SP映射和MSP映射方案更强，提高了BICM-ID系统高信噪比时的误比特率性能，且能提供最佳渐进性能。并且新颖Tricyclic-16QAM映射方案的比特最小判决区域更大，软解调信息更可靠。除此之外，BICM-ID系统所联合的低密度奇偶校验码LDPC(4599,4307)的译码性能与Tricyclic-16QAM映射方案也是更匹配的，理论上具有更优的误比特性能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明方法的技术路线图；
图2为BICM-ID系统框图；
图3为改进的16QAM映射图案；
图4为Tricyclic-16QAM映射方案的b2＝0、b3＝0、b4＝0的比特判决区域划分图；
图5为新颖Tricyclic-16QAM映射方案与经典16QAM映射方案的信道容量对比图；
图6为新颖Tricyclic-16QAM映射方案与经典16QAM映射方案在BICM-ID系统中的误比特率性能对比图；
图7为Tricyclic-16QAM映射方案与经典16QAM映射方案在SNR为4dB时的EXIT仿真图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式和优选仿真实例进行详细的描述。
1.结合附图2说明，在BICM-ID系统中，通过理想交织，组成同一调制符号的各码元彼此独立，通过其他码元的理想信息反馈，可以使得信号点的有效自由距离(Effectivefree distance,EFD)达到最大，因此可以提高在高信噪比时的系统性能。由图2可以看出，长度为k的信源比特序列经过码率为R＝k/n的编码器得到码长为n的码字，接着经过比特交织后，将交织后的序列按照调制方式的不同映射到M(M＝2m,m＝1,2,3…)阶星座图χ上一个星座点sk，最终在信道中传输的符号就是sk。接收端序列yk＝ρk·sk+nk，这里参数ρk表示衰落因子，假设信道是AWGN信道，那么ρk＝1，若是瑞利衰落信道，那么ρk就服从瑞利分布，而nk是复高斯随机变量，其均值为0，方差为正是由于迭代过程的存在，使得接收端能够获得迭代增益。
2.结合附图3说明,首先采取了国际电信联盟-电信标准局(InternationalTelecommunication Union-Telecommunication Sector,ITU-T)V.29和V.32中改进的16QAM映射图案，如图3所示。三环的结构不仅能够增大星座图的欧式距离，而且能够带来解调时复杂度的降低，进而会直接影响整个系统的编码增益和频谱有效性。图3所示的图案中，有3种幅度，星座各点的振幅分别等于±1、±3、±5，有8种相位值，分别是0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4，而传统的16QAM方形星座(Gray映射、SP映射和MSP映射)却有12种相位值，所以新颖的三环星座更加容易进行调制解调。并且Tricyclic-16QAM映射方案的星座中各信号点的最小相位差更大，因此容许较大的相位抖动。
3.16QAM的4个比特b1、b2、b3、b4映射为一个符号，用最高位b1来选择幅度(R1、R2、R3)，遵从MSEW准则。MSEW准则的核心就是使汉明重量为1的符号的最小平方欧式距离最大，显然，b1＝0时应选择R3，用空心圆表示。那么此时汉明重量为1的信号点中有3个在最外环R3上，1个在内环R1或R2上。要使这些汉明重量为1信号点到信号点0000的距离平方(SEW)尽可能地增大，那么b1＝1时就选择内环，用实心圆表示。
4.结合附图4说明，用b2、b3、b4这三个比特的八种组合去选择八个相位，遵从比特最小判决区域最大化准则。要想得到的软解调信息可靠，则需要使bi＝0和bi＝1(0＜i≤m)集合中相邻符号之间的距离尽可能地远，使星座图内外环上符号对应位置仅有b1位不同，这样就会使得比特判决区域变大，所以b2b3b4的映射规则根据比特最小判决区域最大化准则来设计，在这里用角度表示判决区域的大小。b2、b3、b4为0的判决区域如图4中阴影所示。由图4可看出，b2为0的判决区域用角度表示为π，b3为0的判决区域由于两个阴影部分没有相邻，所以为π/2，b4为0的判决区域则为π，所以该新颖Tricyclic-16QAM映射方案的比特最小判决区域为π/2。相比较于16QAM的Gray映射、SP映射、MSP映射等其他方形映射方案的比特最小判决区域，π/2是一个最大值。用十进制数表示，从0开始逆时针依次表示为(0,2,3,1,5,7,6,4,8,10,11,9,13,15,14,12)。
5.用最小平方欧氏距离调和均值(Harmonic Mean of Minimum SquaredEuclidean Distance,HMMSE)和无错反馈的最小平方欧氏距离调和均值这两个参数对提出的新颖Tricyclic16QAM映射方案进行考察，并计算迭代增益Gh。
式(1)中：表示第i个比特为b,(b∈{0，1})的符号的集合；表示第i个比特为且与符号x距离最近的星座点。
式(2)中：是中的唯一元素，它与符号x只在第i个比特不同；是第i个比特为的星座子集。并不一定与x的最近邻星座点相同，这和星座映射u有关。
由式(3)可知，新颖Tricyclic-16QAM映射方案在BICM-ID系统中的迭代增益Gh＝8.042，高于传统的Gray映射、SP映射和MSP映射的迭代增益，说明提出的新颖映射方案在BICM-ID系统中能有更好的误比特率性能。同时，还需要进行系统性能仿真来比较设计方案的实际性能。
6.结合附图5说明，信道容量是反映BICM-ID系统频谱效率的重要参数，也是衡量系统有效性的重要指标。利用Matlab软件搭建BICM-ID系统信道容量仿真平台，仿真参数设置如下，采用LDPC(4599，4307)码作为纠错码，调制方式为16QAM，分别采用不同的映射方式(Tricyclic-16QAM映射方案、Gray映射、SP映射和MSP映射)，解调算法采用对数域最大后验概率(max-log-MAP)算法，译码采用对数域置信传播(Belief-Propagation,BP)译码算法，仿真结果如图5所示。从图5可以看出，新颖Tricyclic-16QAM映射方案在高、低信噪比区域都具有非常优越的性能，始终优于16QAM经典Gray映射、SP映射、MSP映射方案，说明Tricyclic-16QAM映射方案具有更高的信道容量。
7.结合附图6说明，为了证明应用Tricyclic-16QAM映射方案的BICM-ID系统具有优越的纠错性能，利用Matlab软件仿真系统的误比特率曲线，仿真环境设置如下：码率R＝0.937的LDPC(4599,4307)码作为纠错码，信道是AWGN信道，译码方式采用BP译码算法，解调算法利用max-log-MAP算法，解调器和译码器之间的迭代次数设置为10次，每次迭代中LDPC译码迭代16次，对新颖Tricyclic-16QAM映射方案和16QAM经典映射方案的误比特率性能进行对比分析，仿真结果如图6所示。由图6可以看出，新颖Tricyclic-16QAM映射方案在中高信噪比区域表现出最佳的误比特率性能，且最早的在SNR＝4dB时就出现了“瀑布”效应，超过了另外3种经典16QAM映射方案，这也表明了新颖Tricyclic-16QAM映射方案下的门限信噪比为4dB。为了量化增益，选择了10-7这个典型BER值作为参考，这是许多实际数据通信的目标BER：在BER＝10-7时，BICM-ID系统采用新颖Tricyclic-16QAM映射方案的净编码增益比Gray映射、SP映射、MSP映射分别提高了约0.44dB、1.19dB、2.96dB。
结合以上附图5和附图6仿真结果可看出，新的编码调制方案(即纠错码为LDPC(4599,4307)码，映射方案采用新颖Tricyclic-16QAM调制下的新颖映射方案)可以保证信息的可靠传输，并且不增加额外带宽。
8.结合附图7说明，外附信息转移(Extrinsic Information Transfer,EXIT)图可以从互信息的角度验证所联合的LDPC码的译码性能与各种映射方案是否匹配，具有直观、准确的特点，已经广泛用于对星座映射优化设计中，对系统的设计起着理论指导的作用。
EXIT图的分析理论中说明，解调器(检测器)的EXIT特性曲线下方的面积对应调制信道容量，译码器的EXIT特性曲线下方的面积对应信道编码的码率。在门限信噪比下，如果BICM-ID系统EXIT图中的解调器和译码器的EXIT特性曲线的斜率越接近，且曲线不相交，这两条曲线之间的面积(代表译码通道)越小，则码率和调制信道容量之间的差距就越小，那么系统的性能就会越接近信道容量。此时，称解调器和译码器的EXIT曲线是匹配的，这样的调制映射方案在BICM-ID系统中具有理论上更优的误比特性能。另一方面，在BICM-ID系统中，当迭代译码开始收敛时，只有当两条EXIT特性曲线交汇于EXIT图的右上角(1,1)点时，也就是译码器能反馈无误的先验信息，解调器输出的外附信息的互信息量才会达到1，此时才可以消除在高信噪比时出现的错误平层现象。
仿真参数设置如下：纠错码依然采用LDPC(4599,4307)码，通过计算可以得到变量节点的度分布为λ(x)＝9.67×10-1x3+3×10-2x+3×10-3，校验节点的度分布为ρ(x)＝9.966×10-1x60+3.4×10-3x59。由于度数为60的校验节点占比非常小，所以在仿真时省略。信道为AWGN信道，解调算法为max-log-Map算法，译码依然采用对数域BP译码算法。调制方式对比的是新颖Tricyclic-16QAM映射方案、Gray映射、SP映射和MSP映射方案。在信噪比SNR＝4dB时，联合LDPC码的BICM-ID系统EXIT图如图7所示。由图7的仿真结果可以分析出：译码器特性曲线和解调器特性曲线都是随着信噪比的增加而呈现出上升的状态。其中，MSP映射方案下的解调器特性曲线在译码器曲线的下方，且与其有两个交点，处于“夹断”状态，这就导致了译码过程停止，从而使得整个系统的性能下降。新颖Tricyclic-16QAM映射方案、Gray映射和SP映射方案的解调器特性曲线均完全处于译码器特性曲线上方，没有交叉，也没有重叠，表明此时的译码通道被打开，译码器可以通过迭代来实现无错译码。但是，只有新颖Tricyclic-16QAM映射方案的解调器特性曲线与译码器特性曲线的斜率更接近，且两条曲线之间的面积更小，系统的性能更接近信道容量。
最后说明的是，以上优选仿真实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选仿真实例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于欧氏距离准则，结合最小平方欧式重量(Min-square European weight,MSEW)准则和比特最小判决区域最大化准则的新颖三环结构Tricyclic-16QAM映射方案，其特征在于：采取了国际电信联盟-电信标准局(International Telecommunication Union-Telecommunication Sector,ITU-T)V.29和V.32中改进的16QAM映射图案。这种三环的结构不仅能够增大星座信号点的欧式距离，而且能够带来解调时复杂度的降低，进而会直接影响整个系统的编码增益和频谱有效性。
2.根据权利1要求所述的新颖三环结构Tricyclic-16QAM映射方案，其特征在于：三环结构的16QAM映射方案有3种幅度，星座各点的振幅分别等于±1、±3、±5，有8种相位值，分别是0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4，而传统的16QAM方形星座(Gray映射、SP映射和MSP映射)却有12种相位值，所以新颖的三环星座更加容易进行调制解调。并且Tricyclic-16QAM映射方案的星座中各信号点的最小相位差更大，因此容许较大的相位抖动。
3.根据权利1或2要求所述的新颖三环结构Tricyclic-16QAM映射方案，其特征在于：运用了MSEW准则的核心思想，使Tricyclic-16QAM映射方案中任意两个只有一位比特不同的信号点之间的最小欧式距离更大，表明Tricyclic-16QAM映射方案中一个信号状态被干扰成相邻的信号状态的可能性更小，即系统的抗干扰能力比16QAM的经典Gray映射、SP映射和MSP映射方案更强，提高了BICM-ID系统高信噪比时的误比特率性能，且能提供最佳渐进性能。
4.根据权利1或2要求所述的新颖三环结构Tricyclic-16QAM映射方案，其特征在于：结合了比特最小判决区域最大化准则，使Tricyclic-16QAM映射方案的比特判决区域高达π/2，高于16QAM的经典Gray映射、SP映射和MSP映射方案。则Tricyclic-16QAM映射方案下一个信号被误判为相邻符号的几率就更小，从而得到的软解调信息更加可靠。
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