CN107360114A - Bicm‑id系统中一种预编码子集分割16qam映射方案 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及比特交织编码调制及迭代译码(BICM‑ID)系统中一种新颖预编码子集分割PSS‑16QAM映射设计方案。为增加BICM‑ID系统的信道容量，提高系统的编码增益，基于改进的子集分割方法，结合创新性的预编码算法，提出一种新颖的PSS‑16QAM映射方案。该发明不仅是一种高效的星座映射设计方案，并且仿真分析表明：本发明的信道容量和编码增益均优于Precoding‑16QAM映射方案和偏振复用DP‑16QAM映射方案，具有更好的有效性和更高的可靠性；该发明与BICM‑ID系统所联合的低密度奇偶校验码LDPC(1/2,16200)的译码性能是更匹配的，理论上具有更优的误码率性能。

Description

BICM-ID系统中一种预编码子集分割16QAM映射方案
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，具体涉及一种预编码子集分割PSS-16QAM映射方案设计。
背景技术
无线通信系统的发展目标是能够实现任何人、任何时间、任何地点之间的信息互通。为实现这一目标，保证无线网络的传输可靠性，提高无线资源的利用率成为了无线通信领域的研究重点。比特交织编码调制及迭代解调/译码(Bit-interleaved CodedModulation Iterative Demodulation/Decoding,BICM-ID)方案为进一步的发展、研究和应用奠定了坚实的基础。早期对于BICM-ID系统星座映射方案的研究主要集中在根据特定的需求从几个典型的映射准则中选择最适当的一个作为设计准则，然而这样设计出来的星座映射方案跟信道容量之间存在较大的差距，并且仍存在一些新的技术难点。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星座映射方案的二进制比特流向符号的映射已不再局限于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，以及加入预编码的高阶Precoding-QAM新颖映射方案和基于偏振复用16进制正交幅度调制(DP-16QAM)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。
2000年初，众多文献对BICM-ID系统中瑞利(Rayleigh)衰落信道下的有关研究指出，星座映射图是决定系统性能的关键因素，星座比特到符号的映射对BICM-ID的设计也具有重要作用，尤其是在为了达到接近信道容量性能时。并总结了相邻符号间的平均汉明距离和迭代偏移增益均是选择和设计BICM-ID系统中映射方案的确切标准，另一方面，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。
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。本发明进一步研究BICM-ID系统中16QAM映射方案的问题，旨在通过加入预编码(Precoding)算法、改进16QAM子集分割(Sub-segmentation)方法的方式来增加相邻符号间的平均汉明距离、任意两个只有一位比特不同的符号之间的最小欧式距离，以提高BICM-ID系统的编码增益，改善“瀑布”效应，增大信道容量。
发明内容
有鉴于此，本发明基于改进的子集分割(Sub-segmentation,SS)方法，结合创新性的预编码(Precoding)算法，提出一种新颖的预编码子集分割16QAM(PSS-16QAM)映射方案。目的在于增加相邻符号间的平均汉明距离、任意两个只有一位比特不同的符号之间的最小欧式距离，以提高BICM-ID系统的编码增益，改善“瀑布”效应，增大信道容量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种BICM-ID系统中的预编码子集分割PSS-16QAM映射方案设计，包括：
首先，利用预编码算法来增大相邻符号间的平均汉明距离，只有一位比特不同的ck和cl经预编码之后的符号和之间的汉明距离为m或(m-1)。
其次，利用改进的16QAM子集分割方法，确定星座点的振幅、坐标，通过分集合的方法增大汉明距离为1的符号间最小平方欧式距离。
进一步，将构造的SS映射作为本文提出的新颖PSS-16QAM映射方案的中间映射。完整的映射过程定义为
最后，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本发明提出的新颖PSS-16QAM映射方案进行特性考察。
本发明的有益效果在于：本发明提出的新颖PSS-16QAM映射方案，通过预编码算法增大了相邻符号间汉明距离，这就导致了最小平方欧式距离调和均值的增大，也就提升了系统在瀑布区的误码率性能，提升了迭代增益。并且，通过子集分割过程，汉明距离为1的符号间平均欧式距离大大的增加了，这就导致了反馈后最小平方欧式距离调和均值的增大，也就降低了错误平层。运用新颖PSS-16QAM映射方案的BICM-ID系统的抗干扰能力比Precoding-16QAM映射方案和偏振复用DP-16QAM映射方案更强，提高了BICM-ID系统在高信噪比时的误比特率性能，且能提供最佳渐进性能。并且信道容量也优于Precoding-16QAM映射方案和DP-16QAM映射方案，具有更好的有效性。该发明与BICM-ID系统所联合的可扩展非规则重复累积低密度奇偶校验(extended Irregular Repeat-Accumulate Low-density Parity-Check,eIRA-LDPC)码eIRA-LDPC(1/2,16200)的译码性能是更匹配的，理论上具有更优的误码率性能。
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PSS-16QAM映射方案中的SS映射结构图；
图3为PSS-16QAM映射方案中的SS映射星座图；
图4为PSS-16QAM映射方案星座图；
图5为PSS-16QAM、Precoding-16QAM、DP-16QAM映射方案的信道容量对比图；
图6为PSS-16QAM、Precoding-16QAM、DP-16QAM映射方案的误码率性能对比图；
图7为PSS-16QAM、Precoding-16QAM、DP-16QAM映射方案在SNR为5.5dB时的EXIT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1说明，本发明的第一步是预编码过程，定义新颖的预编码算法为Λ：在M阶QAM映射方案下，任意m(m＝log2M)比特信息按照公式(1)被转换为
这里的w(x)是一个指示符，如果x的汉明重量是奇数，那么w(x)取值为1，如果x的汉明重量是偶数，那么w(x)取值为0。而指定参数可以在集合{1,2,…,m}中选择，上述的指模2加法运算。
假设所选取的指定参数i＝1，因为c1的汉明重量是奇数，所以用公式(1)可得：
所以c1＝1101就通过预编码过程转换为同理，有c2＝0101，其汉明重量是偶数，所以根据公式(1)可得
2结合附图1说明，预编码算法有如下特性：假设ck和cl是两个m比特的符号，他们只在第j比特不同，根据公式(1)，当选取的指定参数为j时，得出预编码之后的符号和之间的汉明距离为m；当选取的指定参数不为j时，他们之间的汉明距离为(m-1)。
证明：假设有信息符号和其中 根据公示(1)可以得到预编码之后的符号为和不失一般性，假设指定参数为q，那么会出现以下两种情况。
情况1：q＝j。根据公式(1)，在i＝q时，并且由于ck和cl的汉明距离为1，可以得出：
由公式(2)可推出这里的是x关于1的补集。
同样，根据公式(1)，在i≠q时，和进一步推出：
由于ck和cl的汉明距离为1，且从公式(3)可得出也就是综上所述，对于情况1，也就是和之间的汉明距离为m。
情况2：q≠j。根据公式(1)，在i＝q时，可得出：
则然而，在i≠q时，根据公示(1)可得出和那么可推出：
由于ck和cl的汉明距离为1，且ck和cl只在第j比特不同，所以在i＝j时，由公式(5)可得出也就是在另一方面，当i≠j时，这时公式(5)的值等于1，也就是综上所述，对于情况2，在i≠j时，在i＝j时，也就是和之间的汉明距离为(m-1)。
3.结合附图2说明，星座图对判别系统性能有着直观意义。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标志着系统的抗干扰能力，这一距离越大，则从一个信号状态被干扰成相邻的信号状态的可能性越小，即系统的抗干扰能力越强。但是仅仅扩大信号点之间的距离又会使信号的平均功率增加。所以本文提出的新颖PSS-16QAM映射方案利用改进的16QAM子集分割方法，确定星座点的振幅、坐标，通过分集合的方法增大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。
首先，二进制位(b1b2b3b4)映射为16QAM的星座点，根据相关位的奇偶特性将它们分割为四个子集(A,B,C,D)。奇偶特性指bi＝1的位数是奇数还是偶数。具体分割标准如下：令在子集A中的16QAM符号：(b1b2b3b4)有奇属性，(b1b2)有偶属性；令在子集B中的16QAM符号：(b1b2b3b4)有奇属性，(b1b2)有奇属性；令在子集C中的16QAM符号：(b1b2b3b4)有偶属性，(b1b2)有偶属性；令在子集D中的16QAM符号：(b1b2b3b4)有偶属性，(b1b2)有奇属性。
然后，按照图2所示的布局从区域①～④依次排列A,B,C,D这四个子集，并且每一部分均是前一部分顺时针旋转90度得到的。这样的排列方式就能够增大任意一对有m或(m-1)比特不同的符号间的平均欧式距离，那么也就增强了系统的抗干扰能力。
4.结合附图3说明，图3则是按照图2所示的分布结构改进的16QAM子集分割方法中各星座点和与其关联的四个子集的分布。
5.结合附图4说明，将构造的SS映射作为本发明提出的新颖PSS-16QAM映射方案的中间映射。完整的映射过程定义为这里的Φ指的是本文提出的新颖预编码子集分割(PSS)映射方案，S指的是子集分割(SS)映射。图4显示了最终的新颖PSS-16QAM映射方案星座图。假设所选取的指定参数i＝1，通过预编码过程转换为那么在新颖PSS-16QAM映射方案星座图中符号1101的位置对应的就是SS映射星座图中符号1010的位置。同样的，c2＝0101，根据公式(1)可得那么PSS星座图中0101的位置对应的就是SS映射方案星座图中0101的位置。
6.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本发明的新颖PSS-16QAM映射方案进行考察，并计算迭代偏移增益Gh。
式(6)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(7)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。
通过式(6)～(8)计算出新颖PSS-16QAM映射方案与只有简单预编码的Precoding-16QAM映射方案、基于偏振复用的DP-16QAM映射方案的以及Gh，比较结果如表1所示。
表1 PSS-16QAM、Precoding-16QAM、DP-16QAM映射方案的特征参数
从表1中的数据可看出，新颖PSS-16QAM映射方案在BICM-ID系统中的迭代偏移增益Gh＝8.072，分别高于Precoding-16QAM映射方案和DP-16QAM映射方案0.611dB、0.166dB，说明提出的新颖映射方案在BICM-ID系统中能有更好的误码率性能。另外，还需要进行系统性能仿真来分析、比较设计方案的其他性能。
7.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，纠错码为eIRA-LDPC(1/2,16200)码，信道环境为瑞利衰落(Rayleigh Fading)信道，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，调制方式为16QAM，分别采用PSS-16QAM映射方案、Precoding-16QAM映射方案和DP-16QAM映射方案进行对比，仿真结果如图5所示。从图5可以看出，新颖PSS-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Precoding-16QAM映射方案和DP-16QAM映射方案，说明新颖PSS-16QAM映射方案具有更高的信道容量。
8.结合附图6说明，为了证明应用新颖PSS-16QAM映射方案的BICM-ID系统具有优越的纠错性能，利用Matlab软件仿真系统的误码率曲线，仿真环境设置如下：eIRA-LDPC(1/2,16200)码作为纠错码，信道是瑞利衰落信道，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PSS-16QAM映射方案和Precoding-16QAM映射方案、DP-16QAM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PSS-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＝5.5dB时就出现了“瀑布”效应，这也表明了新颖PSS-16QAM映射方案下的门限信噪比为5.5dB。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PSS-16QAM映射方案的编码增益DP-16QAM映射方案、Precoding-16QAM映射方案分别提高了约1.19dB、1.28dB。
9.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eIRA-LDPC(1/2,16200)码，信道为信道衰落信道，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PSS-16QAM映射方案、Precoding-16QAM映射方案、DP-16QAM映射方案。在信噪比SNR＝5.5dB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，Precoding-16QAM和DP-16QAM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。只有新颖PSS-16QAM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。并且新颖PSS-16QAM方案的解调器特性曲线与译码器特性曲线的斜率较接近，且两条曲线之间的面积较小，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 (3)

1.一种基于改进的子集分割(Sub-segmentation,SS)方法，结合创新性的预编码(Precoding)算法的预编码子集分割(Precoding Sub-segmentation,PSS)16QAM(即:PSS-16QAM)映射设计方案，其特征在于：利用预编码算法来增大相邻符号间的平均汉明距离，只有一位比特不同的ck和cl经预编码之后的符号和之间的汉明距离为m或(m-1)。预编码算法为这里的w(x)是一个指示符，如果x的汉明重量是奇数，那么w(x)取值为1，如果x的汉明重量是偶数，那么w(x)取值为0。
2.根据权利1要求所述的新颖预编码子集分割PSS-16QAM映射设计方案，其特征在于：利用改进的16QAM子集分割方法，确定星座点的振幅、坐标，通过分集合的方法增大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。二进制位(b1b2b3b4)映射为16QAM的星座点，根据相关位的奇偶特性将它们分割为四个子集(A,B,C,D)。奇偶特性指bi＝1的位数是奇数还是偶数。这样的星座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。
3.根据权利1或2要求所述的新颖预编码子集分割PSS-16QAM映射方案，其特征在于：本发明将构造的SS映射作为提出的新颖PSS-16QAM映射设计方案的中间映射，得到的映射方案复杂度更低，并且有效。本发明的映射设计方案星座图显示出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更强，从而得到的软解调信息更加可靠，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。
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