CN108123780B - 一种16qam系统lt编码调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种16QAM系统LT编码调制方法，属于数字通信的技术领域，通过对置信传播译码过程中比特似然比的研究，本发明给出了一种新的16QAM映射星座图，并提出对应的系统LT码编码调制方案。根据本发明提出的编码调制方案，利用BPSK下的度分布能够提供良好的比特误码率性能。

Description

一种16QAM系统LT编码调制方法
技术领域
本发明公开了高斯白噪声信道下一种新的16QAM系统LT编码调制方案，属于数字通信的技术领域。
背景技术
在通信系统中，为了解决ARQ(Automatic Repeat reQuest，自动请求重复)技术可能带来的数据传输效率较低这一问题，人们提出了数字喷泉的概念。对数字喷泉的一种通俗解释是，源端像喷泉一样源源不断地发送编码码字，接收端在接收到一定数量的编码码字后成功译码并给源端发送一个反馈信息。这就好比在喷泉下用水杯接水，杯子装满水也就意味着接收端成功译码，如图1所示。
LT(Luby Transform)码是第一种具有实用意义的数字喷泉码，这类码的主要参数是度分布。针对删除信道所提出的数字喷泉码被证明在高斯白噪声信道和衰落信道中依然可以提供良好的性能。近年来，系统LT码在高斯白噪声信道中的度分布优化和性能分析引起了国内外学者的广泛关注。在构建系统LT码的诸多方案中最直接也最简单的便是在传输编码符号之前先传输原始符号。为了抵抗信道中噪声对传输信号的影响，通常会在编码之后进行相关的调制映射，其中最简单的是采用二进制相移键控(Binary Phase ShiftKeying,BPSK),即将比特0映射为1，将比特1映射为-1。国内外学者对高斯白噪声信道中基于BPSK调制的系统LT码的度分布进行了相关的设计和优化。T.D.Nguyen等通过修改删除信道下LT码的鲁棒孤波分布，提出了一种适用于高斯白噪声信道下系统LT码的截断鲁棒孤波分布，但这一分布所提供的比特误码率性能仍存在改进的空间。S.Xu等分析研究了BPSK调制下系统LT码在高斯白噪声信道中的译码性能，分析了其比特误码率下界闭式表达，并据此提出一种度分布约束优化模型，通过该模型得到的度分布能够提供目前已知最优的比特误码率性能。
随着通信业务尤其是网络业务的迅猛发展，频谱资源越来越紧张。为了提高频谱利用率，增大信息传输速率，人们广泛采用更高阶的调制方式，其中正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)较为常见。很明显，在BPSK调制下优化设计的系统LT码度分布已经不适用于QAM调制。然而，目前针对QAM调制的系统LT码度分布设计仍然沿用了BPSK下的一些特征，这显然是不准确的。如何设计QAM系统LT编码调制方案并使其便于分析和优化设计度分布是一个值得进行研究的课题。
高斯白噪声信道中，传统的基于16QAM映射的系统LT码传输过程为：假设原始信息比特u＝(u1,u2,...,uk)长度为k，经过LT编码得到长度为n的编码比特c＝(c1,c2,...cn)，定义开销ε＝n/k。如图2所示的传统16QAM星座图，具体映射关系如表1所示，将长度为(k+n)的比特[u,c]经过格雷映射，每4个比特(b0,b1,b2,b3)得到1个16QAM符号并进行功率归一化。接收端在收到叠加上高斯白噪声的16QAM符号之后计算计算每个比特的似然，译码器利用这些比特似然比进行置信传播译码，尝试恢复原始比特u。如果恢复不成功，则会增大开销ε，重复上述操作直至译码成功。以信噪比0dB为例，采用图2中的16QAM星座图，在经过格雷映射后，奇偶位置上的初始比特似然比服从不同的分布，即b0和b2的初始比特似然比服从分布如图3所示，b1和b3的初始比特似然比服从分布如图4所示。显然，b0和b2的初始比特似然比仍然近似服从高斯分布，但与BPSK调制不同的是，该高斯分布的方差与均值之间的比值不一定为2。b1和b3的初始比特似然比不再服从高斯分布。因此，将已有文献中在BPSK下的工作直接推广到16QAM是不准确且不利于分析相应的理论性能。
表1传统格雷映射16QAM映射关系
映射前比特 映射后符号 映射前比特 映射后符号
0000 -3+3i 1000 3+3i
0001 -3+i 1001 3+i
0010 -3-3i 1010 3-3i
0011 -3-i 1011 3-i
0100 -1+3i 1100 1+3i
0101 -1+i 1101 1+i
0110 -1-3i 1110 1-3i
0111 -1-i 1111 1-i
上表中，i为虚数单位。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种16QAM系统LT编码调制方案，解决了如何改善高阶调制系统LT码在高斯白噪声信道中比特误码率性能的技术问题。
本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：
第一步，设置开销ε为1，选取一个度分布对原始信息比特u＝(u1,u2,...,uk)进行LT编码，得到长度为k的编码比特c＝(c1,c2,...,ck)；
第二步，将u和c交叉排列，得到(u1,c1,u2,c2,...,uk,ck)的比特序列；
第三步，根据图5所示的星座图，将比特序列映射为16QAM符号并进行功率归一化；
第四步，接收端对叠加上高斯白噪声的符号计算初始比特似然比，并只提取奇数位置的初始比特似然比送入译码器；
第五步，如果译码不成功，则增大开销ε，继续生成编码比特，并重复第三步至第五步直至译码成功。
本发明的相对于现有技术的有益效果在于：
1、通过对置信传播译码过程的分析给出更实用的16QAM星座图；
2、便于分析和设计的16QAM系统LT编码调制方案；
3、可直接使用BPSK下的度分布为16QAM调制系统提供良好的比特误码率性能。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是数字喷泉形象示意图；
图2是传统16QAM星座图；
图3是b0和b2的初始比特似然比分布；
图4是b1和b3的初始比特似然比分布；
图5是修改后的16QAM星座图；
图6是发送端到接收端的系统框图；
图7是在原始信息比特长度为k＝2000情况下不同编码调制方案比特误码率性能比较曲线。
具体实施方式
本发明的实施提供一种新的16QAM系统LT编码调制方案，本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以信噪比为0dB的复高斯白噪声信道为例，经过传统的16QAM系统LT编码调制之后，接收端计算的比特似然比服从两种不同的分布，分别如图3和图4所示。图4的概率密度函数与高斯分布相差较大，如果继续沿用BPSK调制系统的分析方法，将会对16QAM调制系统的性能分析造成较大的误差。然而，图3的概率密度函数与均值为1.35、方差为2.79的高斯分布较为吻合。因此，本发明考虑只利用服从高斯分布的比特似然比进行译码，即从接收端计算出的比特似然比序列中提取奇数位置的值。
一种16QAM系统LT编码调制方法，该方法包括：第一步，选取一个度分布对原始信息比特进行LT编码，得到长度为原始信息比特长度ε倍的编码比特；第二步，将原始信息比特和第一步得到的编码比特交叉排列，构成比特序列；第三步，根据所述16QAM星座图，将比特序列映射为16QAM符号并进行功率归一化；第四步，接收端对叠加上高斯白噪声的符号计算初始比特似然比，并只提取奇数位置的初始比特似然比送入译码器；第五步，如果译码不成功，则增大开销ε，继续生成编码比特，并重复第三步至第五步直至译码成功。
进一步的，所述原始信息比特为u＝(u1,u2,...,uk)，编码比特为c＝(c1,c2,...,ck)；将u和c交叉排列，得到(u1,c1,u2,c2,...,uk,ck)的比特序列。
作为一种优选，第三步中采用的16QAM星座图的映射关系为：
映射前比特 映射后符号 映射前比特 映射后符号
0000 -3+3i 1000 3+3i
0001 -3+2.9i 1001 3+2.9i
0010 -3-3i 1010 3-3i
0011 -3-2.9i 1011 3-2.9i
0100 -2.9+3i 1100 2.9+3i
0101 -2.9+2.9i 1101 2.9+2.9i
0110 -2.9-3i 1110 2.9-3i
0111 -2.9-2.9i 1111 2.9-2.9i
上表中，i为虚数单位。
最后，所述方法使用S.Xu设计的度分布的比特误码率性能曲线来验证信息传输的性能。
为了使得译码器能够成功恢复出原始信息比特，必须对映射前奇数位置上的比特进行安排，并试图通过修改星座图使得对应的初始比特似然比的均值在1.35的基础上进一步增大。出于这样的考虑，本发明给出如图5所示修改后的16QAM星座图。同样在0dB信道下，利用图5的星座图，奇数位置的初始比特似然比将服从均值为1.99、方差为4的高斯分布。初始比特似然的增大意味着可以提高译码器成功译码的效率。这样，基于图5的16QAM星座图，本发明给出新的16QAM系统LT编码调制方案按照如下步骤进行，以k＝2000为例：
1、选取一个度分布对原始信息比特进行LT编码，生成2000个编码比特；
2、将长度各为2000的原始信息比特和编码比特交叉排序，形成比特序列(u1,c1,u2,c2,...,u2000,c2000)
3、根据图5的星座图，将比特序列映射为16QAM符号，并进行功率归一化；
4、接收端对叠加上复高斯白噪声的符号计算对应的比特似然比，并提取相应奇数位置的值送入译码器；
5、译码器利用置信传播算法进行译码，如果译码不成功，则增大开销，继续生成编码比特，并重复步骤3-步骤5的操作直至成功恢复原始信息比特。
图6给出针对本发明的16QAM系统LT编码调制方案的系统框图。利用Matlab工具，将本发明设计的16QAM系统LT编码调制方案同文献中已有的方案进行比特误码率的性能比较。为了方便表述，本发明将S.Xu设计的度分布记为Ω(x)。在k＝2000情况下，使用Ω(x)进行LT编码，通过不同16QAM编码调制方案的比特误码率性能比较，从图7可以明显得出：本发明设计的编码调制方案能够为16QAM调制系统提供的优异的比特误码率性能。
本发明的有益效果有：
1、通过对置信传播译码过程的分析给出更实用的16QAM星座图；
2、便于分析和设计的16QAM系统LT编码调制方案；
3、可直接使用BPSK下的度分布为16QAM调制系统提供良好的比特误码率性能。
上述实施例仅为本发明技术方案的一种实现方式，不构成对本发明实施例的限定，本领域的技术人员在本发明公开的方案基础上，能够将其应用到其它的更高阶调制系统中。

Claims (4)

1.一种16QAM系统LT编码调制方法，其特征在于，该方法包括：
第一步，选取一个度分布对原始信息比特进行LT编码，得到长度为原始信息比特长度ε倍的编码比特；
第二步，将原始信息比特和第一步得到的编码比特交叉排列，构成比特序列；
第三步，根据16QAM星座图，将比特序列映射为16QAM符号并进行功率归一化；
第四步，接收端对叠加上高斯白噪声的符号计算初始比特似然比，并只提取奇数位置的初始比特似然比送入译码器；
第五步，如果译码不成功，则增大开销ε，继续生成编码比特，并重复第三步至第五步直至译码成功。
2.根据权利要求1所述的一种16QAM系统LT编码调制方法，其特征在于，第二步所述原始信息比特为u＝(u1,u2,K,uk)，编码比特为c＝(c1,c2,K,ck)；将u和c交叉排列，得到(u1,c1,u2,c2,K,uk,ck)的比特序列；
所述开销ε为1。
3.根据权利要求1所述的一种16QAM系统LT编码调制方法，其特征在于，第三步中采用的16QAM星座图的映射关系为：
映射前比特 映射后符号 映射前比特 映射后符号 0000 -3+3i 1000 3+3i 0001 -3+2.9i 1001 3+2.9i 0010 -3-3i 1010 3-3i 0011 -3-2.9i 1011 3-2.9i 0100 -2.9+3i 1100 2.9+3i 0101 -2.9+2.9i 1101 2.9+2.9i 0110 -2.9-3i 1110 2.9-3i 0111 -2.9-2.9i 1111 2.9-2.9i
上表中，i为虚数单位。
4.根据权利要求3所述的一种16QAM系统LT编码调制方法，其特征在于，所述方法使用度分布的比特误码率性能曲线来验证信息传输性能。
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