CN108400839B - 一种基于模拟混沌码的harq方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于模拟混沌码的HARQ方法。一帧信源比特依次进行CRC编码，FEC编码和QAM调制。发送端把QAM符号的幅度缩放后进行混沌码编码，混沌码字为重传数据包。接收端收到的数据包经过信道补偿之后，把原始数据包和重传的数据包组合起来进行混沌码软译码和QAM软解调，之后得到FEC码字的对数似然比(LLR)。LLR经过FEC译码后若通过CRC校验则完成一帧信源比特的传输，并发送ACK信号，否则发送NACK信号并等待发送端发送更多的重传数据包。与现有技术相比，本发明能显著降低接收端输出的译码后信源的误码率。

Description

一种基于模拟混沌码的HARQ方法
技术领域
本发明涉及一种无线通信系统中的HARQ重传方案，尤其是涉及一种基于模拟混沌码的HARQ方法。
背景技术
在无线通信系统中，信道中的噪声和衰落会对数据带来干扰，从而使得传输失败。这时候可以采用多种方式来保证传输数据的正确性，一种方式是ARQ(自动请求重传)，另一种方式是采用FEC(前向纠错码)。Hybird ARQ(混合自动重传，即HARQ)是一种将FEC和ARQ结合起来使用的重传技术。现有的HARQ技术主要有软合并HARQ(即HARQ-CC)和增量冗余HARQ(即HARQ-IR)。HARQ-CC重传的是与以前相同的数据包。HARQ-IR重传的是冗余的比特(通常是前一次传输打孔掉的比特)组成的数据包。信道中的噪声和衰落是直接影响到调制符号的，而HARQ-IR是比特级别的重传方案，因此只能间接对抗信道中的噪声和衰落来保证传输的正确性。HARQ-CC虽然是一种符号级别的重传方案，但每次重传的数据包都相同，因此仅仅利用了多次重传时信道的多样性来对抗信道中的噪声和衰落，从而效率较低。因此若能提出一种更高效的调制符号级别的重传方案，将会提高整个系统的传输性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提出的一种调制符号级别的重传方案。本发明中的重传数据包是对首次传输的数据包进行模拟混沌码编码之后的码字，因此实现了符号级别的重传。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于模拟混沌码的HARQ方法，该方法包括以下步骤：
(1)一帧信源比特先进行CRC编码，再进行FEC编码和QAM调制。
(2)把QAM调制后的符号的幅度缩放后进行混沌码编码，编码后的混沌码字为重传数据包(首次传输的数据包可以认为是第0次重传)。发送端把原始数据包发送到无线信道后等待接收端反馈的信号。若收到ACK信号，则返回步骤(1)发送下一帧信源。若收到NACK信号(表示译码失败)，则把这些由混沌码字组成的重传数据包依次发送到无线信道。
(3)接收端的数据包经过信道补偿之后，把首次传输的原始数据包和重传的数据包组合起来进行混沌码软译码和QAM软解调，之后得到FEC码字的对数似然比(LLR)。LLR经过FEC译码后若通过CRC校验则完成一帧信源比特的传输并发送ACK信号，否则发送NACK信号并等待发送端发送更多的重传数据包。
所述的步骤(2)具体为：
(21)令QAM调制后，某个QAM符号为m＝s+r*i,其中s为I路，r为Q路。对于16QAM，s或r的取值为{3，1，-1，-3}中的一个。对于64QAM，s或r的取值为{7，5，3，1，-1，-3，-5，-7}中的一个。令缩放因子为a。以I路为例进行说明(Q路同理),令缩放后I路为sa＝s/a(Q路为ra＝r/a)。经过公式推导，本发明得到一次重传和两次重传情况下，16QAM的最优缩放因子a＝8,64QAM的最优的缩放因子a＝16。
(22)混沌码使用非线性混沌函数对sa进行编码。若码率为1/N，则编码后的N个混沌码字为：xa[0],xa[1],...,xa[N-1]，其中xa[0]＝sa。在首次传输的时候(即第0次重传)，xa[0]被发送出去，第一次重传时，xa[1]被发送出去，第(N-1)次重传时，xa[N-1]被发送出去。混沌函数的表达式为：
xa[n]＝F(xa[n-1]) (1)
F(x)＝1-2|x|，x∈[-1，1] (2)
(23)所有的QAM符号I路的第一个混沌码字即xa[0]组成首次传输的数据包(用P0表示)。所有的QAM符号I路的第二个混沌码字即xa[1]组成第一次重传的数据包(用P1表示)。同理所有的QAM符号I路的第N个混沌码字即xa[N-1]组成第(N-1)次重传的数据包(用PN-1表示)。
(24)发送端首先把数据包P0发送到无线信道，并等待接收端反馈的ACK或者NACK(ACK表示译码成功，NACK表示译码失败)。若收到NACK则发送重传数据包，第i次重传时，发送的重传数据包是Pi。若收到ACK或者重传次数已达上限(N-1)次则返回上述步骤(1)发送下一帧信源。
所述的步骤(3)具体为：
(31)对于上述步骤(22)中发送的码字xa[0],xa[1],...,xa[N-1](即首次传输后又有(N-1)次重传)，经过信道补偿后得到带噪码字ya[0],ya[1],...,ya[N-1]。
(32)混沌码软译码算法对ya[0],ya[1],...,ya[N-1]进行软译码得到sa的2N-1个可能的取值及其对应的2N-1个概率值。混沌码的软译码采用最大似然(ML)译码。即最大化如下概率：
Figure BDA0001538953290000031
公式(3)中σ2为噪声功率。
当N＝2时，译码公式译码后可得到sa的两个可能的取值，如下所示：
Figure BDA0001538953290000032
把公式(4)中的两个取值带入公式(1)中的xa[0],迭代(N-1)次得到xa[0],xa[1],...,xa[N-1]。然后把xa[0],xa[1],...,xa[N-1]和接收端收到的ya[0],ya[1],...,ya[N-1]一起带入公式(3)即可得到每个取值对应的概率值。同理可以得到Q路ra的两个可能取值和对应的概率值。
当N＝3时，译码公式译码后可得到四个可能的取值，如下所示：
Figure BDA0001538953290000033
同样把公式(5)中的四个取值带入公式(1)中的xa[0],迭代(N-1)次得到xa[0],xa[1],...,xa[N-1]。然后把xa[0],xa[1],...,xa[N-1]和接收端收到的ya[0],ya[1],...,ya[N-1]一起带入公式(3)即可得到每个取值对应的概率值。同理可以得到Q路ra的四个可能取值和对应的概率值。
(33)步骤(32)中混沌码软译码器输出的sa和ra若干个可能的取值乘以缩放因子a后和对应的概率进入QAM软解调器进行解调。以一次重传为例，混沌码译码器输出I路和Q路各有两个可能的取值和对应的两个概率值，则在QAM软解调器中每个QAM符号m(m为发送端QAM调制后的复符号)共有2*2＝4个可能的取值，和对应的4个概率值。令这4个取值分别为
Figure BDA0001538953290000041
其对应的4个概率为{Pchaotic1,Pchaotic2,Pchaotic3,Pchaotic4}。对于16QAM，用P1_1和P1_0分别表示m(16QAM中每个复符号m由4个比特构成)中第一个比特为1和为0的概率，则有：
Figure BDA0001538953290000042
Figure BDA0001538953290000043
上述公式(6)和(7)中
Figure BDA0001538953290000044
分别表示
Figure BDA0001538953290000045
分别对应的噪声功率。{d1,d2,...,d16}表示16QAM中16个星座点的复数值。第一个比特的对数似然比(LLR)计算如下：
LLR(b1)＝log(P1_1/P1_0) (8)
m中的其他三个比特的LLR也用此方法解调出来。同理其他QAM符号也用上述方法解调出每个比特相应的LLR。这些LLR进入FEC译码器得到信源比特。然后这些信源比特进入CRC校验模块，若通过校验则发送ACK信号给发送端，否则发送NACK信号给发送端。
附图说明
图1为本发明发送端与接收端流程示意图。
图2为本发明中非线性混沌函数两次迭代和三次迭代示意图。
图3为本发明中16QAM软解调示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提出的基于模拟混沌编码的HARQ(即HARQ-Chaotic)方法是一种符号级别的重传技术。采用HARQ-Chaotic方案的重传数据包中的数据是首次传输的数据包中的调制符号采用混沌码编码之后的码字。接收端把这些混沌码字组合起来先进行混沌码软解码，再进行QAM软解调，最后送入FEC译码器恢复出信源。在本实施例中以Turbo码作为FEC码，以16QAM和64QAM作为调制方式，波形为OFDM调制。
图1为本发明的发送端和接收端流程图。具体实现方法包括如下步骤：
步骤一，一帧信源比特先进行CRC编码，再进行FEC编码和QAM调制。把QAM调制后的符号的幅度缩放后进行混沌码编码，编码后的混沌码字为重传数据包(首次传输的数据包可以认为是第0次重传)。混沌码字经过OFDM调制(用IFFT变换实现)变换后发送出去。具体步骤如下：
(11)令QAM调制后，某个QAM符号为m＝s+r*i,其中s为I路，r为Q路。对于16QAM，s或r的取值为{3，1，-1，-3}中的一个。对于64QAM，s或r的取值为{7，5，3，1，-1，-3，-5，-7}中的一个。令缩放因子为a。以I路为例进行说明(Q路同理),令缩放后I路为sa＝s/a(Q路为ra＝r/a)。经过公式推导，本发明得到一次重传和两次重传情况下，16QAM的最优缩放因子a＝8,64QAM的最优的缩放因子a＝16。
(12)混沌码使用非线性混沌函数对sa进行编码。若码率为1/N，则编码后的N个混沌码字为：xa[0],xa[1],...,xa[N-1]，其中xa[0]＝sa。在首次传输时(即第0次重传)，xa[0]被发送出去，第一次重传时，xa[1]被发送出去，第(N-1)次重传时，xa[N-1]被发送出去。混沌函数的表达式为：
xa[n]＝F(xa[n-1]) (1)
F(x)＝1-2|x|，x∈[-1，1] (2)
图2为此非线性混沌函数两次迭代和三次迭代后，xa[1]和xa[2]关于xa[0]的函数关系，其中横坐标为xa[0]，纵坐标分别为xa[1]和xa[2]。
(13)所有的QAM符号I路的第一个混沌码字即xa[0]组成首次传输的数据包(用P0表示)。所有的QAM符号I路的第二个混沌码字即xa[1]组成第一次重传的数据包(用P1表示)。同理所有的QAM符号I路的第N个混沌码字即xa[N-1]组成第(N-1)次重传的数据包(用PN-1表示)。
(14)发送端先把数据包P0经过IFFT变换后发送出去，并等待接收端反馈的ACK或者NACK(ACK表示译码成功，NACK表示译码失败)。若收到NACK则发送重传数据包，第i次重传时，发送的重传数据包是Pi。若收到ACK或者重传次数已达上限(N-1)次则返回上述步骤(1)发送下一帧信源。
步骤二，接收端经过FFT以及信道补偿之后，把首次传输的数据包和重传的数据包组合起来进行混沌码软译码和QAM软解调，之后得到FEC码字的对数似然比。(LLR)。LLR经过FEC译码后若通过CRC校验则完成一帧信源比特的传输并发送ACK信号，否则发送NACK信号并等待发送端发送更多的重传数据包。具体步骤如下：
(21)对于上述步骤(12)中发送的码字xa[0],xa[1],...,xa[N-1](即首次传输后又有(N-1)此重传)，经过FFT和信道补偿后得到带噪码字ya[0],ya[1],...,ya[N-1]。
(22)混沌码软译码算法对ya[0],ya[1],...,ya[N-1]进行软译码得到sa的2N-1个可能的取值及其对应的2N-1个概率值。混沌码的软译码采用最大似然(ML)译码。即最大化如下概率：
Figure BDA0001538953290000071
公式(3)中σ2为噪声功率。
当N＝2时，译码公式译码后可得到sa的两个可能的取值，如下所示：
Figure BDA0001538953290000072
把公式(4)中的两个取值带入公式(1)中的xa[0],迭代(N-1)次得到xa[0],xa[1],...,xa[N-1]。然后把xa[0],xa[1],...,xa[N-1]和接收端收到的ya[0],ya[1],...,ya[N-1]一起带入公式(3)即可得到每个取值对应的概率值。同理可以得到Q路ra的两个可能取值和对应的概率值。
当N＝3时，译码公式译码后可得到sa的四个可能的取值，如下所示：
Figure BDA0001538953290000073
同样把公式(5)中的四个取值带入公式(1)中的xa[0],迭代(N-1)次得到xa[0],xa[1],...,xa[N-1]。然后把xa[0],xa[1],...,xa[N-1]和接收端收到的ya[0],ya[1],...,ya[N-1]一起带入公式(3)即可得到每个取值对应的概率值。同理可以得到Q路ra的四个可能取值和对应的概率值。
(23)步骤(22)混沌码译码器输出的的sa和ra若干个可能的取值乘以缩放因子a后和对应的概率进入QAM软解调器进行解调。以一次重传为例，混沌码译码器输出I路和Q路各有两个可能的值和其对应的概率，则在QAM软解调器中每个QAM符号m(m为发送端QAM调制后的复符号)共有2*2＝4个可能的复数取值，和对应的4个概率。令这4个的取值分别为
Figure BDA0001538953290000081
其对应的四个概率为{Pchaotic1,Pchaotic2,Pchaotic3,Pchaotic4}。对于16QAM，用P1_1和P1_0分别表示m(16QAM中每个复符号m由4个比特构成)中第一个比特为1和为0的概率，则有：
Figure BDA0001538953290000082
Figure BDA0001538953290000083
上述公式(6)和(7)中
Figure BDA0001538953290000084
分别表示
Figure BDA0001538953290000085
对应的噪声功率。{d1,d2,...,d16}表示16QAM中16个星座点的复数值。第一个比特的对数似然比(LLR)计算如下：
LLR(b1)＝log(P1_1/P1_0) (8)
图3为本发明中16QAM软解调示意图。图中16个黑点为16个星座点({d1,d2,...,di,...,d16})在星座图中的位置。4个方块表示混沌码软译码后4个可能的复数取值
Figure BDA0001538953290000091
在星座图中的位置。实线表示
Figure BDA0001538953290000092
第一个比特为1所对应的8个星座点。虚线表示
Figure BDA0001538953290000093
第一个比特为0所对应的8个星座点
m中的其他3个比特的LLR也用此方法解调出来。同理其他QAM符号也用上述方法解调出每个比特相应的LLR。这些LLR进入FEC译码器得到信源比特。然后这些信源比特经过CRC校验模块，若通过校验则发送ACK信号给发送端，否则发送NACK信号给发送端。
以上所述，仅是本发明的较佳实例，本发明所主张的权利范围并不局限于此。本发明还有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于模拟混沌码的HARQ方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)一帧信源比特，先进行CRC编码，再进行FEC编码和QAM调制；
(2)把QAM调制后的符号的幅度缩放后进行混沌码编码，编码后的混沌码字为重传数据包；发送端把原始数据包发送到无线信道并等待接收端反馈的信号；若收到ACK信号则返回步骤(1)发送下一帧信源；若收到NACK信号，则把这些由混沌码字组成的重传数据包依次发送到无线信道；
(3)接收端收到的数据包经过信道补偿后，把首次传输的原始数据包和重传的数据包联合起来进行混沌码软译码和QAM软解调，之后得到FEC码字的对数似然比，即LLR；LLR经过FEC译码后若通过CRC校验则完成一帧信源比特的传输，并发送ACK信号，否则发送NACK信号并等待发送端发送更多的重传数据包。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟混沌码的HARQ方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：
(21)令QAM调制后，某个QAM符号为m＝s+r*i，其中s为I路，r为Q路；对于16QAM，s或r的取值为{3，1，-1，-3}中的一个；对于64QAM，s或r的取值为{7，5，3，1，-1，-3，-5，-7}中的一个；令缩放因子为a；令缩放后I路为sa＝s/a；Q路同理，Q路则为ra＝r/a；经过公式推导，得到一次重传和两次重传情况下，16QAM的最优缩放因子a＝8，64QAM的最优的缩放因子a＝16；
(22)混沌码使用非线性混沌函数对sa进行编码；若码率为1/N，则编码后的N个混沌码字为：xa[0]，xa[1]，...，xa[N-1]，其中xa[0]＝sa；在首次传输的时候，即第0次重传，xa[0]被发送出去，第一次重传时，xa[1]被发送出去，第(N-1)次重传时，xa[N-1]被发送出去；混沌函数的表达式为：
xa[n]＝F(xa[n-1]) (1)
F(x)＝1-2|x|，x∈[-1，1] (2)
(23)所有QAM符号的I路第一个混沌码字即xa[0]组成首次传输的数据包，用P0表示；所有的QAM符号的I路第二个混沌码字即xa[1]组成第一次重传的数据包，用P1表示；同理所有的QAM符号的I路第N个混沌码字即xa[N-1]组成第(N-1)次重传的数据包，用PN-1表示；
(24)发送端首先把数据包P0发送到无线信道，并等待接收端反馈的ACK或者NACK，ACK表示译码成功，NACK表示译码失败；若收到NACK则发送重传数据包，第i次重传时，发送的重传数据包是Pi；若收到ACK或者重传次数已达上限(N-1)次则返回上述步骤(1)发送下一帧信源。
3.根据权利要求2所述的一种基于模拟混沌码的HARQ方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体为：
(31)对于上述步骤(22)中发送的码字xa[0]，xa[1]，...，xa[N-1]，即首次传输后又有(N-1)次重传，经过信道补偿后得到带噪码字ya[0]，ya[1]，...，ya[N-1]；
(32)采用混沌码软译码算法对ya[0]，ya[1]，...，ya[N-1]进行软译码，得到sa的2N-1个可能取值以及对应的2N-1个概率值；混沌码的软译码采用最大似然(ML)译码；即最大化如下概率：
Figure FDA0002672458850000021
公式(3)中σ2为噪声功率；
当N＝2时，译码公式译码后得到sa两个可能的取值，如下所示：
Figure FDA0002672458850000022
把公式(4)中的两个值带入公式(1)中的xa[0]，迭代(N-1)次得到xa[0]，xa[1]，...，xa[N-1]；然后把xa[0]，xa[1]，...，xa[N-1]和接收端收到的ya[0]，ya[1]，...，ya[N-1]一起带入公式(3)即可得到每个取值对应的概率值；同理可以得到Q路ra的两个可能取值和对应的概率值；
当N＝3时，译码公式译码后得到sa四个可能的取值，如下所示：
Figure FDA0002672458850000031
Figure FDA0002672458850000032
Figure FDA0002672458850000033
（5）
Figure FDA0002672458850000034
同样把公式(5)中的四个取值带入公式(1)中的xa[0]，迭代(N-1)次得到xa[0]，xa[1]，...，xa[N-1]；然后把xa[0]，xa[1]，...，xa[N-1]和接收端收到的ya[0]，ya[1]，...，ya[N-1]一起带入公式(3)即可得到每个取值对应的概率值；同理得到Q路ra的四个可能取值和对应的概率值；
(33)步骤(32)中混沌码译码器输出的sa和ra若干个可能的取值，乘以缩放因子a，并和对应的概率值进入QAM软解调器进行解调；一次重传时，混沌码译码器输出I路和Q路各有两个可能的取值和对应的两个概率值，则在QAM软解调器中每个QAM符号m，m为发送端QAM调制后的复符号，共有2*2＝4个可能的取值，和对应的4个概率值；令这4个取值分别为
Figure FDA0002672458850000035
其对应的4个概率为{Pchaotic1，Pchaotic2，Pchaotic3，Pchaotic4}；对于16QAM，用P1_1和P1_0分别表示m中第一个比特为1和为0的概率，则有：
Figure FDA0002672458850000036
Figure FDA0002672458850000041
上述公式(6)和(7)中
Figure FDA0002672458850000042
分别表示
Figure FDA0002672458850000043
对应的噪声功率；{d1，d2，...，d16}表示16QAM中16个星座点的复数值；第一个比特的LLR计算如下：
LLR(b1)＝log(P1_1/P1_0) (8)
m中其他3个比特的LLR也用此方法解调出来；同理其他QAM符号也用上述方法解调出每个比特相应的LLR；这些LLR进入FEC译码器得到信源比特；然后这些信源比特进入CRC校验模块，若通过校验则发送ACK信号给发送端，否则发送NACK信号给发送端。
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