CN108512799A - 面向接收端链路自适应的降低峰均比的星座成形变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向接收端进行链路自适应的星座成形变换方法。这种方法减少了原来幅度高的星座点幅度，增加了所有星座点的平均幅度值，从而降低了整个星座的峰均比。该方案包括以下步骤：(1)编码；(2)IQ信号调制；(3)星座成形正变换；(4)星座成形逆变换；(5)软解调(6)噪声估计；(7)译码。与原始方案相比，本发明提出的星座变换方法使得发送端可以大幅度降低峰均比，而译码性能损失很小，同时对收发双发协议修改很少，易于硬件实现。

Description

面向接收端链路自适应的降低峰均比的星座成形变换方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信的物理层调制方法，尤其是涉及一种面向接收端链路自适应的降低峰均比的星座成形变换方法。

背景技术

链路自适应技术是根据时变信道条件自适应地调整调制、信道编码、功率和其它协议参数的一种技术。链路自适应技术分为发送端实现和接收端实现两种。发送端链路自适应技术根据当前信道状态信息自适应地调整传输参数和协议，最大限度地发送信息，增加系统容量、峰值数据传输速率和有效覆盖范围。成熟的技术包括AMC技术和HARQ技术。

接收端实现链路自适应技术相对于传统的链路自适应技术，具有高的连续的频谱效率，克服了传统链路自适应的缺陷。基于随机映射码的接收端实现链路自适应技术方案如图1所示。发送端在给定大小为N×N的随机映射矩阵G的条件下，首先按式u＝G·b，对一组二进制比特串b＝{b_i,i＝1,2,…,N}进行编码，得到u；然后，将两个相邻的符号按公式u_2k-1+j.u_2k (k＝1,…,N/2)组成一个调制信号。经过AWGN信道后，接收端将接收到的复信号z_n进行软解调，即分别提取z_n的实部和虚部，得到最后采用置信传播(BP)算法框架进行译码。

但由于上述调制对应的星座是一个稠密的矩形星座，调制信号存在峰均比高的问题，限制了其在实际通信系统中的应用。借助于本发明，通过二维平面星座点的几何变换，将矩形星座变换为圆形星座。这样一来，减少了原来幅度高的星座点幅度，增加了所有星座点的平均幅度值，从而降低了整个星座的峰均比。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向接收端链路自适应的降低峰均比的星座成形变换方法，通过这种方法使得调制星座发射信号的峰均比有效降低，而解调性能损失不大，对整个系统的修改不大。本发明通过以下技术方案来实现。

本发明提出的的面向接收端链路自适应的降低峰均比的星座成形变换方法，具体步骤如下：

(1)随机映射码编码，给定二进制列向量b＝{b_i,i＝1,2,…,N}和随机映射矩阵G，用公式 u＝G·b进行编码，得到编码向量u；

(2)调制，将每两个相邻的编码符号按公式u_2k-1+j.u_2k(k＝1,…,N/2)组成一个调制符号，得到调制向量z；

(3)成形正变换，以z为输入，经过成形正变换之后，得到信号z^f；

(3.1)提取z_i实部和虚部，x＝real(z_i)，y＝imag(z_i)；

(3.2)计算正变换缩放因子向量r，如果x＝0而且y＝0，则r(i)＝1；如果|x|≥|y|，则计算否则计算

(3.3)计算变换结果，x'＝x/r(i)，y'＝y/r(i)；

(3.4)调制成复信号，其中表示z^f的第i个元素。

(3.5)z每一个元素经过上述操作后，得到复信号z^f。

(4)成形逆变换，以接收到的加了AWGN噪声的信号zⁿ为输入，经过成形逆变换后得到 z^f经过AWGN信道后，接收端收到复信号向量zⁿ＝z^f+n，其中n为加性高斯噪声。以zⁿ为输入，对其每一个元素zⁿ _i进行如下操作：

(4.1)提取zⁿ _i实部和虚部，x_n＝real(zⁿ _i)，y_n＝imag(zⁿ _i)；

(4.2)计算逆变换缩放因子向量r'，如果x_n＝＝0而且y_n＝＝0，则r'(i)＝1；如果|x_n|≥|y_n |，则计算否则计算

(4.3)计算逆变换结果，xⁿ(i)＝x_nr'，yⁿ(i)＝y_nr'；xⁿ表示变换后的实部信号向量，yⁿ表示变换后的虚部信号向量；

(4.4)调制成复信号，其中为逆变换的复信号向量，为的第i个元素；

(4.5)zⁿ每一个元素经过上述操作后，得到成形逆变换信号向量

(5)软解调，分别提取的实部和虚部，并组合成一维信号向量即 其中real(·)和imag(·)分别为提取复数实部和虚部的函数；

(6)译码，以为输入，经过译码后得到

本发明中，步骤(6)中所述译码具体步骤如下：

(6.1)计算噪声标准差

设噪声方差为σ²，z^f→zⁿ线段表示噪声，表示由于包含AWGN噪声和采用星座变换方法引起的混合噪声，近似表示噪声。z^f→zⁿ和存在平行且相似的关系。具体计算噪声标准差步骤如下：

(6.11)计算向量对应的逆变换缩放因子向量，即

(6.12)计算向量对应的混合噪声标准差向量，即

(6.2)译码

以σ_f、迭代最大次数T＝20和大小为M×N的随机映射矩阵G为输入，采用置信传播算法进行译码，得到推断结果G对应的Tanner图如图4所示，矩形表示编码符号，圆形表示比特符号，每个编码符号由长度为L的权重集合w＝{w₁,w₂,...,w_L}与对应随机比特的加权和生成。译码算法包括初始化、迭代译码和判决过程。具体步骤如下：

(6.21)初始化

在第t＝0次迭代，第i个符号节点到第j个比特节点为0和1的概率分别为和第j个比特节点到第i个符号节点为0和1的概率分别为和这里的p_j＝0.5，表示先验概率。

(6.22)迭代译码

当迭代次数t小于等于T，则依次重复水平迭代和垂直迭代，具体步骤如下：

(6.221)水平迭代

第i个符号节点共有L个比特节点邻居，其到第j个比特节点为0和1的概率计算步骤如下：

(6.2212)计算概率卷积，以上一次迭代中的垂直迭代结果和G的第i行权重集合为输入，用公式

计算概率卷积结果，其中 为卷积；得到权重向量ws＝(ws₁,ws₂,…,ws_m) 和对应的概率向量p＝(p₁,p₂,…,p_m)。

(6.2213)计算噪声卷积

(6.22131)噪声概率计算

以ws、σ_f(i)和为输入，用公式计算的噪声概率向量用公式计算的噪声概率向量其中k＝1,2,…,m；

(6.22132)点乘计算，以和p为输入，计算和其中k＝1,2,…,m。

(6.222)垂直迭代，传递第j个比特节点到所有符号邻居节点为0和1的概率，即

和其中C_j\i表示第j个比特节点除第i个符号节点的所有邻居节点集合，k_ji'是归一化因子，使得

(6.23)判决，经过T次迭代后，译码停止，判决过程如下：

(6.231)计算第j个变量节点的硬判决概率，即

和其中C_j表示第j个比特节点的所有符号节点集合；

(6.232)如果则否则

(6.233)重复步骤(231)和(232)，得到判决结果

本发明的有益效果在于：与原始方案相比，本发明提出的星座变换方法使得发送端可以大幅度降低峰均比，而译码性能损失很小，同时对收发双发协议修改很少，易于硬件实现。

附图说明

图1为基于随机映射码的通信系统示意图；

图2为本发明的降低峰均比的通信系统示意图；

图3为本发明的估计噪声标准差示意图；

图4为本发明的随机映射矩阵对应的Tanner图；

图5为本发明的随机映射码译码原理图；

图6为本发明的示例对应的原始星座图；

图7为本发明的示例对应的成形变换星座图。

具体实施方式

实施例1：

下面以权重集合w＝{a₁,a₂,...,a_L-1,a_L}为例，详细说明本发明的实现过程。

一、星座构造与星座变换

步骤1，星座构造

进一步设长度为L＝8的权重集合w＝[-4,-4,-2,-1,1,2,4,4]，以及在w的基础上构造大小为 M×N的随机映射矩阵G。根据编码u＝G·b和调制u_2k-1+j.u_2k(k＝1,…,N/2)方法，可以构造如图 6所示的原始星座。

步骤2，星座成形变换，在步骤1所示的原始星座基础上，对原始星座的每一个星座点 z_i进行如下操作：

步骤21，提取z_i实部和虚部，x＝real(z_i)，y＝imag(z_i)；

步骤22，计算正变换缩放因子向量r，如果x＝＝0而且y＝＝0，则r(i)＝1；如果|x|≥|y|，则计算否则计算

步骤23，计算成形正变换结果，x'＝x/r(i)，y'＝y/r(i)；

步骤24，调制成复信号，其中表示z^f的第i个元素；

步骤25，z每一个元素经过上述操作后，得到复信号z^f。

即可得到成形变换后的星座图，如图7所示。

二、基于星座变换方法的通信系统实施过程

如图2所示，具体步骤如下：

步骤1，随机映射码编码，给定二进制列向量b＝{b_i,i＝1,2,…,N}和随机映射矩阵G，用公式u＝G·b进行编码，得到u；

步骤2，调制，将两个相邻的符号按公式u_2k-1+j.u_2k(k＝1,…,N/2)组成一个调制信号，得到 z；

步骤3，成形正变换，以z为输入，经过成形正变换之后，得到信号z^f；

步骤4，成形逆变换，以接收到的加了AWGN噪声的信号zⁿ为输入，经过成形逆变换后得到

步骤5，软解调，分别提取的实部和虚部，并组合成一维信号向量即 其中real(·)和imag(·)分别为提取复数实部和虚部的函数；

步骤6，译码，以为输入，经过译码后得到

其中步骤3成形正变换的具体方法如下：以z为输入，对其每一个元素z_i进行如下操作：

步骤31，提取z_i实部和虚部，x＝real(z_i)，y＝imag(z_i)；

步骤32，计算正变换缩放因子向量r，如果x＝＝0而且y＝＝0，则r(i)＝1；如果|x|≥|y|，则计算否则计算

步骤33，计算变换结果，x'＝x/r(i)，y'＝y/r(i)；

步骤34，调制成复信号，其中表示z^f的第i个元素；

步骤35，z每一个元素经过上述操作后，得到复信号z^f。

其中步骤4成形逆变换的具体方法如下：z^f经过AWGN信道后，接收端收到复信号向量 zⁿ＝z^f+n，其中n为加型高斯噪声。以zⁿ为输入，对其每一个元素zⁿ _i进行如下操作：

步骤41，提取zⁿ _i实部和虚部，x_n＝real(zⁿ _i)，y_n＝imag(zⁿ _i)；

步骤42，计算逆变换缩放因子向量r'，如果x_n＝＝0而且y_n＝＝0，则r'(i)＝1；如果|x_n|≥ |y_n|，则计算否则计算

步骤43，计算逆变换结果，xⁿ(i)＝x_nr'，yⁿ(i)＝y_nr'；xⁿ表示变换后的实部信号向量，yⁿ表示变换后的虚部信号向量；

步骤44，调制成复信号，其中为逆变换的复信号向量，为的第i 个元素；

步骤45，zⁿ每一个元素经过上述操作后，将xⁿ和yⁿ组合成一维信号向量即 其中reshape(·)表示按列方向将[xⁿ；yⁿ]矩阵转为列向量。

其中步骤6译码的具体方法如下：

步骤61，计算噪声标准差，设噪声方差为σ²。如图3所示，z^f→zⁿ线段表示噪声，表示由于包含AWGN噪声和采用星座变换方法引起的混合噪声，近似表示噪声。由图看出，z^f→zⁿ和存在平行且相似的关系。具体计算噪声标准差步骤如下：

步骤611，计算向量对应的成形逆变换缩放因子向量，即

步骤612，计算向量对应的混合噪声标准差向量，即

步骤62，译码，以σ_f、迭代最大次数T＝20和大小为M×N的随机映射矩阵G为输入，采用置信传播算法进行译码，得到推断结果G对应的Tanner图如图4所示，矩形表示编码符号，圆形表示比特符号，每个编码符号由长度为L的权重集合w＝{w₁,w₂,...,w_L}与对应随机比特的加权和生成。译码原理如图5所示。译码算法包括初始化、迭代译码和判决过程。具体步骤如下：

步骤621，初始化

在第t＝0次迭代，第i个符号节点到第j个比特节点为0和1的概率分别为和第j个比特节点到第i个符号节点为0和1的概率分别为和这里的p_j＝0.5，表示先验概率；

步骤622，迭代译码，当迭代次数t小于等于T，则依次重复水平迭代和垂直迭代，具体步骤如下：

步骤6221，水平迭代，第i个符号节点共有L个比特节点邻居，其到第j个比特节点为0和1 的概率计算步骤如下：

步骤62211，计算概率卷积，以上一次迭代中的垂直迭代结果和G的第i行权重集合为输入，用公式计算概率卷积结果，其中 为卷积；得到权重向量ws＝(ws₁,ws₂,…,ws_m) 和对应的概率向量p＝(p₁,p₂,…,p_m)；

步骤62212，计算噪声卷积，具体步骤如下：

步骤622121，噪声概率计算，以ws、σ_f(i)和为输入，用公式计算的噪声概率向量用公式计算的噪声概率向量其中k＝1,2,…,m；

步骤622121，点乘计算，以和p为输入，计算和其中k＝1,2,…,m；

步骤6222，垂直迭代，传递第j个比特节点到所有符号邻居节点为0和1的概率，即和其中C_j\i表示第j个比特节点除第i个符号节点的所有邻居节点集合，k_ji'是归一化因子，使得

步骤623，判决，经过T次迭代后，译码停止，判决过程如下：

步骤6231，计算第j个变量节点的硬判决概率，即

和其中C_j表示第j个比特节点的所有符号节点集合；

步骤6232，如果则否则

步骤6233，重复步骤6231和步骤6232，得到判决结果

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 (1)

1.面向接收端链路自适应的降低峰均比的星座成形变换方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)随机映射码编码，给定二进制列向量b＝{b_i,i＝1,2,…,N}和随机映射矩阵G，用公式u＝G·b进行编码，得到编码向量u；

(2)调制，将每两个相邻的编码符号按公式u_2k-1+j.u_2k(k＝1,…,N/2)组成一个调制信号，得到调制向量z；

(3)成形正变换，以z为输入，经过成形正变换之后，得到信号z^f；

(3.1)提取z_i实部和虚部，x＝real(z_i)，y＝imag(z_i)；

(3.2)计算正变换缩放因子向量r，如果x＝0而且y＝0，则r(i)＝1；如果|x|≥|y|，则计算否则计算

(3.3)计算变换结果，x'＝x/r(i)，y'＝y/r(i)；

(3.4)调制成复信号，其中表示z^f的第i个元素；

(3.5)z每一个元素经过上述操作后，得到复信号z^f；

(4)成形逆变换，以接收到的加了AWGN噪声的信号zⁿ为输入，经过成形逆变换后得到z^f经过AWGN信道后，接收端收到复信号向量zⁿ＝z^f+n，其中n为加性高斯噪声；以zⁿ为输入，对其每一个元素zⁿ _i进行如下操作：

(4.1)提取zⁿ _i实部和虚部，x_n＝real(zⁿ _i)，y_n＝imag(zⁿ _i)；

(4.2)计算逆变换缩放因子向量r'，如果x_n＝＝0而且y_n＝＝0，则r'(i)＝1；如果|x_n|≥|y_n|，则计算否则计算

(4.3)计算逆变换结果，xⁿ(i)＝x_nr'，yⁿ(i)＝y_nr'；xⁿ表示变换后的实部信号向量，yⁿ表示变换后的虚部信号向量；

(4.4)调制成复信号，其中为逆变换的复信号向量，为的第i个元素；

(4.5)zⁿ每一个元素经过上述操作后，得到成形逆变换信号向量

(5)软解调，分别提取的实部和虚部，并组合成一维信号向量即 其中real(·)和imag(·)分别为提取复数实部和虚部的函数；

(6)译码，以为输入，经过译码后得到