CN109088699A - 一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，包括：步骤S1：Raptor编码器根据信源比特编码得到Raptor码字；步骤S2：Q‑QAM调制器选择一种映射方式将没设定个数的Raptor码字映射为一个复符号；步骤S3：接收端的QAM解调器和Raptor译码器对通过无线信道传输后的复符号进行解调和译码；步骤S4：基于接收端解调和译码过程中得到的Raptor码字的对数似然比和经由无线信道传输后接收到的带噪的复符号，分析Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息的对应关系，并选择得到与Raptor码的输出度分布最匹配的方式；步骤S5：将选择得到的与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式应用于Q‑QAM调制器和接收端的QAM解调器。与现有技术相比，本发明具有提高整个系统的BER和吞吐率等优点。

Description

一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，尤其是涉及一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法。

背景技术

Raptor是一种级联无速率码，由一个高码率的LDPC外码和一个LT内码构成，因此Raptor码的性能好于单纯的LT码。虽然Raptor码最初是为擦除信道而设计的，但很快被移植到了无线信道中的物理层。为了提高无线通信系统的吞吐率，通常情况下要把若干个Raptor码字再经过QAM调制生成复符号才会被发送出去。QAM调制有多种映射方式，通常情况下QAM调制使用格雷映射，但当接收端使用QAM解调与Raptor码联合迭代算法时，格雷映射不一定是最合适的。目前尚没有相关的研究专门针对联合迭代算法下如何对Raptor码和QAM调制的映射方式进行匹配。

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供一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，包括：

步骤S1：Raptor编码器根据信源比特编码得到Raptor码字，其中Raptor码的输出度分布为D；

步骤S2：Q-QAM调制器选择一种映射方式将没设定个数的所述Raptor码字映射为一个复符号，得到多个复符号；

步骤S3：接收端的QAM解调器和Raptor译码器对通过无线信道传输后的复符号进行解调和译码；

步骤S4：基于接收端解调和译码过程中得到的Raptor码字的对数似然比和经由无线信道传输后接收到的带噪的复符号，使用EXIT图来分析Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息的对应关系，并选择得到与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式；

步骤S5：将选择得到的与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式应用于Q-QAM调制器和接收端的QAM解调器。

所述步骤S1具体包括：

步骤S11：设定Raptor码的输出度分布；

步骤S12：将信源比特经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

步骤S13：将得到的中间比特经过LT编码后得到多个数量可变的Raptor码字。

所述步骤S3具体包括步骤：

步骤S31：QAM解调器对由无线信道传输后接收到的带噪的QAM符号进行解调得到对数似然比并发送给Raptor译码器；

步骤S32：Raptor译码器的Raptor比特节点和LDPC中间比特节点对QAM解调器输出的对数似然比进行迭代更新，并将更新后的对数似然比由LDPC中间比特节点发送给Raptor译码器的变量节点和校验节点，并由Raptor比特节点返回给QAM解调器；

步骤S33：Raptor译码器的变量节点和校验节点对由LDPC中间比特节点发送的对数似然比进行迭代更新，并将更新后的对数似然比由变量节点返回至LT译码器中LDPC中间比特节点，直至预先设定的迭代次数。

所述步骤S31中的解调过程具体为：

其中：P(a_w＝q)为表示QAM解调后第w个比特a_w的值为q的概率，其中q的值为0或1，s_i为调制方式星座图中的一个星座点所对应的复符号，y为接收端收到的带噪的符号，P(y|s_i)为发送端发送s_i时接收端收到y的条件概率，a_j为QAM解调器第二路输入中Raptor译码器反馈过来的一个Raptor码字，其对应s_i的第j个比特，为第l次迭代中从Raptor译码器发送给QAM解调器的a_j的对数似然比，a_j(s_i)表示s_i的第j个比特的值为a_j，为给定时a_j＝a_j(s_i)的条件概率，为第l+1次迭代时，从QAM解调器发送给Raptor译码器的关于a_w的对数似然比。

所述步骤S32中的迭代传递具体为：

其中：b和b'为LDPC中间比特节点，r和r'为Raptor比特节点，y为QAM解调器中QAM符号节点，v为LDPC译码器中变量节点，为第l次迭代中从r传到b的对数似然比，为第l次迭代中从b传给r的对数似然比，为第l次迭代中从r返回至QAM解调器中y的对数似然比，为第l次迭代中从b传到LDPC译码器中v的对数似然比，为第l-1此迭代中从v返回至b的对数似然比，N(b)表示与LDPC中间节点b相连的所有Raptor比特节点的集合，N(b)\r表示与除r之外与LDPC中间节点b相连的所有Raptor比特节点的集合。

所述步骤S33中迭代传递具体为：

其中：v和v'为变量节点，c和c'为校验节点，m^(l) _v,c为第l次迭代中从变量节点v传到校验节点的对数c似然比，m^(l) _c,v为第l次迭代中从校验节点c传给变量节点v的对数似然比，m_dout为最终译码输出的关于信源的对数似然比，N(v)为与变量节点v相连的所有校验节点的集合，N(v)\c为除c之外与v相连的所有校验节点的集合，N(c)\v为除v之外与c相连的所有变量节点的集合。

所述步骤S4具体包括：

步骤S41：QAM解调器分别接收解调和译码过程中得到的Raptor码字的对数似然比和经由无线信道传输后接收到的带噪的QAM符号；

步骤S42：根据Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息，绘制EXIT图，并根据绘制的EXIT图选择得到与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式。

所述步骤S42具体包括：

步骤S421：根据Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息，在EXIT图中绘制I_E,Decoder关于I_A,Decoder的曲线l_Decoder，以及所有映射方式下I_E,Demapper关于I_A,Demapper的曲线l_Demapper，

其中：I_E,Decoder为Raptor译码器的输出互信息，I_A,Decoder为Raptor译码器的输入互信息，I_E,Demapper为QAM解调器的输出互信息，I_A,Demapper为QAM解调器的输入互信息；

步骤S422：选择l_Demapper在l_Decoder的上方，且二者的交点尽可能的接近当I_E,Demapper和I_A,Demapper同时为1的时候的映射方式作为与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)使用EXIT图来分析Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息的对应关系，并选择与Raptor的输出度分布D最匹配的映射方式，具有快速直接的优势，从而提高整个系统的BER和吞吐率。

2)提出一种全局迭代联合算法同时进行QAM解调和Raptor译码，迭代效率高。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为本发明中发送端和接收端的逻辑示意图；

图3为本发明中64QAM调制时6种不同的映射方式；

图4为EXIT图中64QAM解调时5种不同的映射方式以及Raptor译码时两种度分布的输入与输出互信息的曲线。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，如图1和图2所示，包括：

步骤S1：Raptor编码器根据信源比特编码得到二进制的Raptor码字，其中Raptor码的输出度分布为D，具体包括：

步骤S11：设定Raptor码的输出度分布为D；

步骤S12：将信源比特s＝{s_i,i＝0,1,...,K-1}经过LDPC编码后产生N个LDPC中间比特b＝{b_i,i＝0,1,...,N-1}；

步骤S13：将得到的中间比特经过LT编码后得到多个数量可变的Raptor码字。具体的：中间比特b进一步经过LT编码器后产生数量可变的Raptor码字r；

步骤S2：Q-QAM调制器选择一种映射方式将没设定个数的Raptor码字映射为一个复符号，得到多个复符号；

Q-QAM调制有I种不同的映射方式分别为[M₁，M₂，…，M_i，…，M_I]。不同的映射方式把相同的W个码字映射成不同的复符号。

图3显示了64QAM中常见的6种映射方式。每种调制方式的星座图中都有64个星座点，在星座图中星座点的位置的序号从左到右从上到下依次增加。每个星座点携带6个比特。图3中每种调制方式右边都对应一个一维数组，数组中的数为0-63之间不重复的整数。假设数组中某个数的值为i(0≤i≤63),且i在数组中的位置为j(0≤j≤63)。则表示6个比特用二进制形式表示的值,j表示这6个比特对应星座图中的第j个星座点。比如映射方式为F64时，数组中第5个数(数组坐标从0开始)为13，由于13的二进制形式为001101,则表示001101这6个比特对应在星座图中第5个星座点的位置。

步骤S3：接收端的QAM解调器和Raptor译码器对通过无线信道传输后的复符号进行解调和译码，具体包括步骤：

步骤S31：QAM解调器对由无线信道传输后接收到的带噪的QAM符号进行解调得到对数似然比并发送给Raptor译码器，其中的解调过程具体为：

其中：P(a_w＝q)为表示QAM解调后第w个比特a_w的值为q的概率，其中q的值为0或1，s_i为调制方式星座图中的一个星座点所对应的复符号，y为接收端收到的带噪的符号，P(y|s_i)为发送端发送s_i时接收端收到y的条件概率，a_j为QAM解调器第二路输入中Raptor译码器反馈过来的一个Raptor码字，其对应s_i的第j个比特，为第l次迭代中从Raptor译码器发送给QAM解调器的a_j的对数似然比。a_j(s_i)表示s_i的第j个比特的值为a_j。为给定时a_j＝a_j(s_i)的条件概率。为第l+1次迭代时，从QAM解调器发送给Raptor译码器的关于a_w的对数似然比。

步骤S32：Raptor译码器的Raptor比特节点和LDPC中间比特节点对QAM解调器输出的对数似然比进行迭代更新，并将更新后的对数似然比由LDPC中间比特节点发送给Raptor译码器的变量节点和校验节点，并由Raptor比特节点返回给QAM解调器，其中的迭代传递具体为：

其中：b和b'为LDPC中间比特节点，r和r'为Raptor比特节点,y为QAM解调器中QAM符号节点，v为LDPC译码器中变量节点。为第l次迭代中从r传到b的对数似然比，为第l次迭代中从b传给r的对数似然比，为第l次迭代中从r返回至QAM解调器中y的对数似然比，为第l次迭代中从b传到LDPC译码器中v的对数似然比，为第l-1此迭代中从v返回至b的对数似然比。N(b)表示与LDPC中间节点b相连的所有Raptor比特节点的集合。N(b)\r表示与除r之外与LDPC中间节点b相连的所有Raptor比特节点的集合。

步骤S33：Raptor译码器的变量节点和校验节点对由LDPC中间比特节点发送的对数似然比进行迭代更新，并将更新后的对数似然比由变量节点返回至LT译码器中LDPC中间比特节点，直至达到设定迭代次数，其中迭代传递具体为：

其中：v和v'为变量节点，c和c'为校验节点。m^(l) _v,c为第l次迭代中从变量节点v传到校验节点的对数c似然比，m^(l) _c,v为第l次迭代中从校验节点c传给变量节点v的对数似然比，m_dout为最终译码输出的关于信源的对数似然比，N(v)为与变量节点v相连的所有校验节点的集合，N(v)\c为除c之外与v相连的所有校验节点的集合。N(c)\v为除v之外与c相连的所有变量节点的集合。

步骤S4：基于接收端解调和译码过程中得到的Raptor码字的对数似然比和经由无线信道传输后接收到的带噪的QAM符号(即为复符号)，使用EXIT图来分析Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息的对应关系，并选择得到与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式；

步骤S4具体包括：

步骤S41：QAM解调器分别接收解调和译码过程中得到的Raptor码字的对数似然比和经由无线信道传输后接收到的带噪的QAM符号；

步骤S42：根据Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息，绘制EXIT图，并根据绘制的EXIT图选择得到与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式，具体包括：

步骤S421：根据Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息，在EXIT图中绘制I_E,Decoder关于I_A,Decoder的曲线l_Decoder，以及所有映射方式下I_E,Demapper关于I_A,Demapper的曲线l_Demapper，

其中：I_E,Decoder为Raptor译码器的输出互信息，I_A,Decoder为Raptor译码器的输入互信息，I_E,Demapper为QAM解调器的输出互信息，I_A,Demapper为QAM解调器的输入互信息；

步骤S422：选择l_Demapper在l_Decoder的上方，且二者的交点尽可能的接近当I_E,Demapper和I_A,Demapper同时为1的时候的映射方式作为与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式。

具体的，如图2所示，QAM解调器有两路输入。第一路输入为从无线信道接收的带噪的QAM符号，第二路输入从Raptor译码器反馈回来的Raptor码字的LLR(对数似然比)，即图2中的m_r,y。

令QAM解调器第二路输入的某个Raptor码字本身的值为x，其LLR为ξ，则ξ可以等效为一个高斯随机变量，且ξ与x之间有如下关系：

ξ＝a×x+n

其中n为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声，a＝σ²/2。x为二进制的Raptor码字。用I_A,Demapper和I_E,Demapper分别表示QAM解调器的第二路输入的互信息与输出的互信息。则I_A,Demapper表征的ξ与x之间的互信息，是一个J函数，定义如下：

I_E,Demapper表征的是QAM解调器输出的LLR与x之间的互信息，I_E,Demapper的值取决于QAM调制器的调制阶数Q，信道的信噪比SNR，映射方式M_i以及输入的互信息I_A,Demapper。用T₁来表示I_E,Demapper与I_A,Demapper的函数关系，则有：

I_E,Demapper＝T₁(Q,M_i,I_A,Demapper,SNR)

用I_A,Decoder和I_E,Decoder分别表示Raptor译码器的输入互信息与输出互信息。在接收端的全局迭代联合算法中，互信息在QAM解调器的和Raptor译码器之间相互迭代，即Raptor译码器的输入LLR为QAM解调器的输出LLR(对数似然比)，同时QAM解调器的输入LLR为Raptor译码器的输出LLR。因此有I_A,Decoder＝I_E,Demapper，I_A,Demapper＝I_E,Decoder。Raptor译码器的输出互信息I_E,Decoder取决于Raptor码的码率R，度分布D以及输入互信息I_A,Decoder，而与信道的信噪比无关，用T₂来表示I_E,Decoder与I_A,_Decoder的函数关系，则有：

I_E,Decoder＝T₂(R,D,I_A,Decoder)

EXIT图可以直观的显示输入和输出互信息在Raptor译码器和QAM解调器之间的传递关系。在EXIT图中同时画出特定度分布(D)情况下I_E,Decoder关于I_A,Decoder的曲线(令为l_Decoder)，以及所有可能的映射方式下I_E,Demapper关于I_A,Demapper的曲线(令为l_Demapper)。并找出与l_Decoder最匹配的l_Demapper。匹配的准则是l_Demapper应在l_Decoder的上方，且二者的交点尽可能的接近当I_E,Demapper和I_A,Demapper同时为1的时候。图4显示了图3中的5种不同的映射方式以及Raptor码两种度分布时的EXIT图。第一种度分布如下所示：

Ω_l(x)＝0.1403x+0.492x²+0.1472x³+0.0905x⁴

+0.0739x⁵+0.006x⁸+0.011x¹⁴+0.0346x³⁰

第二种度分布为：

Ω₂(x)＝0.0097666x+0.459x²+0.211x³+0.1134x⁴

+0.1134x¹⁰+0.07986x¹¹+0.01563x⁴⁰

从图4中可以看出，与第一种度分布最匹配的映射方式为Gray映射，与第二种度分布最匹配的映射方式为F64映射。

步骤S5：将选择得到的与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式应用于Q-QAM调制器和接收端的QAM解调器。

Claims (8)

1.一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，包括：

步骤S1：Raptor编码器根据信源比特编码得到Raptor码字，其中Raptor码的输出度分布为D；

步骤S2：Q-QAM调制器选择一种映射方式将没设定个数的所述Raptor码字映射为一个复符号，得到多个复符号；

步骤S3：接收端的QAM解调器和Raptor译码器对通过无线信道传输后的复符号进行解调和译码；

步骤S4：基于接收端解调和译码过程中得到的Raptor码字的对数似然比和经由无线信道传输后接收到的带噪的复符号，使用EXIT图来分析Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息的对应关系，并选择得到与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式；

步骤S5：将选择得到的与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式应用于Q-QAM调制器和接收端的QAM解调器。

2.根据权利要求1所述的一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S11：设定Raptor码的输出度分布；

步骤S12：将信源比特经过LDPC编码后产生多个LDPC中间比特；

步骤S13：将得到的中间比特经过LT编码后得到多个数量可变的Raptor码字。

3.根据权利要求1所述的一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括步骤：

步骤S31：QAM解调器对由无线信道传输后接收到的带噪的QAM符号进行解调得到对数似然比并发送给Raptor译码器；

步骤S32：Raptor译码器的Raptor比特节点和LDPC中间比特节点对QAM解调器输出的对数似然比进行迭代更新，并将更新后的对数似然比由LDPC中间比特节点发送给Raptor译码器的变量节点和校验节点，并由Raptor比特节点返回给QAM解调器；

步骤S33：Raptor译码器的变量节点和校验节点对由LDPC中间比特节点发送的对数似然比进行迭代更新，并将更新后的对数似然比由变量节点返回至LT译码器中LDPC中间比特节点，直至预先设定的迭代次数。

4.根据权利要求3所述的一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，所述步骤S31中的解调过程具体为：

其中：P(a_w＝q)为表示QAM解调后第w个比特a_w的值为q的概率，其中q的值为0或1，s_i为调制方式星座图中的一个星座点所对应的复符号，y为接收端收到的带噪的符号，P(y|s_i)为发送端发送s_i时接收端收到y的条件概率，a_j为QAM解调器第二路输入中Raptor译码器反馈过来的一个Raptor码字，其对应s_i的第j个比特，为第l次迭代中从Raptor译码器发送给QAM解调器的a_j的对数似然比，a_j(s_i)表示s_i的第j个比特的值为a_j，为给定时a_j＝a_j(s_i)的条件概率，为第l+1次迭代时，从QAM解调器发送给Raptor译码器的关于a_w的对数似然比。

5.根据权利要求4所述的一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，所述步骤S32中的迭代传递具体为：

其中：b和b'为LDPC中间比特节点，r和r'为Raptor比特节点，y为QAM解调器中QAM符号节点，v为LDPC译码器中变量节点，为第l次迭代中从r传到b的对数似然比，为第l次迭代中从b传给r的对数似然比，为第l次迭代中从r返回至QAM解调器中y的对数似然比，为第l次迭代中从b传到LDPC译码器中v的对数似然比，为第l-1此迭代中从v返回至b的对数似然比，N(b)表示与LDPC中间节点b相连的所有Raptor比特节点的集合，N(b)\r表示与除r之外与LDPC中间节点b相连的所有Raptor比特节点的集合。

6.根据权利要求5所述的一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，所述步骤S33中迭代传递具体为：

其中：v和v'为变量节点，c和c'为校验节点，m^(l) _v,c为第l次迭代中从变量节点v传到校验节点的对数c似然比，m^(l) _c,v为第l次迭代中从校验节点c传给变量节点v的对数似然比，m_dout为最终译码输出的关于信源的对数似然比，N(v)为与变量节点v相连的所有校验节点的集合，N(v)\c为除c之外与v相连的所有校验节点的集合，N(c)\v为除v之外与c相连的所有变量节点的集合。

7.根据权利要求6所述的一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

步骤S41：QAM解调器分别接收解调和译码过程中得到的Raptor码字的对数似然比和经由无线信道传输后接收到的带噪的QAM符号；

步骤S42：根据Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息，绘制EXIT图，并根据绘制的EXIT图选择得到与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式。

8.根据权利要求7所述的一种Raptor码度分布和高阶调制映射方式的匹配方法，其特征在于，所述步骤S42具体包括：

步骤S421：根据Raptor译码器和QAM解调器的输出互信息与输入互信息，在EXIT图中绘制I_E,Decoder关于I_A,Decoder的曲线l_Decoder，以及所有映射方式下I_E,Demapper关于I_A,Demapper的曲线l_Demapper，

其中：I_E,Decoder为Raptor译码器的输出互信息，I_A,Decoder为Raptor译码器的输入互信息，I_E,Demapper为QAM解调器的输出互信息，I_A,Demapper为QAM解调器的输入互信息；

步骤S422：选择l_Demapper在l_Decoder的上方，且二者的交点尽可能的接近当I_E,Demapper和I_A,Demapper同时为1的时候的映射方式作为与Raptor码的输出度分布最匹配的映射方式。