CN111030783A

CN111030783A - 比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法及系统

Info

Publication number: CN111030783A
Application number: CN201911376148.4A
Authority: CN
Inventors: 陈辰; 周林; 贺玉成
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111030783B

Abstract

本发明公开了一种比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法及系统，方法包括：在发射端：获取信源码基础矩阵和信道码基础矩阵；基于所述信源码基础矩阵与待传输的信源数据，获得信息比特序列；基于所述信道码基础矩阵与所述信息比特序列，获得校验位；根据所述信息比特序列、校验位进行交织以及信号调制，生成调制信号，并将所述调制信号通过AWGN信道进行传输；在接收端：接收由AWGN信道传输的信号；其中，所述信号根据所述调制信号生成；依次对所述信号进行解调、解交织以及联合信源信道译码，以恢复出信源数据。本发明引入信源编码并利用编码后的残留冗余信息，充分利用了系统资源，并且不需要额外的分布匹配器设计，降低了系统实现复杂度。

Description

比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法及系统。

背景技术

作为实现5G移动通信目标的关键技术之一，编码调制技术的研究具有重要的理论意义与应用意义。其中，比特交织编码调制(Bit-Interleaved Coded Modulation，BICM)技术已成为目前无线通信系统物理层的核心技术，被广泛应用于多种通信协议。

根据香农理论，在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道下，只有当传输信号满足高斯分布时，才能取得最大的信道容量。因此，当将调制信号调整为近似高斯分布时，可以取得一定的成型增益。基于这个理论，Georg

等人在“Bandwidth Efficient and Rate-Matched Low-Density Parity-Check CodedModulation”[Communications,IEEE Transactions on，2015,63(12)：4651-4665]文章中所提出了一种BICM系统中的概率幅度成型(Probabilistic Amplitude Shaping，PAS)算法。由于该算法假设BICM系统的输入信息是经过理想信源编码后的等概无冗余信息，因此需要通过一个具有较大时延的分布匹配器将等概码字转换为不等概率的调制信号。但是，该算法并未考虑到，若信源编码器的输出码字本身存在冗余，那么这部分冗余信息将严重影响PAS算法处理后的传输信号概率分布，使得PAS算法失效。

发明内容

考虑到未来移动通信对于时延、成本、复杂度等资源的限制，无残留冗余的信源编码难以实现。因此，将信源编码未能完全消除信源冗余信息的情况考虑进来，不仅能够应对未来移动通信的苛刻要求，并且能够在不增加系统额外设计的前提下，仅利用信源编码后的残留冗余信息形成具有近似高斯分布的传输信号。

因此，本发明的目的在于提供一种比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法，其包括：

在发射端：

获取信源码基础矩阵和信道码基础矩阵；

基于所述信源码基础矩阵与待传输的信源数据，获得信息比特序列；

基于所述信道码基础矩阵与所述信息比特序列，获得校验位；

根据所述信息比特序列、校验位进行交织以及信号调制，生成调制信号，并将所述调制信号通过AWGN信道进行传输；

在接收端：

接收由AWGN信道传输的信号；其中，所述信号根据所述调制信号生成；

依次对所述信号进行解调、解交织以及联合信源信道译码，以恢复出信源数据。

优选地，所述获取信源码基础矩阵和信道码基础矩阵，具体为：

获取信源数据以及给定的系统目标传输速率；

根据所述系统目标传输速率、目标函数以及调制信号的概率分布函数，获得调制信号的麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v与调制信号的缩放系数Δ；

根据给定的映射函数、麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v以及调制信号的缩放系数Δ，计算组成调制信号的信息比特序列中的比特概率分布；

根据所述比特概率分布以及信源数据的基础矩阵行数，计算出信源码基础矩阵的行重；

基于所述信源码基础矩阵的行重，利用JPEXIT算法计算系统的译码门限值，并对信源码基础矩阵与信道码基础矩阵进行穷举搜索，得到门限值最低时的信源码基础矩阵与信道码基础矩阵。

优选地，

通过如下公式组来获得调制信号的麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v与调制信号的缩放系数Δ：

其中，

为目标函数；所述目标函数为寻求最优的麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v与调制信号的缩放系数Δ，使得发射功率最小的函数；

S.t.P_ΔX(x)表示调制信号的概率满足参数为v的麦克斯韦-玻尔兹曼分布；χ为调制信号，调制信号经过AWGN信道后的信号表示为Y＝ΔX+Z，X∈χ；

R为系统目标传输速率，其中R代表从发射端到接收端的传输速率，包括信源编码速率、信道编码速率以及调制阶数；Z是均值为0的高斯白噪声。

优选地，组成调制信号的信息比特序列中的比特概率分布通过如下公式计算获得：

其中，

为幅值序列中，第j个比特b^j所需满足的概率分布；F为映射函数，用于将m比特的序列映射为调制信号；幅值序列根据信息比特序列生成。

优选地，信源码基础矩阵的行重通过如下公式计算获得：

其中，W_{_opt}(k)为信源码基础矩阵第k行的行重，其通过最小化第k个幅值比特取1的概率

与行重为W(k)时码字取1的概率的差得到；

k＝1,...,Nm_s；p₁为信源统计概率，

为向上取整函数。

优选地，在所述信息比特序列、校验位进行交织时，采取的交织方式为将经信道编码器输出的校验位c直接作为调制信号的符号比特；对于信源编码后生成的信息比特序列

由

组成调制信号的第i个幅值比特，1≤i≤m。

优选地，基于所述信源码基础矩阵与待传输的信源数据，获得信息比特序列具体为：

b＝H_ss；

其中，s为信源数据，H_s为信源原模图LDPC码的校验矩阵，通过对信源码基础矩阵B_s进行复制获得。

优选地，基于所述信道码基础矩阵与所述信息比特序列，获得校验位具体为：

其中，c为校验位，

为生成矩阵G_c的转置矩阵，由信道原模图LDPC码的校验矩阵H_c转换生成，满足

本发明实施例还提供了一种比特交织联合信源信道编码调制的数据传输系统，包括发射端和接收端；

所述发射端包括：

基础矩阵生成模块，用于获取信源码基础矩阵和信道码基础矩阵；

信源编码器，用于基于所述信源码基础矩阵与待传输的信源数据，获得信息比特序列；

信道编码器，用于基于所述信道码基础矩阵与所述信息比特序列，获得校验位；

交织器，用于根据所述信息比特序列、校验位进行交织；

信号调制器，用于进行信号调制，生成调制信号，并将所述调制信号通过AWGN信道进行传输；

所述接收端包括：

解调器，用于接收由AWGN信道传输的信号，并进行解调；

解交织器，用于对解调后的信号进行解交织；

联合信源信道译码器，用于对解交织后的信号进行联合信源信道译码，以恢复出信源数据。

本实施例提供的比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法及系统，仅通过引入信源编码并利用编码后的残留冗余信息，不仅考虑了时延、复杂度受限条件下的信源编码非理想情况，充分利用了系统资源(信源编码残留冗余信息)，并且不需要额外的分布匹配器设计，降低了系统实现复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法的流程示意图。

图2为本发明第一实施例提供的比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法的通信示意图。

图3为用于表示LDPC码的因子图。

图4(a)为(R4JA，Non-precoded)的信号概率分布图。

图4(b)为(Regular LDPC，Regular LDPC)的信号概率分布图。

图4(c)为(B_{s_uni}，B_{c_uni})的信号概率分布图。

图4(d)为本发明的

的信号概率分布图。

图5为图4的几种码型在BIJSCCM系统中的BER仿真曲线图。

图6是本发明第二实施例提供的比特交织联合信源信道编码调制的数据传输系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1及图2，本发明第一实施例提供了一种比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法，其包括如下步骤：

在发射端：

S101，获取信源码基础矩阵和信道码基础矩阵。

在本实施例中，LDPC码是麻省理工学院Robert Gallager于1963年在博士论文中提出的一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码。几乎适用于所有的信道，它的性能逼近香农限，且描述和实现简单，易于进行理论分析和研究，译码简单且可实行并行操作。

其中，LDPC码是一种线性分组码，通常线性分组码是由其生成矩阵G表示，然而，为了简化编译码操作，LDPC码是由其校验矩阵H表示。LDPC码的校验矩阵H具有非常稀疏的特性：绝大多数元素为0，只有很少数量的1。如果H矩阵的每一行和每一列中1的数目是固定的，则成为规则LDPC码，若不固定，则成为规则LDPC码。规则LDPC码可以表示为(n，j，k)LDPC码(n通常会被省略)，其中n表示码长，j表示H矩阵中每一列元素1的总数，称为列重，k(k>2)表示H矩阵中每一行元素1的总数，称为行重。

在本实施例中，LDPC码还可以通过因子图表示法进行表示。LDPC码的因子图与其校验矩阵H是一一对应的。如图3所示，黑色圆代表变量点，对应H矩阵的列；带“+”号的圆代表检验点，对应H矩阵的行，当且仅当h_ij＝1时，第j个变量点与第i个检验点相连。

在本实施例中，原模图低密度奇偶校验码(protograph，LDPC)作为一种极具研究前景的结构化LDPC码，其不仅继承了传统LDPC码的优点，亦具有良好的误码性能以及简洁直观的表示形式，可以实现快速、高效的编码、译码。

其中，原模图LDPC是由极少变量点和校验点构成的因子图(原模图)经过重复-交织操作而生成的。在原模图中，每条边分别连接一个变量点和一个校验点，每一条边都被看作是一类边。原模图对应的邻接矩阵称为基础矩阵，原模图LDPC码是与导出图相对应的LDPC码。导出图是原模图经过重复后再对同类型的边进行交织得到的；即首先对原模图重复q次，得到由q个互相独立的原模图组成的大原模图，在该大原模图中，采用交织器分别对每q条同类型的边进行重排，经过交织后得到的新原模图就是导出图，导出图即为原模图LDPC码的因子图。

在本实施例中，为了实现基于PLDPC码对信源数据进行信源编码和信道编码，即需要获得其对应的信源码基础矩阵B_s和信道码基础矩阵B_c。

其中，具体地，包括：

S1011，获取信源数据以及给定的系统目标传输速率。

其中，信源数据为由信源发出的数据，可标记为s。系统目标传输速率由预先给出，可记为R。R代表整个系统由发射端到接收端的传输速率，包括信源编码速率、信道编码速率以及调制阶数。因此，R表示每个信道传输信号所承载的信源比特数，可以用下式表示：

式中，m为调制阶数，Rcc为信道编码速率，Rsc为信源编码速率。

S1012，根据所述系统目标传输速率、目标函数以及调制信号的概率分布函数，获得调制信号的麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v与调制信号的缩放系数Δ。

其中，可通过如下公式组来获得调制信号的麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v与调制信号的缩放系数Δ：

其中，

R为系统目标传输速率；Z是均值为0的高斯白噪声。

在本实施例中，利用上述优化公式(2)～(4)，在给定参数R的条件下，即能够得到优化的调制信号的概率分布，使其近似高斯分布。

S1013，根据给定的映射函数、麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v以及调制信号的缩放系数Δ，计算组成调制信号的信息比特序列中的比特概率分布。

在本实施例中，调制信号X是m比特的信息比特序列(cb¹b²...b^m-1)经过一定映射规则形成。在给定映射函数F时，可以计算信息比特序列中每个比特所需满足的概率分布。由于信号的符号比特c满足均匀分布，因此，只需计算幅值比特概率分布。对于幅值序列(b¹b²...b^m-1)中，第j个比特b^j所需满足的概率分布

可以通过计算调制信号X概率的边缘概率分布得到。其表示为：

式中，F为映射函数，用于将m比特的序列映射为调制信号X。

S1014，根据所述比特概率分布以及信源数据的基础矩阵行数，计算出信源码基础矩阵的行重。

在本实施例中，对于一基础矩阵大小为m_s×n_s的信源原模图LDPC码B_s，其每一行的行重表示为W(i),i＝1,...,m_s。由于原模图LDPC码的校验矩阵H_s是由基础矩阵B_s扩展N次后交织获得，当采用信源校验矩阵H_s对信源数据s进行编码(b＝H_ss)后，每N个码字的概率相同。其中，第k个码字b_k取值为1的概率可以表示为信源统计概率p₁与行重的函数：

式中，p₁为信源统计概率，

为向上取整函数。基础矩阵第k行的行重W_{_opt}(k),k＝1,2,...,m-1可以通过最小化第k个幅值比特取1的概率

与行重为W(k)时码字取1的概率的差得到，如下式所示：

式中，p₁为伯努利信源取值为1的概率。

S1015，基于所述信源码基础矩阵的行重，利用JPEXIT算法计算系统的译码门限值，并对信源码基础矩阵与信道码基础矩阵进行穷举搜索，得到门限值最低时的信源码基础矩阵B_s与信道码基础矩阵B_c。

在给定信源行重的基础上，设计信源编码与信道编码码型。

具体地，利用JPEXIT算法，在给定信源码基础矩阵行重的条件，对信源码基础矩阵和信道码基础矩阵实行穷举搜索，得到最优的信源码与信道码基础矩阵。

S102，基于所述信源码基础矩阵与待传输的信源数据，获得信息比特序列。

其中，信息比特序列b表示为：

b＝H_ss； (8)

其中，s为信源数据，H_s为信源原模图LDPC码的校验矩阵，通过对信源码基础矩阵B_s进行多次复制获得，具体参照上述描述，本发明在此不做赘述。

S103，基于所述信道码基础矩阵与所述信息比特序列，获得校验位。

其中校验位c具体表示为：

其中

H_c通过对信道码基础矩阵B_c进行多次复制获得，具体参照上述描述，本发明在此不做赘述。

S104，根据所述信息比特序列、校验位进行交织以及信号调制，生成调制信号，并将所述调制信号通过AWGN信道进行传输。

在本实施例中，由于信息比特序列中的符号比特只需满足均匀分布。并且，JSCC系统信道编码后的校验比特取值为1的概率是均匀分布的。因此，校验比特可直接作为比特序列

中的符号位c。信道编码采用系统形式，即信源编码后的码字直接作为信道编码器输出的信息比特序列，表示为

其中，N为信源原模图LDPC码基础矩阵扩展倍数。其中，每N个码字取值为1的概率都满足同样的分布。因此，按照码字取值为1的概率不同，可以分为m-1类：b¹,b²,...,b^m-1。

因此，对于幅值序列，采取的交织方式为将经信道编码器输出的校验位c直接作为调制信号的符号比特；对于信源编码后生成的信息比特序列

由

组成调制信号的第i个幅值比特，1≤i≤m。

在接收端：

S201，接收由AWGN信道传输的信号；其中，所述信号根据所述调制信号生成。

其中，对于调制信号变量X(x∈χ)，经过AWGN信道后的信号可以表示为Y＝ΔX+Z。其中，Δ为调制信号的缩放系数，Z为均值为0的高斯白噪声。

S202，依次对所述信号进行解调、解交织以及联合信源信道译码，以恢复出信源数据。

综上所述，本实施例提供的比特交织联合信源信道编码调制的数据传输方法，仅通过引入信源编码并利用编码后的残留冗余信息，不仅考虑了时延、复杂度受限条件下的信源编码非理想情况，充分利用了系统资源(信源编码残留冗余信息)，并且不需要额外的分布匹配器设计，降低了系统实现复杂度。

为便于对本发明的理解，下面以一个具体的实施方式来说明本发明的应用。

其中，考虑m＝4即16进制振幅键控调制(16-amplitude shift keying，16-ask)，给定目标传输速率为R＝6(总编码速率为3/2，信源码与信道码速率分别为1/2码率与3/4码率。信源码基础矩阵B_s与信道码基础矩阵B_c大小分别为3×6与3×12)。

16-ask的信源点集合可以表示为χ＝{±1,±3,...,±(2⁴-1)}。采用格雷映射方式，可将交织以后的输出映射成一系列的符号点。对于调制信号变量X(x∈χ)，经过AWGN信道后的信号可以表示为Y＝ΔX+Z。其中，Δ为调制信号的缩放系数，Z为均值为0的高斯白噪声。

首先，利用公式(2)-(4)，在给定系统目标传输速率R的条件下，最小化调制信号的发射功耗，得到调制信号的麦克斯韦-玻尔兹曼分布参数v与调制信号的缩放系数Δ：

然后，给定映射方式F，利用公式(5)计算组成调制信号的信息比特序列中的比特概率分布。

再次，取信源码基础矩阵行数为m-1＝3，利用公式(7)计算出信源码基础矩阵B_s的行重。在给定信源码基础矩阵行重的基础上，利用JPEXIT算法计算系统的译码门限值。对信源码基础矩阵B_s与信道码基础矩阵B_c实行穷举搜索，得到门限值最低的信源码基础矩阵与信道码基础矩阵。

接着，对信源数据进行编码交织以及调制。采取的交织方式是将信道编码器输出的校验位c直接作为调制信号的符号比特。而对于信道编码器输出的信息比特序列，即信源编码后的比特序列

由

组成调制信号的第一个幅值比特，由

组成调制信号的第二个幅值比特，由

组成调制信号的第三个幅值比特。

最后，基于所获得的信源码基础矩阵B_s采用PEG算法得到信源码校验矩阵H_s。

由于传输信号的概率服从高斯分布，能够得到一定的成型增益。图3分别给出了传输系统的信号概率分布。由图4可得，采用优化码型

的数据传输系统，信号概率分布更近似服从高斯分布，能够获得更为可观的概率幅度成形增益。图5给出了信源统计概率p＝0.94，几种码型在BIJSCCM系统中的BER仿真曲线。

在BER＝2×10^-6处对比于传统的(R4JA，Non-precoded)与(Regular LDPC，Regular LDPC)，获得3.2dB的性能增益，在BER＝10^-6处较(B_{s_uni}，B_{c_uni})得到1dB增益。

请参阅图6，本发明第二实施例还提供了一种比特交织联合信源信道编码调制的数据传输系统，包括发射端100和接收端200；

所述发射端100包括：

基础矩阵生成模块110，用于获取信源码基础矩阵和信道码基础矩阵；

信源编码器120，用于基于所述信源码基础矩阵与待传输的信源数据，获得信息比特序列；

信道编码器130，用于基于所述信道码基础矩阵与所述信息比特序列，获得校验位；

交织器140，用于根据所述信息比特序列、校验位进行交织；

信号调制器150，用于进行信号调制，生成调制信号，并将所述调制信号通过AWGN信道进行传输；

所述接收端200包括：

解调器210，用于接收由AWGN信道传输的信号，并进行解调；

解交织器220，用于对解调后的信号进行解交织；

联合信源信道译码器230，用于对解交织后的信号进行联合信源信道译码，以恢复出信源数据。

本实施例提供的比特交织联合信源信道编码调制的数据传输系统，仅通过引入信源编码并利用编码后的残留冗余信息，不仅考虑了时延、复杂度受限条件下的信源编码非理想情况，充分利用了系统资源(信源编码残留冗余信息)，并且不需要额外的分布匹配器设计，降低了系统实现复杂度。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。