CN111131107B - 一种基于5g下行共享信道状态的自适应软解调方法 - Google Patents

一种基于5g下行共享信道状态的自适应软解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，属于通信技术领域。该方法针对5G下行共享信道，兼容了QPSK与QAM两类解调方式，采用动态检测信道状态的机制与信号点到星座点的距离范围的对比分析，得到最适合实时信道传输的解调方式，实现了动态信道状态下的自适应软解调。本发明通过计算信号点到星座点的距离大小，依据取值范围，直接确定选用的解调方式。摒弃了传统的固定式地计算接受信号到星座点距离方式，进一步地根据适应不同的信道环境变化。

Description

一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法。
背景技术
解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号，而接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这个过程就是解调过程。在无线通信系统中，接收端的译码通常采用软信息输入，因此为了提高系统性能，采用基于对数似然比的软信息解调，即为软解调。
解调是调制的逆过程，调制方式不同，解调方法也不一样。与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调(有时也称为连续波解调)和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。常用的调制解调方式有QAM(QuadratureAmplitudeModulation,正交幅度调制)，QPSK(正交相移键控)，BPSK(二进制相移键控)等。
随着第五代移动通信技术的发展与商业化，对于数据传输速率与数据解析精确度的需求越来越高。根据3GPP在2018年中旬正式冻结了5G的协议标准，作为传输数据的下行共享信道，5G选择了QPSK、16QAM、64QAM与256QAM的调制解调方式，相较于LTE采用了更高阶基带调制解调技术。
在数据传输的过程中，多个子载波混合了多种调制方式的信号，信道状态也在实时地发生变化。当信道条件较好的情况下，可以选择高阶的解调方式提高频带利用率，如256QAM。当信道条件一般时，可以选择常用的解调方式来保障传输的稳定性，如16QAM或64QAM。当信道条件较差时，可以选择QPSK解调方式来提高传输的抗干扰性。
对于传统的数字通信系统，星座映射技术作为数字调制解调的关键技术之一。星座映射是将信息比特序列按照相应的映射方式转换成对应的符号信息，进而适用于信道传输。星座图是由星座映射所产生星座点的集合组成的，不同的点代表符号不同的取值。输入正交调制器的信号一般被称为IQ信号，经常用复数来表示，即a+jb，在星座图上则表示为I轴和Q轴。符号的取值空间可以是一个维度，两个维度或者更高维度。同时，根据调制解调方式的不同，比特序列到星座点的映射方式也不相同。
对于接收信号，正确判断为0和1的概率的比值为似然比，再取自然对数即为对数似然比，同时根据贝叶斯准则，可以得到对数似然比准则
Figure BDA0002302902210000021
其中
Figure BDA0002302902210000022
和
Figure BDA0002302902210000023
为星座图中为0和1的符号集合，p(yk|xk)为信道转移概率。
由高斯白噪声可得到信道转移概率为
Figure BDA0002302902210000024
因此，得到解调公式为
Figure BDA0002302902210000025
为了降低复杂度，采用max-log-map算法，将公式中复杂的部分进行转化，即
Figure BDA0002302902210000026
最后得到软解调公式为
Figure BDA0002302902210000027
通过软解调公式可以看出，星座点的距离和
Figure BDA0002302902210000028
值是影响因素。并且，当使用高阶调制解调方式时，不同符号之间的差别较小，采用max-log-map算法会降低解调性能。因此，可以通过对星座点之间的距离判定来调整解调方式。
传统的解调技术是根据调制方式的不同来选取不同的解调方式，而在无线信道的传输过程中会经历各种复杂的传播路径，受到不同情况的干扰，存在信道状态的实时变化，从而降低了解调性能。因此，针对信道状态变化的情况，通过对软解调算法中星座点距离的判定范围，选用合适的解调方式，实现自适应软解调技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，该方法包括以下步骤：
S1：建立误码率与信道状态之间的关系，由误码率来判定信道状态情况；设定几种误码率的大小范围，每一种范围大小的误码率对应一种信道状态，得到三种信道状态分别为“良好”、“一般”、“较差”；
S2：假设Q1为“良好”信道状态与“一般”信道状态的误码率临界值，Q2为“一般”信道状态与“较差”信道状态的误码率临界值；QH为符合环境下的理想状态的最大误码率，QL为满足信道传输的最小误码率；按大小排序为QH≥Q1≥Q2≥QL；
S3：检测信道误码率，假定为Q，判定其范围，有以下几种情况：当Q1≤Q≤QH，则信道状态为“良好”，优先选用256QAM高阶解调技术，其次选择正交幅度调制解调技术64QAM、正交幅度调制解调技术16QAM、正交相移键控QPSK解调技术；当Q2≤Q≤Q1，则信道状态为“一般”，优先选用64QAM或者16QAM解调技术，其次选择QPSK解调技术；当Q2≤Q≤QL，则信道状态为“较差”，优先选用QPSK解调技术；
S4：对于星座点个数为M个的QAM调制解调，设两个星座点之间最短距离为d，则每个点的坐标都能表示为
Figure BDA0002302902210000031
同时对于QPSK调制解调，每个点的坐标表示为
Figure BDA0002302902210000032
S5：5G下行共享信道使用的调制解调方式在星座图中所表现的形式均为星座点组成的方形，计算两对角线上的星座点的最短距离的一半即为信号点到星座点的最大距离；设定点yk到距离最近的星座点
Figure BDA0002302902210000033
或者
Figure BDA0002302902210000034
的距离为N；对于QPSK解调方式，其最大距离N1，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N1；对于16QAM解调方式，其最大距离N2，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N2；对于64QAM解调方式，其最大距离N3，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N3；对于256QAM解调方式，其最大距离N4，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N4；根据星座图不同，最大距离大小排序为N4＜N3＜N2＜N1。
可选的，在所述S1中，首先计算当下时刻的误码率，得出信道状态质量；得到误码率与信道状态之间的对应关系，得到三种信道状态分别为“良好”、“一般”、“较差”。
可选的，在所述S2中，将三种信道状态的临界情况用固定值来表示，固定值的设定根据实际情况以及经验积累得出。
可选的，在所述S3中，采用设备检测信道误码率，根据误码率与信道状态对应情况，得出此时的信道状态；在信道状态良好时，优先采用高阶QAM解调方式；在信道状态较差时，优先采用抗干扰性强的QPSK解调方式；在信道状态一般时，选取低阶QAM解调方式。
可选的，在所述S4中，每一种解调方式的星座点在星座图中的坐标不相同，星座点之间的距离因解调方式的不同而不同；计算信号点与星座点的距离，首先要分别分析与计算信号点落在QPSK、16QAM、64QAM和256QAM星座图的情况。
可选的，在所述S5中，以星座点为圆心，对角线星座点的距离的一半为半径画圆，相邻四个星座点画圆相切的点为信号点与最近星座点距离的最大值；通过计算最大值得出QPSK、16QAM、64QAM、256QAM四种解调方式的星座点最大距离取值范围；计算信号点与最近星座点的距离，结合步骤S3的优先情况，选定合适的解调方式，实现自适应软解调。
本发明的有益效果在于：
1.根据信道状态的变化动态地选用较为合适的解调方式，能够优先考虑到解调环境，为高阶解调提供良好的信道条件，让低阶解调更好地发挥其抗干扰性强的优势，提供良好的解调效果；
2.通过计算信号点到星座点的距离大小，依据取值范围，直接确定选用的解调方式。摒弃了传统的固定式地计算接受信号到星座点距离方式，进一步地根据适应不同的信道环境变化。
3.本发明适用于5G下行共享信道自适应解调，能够兼容QPSK、QAM两类信号，做少许更改可适用于其他信道以及其他解调方式。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为QPSK、16QAM、64QAM、256QAM误码率曲线；
图2为QPSK、16QAM、64QAM、256QAM星座图；
图3为计算信号点到星座点最近距离示意图；
图4为本发明原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在进行5G下行共享信道解调的过程中，首先将计算各类调制解调方式的误码率情况。根据解调的总比特数和错误比特数，计算出误码率BER，通过图1可以观察到各类调制解调方式在误码率不同的情况下，其传输性能也有所差异。
因此，建立误码率与信道状态之间的关系，由误码率来判定信道状态情况。设定几种误码率的大小范围，每一种范围大小的误码率对应一种信道状态，得到三种信道状态分别为“良好”、“一般”、“较差”。
假设Q1为“良好”信道状态与“一般”信道状态的误码率临界值，Q2为“一般”信道状态与“较差”信道状态的误码率临界值。QH为符合环境下的理想状态的最大误码率，QL为满足信道传输的最小误码率。按大小排序为QH≥Q1≥Q2≥QL。
通过基带调制方式对应进行解调处理，估算信道误码率，假定为Q，判定其范围，有以下几种情况：
当Q1≤Q≤QH，则信道状态为“良好”，则后续解调方式优先选用256QAM高阶解调技术，其次选择64QAM、16QAM、QPSK解调技术，最终确定需进行下一步；
当Q2≤Q≤Q1，则信道状态为“一般”，则后续解调方式优先选用64QAM或者16QAM解调技术，其次选择QPSK解调技术，最终确定需进行下一步；
当Q2≤Q≤QL，则信道状态为“较差”，则后续解调方式直接选用QPSK解调技术，同时进行下一步。
为了进一步达到自适应软解调的效果，对星座图中星座点之间的距离范围进行判定。
根据图2和图3所示，每一种星座图星座点的坐标均不同，相邻星座点的距离大小也不一样。根据对数似然比公式可得出：
Figure BDA0002302902210000061
设定
Figure BDA0002302902210000062
和
Figure BDA0002302902210000063
分别表示星座点中bi,k等于0、1的符号集合，yk＝xk+nk为第k个发送信号，xk为第k个接收信号，nk为复高斯噪声。那么，计算信号点到星座点之间的距离是公式中的关键之处，即：
Figure BDA0002302902210000064
(星座点中为1的符号集合，为0同理)
其中
Figure BDA0002302902210000065
为信号点yk到
Figure BDA0002302902210000066
集合星座点的距离，当q＝1时，则
Figure BDA0002302902210000067
为yk最近的星座点，同时q从2开始递增，直到
Figure BDA0002302902210000068
满足定义的阈值则停止计算。
因此，对于星座点个数为M个的QAM调制解调，设两个星座点之间最短距离为d，则每个点的坐标都能表示为
Figure BDA0002302902210000069
同时对于QPSK调制解调，每个点的坐标可以表示为
Figure BDA00023029022100000610
由于5G下行共享信道使用的调制解调方式在星座图中所表现的形式均为星座点组成的方形，因此计算两对角线上的星座点的最短距离的一半即为信号点到星座点的最大距离。设定点yk到距离最近的星座点
Figure BDA00023029022100000611
或者
Figure BDA00023029022100000612
的距离为N。
对于QPSK解调方式，两个星座点之间的距离为dQPSK，其最大距离
Figure BDA00023029022100000613
则信号点yk到达最近星座点的距离范围为
Figure BDA00023029022100000614
对于16QAM解调方式，两个星座点之间的距离为d16QAM，其最大距离
Figure BDA0002302902210000071
则信号点yk到达最近星座点的距离范围为
Figure BDA0002302902210000072
对于64QAM解调方式，两个星座点之间的距离为d64QAM，其最大距离
Figure BDA0002302902210000073
则信号点yk到达最近星座点的距离范围为
Figure BDA0002302902210000074
对于256QAM解调方式，两个星座点之间的距离为d256QAM，其最大距离
Figure BDA0002302902210000075
则信号点yk到达最近星座点的距离范围为
Figure BDA0002302902210000076
其中d256QAM＜d64QAM＜d16QAM＜dQPSK，由此，通过计算点yk到距离最近的星座点
Figure BDA0002302902210000077
或者
Figure BDA0002302902210000078
的距离N所在的取值范围，进一步确定yk所在的星座点的象限，选用对应的解调方式，达到自适应软解调的效果。
如图4所示，本发明适用于5G下行共享信道软解调过程，通过误码率的计算来动态监测信道状态，从而对解调方式进行合理的优先选择。进一步地通过科学的计算发送信号点与星座点的距离关系，确定合适的解调方式，达到自适应软解调的效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建立误码率与信道状态之间的关系，由误码率来判定信道状态情况；设定几种误码率的大小范围，每一种范围大小的误码率对应一种信道状态，得到三种信道状态分别为“良好”、“一般”、“较差”；
S2：假设Q1为“良好”信道状态与“一般”信道状态的误码率临界值，Q2为“一般”信道状态与“较差”信道状态的误码率临界值；QH为符合环境下的理想状态的最大误码率，QL为满足信道传输的最小误码率；按大小排序为QH≥Q1≥Q2≥QL；
S3：检测信道误码率，假定为Q，判定其范围，有以下几种情况：当Q1≤Q≤QH，则信道状态为“良好”，优先选用256QAM高阶解调技术，其次选择正交幅度调制解调技术、64QAM、正交幅度调制解调技术16QAM、正交相移键控QPSK解调技术；当Q2≤Q≤Q1，则信道状态为“一般”，优先选用64QAM或者16QAM解调技术，其次选择QPSK解调技术；当Q2≤Q≤QL，则信道状态为“较差”，优先选用QPSK解调技术；
S4：对于星座点个数为M个的QAM调制解调，设两个星座点之间最短距离为d，则每个点的坐标都能表示为
Figure FDA0002302902200000011
同时对于QPSK调制解调，每个点的坐标表示为
Figure FDA0002302902200000012
S5：5G下行共享信道使用的调制解调方式在星座图中所表现的形式均为星座点组成的方形，计算两对角线上的星座点的最短距离的一半即为信号点到星座点的最大距离；设定点yk到距离最近的星座点
Figure FDA0002302902200000013
或者
Figure FDA0002302902200000014
的距离为N；对于QPSK解调方式，其最大距离N1，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N1；对于16QAM解调方式，其最大距离N2，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N2；对于64QAM解调方式，其最大距离N3，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N3；对于256QAM解调方式，其最大距离N4，则信号点到达星座点的距离取值范围为0≤N≤N4；根据星座图不同，最大距离大小排序为N4＜N3＜N2＜N1。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，其特征在于：在所述S1中，首先计算当下时刻的误码率，得出信道状态质量；得到误码率与信道状态之间的对应关系，得到三种信道状态分别为“良好”、“一般”、“较差”。
3.根据权利要求1所述的一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，其特征在于：在所述S2中，将三种信道状态的临界情况用固定值来表示，固定值的设定根据实际情况以及经验积累得出。
4.根据权利要求1所述的一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，其特征在于：在所述S3中，采用设备检测信道误码率，根据误码率与信道状态对应情况，得出此时的信道状态；在信道状态良好时，优先采用高阶QAM解调方式；在信道状态较差时，优先采用抗干扰性强的QPSK解调方式；在信道状态一般时，选取低阶QAM解调方式。
5.根据权利要求1所述的一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，其特征在于：在所述S4中，每一种解调方式的星座点在星座图中的坐标不相同，星座点之间的距离因解调方式的不同而不同；计算信号点与星座点的距离，首先要分别分析与计算信号点落在QPSK、16QAM、64QAM和256QAM星座图的情况。
6.根据权利要求1所述的一种基于5G下行共享信道状态的自适应软解调方法，其特征在于：在所述S5中，以星座点为圆心，对角线星座点的距离的一半为半径画圆，相邻四个星座点画圆相切的点为信号点与最近星座点距离的最大值；通过计算最大值得出QPSK、16QAM、64QAM、256QAM四种解调方式的星座点最大距离取值范围；计算信号点与最近星座点的距离，结合步骤S3的优先情况，选定合适的解调方式，实现自适应软解调。
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"NGN网络测试仪H.248解码模块的设计与实现";程方，王洋;《电子测试》;20100306;全文 *
"QAM信号的软解调与Turbo均衡";周明;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)》;20131215;全文 *
"面向卫星通信高阶调制解调16-APSK算法实现研究";谢秋杨;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)》;20130615;全文 *

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