CN113141232B - 基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法，发送机包括预编码模块，随机比特选择模块和16QAM符号映射模块；接收机包括接收控制与反馈模块和迭代解调‑译码模块。本发明通过合理的映射设计，使得16QAM符号与对应的选择比特自动满足加权和关系，结合无速率传输技术，能够在不增加发射机计算量的条件下，实现连续的传输能量调整。相比现有的小权重集TLRCM和使用BPSK/QPSK低阶调制的NB‑IoT标准，本发明提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统能在更宽的信道范围内，保证不同覆盖等级的IoT节点均能获得更高的频谱效率和能量效率。

Description

基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于16QAM调制的无速率 IoT上行传输系统及方法。
背景技术
目前，物联网技术(Internet of Things，IoT)已广泛应用于工业控制，智能 交通，智能农业等领域。然而，大部分物联通信发生于IoT节点的数据上行传 输过程，因此，如何有效降低IoT节点的上行传输能耗对IoT应用具有重要意义。 在实际IoT应用场景中，IoT节点随机分布于基站周围，不同位置的节点有不同 的覆盖需求，如3GPP的窄带物联网标准(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT) 提供三种覆盖增强(CoverageEnhancement，CE)等级-CE0，CE1和CE2，它们支 持最大耦合损耗分别为144dB，154dB，164dB。为同时满足高覆盖和低功耗要 求，NB-IoT标准采用BPSK或QPSK调制的重复传输上行通信方案。然而，低 阶调制的重复传输方案，存在传输速率有限和能量效率低的缺点。
无速率传输技术能自动适应信道变量，从而获得细粒度的传输能量调整， 但常见的无速率传输技术，如H.Cui,C.Luo,K.Tan,F.Wu,and C.W.Chen, “Seamless rateadaptation for wireless networking,”Proc.14th ACM International Conference onModeling,Analysis and Simulation of Wireless and Mobile systems (MSWiM),pp.437-446,Oct.2011，提出的速率兼容调制技术(Rate Compatible Modulation,RCM)，其发送端需增加额外的编码处理，而且接收端存在较高的译 码复杂度，使其难以直接应用于IoT通信；W.Rao,S.Chen and Q.Wang,“Rateless TLRCM for IoT Uplink Transmission,”in IEEE Internet of Things Journal,doi: 10.1109/JIOT.2020.3048019，提出的TLRCM技术将RCM的权重集改为小权重 集，在一定程度上降低了发送端的编码计算量，并通过低复杂度解调设计，使 其能应用于IoT通信。然而，无速率的TLRCM技术，与现有通信系统广泛采用 的标准QAM调制技术不兼容，其发送符号包含了大量零点，接收端需要增加更 复杂的信道估计和均衡处理，且接收端无法直接利用有噪的接收符号进行比特 初始化；为降低实现复杂度，TLRCM采用较小的权重集{±1}，导致其最大传输 速率仅为1.74Hz/s/Hz，难以满足实际IoT应用中不同的覆盖要求，如：离基站 较近的IoT设备往往工作在中、高信噪比条件，其传输速率无法进一步提高； TLRCM在一定程度上降低了极低SNR条件下的传输功耗，但其发送端需要增 加额外调制运算处理，增加了IoT节点的计算功耗。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有NB-IoT采用的BPSK，QPSK这些低阶调制技术，其最大传输速 率有限，分别仅为0.33和0.66bits/s/Hz。
(2)现有无速率的TLRCM技术仅能在极低的信道条件下，有效降低上行 传输能量消耗和提高传输速率，但其最大传输速率也仅为1.6bits/s/Hz，难以在 较大信道变化范围内获得较高的传输速率，而且，其发送端需要额外调制运算 处理，从而增加了IoT节点的计算功耗。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)高阶调制技术具有较高的频谱效率，能获得较高的传输速率，但传统 的高阶调制技术无法在低信噪比下有效工作。因此，如何找到在低信噪比条件 下，高阶调制仍然能有效工作的方法是一个具有挑战性的工作；
(2)TLRCM使用更大的权重集，如{±1,±2,±4}，可以提高传输速率，但其 存在较高的调制和解调复杂度，而且，TLRCM与现有通信系统的调制技术不兼 容，其接收端需要更复杂度信道估计和均衡处理，使其难以应用于IoT通信。 因此，如何找到在不增加IoT节点计算量的前提下，能在较大的信道变化范围 内有效降低传输符号，获得较高速率的传输方法，使其能应用于计算资源和能 量均受限的IoT设备通信也是一个非常困难的工作。
解决以上问题及缺陷的意义为：建立新的物联网上行传输系统，使其具有 高能效、高谱效和低的实现复杂度，从而有效减少传输符号数，提高传输速率， 改善IoT系统容量，降低IoT设备能耗，延长IoT设备生存期。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于16QAM调制的无速率 IoT上行传输系统及方法。
本发明是这样实现的，一种基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统， 所述基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统包括：发送机和接收机；所述 发送机包括预编码模块，随机比特选择模块和16QAM符号映射模块；所述接收 机包括接收控制与反馈模块和迭代解调-译码模块。
发送端预编码模块，用于信源比特流分组，CRC校验插入和Turbo译码器 的Turbo编码；
随机比特选择模块，用于通过随机比特选择器随机选择4个编码比特；
16QAM映射模块，用于通过16QAM映射器将选择的4个编码比特映射为 16QAM符号，并以无速率的方式进行符号发送；
随机16QAM迭代解调-译码模块，用于接收端的解调和译码处理；
接收端控制与反馈模块，用于接收端解调控制，判断当前传输数据块是否 正确接收及反馈处理。
进一步，所述基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统采用CRC检错， 并引入Turbo码纠错；发送端先进行预编码处理，包括：信源比特分组，CRC 校验位插入和Turbo编码，将信息比特编码为长度为N的编码比特块。
进一步，所述随机比特选择器，将待传输的编码比特块b＝[b1,b2,...,bN]分成长度 为4的N/4个短块，每个短块由连续的4个比特构成；其中第m个短块为 bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m],m＝1,2,...,N/4；
进一步，每次从长度为N的编码比特块b＝[b1,b2,...,bN]中选择4个比特，第m 次选择的4个比特为b(m)＝[bm1,bm2,bm3,bm4]；
当m≤N/4时，选择的4个信息比特为：b(m)＝bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m]；
当m＞N/4时，b(m)＝[rands(bSL(em),1),rands(bSLb(fm),1),rands(bSL(gm),1),rands(bSL(hm),1)],em,fm,gm,hm∈[1,N/4]，
em,fm,gm,hm互不相等，其中rands(bSL(em),1)表示从第em个连续短块bSL(em)的4 个比特中随机挑选1个比特。
进一步，所述16QAM映射器，用于将第m次选出的4位比特(bm1,bm2,bm3,bm4)， 映射到16QAM星座中的一个点，发送符号自动满足：sm＝(xm1+2·xm2)+j·(xm3+2·xm4)； 其中，x为编码比特b的双极性形式，即xml＝2·bml-1；(l＝1,2,3,4)，与传统QAM调制 一样，该映射过程并不需要进行任何运算。
进一步，所述发送端将生成的16QAM符号以无速率的方式发送。
进一步，所述随机16QAM迭代解调-译码器，用于在已接收的M个复信号 条件下，求解最大后延概率估计：
Figure BDA0002930190390000041
其中，第i个接收复信号 yi＝si+ni，ni为高斯噪声，将接收的M个复信号{y1,y2,...,yM}按同相和正交分量分解为 2M个实数信号{r1,r2,...,r2M}，其中每个实信号由两个比特映射；令第i个实信号ri由 (bj,bk)映射，则ri＝xj×1+xk×2+ni；其中，xj＝2bj-1,xk＝2bk-1，xj,xk∈(-1，+1)，噪声ni的概率密 度函数为
Figure BDA0002930190390000042
那么，恢复单极性二进制b与恢复双极性x等价，估计问 题：
Figure BDA0002930190390000043
可先通过对数域BP算法进行迭代解调，当达到最大迭代 解调次数时，输出比特软信息。
进一步，所述Turbo译码器，用于将迭代解调器输出软信息作为编码比特 初始LLR信息，进行Turbo迭代译码；当达到最大迭代译码次数，进行判决， 并输出估计编码比特。
进一步，所述接收端控制与反馈处理，包括：
CRC校验；若满足校验，则成功完成当前比特块的传输，接收端立即给发 送端返回ACK信号，发送端进行下一帧数据传输，否则接收端继续接收增量符 号；当增量符号达到当前估计信道对应的增量步长时，将收到的全部符号再次 进行迭代解调和译码，重复上述过程，直至当前比特块成功接收。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的基于16QAM调制的无速率IoT 上行传输系统的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法，所述基于16QAM 调制的无速率IoT上行传输方法包括以下步骤：
步骤一，发送端预编码：信源比特流分组，CRC校验位插入，Turbo编码；
步骤二，随机比特选择：通过随机比特选择器随机选择4个编码比特；
步骤三，16QAM映射与无速率符号发送：将选择的4个编码比特映射为 16QAM符号，并以无速率的方式发送符号；
步骤四，接收端迭代解调-译码：接收端数据恢复；
步骤五，接收端控制与反馈处理：传输数据检错和反馈控制。
进一步，步骤一中，所述发送端的处理，包括
(1)发送端预编码，将待发送的信息比特流分组
(2)插入CRC校验位，
(3)Turbo编码，得到长度为N的编码比特块b＝[b1,b2,...,bN]；
进一步，步骤二中，所述通过随机比特选择器，每次从长度为N的待传输 的编码比特块b中选择4个不同的比特；其中前N/4次为顺序选择，其余全部 随机选择；具体选择过程包括：
将待传输的编码比特块b＝[b1,b2,...,bN]分成长度为4的N/4个短块，每个短块由连 续的4个比特构成；其中第m个短块为bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m],m＝1,2,...,N/4；
当m≤N/4时，选择的4个信息比特为：b(m)＝bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m]；
当m＞N/4时，b(m)＝[rands(bSL(em),1),rands(bSLb(fm),1),rands(bSL(gm),1),rands(bSL(hm),1)],em,fm,gm,hm∈[1,N/4]，
em,fm,gm,hm互不相等，其中rands(bSL(em),1)表示从第em个连续短块bSL(em)的4 个比特中随机挑选1个比特。
进一步，步骤三中，所述16QAM映射与无速率符号发送，包括：
将每次选择的4个比特映射为16QAM信号；4个选择比特的双极性形式与 对应16QAM星座点的坐标自动满足代数加权关系；即经过信道后，第m个接 收复符号的表达式为：
ym＝yI,m+jyQ,m＝xm1×1+xm2×2+nI,m+j(xm3×1+xm4×2+nQ,m)；
其中，nI,m,nQ,m为接收噪声的同相和正交分量，该映射过程不需要任何计算。
进一步，以无速率的方式持续发送映射后的16QAM信号。
进一步，步骤四中，所述接收端迭代解调-译码，将接收的M个复数信号 {y1,y2,...,yM}按同相和正交分量分解为2M个实数信号{r1,r2,...,r2M}。设第i个实信号ri由(bj,bk)映射，则有，ri＝xj×1+xk×2+ni；其中，xj＝2bj-1,xk＝2bk-1，xj,xk∈(-1，+1)，噪声ni的概 率密度函数为
Figure BDA0002930190390000061
具体迭代处理包括：
(1)初始化：
Figure BDA0002930190390000062
(2)迭代：
1)符号节点处理：
第l迭代中，符号节点ri传给信息节点bj,bk的对数似然比信息分别为：
Figure BDA0002930190390000063
2)信息节点处理：
第l迭代中，信息节点bj传给符号节点ri的对数似然比信息为：
Figure BDA0002930190390000064
其中，Tj为选择信息比特bj的所有符号节点的集合。
(3)软信息输出
解调器完成符号节点和信息节点迭代处理，当达到最大迭代次数lmax后，解 调器输出每个编码比特软信息：
Figure BDA0002930190390000065
(4)Turbo译码
Turbo译码器将迭代解调器输出的软信息作为比特的初始信息，进行迭代译 码，当达到最大迭代译码次数后，输出估计的输出比特。
进一步，步骤五中，所述接收端控制与反馈处理模块，CRC校验；若满足 校验，则成功完成当前比特块的传输，接收端立即给发送端返回ACK信号，发 送端进行下一帧数据传输，否则接收端继续接收增量符号；当增量符号达到当 前估计信道对应的增量步长时，将收到的全部符号再次进行迭代解调和译码， 重复上述过程，直至当前比特块成功接收。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所 述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于16QAM调制的无速率 IoT上行传输方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
1)本发明提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法，采 用的预处理方法中，CRC检错和Turbo码纠错有效改善了传输可靠性，同时Turbo 码的码率还可以根据实际应用调整，比如信道条件较好时，可以增加码率，减 小冗余，进一步提高传输速率；信道条件较差时，可以降低码率，增加冗余， 以获得更好的误码性能。
2)本发明提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法，采 用的随机比特选择器，保证了1～N/4个传输复信号相互独立，且包含了全部传 输比特信息；因此，在高信噪比条件下，接收端只需较少的符号便能够高概率 的成功解调-译码，使得系统能够获得更大的传输速率。同时，采用的随机比特 选择方法还使得后续的每个传输符号均由4个不同的随机比特映射而成，使得 每个比特均能被等概率选择，保证了在符号的持续传输过程中，接收端能连续 提高解调-译码成功概率。
3)本发明提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法，采 用的16QAM映射器，通过合理的安排，使得每次选择的4个比特的双极性形式 与对应16QAM星座点的坐标自动满足代数加权关系；该过程直接映射，不需要 任何运算操作，不增加IoT设备的计算复杂度和计算能耗；同时该加权关系使 得接收端能够进行BP迭代解调，结合无速率传输方式，不仅克服了16QAM无 法在低信噪比条件有效工作的缺点，还实现了连续的能量积累，从而有效降低 了传输能量；而且，相比使用BPSK或QPSK这些低阶调制的NB-IoT或TLRCM，16QAM具有更高的频谱效率，从而有效提高了最大传输速率。
4)本发明提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法，采 用的解调-译码器，设计的低复杂对数域迭代算法仅需要少量的加法、比较和近 似运算，有效降低了接收机的实现复杂度；而且，直接通过接收符号值，结合 16QAM星座和估计的噪声功率对比特似然比值进行差异化的初始化，加快了高 信噪比条件下迭代解调的收敛速度，同时迭代解调器输出的软信息也能加快 Turbo译码器的收敛速度，有效降低了整个接收机的实现复杂度。
5)本发明提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统及方法的接 收端控制与反馈处理采用易于实现的CRC进行检错，保证了传输的可靠性；估 计比特块通过CRC校验，接收端才反馈ACK信号，或传输超过最大时间，才 反馈NACK信号，其余时间不反馈，使得整个传输过程的反馈量极低，传输协 议非常简单。
总之，标准的16QAM调制结合无速率传输技术，能在较大信道范围内获得 连续的传输能量调整和较高的传输速率。本发明具有的显著优点如下：1)本发 明特殊的选择比特和合理的星座映射设计，使得发送符号与对应比特自动满足 加权和关系，不增加发送机的计算负担；2)不同于NB-IoT采用的BPSK或 QPSK低阶调制和TLRCM使用的小权重集、非一一映射星座，本发明使用一一 映射的高阶16QAM星座，因此，本发明能获得更大的传输速率，从而保证不同 覆盖要求的IoT节点均能够获得较高的频谱效率和能量效率。3)对数域解调- 译码级联算法，采用低复杂度的软信息迭代，并有效利用估计的信道噪声功率 进行差别化的初始化，能进一步改善传输性能，加快了收敛速率，降低了接收 机的实现复杂度。因此，本发明特别适合中、低信噪比条件下，计算能力和能 量均受限的实际IoT上行通信。
对比的技术效果或者实验效果。包括：
表1对NB-IoT的重复传输，无速率的TLRCM和本发明提出的随机16QAM 的无速率IoT上行传输系统的性能进行了比较，三种方案均采用相同1/3码率的 Turbo编码，以编码比特块长度N＝144为例。NB-IoT在中、低信噪比下使用低 阶的QPSK和BPSK调制，QPSK和BPSK调制的无线符号熵分别为1bit和2bits， TLRCM为降低实现复杂度，采用最小权重集{±1}，其无线符号熵为3bits，而本 发明的随机16QAM调制，无线符号熵为4bits。在有噪的无线信道下，实际传 输速率要低于符号熵，当信噪比SNR在-10～+15dB变化时，在高斯信道条件下， NB-IoT的BPSK调制方案，当SNR＝15dB时传输的实符号数最少为144，其最 大速率为0.33bits/s/Hz，即使NB-IoT采用QPSK调制，其最大传输速率为 0.66bits/s/Hz，TLRCM最大传输速率为1.74bits/s/Hz，而本发明提出的随机 16QAM需要的传输符号显著降低，其最大速率可达3.4bits/s/Hz。此外，TLRCM 的IoT节点需要增加额外的运算进行发送符号处理，而本发明发送符号直接由 对应比特直接映射，无需增加IoT额外的计算量。
表1 几种现有IoT传输技术与随机16QAM的性能比较
Figure BDA0002930190390000091
总之，相比NB-IoT的离散、有限的重复传输和小权重集TLRCM方案，本 发明的基于随机16QAM调制的无速率IoT上行传输系统，具有低的实现复杂度 和最大的传输速率，不增加IoT设备计算量的前提下，能够在较宽的信道范围 内，有效降低传输符号数，减小传输时间，扩大系统容量，延长IoT设备寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明 的一些实施例，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是本发明实施例提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统原 理图。
图2是本发明实施例提供的随机比特选择示意图。
图3是本发明实施例提供的选择比特-16QAM星座映射关系示意图。
图4是本发明实施例提供的选择比特与16QAM符号的数学关系示意图。
图5是本发明实施例提供的高斯信道下的性能比较示意图。
图6是本发明实施例提供的衰落信道下的性能比较示意图。
图7是本发明实施例提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统的 成功接收累积概率分布图。
图8是本发明实施例提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统结 构框图；
图中：1、发送端预编码模块；2、随机比特选择模块；3、16QAM映射模 块；4、随机16QAM迭代解调-译码模块；5、接收端控制与反馈模块。
图9是本发明实施例提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法流 程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用16QAM结合无速率传输方式实现连续的传输能量调整和高的 传输速率。迄今所知，目前国内外均没有本发明的相关报道。本发明是在发明 人已于2020.12月被IEEE Internet of Things Journal(中科院一区Top期刊)接 收的学术论文—RatelessTLRCM for IoT Uplink Transmission的基础上，进行深 入研究所取得的技术突破。具体地，RCM和TLRCM的符号产生过程都需要 额外的算术运算，然后以无速率的方式进行符号传输，从而获得连续的传输能 量控制，但RCM权重集大，计算复杂度高，不适合计算资源和能量有限的IoT 通信；由于使用小权重集，TLRCM具有较低的复杂度，但其传输速率有限，只适合极低的信道条件，难以同时满足实际IoT场景中不同覆盖等级的IoT设备对 传输速率提升的需求。本发明将传统的标准16QAM进行巧妙的映射后，使得发 送符号与随机选择的比特自动满足加权和关系，发射机不进行任何运算，接收 端又能利用该关系进行BP迭代解调-译码，从而使得标准的16QAM能在很低的 信噪比条件下有效工作，并能在较宽的信道范围内获得连续的传输能量调整。 而且，接收端的实现复杂度与TLRCM相当，远低于RCM计算复杂度，使得本 发明能应用于计算能力和能量均受限的IoT上行传输。更重要的是，由于采用 更高频谱效率的16QAM调制，使得本发明的传输系统具有更高的最大传输速 率，克服了TLRCM和采用低阶调制(BPSK/QPSK)NB-IoT存在最大传输速率 有限的缺点，能够在较宽的信道条件下获得更高的频谱效率和能量效率。
综上所述，针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于16QAM调制 的无速率IoT上行传输系统及方法，下面结合具体实施例对本发明技术方案作 详细的描述。
实施例1
本发明是这样实现的，一种基于16QAM的物联网上行无速率编码传输系 统，所述物联网上行无速率编码传输系统包括发送机和接收机；所述发送机包 括预编码模块，随机比特选择模块和16QAM符号映射模块；所述接收机包括接 收控制与反馈模块和迭代解调-译码模块。
发送端预编码模块，用于信源比特流分组，CRC校验插入和Turbo编码；
随机比特选择模块，用于随机选择4个编码比特；
16QAM映射模块，用于将选择的4个编码比特映射为16QAM符号，并以 无速率的方式进行符号发送；
随机16QAM迭代解调-译码模块，用于接收端的解调和译码处理；
接收端控制与反馈模块，用于接收端解调控制，判断当前传输数据块是否 正确接收及反馈处理。
在本发明中，所述基于16QAM的物联网上行无速率编码传输系统采用CRC 检错，并引入Turbo码纠错，以保证信息的可靠传输。发送端先进行预编码处 理，包括：信源比特分组，CRC校验位插入和Turbo编码，将信息比特编码为 长度为N的编码比特块。
在本发明中，所述的随机比特选择器，每次从长度为N(N能够被4整除) 的编码比特块b＝[b1,b2,...,bN]中选择4个比特，第m次选择的4个比特为， b(m)＝[bm1,bm2,bm3,bm4。具体的随机比特选择步骤为：
将待传输的编码比特块b＝[b1,b2,...,bN]分成长度为4的N/4个短块，每个短块由连 续的4个比特构成，其中第m个短块为bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m],m＝1,2,...,N/4。
当m≤N/4时，选择的4个信息比特为：b(m)＝bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m]；
当m＞N/4时，随机选择4个不同短块，bSL(em),bSL(fm),bSL(gm),bSL(hm)，其中 em,fm,gm,hm∈[1,N/4],em≠fm≠gm≠hm；
从选取的4个短块，bSL(em),bSL(fm),bSL(gm),bSL(hm)，中各选择1比特，作为第m次的选 择结果，b(m)＝[bm1,bm2,bm3,bm4]＝[rands(bSL(em),1),rands(bSL(fm),1),rands(bSL(gm),1),rands(bSL(hm),1)]，其中，rands(bSL(em),1)表示从 第em短块bSL(em)中随机挑选1个比特；
在本发明中，所述的16QAM映射器，将第m次选出的4位比特(bm1,bm2,bm3,bm4)， 映射到16QAM星座中的一个点，其发送符号满足：sm＝(xm1+2·xm2)+j·(xm3+2·xm4)，其 中，x为编码比特b的双极性形式，即xml＝2·bml-1；(l＝1,2,3,4)，与传统QAM调制一 样，该映射过程并不需要进行任何运算。
在本发明中，发送端将生成的16QAM符号以无速率的方式发送。
在本发明中，所述的随机16QAM迭代解调-译码器，在已接收的M个复信 号条件下，求解最大后延概率估计：
Figure BDA0002930190390000131
其中，第i个接收复信号 yi＝si+ni，ni为高斯噪声，该估计问题可通过置信传播算法近似求解。迭代软解调 -译码步骤为：
1)初始化：
Figure BDA0002930190390000132
2)迭代：
符号节点处理
第l迭代中，符号节点ri传给信息节点bj,bk的对数似然比信息分别为：
Figure BDA0002930190390000133
信息节点处理
第l迭代中，信息节点bj传给符号节点ri的对数似然比信息为：
Figure BDA0002930190390000134
其中，Tj为选择信息比特bj的所有符号节点的集合。
3)软信息输出
解调器完成符号节点和信息节点迭代处理，当达到最大迭代次数lmax后，解 调器输出每个编码比特软信息：
Figure BDA0002930190390000135
在本发明中，Turbo译码器，将解调器输出软信息作为编码比特初始LLR 信息，进行Turbo迭代译码，当达到最大迭代译码次数，进行判决，并输出估 计编码比特。
在本发明中，所述接收端控制模块进行噪声估计、CRC校验和反馈信息处 理。噪声估计模块从接收信号中估计当前信道噪声功率；当接收符号数达到当 前信道对应的解调符号阈值，则开始执行迭代解调-译码，若译码输出的估计编 码比特块满足校验，则成功完成当前比特块的传输，接收端立即给发送端返回 ACK信号，发送端进行下一帧数据传输,否则接收端继续接收增量符号，当增 量符号达到当前估计信道对应的增量步长时，将收到的全部符号再次进行迭代 解调和译码，重复上述过程，直至当前比特块成功接收。
实施例2
图1是基于16QAM的无速率IoT上行传输系统的原理图；其中，发送端预 编码模块将串行数据流分组，再插入CRC校验位，最后进行Turbo编码，得到 长度为N的待传输的编码比特块b；随机比特选择模块，每次从编码比特块b 中随机挑选4个比特；16QAM映射模块，将随机比特选择模块每次选择的4位 二进制比特映射为16QAM通信星座符号，并以无速率方式发送这些符号；接收 端的迭代解调-译码模块进行数据恢复；接收端控制与反馈处理模块完成迭代解 调-译码调度，数据检错和反馈控制。
图2给出了一个编码比特块长N＝144，QAM符号数M＝288的比特选择示 意图。首先将长度为144的比特块分为36个短比特块，bS1,bS2,...,bS36，每个短块依 次由连续的4个比特构成。其中，第1个短块，bS1＝[b1,b2,b3,b4]，第2个短块， bS2＝[b5,b6,b7,b8]，依次类推，bS36＝[b141,b142,b143,b144]。在第1～36次比特选择中，第k次 选择比特就为第k个短比特块；其好处在于，在高信噪比条件下144个编码比 特可由36个短比特块直接恢复，从而获得较高的最大速率。第37～288次选择 为随机选择，其具体步骤为：先从36个短块中随机挑选4个短块，然后从每个 挑选的短块中随机选择1个比特，一共选择4个比特。具体实现时，可将每次 选择的比特位置按顺序预先存入4个数组或地址存储器，发送时，发送端每次 按顺序读出4个位置，再根据这些位置找到对应的4个编码比特。
图3给出了本发明的比特与16QAM星座图的映射关系。在16QAM星座图 中，相邻星座点的欧式距离为2c，为简洁起见，以下描述均省掉c。在本发明中， 第m次挑选的4个比特(bm1,bm2,bm3,bm4)与标准16QAM星座点的坐标(I,Q)关系如 表2所示。
表2 选择比特与16QAM星座坐标对应关系
Figure BDA0002930190390000151
图4给出了选择比特与16QAM符号举例。第m个符号为例，说明16QAM 符号与对应选择比特的数学关系，具体如下：
第m次选择的4个编码比特为(1,1,0,1)，其双极性形式为(1,1,-1,1)，对应的16QAM符号的I,Q坐标为(3,1)，该坐标的I路值可看成是前2个比特的双极性 形式(1,1)与权值(1,2)的加权和，该坐标的Q路值则可看成是后2个比特的双极 性形式(-1,1)与权值(1,2)的加权和。即发送符号sm和选中的4个比特(bm1,bm2,bm3,bm4) 满足如下数学关系：
sm＝(xm1+2·xm2)+j·(xm3+2·xm4)；
其中，xml＝2·bml-1；(l＝1,2,3,4)。但该映射过程与传统16QAM调制映射一样，不需要进行额外的运算。
本发明的选择比特与16QAM星座符号的特征在于，发送符号与选择比特自 动满足代数加权关系。因此，发送端不需增加任何运算，而接收端可以利用该 加权关系进行BP迭代解调。
图5是本发明的方法与NB-IoT的重复传输和TLRCM方案在高斯信道下的 平均传输符号数和传输速率比较。其中NB-IoT采用BPSK和QPSK调制，三种 传输方案采用相同的实验条件：插入CRC校验比特后，信息比特长度为48，经 过1/3码率的Turbo编码后，编码比特块长度N＝144，信道为高斯信道，信道 SNR范围为-10～15dB。每个SNR仿真1000个数据块后统计每个数据块需要的 平均传输符号。由该图可以看出，在高斯信道下，相同的长度的传输信息块， 本发明的随机16QAM传输方案所需的平均传输符号数最低，其传输速率也最 高。具体地，当SNR＝-10dB时，本发明的随机16QAM传输方案，所需符号约 为1000，而NB-IoT的采用BPSK调制的重复传输需要2300。因此，相比NB-IoT， 本发明有效降低了传输能量。当SNR＝15dB时，本发明的传输速率约为3.37 bits/s/Hz，TLRCM的传输速率为1.74bits/s/Hz，NB-IoT采用BPSK调制的传输 速率约为0.33bits/s/Hz，NB-IoT采用QPSK调制的传输速率约为0.66bits/s/Hz。 因此，相比NB-IoT和TLRCM，在相同的高斯信道下，本发明在更大的信道范 围内，均具有更低的传输符号数和更高的传输速率，从而进一步节约传输时间， 提高系统容量。
图6是本发明的方法与NB-IoT的重复传输和TLRCM方案在衰落信道下的 平均传输符号数和传输速率比较。其中NB-IoT采用BPSK和QPSK调制，三种 传输方案采用相同的实验条件：插入CRC校验比特后，信息比特长度为48，经 过1/3码率的Turbo编码后，编码比特块长度N＝144，信道为Nakagami衰落信 道，其衰落因子为2，信道SNR范围为-10～15dB。每个SNR仿真1000个数据 块后统计每个数据块需要的平均传输符号。由该图6可以看出，在相同的衰落 信道条件下，本发明的随机16QAM传输方案的传输符号数仍然最低，传输速率 也最高。具体地，当SNR＝-10dB时，在衰落信道下，本发明的随机16QAM传 输方案所需符号约为1800，而NB-IoT的采用BPSK调制的重复传输则需要4100。 当SNR＝15dB时，本发明的传输速率约为2.87bits/s/Hz，TLRCM的传输速率为 1.7bits/s/Hz，NB-IoT采用BPSK调制的传输速率约为0.33bits/s/Hz，NB-IoT采 用QPSK调制的传输速率约为0.66bits/s/Hz。因此，在衰落信道下，本发明仍然 在更大的信道范围内，能保持更低的传输符号数和更高的传输速率。
图7是本发明实施例提供的基于16QAM的无速率IoT传输系统的成功接收 的累积概率分布曲线。仿真实验条件为：插入CRC校验比特后，信息比特长度 为48,经过1/3码率的Turbo编码后，编码比特块长度N＝144，信道SNR变化 范围为0～15dB。从图中可以看出，随着16QAM符号数的增加，成功解调概率 连续增加，因此，本发明的随机16QAM传输系统，能根据信道变化实现连续的 传输速率；由图7还可以看出，解调成功概率在10％～90％间，符号数线性变化， 因此，为进一步降低实现复杂度，持续传输的增量符号步长还能简单而灵活地 调整，从而在能量效率和复杂度之间达到较好的平衡。
如图8所示，本发明实施例提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输 系统包括：发送机和接收机；所述发送机包括预编码模块1，随机比特选择模块 2和16QAM符号映射模块3；所述接收机包括迭代解调-译码模块4和接收控制 与反馈模块5。
发送端预编码模块1，用于信源比特流分组，CRC校验插入和Turbo译码器 的Turbo编码；
随机比特选择模块2，用于通过随机比特选择器随机选择4个编码比特；
16QAM映射模块3，用于通过16QAM映射器将选择的4个编码比特映射 为16QAM符号，并以无速率的方式进行符号发送；
随机16QAM迭代解调-译码模块4，用于接收端的解调和译码处理；
接收端控制与反馈模块5，用于接收端解调控制，判断当前传输数据块是否 正确接收及反馈处理。
如图9所示，本发明实施例提供的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输 方法包括以下步骤：
S101，发送端预编码：信源比特流分组，CRC校验位插入，Turbo编码；
S102，随机比特选择：通过随机比特选择器随机选择4个编码比特；
S103，16QAM映射与无速率符号发送：将选择的4个编码比特映射为 16QAM符号，并以无速率的方式发送符号；
S104，接收端迭代解调-译码：接收端数据恢复；
S105，接收端控制与反馈处理：传输数据检错和反馈控制。
本发明采用16QAM结合无速率的传输方式实现IoT上行通信中连续的传输 能量调整和高的传输速率。本发明将传统的标准16QAM进行巧妙的映射后，使 得发送符号与选择比特自动满足加权和关系，发射机不需要进行加权求和运算， 结合无速率的符号传输方式，接收端通过持续的接收符号实现连续的能量积累， 使得难以在低信噪比下有效工作的传统16QAM能在极低的信噪比条件下可靠 工作，同时有效降低了传输能量。而且，通过对数域的低复杂度算法设计，接 收端解调复杂度与TLRCM相当，远低于RCM计算复杂度，此外，TLRCM的 IoT节点需要增加额外的运算进行发送符号处理，而本发明发送符号直接由对应比特直接映射，IoT节点无需增加额外的计算量，因此，本发明能够应用于计算 能力和能量有限的IoT上行传输。更重要的是，由于采用具有更高频谱效率的 高阶的16QAM调制，使得本发明的传输系统具有更高的最大传输速率，克服了 小权重集TLRCM和采用BPSK或QPSK这些低阶调制的NB-IoT存在最大传输 速率有限的缺点，能够在较宽的信道条件下获得更高的频谱效率和能量效率， 同时满足了不同IoT节点的覆盖要求。
具体地，NB-IoT重复传输码率为1/3的Turbo码结合BPSK或QPSK调制， 对应的符号熵为1比特和2比特，16QAM的符号熵为4比特，即使仅采用1次 重复，基于BPSK和QPSK调制的NB-IoT最大传输速率仅为0.33bits/s/Hz和0.66 bits/s/Hz。虽然高阶调制技术具有更大的传输速率，但高阶调制无法工作于低信 噪比条件，TLRCM能有效减小低信噪比条件下的传输符号，从而降低传输能耗， 但因其采用小权重集，其最大速率也仅为1.74bits/s/Hz，使其在高信噪比下无法 进一步提高性能。而本发明提出的IoT上行传输系统的最大传输速率，可高达 3.4bits/s/Hz，因此，在相同传输符号和相同平均符号功率的条件下，相比TLRCM 和NB-IoT，本发明提出的基于16QAM的无速率IoT上行传输系统及方法能在 较高的信道条件下分别减少了50％和90％的传输符号，有效降低了传输能量， 节约了传输时间，增加了IoT节点容量。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组 合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程 序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指 令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可 以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算 机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向 另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、 计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或 无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据 中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用 介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。 所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、 或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
本发明不仅限于IoT上行通信，也可以应用信道条件较差的无线通信系统。 相对于非一一映射且需要代数加权运算的RCM和TLRCM，本发明通过一一映 射，直接将选择的比特映射到QAM星座点，发送端不需要进行代数加权求和操 作，不改变现有通信调制方式。在RCM和TLRCM的迭代解调中，其解调初始 信息没有利用接收信号值和信道信息。由于采用一一映射，本发明能直接使用 接收信号值和信道估计噪声功率对比特似然比进行初始化，从而改善传输性能， 加快迭代解调-译码的收敛速度。而且，接收的每个实信号由L个选择的编码比 特构成，其对数域的符号节点和信息节点处理的计算复杂度极低。同时，若将 每次选择的比特数L增加到4，8和16，本发明亦可扩展到64QAM，256QAM 和1024QAM星座。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法，其特征在于，所述基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法包括以下步骤：
步骤一，发送端预编码：信源比特流分组，CRC校验位插入，Turbo编码；
步骤二，随机比特选择：通过随机比特选择器每次随机选择4个编码比特；
步骤三，16QAM映射与无速率符号发送：将每次选择的4个编码比特映射为16QAM符号，并以无速率的方式发送符号；
16QAM映射与无速率符号发送具体包括：
将选择的4个编码比特映射为16QAM符号，映射后的16QAM符号与4个编码比特的双极性形式满足加权和关系，具体的比特到16QAM符号的映射过程为：
设第m个发送符号sm由4个编码比特(bm1,bm2,bm3,bm4)映射而成，这4位二进制比特对应的双极性形式分别为，xm1＝2·bm1-1；xm2＝2·bm2-1；xm3＝2·bm3-1；xm4＝2·bm4-1，再将双极性比特分为I路(xm1,xm2)和Q路(xm3,xm4)后与分别与系数(1,2)进行加权求和，得到第m个16QAM发送符号sm：
sm＝xm1×1+xm2×2+j(xm3×1+xm4×2)；
最后以无速率的方式发送符号；
步骤四，接收端迭代解调-译码：接收端数据恢复；
所述接收端迭代解调-译码包括：
经过信道传输后，第m个接收复信号ym的表达式为：
ym＝yI,m+jyQ,m＝xm1×1+xm2×2+nI,m+j(xm3×1+xm4×2+nQ,m)；
其中，j为虚数单位，nI,m,nQ,m为接收噪声的同相和正交分量；将接收的M个复信号{y1,y2,...,yM}按同相和正交分量分解为2M个实数信号{r1,r2,...,r2M}，其中每个实信号由两个比特映射；令第i个实信号ri由比特块b中的第j个比特bj和第k个比特bk组成的比特对(bj,bk)映射而成，则ri＝xj×1+xk×2+ni；其中，xj,xk分别为bj,bk的双极性形式，即xj＝2·bj-1,xk＝2·bk-1，xj,xk∈(-1，+1)，ni为接收实信号ri中的噪声，其概率密度函数为
Figure FDA0003317164220000021
其中σ2为噪声功率。那么，恢复单极性二进制b与恢复双极性x等价，具体迭代解调-译码处理过程：
(1)初始化：
根据接收信号值，星座映射关系和估计的信道噪声功率σ2，估算信息比特的对数似然比初始值
Figure FDA0003317164220000022
和
Figure FDA0003317164220000023
分别为：
Figure FDA0003317164220000024
其中，c为发送星座中，星座点之间最小距离的一半；
(2)迭代：
1)符号节点处理：
则在第l迭代中，符号节点ri传给信息节点bj,bk的对数似然比信息
Figure FDA0003317164220000025
和
Figure FDA0003317164220000026
分别为：
Figure FDA0003317164220000027
2)信息节点处理：
第l迭代中，信息节点bj传给符号节点ri的对数似然比信息
Figure FDA0003317164220000028
为：
Figure FDA0003317164220000029
其中，Tj为选择信息比特bj的所有符号节点的集合；
(3)软信息输出
解调器完成符号节点和信息节点迭代处理，当达到最大迭代次数lmax后，解调器输出每个编码比特的软信息L(bj)为：
Figure FDA00033171642200000210
(4)Turbo译码
Turbo译码器将迭代解调器输出的软信息作为比特的初始信息，进行迭代译码，当达到最大迭代译码次数后，输出估计的输出比特；
步骤五，接收端控制与反馈处理：传输数据检错和反馈控制；
所述接收端控制与反馈处理，包括：
CRC校验；若满足校验，则成功完成当前比特块的传输，接收端立即给发送端返回ACK信号，发送端进行下一帧数据传输，否则接收端继续接收增量符号；当增量符号达到当前估计信道对应的增量步长时，将收到的全部符号再次进行迭代解调和译码，重复上述过程，直至当前比特块成功接收；
实施所述基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输系统包括发送机和接收机；所述发送机包括预编码模块，随机比特选择模块和16QAM符号映射模块；所述接收机包括接收控制与反馈模块和迭代解调-译码模块；
发送端预编码模块，用于信源比特流分组，CRC校验插入和Turbo译码器的Turbo编码；
随机比特选择模块，用于通过随机比特选择器随机选择4个编码比特；
16QAM映射模块，用于通过16QAM映射器将选择的4个编码比特映射为16QAM符号，并以无速率的方式进行符号发送；
随机16QAM迭代解调-译码模块，用于接收端的解调和译码处理；
接收端控制与反馈模块，用于接收端解调控制，判断当前传输数据块是否正确接收及反馈处理。
2.如权利要求1所述的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法，其特征在于，所述随机比特选择器，用于从长度为N的编码比特块中选择4个不同的比特；先将编码比特块b＝[b1,b2,...,bN]分成长度为4的N/4个短块，每个短块由连续的4个比特构成；令第m个短块bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m],m＝1,2,...,N/4；第m次选择的4个比特为b(m)＝[bm1,bm2,bm3,bm4]，其中：
当1≤m≤N/4时，b(m)＝bSL(m)＝[b4m-3,b4m-2,b4m-1,b4m]，即每次顺序选择连续的4个比特；
当m＞N/4时，b(m)＝[rands(bSL(em),1),rands(bSLb(fm),1),rands(bSL(gm),1),rands(bSL(hm),1)],em,fm,gm,hm∈[1,N/4]，
其中，em,fm,gm,hm为互不相等且均小于等于N/4的整数，rands(bSL(em),1)，rands(bSL(fm),1)，rands(bSL(gm),1)和rands(bSL(hm),1)分别表示从第em,fm,gm,hm个短块bSL(em)，bSL(em)，bSL(em)，bSL(em)中随机挑选1个比特。
3.如权利要求1所述的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法，其特征在于，所述16QAM映射器，用于将第m次选出的4位比特(bm1,bm2,bm3,bm4)，映射到16QAM星座中的一个点，在不需要任何计算的条件下，第m个发送符号sm自动满足：
sm＝(xm1+2·xm2)+j·(xm3+2·xm4)；
其中，xml为二进制编码比特bml的双极性形式，即xml＝2·bml-1；(l＝1,2,3,4)，具体地，xm1＝2·bm1-1；xm2＝2·bm2-1；xm3＝2·bm3-1；xm4＝2·bm4-1，与传统QAM调制一样，实际上该映射过程不需要进行任何运算；
最后，生成的16QAM符号以无速率的方式发送。
4.如权利要求1所述的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法，其特征在于，所述随机16QAM迭代解调-译码器，先根据估计信道噪声功率σ2，结合16QAM发射星座，初始化比特似然比值；再通过最大后延概率估计：
Figure FDA0003317164220000041
恢复传输的信息比特块，即在M个接收信号(y1,y2,...,yM)已知的条件下，使得条件概率p(b|y1,y2,...,yM)最大的一组比特块为接收端输出比特块，其中，b为取值为(0,1)，长度为N的二进制信源比特块，b∈GF(2)N，
Figure FDA0003317164220000042
为接收端对b的估计，对该估计问题采用对数域的置信传播(Belief Propagation,BP)算法进行串行级联的迭代解调-译码求解。
5.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1～4任意一项所述的基于16QAM调制的无速率IoT上行传输方法。
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