CN114079608B - 用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法及系统 - Google Patents

用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法及系统，包括：步骤M1：根据发送端发送的信息流建立通信系统中适用于应对差信道条件的高鲁棒性低吞吐量业务和应对好信道条件的低鲁棒性高吞吐量业务分层调制传输的非均匀星座图最优化模型；步骤M2：根据非均匀星座图最优化模型选择符合预设条件的初始星座图；步骤M3：利用初始星座图，根据非均匀星座图最优化模型求得最优星座图；应用本发明，使得不需要进行连续信号消除的分层调制可以在一定情况下获得和复杂度更高的层分复用接近的性能，因而可以在降低复杂度的同时保证较高的译码性能。

Description

用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法及系统，更为具体地，涉及一种用于两业务HM传输的NUC设计方案。
背景技术
由于其更接近于高斯分布，NUC可以实现更接近于香农限的信道容量。在现有的广播通信标准中，美国的ATSC3.0使用了NUC用于信号调制。但是，尽管ATSC3.0使用了LDM来实现双业务同时传输，其使用的星座图都是基于单业务传输设计的。由于其可实现容量范围的局限性，HM现在并不是一个得到实际使用的复用方案。然而，HM相对于LDM具有的最大优势为不需要SIC，可以降低时延。若NUC的优化和使用能使HM在一定有实际应用价值的条件下实现接近于LDM的信道容量，HM便可以在该条件下取代LDM以追求更快的译码速度。
在已有的文献和资料中，没有查到适用于HM的NUC设计的相关内容。
专利文献CN107888536A(申请号：201711059721.X)公开了一种分层调制的32APSK的星座图设计方法，能够适用于32阶APSK分层调制系统。包括以下步骤：步骤一、星座点排布：将32个星座点分配在二维平面三个半径不同的同心圆内，第一圈分配4个星座点，每象限1个；第二圈分配12个星座点，每象限3个；第三圈分配16个星座点，每个象限4个，同一圈的星座点相位非均匀的分布在360°的平面内，不同象限之间坐标轴对称；步骤二、在步骤一星座点排布基础上，确定星座点在平面中的位置；步骤三、在步骤二得到的星座图基础上，确定星座点在调制中的映射编码，得到最优的映射编码集，即得到完整的星座图。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法及系统。
根据本发明提供的一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法，包括：
步骤M1：根据发送端发送的信息流建立通信系统中适用于应对差信道条件的高鲁棒性低吞吐量业务和应对好信道条件的低鲁棒性高吞吐量业务分层调制传输的非均匀星座图最优化模型；
步骤M2：根据非均匀星座图最优化模型选择符合预设条件的初始星座图；
步骤M3：利用初始星座图，根据非均匀星座图最优化模型求得最优星座图；
所述非均匀星座图最优化模型是通过调整星座图上星座点的分布使得分层调制相对于时分或频分复用容量增益最大化的最优化问题，得到在低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务和高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务下使分层调制相对于时分或频分复用最大化的星座图。
优选地，所述步骤M1包括：
步骤M1.1：将发送端发送的信息流经过编码交织调制并通过信道后，接收端接收原数据流；
步骤M1.2：将原数据流仿真得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限，分别为SNR1和SNR2；
步骤M1.3：根据星座图限制下的平均互信息公式，分别计算第一业务和第二业务在信噪比门限SNR1和SNR2下的星座图容量；
步骤M1.4：建立当第一业务在时分复用和层分复用中实现星座图容量相等时，最大化第二业务相对于时分复用中第二业务的增益的非均匀星座图最优化模型，公式如下：
maxΔCHTS2＝CHS2-CTS2(1)
CS1≥RS1,CHS2≥RS2
其中，maxΔCHTS2表示目标函数；ΔCHTS2表示第二业务在分层调制和时分复用中的星座图容量差；CHS2表示分层调制下第二业务的星座图容量；CTS2表示第二业务在时分复用中的星座图容量；CS1表示为分层调制下第一业务的星座图容量；RS1是固定值表示预设的第一业务最小星座图容量，RS2是固定值表示预设的第二业务最小星座图容量；第一业务表示低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务；第二业务表示高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务；
Figure BDA0002640545940000021
其中，CS1表示第一业务的星座图容量，CTS2表示时分复用下第二业务的星座图容量。
优选地，所述步骤M2包括：对于需要被设计的预设阶星座图，遍历ATSC3.0中当前预设阶所有码率的预设星座图，并将预设星座图输入至非均匀星座图最优化模型，选择能使目标函数ΔCHTS2最大的星座图作为初始星座图。
优选地，步骤M3包括：
步骤M3.1：使用初始星座图作为初始化种群，设置搜索步长为预设值,速度向量为PTC_VLC＝step*(rand(1)-0.5)+1j*step*(rand(1)-0.5)，星座图位置向量为整个星座图的所有星座点的位置集；星座图数量为预设值；其中，rand(1)表示从均匀分布的开区间(0，1)中取出的随机数，1j表示虚部；step表示搜索步长；
步骤M3.2：将预设数量的星座图输入至非均匀星座图最优化模型计算目标函数maxΔCHTS2在预设数量的星座图下值；
步骤M3.3：通过迭代比较，更新使目标函数值更大的星座图，并记下当前使目标函数更大的星座图；
步骤M3.4：根据更新的每个星座图的速度向量，更新位置向量，即更新星座图；重复执行步骤M3.2至步骤M3.4，直至迭代次数达到预设次数或使目标函数值最大的星座图连续出现预设次数，停止迭代，输出最优星座图。
优选地，所述步骤M1.2中仿真包括：将原数据流进行LDPC编码调制后，通过加性高斯白噪声信道，再进行解调和LDPC译码，得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限。
根据本发明提供的一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的系统，包括：
模块M1：根据发送端发送的信息流建立通信系统中适用于应对差信道条件的高鲁棒性低吞吐量业务和应对好信道条件的低鲁棒性高吞吐量业务分层调制传输的非均匀星座图最优化模型；
模块M2：根据非均匀星座图最优化模型选择符合预设条件的初始星座图；
模块M3：利用初始星座图，根据非均匀星座图最优化模型求得最优星座图；
所述非均匀星座图最优化模型是通过调整星座图上星座点的分布使得分层调制相对于时分或频分复用容量增益最大化的最优化问题，得到在低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务和高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务下使分层调制相对于时分或频分复用最大化的星座图。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：将发送端发送的信息流经过编码交织调制并通过信道后，接收端接收原数据流；
模块M1.2：将原数据流仿真得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限，分别为SNR1和SNR2；
模块M1.3：根据星座图限制下的平均互信息公式，分别计算第一业务和第二业务在信噪比门限SNR1和SNR2下的星座图容量；
模块M1.4：建立当第一业务在时分复用和层分复用中实现星座图容量相等时，最大化第二业务相对于时分复用中第二业务的增益的非均匀星座图最优化模型，公式如下：
maxΔCHTS2＝CHS2-CTS2(1)
CS1≥RS1,CHS2≥RS2
其中，maxΔCHTS2表示目标函数；ΔCHTS2表示第二业务在分层调制和时分复用中的星座图容量差；CHS2表示分层调制下第二业务的星座图容量；CTS2表示第二业务在时分复用中的星座图容量；CS1表示为分层调制下第一业务的星座图容量；RS1是固定值表示预设的第一业务最小星座图容量，RS2是固定值表示预设的第二业务最小星座图容量；第一业务表示低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务；第二业务表示高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务；
Figure BDA0002640545940000041
其中，CS1表示第一业务的星座图容量，CTS2表示时分复用下第二业务的星座图容量。
优选地，所述模块M2包括：对于需要被设计的预设阶星座图，遍历ATSC3.0中当前预设阶所有码率的预设星座图，并将预设星座图输入至非均匀星座图最优化模型，选择能使目标函数ΔCHTS2最大的星座图作为初始星座图。
优选地，模块M3包括：
模块M3.1：使用初始星座图作为初始化种群，设置搜索步长为预设值,速度向量为PTC_VLC＝step*(rand(1)-0.5)+1j*step*(rand(1)-0.5)，星座图位置向量为整个星座图的所有星座点的位置集；星座图数量为预设值；其中，rand(1)表示从均匀分布的开区间(0，1)中取出的随机数，1j表示虚部；step表示搜索步长；
模块M3.2：将预设数量的星座图输入至非均匀星座图最优化模型计算目标函数maxΔCHTS2在预设数量的星座图下值；
模块M3.3：通过迭代比较，更新使目标函数值更大的星座图，并记下当前使目标函数更大的星座图；
模块M3.4：根据更新的每个星座图的速度向量，更新位置向量，即更新星座图；重复触发模块M3.2至模块M3.4执行，直至迭代次数达到预设次数或使目标函数值最大的星座图连续出现预设次数，停止迭代，输出最优星座图。
优选地，所述模块M1.2中仿真包括：将原数据流进行LDPC编码调制后，通过加性高斯白噪声信道，再进行解调和LDPC译码，得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、应用本发明，使得不需要进行连续信号消除的分层调制可以在一定情况下获得和复杂度更高的层分复用接近的性能；
2、本发明可以降低复杂度的同时保证较高的译码性能；
3、本发明适用于两业务分层调制传输的优化的非均匀星座图方案，通过对对应于特定阶数组合和码率的层分复用的各阶星座图的优化，可以使分层调制传输条件下的星座图达到接近于上层业务理想SIC情况下层分复用的容量，进而取得接近于层分复用的译码性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中非均匀星座图设计流程图；
图2为本发明中实施例的2的初始星座图(左)和最优星座图(右)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
根据本发明提供的一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法，包括：
步骤M1：根据发送端发送的信息流建立通信系统中适用于应对较差信道条件的高鲁棒性业务和面对信道条件较好的高吞吐量业务分层调制(HierarchicalModulation，HM)传输的非均匀星座图(Non-uniformConstellation,NUC)最优化模型；最优化模型具体化为PSO(粒子群优化)算法中的计算步骤，并求解；
步骤M2：根据非均匀星座图最优化模型选择符合预设条件的初始星座图；
步骤M3：利用初始星座图，根据非均匀星座图最优化模型求得最优星座图；
所述非均匀星座图最优化模型是通过调整星座图上星座点的分布使得分层调制相对于时分或频分复用容量增益最大化的最优化问题，作用是得到在低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务和高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务下使分层调制相对于时分或频分复用最大化的星座图。
具体地，所述步骤M1包括：
步骤M1.1：将发送端发送的信息流(此发送信息流可为随机的二进制序列)经过编码交织调制并通过信道后，接收端接收原数据流；
步骤M1.2：将原数据流仿真得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限，分别为SNR1和SNR2；仿真是指将此数据流进行解调解交织和译码；
步骤M1.3：根据星座图限制下的平均互信息公式，分别计算第一业务和第二业务在信噪比门限SNR1和SNR2下的星座图容量；
步骤M1.4：建立当第一业务在时分复用和层分复用中实现星座图容量相等时，最大化第二业务相对于时分复用中第二业务的增益的非均匀星座图最优化模型，公式如下：
maxΔCHTS2＝CHS2-CTS2(1)
CS1≥RS1,CHS2≥RS2
其中，maxΔCHTS2表示目标函数；ΔCHTS2表示第二业务在分层调制和时分复用中的星座图容量差；CHS2表示分层调制下第二业务的星座图容量；CTS2表示第二业务在时分复用中的星座图容量；CS1表示为分层调制下第一业务的星座图容量；RS1是固定值表示预设的第一业务最小星座图容量，RS2是固定值表示预设的第二业务最小星座图容量；第一业务表示低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务；第二业务表示高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务；此处的高低可理解为是两业务中相对来说的，也就是第一业务是比第二业务鲁棒性更高信噪比门限更低的，而第二业务的速率更高。
Figure BDA0002640545940000061
其中，CS1表示第一业务的星座图容量，CTS2表示时分复用下第二业务的星座图容量。
具体地，所述步骤M2包括：ATSC3.0中已有一套适用于各码率为i/15,i＝1,2,…,13,阶数M为16,64,256,1024，4096的已优化的NUC(非均匀星座图)，本发明针对上层阶数为4，下层阶数为4，16，64，256，1024的HM(分层调制)星座图进行优化，对应的初始星座图为ATSC3.0中阶数为16，64，256，1024，4096的NUC。对于需要被设计的某阶星座图，遍历ATSC3.0中该阶所有码率的规定星座图，并将最优星座图输入至非均匀星座图最优化模型，选择能使目标函数ΔCHTS2最大的星座图作为初始星座图。
具体地，步骤M3包括：
步骤M3.1：使用初始星座图作为初始化种群，设置搜索步长step＝0.0001,速度向量为PTC_VLC＝step*(rand(1)-0.5)+1j*step*(rand(1)-0.5)，迭代次数为100，星座图位置向量PTC_POS为整个星座图的所有星座点的位置集；星座图数量为100个；其中，rand(1)表示从均匀分布的开区间(0，1)中取出的随机数，1j表示虚部；step表示搜索步长；
步骤M3.2：将预设数量的星座图输入至非均匀星座图最优化模型计算目标函数maxΔCHTS2在预设数量的星座图下值；
步骤M3.3：通过和上次迭代比较，更新使目标函数值更大的星座图，并记下当前使目标函数更大的星座图；
步骤M3.4：根据更新的每个星座图的速度向量，并随之更新用于下一次迭代的位置向量，即更新星座图；重复步骤M3.2至步骤M3.4，直至迭代次数达到预设次数或使目标函数值最大的星座图连续出现10次，停止迭代，输出最优星座图。
具体地，所述步骤M1.2中仿真包括：将原数据流进行LDPC编码调制后，通过加性高斯白噪声信道，再进行解调和LDPC译码，得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限。
根据本发明提供的一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的系统，包括：
模块M1：根据发送端发送的信息流建立通信系统中适用于应对较差信道条件的高鲁棒性业务和面对信道条件较好的高吞吐量业务分层调制(HierarchicalModulation，HM)传输的非均匀星座图(Non-uniformConstellation,NUC)最优化模型；最优化模型具体化为PSO(粒子群优化)算法中的计算模块，并求解；
模块M2：根据非均匀星座图最优化模型选择符合预设条件的初始星座图；
模块M3：利用初始星座图，根据非均匀星座图最优化模型求得最优星座图；
所述非均匀星座图最优化模型是通过调整星座图上星座点的分布使得分层调制相对于时分或频分复用容量增益最大化的最优化问题，作用是得到在低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务和高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务下使分层调制相对于时分或频分复用最大化的星座图。
具体地，所述模块M1包括：
模块M1.1：将发送端发送的信息流(此发送信息流可为随机的二进制序列)经过编码交织调制并通过信道后，接收端接收原数据流；
模块M1.2：将原数据流仿真得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限，分别为SNR1和SNR2；仿真是指将此数据流进行解调解交织和译码；
模块M1.3：根据星座图限制下的平均互信息公式，分别计算第一业务和第二业务在信噪比门限SNR1和SNR2下的星座图容量；
模块M1.4：建立当第一业务在时分复用和层分复用中实现星座图容量相等时，最大化第二业务相对于时分复用中第二业务的增益的非均匀星座图最优化模型，公式如下：
maxΔCHTS2＝CHS2-CTS2 (1)
CS1≥RS1,CHS2≥RS2
其中，maxΔCHTS2表示目标函数；ΔCHTS2表示第二业务在分层调制和时分复用中的星座图容量差；CHS2表示分层调制下第二业务的星座图容量；CTS2表示第二业务在时分复用中的星座图容量；CS1表示为分层调制下第一业务的星座图容量；RS1是固定值表示预设的第一业务最小星座图容量，RS2是固定值表示预设的第二业务最小星座图容量；第一业务表示低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务；第二业务表示高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务；此处的高低可理解为是两业务中相对来说的，也就是第一业务是比第二业务鲁棒性更高信噪比门限更低的，而第二业务的速率更高。
Figure BDA0002640545940000081
其中，CS1表示第一业务的星座图容量，CTS2表示时分复用下第二业务的星座图容量。
具体地，所述模块M2包括：ATSC3.0中已有一套适用于各码率为i/15,i＝1,2,…,13,阶数M为16,64,256,1024，4096的已优化的NUC(非均匀星座图)，本发明针对上层阶数为4，下层阶数为4，16，64，256，1024的HM(分层调制)星座图进行优化，对应的初始星座图为ATSC3.0中阶数为16，64，256，1024，4096的NUC。对于需要被设计的某阶星座图，遍历ATSC3.0中该阶所有码率的规定星座图，并将最优星座图输入至非均匀星座图最优化模型，选择能使目标函数ΔCHTS2最大的星座图作为初始星座图。
具体地，模块M3包括：
模块M3.1：使用初始星座图作为初始化种群，设置搜索步长step＝0.0001,速度向量为PTC_VLC＝step*(rand(1)-0.5)+1j*step*(rand(1)-0.5)，迭代次数为100，星座图位置向量PTC_POS为整个星座图的所有星座点的位置集；星座图数量为100个；其中，rand(1)表示从均匀分布的开区间(0，1)中取出的随机数，1j表示虚部；step表示搜索步长；
模块M3.2：将预设数量的星座图输入至非均匀星座图最优化模型计算目标函数maxΔCHTS2在预设数量的星座图下值；
模块M3.3：通过和上次迭代比较，更新使目标函数值更大的星座图，并记下当前使目标函数更大的星座图；
模块M3.4：根据更新的每个星座图的速度向量，并随之更新用于下一次迭代的位置向量，即更新星座图；重复触发模块M3.2至模块M3.4执行，直至迭代次数达到预设次数或使目标函数值最大的星座图连续出现10次，停止迭代，输出最优星座图。
具体地，所述模块M1.2中仿真包括：将原数据流进行LDPC编码调制后，通过加性高斯白噪声信道，再进行解调和LDPC译码，得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例
本实施例提供了基于实施例1的用于特定阶数和码率的星座图优化实例。令业务一调制阶数为4，码率为5/15，业务二调制阶数为64，码率为11/15。首先，当LDM上层业务为5/15QPSK，下层为11/1564NUC，上下层误码率分别为1e-5时，通过仿真求得此时的SNR门限约为SNR1＝1.4dB和SNR2＝19.3dB。建立最优化模型为
maxΔCHTS2＝CHS2-CTS2
限制为
CS1≥RS1,CHS2≥RS2
其中，CHS2和CS1分别为星座图符号在SNR为SNR1和SNR2下容量最高的两比特的容量和和容量最低的六比特的容量和，其中一个星座符号中每个比特的容量可通过星座图容量公式算出，公式为
Figure BDA0002640545940000091
其中，m为调制阶数，y为信道输出，z为信道输入，χ为星座点集，
Figure BDA0002640545940000101
为从最低位到最高位第i位为b的星座点集，b∈0,1。而
Figure BDA0002640545940000102
Figure BDA0002640545940000103
为理想情况下，第一业务的容量为CS1时，TDM下第二业务的容量。根据设定码率，RS1＜2·5/15,RS1＜6·11/15。留下一定余量后令RS1＝0.6和RS2＝4，表示要求实现的最小容量。
然后选择一个合适的初始星座图。遍历ATSC3.0中1024阶所有码率的最优星座图，并代入上文的最优化模型，选择能目标函数最大的星座图作为初始星座图。经过仿真后找到此星座图为码率13/15的NUC，其具体分布如图二所示。
最后将最优化模型具体化为PSO算法中的计算步骤，并求解。适用于求解权利要求2中最优化模型的PSO算法的具体计算步骤如下：
步骤一，使用星座图作为初始化种群，设置迭代次数为100。设置搜索步长为step＝0.0001,速度向量为PTC_VLC＝step*(rand(1)-0.5)+1j*step*(rand(1)-0.5)，个体位置向量PTC_POS，为整个星座图的各星座点位置，个体数量为100个。
步骤二，计算权利要求2中的目标函数在所有个体下的值。
步骤三，通过和上次迭代比较，更新使目标函数值更大的位置向量，并记下此次迭代中所有个体中使目标函数最大的那个位置向量。
步骤四，更新每个个体的速度向量，具体的更新公式为
ptc_vlc＝w·ptc_vlc+c1·r1·(pbest_pos-ptc_pos)+c2·r2·(gbest_pos-ptc_pos)
其中，pbest_pos为上一次迭代求出的局部最优星座图集，gbest_pos为上一次迭代求出的全局最优星座图，w＝1,c1＝2，c2＝2，r1和r2为小于1的随机数。
并随之更新用于下一次迭代的位置向量，具体的更新公式为
ptc_pos＝ptc_pos+ptc_vlc
步骤五，判断迭代次数达到最大次数或者某最优值连续出现十次后，停止迭代，输出最优解和最优值。最后求解出的最优值为，最优星座图如图所示,并且，标号从000000到111111的星座点位置为[1.2413+1.068i,1.2688+0.803i,0.9935+1.1806i,1.0408+0.9152i,1.2037+0.5094i,1.424+0.6012i,1.0096+0.4952i,1.0317+0.7038i,0.6945+1.3411i,0.7056+1.0933i,0.1168+1.4765i,0.8322+0.9328i,0.655+0.6024i,0.6863+0.7418i,0.8305+0.5606i,0.8514+0.7419i,1.2627+0.1466i,1.4916+0.1295i,1.0731+0.0902i,0.9039+0.0759i,1.2474+0.3084i,1.4649+0.3492i,1.0528+0.3233i,0.9209+0.252i,0.5512+0.0647i,0.5737+0.1957i,0.6867+0.0534i,0.7378+0.1368i,0.6361+0.4513i,0.6072+0.3239i,0.7874+0.4221i,0.7641+0.3188i,0.0844+1.1343i,0.0766+0.9749i,0.2533+1.2338i,0.2477+1.0113i,0.0767+0.6716i,0.088+0.8138i,0.2198+0.6769i,0.2435+0.8277i,0.438+1.4237i,0.5901+0.9557i,0.4585+1.2042i,0.4232+1.0113i,0.5041+0.6304i,0.5278+0.792i,0.3644+0.6522i,0.3775+0.8252i,0.0506+0.0654i,0.0578+0.2268i,0.1704+0.0574i,0.1816+0.2697i,0.0588+0.5567i,0.0582+0.4102i,0.1973+0.5262i,0.1821+0.3816i,0.4192+0.0616i,0.4292+0.2316i,0.3004+0.0728i,0.2919+0.2586i,0.482+0.4818i,0.4464+0.3693i,0.3307+0.518i,0.3127+0.395i,1.2413-1.068i,1.2688-0.803i,0.9935-1.1806i,1.0408-0.9152i,1.2037-0.5094i,1.424-0.6012i,1.0096-0.4952i,1.0317-0.7038i,0.6945-1.3411i,0.7056-1.0933i,0.1168-1.4765i,0.8322-0.9328i,0.655-0.6024i,0.6863-0.7418i,0.8305-0.5606i,0.8514-0.7419i,1.2627-0.1466i,1.4916-0.1295i,1.0731-0.0902i,0.9039-0.0759i,1.2474-0.3084i,1.4649-0.3492i,1.0528-0.3233i,0.9209-0.252i,0.5512-0.0647i,0.5737-0.1957i,0.6867-0.0534i,0.7378-0.1368i,0.6361-0.4513i,0.6072-0.3239i,0.7874-0.4221i,0.7641-0.3188i,0.0844-1.1343i,0.0766-0.9749i,0.2533-1.2338i,0.2477-1.0113i,0.0767-0.6716i,0.088-0.8138i,0.2198-0.6769i,0.2435-0.8277i,0.438-1.4237i,0.5901-0.9557i,0.4585-1.2042i,0.4232-1.0113i,0.5041-0.6304i,0.5278-0.792i,0.3644-0.6522i,0.3775-0.8252i,0.0506-0.0654i,0.0578-0.2268i,0.1704-0.0574i,0.1816-0.2697i,0.0588-0.5567i,0.0582-0.4102i,0.1973-0.5262i,0.1821-0.3816i,0.4192-0.0616i,0.4292-0.2316i,0.3004-0.0728i,0.2919-0.2586i,0.482-0.4818i,0.4464-0.3693i,0.3307-0.518i,0.3127-0.395i,-1.2413+1.068i,-1.2688+0.803i,-0.9935+1.1806i,-1.0408+0.9152i,-1.2037+0.5094i,-1.424+0.6012i,-1.0096+0.4952i,-1.0317+0.7038i,-0.6945+1.3411i,-0.7056+1.0933i,-0.1168+1.4765i,-0.8322+0.9328i,-0.655+0.6024i,-0.6863+0.7418i,-0.8305+0.5606i,-0.8514+0.7419i,-1.2627+0.1466i,-1.4916+0.1295i,-1.0731+0.0902i,-0.9039+0.0759i,-1.2474+0.3084i,-1.4649+0.3492i,-1.0528+0.3233i,-0.9209+0.252i,-0.5512+0.0647i,-0.5737+0.1957i,-0.6867+0.0534i,-0.7378+0.1368i,-0.6361+0.4513i,-0.6072+0.3239i,-0.7874+0.4221i,-0.7641+0.3188i,-0.0844+1.1343i,-0.0766+0.9749i,-0.2533+1.2338i,-0.2477+1.0113i,-0.0767+0.6716i,-0.088+0.8138i,-0.2198+0.6769i,-0.2435+0.8277i,-0.438+1.4237i,-0.5901+0.9557i,-0.4585+1.2042i,-0.4232+1.0113i,-0.5041+0.6304i,-0.5278+0.792i,-0.3644+0.6522i,-0.3775+0.8252i,-0.0506+0.0654i,-0.0578+0.2268i,-0.1704+0.0574i,-0.1816+0.2697i,-0.0588+0.5567i,-0.0582+0.4102i,-0.1973+0.5262i,-0.1821+0.3816i,-0.4192+0.0616i,-0.4292+0.2316i,-0.3004+0.0728i,-0.2919+0.2586i,-0.482+0.4818i,-0.4464+0.3693i,-0.3307+0.518i,-0.3127+0.395i,-1.2413-1.068i,-1.2688-0.803i,-0.9935-1.1806i,-1.0408-0.9152i,-1.2037-0.5094i,-1.424-0.6012i,-1.0096-0.4952i,-1.0317-0.7038i,-0.6945-1.3411i,-0.7056-1.0933i,-0.1168-1.4765i,-0.8322-0.9328i,-0.655-0.6024i,-0.6863-0.7418i,-0.8305-0.5606i,-0.8514-0.7419i,-1.2627-0.1466i,-1.4916-0.1295i,-1.0731-0.0902i,-0.9039-0.0759i,-1.2474-0.3084i,-1.4649-0.3492i,-1.0528-0.3233i,-0.9209-0.252i,-0.5512-0.0647i,-0.5737-0.1957i,-0.6867-0.0534i,-0.7378-0.1368i,-0.6361-0.4513i,-0.6072-0.3239i,-0.7874-0.4221i,-0.7641-0.3188i,-0.0844-1.1343i,-0.0766-0.9749i,-0.2533-1.2338i,-0.2477-1.0113i,-0.0767-0.6716i,-0.088-0.8138i,-0.2198-0.6769i,-0.2435-0.8277i,-0.438-1.4237i,-0.5901-0.9557i,-0.4585-1.2042i,-0.4232-1.0113i,-0.5041-0.6304i,-0.5278-0.792i,-0.3644-0.6522i,-0.3775-0.8252i,-0.0506-0.0654i,-0.0578-0.2268i,-0.1704-0.0574i,-0.1816-0.2697i,-0.0588-0.5567i,-0.0582-0.4102i,-0.1973-0.5262i,-0.1821-0.3816i,-0.4192-0.0616i,-0.4292-0.2316i,-0.3004-0.0728i,-0.2919-0.2586i,-0.482-0.4818i,-0.4464-0.3693i,-0.3307-0.518i,-0.3127-0.395i]
实施例3
实施例3是实施例1和/或实施例2的变化例
第一业务为表示低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务；例如：1080P移动视频业务。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法，其特征在于，包括：
步骤M1：根据发送端发送的信息流建立通信系统中适用于应对差信道条件的高鲁棒性低吞吐量业务和应对好信道条件的低鲁棒性高吞吐量业务分层调制传输的非均匀星座图最优化模型；
步骤M2：根据非均匀星座图最优化模型选择符合预设条件的初始星座图；
步骤M3：利用初始星座图，根据非均匀星座图最优化模型求得最优星座图；
所述非均匀星座图最优化模型是通过调整星座图上星座点的分布使得分层调制相对于时分或频分复用容量增益最大化的最优化问题，得到在低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务和高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务下使分层调制相对于时分或频分复用最大化的星座图；
所述步骤M1包括：
步骤M1.1：将发送端发送的信息流经过编码交织调制并通过信道后，接收端接收原数据流；
步骤M1.2：将原数据流仿真得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限，分别为SNR1和SNR2；其中，第一业务表示低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务；第二业务表示高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务；
步骤M1.3：根据星座图限制下的平均互信息公式，分别计算第一业务和第二业务在信噪比门限SNR1和SNR2下的星座图容量；
步骤M1.4：建立当第一业务在时分复用和层分复用中实现星座图容量相等时，最大化第二业务相对于时分复用中第二业务的增益的非均匀星座图最优化模型，公式如下：
maxΔCHTS2＝CHS2-CTS2 (1)
CS1≥RS1,CHS2≥RS2
其中，maxΔCHTS2表示目标函数；ΔCHTS2表示第二业务在分层调制和时分复用中的星座图容量差；CHS2表示分层调制下第二业务的星座图容量；CTS2表示第二业务在时分复用中的星座图容量；Cs1表示为分层调制下第一业务的星座图容量；RS1是固定值表示预设的第一业务最小星座图容量，RS2是固定值表示预设的第二业务最小星座图容量；
Figure FDA0003964120200000011
其中，CS1表示第一业务的星座图容量，CTS2表示时分复用下第二业务的星座图容量；
所述步骤M1.2中仿真包括：将原数据流进行LDPC编码调制后，通过加性高斯白噪声信道，再进行解调和LDPC译码，得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限；
步骤M3包括：
步骤M3.1：使用初始星座图作为初始化种群，设置搜索步长为预设值,速度向量为PTC_VLC＝step*(rand(1)-0.5)+1j*step*(rand(1)-0.5)，星座图位置向量为整个星座图的所有星座点的位置集；星座图数量为预设值；其中，rand(1)表示从均匀分布的开区间(0，1)中取出的随机数，1j表示虚部；step表示搜索步长；
步骤M3.2：将预设数量的星座图输入至非均匀星座图最优化模型计算目标函数maxΔCHTS2在预设数量的星座图下值；
步骤M3.3：通过迭代比较，更新使目标函数值更大的星座图，并记下当前使目标函数更大的星座图；
步骤M3.4：根据更新的每个星座图的速度向量，更新位置向量，即更新星座图；重复执行步骤M3.2至步骤M3.4，直至迭代次数达到预设次数或使目标函数值最大的星座图连续出现预设次数，停止迭代，输出最优星座图。
2.根据权利要求1所述的用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的方法，其特征在于，所述步骤M2包括：对于需要被设计的预设阶星座图，遍历ATSC3.0中当前预设阶所有码率的预设星座图，并将预设星座图输入至非均匀星座图最优化模型，选择能使目标函数ΔCHTS2最大的星座图作为初始星座图。
3.一种用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的系统，其特征在于，包括：
模块M1：根据发送端发送的信息流建立通信系统中适用于应对差信道条件的高鲁棒性低吞吐量业务和应对好信道条件的低鲁棒性高吞吐量业务分层调制传输的非均匀星座图最优化模型；
模块M2：根据非均匀星座图最优化模型选择符合预设条件的初始星座图；
模块M3：利用初始星座图，根据非均匀星座图最优化模型求得最优星座图；
所述非均匀星座图最优化模型是通过调整星座图上星座点的分布使得分层调制相对于时分或频分复用容量增益最大化的最优化问题，得到在低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务和高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务下使分层调制相对于时分或频分复用最大化的星座图；
所述模块M1包括：
模块M1.1：将发送端发送的信息流经过编码交织调制并通过信道后，接收端接收原数据流；
模块M1.2：将原数据流仿真得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限，分别为SNR1和SNR2；其中，第一业务表示低速率高鲁棒性低信噪比门限的业务；第二业务表示高速率低鲁棒性高信噪比门限的业务；
模块M1.3：根据星座图限制下的平均互信息公式，分别计算第一业务和第二业务在信噪比门限SNR1和SNR2下的星座图容量；
模块M1.4：建立当第一业务在时分复用和层分复用中实现星座图容量相等时，最大化第二业务相对于时分复用中第二业务的增益的非均匀星座图最优化模型，公式如下：
maxΔCHTS2＝CHS2-CTS2 (1)
CS1≥RS1,CHS2≥RS2
其中，maxΔCHTS2表示目标函数；ΔCHTS2表示第二业务在分层调制和时分复用中的星座图容量差；CHS2表示分层调制下第二业务的星座图容量；CTS2表示第二业务在时分复用中的星座图容量；CS1表示为分层调制下第一业务的星座图容量；RS1是固定值表示预设的第一业务最小星座图容量，RS2是固定值表示预设的第二业务最小星座图容量；
Figure FDA0003964120200000031
其中，CS1表示第一业务的星座图容量，CTs2表示时分复用下第二业务的星座图容量；
所述模块M1.2中仿真包括：将原数据流进行LDPC编码调制后，通过加性高斯白噪声信道，再进行解调和LDPC译码，得到层分复用传输规定码率的第一业务和第二业务时的信噪比门限；
所述模块M3包括：
模块M3.1：使用初始星座图作为初始化种群，设置搜索步长为预设值,速度向量为PTC_VLC＝step*(rand(1)-0.5)+1j*step*(rand(1)-0.5)，星座图位置向量为整个星座图的所有星座点的位置集；星座图数量为预设值；其中，rand(1)表示从均匀分布的开区间(0，1)中取出的随机数，1j表示虚部；step表示搜索步长；
模块M3.2：将预设数量的星座图输入至非均匀星座图最优化模型计算目标函数maxΔCHTS2在预设数量的星座图下值；
模块M3.3：通过迭代比较，更新使目标函数值更大的星座图，并记下当前使目标函数更大的星座图；
模块M3.4：根据更新的每个星座图的速度向量，更新位置向量，即更新星座图；重复触发模块M3.2至模块M3.4执行，直至迭代次数达到预设次数或使目标函数值最大的星座图连续出现预设次数，停止迭代，输出最优星座图。
4.根据权利要求3所述的用于通信系统中分层调制的非均匀星座图的系统，其特征在于，所述模块M2包括：对于需要被设计的预设阶星座图，遍历ATSC3.0中当前预设阶所有码率的预设星座图，并将预设星座图输入至非均匀星座图最优化模型，选择能使目标函数ΔCHTS2最大的星座图作为初始星座图。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010032119A1 (en) * 2008-09-18 2010-03-25 Thomson Licensing A hierarchical quadrature (qam) transmission scheme
CN107888536A (zh) * 2017-11-01 2018-04-06 北京理工大学 一种分层调制的32apsk的星座图设计方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010032119A1 (en) * 2008-09-18 2010-03-25 Thomson Licensing A hierarchical quadrature (qam) transmission scheme
CN107888536A (zh) * 2017-11-01 2018-04-06 北京理工大学 一种分层调制的32apsk的星座图设计方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Joint Design for Modulation and Constellation Labels in Multiuser Superposition Transmission;Baicen Xiao et al;《IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING》;20180906;245-250页 *

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