專利名稱：一種基于自適應(yīng)符號載波分配的不等差錯保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信息傳輸領(lǐng)域，涉及一種在使用NB-LDPC碼級聯(lián)STBC的 MIM0-0FDM系統(tǒng)中通過進(jìn)行自適應(yīng)符號載波分配來進(jìn)行不等差錯保護(hù)的方法。
背景技術(shù)：
多進(jìn)制低密度奇偶校驗(yàn)(NB-LDPC,Non-binary Low Density ParityCheck)碼是 一種線性分組碼，可以用生成矩陣G和校驗(yàn)矩陣H來表示，并且在與調(diào)制相結(jié)合的編碼調(diào)制 中，NB-LDPC碼具有優(yōu)于二進(jìn)制LDPC碼的性能。H中非零元素的個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零元素的個 數(shù)，其非零元素的值從GF域(有限域)中選取，GF域的大小為2p(p> 1)，圖2給出了一個 域大小為2p(p = 2)的NB-LDPC校驗(yàn)矩陣及度數(shù)示意圖，校驗(yàn)矩陣H的每一列中的非零元 素的個數(shù)即為該列的度數(shù)，或者稱為列重。在寬帶數(shù)字通信中，編碼后的NB-LDPC碼數(shù)據(jù)符 號可以自然地映射到星座符號上，一個數(shù)據(jù)符號對應(yīng)一個星座符號，滿足一一對應(yīng)的關(guān)系， 而不像二進(jìn)制LDPC碼那樣，需要p個數(shù)據(jù)符號與一個星座符號進(jìn)行對應(yīng)。多輸入多輸出(MIM0，Multiple Input Multiple Output)技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生 獨(dú)立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率，提高系 統(tǒng)的傳輸速率?？諘r編碼(STBC，Space Time Block Coding)是達(dá)到或接近MIM0無線信道容量的 一種方法。通過空時編碼能夠在多根發(fā)射天線和各個時間周期的發(fā)射信號之間產(chǎn)生空域和 時域的相關(guān)性，這種空時相關(guān)性可以使接收機(jī)克服MIM0信道衰落和減少發(fā)射誤碼。對于空 間未編碼系統(tǒng)，空時編碼可以在不犧牲帶寬的情況下起到發(fā)射分集和功率增強(qiáng)作用。正交頻分復(fù)用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)通過 使用多載波窄帶調(diào)制，將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個平坦的窄帶子信道，每個子信道上的信號 帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以每個子信道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落， 減小了多徑衰落的影響?；贜B-LDPC碼編碼的MIM0-0FDM系統(tǒng)，當(dāng)多進(jìn)制域的大小與星座點(diǎn)集合大小相 同時，LDPC編碼后的符號與星座點(diǎn)可以一一對應(yīng)進(jìn)行映射。在傳輸時，每個星座符號占用 1個子載波進(jìn)行傳輸。在多徑衰落環(huán)境下，盡管0FDM調(diào)制中絕大部分子載波始終可以進(jìn)行 正確的檢測，但部分符號的可靠性仍會因?yàn)橐恍┳虞d波受到深衰落的影響而急劇降低，進(jìn) 而影響譯碼的性能。針對這些影響，目前多采用自適應(yīng)比特功率分配的算法進(jìn)行處理，通過 對衰落較嚴(yán)重的子載波符號分配較大的功率，對衰落較低的子載波分配較小的功率來平衡 衰落對不同子載波的影響。自適應(yīng)比特功率分配算法只考慮了信道的衰落對譯碼性能的影 響，沒有依據(jù)不同數(shù)據(jù)符號對譯碼性能的影響的大小進(jìn)行特殊的處理。而且，自適應(yīng)比特功 率分配算法需要對發(fā)射功率進(jìn)行頻繁的調(diào)整，這對發(fā)射機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)提出了很高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對LDPC編碼的MIM0-0FDM系統(tǒng)提供了一種實(shí)時、高性能、低復(fù)雜度的基于自適應(yīng)符號載波分配的不等差錯保護(hù)方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于自適應(yīng)符號載波分配的不等差錯保護(hù)方法， 步驟如下(1)將外部輸入的數(shù)據(jù)比特流經(jīng)過串并變換后，每p個數(shù)據(jù)比特組成一個符號進(jìn) 行基于GF (2P)的NB-LDPC碼編碼，產(chǎn)生長度為N的數(shù)據(jù)符號流，N為NB-LDPC碼編碼碼字的 長度；(2)采用2PQAM的調(diào)制方式進(jìn)行星座映射，產(chǎn)生N個星座符號，所述的N個星座符 號與步驟(1)中得到的NB-LDPC編碼后的N個數(shù)據(jù)符號之間一一對應(yīng)；(3)對步驟⑵中得到的N個星座符號進(jìn)行位置重排，位置重排后應(yīng)滿足當(dāng)Di^Dj 時&彡Aj成立，i，j = 1，2，…，N，且i乒j，Di為進(jìn)行星座映射前第i個數(shù)據(jù)符號所對應(yīng) 的NB-LDPC碼校驗(yàn)矩陣第i列的度數(shù)，A,為第i個子信道對應(yīng)的信道衰落大小；(4)將經(jīng)過步驟(3)位置重排后的星座符號使用STBC編碼后經(jīng)OFDM調(diào)制，然后經(jīng) 由天線向接收端發(fā)射；(5)在接收端對接收到的碼流進(jìn)行OFDM解調(diào)，并按照步驟(3)的逆過程對接收的 星座符號進(jìn)行位置的反重排，經(jīng)軟解調(diào)得到NB-LDPC碼譯碼所需的初始化軟信息，NB-LDPC 譯碼后得到數(shù)據(jù)符號經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后得到數(shù)據(jù)比特輸出。所述步驟(3)中進(jìn)行位置重排的方法為將K按照從大到小的順序排列得到序列 I = [b i2，…，iN]；將Dj按照從大到小的順序排列得到序列J =[丄，j2，…，jN]，位置重 排后的星座符號序列S'根據(jù)位置重排前的星座符號序列S按照關(guān)系式S' (Ik)=s(jk)， k = 1,2, 計(jì)算得到。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明方法通過星座符號的位置重排，實(shí)現(xiàn) 對不同的數(shù)據(jù)符號的不等差錯保護(hù)，進(jìn)而提高接收端NB-LDPC碼的譯碼性能。本發(fā)明方法 只需對星座映射后的符號進(jìn)行簡單的位置重排，實(shí)現(xiàn)簡單，可以實(shí)時處理，避免了現(xiàn)有技術(shù) 中頻繁調(diào)整功率所引起的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的問題，降低了成本，而且通過不等的差錯保護(hù)，改 進(jìn)了系統(tǒng)的整體性能。


圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；圖2為域大小為2p(p = 2)的NB-LDPC校驗(yàn)矩陣及度數(shù)示意圖；圖3為本發(fā)明中數(shù)據(jù)符號與OFDM子載波自適應(yīng)分配示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)使用24QAM調(diào)制方式時，未使用本發(fā)明方法和使用了本 發(fā)明方法時的系統(tǒng)誤比特性能比較仿真圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)使用26QAM調(diào)制方式時，未使用本發(fā)明方法和使用了本 發(fā)明方法時的系統(tǒng)誤比特性能比較仿真圖。
具體實(shí)施例方式在NB-LDPC碼譯碼時，初始化軟信息的整體可靠性對迭代譯碼的結(jié)果具有較大 的影響。在最大迭代次數(shù)設(shè)定的情況下，各數(shù)據(jù)符號的初始化軟信息越理想，譯碼平均迭 代次數(shù)越小，同時譯碼成功的概率也越大。對于非規(guī)則LDPC碼，對應(yīng)校驗(yàn)矩陣列度數(shù)(列重)較大的數(shù)據(jù)符號連接著更多的校驗(yàn)方程，其初始化信息的可靠程度在譯碼過程中起著 更重要的作用，如果依據(jù)各OFDM子載波的衰落情況自適應(yīng)地對符號與子載波進(jìn)行分配，使 輸入譯碼器的初始化軟信息整體最優(yōu)，則可以改善譯碼的性能。自適應(yīng)符號載波分配算法 將NB-LDPC碼字中對應(yīng)校驗(yàn)矩陣的列度數(shù)大的數(shù)據(jù)符號調(diào)制到對應(yīng)信道衰落小的OFDM子 載波之上，將NB-LDPC碼字中對應(yīng)校驗(yàn)矩陣的列度數(shù)小的符號節(jié)點(diǎn)調(diào)制到對應(yīng)信道衰落大 的OFDM子載波之上，從而對不同譯碼權(quán)重的數(shù)據(jù)符號進(jìn)行不等的差錯保護(hù)，達(dá)到使進(jìn)入譯 碼器的初始化軟信息整體最優(yōu)的目的，從而改善譯碼的性能。在實(shí)際系統(tǒng)中，采用本發(fā)明所提出的自適應(yīng)符號載波分配方法可以對發(fā)送端的符 號載波分配方法進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整，以達(dá)到最佳性能。鏈路建立之前，發(fā)送端和接收端約定某 些子載波專門用來承載反饋的信道特性信息。在通信過程中，接收端通過一定的信道估計(jì) 方法，得到信道的等效頻率響應(yīng)信息并計(jì)算符號到載波的映射向量，將其反饋到發(fā)送端；發(fā) 送端根據(jù)符號到載波的映射向量，將各個符號分配到相應(yīng)的子載波之上?？偟膩碚f，本發(fā)明符號載波映射的準(zhǔn)則為設(shè)第i個數(shù)據(jù)符號所對應(yīng)的校驗(yàn)矩陣 列度數(shù)(列重)= 1，2，…，N)，各子信道對應(yīng)的信道衰落大小為Aji = 1，2，…， N)。當(dāng)Di彡Dj時，則應(yīng)保證Ai彡A」(i乒j i，j = 1，2，…，N)成立，以使NB-LDPC編碼后 的N個數(shù)據(jù)符號中，對應(yīng)校驗(yàn)矩陣列度數(shù)大的數(shù)據(jù)符號所映射的星座符號調(diào)制到對應(yīng)信道 衰落小的OFDM子載波之上；使NB-LDPC編碼后的N個數(shù)據(jù)符號中，對應(yīng)校驗(yàn)矩陣列度數(shù)小 的數(shù)據(jù)符號所映射的星座符號調(diào)制到對應(yīng)信道衰落大的OFDM子載波之上。本發(fā)明方法的流程如圖1所示。首先，輸入的數(shù)據(jù)比特流經(jīng)過比特符號轉(zhuǎn)換后進(jìn) 行NB-LDPC碼編碼，產(chǎn)生長為N的數(shù)據(jù)符號流c，如圖3所示。在此使用GF域的大小為2P (p > 1)的NB-LDPC碼，每個數(shù)據(jù)符號由p(p> 1)個二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特組成。星座映射采用 2pQAM(p > 1)調(diào)制方式。這樣，NB-LDPC編碼后的數(shù)據(jù)符號與星座符號之間滿足一一對應(yīng) 的關(guān)系，長度為N的數(shù)據(jù)符號流c經(jīng)過星座映射后生成N個星座符號S= [si，s2，…，sN]。 將各個OFDM子載波的信道響應(yīng)[4，為2，…，按照由大到小的順序排列可得到序列I = [ii，i2，…，iN;將[^/"D/,，…，按照由大到小的順序排列可得到序列J=[丄，戈，…，
jN]。經(jīng)過位置重排處理S' (Ik) = S(Jk) k = 1,2, ...N得到位置重排后的數(shù)據(jù)符號S'。重排后的數(shù)據(jù)符號經(jīng)空時分組編碼后分成兩路 數(shù)據(jù)流，分別使用0FDM調(diào)制后經(jīng)由2根天線發(fā)射出去。在接收端，使用nK(nK ^ 1)根天線對信號進(jìn)行接收，經(jīng)過0FDM解調(diào)后進(jìn)行空時譯 碼，譯碼后的N個符號依據(jù)符號載波分配方案進(jìn)行位置的反重排(n 處理S(Jk) = S' (Ik) k = 1,2, ...N得到原有順序的數(shù)據(jù)符號序列S = [Sl，s2,…，sN]，對其解映射得到各個數(shù)據(jù)符 號的軟信息送給NB-LDPC譯碼器進(jìn)行譯碼。本發(fā)明符號載波映射準(zhǔn)則的推導(dǎo)過程如下圖1中，設(shè)輸入的數(shù)據(jù)比特流經(jīng)過NB-LDPC編碼后生成長度為N的數(shù)據(jù)符號流，經(jīng) 星座映射后產(chǎn)生N個星座符號。設(shè)N = N。，N。為每個OFDM數(shù)據(jù)符號所含的數(shù)據(jù)子載波個 數(shù)，這樣，每個NB-LDPC碼字對應(yīng)調(diào)制到一個0FDM數(shù)據(jù)符號之上。設(shè)st和st+1為進(jìn)行空時 編碼之前t和t+1時刻兩個連續(xù)的頻域0FDM數(shù)據(jù)符號，st和st+1的向量形式表示為
經(jīng)過Alamouti空時編碼以后，生成兩路數(shù)據(jù)流，分別進(jìn)行0FDM調(diào)制。使用式(1) 進(jìn)行Alamouti空時編碼后的符號為 角標(biāo)*號表示取復(fù)數(shù)的共軛。Sl和s2分別進(jìn)行0FDM調(diào)制后經(jīng)由2根天線發(fā)送出去。設(shè)信道特性在連續(xù)的2個 0FDM數(shù)據(jù)符號時間內(nèi)保持不變，當(dāng)接收端使用nK個天線時，設(shè)2nK個子信道中第k個子載 波處的信道頻域響應(yīng)為 對于st和st+1兩個OFDM數(shù)據(jù)符號中的第k個子載波調(diào)制的符號，在兩個連續(xù)OFDM 數(shù)據(jù)符號周期中的接收信號為 也即r = H d+N (5)其中的N是均值為零，方差為o 的白高斯噪聲。在獲得準(zhǔn)確信道狀態(tài)估計(jì)信息Hk的情況下，st和st+1中第k個符號的最大似然譯碼可以表示為 其中 為每個子載波處的等效信道響應(yīng)。 々中的每一個分量滿足均值為零，方差為Ao 2的高斯分布。角標(biāo)*號表示取復(fù)數(shù)的共軛，角標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。對式⑶兩邊同時除去幅度響應(yīng)A，得到\和st+1中第k個數(shù)據(jù)符號的估計(jì)值為 因此，所得到的<，的估計(jì)值與真實(shí)值的差為 △ k是一個均值為零，方差為 的高斯隨機(jī)變量，當(dāng)Ak越大，則Var ( A k)越小，說明估計(jì)值與發(fā)送端發(fā)送的符號相 似性越大，通過計(jì)算得到的符號軟信息也就越可靠。對于非規(guī)則NB-LDPC碼來說，數(shù)據(jù)符號所對應(yīng)的校驗(yàn)矩陣列度數(shù)越大，其在譯碼 過程中收斂的速度就越快，這些數(shù)據(jù)符號的初始化軟消息可靠性對整個譯碼的收斂過程有 著較大的影響。定義參數(shù)？“?。《?1，2，…，N)用來衡量各個數(shù)據(jù)符號輸入LDPC譯碼器的 初始化消息質(zhì)量，F(xiàn)n越大，則初始化消息越有利于譯碼的收斂。由以上的分析可知，F(xiàn)n與每 個數(shù)據(jù)符號所對應(yīng)的度數(shù)Dn以及初始化軟信息可靠性有關(guān)，數(shù)據(jù)符號所對應(yīng)的度數(shù)越大， 其初始化軟信息的可靠性越高，則其越有利于譯碼的收斂。由式(11)可知初始化軟信息的 可靠性與Var(An)成反比，為了分析的簡便，可將Fn表示為 其中K為大于零的常數(shù)，P (Dn)為Dn的單調(diào)遞增函數(shù)。通過符號載波分配，使整個碼字的初始化消息質(zhì)量最優(yōu)，從而獲得最好的譯碼器 性能。也即是找出使 值最大時，數(shù)據(jù)符號所對應(yīng)的度數(shù)序列[Dp D2，…，Dn]與等效信道響應(yīng)序列[~， A2，…，An]之前的對應(yīng)關(guān)系。利用排序不等式的結(jié)論可知，當(dāng)01彡0」，則&彡4#興」i， j = 1,2,…，N)成立時，F(xiàn)可以取得最大值。因此，星座符號與OFDM子載波分配的準(zhǔn)則為設(shè)數(shù)據(jù)符號所對應(yīng)的校驗(yàn)矩陣列度 數(shù)為Di(i = l，2，…，N)，各OFDM子信道對應(yīng)的信道衰落大小為&(1 = 1，2，…，N)。當(dāng) Di SDj^ljAi乒 j i，j = l，2，...，N)成立。實(shí)施例仿真的系統(tǒng)框圖如圖1所示，使用的NB-LDPC碼定義在有限域GF(2P) (p分別等于 4和6)上，每段數(shù)據(jù)符號的長度N為384，調(diào)制方式為24QAM和26QAM。仿真所采用的信道模 型為11徑Rayleigh衰落信道，功率時延分布呈指數(shù)衰減。發(fā)射天線線固定為2個，接收天 線個數(shù)％分別取1和2。仿真比較了未使用符號載波分配算法與使用自適應(yīng)符號載波分配 算法情況下，系統(tǒng)的誤比特性能。圖4給出了使用GF(24)NB-LDPC碼編碼，24QAM調(diào)制下，未 使用符號載波分配算法與使用了自適應(yīng)符號載波分配算法時，系統(tǒng)的誤比特性能比較。結(jié) 果表明，使用了自適應(yīng)符號載波分配算法的系統(tǒng)性能有了明顯的改善。當(dāng)接收天線為1根， 誤比特率為10_4時，所提出的算法有將近2dB的性能提高。當(dāng)接收天線為2根時，所提出的 算法在誤比特率性能上有約ldB的提高。圖5給出了使用GF(26)NB_LDPC碼編碼，26QAM調(diào)制下，不使用符號載波分配算法 與使用自適應(yīng)符號載波分配算法時，系統(tǒng)的誤比特性能比較。結(jié)果表明，相比未使用自適應(yīng) 符號載波分配算法的系統(tǒng)，所提出的算法在接收天線分別為1根和2根時，系統(tǒng)性能分別有 約2dB和ldB的提高。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種基于自適應(yīng)符號載波分配的不等差錯保護(hù)方法，其特征在于步驟如下(1)將外部輸入的數(shù)據(jù)比特流經(jīng)過串并變換后，每p個數(shù)據(jù)比特組成一個符號進(jìn)行基于GF(2p)的NB-LDPC碼編碼，產(chǎn)生長度為N的數(shù)據(jù)符號流，N為NB-LDPC碼編碼碼字的長度；(2)采用2pQAM的調(diào)制方式進(jìn)行星座映射，產(chǎn)生N個星座符號，所述的N個星座符號與步驟(1)中得到的NB-LDPC編碼后的N個數(shù)據(jù)符號之間一一對應(yīng)；(3)對步驟(2)中得到的N個星座符號進(jìn)行位置重排，位置重排后應(yīng)滿足當(dāng)Di≥Dj時Ai≥Aj成立，i，j＝1，2，…，N，且i≠j，Di為進(jìn)行星座映射前第i個數(shù)據(jù)符號所對應(yīng)的NB-LDPC碼校驗(yàn)矩陣第i列的度數(shù)，Ai為第i個子信道對應(yīng)的信道衰落大??；(4)將經(jīng)過步驟(3)位置重排后的星座符號使用STBC編碼后經(jīng)OFDM調(diào)制，然后經(jīng)由天線向接收端發(fā)射；(5)在接收端對接收到的碼流進(jìn)行OFDM解調(diào)，并按照步驟(3)的逆過程對接收的星座符號進(jìn)行位置的反重排，經(jīng)軟解調(diào)得到NB-LDPC碼譯碼所需的初始化軟信息，NB-LDPC譯碼后得到數(shù)據(jù)符號經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后得到數(shù)據(jù)比特輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)符號載波分配的不等差錯保護(hù)方法，其特征 在于所述步驟⑶中進(jìn)行位置重排的方法為將&按照從大到小的順序排列得到序列I =[ii，i2，…，iN]；將Dj按照從大到小的順序排列得到序列J =[丄，戈，…，jN]，位置重排 后的星座符號序列S'根據(jù)位置重排前的星座符號序列S按照關(guān)系式S' (Ik) = S(Jk)，k =1,2,…N計(jì)算得到。
全文摘要
一種基于自適應(yīng)符號載波分配的不等差錯保護(hù)方法，根據(jù)多徑衰落信道的特點(diǎn)，自適應(yīng)符號載波分配方法依據(jù)不同變量節(jié)點(diǎn)度數(shù)的大小，自適應(yīng)地將碼字中的各個符號調(diào)制到具有不同衰落的OFDM子載波之上，將NB-LDPC碼字中對應(yīng)校驗(yàn)矩陣H的列度數(shù)大的數(shù)據(jù)符號調(diào)制到對應(yīng)信道衰落小的OFDM子載波之上，將NB-LDPC碼字中對應(yīng)校驗(yàn)矩陣H的列度數(shù)小的數(shù)據(jù)符號調(diào)制到對應(yīng)信道衰落大的OFDM子載波之上，從而對不同譯碼權(quán)重的符號進(jìn)行不等的差錯保護(hù)，達(dá)到使進(jìn)入譯碼器的初始化軟信息整體最優(yōu)的目的，改善譯碼性能。本發(fā)明方法具有實(shí)現(xiàn)簡單，可以實(shí)時處理，避免了頻繁調(diào)整功率所引起的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的問題等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04L1/00GK101860514SQ201010188590
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者尤啟迪, 李申陽, 鄒光南, 陳昕 申請人:航天恒星科技有限公司