專利名稱：一種基于自適應符號載波分配的不等差錯保護方法
技術領域：
本發明屬于數字信息傳輸領域，涉及一種在使用NB-LDPC碼級聯STBC的 MIM0-0FDM系統中通過進行自適應符號載波分配來進行不等差錯保護的方法。
背景技術：
多進制低密度奇偶校驗(NB-LDPC,Non-binary Low Density ParityCheck)碼是 一種線性分組碼，可以用生成矩陣G和校驗矩陣H來表示，并且在與調制相結合的編碼調制 中，NB-LDPC碼具有優于二進制LDPC碼的性能。H中非零元素的個數遠遠小于零元素的個 數，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校驗矩陣及度數示意圖，校驗矩陣H的每一列中的非零元 素的個數即為該列的度數，或者稱為列重。在寬帶數字通信中，編碼后的NB-LDPC碼數據符 號可以自然地映射到星座符號上，一個數據符號對應一個星座符號，滿足一一對應的關系， 而不像二進制LDPC碼那樣，需要p個數據符號與一個星座符號進行對應。多輸入多輸出(MIM0，Multiple Input Multiple Output)技術能夠在空間中產生 獨立的并行信道同時傳輸多路數據流，在不增加系統帶寬的情況下增加頻譜效率，提高系 統的傳輸速率。空時編碼(STBC，Space Time Block Coding)是達到或接近MIM0無線信道容量的 一種方法。通過空時編碼能夠在多根發射天線和各個時間周期的發射信號之間產生空域和 時域的相關性，這種空時相關性可以使接收機克服MIM0信道衰落和減少發射誤碼。對于空 間未編碼系統，空時編碼可以在不犧牲帶寬的情況下起到發射分集和功率增強作用。正交頻分復用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術通過 使用多載波窄帶調制，將寬帶信道轉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。基于NB-LDPC碼編碼的MIM0-0FDM系統，當多進制域的大小與星座點集合大小相 同時，LDPC編碼后的符號與星座點可以一一對應進行映射。在傳輸時，每個星座符號占用 1個子載波進行傳輸。在多徑衰落環境下，盡管0FDM調制中絕大部分子載波始終可以進行 正確的檢測，但部分符號的可靠性仍會因為一些子載波受到深衰落的影響而急劇降低，進 而影響譯碼的性能。針對這些影響，目前多采用自適應比特功率分配的算法進行處理，通過 對衰落較嚴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，沒有依據不同數據符號對譯碼性能的影響的大小進行特殊的處理。而且，自適應比特功 率分配算法需要對發射功率進行頻繁的調整，這對發射機的具體實現提出了很高的要求。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，針對LDPC編碼的MIM0-0FDM系統提供了一種實時、高性能、低復雜度的基于自適應符號載波分配的不等差錯保護方法。本發明的技術解決方案是一種基于自適應符號載波分配的不等差錯保護方法， 步驟如下(1)將外部輸入的數據比特流經過串并變換后，每p個數據比特組成一個符號進 行基于GF (2P)的NB-LDPC碼編碼，產生長度為N的數據符號流，N為NB-LDPC碼編碼碼字的 長度；(2)采用2PQAM的調制方式進行星座映射，產生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個數據符號之間一一對應；(3)對步驟⑵中得到的N個星座符號進行位置重排，位置重排后應滿足當Di^Dj 時&彡Aj成立，i，j = 1，2，…，N，且i乒j，Di為進行星座映射前第i個數據符號所對應 的NB-LDPC碼校驗矩陣第i列的度數，A,為第i個子信道對應的信道衰落大小；(4)將經過步驟(3)位置重排后的星座符號使用STBC編碼后經OFDM調制，然后經 由天線向接收端發射；(5)在接收端對接收到的碼流進行OFDM解調，并按照步驟(3)的逆過程對接收的 星座符號進行位置的反重排，經軟解調得到NB-LDPC碼譯碼所需的初始化軟信息，NB-LDPC 譯碼后得到數據符號經并串轉換后得到數據比特輸出。所述步驟(3)中進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'根據位置重排前的星座符號序列S按照關系式S' (Ik)=s(jk)， k = 1,2, 計算得到。本發明與現有技術相比的優點在于本發明方法通過星座符號的位置重排，實現 對不同的數據符號的不等差錯保護，進而提高接收端NB-LDPC碼的譯碼性能。本發明方法 只需對星座映射后的符號進行簡單的位置重排，實現簡單，可以實時處理，避免了現有技術 中頻繁調整功率所引起的實現復雜度高的問題，降低了成本，而且通過不等的差錯保護，改 進了系統的整體性能。
圖1為本發明方法的流程框圖；圖2為域大小為2p(p = 2)的NB-LDPC校驗矩陣及度數示意圖；圖3為本發明中數據符號與OFDM子載波自適應分配示意圖；圖4為本發明實施例中，當使用24QAM調制方式時，未使用本發明方法和使用了本 發明方法時的系統誤比特性能比較仿真圖；圖5為本發明實施例中，當使用26QAM調制方式時，未使用本發明方法和使用了本 發明方法時的系統誤比特性能比較仿真圖。
具體實施例方式在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果具有較大 的影響。在最大迭代次數設定的情況下，各數據符號的初始化軟信息越理想，譯碼平均迭 代次數越小，同時譯碼成功的概率也越大。對于非規則LDPC碼，對應校驗矩陣列度數(列重)較大的數據符號連接著更多的校驗方程，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，如果依據各OFDM子載波的衰落情況自適應地對符號與子載波進行分配，使 輸入譯碼器的初始化軟信息整體最優，則可以改善譯碼的性能。自適應符號載波分配算法 將NB-LDPC碼字中對應校驗矩陣的列度數大的數據符號調制到對應信道衰落小的OFDM子 載波之上，將NB-LDPC碼字中對應校驗矩陣的列度數小的符號節點調制到對應信道衰落大 的OFDM子載波之上，從而對不同譯碼權重的數據符號進行不等的差錯保護，達到使進入譯 碼器的初始化軟信息整體最優的目的，從而改善譯碼的性能。在實際系統中，采用本發明所提出的自適應符號載波分配方法可以對發送端的符 號載波分配方法進行實時的調整，以達到最佳性能。鏈路建立之前，發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 方法，得到信道的等效頻率響應信息并計算符號到載波的映射向量，將其反饋到發送端；發 送端根據符號到載波的映射向量，將各個符號分配到相應的子載波之上。總的來說，本發明符號載波映射的準則為設第i個數據符號所對應的校驗矩陣 列度數(列重)= 1，2，…，N)，各子信道對應的信道衰落大小為Aji = 1，2，…， N)。當Di彡Dj時，則應保證Ai彡A」(i乒j i，j = 1，2，…，N)成立，以使NB-LDPC編碼后 的N個數據符號中，對應校驗矩陣列度數大的數據符號所映射的星座符號調制到對應信道 衰落小的OFDM子載波之上；使NB-LDPC編碼后的N個數據符號中，對應校驗矩陣列度數小 的數據符號所映射的星座符號調制到對應信道衰落大的OFDM子載波之上。本發明方法的流程如圖1所示。首先，輸入的數據比特流經過比特符號轉換后進 行NB-LDPC碼編碼，產生長為N的數據符號流c，如圖3所示。在此使用GF域的大小為2P (p > 1)的NB-LDPC碼，每個數據符號由p(p> 1)個二進制數據比特組成。星座映射采用 2pQAM(p > 1)調制方式。這樣，NB-LDPC編碼后的數據符號與星座符號之間滿足一一對應 的關系，長度為N的數據符號流c經過星座映射后生成N個星座符號S= [si，s2，…，sN]。 將各個OFDM子載波的信道響應[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]。經過位置重排處理S' (Ik) = S(Jk) k = 1,2, ...N得到位置重排后的數據符號S'。重排后的數據符號經空時分組編碼后分成兩路 數據流，分別使用0FDM調制后經由2根天線發射出去。在接收端，使用nK(nK ^ 1)根天線對信號進行接收，經過0FDM解調后進行空時譯 碼，譯碼后的N個符號依據符號載波分配方案進行位置的反重排(n 處理S(Jk) = S' (Ik) k = 1,2, ...N得到原有順序的數據符號序列S = [Sl，s2,…，sN]，對其解映射得到各個數據符 號的軟信息送給NB-LDPC譯碼器進行譯碼。本發明符號載波映射準則的推導過程如下圖1中，設輸入的數據比特流經過NB-LDPC編碼后生成長度為N的數據符號流，經 星座映射后產生N個星座符號。設N = N。，N。為每個OFDM數據符號所含的數據子載波個 數，這樣，每個NB-LDPC碼字對應調制到一個0FDM數據符號之上。設st和st+1為進行空時 編碼之前t和t+1時刻兩個連續的頻域0FDM數據符號，st和st+1的向量形式表示為
經過Alamouti空時編碼以后，生成兩路數據流，分別進行0FDM調制。使用式(1) 進行Alamouti空時編碼后的符號為 角標*號表示取復數的共軛。Sl和s2分別進行0FDM調制后經由2根天線發送出去。設信道特性在連續的2個 0FDM數據符號時間內保持不變，當接收端使用nK個天線時，設2nK個子信道中第k個子載 波處的信道頻域響應為 對于st和st+1兩個OFDM數據符號中的第k個子載波調制的符號，在兩個連續OFDM 數據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。在獲得準確信道狀態估計信息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。 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*號表示取復數的共軛，角標H表示矩陣的共軛轉置。對式⑶兩邊同時除去幅度響應A，得到\和st+1中第k個數據符號的估計值為 因此，所得到的<，的估計值與真實值的差為 △ k是一個均值為零，方差為 的高斯隨機變量，當Ak越大，則Var ( A k)越小，說明估計值與發送端發送的符號相 似性越大，通過計算得到的符號軟信息也就越可靠。對于非規則NB-LDPC碼來說，數據符號所對應的校驗矩陣列度數越大，其在譯碼 過程中收斂的速度就越快，這些數據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？“！！二 1，2，…，N)用來衡量各個數據符號輸入LDPC譯碼器的 初始化消息質量，Fn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，Fn與每 個數據符號所對應的度數Dn以及初始化軟信息可靠性有關，數據符號所對應的度數越大， 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，P (Dn)為Dn的單調遞增函數。通過符號載波分配，使整個碼字的初始化消息質量最優，從而獲得最好的譯碼器 性能。也即是找出使 值最大時，數據符號所對應的度數序列[Dp D2，…，Dn]與等效信道響應序列[~， A2，…，An]之前的對應關系。利用排序不等式的結論可知，當01彡0」，則&彡4#興」i， j = 1,2,…，N)成立時，F可以取得最大值。因此，星座符號與OFDM子載波分配的準則為設數據符號所對應的校驗矩陣列度 數為Di(i = l，2，…，N)，各OFDM子信道對應的信道衰落大小為&(1 = 1，2，…，N)。當 Di SDj^ljAi乒 j i，j = l，2，...，N)成立。實施例仿真的系統框圖如圖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，每段數據符號的長度N為384，調制方式為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衰減。發射天線線固定為2個，接收天 線個數％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符號載波分配 算法情況下，系統的誤比特性能。圖4給出了使用GF(24)NB-LDPC碼編碼，24QAM調制下，未 使用符號載波分配算法與使用了自適應符號載波分配算法時，系統的誤比特性能比較。結 果表明，使用了自適應符號載波分配算法的系統性能有了明顯的改善。當接收天線為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調制下，不使用符號載波分配算法 與使用自適應符號載波分配算法時，系統的誤比特性能比較。結果表明，相比未使用自適應 符號載波分配算法的系統，所提出的算法在接收天線分別為1根和2根時，系統性能分別有 約2dB和ldB的提高。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
一種基于自適應符號載波分配的不等差錯保護方法，其特征在于步驟如下(1)將外部輸入的數據比特流經過串并變換后，每p個數據比特組成一個符號進行基于GF(2p)的NB-LDPC碼編碼，產生長度為N的數據符號流，N為NB-LDPC碼編碼碼字的長度；(2)采用2pQAM的調制方式進行星座映射，產生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個數據符號之間一一對應；(3)對步驟(2)中得到的N個星座符號進行位置重排，位置重排后應滿足當Di≥Dj時Ai≥Aj成立，i，j＝1，2，…，N，且i≠j，Di為進行星座映射前第i個數據符號所對應的NB-LDPC碼校驗矩陣第i列的度數，Ai為第i個子信道對應的信道衰落大小；(4)將經過步驟(3)位置重排后的星座符號使用STBC編碼后經OFDM調制，然后經由天線向接收端發射；(5)在接收端對接收到的碼流進行OFDM解調，并按照步驟(3)的逆過程對接收的星座符號進行位置的反重排，經軟解調得到NB-LDPC碼譯碼所需的初始化軟信息，NB-LDPC譯碼后得到數據符號經并串轉換后得到數據比特輸出。
2.根據權利要求1所述的一種基于自適應符號載波分配的不等差錯保護方法，其特征 在于所述步驟⑶中進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'根據位置重排前的星座符號序列S按照關系式S' (Ik) = S(Jk)，k =1,2,…N計算得到。
全文摘要
一種基于自適應符號載波分配的不等差錯保護方法，根據多徑衰落信道的特點，自適應符號載波分配方法依據不同變量節點度數的大小，自適應地將碼字中的各個符號調制到具有不同衰落的OFDM子載波之上，將NB-LDPC碼字中對應校驗矩陣H的列度數大的數據符號調制到對應信道衰落小的OFDM子載波之上，將NB-LDPC碼字中對應校驗矩陣H的列度數小的數據符號調制到對應信道衰落大的OFDM子載波之上，從而對不同譯碼權重的符號進行不等的差錯保護，達到使進入譯碼器的初始化軟信息整體最優的目的，改善譯碼性能。本發明方法具有實現簡單，可以實時處理，避免了頻繁調整功率所引起的實現復雜度高的問題等優點。
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 優先權日2010年5月24日
發明者尤啟迪, 李申陽, 鄒光南, 陳昕 申請人:航天恒星科技有限公司