一種原型圖ldpc碼編碼調制的交織映射方法
【專利摘要】一種原型圖LDPC碼編碼調制的交織映射方法，首先將星座映射點的q個比特位按調制可靠度降序進行排序；將P-LDPC碼原型圖中代表實際傳輸的p個變量節點按重量進行劃分并排序，順序依次是：最重的一類變量節點；重量為1的變量節點；重量為2的變量節點；以及重量介于2和最重節點之間的一類變量節點。將編碼器輸出的np個編碼比特按照上述變量節點的重量順序進行排序，得到經過交織的序列。將經過交織后的序列順序均分成q個比特段，每段有m＝np/q個比特；將分成的q個編碼比特段順序分配給q個調制星座比特位。依次從每個比特段中順序選擇一個比特，構成一個包括q個比特的調制符號，一共形成m個調制符號。
【專利說明】一種原型圖LDPC碼編碼調制的交織映射方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種原型圖低密度奇偶校驗(P-LDPC)碼的編碼調制的交織映射方法，屬于數字通信中的信道編碼調制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]無線通信系統的任務是利用有限的帶寬提供信息的高速無誤傳輸。對典型的功率和帶寬受限的無線通信系統，信道編碼和調制是傳輸可靠性和頻譜有效性的重要保證。先進的信道編碼技術能夠有效提高系統的可靠性，而在無線鏈路資源有限的情況下，采用高階調制技術無疑是提高系統頻譜資源利用率的有效手段之一。
[0003]但隨著調制階數的增加減小了傳輸符號之間的歐氏距離，降低了通信系統的可靠性，限制了調制階數的進一步提高。這就造成了傳統的信道編碼和調制分開設計存在較大缺陷，因此，編碼調制(Coded Modulat1n, CM)聯合設計的概念被提出，比特交織編碼調制(Bit-1nterleaved Coded Modulat1n, BI CM)就是這樣一種將信道編碼和調制作為一個整體進行聯合優化設計的技術。如圖1所示，BICM在編碼器和調制器之間引入比特交織器，在理想交織條件下，編碼和調制可以獨立設計，從而降低了 CM系統的設計難度。
[0004]低密度奇偶校驗(Low-Density Parity-Check, LDPC)碼是迄今發現的性能最好的信道編碼方案，它可以用一個二分圖來表示。基于LDPC碼的BICM系統以其優越的性能，在近年來得到了相當多的關注和研究，在各種通信系統中都得到了廣泛的應用。代表了先進水平的寬帶無線通信長期演進系統(LTE)和歐洲第二代數字電視廣播(DVB)系統分別采用了基于turbo碼和LDPC碼的BICM技術。
[0005]高階調制技術主要有QAM、PSK、ASK等方式，每個星座映射點包含多個比特位，階數越高，比特位越多。目前LTE系統最高采用了 64-QAM調制，DVB系統采用了 256-QAM調制。
[0006]編碼調制系統中對信息比特的不同保護度來自于兩個方面，一方面是編碼產生的，如經過LDPC編碼的比特在迭代譯碼過程中收斂性不一致，重的比特(或者說度數高的比特，或者說連接邊數多的比特)收斂速度更快，即重的比特具有更高的保護度；另一面來自于星座映射，經過調制后的信息比特因為星座映射比特位的不同抗噪聲能力也不同，即調制可靠度不等。對于調制而言最優的Gray映射也只是最大限度的減少了被調制比特的可靠度差異。如圖2所示，采用Gray映射的64-QAM調制的星座圖，每個調制符號的星座點包含 6 個比特位,其可靠度關系為 λ (Id1) = λ (b2) > λ (b3) = λ (b4) > λ (b5)=λ (b6)。隨著碼率和調制階數的升高，編碼保護度和調制可靠度引起的差異變的更為顯著，這使得編碼比特到調制星座的交織映射變得更加重要。
[0007]針對高譜效率LDPC碼編碼的BICM，交織方案的優化設計可以使系統獲得明顯的性能增益。現有的交織方案主要有以下幾種:一種是隨機(Rand)交織映射，即LDPC碼編碼比特到調制星座點的映射是隨機的；一種是較為通用的方法，即編碼保護度高的比特映射到星座圖中調制可靠度高的比特位置，稱之為注水(Water-filling，WF)交織映射；還有一種是編碼保護度低的比特映射到調制可靠度高的星座點上，而編碼保護度高的比特映射到調制可靠度低的星座點上，可以稱為反注水交織映射。交織方案的設計還需要考慮具體的編碼構造和調制映射方式，同時也應該考慮實現復雜度。
[0008]基于原型圖(Protograph)構造的一類LDPC(P-LDPC)碼不僅具有漸進香農限的性能，并且由于它具體的結構化構造方法使得編譯碼實現復雜度低，從而被深空通信標準所采納。典型的P-LDPC碼有ARJA碼、AR4A碼、ARAA碼等。P-LDPC碼的基礎結構由簡單的原型圖確定，對原型圖經過“復制-邊交換”(如圖3所示)等預設的擴展，可以得到需要長度的LDPC碼圖。原型圖中的變量節點對應著編碼比特，根據變量節點連接的邊數(或者重量，或者度數)可以把變量節點分類。目前針對P-LDPC碼的交織映射方法主要還是采用上面提及的注水交織映射或者反注水交織映射兩種，且主要針對基于4類原型圖節點對應24-QAM調制這樣特定對等的情況，沒有針對一般的P-LDPC碼和調制方式。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提供一種P-LDPC碼編碼調制的交織映射方法，采用該交織映射方法的編碼調制系統可獲得更好的性能，并且復雜度低、實現簡單。
[0010]本發明包括如下技術方案:一種原型圖LDPC碼編碼調制的交織映射方法，步驟如下:
[0011](I)將星座映射點的q個比特位按調制可靠度降序進行排序；
[0012](2)將P-LDPC碼原型圖中代表實際傳輸的P個變量節點按重量進行劃分并排序，順序依次是:最重的一類變量節點；重量為I的變量節點；重量為2的變量節點；以及重量介于2和最重節點之間的一類變量節點；將編碼器輸出的np個編碼比特按照上述變量節點的重量順序進行排序，得到經過交織的序列，其中η為原型圖擴展因子；
[0013](3)將步驟⑵中經過交織后的序列按照順序均分成q個比特段，每段有m = np/q個比特；
[0014](4)將步驟(3)中的q個編碼比特段按順序分配給步驟⑴中排序后的q個比特位；依次從每個比特段中順序選擇一個比特，進行調制，生成一個調制符號，最終形成m個調制符號，每個調制符號包括q個比特。
[0015]所述步驟(I)中的排序，當調制星座比特位可靠度相等時，排序不分先后。
[0016]所述步驟(2)中同一重量的變量節點，排序不分先后。
[0017]所述步驟(2)中重量介于2和最重節點之間的一類變量節點中變量節點的排序不分先后。
[0018]本發明與現有技術相比的有益效果為:
[0019]本方法利用了 LDPC碼編碼比特和調制星座點的不均等錯誤保護特性，以及LDPC碼不同度數的節點在迭代譯碼時發揮的作用，特別是充分考慮了度為I和2的變量節點在迭代譯碼時的特點，給予了較優先的保護，因此該方法使系統的誤碼性能得到提高。
[0020]本方法充分利用了 LDPC碼的特性，因此可獲得更好的性能，并且復雜度低、實現簡單。
[0021]另外，該方法不局限于P-LDPC碼，還適用于以任意方式構造的非規則LDPC碼，具有通用性和可推廣性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是P-LDPC碼和2q_QAM調制的BICM系統框圖。
[0023]圖2是采用Gray映射的64-QAM調制的星座圖。
[0024]圖3是原型圖進行“復制-邊交換”等擴展操作示意圖。
[0025]圖4是P-LDPC碼的原型圖示意圖，圖4a是AR4A碼原型圖結構，圖4b是AR4JA碼原型圖結構。
[0026]圖5是本發明實施例的流程圖。
[0027]圖6是本發明方法與現有交織映射方法的誤幀率性能比較圖。
【具體實施方式】
[0028]本發明的基本思想是:對基于P-LDPC碼編碼調制的交織設計，根據P-LDPC碼原型圖中待傳輸的變量節點的編碼保護度和高階調制星座比特可靠度的不均等特性，優先保護最重的變量節點，其次保護重為I的變量節點，然后是重為2的變量節點，最后是其它重量的變量節點。
[0029]為使本發明的內容和技術手段更加清楚和完整，以下結合附圖對本發明做進一步詳細闡明。
[0030]本實施以典型的QAM調制和Gray映射方式為例進行介紹。
[0031]如圖4a所示，定義P-LDPC碼原型圖上有p+1個變量節點，分別標記為IVtlJ1,…，vp}，其中Vtl表示打孔不傳輸的節點，其余P個變量節點(黑色實心圓表示)對應編碼后實際傳輸比特。在構造LDPC碼時通過一定預設規則對原型圖進行擴展，每個節點分別關聯η個編碼比特，具體關系如下:
[0032]Vt = {vnt+1, vnt+2,...，vnt+n}，t = 0，1，2，...，p
[0033]P-LDPC碼總編碼比特長度為N = η (p+1)，實際傳輸比特數為N’ = np, V0對應的比特段打孔不傳輸。整個P-LDPC碼為V1, V2,…，Vp這P段實際傳輸的比特，提供了不同的編碼保護度，通常度數高的節點編碼保護度更高。
[0034]圖1給出了 P-LDPC碼和2q_QAM調制的BICM系統框圖。定義編碼比特經交織輸出的關系如下:
[0035]Cj = Vi, j = Ti (i), i, j = I, 2, 3,…，np
[0036]交織后的比特序列進行2Μ?ΑΜ調制，對編碼比特交織后的輸出序列Ic1, C2,…,cnp}順序分成q個比特段,每段有m個比特，m = np/q,具體定義如下:
[0037]Ck — {Cmm.” Cmm+2,...，cm(k-1)+m}) k — 1，2，...，q
[0038]從IC1, C2,…，CJ中各選取第I個比特，調制成一個2q_QAM符號，共m個2q_QAM符號:
[0039]{cm*o+/, Cm* ι+ι,...,Xi, I —I，2，Itl
[0040]有了上面的定義和說明，結合附圖5，本實施方式的交織方法包括如下具體步驟:
[0041]步驟S401:將星座映射點的q個比特位I^b2…b,按調制可靠度降序進行排序。
[0042]步驟S402:將P-LDPC碼原型圖中代表實際傳輸的P個變量節點按重量進行劃分并排序，順序依次是:最重的一類變量節點；重量為I的變量節點；重量為2的變量節點；以及重量介于2和最重節點之間的一類變量節點。將編碼器輸出的np個編碼比特按照上述變量節點的重量順序進行排序，得到經過交織的序列Ic1, C2,…，cnp}。η為原型圖擴展因子，經過η倍擴展后得到P-LDPC碼碼圖，每個節點分別關聯η個編碼比特，擴展后碼長為np。
[0043]步驟S403:將經過交織后的序列Ic1, C2,…，cnp}順序均分成q個比特段，每段有m=np/q個比特，q個比特段表示為 Ck — icm(k-l)+l，Cm(k_l)+2，…，Cm(k-l)+nJ ) ^ — 1，2，…，Q，即 C1
—iCD C2>...，CnJ，— {cm+1, Cm+2,..., Cm+m}，...Cq — icm(q-1)+i，Cm(q-l)+2>...，Cm(q-l)+nJ。
[0044]步驟S404:將q個經過交織后的編碼比特段IC1, C2，…，CtJ順序分配給按可靠度降序排列的q個調制星座比特位。
[0045]每個比特段對應一個調制星座比特位，依次從每個比特段C1, C2,…，Cq中順序選取第I個比特，調制成一個21QAM符號，共m個2q-QAM符號:
{cm*Q+j, Cm^i +/，...,—Φ.Xj , I — 15 2,...,/Wo
[0046]下面通過具體例子說明交織映射的過程。
[0047]如圖2所示，是采用Gray映射的64-QAM調制的星座圖。每個星座點包含6個映射比特，即q = 6，各個映射比特的調制可靠度不等。每個64-QAM符號關聯6個交織后的編碼比特。根據星座圖，可以很容易的劃分各比特檢測的判決區，再從判決區的劃分可以推出q = 6個比特段中各個比特的調制可靠度關系為:λ (I3l) = λ (b2)>A (b3)=λ (b4)>X (b5) = λ (b6)。因此，將64-QAM星座點中的6個映射比特位按可靠度降序進行排序為 Ib1, b2, b3, b4, b5, b6}。
[0048]圖4a是一個AR4A碼原型圖，將原型圖中代表實際傳輸的變量節點IV1, V2,…，V6}按重量進行劃分:重量為4的變量節點，也即最重的一類變量節點是{V2，V3，VJ ;重為I的變量節點{AM ;重為2的變量節點{V5，V6}。在圖4a的例子中，沒有重量介于2和最重節點之間的一類變量節點，則分類排序的過程執行到此為止；而在圖4b的例子中存在重量介于2和最重節點之間的一類節點，即重量為3的節點，則按照發明方法要求進行劃分排序。按照圖4a的原型圖進行變量節點分類排序后為{mm}。將編碼器輸出的6n個編碼比特按照變量節點的重量順序IV2，V3, V4, V1, V5, V6I進行排序，得到經過交織的序列IcD C2>...，C6rJ。
[0049]然后把序列{C1，C2^"，C6P}順序均分成6個比特段，每段有m = η個比特，即C1 =icl，。2，...，CrJ ? C2 — {cn+1, Cn+2,...，Cn+n}，...C6 — {c5n+1, C5n+2,...，C5n+n}。
[0050]將6個經過交織后的編碼比特段IC1, C2,…，C6I順序分配給按可靠度降序排列的6個調制星座比特位。每個比特段對應一個調制星座比特位，即，C1對應b1; C2對應b2，
對應b6。依次從C1, C2,…，C6中順序選取一個比特，調制成一個26-QAM符號，共η個26-QAM符號。在組成第一個調制符號時，各選擇C1, C2,…，C6中的第一個比特C1Clri…c5n+1,對應b1b2b3b4b5b6的一組取值,生成一個調制符號。在組成第二個調制符號時，各選擇C1, C2,…，C6中的第二個比特c2cn+2*“c5n+2,對應的一組取值,生成一個調制符號。依次類推，直到生成η個26-QAM符號。
[0051]圖6是碼長4096比特、碼率2/3的AR4A碼和64-QAM調制的BICM系統誤幀率仿真結果，和多種交織方案以及隨機交織方案的性能進行了比較。可以看出，本發明方案與基于注水的交織方案Hwf相比，有0.1dB的性能增益，相對于隨機交織方案JItond大約有超過0.2dB的性能增益，更加好于反注水交織方案ii EffF和其它的交織映射方案。
[0052]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
[0053]本發明未作詳細描述的內容屬于本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種原型圖LDPC碼編碼調制的交織映射方法，其特征在于步驟如下: (1)將星座映射點的q個比特位按調制可靠度降序進行排序； (2)將P-LDPC碼原型圖中代表實際傳輸的P個變量節點按重量進行劃分并排序，順序依次是:最重的一類變量節點；重量為I的變量節點；重量為2的變量節點；以及重量介于2和最重節點之間的一類變量節點；將編碼器輸出的np個編碼比特按照上述變量節點的重量順序進行排序，得到經過交織的序列，其中η為原型圖擴展因子； (3)將步驟(2)中經過交織后的序列按照順序均分成q個比特段，每段有m= np/q個比特； (4)將步驟(3)中的q個編碼比特段按順序分配給步驟⑴中排序后的q個比特位；依次從每個比特段中順序選擇一個比特，進行調制，生成一個包括q個比特的調制符號，最終形成m個調制符號。
2.根據權利要求1所述的一種原型圖LDPC碼編碼調制的交織映射方法，其特征在于:所述步驟⑴中的排序，當調制星座比特位可靠度相等時，排序不分先后。
3.根據權利要求1所述的一種原型圖LDPC碼編碼調制的交織映射方法，其特征在于:所述步驟(2)中同一重量的變量節點，排序不分先后。
4.根據權利要求1所述的一種原型圖LDPC碼編碼調制的交織映射方法，其特征在于:所述步驟(2)中重量介于2和最重節點之間的一類變量節點中變量節點的排序不分先后。
【文檔編號】H04L1/00GK104168083SQ201410220046
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】竇金芳, 李小軍, 周詮, 譚慶貴, 蔣煒, 梁棟, 朱忠博 申請人:西安空間無線電技術研究所