CN104168083A - 一种原型图ldpc码编码调制的交织映射方法 - Google Patents

Abstract

一种原型图LDPC码编码调制的交织映射方法，首先将星座映射点的q个比特位按调制可靠度降序进行排序；将P-LDPC码原型图中代表实际传输的p个变量节点按重量进行划分并排序，顺序依次是：最重的一类变量节点；重量为1的变量节点；重量为2的变量节点；以及重量介于2和最重节点之间的一类变量节点。将编码器输出的np个编码比特按照上述变量节点的重量顺序进行排序，得到经过交织的序列。将经过交织后的序列顺序均分成q个比特段，每段有m＝np/q个比特；将分成的q个编码比特段顺序分配给q个调制星座比特位。依次从每个比特段中顺序选择一个比特，构成一个包括q个比特的调制符号，一共形成m个调制符号。

Description

一种原型图LDPC码编码调制的交织映射方法

技术领域

本发明涉及一种原型图低密度奇偶校验(P-LDPC)码的编码调制的交织映射方法，属于数字通信中的信道编码调制技术领域。

背景技术

无线通信***的任务是利用有限的带宽提供信息的高速无误传输。对典型的功率和带宽受限的无线通信***，信道编码和调制是传输可靠性和频谱有效性的重要保证。先进的信道编码技术能够有效提高***的可靠性，而在无线链路资源有限的情况下，采用高阶调制技术无疑是提高***频谱资源利用率的有效手段之一。

但随着调制阶数的增加减小了传输符号之间的欧氏距离，降低了通信***的可靠性，限制了调制阶数的进一步提高。这就造成了传统的信道编码和调制分开设计存在较大缺陷，因此，编码调制(Coded Modulation,CM)联合设计的概念被提出，比特交织编码调制(Bit-Interleaved CodedModulation,BICM)就是这样一种将信道编码和调制作为一个整体进行联合优化设计的技术。如图1所示，BICM在编码器和调制器之间引入比特交织器，在理想交织条件下，编码和调制可以独立设计，从而降低了CM***的设计难度。

低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check,LDPC)码是迄今发现的性能最好的信道编码方案，它可以用一个二分图来表示。基于LDPC码的BICM***以其优越的性能,在近年来得到了相当多的关注和研究,在各种通信***中都得到了广泛的应用。代表了先进水平的宽带无线通信长期演进***(LTE)和欧洲第二代数字电视广播(DVB)***分别采用了基于turbo码和LDPC码的BICM技术。

高阶调制技术主要有QAM、PSK、ASK等方式，每个星座映射点包含多个比特位，阶数越高，比特位越多。目前LTE***最高采用了64-QAM调制，DVB***采用了256-QAM调制。

编码调制***中对信息比特的不同保护度来自于两个方面，一方面是编码产生的，如经过LDPC编码的比特在迭代译码过程中收敛性不一致，重的比特(或者说度数高的比特，或者说连接边数多的比特)收敛速度更快，即重的比特具有更高的保护度；另一面来自于星座映射，经过调制后的信息比特因为星座映射比特位的不同抗噪声能力也不同，即调制可靠度不等。对于调制而言最优的Gray映射也只是最大限度的减少了被调制比特的可靠度差异。如图2所示，采用Gray映射的64-QAM调制的星座图，每个调制符号的星座点包含6个比特位b₁b₂b₃b₄b₅b₆，其可靠度关系为λ(b₁)＝λ(b₂)>λ(b₃)＝λ(b₄)>λ(b₅)＝λ(b₆)。随着码率和调制阶数的升高，编码保护度和调制可靠度引起的差异变的更为显著，这使得编码比特到调制星座的交织映射变得更加重要。

针对高谱效率LDPC码编码的BICM，交织方案的优化设计可以使***获得明显的性能增益。现有的交织方案主要有以下几种：一种是随机(Rand)交织映射，即LDPC码编码比特到调制星座点的映射是随机的；一种是较为通用的方法，即编码保护度高的比特映射到星座图中调制可靠度高的比特位置，称之为注水(Water-filling,WF)交织映射；还有一种是编码保护度低的比特映射到调制可靠度高的星座点上，而编码保护度高的比特映射到调制可靠度低的星座点上，可以称为反注水交织映射。交织方案的设计还需要考虑具体的编码构造和调制映射方式，同时也应该考虑实现复杂度。

基于原型图(Protograph)构造的一类LDPC(P-LDPC)码不仅具有渐进香农限的性能，并且由于它具体的结构化构造方法使得编译码实现复杂度低，从而被深空通信标准所采纳。典型的P-LDPC码有ARJA码、AR4A码、ARAA码等。P-LDPC码的基础结构由简单的原型图确定，对原型图经过“复制-边交换”(如图3所示)等预设的扩展，可以得到需要长度的LDPC码图。原型图中的变量节点对应着编码比特，根据变量节点连接的边数(或者重量，或者度数)可以把变量节点分类。目前针对P-LDPC码的交织映射方法主要还是采用上面提及的注水交织映射或者反注水交织映射两种，且主要针对基于4类原型图节点对应2⁴-QAM调制这样特定对等的情况，没有针对一般的P-LDPC码和调制方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种P-LDPC码编码调制的交织映射方法，采用该交织映射方法的编码调制***可获得更好的性能，并且复杂度低、实现简单。

本发明包括如下技术方案：一种原型图LDPC码编码调制的交织映射方法，步骤如下：

(1)将星座映射点的q个比特位按调制可靠度降序进行排序；

(2)将P-LDPC码原型图中代表实际传输的p个变量节点按重量进行划分并排序，顺序依次是：最重的一类变量节点；重量为1的变量节点；重量为2的变量节点；以及重量介于2和最重节点之间的一类变量节点；将编码器输出的np个编码比特按照上述变量节点的重量顺序进行排序，得到经过交织的序列，其中n为原型图扩展因子；

(3)将步骤(2)中经过交织后的序列按照顺序均分成q个比特段，每段有m＝np/q个比特；

(4)将步骤(3)中的q个编码比特段按顺序分配给步骤(1)中排序后的q个比特位；依次从每个比特段中顺序选择一个比特，进行调制，生成一个调制符号，最终形成m个调制符号，每个调制符号包括q个比特。

所述步骤(1)中的排序，当调制星座比特位可靠度相等时，排序不分先后。

所述步骤(2)中同一重量的变量节点，排序不分先后。

所述步骤(2)中重量介于2和最重节点之间的一类变量节点中变量节点的排序不分先后。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

本方法利用了LDPC码编码比特和调制星座点的不均等错误保护特性，以及LDPC码不同度数的节点在迭代译码时发挥的作用，特别是充分考虑了度为1和2的变量节点在迭代译码时的特点，给予了较优先的保护，因此该方法使***的误码性能得到提高。

本方法充分利用了LDPC码的特性，因此可获得更好的性能，并且复杂度低、实现简单。

另外，该方法不局限于P-LDPC码，还适用于以任意方式构造的非规则LDPC码，具有通用性和可推广性。

附图说明

图1是P-LDPC码和2^q-QAM调制的BICM***框图。

图2是采用Gray映射的64-QAM调制的星座图。

图3是原型图进行“复制-边交换”等扩展操作示意图。

图4是P-LDPC码的原型图示意图，图4a是AR4A码原型图结构，图4b是AR4JA码原型图结构。

图5是本发明实施例的流程图。

图6是本发明方法与现有交织映射方法的误帧率性能比较图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：对基于P-LDPC码编码调制的交织设计，根据P-LDPC码原型图中待传输的变量节点的编码保护度和高阶调制星座比特可靠度的不均等特性，优先保护最重的变量节点，其次保护重为1的变量节点，然后是重为2的变量节点，最后是其它重量的变量节点。

为使本发明的内容和技术手段更加清楚和完整，以下结合附图对本发明做进一步详细阐明。

本实施以典型的QAM调制和Gray映射方式为例进行介绍。

如图4a所示，定义P-LDPC码原型图上有p+1个变量节点，分别标记为{V₀,V₁,…,V_p}，其中V₀表示打孔不传输的节点，其余p个变量节点(黑色实心圆表示)对应编码后实际传输比特。在构造LDPC码时通过一定预设规则对原型图进行扩展，每个节点分别关联n个编码比特，具体关系如下：

V_t＝{v_nt+1,v_nt+2,…,v_nt+n},t＝0,1,2,…,p

P-LDPC码总编码比特长度为N＝n(p+1)，实际传输比特数为N’＝np，V₀对应的比特段打孔不传输。整个P-LDPC码为V₁,V₂,…,V_p这p段实际传输的比特，提供了不同的编码保护度，通常度数高的节点编码保护度更高。

图1给出了P-LDPC码和2^q-QAM调制的BICM***框图。定义编码比特经交织输出的关系如下：

c_j＝v_i,j＝π(i),i,j＝1,2,3,…,np

交织后的比特序列进行2^q-QAM调制，对编码比特交织后的输出序列{c₁,c₂,…,c_np}顺序分成q个比特段，每段有m个比特，m＝np/q，具体定义如下：

C_k＝{c_m(k-1)+1,c_m(k-1)+2,…,c_m(k-1)+m},k＝1,2,…,q

从{C₁,C₂,…,C_q}中各选取第l个比特，调制成一个2^q-QAM符号，共m个2^q-QAM符号：

$\{c_{m*0+l},c_{m*1+l},....,c_{m*(q-1)+l}\}\⇒x_l,l=\mathrm{1,2},...,m$

有了上面的定义和说明，结合附图5，本实施方式的交织方法包括如下具体步骤：

步骤S401：将星座映射点的q个比特位b₁b₂…b_q按调制可靠度降序进行排序。

步骤S402：将P-LDPC码原型图中代表实际传输的p个变量节点按重量进行划分并排序，顺序依次是：最重的一类变量节点；重量为1的变量节点；重量为2的变量节点；以及重量介于2和最重节点之间的一类变量节点。将编码器输出的np个编码比特按照上述变量节点的重量顺序进行排序，得到经过交织的序列{c₁,c₂,…,c_np}。n为原型图扩展因子，经过n倍扩展后得到P-LDPC码码图，每个节点分别关联n个编码比特，扩展后码长为np。

步骤S403：将经过交织后的序列{c₁,c₂,…,c_np}顺序均分成q个比特段，每段有m＝np/q个比特，q个比特段表示为C_k＝{c_m(k-1)+1,c_m(k-1)+2,…,c_m(k-1)+m},k＝1,2,…,q，即C₁＝{c₁,c₂,…,c_m}，C₂＝{c_m+1,c_m+2,…,c_m+m}，…C_q＝{c_m(q-1)+1,c_m(q-1)+2,…,c_m(q-1)+m}。

步骤S404：将q个经过交织后的编码比特段{C₁,C₂,…,C_q}顺序分配给按可靠度降序排列的q个调制星座比特位。

每个比特段对应一个调制星座比特位，依次从每个比特段C₁,C₂,…,C_q中顺序选取第l个比特，调制成一个2^q-QAM符号，共m个2^q-QAM符号： $\{c_{m*0+l},c_{m*1+l},....,c_{m*(q-1)+l}\}\⇒x_l,l=\mathrm{1,2},...,m.$

下面通过具体例子说明交织映射的过程。

如图2所示，是采用Gray映射的64-QAM调制的星座图。每个星座点包含6个映射比特，即q＝6，各个映射比特的调制可靠度不等。每个64-QAM符号关联6个交织后的编码比特。根据星座图，可以很容易的划分各比特检测的判决区，再从判决区的划分可以推出q＝6个比特段中各个比特的调制可靠度关系为：λ(b₁)＝λ(b₂)>λ(b₃)＝λ(b₄)>λ(b₅)＝λ(b₆)。因此，将64-QAM星座点中的6个映射比特位按可靠度降序进行排序为{b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆}。

图4a是一个AR4A码原型图，将原型图中代表实际传输的变量节点{V₁,V₂,…,V₆}按重量进行划分：重量为4的变量节点，也即最重的一类变量节点是{V₂,V₃,V₄}；重为1的变量节点{V₁}；重为2的变量节点{V₅,V₆}。在图4a的例子中，没有重量介于2和最重节点之间的一类变量节点，则分类排序的过程执行到此为止；而在图4b的例子中存在重量介于2和最重节点之间的一类节点，即重量为3的节点，则按照发明方法要求进行划分排序。按照图4a的原型图进行变量节点分类排序后为{V₂,V₃,V₄,V₁,V₅,V₆}。将编码器输出的6n个编码比特按照变量节点的重量顺序{V₂,V₃,V₄,V₁,V₅,V₆}进行排序，得到经过交织的序列{c₁,c₂,…,c_6n}。

然后把序列{c₁,c₂,…,c_6p}顺序均分成6个比特段，每段有m＝n个比特，即C₁＝{c₁,c₂,…,c_n}，C₂＝{c_n+1,c_n+2,…,c_n+n}，…C₆＝{c_5n+1,c_5n+2,…,c_5n+n}。

将6个经过交织后的编码比特段{C₁,C₂,…,C₆}顺序分配给按可靠度降序排列的6个调制星座比特位。每个比特段对应一个调制星座比特位，即，C₁对应b₁，C₂对应b₂，…C₆对应b₆。依次从C₁,C₂,…,C₆中顺序选取一个比特，调制成一个2⁶-QAM符号，共n个2⁶-QAM符号。在组成第一个调制符号时，各选择C₁,C₂,…,C₆中的第一个比特c₁c_n+1…c_5n+1，对应b₁b₂b₃b₄b₅b₆的一组取值，生成一个调制符号。在组成第二个调制符号时，各选择C₁,C₂,…,C₆中的第二个比特c₂c_n+2…c_5n+2，对应b₁b₂b₃b₄b₅b₆的一组取值，生成一个调制符号。依次类推，直到生成n个2⁶-QAM符号。

图6是码长4096比特、码率2/3的AR4A码和64-QAM调制的BICM***误帧率仿真结果，和多种交织方案以及随机交织方案的性能进行了比较。可以看出，本发明方案π_OPT与基于注水的交织方案π_WF相比，有0.1dB的性能增益，相对于随机交织方案π_Rand大约有超过0.2dB的性能增益，更加好于反注水交织方案π_RWF和其它的交织映射方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种原型图LDPC码编码调制的交织映射方法，其特征在于步骤如下：

(1)将星座映射点的q个比特位按调制可靠度降序进行排序；

(2)将P-LDPC码原型图中代表实际传输的p个变量节点按重量进行划分并排序，顺序依次是：最重的一类变量节点；重量为1的变量节点；重量为2的变量节点；以及重量介于2和最重节点之间的一类变量节点；将编码器输出的np个编码比特按照上述变量节点的重量顺序进行排序，得到经过交织的序列，其中n为原型图扩展因子；

(3)将步骤(2)中经过交织后的序列按照顺序均分成q个比特段，每段有m＝np/q个比特；

(4)将步骤(3)中的q个编码比特段按顺序分配给步骤(1)中排序后的q个比特位；依次从每个比特段中顺序选择一个比特，进行调制，生成一个包括q个比特的调制符号，最终形成m个调制符号。

2.根据权利要求1所述的一种原型图LDPC码编码调制的交织映射方法，其特征在于：所述步骤(1)中的排序，当调制星座比特位可靠度相等时，排序不分先后。

3.根据权利要求1所述的一种原型图LDPC码编码调制的交织映射方法，其特征在于：所述步骤(2)中同一重量的变量节点，排序不分先后。

4.根据权利要求1所述的一种原型图LDPC码编码调制的交织映射方法，其特征在于：所述步骤(2)中重量介于2和最重节点之间的一类变量节点中变量节点的排序不分先后。