CN107196745A - 一种结构化无速率编码调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结构化无速率编码调制方法，属于物理层编码调制领域。本发明通过设计结构化的编码调制生成矩阵，提出了一种能够保证信息比特具有相近可靠性的权重选择方法，实质是通过权重选择方式，设计基于置换矩阵的结构化生成矩阵，构造出具有保护程度相同的编码序列，同时降低信息传输的编码器复杂度。步骤1)确定调制生成矩阵的权重集合；步骤2)低密度校验码(LDPC)编码；步骤3)序列映射；步骤4)序列分段；步骤5)构造生成矩阵子矩阵；步骤6)构造生成矩阵并进行比特到符号映射，发送调制符号序列；步骤7)接收端解调，再通过LDPC译码器译码。对比现有技术，本发明具有更低的误码底限和更简单的实现复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种信息编码调制方法，特别涉及一种结构化无速率编码调制方法，属于物理层编码调制领域。
背景技术
随着无线通信技术的发展，如何提升***吞吐量成为了当前产业界研究的热点之一。为了更加有效地利用信道的传输能力，提升频谱效率，通常需要使用自适应速率传输技术，即编码和调制的选择随着信道条件的变化而进行相应调整。在传统的编码调制方案中，***首先对数据进行信道编码，然后通过数字调制技术生成发送的射频信号。由于每种信道编码和调制方式都具有一定的纠错能力。如果在纠错能力范围内，接收端可以从射频信号中恢复数据，否则，数据将丢失。如果将某一个编码和调制组合的吞吐量与对应信噪比画成曲线图，会发现在某个信噪比附近吞吐量随着信噪比降低急剧下降，形状像悬崖一样，所以称之为悬崖效应。
因此，在自适应速率传输技术中，发送端需要获取信道条件，包括信道增益和信道噪声。这些信息需要接收端对信道进行估计并通过反馈方式传输到发送端，基于此信息发送端选定一个合适的信道编码和调制组合。信道估计通常是基于有限个参考信号完成的。由于样本数量有限，很难保证估计的准确性。如果实际情况比估计的信道好，则所选的速率不能充分利用信道容量。反之，信道容量低于所选传输速率会导致数据丢失。而且自适应速率传输是由多组编码调制参数组合而成的，不能随着信道质量进行灵活变化，无法做到细颗粒度的速率变化，因此其***吞吐量呈现出阶梯状。因此无速率编码调制方案由于其速率的灵活性受到了关注。
传统的无速率编码调制方案首先通过无速率编码生成无速率信息，再通过数字调制生成调制信号。为了保证最大化利用信道传输能力，需要选择合适的调制方式。这使得信息的调制方式依然需要通过信道环境来选择，影响了无速率编码调制的实用性。与此同时，无速率编码时随机选择信息比特，使得部分比特的保护程度非常低，严重影响***误码率性能。
发明内容
针对上述无速率编码调制方式存在的需要通过信道环境选择调制方式以及无速率编码随机选择信息比特导致的***误码率高的问题，本发明提出了一种结构化无速率编码调制方法，设计了一种结构化的编码调制生成矩阵，提供一种能够自适应不同的信道状态的无速率编码调制方法，提出了一种能够保证信息比特具有相同可靠性的权重选择方法，降低传输误码率。
本发明的实质是通过权重选择方式，设计基于置换矩阵的结构化生成矩阵，构造出具有保护程度相同的编码序列；
本发明是通过以下技术方案实现的：
步骤一、确定调制生成矩阵的权重集合；
具体为：调制生成矩阵的权重集合用符号W表示，W＝{w1,w2,…,wF}(w1>w2>…>wF>0)，共需要确定F个不同的实数权重值；
步骤二、进行低密度奇偶校验码编码；
具体为：读取数据信息，数据信息的长度记为K，对此长度为K的数据信息进行高码率的LDPC(Low Density Parity Code，低密度奇偶校验码)编码，得到长度为N的LDPC编码序列，N是F的整倍数；
步骤三、序列映射；
具体为：将步骤二得到的编码序列，记为b∈{0,1}^N；将b按比特映射，得到映射序列，记为b′∈{-1,1}^N，具体可以采用映射方式0→1,1→-1或0→-1,1→1；
步骤四、序列分段；
具体为：将步骤三得到的映射序列b′平均分成F段，分别记作b′1,b′2,…,b′F，每一段长度为L＝N/F比特；
步骤五、构造生成矩阵子矩阵；
具体为：记矩阵为生成矩阵子矩阵，wi从权重集合W中选取，i∈{1,2,…,F}，其中P代表大小为L*L的置换矩阵:
步骤六、构造生成矩阵G，进行比特到符号(bit-to-symbol)映射，得到调制符号序列并发送；
具体为：发送端根据步骤一得到的权重集合，步骤二得到的LDPC编码序列的长度以及步骤五得到的生成矩阵子矩阵，构造生成矩阵G，进行比特到符号(bit-to-symbol)映射，得到调制符号序列并将其变为复调制符号序列发送；
步骤六(A)：构造生成矩阵i∈{1,2,…,F}为步骤五中矩阵的列向量随机重排，随机重排的权重判决序列记为
其中，
步骤六(B)：生成第i个调制符号，记为ci，具体通过公式ci＝G(i,:)*b′T生成，其中，G(i,:)表示步骤六(A)中生成矩阵的第i行，b′T表示步骤四中映射序列b′矩阵的转置；同理可生成第i+1个调制符号ci+1；
步骤六(C)：将得到的调制符号ci和ci+1对应到星座图上的一个星座点，其中ci为星座点的横坐标，ci+1为星座点的纵坐标，得到一个复调制符号，将得到的复调制符号传输到接收端进行解调；
步骤七、接收端收到步骤六发送的复调制符号序列后先进行解调，再通过LDPC译码器译码，并对译码信息进行CRC校验，若通过校验，则对发送端反馈ACK，发送端收到ACK后开始传输下一段信息，否则继续接收调制符号序列直到译码成功；具体为：
若接收端收到并且成功解调恢复出了调制符号序列，则发送ACK信号到发送端或发送符号数超过***所设最大值，则发送端停止发送调制符号序列；若发送端未收到ACK信号且i+1≤LG,LG表示矩阵G的行数，重复步骤六(B)和步骤六(C)来生成和发送下一个调制符号序列；若发送端未收到ACK信号且i+1>LG，构造新的生成矩阵其中系数{w′1,w′2,…,w′F}为权重序列{w1,w2,…,wF}的重新排列，得到权重判决序列；权重序列重新排列的规则遵循为：
其中，Si为步骤六(A)中的原判决序列的第i项，重排后权重判决序列更新为将新的生成矩阵与原生成矩阵进行拼接，得到更新的生成矩阵重复步骤六(B)和步骤六(C)来生成和发送新的调制符号；
其中，更新的生成矩阵G可在线下预先生成一个足够大的矩阵并存储在寄存器内；
至此，从步骤一到步骤七，完成了一种结构化无速率编码调制方法。
有益效果
本发明提出的一种结构化无速率编码调制方法，与已有技术相比较具有如下优点：
1)由于无速率调制模式下可以源源不断地产生调制符号，发送信息的码率可以灵活变化，***吞吐量曲线平滑，不出现阶梯性变化，保证了最大化利用信道传输能力，保证了高效的传输效率；
2)由于无速率调制模式下可以源源不断地产生调制符号，仅在成功传输后发送一次反馈，发送端不需要获取信道信息，降低了***受反馈时延的影响；
3)对传输数据的各个比特使用了相同的保护能力，降低了***的误码底限，从而提高了数据传输的可靠性；
4)本发明设计了基于置换矩阵的结构化生成矩阵，在实现时可以通过移位寄存器实现，保证了低实现复杂度。
附图说明
图1为本发明一种结构化无速率编码调制方法以及实施例1中所依托的结构化无速率编码调制***框图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例阐述了本发明一种结构化无速率编码调制方法所依托的结构化无速率编码调制***框图。
图1为本发明一种结构化无速率编码调制方法所依托的结构化无速率编码调制***框图。从图1可以看出，本发明的编码调制传输模型包含CRC校验单元、低密度奇偶校验码编码单元、无速率调制单元、解调单元、译码单元和CRC校验单元，其中无速率调制单元通过使用结构化的生成矩阵和权重选择算法对信息进行无速率调制；
实施例2
本实施例阐述了基于本发明所述的一种结构化无速率编码调制方法的具体实施时的步骤与细节。
步骤1、确定调制生成矩阵的权重集合(用符号W表示)， 共计8个不同的权重值。
步骤2、读取数据信息，长度记为K＝1000，对数据进行码率0.95的低密度奇偶校验码(LDPC，Low Density Parity Code)编码，则编码后长度为
步骤3、将LDPC编码后的信息序列b∈{0,1}{1*1056}按比特映射为b′∈{-1,1}{1*1056}，采用比特映射方式0→1,1→-1。
步骤4、将长度为1056的信息序列b′平均分成8段，分别记作b′1,b′2,…,b′8，每一段长度为L＝132比特。
步骤5、记矩阵其中P代表大小为132*132的置换矩阵:
步骤6、发送端根据LDPC编码数据以及权重集合，构造生成矩阵G，进行比特到符号(bit-to-symbol)映射，得到调制符号序列并发送。
具体操作步骤为：
步骤6.1：构造生成矩阵 为矩阵的列向量随机重排，权重判决序列记为
步骤6.2：生成第i个调制符号ci＝G(i,:)*b′T，同理可生成第i+1个调制符号ci+1。
步骤6.3：将得到的调制符号ci和ci+1对应到星座图上的一个星座点，其中ci为星座点的横坐标，ci+1为星座点的纵坐标，并传输到接收端进行解调。
步骤6.4：若收到接收端成功恢复信息序列并反馈ACK信号或发送符号数超过***所设最大值M＝2500，则停止发送。若未收到ACK信号且i+1≤LG,LG表示矩阵G的行数，重复步骤6.2和6.3来生成和发送下一个调制符号。若i+1>LG，构造生成矩阵其中系数{w′1,w′2,…,w′8}为权重序列{w1,w2,…,wF}的重新排列。重排规则遵循其中Si为原判决序列的第i项，重排后权重判决序列更新为 更新生成矩阵重复步骤6.2和6.3来生成和发送新的调制符号。
生成矩阵G可在线下预先生成一个足够大的矩阵并存储在寄存器内，在此实施例中，可以预存矩阵：
作为生成矩阵。
步骤7、接收端收到步骤6发送的信号后先进行解调，再通过LDPC译码器译码，并对译码信息进行CRC校验，若通过校验，则对发送端反馈ACK，发送端收到ACK后开始传输下一段信息，否则继续接收调制符号直到译码成功。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：设计了一种结构化的编码调制生成矩阵，提供一种能够自适应不同的信道状态的无速率编码调制方法，提出了一种能够保证信息比特具有相同可靠性的权重选择方法，降低传输误码率；本发明的实质是通过权重选择方式，设计基于置换矩阵的结构化生成矩阵，构造出具有保护程度相同的编码序列，包含如下步骤：
步骤一、确定调制生成矩阵的权重集合；
步骤二、低密度校验码(LDPC)编码；
步骤三、序列映射；
步骤四、序列分段；
步骤五、构造生成矩阵子矩阵；
步骤六、构造生成矩阵G，进行比特到符号(bit-to-symbol)映射，得到调制符号序列并将其变为复调制符号序列发送；
步骤七、接收端收到步骤六发送的调制符号序列后先进行解调，再通过LDPC译码器译码，并对译码信息进行CRC校验，若通过校验，则对发送端反馈ACK，发送端收到ACK后开始传输下一段信息，否则继续接收调制符号序列直到译码成功；
至此，通过步骤一到步骤七，完成了一种结构化无速率编码调制方法。
2.根据权利要求1所述的一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：步骤一，具体为：调制生成矩阵的权重集合用符号W表示，W＝{w1,w2,…,wF}(w1>w2>…>wF>0)，共需要确定F个不同的实数权重值。
3.根据权利要求1所述的一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：步骤二，具体为：读取数据信息，数据信息的长度记为K，对此长度为K的数据信息进行高码率的LDPC(LowDensity ParityCode，低密度奇偶校验码)编码，得到长度为N的LDPC编码序列，N是F的整倍数。
4.根据权利要求1所述的一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：步骤三，具体为：将步骤二得到的编码序列，记为b∈{0,1}^N；将b按比特映射,得到映射序列，记为b′∈{-1,1}^N，具体可以采用映射方式0→1,1→-1或0→-1,1→1。
5.根据权利要求1所述的一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：步骤四，具体为：将步骤三得到的映射序列b′平均分成F段，分别记作b′1,b′2,…,b′F，每一段长度为L＝N/F比特。
6.根据权利要求1所述的一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：步骤五，具体为：记矩阵为生成矩阵的子矩阵，wi从权重集合W中选取，i∈{1,2,…,F}，其中P代表大小为L*L的置换矩阵:
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</mrow>
7.根据权利要求1所述的一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：步骤六，具体为：发送端根据步骤一得到的权重集合，步骤二得到的LDPC编码序列以及步骤五得到的子矩阵，构造生成矩阵G，进行比特到符号(bit-to-symbol)映射，得到调制符号序列并发送；
步骤6.1：构造生成矩阵 i∈{1,2,…,F}为步骤五中矩阵的列向量随机重排，随机重排的权重判决序列记为
其中，
步骤6.2：生成第i个调制符号，记为ci，具体通过公式ci＝G(i,:)*b′T生成，其中，G(i,:)表示步骤6.1中生成矩阵的第i行，b′T表示步骤四中映射序列b′矩阵的转置；同理可生成第i+1个调制符号ci+1；
步骤6.3：将得到的调制符号ci和ci+1对应到星座图上的一个星座点，其中ci为星座点的横坐标，ci+1为星座点的纵坐标，得到一个复调制符号，将得到的复调制符号传输到接收端进行解调。
8.根据权利要求1所述的一种结构化无速率编码调制方法，其特征在于：步骤七，具体为：若接收端收到并且成功解调恢复出了调制符号序列，则发送ACK信号到发送端或发送符号数超过***所设最大值，则发送端停止发送调制符号序列；若发送端未收到ACK信号且i+1≤LG,LG表示矩阵G的行数，重复步骤6.2和步骤6.3来生成和发送下一个调制符号序列；若发送端未收到ACK信号且i+1>LG，构造新的生成矩阵其中系数{w′1,w′2,…,w′F}为权重序列{w1,w2,…,wF}的重新排列，得到权重判决序列；权重序列重新排列的规则遵循为：
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<mo>;</mo>
</mrow>
其中，Si为步骤六(A)中的原判决序列的第i项，重排后权重判决序列更新为将新的生成矩阵与原生成矩阵进行拼接，得到更新的生成矩阵重复步骤6.2和步骤6.3来生成和发送新的调制符号；
其中，更新的生成矩阵G可在线下预先生成一个足够大的矩阵并存储在寄存器内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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