一種基于分集的無(wú)速率碼聯(lián)合度數(shù)動(dòng)態(tài)譯碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線通信信道編碼領(lǐng)域，具體涉及一種基于分集的無(wú)速率碼聯(lián)合度數(shù) 動(dòng)態(tài)譯碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線通信利用電磁波承載信號(hào)，在自由空間中傳播信息，可以擺脫地形的限制，不 受傳輸線纜的束縛，具有極佳的機(jī)動(dòng)性。與此同時(shí)，如何對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行差錯(cuò)控制， 對(duì)抗噪聲干擾以及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)重現(xiàn)成為無(wú)線通信的一個(gè)重要問(wèn)題。具備糾錯(cuò)能力的信 道編碼技術(shù)即是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵。在信道編碼過(guò)程中，編碼的主要運(yùn)用是對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 信息提供保護(hù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息增加一定數(shù)量受到控制的冗余位，以有效地對(duì)抗信道的噪 聲和干擾，使得傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的差錯(cuò)可以被接收機(jī)檢測(cè)和糾正，通過(guò)譯碼從接收 信號(hào)中最大限度地恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信息。信道編碼技術(shù)始于1948年Shannon在貝爾技術(shù) 期刊上發(fā)表的"數(shù)字通信理論"一文，香農(nóng)提出了著名的信道編碼定理。之后，多種類型的 糾錯(cuò)編碼方法相繼問(wèn)世，包括：漢明碼、循環(huán)碼、BCH碼、RS碼、卷積碼、Turbo碼和低密度奇 偶校驗(yàn)碼（LDPC)碼等。
[0003] 以上的糾錯(cuò)編碼方法可以統(tǒng)稱為碼率固定的前向糾錯(cuò)編碼。在前向糾錯(cuò)編碼的設(shè) 計(jì)中，通常需要位于發(fā)送端的編碼器預(yù)先根據(jù)估計(jì)得到信道狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)一個(gè)合適且固 定的碼率R來(lái)進(jìn)行編碼。然而固定碼率編碼技術(shù)存在兩個(gè)問(wèn)題：（1)發(fā)送端無(wú)法自適應(yīng)無(wú)線 通信環(huán)境的復(fù)雜性和變化性，固定碼率有可能無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，另一方面，也有可 能造成傳輸效率浪費(fèi)；（2)與之應(yīng)運(yùn)而生的差錯(cuò)控制技術(shù)，通過(guò)引入一條特殊的反饋信道， 當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)丟失時(shí)，由接收端向發(fā)送端反饋重傳請(qǐng)求；當(dāng)收發(fā)兩端距離較遠(yuǎn)時(shí)，反饋信號(hào) 的傳輸時(shí)延不可避免，如果參與的通信用戶數(shù)目較多，還會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)阻塞。
[0004] 無(wú)速率碼是一種能夠自適應(yīng)信道狀態(tài)變化，具有良好的編碼增益同時(shí)又能夠有效 減少反饋信息量的信道編碼技術(shù)。相對(duì)于現(xiàn)有固定碼率的編碼方法，無(wú)速率碼特指在編碼 端無(wú)固定碼率的編碼。無(wú)速率碼是一種無(wú)速率約束碼，它具有三個(gè)重要的屬性：（1)無(wú)速率 碼的流屬性：發(fā)送端可以源源不斷地輸出編碼包，形成一個(gè)可以無(wú)限延續(xù)的編碼包流，而 沒(méi)有任何速率約束；（2)自適應(yīng)鏈路適配：編碼的碼率不需要在數(shù)據(jù)傳輸前固定，編碼包是 源源不斷地產(chǎn)生的，實(shí)際傳輸?shù)拇a率取決于接收端譯碼成功所需要的編碼包個(gè)數(shù)，能自適 應(yīng)信道狀態(tài)的變化；（3)桶積水效應(yīng)：接收端收集編碼包，收集到數(shù)量足夠多的編碼包后即 能成功恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。
[0005] 由于無(wú)速率碼具有以上優(yōu)良的特性，因而在無(wú)線通信編碼領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。如 何提高無(wú)速率碼迭代譯碼可靠性成為提高編碼性能的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。目前已有較多基于 LDPC碼的動(dòng)態(tài)譯碼規(guī)劃的研宄成果，其動(dòng)態(tài)調(diào)度策略基本采用最大殘余迭代優(yōu)先策略，由 于其算法的局限性，會(huì)帶來(lái)貪婪群現(xiàn)象和靜默變量節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。基于這第一種現(xiàn)象，有學(xué)者提 出了限定殘余置信傳遞策略，以制約饑餓元素和貪婪群組。針對(duì)第二個(gè)現(xiàn)象，采用靜默節(jié)點(diǎn) 釋放的殘余置信傳遞調(diào)度策略，以保證所有變量節(jié)點(diǎn)都以相同的概率將自身的LLR信息傳 遞到迭代過(guò)程中去。由于無(wú)速率碼和LDPC碼具有極大的相似性，我們可以將LDPC的動(dòng)態(tài) 譯碼策略移植到無(wú)速率碼的編譯碼技術(shù)中。但是，基于最大殘余迭代優(yōu)先策略需要在每一 輪迭代過(guò)程中計(jì)算每個(gè)變量節(jié)點(diǎn)的殘余置信度，以及接收概率，考慮無(wú)速率碼的自適應(yīng)以 及Tanner圖龐大等特征，直接采用基于最大殘余迭代優(yōu)先策略會(huì)帶來(lái)極其龐大的計(jì)算量， 譯碼時(shí)延高。因而我們需要尋求適合無(wú)速率碼的獨(dú)特的動(dòng)態(tài)譯碼規(guī)劃或者調(diào)度策略。
[0006] 目前，有學(xué)者提出了接收端采用無(wú)速率譯碼自適應(yīng)機(jī)制，采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)空間星座 點(diǎn)映射的16QAM或64QAM，首先計(jì)算來(lái)自信道的LLR信息，接收端根據(jù)誤碼率要求設(shè)計(jì)判決 區(qū)間，當(dāng)變量節(jié)點(diǎn)來(lái)自信道LLR信息低于閾值時(shí)，則丟掉信息（Discarded)。即僅采用置信 度高的信道LLR信息參與迭代譯碼過(guò)程，丟棄置信度低的變量節(jié)點(diǎn)信息。由于譯碼忽略了 部分信道信息，因而迭代譯碼性能不可能達(dá)到最佳狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有無(wú)速率碼迭代譯碼技術(shù)簡(jiǎn)單洪流迭代（并行迭代）或者 串行迭代的缺陷，提供一種基于分集的無(wú)速率碼聯(lián)合度數(shù)動(dòng)態(tài)譯碼方法。該方法在信號(hào)空 間分集的基礎(chǔ)上，聯(lián)合度數(shù)對(duì)無(wú)速率碼的BP迭代譯碼進(jìn)行動(dòng)態(tài)譯碼規(guī)劃，在不犧牲帶寬的 基礎(chǔ)上，以低復(fù)雜度提高無(wú)速率碼迭代譯碼收斂速度，降低誤碼率，提高通信性能。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種基于分集的無(wú)速率碼聯(lián)合度數(shù) 動(dòng)態(tài)譯碼方法，發(fā)送端提供一無(wú)速率編碼方式獲得的傳輸碼；將信號(hào)空間分集確定多層信 號(hào)空間子層，逐層增大信號(hào)空間子層內(nèi)的相鄰星座點(diǎn)的歐式距離；以及根據(jù)聯(lián)合度數(shù)編碼 調(diào)制方法對(duì)所述傳輸碼進(jìn)行調(diào)制，歐氏距離由大到小的信號(hào)空間子層分別對(duì)應(yīng)調(diào)制所述傳 輸碼中度數(shù)由大到小的編碼比特；接收端接收調(diào)制后的傳輸碼，根據(jù)串行分層動(dòng)態(tài)譯碼規(guī) 劃方法解調(diào)所述傳輸碼，優(yōu)先迭代歐氏距離較大的信號(hào)空間子層、且信號(hào)空間子層內(nèi)部?jī)?yōu) 先迭代編碼度數(shù)較大的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)以解析所述傳輸碼。具體包括以下步驟：
[0009] (1)發(fā)送端對(duì)原始消息比特流{bQ，V"，bu ???}進(jìn)行無(wú)速率編碼，得到待調(diào)制的傳 輸碼的編碼比特流{i%nv，mu…}，并獲取編碼器無(wú)速率碼的Tanner圖度數(shù)分布信息D;
[0010] ⑵將M維調(diào)制信號(hào)空間分集形成多層信號(hào)空間子層，逐層增大信號(hào)空間子層相 鄰星座點(diǎn)歐式距離《 …，用符號(hào)'Si，S2,……，表示信號(hào)空間分集 信號(hào)比特集合；
[0011] ⑶根據(jù)聯(lián)合度數(shù)編碼調(diào)制方法調(diào)制編碼比特流…，mu…}，歐氏距離較大 的信號(hào)空間子層調(diào)制度數(shù)較大的編碼比特，歐氏距離較小的信號(hào)空間子層調(diào)制度數(shù)較小的 編碼比特，經(jīng)過(guò)調(diào)制后得到調(diào)制符號(hào)序列{X(1，Xl…，;聯(lián)合度數(shù)編碼調(diào)制方法如下：
[0012] maxD(S〇) ^minD(S1),
[0013] maxD(S1) ^minD(S2),
[0014] …
[0015]
[0016] 其中，SySpS2，……，表示信號(hào)空間子層信號(hào)比特集合；D以）表示信號(hào)空 間子層Si的調(diào)制編碼比特的度數(shù)；
[0017] (4)將調(diào)制符號(hào)序列{X(l，Xl…，xu ???}進(jìn)行上變頻得到發(fā)送信號(hào)序列t(n)，并將其 發(fā)送到信道中；
[0018] (5)經(jīng)歷AWGN加性白高斯信道，接收端接收到消息序列r(n)，經(jīng)過(guò)下變頻得到基 帶數(shù)字信號(hào)消息序列{yci,y:…，…}，根據(jù)Tanner圖，對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)消息序列yf ，yu ???}進(jìn)行聯(lián)合度數(shù)的串行分層動(dòng)態(tài)譯碼，恢復(fù)出發(fā)送端的消息比特流。
[0019] 進(jìn)一步地，所述步驟5中，所述聯(lián)合度數(shù)的串行分層動(dòng)態(tài)譯碼具體為：
[0020]A)初始化Tanner圖中所有連接邊的LLR(對(duì)數(shù)似然信息）信息；
[0021] Qv，c= 0,Rc，v= 0
[0022] 其中，Qv，。和R。，及別表示Tanner圖中所有連接邊在變量節(jié)點(diǎn)到校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)方向的 LLR信息集合和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)到變量節(jié)點(diǎn)方向的LLR信息集合；
[0023] B)計(jì)算所有變量節(jié)點(diǎn)來(lái)自信道的LLR信息Leh，計(jì)算公式如下：
[0024]
[0025] 推導(dǎo)得到變量節(jié)點(diǎn)Xi來(lái)自信道的LLR信息LLRxi，計(jì)算公式如下：
[0026]
12345 其中，n和N分別是LDPC碼和LT碼的變量節(jié)點(diǎn)數(shù)目，{Xi= 0:a}表示調(diào)制比特xi =〇時(shí)所對(duì)應(yīng)的星座點(diǎn)a的集合，{Xi= 1:a}表示調(diào)制比特xi= 1時(shí)所對(duì)應(yīng)的星座點(diǎn)a的 集合，y是待譯碼的基帶數(shù)字信號(hào)，〇 2是噪聲方差； 2 C)BP譯碼迭代次數(shù)Iter從1到最大迭代次數(shù)IterMax，優(yōu)先迭代歐氏距離大的信 號(hào)空間子層，即按照信號(hào)空間子層，……，S2,Si，&的順序依次迭代；信號(hào)空間子層內(nèi) 部?jī)?yōu)先迭代編碼度數(shù)大的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)；按上述順序依次迭代更新變量節(jié)點(diǎn)到校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的LLR 信息Qv，。，變量節(jié)點(diǎn)Vi到校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)h的連接邊的LLR信息計(jì)算公式如下： 3
[0029]
4 其中，N(^) \Cj表示除去校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)cj自身的連接到變量節(jié)點(diǎn)vi的所有校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)， %為校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)Cj到變量節(jié)點(diǎn)v,的連接邊的LLR信息，％.,e尺,； 5 D)按照步驟C)描述的迭代順序依次迭代更新校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)到變量節(jié)點(diǎn)的LLR信息 ，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)h到變量節(jié)點(diǎn)vi的連接邊的LLR信息in計(jì)算公式如下：
[0032]
[0033] 其中，N(Cj)\Vi表示除去變量節(jié)點(diǎn)Vi自身的連接到校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)c」的所有變量節(jié)點(diǎn)； 其中，雙曲線函數(shù)tanh(x)的具體表達(dá)式為：
[0034]
[0035]石;s'l1Ler/」、丁守丁取人迭代次數(shù)IterMax，則進(jìn)入步驟C)，若迭代次數(shù) Iter大于最大迭代次數(shù)IterMax，則進(jìn)入步驟F);
[0036] F)計(jì)算所有變量節(jié)點(diǎn)的判決LLR信息，變量節(jié)點(diǎn)式如下：
[0037]
[0038] 其中，L(Vi)為變量節(jié)點(diǎn)Vi的判決LLR信息；
[0039] G)根據(jù)各變量節(jié)點(diǎn)的判決LLR信息L(v)進(jìn)行判決，從而解析獲得發(fā)送端發(fā)送的傳 輸碼的消息比特流如丄….心.，
[0040]
[0041] 其中，$是第i號(hào)譯碼符號(hào)。
[0042] 進(jìn)一步地，所述M維調(diào)制信號(hào)空間為M-PSK或MQAM或MASK空間。
[0043] 計(jì)算復(fù)雜度方面，本發(fā)明基于信號(hào)空間星座點(diǎn)分集，逐層增加相鄰星座點(diǎn)的歐式 距離，聯(lián)合度數(shù)編碼調(diào)制，歐氏距離大的信號(hào)空間子層調(diào)制度數(shù)大的編碼比特；設(shè)編碼比特 長(zhǎng)度，即發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)塊大小為D，則發(fā)送端只需要根據(jù)編碼碼字的度數(shù)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制映 射，復(fù)雜度為〇 (D);接收端進(jìn)行聯(lián)合度數(shù)動(dòng)態(tài)譯碼規(guī)劃方法，而動(dòng)態(tài)調(diào)度譯碼不會(huì)帶來(lái)額 外的譯碼復(fù)雜度開(kāi)銷?？梢?jiàn)本發(fā)明方法的復(fù)雜度低。
[0044] 本發(fā)明適用于信道變化復(fù)雜、高速移動(dòng)環(huán)境下的寬帶傳輸無(wú)線通信系統(tǒng)。在復(fù)雜 的通信信道條件下，發(fā)送端編碼器難以根據(jù)信道狀態(tài)信息設(shè)置固定碼率編碼。碼率太高，導(dǎo) 致接收端譯碼器無(wú)法成功譯碼，可靠性低；碼率過(guò)低，造成通信資源浪費(fèi)，效率低；無(wú)速率 碼具有流屬性，能源源不斷發(fā)送編碼比特，實(shí)現(xiàn)信道鏈路自適應(yīng)匹配，能在保證通信可靠性 的前提下提高通信效率。其次，采用基于聯(lián)合度數(shù)分集的無(wú)速率碼動(dòng)態(tài)譯碼方法可以大幅 度的提高無(wú)速率碼的譯碼性能。
[0045] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)信號(hào)空間分集，聯(lián)合無(wú)速率碼的度數(shù)聯(lián)合編碼 調(diào)制映射，接收端采用動(dòng)態(tài)譯碼規(guī)劃，能夠大幅度降低譯碼收斂的誤碼平臺(tái)，更好地利用信 道LLR