一种基于无速率码和V‑OFDM的联合编码调制方法技术
本发明专利技术公开了一种基于无速率码与V-OFDM的联合编码调制方法。发射端基于无速率码编码调制，其基本特点是：（1）将无速率码编码后的消息比特流映射到时频域消息矩阵中，满足数据块面积度的均匀性；（2）将无速率码编码后的消息比特调制到子载波上时，自由度不同的消息比特映射到同一个子载波上，自由度相同的消息比特映射到不同的子载波上。本发明专利技术通过联合编码调制，能够更加有效的对抗双选信道的频率选择性衰落和时间选择性衰落，克服符号间干扰和载波干扰，有效对抗双选衰落，获得更大的双选信道联合多径-多普勒分集增益，降低误码率，提高通信质量。
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【技术实现步骤总结】
一种基于无速率码与V-OFDM的联合编码调制方法
本专利技术涉及无线通信领域，具体涉及一种基于无速率码和的联合编码调制方法。
技术简介
无线通信利用电磁波携带信号，在自由空间中传输信息，可以摆脱地形的限制，不受传输线缆的束缚，具有极好的移动性。同时，如何控制传输的数据信息的差错、抵抗噪声干扰、实现数据的准确再现，成为无线通信中的一个重要课题。具有纠错能力的信道编码技术是解决这一问题的关键。在信道编码过程中，编码的主要应用是为传输的数据信息提供保障，通过在数据信息中加入一定数量的受控冗余比特，可以有效抵抗信道的噪声和干扰，使得传输的数据信息产生的差错能够被接收端检测和纠正，通过解码从接收信号中最大程度地恢复出原始的数据信息。信道编码技术始于1948年发表在《贝尔技术杂志》上的《数字通信理论》一文，香农提出了著名的信道编码定理。之后，各种类型的纠错编码方法相继出现，包括：汉明码、循环码、BCH码、RS码、卷积码、Turbo码以及LDPC码等。以上几种纠错编码方法可以统称为固定码率的前向纠错编码。在前向纠错编码设计中，通常需要发送端的编码器根据预先估计的信道状态信息，设计一个合适且固定的码率R进行编码。然而固定码率编码技术存在两个问题：（1）发送端无法适应无线通信环境的复杂多变，固定码率一方面可能无法保证数据的可靠传输，另一方面也可能造成传输效率的浪费；（2）随之而来的差错控制技术引入了专门的反馈通道，当传输的数据丢失时，接收端会向发送端反馈重传请求；当发送端与接收端距离较远时，反馈信号的传输时延在所难免。如果参与通信的用户数量较多，也会造成网络拥塞。
无速率码是一类能够适应信道状态变化、具有良好编码增益、有效减少反馈信息量的信道编码技术。与现有的固定速率编码方法相比，无速率码特指编码端不采用固定速率的编码。无速率码是无速率编码，具有三个重要性质：（1）无速率码的流性质：发射端可以连续输出编码包，形成无限连续的编码包流，不受任何速率约束；（2）自适应链路自适应：数据传输前不需要固定编码速率，编码包是连续产生的，实际传输速率取决于接收端成功解码所需的编码包数量，能够适应信道状态的变化；（3）水桶效应：接收端收集编码包，收集到足够数量的编码包后，即可成功恢复原始数据。无速率码能够适应信道变化，实现信道—链路码率的自适应匹配，非常适合复杂多变的通信信道。在宽带高速移动通信环境中，信号从发射机经过物理空间反射到达接收机，接收机收到一组时延不同的信号簇，这种由多径扩展引起的符号间干扰称为宽带传输的频率选择性衰落。另一方面，发射机与接收机之间的相对运动会引起电磁波载波频率的偏移，多径效应会产生多普勒扩展，导致时间选择性衰落。频率选择性衰落和时间选择性衰落相结合，产生了双选择性衰落信道。
另一方面，双选择性信道在给无线通信系统带来严重的双选择性衰落的同时，也提供了更多的信道自由度，信号经过不同的路径到达接收端，接收端接收到的信号簇具有多个消息副本，这样就可以获得联合多径-多普勒分集增益。在CDMA系统中，提出了基于时频二维的RAKE接收机方法。为了对抗频率选择性衰落和时间选择性衰落，提高无线通信的可靠性，提出了一种基于信号二维变换域的发射机和接收机设计方法，即变换域均衡。该方案的灵感来源于将信号空间变换到变换域，然后进行信号均衡操作。为了对抗频率选择性衰落和时间选择性衰落，提高通信可靠性，实现通信码率链路自适应，提高通信效率，在无速率码编码技术和调制技术的基础上，提出了一种无速率编码和联合设计的编码调制技术。该方法区别于传统编码调制级联机制，考虑编码技术和调制技术各自的特点，进行联合编码调制设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中编码调制单纯级联、无法获得联合编码调制增益的不足，提供一种基于无速率编码和联合设计的编码调制方法。该方法不仅可以实现无速率编码链路自适应匹配，有效对抗双选择性信道的频率选择性衰落和时间选择性衰落，还可以获得额外的编码调制增益，在低复杂度条件下降低误码率，提高通信性能。一种基于无速率码及联合设计的编码调制方法，其特征在于：根据特定度分布的无速率码，即在选定的图的基础上，联合设计编码调制映射机制，（1）使得无速率码编码消息比特流映射到消息块中，满足数据块均匀的区域度分布；（2）将编码消息比特调制到子载波上时，将不同自由度的编码消息比特映射到同一个子载波上，将相同自由度的消息比特映射到不同的子载波上，使得信号能够穿越更多的时域和频域子信道，获得联合多径—多普勒分集增益，对抗双选择信道的深度衰落，提高编码调制性能。一种基于无速率码的联合编码调制方法及联合编码调制方法，具体步骤为：（1）对原始消息比特流进行无速率编码，得到待调制的编码比特流{b0，b1，…，bN，…}，并获得编码器无速率码的度分布信息D；（2）对编码比特流{b0，b1，…，bN，…}进行调制，得到调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}；（3）无速率编码度分布分析单元分析无速率码的度分布信息D，设计编码调制映射单元，通过编码调制映射单元将调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}映射到大小为P×K的时频域消息矩阵MP×K；编码调制映射单元基于无速率编码和联合设计，具体包括两个基本特征：（1）将无速率码编码的消息比特流映射到时频域消息矩阵MP×K上，满足数据块的区域度分布保持均匀；（2）将无速率码编码的消息比特流映射到时频域消息矩阵MP×K上调制到子载波上时，不同自由度的消息比特映射到同一个子载波上，相同自由度的消息比特映射到不同的子载波上。基于此思想，我们提出两种具体的实现机制：（1）编码调制映射单元S，（2）编码调制映射单元E。首先，无速率编码度分布分析单元根据时频域消息矩阵P×K的大小，分析每个P×K编码调制符号的度分布信息，并对其进行排序操作。然后，根据有序的度分布，设计编码调制映射单元。编码调制映射单元S输出时频域消息矩阵，该信号矩阵满足从中心开始依次环绕，编码节点度不增加排列到外层。编码调制映射单元E输出时频域消息矩阵，该信号矩阵满足从对角线开始依次环绕，度不增加排列到外层。(4)在时频域消息矩阵中添加二维循环前缀ZP，得到新的时频域信号矩阵，该新的时频域信号矩阵可记为：Q为双选信道最大多普勒展开径数，L为双选信道多径展开的多径数；(5)添加二维循环前缀ZP后，对时频域信号矩阵进行调制，得到调制信号Ms，调制公式为：式中为第i行向量，Msp为调制信号Ms的第p行向量；并串转换后得到发送信号序列x(n)，x(n): = [Ms0,Ms1,…,MsP+Q-1]; (6)接收端对接收信号序列y(n)进行解调，首先将接收信号y(n): = [Mr0,Mr1,…,MrP+Q-1]进行串并转换后再进行解调，得到解调后的时频域接收信号矩阵，解调公式为：
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【技术保护要点】
一种基于无速率码与V-OFDM的联合编码调制方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：(1)对原始消息比特流进行无速率编码得到待调制的编码比特流{b0，b1，…，bN，…}，并获得编码器无速率码的图度分布信息D；(2)对所述编码比特流{b0，b1，…，bN，…}进行调制得到调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}；(3)无速率编码度分布分析单元分析编码器无速率码的图度分布信息D，设计编码调制映射单元，并通过编码调制映射单元将调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}映射到大小为P×K的时频域消息矩阵MP×K上；编码调制映射单元基于无速率编码和联合设计，具体包括：本发明具有两个基本特点：（1）将无速率码编码的消息比特流映射到时频域消息矩阵MP×K上，满足数据块的均匀区域度分布；（2）将无速率码编码的消息比特调制到子载波上时，不同自由度的消息比特映射到同一个子载波上，相同自由度的消息比特映射到不同的子载波上，编码调制映射单元输出时频域消息矩阵；（4）在时频域消息矩阵中添加二维循环前缀ZP，得到新的时频域信号矩阵，该新的时频域信号矩阵可记为：Q为双选择信道最大多普勒扩展径数，L为双选择信道多径扩展的多径数； (5)添加二维循环前缀ZP后对时频域信号矩阵进行调制，得到调制信号Ms，调制公式如下： 其中，为第i行向量，Msp为调制信号Ms的第p行向量；经过并串转换后，得到发送信号序列x(n)，x(n):=[Ms0,Ms1…,MsP+Q‑1]； (6)接收端对接收信号序列y(n)进行解调操作；首先将接收信号y(n):=[Mr0,Mr1…,MrP+Q‑1]进行串并转换后再进行解调，得到解调后的时频域接收信号矩阵解调公式如下： 其中，为第i行向量，Rp为R的第p行向量； (7)将解调信号R经过二维傅里叶变换F2(·)变换到变换域，并进行一阶MMSE均衡操作，最后经过二维逆傅里叶变换F2‑1(·)操作，得到估计的时频域数据。其中，二维傅里叶变换F2(·)、MMSE均衡和二维逆傅里叶变换F2‑1(·)具体操作如下：Fr(r,c)=F2(s)(r,c)=1(P+Q)(K+L)Σp=0P+Q-1ΣKk=0K+L-1rp,ke-j2πkcK+Le-j2πprP+Q,]]>其中，rp,k为解调后的时频域接收信号矩阵R的第p行、第k列元素；一阶MMSE均衡操作如下：式中，为信道估计的信道抽头系数矩阵，SNR为信噪比；为MMSE均衡后估计信号矩阵在变换域的第p行、第k列元素； (8)将估计的时频域数据经过与编码调制映射单元对应的编码调制解映射单元进行解映射，得到数据比特流 (9)将数据比特流经过无速率码BP迭代解码解调，得到解码后的解调数据流
【技术特点概要】
1.一种基于无速率码与V-OFDM的联合编码调制方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤： (1)对原始消息比特流进行无速率编码得到待调制的编码比特流{b0，b1，…，bN，…}，并获得编码器无速率码的图度分布信息D； (2)对编码比特流{b0，b1，…，bN，…}进行调制得到调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}； (3)无速率编码度分布分析单元分析编码器无速率码的图度分布信息D，设计编码调制映射单元，并通过编码调制映射单元将调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}映射到大小为P×K的时频域消息矩阵MP×K；编码调制映射单元基于无速率编码和联合设计，具体包括两个基本特征：（1）将无速率码编码后的消息比特流映射到时频域消息矩阵MP×K上，使得数据块的区域度分布保持均匀；（2）无速率编码度分布分析单元分析编码比特流{b0，b1，…，bN，…}得到调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}；（3）无速率编码度分布分析单元分析编码器无速率码的图度分布信息D，设计编码调制映射单元，将调制符号序列{m0，m1，…，mN，…}通过编码调制映射单元映射到大小为P×K的时频域消息矩阵MP×K；编码调制映射单元基于无速率编码和联合设计，具体包括两个基本特征：（1）将无速率码编码的消息比特流映射到时频域消息矩阵MP×K中，使得数据块的区域度分布保持均匀；（2）将无速率码编码的消息比特调制到子载波上时，不同自由度的消息比特映射到同一个子载波上，相同自由度的消息比特映射到不同的子载波上，编码调制映射单元输出时频域消息矩阵；（4）在时频域消息矩阵中添加二维循环前缀ZP，得到新的时频域信号矩阵，可记为式中Q为双选信道最大多普勒扩展径数，L为双选信道多径扩展的多径数； （5）添加二维循环前缀ZP后，对时频域信号矩阵进行调制，得到调制信号Ms，调制公式为： 其中，为第i行向量，Msp为调制信号Ms的第p行向量；经过并串转换后，得到发送信号序列x(n)，x(n): = [Ms0，Ms1，…，MsP+Q-1]； （6）接收端对接收信号序列y(n)进行解调；首先将接收信号y(n)： = [Mr0，Mr1，…，MrP+Q-1]进行串并转换，得到Vec...
【专利技术属性】
技术研发人员：张朝阳、付攀玉、涂坤、杨晓翔、张宇、张华子、王贤斌、张亮、
申请人（专利权人）：浙江大学，
类型：发明
国家省份: 浙江; 33
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