星座映射解映射及线性变换星座图映射解映射方法和装置

摘要

本发明公开了一种星座映射解映射及线性变换星座图映射解映射方法和装置，星座图映射方法包括：对编码和交织后的比特流按满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图进行星座图映射，将码字映射到相应的星座点，将输出的信号流经后续处理后在信道上发射；其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。本发明可使调制解调系统在高斯信道和衰落信道的接收性能之间获得折衷，即使调制解调系统在衰落信道和高斯信道下以及介于两者之间的其他信道下都有满意的接收性能。

说明书

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其涉及一种星座映射解映射及线性变换星座图映射解映射方法和装置。

背景技术

在通信系统中，常用的QPSK(正交相移键控调制，Quadrature Phase-ShiftKeying)、16QAM(正交幅度调制，Quadrature Amplitude Modulation)和64QAM等调制方式一般会采用自然映射或格雷映射的方式，以获得在高斯信道下较好的解调性能。但是，理论上已经证明，在高斯信道下最优的映射方式不能提供无线衰落信道下的最优解调。

公开号为CN1430353、名称为“最小欧氏距离最大化的星座映射级联纠错编码方法”的中国专利，公开了一种结合卷积编码和最大后验概率迭代解码的方式，证明最小欧氏距离最大的星座图映射方式可以实现高斯信道下的最优解调性能，如图1所示的实现框图中，将随机交织器置于发射端处的卷积编码器和映射器之间为了降低两个模块之间比特流的相关性。在接收端，解映射后得到解码用的外信息，然后此外信息被用于下一轮的解映射。通过这样迭代的方式，接收系统的后验概率可能达到最大；同时，星座图上星座点的欧氏距离也能被最大化，以至于在同样的信号功率下，这样的映射方式可以更好的对抗高斯噪声。但是，这种映射方式在无线衰落信道下不能达到很好的接收性能。

星座图中两个星座点之间的欧氏距离是指在星座图上该两个星座点之间的几何距离。两个星座点之间的汉明距离是指此两个星座点对应的两个码字之间对应位上的码元值不同的位数。

另一方面，为了改善通信系统在无线信道下的性能，IEEE通讯汇刊(IEEETransactions on Communications)，2003年3月第51卷第3期416至427页，名称为“Linear constellation precoding for OFDM with maximum multipathdiversity and coding gain”的文献中提出了一种称为“线性星座预编码”的技术，这种技术通过将星座图上星座点的汉明距离最大化，大大改善了系统在无线衰落信道下的接收性能，并提高了系统的分集增益。但是，这项技术已被证明不会改善系统在高斯信道下的性能，因为它没有改善星座图上星座点的欧氏距离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种星座映射解映射及线性变换星座图映射解映射方法和装置，可以适应各种类型的无线信道，并且提高接收性能。

为了解决上述问题，本发明提供了一种结合线性变换的星座图映射方法，包括：将编码后的比特流进行第一映射方式的星座图映射，输出信号流；对信号流直接进行线性星座变换或先进行随机交织后再进行线性星座变换，将第一映射方式的星座图上的星座点变换为具有相同码字的第二映射方式的星座图上的星座点，输出的信号流经后续处理后在信道上发射；所述第二映射方式的星座图是满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图，其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明还提供了一种结合线性变换的星座图解映射方法，包括：

将从信道接收的信号流进行线性星座反变换，将第二映射方式的星座图上的星座点反变换为具有相同码字的第一映射方式的星座图上的星座点；将线性星座反变换后的信号流直接按第一映射方式的星座图进行解映射后输出，或者先进行解交织后再按第一映射方式的星座图解映射后输出；所述第二映射方式的星座图是满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图，其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明还提供了一种线性星座变换装置，包括映射器，还包括一线性星座变换器，其中：所述映射器，用于将编码后的信息比特流按第一映射方式的星座图映射；所述线性星座变换器，用于将信号流进行线性星座变换，输出按第二映射方式的星座图映射的信号流；所述第二映射方式的星座图是满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图，其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明还提供了一种线性星座反变换装置，包括解映射器，还包括一线性星座反变换器，其中：所述线性星座反变换器，用于将从信道接收的信号流进行线性星座反变换，将第二映射方式的星座图上的星座点反变换为具有相同码字的第一映射方式的星座图上的星座点；所述解映射器，用于将反变换后的信号流按第一映射方式的星座图解映射后输出；所述第二映射方式的星座图是满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图，其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。

进一步地，还包括一随机解交织器和一随机交织器，其中：所述随机解交织器，用于将线性星座反变换器输出的信号流进行解交织，并输出到所述解映射器；所述解映射器用于将随机解交织器输出的信号流按第一映射方式的星座图解映射；所述随机交织器，用于对从所述解映射器中提取的外信息进行随机交织，并送到线性星座反变换器；所述线性星座反变换器，还用于利用所述外信息采用反馈迭代方式进行线性星座反变换。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明还提供了一种星座映射方法，对编码和交织后的比特流按满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图进行星座图映射，将码字映射到相应的星座点，将输出的信号流经后续处理后在信道上发射；其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明还提供了一种星座解映射方法，对从信道接收的信号流，按满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图进行星座图解映射，将星座点解映射为相应的码字，再进行后续的随机解交织和卷积解码处理；其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明还提供了一种星座映射装置，包括存储模块和映射模块；存储模块，用于保存满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图上星座点和码字之间的对应关系信息；其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择；映射模块，用于基于配置的所述对应关系信息对编码和交织后的比特流进行星座图映射。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明还提供了一种星座解映射装置，包括存储模块和解映射模块；所述存储模块，用于保存配置的满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图上星座点和码字之间的对应关系信息；其中，G是代价函数，d是输入码字集合的最小欧氏距离的统计值，D是输入码字集合的最小汉明距离的统计值，α和β是加权系数，根据实际信道的特性来选择。所述解映射模块，用于基于配置的所述对应关系信息对接收信号进行星座图解映射。

进一步地，所述d为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离之和或者均值；所述D为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间的汉明距离之和或者均值；实际信道为高斯信道时，α＝1，β＝0；实际信道为衰落信道时，α＝0，β＝1；实际信道介于高斯信道和衰落信道之间时，α≥0，β≥0，且α+β＝1。

本发明可以提供更多的自由度来设计星座图上星座点的最小欧氏距离和最小汉明距离，使调制解调系统在高斯信道和衰落信道的接收性能之间获得折衷，即使调制解调系统在衰落信道和高斯信道下以及介于两者之间的其他信道下都有满意的接收性能。

附图说明

图1传统的结合卷积编码和最大后验概率迭代解码方式的星座图映射方法的实现框图；

图2本发明提出的结合线性变换的星座图映射方法的实现框图；

图3传统的64QAM自然映射的星座图；

图4传统的64QAM格雷映射的星座图；

图5本发明提出的64QAM映射的星座图的一个实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

第一实施例

如图2所示，发送端的所述线性星座变换装置包括依次相连的映射器、第一随机交织器、线性星座变换器，其中的映射器即为图1中的映射器，也就是说在原有的映射器之后增加了随机交织器和线性星座变换器。

映射器，用于将编码后的信息比特流按第一映射方式的星座图映射，该第一映射方式可以是自然映射或格雷映射或其他映射方式，其中图3和图4分别示出了64QAM自然映射或格雷映射的星座图。

第一随机交织器，用于将所述映射器的输出信号进行随机交织；

线性星座变换器，用于将随机交织后的信号流进行线性星座变换，输出按第二映射方式的星座图映射的信号流。

上述第二映射方式的星座图是指本发明的满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图，如何得到该星座图下文中会详细地进行说明。在进行线性星座变换时，是将第一映射方式的星座图上的星座点变换为具有相同码字的第二映射方式的星座图上的星座点。具体地，可以将两个星座图上具有相同码字的对应星座点先配置在一对应表中，变换时直接查找该对应表即可确定应变换到的星座点。

上述随机交织器是可选的，加入该随机交织器可以减少信号流之间的相关性，提高接收端的解码性能。

相应地，接收端具有一线性星座反变换装置，包括依次相连的线性星座反变换器、随机解交织器和解映射器，以及连接在解映射器与线性星座反变换器之间的第二随机交织器。其中的解映射器即为图1中的解映射器，即本实施例在解映射器之前，增加了线性星座反变换器、随机解交织器和随机交织器。其中：

线性星座反变换器，用于将从信道接收的信号流进行线性星座反变换，将按第二映射方式的星座图映射的信号流还原为按第一映射方式的星座图映射的信号流。这里也可以通过查表的方式来完成，反变换时，即将第二映射方式的星座图上的星座点反变换为具有相同码字的第一映射方式的星座图上的星座点。

随机解交织器，用于将线性星座反变换器输出的信号流进行解交织，并输出到所述解映射器。

解映射器，用于将随机解交织器输出的信号流按第一映射方式的星座图解映射后输出。

第二随机交织器，可以用于对从解映射器中提取的外信息进行随机交织，并送到线性星座反变换器，协助其进行线性星座反变换。该第二随机交织器是可选的，如果没有外信息可用或不采用反馈迭代方式进行线性星座反变换，可以不需要加入该随机交织器。

解映射器输出的信号再进行随机解交织和卷积解码，请参见图1。另外，线性星座变换装置中的随机交织器不设置时，线性星座反变换装置中随机解交织器也不需要设置。

相应地，本实施例还提出了结合线性变换的星座图映射方法，在发送端，执行以下步骤：

将编码后的比特流进行第一映射方式的星座图映射；

对调制后的信号流进行随机交织；

将随机交织后的信号流进行线性星座变换，将第一映射方式的星座图上的星座点变换为具有相同码字的第二映射方式的星座图上的星座点，输出按第二映射方式的星座图映射的信号流，经后续处理后在信道上发射。

在接收端，执行以下步骤：

将从信道接收的信号流进行线性星座反变换，将第二映射方式的星座图上的星座点反变换为具有相同码字的第一映射方式的星座图上的星座点；

将线性星座反变换后的信号流进行解交织；

将解交织后的信号流按第一映射方式的星座图进行解映射后输出，后续还可以进行随机解交织和卷积解码等处理。

在信号接收端，可以采用迭代或不迭代的方式对接收到的信号流进行线性星座反变换，如果在按传统方式进行星座图解映射后的信号流中可以提取出线性星座反变换所需要的外信息，那么可以将此外信息经过随机交织后，再反馈到线性星座反变换器进行下一轮的线性星座反变换。

上述第二映射方式的星座图是按下式得到的：

C^*＝G(α·d+β·D)，C^*≤C₀    (1)

其中：

C^*是本实施例采用的星座图变换函数，C₀是预设有一阈值；

G是代价函数，在此实施例中，G是系统的误比特率，该代价函数的计算可以参照已有方式，或者通过实验来验证。

d是与输入码字集合的最小欧氏距离有关的统计值，本实施例中为星座图上汉明距离最小的星座点两两之间的欧氏距离的统计值，如两两之间的欧氏距离之和或均值；

D是与输入码字集合的最小汉明距离有关的统计值，本实施例中为星座图上欧氏距离最小的星座点两两之间(即星座图中在水平或垂直方向上相邻的星座点之间)的汉明距离的统计值，如两两之间的汉明距离之和或均值。

α和β是加权系数，满足α≥0，β≥0，一般来说α+β＝1。实际选择时，根据信道的特性来选择，如在实际信道更接近衰落信道时，α的选值小于β，更接近高斯信道时，α的选值大于β。当α＝1，β＝0时，相当于仅针对高斯信道设计星座图，当α＝0，β＝1时，相当于仅针对衰落信道设计星座图。

按上式得到的一个64QAM星座图的示例如图5所示。在实际中，可以按照以下方式来得到一个合适的星座图。

选取α和β值时，如果是衰落信道，α可取0，β取1，使汉明距离最大化；如果是高斯信道，α可取1，β取0，使欧氏距离最大化；如果信道介于两者之间，α和β可以根据实际信道与衰落信道和高斯信道的相近程度来设置，更接近高斯信道时α取值大于β，等等。

比较图3和图4中的星座图，找出同一位置上对应不同码字的那些星座点以下称为集合A，然后以其中的一个星座图为基础，将该图中的集合A的部分星座点对应的码字调换为另一图中的相应位置星座点对应的码字，如一个星座图上的三个星座点对应的码字是a，b，c，另一个是b，c，a，则可以将a，b，c调换为b，c，a。当完成一次调换后，可以计算上述d和D，并进一步计算出α·d+β·D值。然后换一种调换方式，可得到另一α·d+β·D值，如此可以得到一定数量的α·d+β·D值(因为α和β与调换的星座点个数之间有一定关系，即在α和β确定时，调换的星座点个数与G值之间有一定规律，所以不必遍历每一次可能的调换方式)，从这些α·d+β·D值中选择出一个最大的α·d+β·D值(此时代价函数最小)，再对公式(1)进行验证，其对应的调换后的星座图即可作为本实施例要线性变换到的星座图。

需要注意的是，使用不同的方法，最后得到星座图的并不是唯一的，而实际上α和β的取值也可以设定为一个范围。图5中给出的仅仅是一个示例。所述阈值可以根据系统对信号传输的质量要求来设定。

第二实施例

上一实施例中，是在原有映射的基础上加上线性变换来得到本发明映射方式下的星座图映射，可以用于已有的设备的升级，提高本发明的兼容性。但是，在本实施例中，是直接采用本发明的星座图映射。

本实施例的星座映射装置(对应于图1中的映射器)包括：

存储模块，用于保存满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图上星座点和码字之间的对应关系信息。

映射模块，用于基于配置的所述对应关系信息对编码和交织后的比特流进行星座图映射。

相应的星座映射方法是：

对编码和交织后的比特流按满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图进行星座图映射，将码字映射到相应的星座点，将输出的信号流经后续处理后在信道上发射。

接收端的星座解映射装置包括：

存储模块，用于保存配置的满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图上星座点和码字之间的对应关系信息。

解映射模块，用于基于配置的所述对应关系信息对接收信号进行星座图解映射。

相应的解映射方法是：

对从信道接收的信号流，按满足G(α·d+β·D)值小于设定阈值的星座图进行星座图解映射，将星座点解映射为相应的码字，再进行后续的随机解交织和卷积解码等处理。

本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。