基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法
2023-04-25 19:19:46 1
專利名稱：基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法
技術領域：
本發明涉及一種無線分組數據傳輸技術，尤其涉及在正交幅度調製(QAM，QuadratureAmplitude Modulation)通信系統中基於星座圖分布調整和調製符號內比特不等差錯保護重排的混合自動重傳請求(HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest)傳輸技術。
背景技術：
在數據通信中，前向糾錯和自動請求重傳是兩種基本的差錯控制技術，自動重傳請求(ARQ，Automatic Repeat reQuest)技術以降低吞吐率為代價來換取可靠性的提高，而前向差錯糾正(FEC，Forward Error Correction)技術則通過糾正最常出現的一些錯誤圖樣來減少ARQ重傳的頻度，以降低可靠性為代價來維持一定的吞吐率。結合FEC、ARQ兩種差錯控制技術各自的特點，將ARQ和FEC兩種差錯控制方式結合起來使用，構成HARQ系統，可以提供更好的性能，尤其是在時變衰落信道環境。由於ARQ技術所具有的錯誤重傳機制，可以較好地保障數據通信的可靠性，因此HARQ研究的重點一直是在保證系統可靠性要求的前提下，研究提高系統吞吐率的方法，主要從重傳機制、編碼方案、碼率調整以及重傳合併方法等方面進行分析研究。重傳合併技術充分利用了已有重傳碼字中的有用信息，並對有用信息進行合併、增強，進而減少重傳次數，是一種有效改善系統吞吐率的技術。目前合併技術主要採用Chase合併，是一種基於最大似然解碼(maximum likelihood decoding)的合併技術。1993年Turbo碼及其實用解碼算法的出現，進一步推動了HARQ的研究。Turbo碼強糾錯能力的引入可以有效地減少ARQ重傳次數，從而提高HARQ系統的吞吐率。在第三代移動通信幾個主流標準中，Turbo碼已被採納作為高質量業務信道的主流編解碼方案，如WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA等。
在無線通信中，為了支持更高傳輸速率，需採用高頻譜效率調製技術，隨著對高頻譜效率通信系統的深入研究，各種非自適應和自適應的高階正交幅度調製MQAM(M-ary QAM)技術在無線通信中受到了廣泛重視。QAM是一種正交調製方式，一般常用的方式為16QAM和64QAM。理想情況下，MQAM的最高頻譜利用率為log2M bits/s/Hz。通過改變QAM調製階數M，可實現變速率數據傳輸，適應信道時變特性，提高系統頻譜效率。然而在採用MQAM調製技術的Turbo編解碼的HARQ系統中，由於MQAM調製對每個調製符號中的不同比特提供了不同的差錯保護，使接收端解映射後輸出的數據具有不等的可靠性，這將降低針對等可靠性數據解碼的Turbo碼的糾錯能力。
在結合調製編碼技術的HARQ研究中，文獻Shih-Kai Lee，Mao-Chao Lin，「An ARQ SchemeUsing Combined QPSK and BPSK Transmissions，」IEEE Transactions on Communications，Vol.43，No.5，May 1995，pp.1917-1925(斯凱.李，毛橋.林，「一種結合QPSK和BPSK傳輸的ARQ方案」，IEEE通信彙刊，第43卷，第5期，1995年5月，第1917-1925頁)提出了一種四相相移鍵控(QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)和二進位相移鍵控(BPSK，Binary Phase Shift Keying)相結合的選擇重傳ARQ方案，即第一次傳輸採用QPSK調製，重傳採用BPSK調製。其理論分析和仿真表明在加性白高斯信道(AWGN，Additive WhiteGaussian Noise)信道下，該方案的吞吐量性能比單純的QPSK或BPSK調製方式下的性能好，但是該方案僅採用了差錯檢測過程，而且當第一次採用QPSK調製方式傳輸時，若兩個子碼塊均出錯時，則至少還需兩次以上的採用BPSK調製方式的重傳。歐洲EP1255368號專利(「在增強型蜂窩通信系統中具有幾種調製編碼方案的鏈路自適應的方法」，西門子信息與通信網絡公司，2002年11月6日)採用不同的編碼調製方法來最大化數據吞吐率。美國US6308294號專利(「採用Turbo碼結構的自適應混合ARQ」，美國摩託羅拉公司，2001年10月23日)公布了一種採用Turbo碼的混合ARQ的一般結構，在重傳中採用不同的編碼碼率來自適應信道條件，其中所採用的初始碼率信息可以明確傳給接收端，或接收端通過盲檢測獲得。
WO 02067491號世界專利(「具有不同星座圖重排的混合ARQ方法」，日本Matsushita電子工業有限公司，2002年8月29日)針對16QAM和64QAM調製方式的HARQ系統發明了具有信號星座圖重排的HARQ方案，根據QAM調製的不等差錯保護特性提出了幾個不同的比特到符號映射的均勻星座圖，在傳輸和重傳中採用不同的星座圖進行調製映射與解映射，使得在接收端經重傳合併後送往Turbo解碼器輸入端的數據具有相同的可靠性，提高HARQ系統的吞吐率。但是這種方法需要收發兩端均存儲所有的因重傳而附加的星座圖，為了獲得較好的性能，16QAM需採用4個不同的均勻星座圖，64QAM需採用6個不同的均勻星座圖，較大增加了發送端和接收端的存儲容量，同時也不利於接收端進一步採用符號級合併。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法。該方法用於調製階數為M且M＝2m的正交幅度調製(MQAM)通信系統中，發送端和接收端使用重排規則所需的存儲容量小，實現複雜度低，可更加簡單有效地提高接收端解映射後的合併軟值信號信噪比，減少分組重傳次數，使得系統的吞吐率得以最大化，並且有利於進一步採用符號級合併，使系統性能可進一步得到提高。
為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法，該方法用於調製階數為M且M＝2m的正交幅度調製通信系統中，它依次由以下步驟組成發送端將數據分組進行檢錯編碼、信道編碼、發送緩存、比特交織、調製符號內比特不等保護重排、調製映射、調製；接收端進行解調、解映射、調製符號內比特反重排、接收緩存、重傳合併、比特解交織、信道糾錯解碼、差錯校驗；接收端到發送端的反饋信道，將證實信息(ACK或NACK)反饋至發送端；其特點是a、所述的發送端的調製映射和接收端的解映射採用相同分布特性的星座圖，在第一次傳輸和前m/2-1次重傳中，採用均勻星座圖，第m/2次及以後的重傳中採用非均勻星座圖，對調製符號內的兩個高位比特提供較高的差錯保護；b、發送端的調製符號內比特不等保護重排發送端使用m/2個重排和反重排規則，依次在不同的重傳次數中循環採用，實現對調製符號內比特的交替保護；接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值。
本發明的有益效果是發送端在調製映射之前，先進行調製符號內比特不等保護重排，調製映射時交替採用均勻星座和非均勻星座，在前m/2次傳輸中，採用均勻星座，若仍然不能正確傳輸分組，則後續的重傳中系統便採用非均勻星座圖，以更高的差錯保護傳輸調製符號內的兩個高位比特，獲得較高的性能增益。因此本發明僅採用兩個不同分布特性的星座圖，即均勻星座和非均勻星座，其比特與符號之間的映射關係相同，結合發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排，可以更加簡單有效地提高接收端解映射後的合併軟值信號信噪比，減少分組重傳次數，使得系統的吞吐率得以最大化，經過仿真分析驗證該方法的性能比現有採用4個(調製階數M為16，m為4的正交幅度調製方式，16QAM)或6個(調製階數M為64，m為6的正交幅度調製方式，64QAM)均勻星座圖重排的混合ARQ方法性能更好；另外，本發明中發送端和接收端僅需存儲需較少容量的重排規則，實現複雜度低，並且有利於進一步採用符號級合併，使系統性能可進一步得到提高。
當正交幅度調製通信系統的調製階數M為16，m為4時，發送端的調製映射和接收端的解映射，每m個即每4個經調製符號內比特不等保護重排後的比特{c4，c3，c2，c1}映射為一個16正交幅度調製(16QAM)符號；數據分組在第一次傳輸和第一次重傳時，發送端調製映射和接收端解調映射採用均勻星座，對重排後的兩個高位比特c4和c3提供較高差錯保護；在第二次及以後的重傳，採用非均勻星座，對重排後的兩個高位比特c4和c3提供更高的差錯保護。所用的非均勻星座圖中，其重排後的兩個高位比特c4和c3相同的4個星座點重合在一起，該4個星座點之間的距離為零；該重排後的兩個高位比特c4和c3不同的相鄰星座點之間的距離相等。
發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排，使用兩個重排和反重排規則發送端的調製符號內比特不等保護重排將重排前的每m個即每4個比特進行重排，重排前先將每4個比特按從高位到低位的順序依次排列為b4，b3，b2，b1，同一分組在奇次傳輸時，保持原比特順序不變，對重排前的兩個高位比特b4，b3提供較強的差錯保護，偶次傳輸時，將每4個比特b4，b3，b2，b1重排為b2，b1，b4，b3，對重排前的兩個低位比特比特b2，b1提供較強的差錯保護；接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值，即奇次傳輸時，保持原比特順序不變，偶次傳輸時，將每4個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』2，b』1，b』4，b』3，反重排為發送端重排前的比特順序b』4，b』3，b』2，b』1。
由於調製階數M為16，m為4的正交幅度調製方式即16QAM調製方式具有兩級不等差錯保護，每4個重排後的比特{c4，c3，c2，c1}映射為一個16QAM符號，對重排後的兩個高位比特c4和c3提供較高的差錯保護，對重排後的兩個低位比特c2和c1提供較低的差錯保護，在均勻星座圖中，相鄰星座點之間的距離相等，對兩個高位比特c4和c3的差錯保護略高於對兩個低位比特c2和c1的差錯保護，而採用所述方法的非均勻星座圖中，是以降低對兩個低位比特c2和c1的差錯保護，來獲取對兩個高位比特c4和c3的更高的差錯保護。
對應於16QAM調製方式的兩級不等差錯保護特性，在發送端調製映射前和接收端解映射後，採用兩個重排和反重排規則，交替對兩個高位比特和兩個低位比特提高較強的差錯保護，使得接收端重傳合併後的各個比特軟值的可靠性提高，並具有相同的可靠性，提高信道解碼器的解碼能力。本發明用兩個不同分布特性的星座圖(即均勻星座和非均勻星座)和兩個重排和反重排規則比現有採用4個均勻星座圖重排的方法更加簡單方便，性能更好。
同樣，當通信系統是調製階數M為64，m為6的正交幅度調製即64QAM通信系統時， 採用類似的方法可獲得更好的性能改善。發送端的調製映射和接收端的解映射每m個即每6個經調製符號內比特不等保護重排後的比特{c6，c5，c4，c 3，c2，c1}映射為一個64正交幅度調製符號64QAM符號；數據分組在第一次傳輸、第一次重傳和第二次重傳時，發送端調製映射和接收端解調映射採用均勻星座，對重排後的兩個高位比特c6和c5提供較高差錯保護；在第三次及以後的重傳，採用非均勻星座，對重排後的兩個高位比特c6和c5提供更高差錯保護。所採用的非均勻星座圖中，其重排後的兩個高位比特c6和c5相同的16個星座點重合在一起，該16個星座點之間的距離為零；該重排後的兩個高位比特c6和c5不同的相鄰星座點之間的距離相等。
發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排，使用三個重排和反重排規則發送端的調製符號內比特不等保護重排將重排前的每m個即每6個比特進行重排，重排前先將每6個比特按從高位到低位的順序依次排列為b6，b5，b4，b3，b2，b1，同一分組在第一次傳輸時，保持原比特順序不變，對重排前的兩個高位比特b6，b5提供較強的差錯保護，重排前的兩個中位比特b4，b3提供中等的差錯保護，重排前的兩個低位比特比特b2，b1提供較低的差錯保護；第二次傳輸時，將每6個比特b6，b5，b4，b3，b2，b1重排為b4，b3，b2，b1，b6，b5，對比特b4，b3提供較強的差錯保護，比特b2，b1提供中等的差錯保護，比特b6，b5提供較低的差錯保護；第三次傳輸時，將每6個比特b6，b5，b4，b3，b2，b1重排為b2，b1，b6，b5，b4，b3，對重排前的兩個低位比特b2，b1提供較強的差錯保護，重排前的兩個高位比特b6，b5提供中等的差錯保護，重排前的兩個中位比特b4，b3提供較低的差錯保護；後續的傳輸，依次循環採用以上三個重排規則。
接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值，即第一次傳輸時，保持原比特順序不變；第二次傳輸時，將每6個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』4，b』3，b』2，b』1，b』6，b』5，反重排為發送端重排前的比特順序b』6，b』5，b』4，b』3，b』2，b』1；第三次傳輸時，將每6個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』2，b』1，b』6，b』5，b』4，b』3，發送端重排前的比特順序b』6，b』5，b』4，b』3，b』2，b』1；後續的傳輸，依次循環採用以上三個反重排規則。
64QAM調製方式具有三級不等差錯保護，每6個重排後的比特{c6，c5，c4，c3，c2，c1}映射為一個64QAM符號，對重排後的兩個高位比特c6和c5提供較高的差錯保護，對重排後的兩個中位比特c4和c3提供中等的差錯保護，對重排後的兩個低位比特c2和c1提供較低的差錯保護，在均勻星座圖中，相鄰星座點之間的距離相等，因此對各比特的差錯保護相差不大，而採用所述方法的非均勻星座圖中，是以降低對四個低位比特c4，c3，c2，c1的差錯保護，來獲取對兩個高位比特c6和c5的更高的差錯保護。
對應於64QAM調製方式的三級不等差錯保護特性，在發送端調製映射前和接收端解映射後，採用三個重排和反重排規則，交替對兩個高位比特、兩個中間比特和兩個低位比特提高較強的差錯保護，使得接收端重傳合併後的各個比特軟值的可靠性提高，並具有相同的可靠性，提高信道解碼器的解碼能力。本發明用兩個不同分布特性的星座圖(即均勻星座和非均勻星座)和三個重排和反重排規則比現有採用6個均勻星座圖重排的方法更加簡單方便，性能更好。
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述。
圖1是基於MQAM調製星座圖分布特性調整的不等保護HARQ系統結構。
圖2是採用Gray編碼的16QAM均勻星座圖。
圖3是採用Gray編碼的且Δ1＝Δ2＝0.707時的16QAM非均勻星座圖。
圖4是採用Gray編碼的64QAM均勻星座圖。
圖5是採用Gray編碼的且Δ1＝Δ2＝Δ3＝Δ4＝0.707時的64QAM非均勻星座圖。
圖6是基於MQAM調製星座圖分布特性調整的不等保護HARQ系統發送流程。
圖7是基於MQAM調製星座圖分布特性調整的不等保護HARQ系統接收流程。
具體實施例方式
實施例一圖1示出，本實施例用於調製階數M為16，m為4的正交幅度調製(16QAM)通信系統中，其方法由以下步驟組成發送端將數據分組進行檢錯編碼、信道編碼、發送緩存、比特交織、調製符號內比特不等保護重排、調製映射、調製；接收端進行解調、解映射、調製符號內比特反重排、接收緩存、重傳合併、比特解交織、信道糾錯解碼、差錯校驗；接收端到發送端的反饋信道，將證實信息ACK或NACK反饋至發送端。
圖2示出，發送端的調製映射和接收端的解映射，每m個即每4個經調製符號內比特不等保護重排後的比特c4，c3，c2，c1映射為一個16正交幅度調製16QAM符號；數據分組在第一次傳輸和第一次重傳時，發送端調製映射和接收端解調映射採用均勻星座，對重排後的兩個高位比特c4和c3提供較高差錯保護；圖3示出在第二次及以後的重傳，採用非均勻星座，對重排後的兩個高位比特c4和c3提供更高的差錯保護。所用的非均勻星座圖中，其重排後的兩個高位比特c4和c3相同的4個星座點重合在一起，該4個星座點之間的距離為零；該重排後的兩個高位比特c4和c3不同的相鄰星座點之間的距離相等。
發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排，使用兩個重排和反重排規則發送端的調製符號內比特不等保護重排將重排前的每m個即每4個比特進行重排，重排前先將每4個比特按從高位到低位的順序依次排列為b4，b3，b2，b1，同一分組在奇次傳輸時，保持原比特順序不變，對重排前的兩個高位比特b4，b3提供較強的差錯保護，偶次傳輸時，將每4個比特b4，b3，b2，b1重排為b2，b1，b4，b3，對重排前的兩個低位比特比特b2，b1提供較強的差錯保護；接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值，即奇次傳輸時，保持原比特順序不變，偶次傳輸時，將每4個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』2，b』1，b』4，b』3，反重排為發送端重排前的比特順序b』4，b』3，b』2，b』1。
其比特不等差錯保護重排規則和星座圖分布調整方法如表2所示，發送端根據反饋的NACK信號計算同一分組的傳輸次數，獲取兩類傳輸次數信息一類是判斷是奇數次傳輸還是偶數次傳輸，來控制調製符號內比特不等保護重排；另一類是判斷分組是否是第三次以後的傳輸(即第二次以後的重傳)，來控制調製星座圖分布特性的調整。
具體來講，在調製映射時，每m個即每4個重排後的比特C＝{c4，c3，c2，c1}映射為一個16QAM複數符號Z＝{ZI，ZQ}，ZI，ZQ∈{±Δ1，±Δ2}。ZI由送往同相I支路的兩個比特c2和c4映射，ZQ由送往正交Q支路的兩個比特c1和c3映射。由於星座圖的對稱性，I支路的c4c2(c4為高位比特，c2為低位比特)和Q支路的c3c1(c3為高位比特，c1為低位比特)均分別按Gray編碼將比特01，00，10，11映射為-Δ2、-Δ1、Δ1和Δ2。其中，通過調整Δ1和Δ2取值來調整星座圖的分布特性，為了使星座圖的平均符號能量保持為1，要求Δ12+Δ22＝1。因此當Δ2＝2Δ1，即Δ1＝0.3162，Δ2＝0.9486時，任意兩個相鄰星座點之間的距離相等，調製星座圖為均勻星座，如圖2所示。當Δ1≠0.3162時，調製星座圖中任意兩個星座點之間的距離將不完全相等，星座圖為非均勻星座。特別當Δ1＝0.707時，Δ2＝0.707，高位比特c4和c3相同的4個星座點重合在一起(即圖3中的00xx、01xx、10xx、11xx對應的星座點都是四個重疊在一起的點)，這些星座點之間的距離為零；高位比特c4和c3不同的相鄰星座點之間的距離相等。00xx表示4個比特序列0000、0001、0010、0011分別映射為4個16QAM複數符號，其值均為(0.707+j0.707)，它們之間的距離為零；01xx表示4個比特序列0100、0101、0110、0111分別映射為4個16QAM複數符號，其值均為(0.707-j0.707)，它們之間的距離為零；10xx表示4個比特序列1000、1001、1010、1011分別映射為4個16QAM複數符號，其值均為(-0.707+j0.707)，它們之間的距離為零；11xx表示4個比特序列1100、1101、1110、1111分別映射為4個16QAM複數符號，其值均為(-0.707-j0.707)，它們之間的距離為零；而00xx、01xx、10xx、11xx對應的相鄰星座點之間的距離相等，均為2，如圖3所示。
由於對稱性，同相I支路和正交Q支路的比特映射與解映射是相同的，因此I支路和Q支路的誤比特性能是一樣的，16QAM的平均誤比特率BER等於I支路或Q支路的BER。附圖2中同時也表明了對每個比特解映射時的判決門限，顯然每支路的高位比特c3(或c4)比低位比特c1(或c2)具有更好的誤碼性能。
在AWGN信道下，高位比特的誤比特率為P1(E)=12Q(2n)+12Q(1n)]]>低位比特的誤比特率為P2(E)=Q(2-12n)-12Q(1+322n)+12Q(31+22n)]]>式中，σn2＝No/2為AWGN的方差。
在調整星座圖分布特性時，星座圖的平均符號能量保持1不變，即Es＝1因此接收端信號的信噪比為SN=2EsNo=1n2]]>n=12EsNo=18(EbNo)]]>分析以上表達式可知，I支路和Q支路中的高位比特的誤碼率低於低位比特的誤碼率；在保持12+22=1]]>但Δ1≠0.3162時，星座圖為非均勻星座圖，隨著Eb/No的增加，其高位比特的誤碼率與低位比特的誤碼率的差值增大；當Δ1＞0.3162時，高位比特比均勻星座中的高位比特具有較強的差錯保護。當Δ1＝0.707時，Δ2＝0.707，對於兩個高位比特，由於增加了兩個高位比特不同的相鄰點之間的平均距離，因此高位比特具有更強的差錯保護。
因此，採用非均勻星座可以對調製符號比特在中的兩個高位比特提供更強的差錯保護，若將這一特性應用到HARQ系統中，通過在重傳中改變調製星座圖的分布特性，對部分比特提供更強差錯保護，將有效減少HARQ的重傳次數，增大系統吞吐率。
為了對調製符號內的四個比特的交替進行保護，採用如表1所示的調製符號內比特不等差錯保護重新排序規則，這裡僅考慮兩次重排規則，其優勢就在於在調製之前，仍然可以方便採用符號級合併，以便獲得進一步的性能增益。
表1 16QAM比特不等差錯保護重新排序規則
則在接收端經16QAM解映射後輸出的軟比特值為c4=LLR(cI,1)=|ej|24{minSI,1(0)|rd-|2-minSI,1(1)|rd-|2}]]>
c3=LLR(cQ,1)=|ej|24{minSQ,1(0)|rd-|2-minSQ,1(1)|rd-|2}]]>c2=LLR(cI,2)=|ej|24{minSI,2(0)|rd-|2-minSI,2(1)|rd-|2}]]>c1=LLR(cQ,2)=|ej|24{minSQ,2(0)|rd-|2-minSQ,2(1)|rd-|2}]]>經符號內比特重排，恢復原比特序列順序，對應輸出的軟比特值為 因此經j次傳輸合併後輸出的第i個軟比特值b″i，j為 其中L-1為最大重傳次數，c′i，0＝0。
上式為經(j-1)次重傳合併後輸出的第i個軟比特值b″i，j，顯然若不經過調製符號內比特重排，則b″4，j、b″3，j始終具有高可靠性軟值，而b″2，j、b″1，j始終具有低可靠性軟值；若採用調製符號內比特重排，則只要經過兩次傳輸(即經過一次重傳)後，每個合併後的比特的可靠性將得到平衡和提高。這樣的軟比特值送入信道解碼器後，也將進一步提高信道解碼器的糾錯能力。
在發送端調製映射和接收端解映射時，採用如表2所示的星座圖分布調整方法，分組在第一次傳輸和第一次重傳採用Δ1＝0.3162和Δ2＝0.9486均勻星座(如圖2所示)，對比特b4和b3提供較高差錯保護；如果接收仍然有錯，則在第二次及以後的重傳，採用Δ1＝Δ2＝0.707的非均勻星座(如圖3所示)，對比特b4和b3提供更高的差錯保護。
表2 16QAM比特不等差錯保護重排規則和星座圖分布調整方法
上述實例是在星座圖的平均符號能量保持為1，Δ12+Δ22＝1的情況下得到的，當然星座圖的平均符號能量保持也可為其它除1以外的常數，則要求Δ12+Δ22＝常數，同樣可以推出相應的星座點取值，即Δ1和Δ2的值。
實施例二圖1示出，實施例二用於調製階數M為64，m為6的正交幅度調製通信系統即64QAM通信系統中，其方法由以下步驟組成發送端將數據分組進行檢錯編碼、信道編碼、發送緩存、比特交織、調製符號內比特不等保護重排、調製映射、調製；接收端進行解調、解映射、調製符號內比特反重排、接收緩存、重傳合併、比特解交織、信道糾錯解碼、差錯校驗；接收端到發送端的反饋信道，將證實信息ACK或NACK反饋至發送端。
圖4示出，發送端的調製映射和接收端的解映射，每m個即每6個經調製符號內比特不等保護重排後的比特c6，c5，c4，c3，c2，c1映射為一個64正交幅度調製符號即64QAM符號；數據分組在第一次傳輸、第一次重傳和第二次重傳時，發送端調製映射和接收端解調映射採用均勻星座，對重排後的兩個高位比特c6和c5提供較高差錯保護；圖5示出，在第三次及以後的重傳，採用非均勻星座，對重排後的兩個高位比特c6和c5提供更高差錯保護。所採用的非均勻星座圖中，其重排後的兩個高位比特c6和c5相同的16個星座點重合在一起，該16個星座點之間的距離為零；該重排後的兩個高位比特c6和c5不同的相鄰星座點之間的距離相等。
發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排，使用三個重排和反重排規則發送端的調製符號內比特不等保護重排將重排前的每m個即每6個比特進行重排，重排前先將每6個比特按從高位到低位的順序依次排列為b6，b5，b4，b3，b2，b1，同一分組在第一次傳輸時，保持原比特順序不變，對重排前的兩個高位比特b6，b5提供較強的差錯保護，重排前的兩個中位比特b4，b3提供中等的差錯保護，重排前的兩個低位比特比特b2，b1提供較低的差錯保護；第二次傳輸時，將每6個比特b6，b5，b4，b3，b2，b1重排為b4，b3，b2，b1，b6，b5，對比特b4，b3提供較強的差錯保護，比特b2，b1提供中等的差錯保護，比特b6，b5提供較低的差錯保護；第三次傳輸時，將每6個比特b6，b5，b4，b3，b2，b1重排為b2，b1，b6，b5，b4，b3，對重排前的兩個低位比特b2，b1提供較強的差錯保護，重排前的兩個高位比特b6，b5提供中等的差錯保護，重排前的兩個中位比特b4，b3提供較低的差錯保護；後續的傳輸，依次循環採用以上三個重排規則。
接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值，即第一次傳輸時，保持原比特順序不變；第二次傳輸時，將每6個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』4，b』3，b』2，b』1，b』6，b』5，反重排為發送端重排前的比特順序b』6，b』5，b』4，b』3，b』2，b』1；第三次傳輸時，將每6個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』2，b』1，b』6，b』5，b』4，b』3，發送端重排前的比特順序b』6，b』5，b』4，b』3，b』2，b』1；後續的傳輸，依次循環採用以上三個反重排規則。
其比特不等差錯保護重排規則和星座圖分布調整方法如表3所示。發送端根據反饋的NACK信號計算同一分組的傳輸次數，同樣獲取兩類傳輸次數信息一類是將傳輸次數進行模三運算後，來控制調製符號內比特不等保護重排，若模三運算結果為0時，表示是第一次傳輸；若模三運算結果為1時，表示是第二次傳輸，即第一次重傳；若模三結果為2時，表示是第三次傳輸，即第二次重傳；另一類是判斷分組是否是第六次以後的傳輸(即第五次以後的重傳)，來控制調製星座圖分布特性的調整。
具體來講，在調製映射時，每6個重排後的比特C＝{c6，c5，c4，c3，c2，c1}映射為一個64QAM複數符號Z＝{ZI，ZQ}，ZI，ZQ∈{±Δ1，±Δ2，±Δ3，±Δ4}。ZI由送往同相I支路三個比特c6，c4，c2映射，ZQ由送往正交Q支路的三個比特c5，c3，c1映射。由於星座圖的對稱性，I支路的c6，c4，c2(c6為高位比特，c2為低位比特)和Q支路的c5，c3，c1(c5為高位比特，c1為低位比特)均分別按Gray編碼將比特111，110，101，001，000，010，011映射為-Δ4、-Δ3、-Δ2、-Δ1、Δ1、Δ2、Δ3、Δ4，其中，通過調整Δ1、Δ2、Δ3和Δ4的取值來調整星座圖的分布特性，為了使星座圖的平均符號能量保持為1，要求12+22+32+42=2]]>。當Δ1＝0.154，Δ2＝0.463，Δ3＝0.771，Δ4＝1.08時，任意兩個相鄰星座點之間的距離相等，調製星座圖為均勻星座；其餘取值將構成非均勻星座。特別當Δ1＝Δ2＝Δ3＝Δ4＝0.707時，高位比特c6和c5相同的16個星座點重合在一起(即圖5中的00xxxx、01xxxx、10xxxx、11xxxx對應的星座點都是16個重疊在一起的點)，這些星座點之間的距離為零；高位比特c6和c5不同的相鄰星座點之間的距離相等。即00xxxx表示16個比特序列000000(001111分別映射為16個16QAM複數符號，其值均為(0.707+j0.707)，它們之間的距離為零；01xxxx表示16個比特序列010000(011111分別映射為16個16QAM複數符號，其值均為(0.707-j0.707)，它們之間的距離為零；01xxxx表示16個比特序列010000(011111分別映射為16個16QAM複數符號，其值均為(-0.707+j0.707)，它們之間的距離為零；11xxxx表示16個比特序列110000(111111分別映射為16個16QAM複數符號，其值均為(-0.707-j0.707)，它們之間的距離為零；而00xxxx、01xxxx、10xxxx、11xxxx對應的相鄰星座點之間的距離相等，均為2。同樣，由於對稱性，I支路和Q支路的誤比特性能是一樣的，高位比特的誤比特率為P1(E)=14Q(4n)+14Q(3n)+14Q(2n)+14Q(1n)]]>相對於Δ1＝0.154，Δ2＝0.463，Δ3＝0.771，Δ4＝1.08的均勻星座，當Δ1＝Δ2＝Δ3＝Δ4＝0.707時，由於增加了兩個高位比特不同的相鄰點之間的平均距離，因此高位比特具有更強的差錯保護。
因此，在HARQ系統中，通過在重傳中改變調製星座圖的分布特性，對部分比特提供更強差錯保護，將有效減少HARQ的重傳次數，增大系統吞吐率。
表3 64QAM比特不等差錯保護重排規則和星座圖分布調整方法
上述實例是在星座圖的平均符號能量保持為1，12+22+32+42=2]]>的情況下得到的，當然星座圖的平均符號能量保持也可為其它除1以外的常數，則要求
常數，同樣可以推出相應的星座點取值，即Δ1、Δ2、Δ3和Δ4的值。
本發明除了用於16QAM和64QAM的上述兩種具體實施例外，也可用於其它調製階數為M(如128)且M＝2m的正交幅度調製通信系統，其一般的系統框圖如圖1所示，工作過程為發送端將數據分組進行檢錯編碼、信道編碼、發送緩存、比特交織、調製符號內比特不等保護重排、調製映射、調製；接收端進行解調、解映射、調製符號內比特反重排、接收緩存、重傳合併、比特解交織、信道糾錯解碼、差錯校驗；接收端到發送端的反饋信道，將證實信息ACK或NACK反饋至發送端。其發送和接收流程分別如圖6和7所示。
圖6示出、在發送端，信道編碼將添加了檢錯編碼信息的數據分組按一定的碼率編碼後緩存，根據接收端反饋的證實信息(ACK或NACK)計算重傳次數，並確定需傳輸或重傳的分組；若接收到的是ACK信號，重傳次數為0，傳輸新的分組，同時將已正確傳輸的分組數據從發送緩存器中清除；若接收到的是NACK信號，重傳次數加1，則從發送緩存器中重傳該分組；然後根據重傳次數信息選擇一種調製符號內比特不等保護重排規則將序列b重新排序輸出序列c；調製映射時，星座圖採用典型的Gray編碼映射，根據重傳次數信息調整星座圖的分布，交替使用均勻和非均勻星座圖進行調製映射。
圖7示出、在接收端，接收到的有擾信號經過衰落補償後，採用與發送端對應的均勻或非均勻星座進行解映射，輸出比特軟值c』，再進行調製符號內比特反重排輸出原比特順序軟值b』，然後與接收緩存中的包含錯誤信息的分組合併後送往信道解碼器，經信道解碼後，再對其進行差錯校驗；若差錯校驗無錯誤，則將數據信息送往信宿，並向發送端反饋ACK信號，提示發送端傳輸新的數據分組；若有錯誤，則向發送端反饋NACK信號，請求發送端重傳分組。
其中，在發送端的調製映射和接收端的解映射中，採用相同分布特性的星座圖，在第一次傳輸和前m/2-1次重傳中，採用均勻星座圖，第m/2次及以後的重傳中採用非均勻星座圖，對調製符號內的兩個高位比特提供較高的差錯保護。
在發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排中，發送端使用m/2個重排和反重排規則，依次在不同的重傳次數中循環採用，實現對調製符號內比特的交替保護；接收端在解調解映射後，針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值。
設b＝{bm，bm-1，…，b1}表示比特交織器輸出的比特序列，經調製符號內比特不等差錯保護排序，對要映射成一個MQAM符號的m個比特按一定的關係重新排序，使重排後的比特序列調整為c＝{cm，cm-1，…，c1}。經重排後的序列c＝{cm，cm-1，…，c1}中的奇數比特序列cQ＝{cm-1，…c3，c1}＝{cQ，k，k＝1，m/2}送往正交Q支路，偶數比特序列c1＝{cm，…c4，c2}＝{cI，k，k＝1，m/2}送往同相I支路，通過Gray編碼的均勻或非均勻星座映射成複數MQAM符號。
在系統接收端，接收到的信號為r＝zαejθ+n其中z表示複數MQAM符號，αejθ為信道衰落，n為方差為σn2＝No/2的AWGN。
假設理想的信道估計，則經過衰落補償後的信號為rd=z+nej=z+n]]>其中n』仍為方差為σ′2＝σn2/|αejθ|2的複數AWGN。
MQAM解映射利用近似對數似然比函數將MQAM符號解映射為軟比特值序列c』＝{c’m，c’m-1，…，c』1}輸出，經調製符號內比特反重排，還原為與發送端重排前相同的比特順序b』＝{b’m，b’m-1，…，b』1}，通過重傳合併後，作為信道解碼的軟輸入。
令SI，k(0)表示MQAM星座圖中同相支路第k個比特為0的區域，SI，k(1)表示為1的區域，SQ，k(0)表示MQAM星座圖中正交支路第k個比特為0的區域，SQ，k(1)表示為1的區域，則MQAM解映射輸出的軟比特值通過下式計算
LLR(cI,k)=|ej|24{minSI,k(0)|rd-|2-minSI,k(1)|rd-|2}]]>LLR(cQ,k)=|ej|24{minSQ,k(0)|rd-|2-minSQ,k(1)|rd-|2}]]>其中k＝1，…，m/2。
因此MQAM解映射後輸出的軟比特序列為c′i＝LLR(cI，k)ci-1=LLR(cQ,k)i=mk,k=1,2,...,m2]]>經過符號內比特重排恢復原輸入比特順序，第(j-1)次重傳對應的軟比特值用b′i，j表示，則經(j-1)次重傳合併後輸出的軟比特值b″i，j為bi,j=j=1Lbi,j]]>其中i＝1，2，…，m
權利要求
1.一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法，該方法用於調製階數為M且M＝2m的正交幅度調製(MQAM)通信系統中，它依次由以下步驟組成發送端將數據分組進行檢錯編碼、信道編碼、發送緩存、比特交織、調製符號內比特不等保護重排、調製映射、調製；接收端進行解調、解映射、調製符號內比特反重排、接收緩存、重傳合併、比特解交織、信道糾錯解碼、差錯校驗；接收端到發送端的反饋信道，將證實信息(ACK或NACK)反饋至發送端；其特徵在於a、所述的發送端的調製映射和接收端的解映射採用相同分布特性的星座圖，在第一次傳輸和前m/2-1次重傳中，採用均勻星座圖，第m/2次及以後的重傳中採用非均勻星座圖，對調製符號內的兩個高位比特提供較高的差錯保護；b、發送端的調製符號內比特不等保護重排發送端使用m/2個重排和反重排規則，依次在不同的重傳次數中循環採用，實現對調製符號內比特的交替保護；接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值。
2.如權利要求1所述的一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法，其特徵在於當正交幅度調製通信系統的調製階數M為16，m為4時，發送端的調製映射和接收端的解映射，每m個即每4個經調製符號內比特不等保護重排後的比特c4，c3，c2，c1映射為一個16正交幅度調製(16QAM)符號；數據分組在第一次傳輸和第一次重傳時，發送端調製映射和接收端解調映射採用均勻星座，對重排後的兩個高位比特c4和c3提供較高差錯保護；在第二次及以後的重傳，採用非均勻星座，對重排後的兩個高位比特c4和c3提供更高的差錯保護。
3.如權利要求2所述一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法，其特徵在於所述發送端的調製映射和接收端的解映射，在第二次及以後的重傳，採用非均勻星座，其重排後的兩個高位比特c4和c3相同的4個星座點重合在一起，該4個星座點之間的距離為零；該重排後的兩個高位比特c4和c3不同的相鄰星座點之間的距離相等。
4.如權利要求3所述的一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動請求方法，其特徵在於所述發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排，使用兩個重排和反重排規則a、發送端的調製符號內比特不等保護重排將重排前的每m個即每4個比特進行重排，重排前先將每4個比特按從高位到低位的順序依次排列為b4，b3，b2，b1，同一分組在奇次傳輸時，保持原比特順序不變，對重排前的兩個高位比特b4，b3提供較強的差錯保護，偶次傳輸時，將每4個比特b4，b3，b2，b1重排為b2，b1，b4，b3，對重排前的兩個低位比特比特b2，b1提供較強的差錯保護；b、接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值，即奇次傳輸時，保持原比特順序不變，偶次傳輸時，將每4個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』2，b』1，b』4，b』3，反重排為發送端重排前的比特順序b』4，b』3，b』2，b』1。
5.如權利要求1所述的一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法，其特徵在於當正交幅度調製通信系統的調製階數M為64，m為6時，發送端的調製映射和接收端的解映射，每m個即每6個經調製符號內比特不等保護重排後的比特{c6，c5，c4，c3，c2，c1}映射為一個64正交幅度調製符號；數據分組在第一次傳輸、第一次重傳和第二次重傳時，發送端調製映射和接收端解調映射採用均勻星座，對重排後的兩個高位比特c6和c5提供較高差錯保護；在第三次及以後的重傳，採用非均勻星座，對重排後的兩個高位比特c6和c5提供更高差錯保護。
6.如權利要求5所述的一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法，其特徵在於所述發送端的調製映射和接收端的解映射，在第三次及以後的重傳，採用非均勻星座，其重排後的兩個高位比特c6和c5相同的16個星座點重合在一起，該16個星座點之間的距離為零；該重排後的兩個高位比特c6和c5不同的相鄰星座點之間的距離相等。
7.如權利要求5所述的一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動請求方法，其特徵在於所述發送端的調製符號內比特不等保護重排和接收端的調製符號內比特反重排，使用三個重排和反重排規則a、發送端的調製符號內比特不等保護重排將重排前的每m個即每6個比特進行重排，重排前先將每6個比特按從高位到低位的順序依次排列為b6，b5，b4，b3，b2，b1，同一分組在第一次傳輸時，保持原比特順序不變，對重排前的兩個高位比特b6，b5提供較強的差錯保護，重排前的兩個中位比特b4，b3提供中等的差錯保護，重排前的兩個低位比特比特b2，b1提供較低的差錯保護；第二次傳輸時，將每6個比特b6，b5，b4，b3，b2，b1重排為b4，b3，b2，b1，b6，b5，對比特b4，b3提供較強的差錯保護，比特b2，b1提供中等的差錯保護，比特b6，b5提供較低的差錯保護；第三次傳輸時，將每6個比特b6，b5，b4，b3，b2，b1重排為b2，b1，b6，b5，b4，b3，對重排前的兩個低位比特b2，b1提供較強的差錯保護，重排前的兩個高位比特b6，b5提供中等的差錯保護，重排前的兩個中位比特b4，b3提供較低的差錯保護；後續的傳輸，依次循環採用以上三個重排規則；b、接收端的調製符號內比特反重排針對發送端採用的重排規則進行比特反重排，將解映射輸出的比特軟值序列重新排序，恢復為發送端比特重排前的比特順序軟值，即第一次傳輸時，保持原比特順序不變；第二次傳輸時，將每6個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』4，b』3，b』2，b』1，b』6，b』5，反重排為發送端重排前的比特順序b』6，b』5，b』4，b』3，b』2，b』1；第三次傳輸時，將每6個解映射輸出的比特軟值按從高位到低位的順序依次排列為b』2，b』1，b』6，b』5，b』4，b』3，發送端重排前的比特順序b』6，b』5，b』4，b』3，b』2，b』1；後續的傳輸，依次循環採用以上三個反重排規則。
全文摘要
一種基於均勻與非均勻調製星座圖映射的不等保護混合自動重傳請求方法，用於調製階數為M且M＝文檔編號H04L1/08GK1490972SQ03117248
公開日2004年4月21日 申請日期2003年1月27日 優先權日2003年1月27日
發明者陳紅, 範平志, 陳 紅 申請人:西南交通大學