[发明专利]一种6-QAM与LDPC码结合方案的星座图优化方法

说明书

本发明公开了一种6‑QAM与LDPC码结合方案的星座图优化方法，包括：针对6‑QAM与LDPC码结合的编码调制方案，首先将6‑QAM星座图分割为三个子集，以其中一子集内星座点间的欧氏距离为自变量，设该方案的误符号率为目标函数，将最小化误符号率作为优化准则，建立星座图优化模型；然后分析子集内最小平方欧氏距离和自变量的关系、子集间最小平方欧氏距离和自变量的关系，根据子集内最小平方欧氏距离和子集间最小平方欧氏距离满足的约束条件，得出自变量的可行域；最后基于自变量的可行域，对该方案的误符号率进行数值仿真，获取目标函数与自变量的关系，得到优化后的6‑QAM星座图。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种6-QAM与LDPC码结合方案的星座图优化方法。

背景技术

随着无线通信领域技术的高速发展，以云计算、大数据中心等形式互联网应用的网络流量需求快速增长，对网络传输速率和传输带宽提出了越来越高的要求。如何在无线通信领域高效地利用有限的频谱资源，同时保障无线网络中的传输可靠性，已经成为研究的重要课题。与单独的高阶调制技术和信道编码技术相比，编码调制技术通过将编码和调制进行联合设计，在不牺牲有效频谱效率和功率效率的前提下，可获得显著的编码增益，是通信系统的关键实现技术之一。低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check，LDPC)码因其接近香农限的优越性能，已被多种无线通信标准采用。因此，联合LDPC码与调制的编码调制方案在卫星通信、光纤通信等通信场景中得以广泛应用与深入研究。

通过概率优化和几何优化分别改变调制星座点的概率和位置，将输入信号整形为近似的高斯分布，可以提高频谱利用率。在常用的调制方式中，正交幅度调制(QuadratureAmplitude Modulation，QAM)调制星座点间的距离更大，具有更高的带宽利用率和更强的抗噪声性能，所以在光网络、卫星通讯等场景中多被研究。概率优化是指设计不等概率的星座以获得相应的性能，可以通过叠加信号和整形编码等来实现，其基本思路是提高能量较低、受非线性影响小的信号的出现频率，降低能量较高、受非线性影响大的信号的出现频率，以节省发射功率，从而获得相较于传统均匀QAM的性能增益。概率优化的一种重要手段是概率成型，将均匀分布的输入比特转化为不均匀分布的星座符号。几何优化主要包括对调制星座的形状、星座点的位置以及星座点间隔的设计和优化，通过改变传统均匀星座点的位置，得到一种非等间隔的星座分布，重新分配和利用复平面。针对几何优化的调制星座设计中，主要目标是最大化星座点之间的最小欧氏距离。有研究者提出两环结构的星形QAM方案，该方案通过优化环的半径以达到降低平均误比特率的目的，相比于传统的QAM和相移键控(Phase-Shift Keying，PSK)调制方案，获得了更高的性能增益。有研究者通过成对优化算法对传统的32-QAM的几何分布进行优化，实验结果表明，与传统的32-QAM相比，优化后的32-QAM可以实现约0.5dB的增益。

对于概率优化的星座调制与LDPC码的结合方案，Ivan教授首次提出LDPC码与哈夫曼编码相结合的概率成型方法。该方法将哈夫曼编码作为前缀码，按照调制符号对应的哈夫曼编码，为LDPC码的信息比特增加冗余比特进行发送映射，使得比特序列发送的概率不同，因而映射后信号星座点的使用概率也不同，由此完成概率成型。有研究者基于哈夫曼编码提出一种应用于自适应光网络的5-QAM、7-QAM的星座图设计算法，该算法采用哈夫曼编码进行预编码，输入LDPC码的信息比特，将信息比特分组映射到对应的星座点，为星座点设置不同的概率以实现概率成型，节省发射功率。进一步将5-QAM、7-QAM分别与伽罗华域GF(5)多进制LDPC(Non-binary LDPC，NB-LDPC)码、GF(7)NB-LDPC码结合，实现了优越的译码性能。该算法在设计星座图时同时考虑了非均匀整形与LDPC码的码率，提高了编码增益和整体性能。有研究者提出一种9-QAM星座图，同样通过哈夫曼编码得到各星座点对应传输的比特信息以及非均匀分布的星座图，与方形8-QAM相比，9-QAM的设计增加了原点位置的星座点，各信号点呈不等概率分布，提升了对二维平面空间中低功率信号的利用率。非均匀9-QAM与对应进制的LDPC码结合的传输方案与基于8-QAM的编码调制方案相比，实现了更大的编码增益。