基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座設(shè)計(jì)*

郭常盈，梁云英,方偉偉

(1.南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004；2.中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045)

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基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座設(shè)計(jì)*

郭常盈1，梁云英2,方偉偉1

(1.南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004；2.中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045)

Foundation Item:Science and Technology of Henan Province of Science and Technology Research Project(No.142102210552;No.132102210572)

摘要：多維映射通過增加星座的維度數(shù)而使得符號間的平均歐式距離大大增加，這可以大程度地提高數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性。然而已有的基于Gray映射的4D-QPSK星座在設(shè)計(jì)上，并沒有充分利用四維星座的空間優(yōu)勢，對于相鄰星座點(diǎn)的漢明距離并未達(dá)到最大。提出一種基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座設(shè)計(jì)方案，該方案中的比特映射方式按照相鄰星座點(diǎn)漢明距離最大，漢明距離為1的星座點(diǎn)歐式距離最大的設(shè)計(jì)原則，使星座點(diǎn)間具有最大的分集度。仿真結(jié)果表明，該方案可以提高抵抗衰落信道的能力。

關(guān)鍵詞：Gray映射；Anti-Gray映射；多維映射；4D-QPSK

0引言

Zehavi提出的比特交織編碼調(diào)制(bit-interleaved coded modulation, BICM)系統(tǒng)由糾錯(cuò)編碼模塊、比特交織和高級調(diào)制模塊構(gòu)成，特別適合在帶寬受限的信道中傳輸[1]。同時(shí)，BICM系統(tǒng)通過在解調(diào)器和解碼器之間迭代交換信息，可進(jìn)一步提高性能，這種引入了迭代交換的BICM系統(tǒng)[2-3]，稱為比特交織編碼調(diào)制迭代譯碼(bit-interleaved coded modulation with iterative decoding, BICM-ID)系統(tǒng)。

Chi-Hsiao指出[4]，BICM-ID系統(tǒng)的性能在很大程度上依賴于符號映射的方案。通常來說，符號映射方案是由符號星座圖和星座點(diǎn)映射方式共同決定[5]。符號星座圖是由映射符號的所有取值組成的集合；星座點(diǎn)映射方式是指輸入比特組到星座點(diǎn)的特定映射關(guān)系，通常星座點(diǎn)與比特組一一對應(yīng)。目前最為常見的二維星座圖[6-7]有：正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)、相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)及幅度相位鍵控(Amplitude-Phase Shift Keying, APSK)。基于二維星座圖的典型映射方式[8]有：首輪迭代性能最佳的Gray映射；具有最大分集度的Anti-Gray映射；具有最大化最小歐式平方重量的MSEW(Maximum Squared Euclidean Weight)映射等。

為了進(jìn)一步通過調(diào)制映射技術(shù)提高數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性，Simoens等提出了多維映射[9](multi-dimension)的概念，即將一組比特映射到一個(gè)符號矢量，該符號矢量中的每個(gè)元素是一個(gè)二維(2-dimension, 2D)的復(fù)數(shù)。Simoens推導(dǎo)了多維映射的最佳設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并給出了BPSK以及QPSK的最佳四維(4-dimension, 4D)映射。Tran[10-11]以更高的接收復(fù)雜度為代價(jià)，提出一種基于QPSK的新的多維超立方體映射。然而，已有的4D-QPSK星座都是基于Gray映射構(gòu)造，Gray映射的特點(diǎn)是相鄰星座點(diǎn)的漢明距離為1，這在AWGN信道中能獲得最優(yōu)的漸進(jìn)性能，但在實(shí)際的無線通信環(huán)境中，Gray映射的性能表現(xiàn)很差。此時(shí)對于星座圖設(shè)計(jì)來說，應(yīng)使最近歐式距離的星座點(diǎn)的漢明距離最大，使?jié)h明距離為1的比特組具有最大的歐式距離。針對此種情況，本文提出一種基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座，以提高數(shù)字系統(tǒng)在衰落信道中的可靠性。

1基于多維映射的BICM-ID 系統(tǒng)模型

基于多維映射的BICM-ID系統(tǒng)框圖如圖1所示，信息序列u經(jīng)編碼器編碼為序列c，再經(jīng)比特交織器交織后為v，而后序列v進(jìn)行多維映射的調(diào)制。

圖1　基于多維映射的BICM-ID 系統(tǒng)框

和傳統(tǒng)的二維映射不同，多維映射將每組K=N×m個(gè)編碼比特映射為N個(gè)連續(xù)的M進(jìn)制星座符號，其中M=2m。由于M進(jìn)制星座由I/Q兩部分構(gòu)成，因此，K個(gè)編碼比特將生成2N維的超幾何體星座，表示為：

Si=[Si,1,Si,2,…,Si,2N-1,Si,2N]

(1)

也可以等效表示為：

xi=[xi,1,xi,2,…,xi,N]

(2)

式中，xi,l=[Si,2l-1,Si,2l]，l∈[1,N]，表示第l個(gè)二維的M進(jìn)制符號，即xi,l=Si,2l-1+jSi,2l。

2基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座設(shè)計(jì)

基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

步驟1，構(gòu)造基于Anti-Gray映射的2D-QPSK星座。構(gòu)造方法為：設(shè)定2D-QPSK星座的坐標(biāo)標(biāo)識，S1=[-1,-1]，S2=[1,-1]，S3=[1,1]，S4=[-1,1]，其中Si=[Si,1,Si,2],i=1,2,3,4為星座圖中第i個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)識，對應(yīng)笛卡爾坐標(biāo)Si,1+jSi,2；并設(shè)定2D-QPSK星座的比特標(biāo)識為：

(3)

式中，ai,1和ai,2分別是星座圖中第i個(gè)頂點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)比特值。構(gòu)造的基于Anti-Gray映射的2D-QPSK星座如圖2所示。

圖2　基于Anti-Gray映射的2D-QPSK星座圖

步驟2，構(gòu)造基于Anti-Gray映射的3D-QPSK星座。構(gòu)造方法為：按照相鄰星座點(diǎn)的漢明距離大于等于2的原則，構(gòu)造基于Anti-Gray映射3D-QPSK星座的坐標(biāo)標(biāo)識如圖3所示，具體為：X1=[-1,-1,-1]，X2=[-1,-1,1]，X3=[-1,1,-1]，X4=[-1,1,1]，X5=[1,-1,-1]，X6=[1,-1,1]，X7=[1,1,-1]，X8=[1,1,1]；對應(yīng)的比特標(biāo)識為：b1=(0,0,0)，b2=(1,1,1)，b3=(1,1,0)，b4=(0,0,1)，b5=(0,1,1)，b6=(1,0,0)，b7=(1,0,1)，b8=(0,1,0)；其中Xk=[Xk,1,Xk,2,Xk,3],k=1,2，…,8為星座圖中第k個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)識，bk=(bk,1,bk,2,bk,3),k=1,2，…,8為星座圖中第k個(gè)頂點(diǎn)的比特標(biāo)識。

圖3　基于Anti-Gray映射的3D-QPSK星座圖

步驟3，修正3D的比特標(biāo)識為4D的比特標(biāo)識，增加3D坐標(biāo)標(biāo)識的最高位構(gòu)造4D的坐標(biāo)標(biāo)識。其中4D的比特標(biāo)識表示為：

ck=(ck,1,bk,1,bk,2,bk,3),k=1,2，…,8

(4)

式中，ck,1是第k個(gè)頂點(diǎn)增加的最高比特位，ck,1取值0或1，必須滿足相鄰星座點(diǎn)的漢明距離大于等于3；

構(gòu)造4D的坐標(biāo)標(biāo)識的方法為：

Yk=[-1,Xk,1,Xk,2,Xk,3],k=1,2,…,8

(5)

式中，Yk為星座圖中第k個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)識；修正后的4D比特標(biāo)識和4D坐標(biāo)標(biāo)識對應(yīng)如圖4所示。

圖4　修正的4D比特標(biāo)識和修正的4D坐標(biāo)標(biāo)識

(a)集合

(b)集合

步驟5，輸出4D比特標(biāo)識與基于Anti-Gray映射的4D-QPSK坐標(biāo)標(biāo)識間的對應(yīng)關(guān)系，表示為：χ0=χ(0000)=[-1-j,-1-j]，χ1=χ(0001)=[-1-j,1+j]，χ2=χ(0010)=[1-j,-1-j]，χ3=χ(0011)=[1-j,1+j]，χ4=χ(0100)=[-1+j,-1+j]，χ5=χ(0101)=[-1+j,1-j]，χ6=χ(0110)=[1+j,-1+j]，χ7=χ(0111)=[1+j,1-j]，χ8=χ(1000)=[1+j,1+j]，χ9=χ(1001)=[1+j,-1-j]，χ10=χ(1010)=[-1+j,1+j]，χ11=χ(1011)=[-1+j,-1-j]，χ12=χ(1100)=[1-j,1-j]，χ13=χ(1101)=[1-j,-1+j]，χ14=χ(1110)=[-1-j,1-j]，χ15=χ(1111)=[-1-j,-1+j]；其中χd=χ(m)=[Q],d=0,1,…,15，m是4D的比特標(biāo)識，Q是4D-QPSK超立方體的坐標(biāo)標(biāo)識。

至此則完成了基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座的設(shè)計(jì)。

3仿真結(jié)果

本節(jié)將分析提出的基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座方案在BICM-ID系統(tǒng)瑞利信道下的BER性能。實(shí)驗(yàn)環(huán)境是基于迭代方案解決編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)，編程語言使用MATLAB和C語言。仿真選用線性-對數(shù)-最大后驗(yàn)概率譯碼算法，交織器使用矩陣大小為5 114 bit的隨機(jī)交織器。卷積碼采用1/2碼率，限長為7，生成矩陣為(133,171) ，迭代次數(shù)為10，并且只關(guān)注BER性能。

圖6為不同映射方法的BER性能比較，紅色表示已有的基于Gray映射的4D-QPSK星座性能，藍(lán)色表示本文提出的基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座性能，圖中橫坐標(biāo)為各個(gè)信噪比點(diǎn)Eb/N0，縱坐標(biāo)為對應(yīng)信噪比下的BER值。

圖6　4D-QPSK星座性能對比

通過圖6可以看到，在所有的信噪比點(diǎn)下，本文提出的基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座性能要優(yōu)于基于Gray映射的4D-QPSK星座性能。究其原因，是由于本文提出的基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座充分利用四維空間星座點(diǎn)的優(yōu)勢，最大化相鄰星座點(diǎn)的漢明距離，從而使星座點(diǎn)具有最大的分集度，提高了抵抗衰落信道的能力。仿真顯示，當(dāng)BER為10-4時(shí)，改進(jìn)的4D映射方案相比較原4D映射方案可以提高1.2 dB的性能增益。

4結(jié)語

本文基于BICM-ID系統(tǒng)提出了一種基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座方案。該映射方案利用Anti-Gray映射的特點(diǎn)，通過最大化相鄰星座點(diǎn)的漢明距離，使星座點(diǎn)具有最大的分集度，以提高數(shù)字通信系統(tǒng)抵抗衰落信道的能力。仿真結(jié)果顯示，在瑞利信道環(huán)境下，當(dāng)BER為10-4時(shí)，改進(jìn)的4D-QPSK星座方案相比較原4D星座方案可以提高1.2 dB的性能增益。該方案可廣泛用于數(shù)字通信系統(tǒng)中，通過在發(fā)送端改造2N維映射模塊，相應(yīng)地在接收端改造2N維解映射模塊，即可實(shí)現(xiàn)本文提出的基于Anti-Gray映射的4D-QPSK星座方案。

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郭常盈(1977—)，女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)信號處理及系統(tǒng)性能與器件測試、新型傳感理論與技術(shù)；

梁云英(1987—)，女，碩士，初級工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)、數(shù)字發(fā)射機(jī)技術(shù)；

方偉偉(1986—)，女，博士，講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信系統(tǒng)信號處理、數(shù)字發(fā)射機(jī)技術(shù)。

4D-QPSK Constellation Design based on Anti-Gray Mapping

GUO Chang-ying1, LIANG Yun-ying2, FANG Wei-wei1

(1.Nanyang Institute of Technology, Nanyang Henan 473004, China;

2.Radio, Film & TV Design and Research Institute, Beijing 100045,China)

Abstract：By adding the number of constellation dimension,the average Euclidean distance of between the symbols could be greatly increased, and the reliability of digital communication system also be significantly improved. However, the existing design of 4D-QPSK constellation based on Gray mapping, make no use of the four-dimensional space, and thus could not reach the maximum Hamming distance to the adjacent constellation points. A design scheme of 4D-QPSK constellation based on Anti-Gray mapping is proposed, and in this scheme the bit mapping method is designed in accordance with the maximum Hamming distance to adjacent constellation points. The constellation points with Hamming distance of 1 enjoys the maximal Euclidean distance, thus to reach the maximum diversity of between the constellation points. Simulation results show that the proposed scheme could enhance the capability of communication system to resist fading channel.

Key words：gray mapping; anti-gray mapping; multi-dimensional mapping; 4D-QPSK

作者簡介：

中圖分類號：TN914.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0776-04

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(No.142102210552；No.132102210572)

收稿日期：修回日期：2015-05-17Received date:2015-01-21；Revised date：2015-05-17

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.005