阅读说明：本技术 一种基于星座旋转的额外信息传输方法 (A kind of additional information transmission method based on constellation rotation ) 是由 马啸 刘昊 孙嘉辰 蔡穗华 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于星座旋转的额外信息传输方法,包括：以一般线性分组码c作为基本码,用于将长度为k的信息序列<U>u</U>及长度为l的额外信息序列<U>v</U>联合编码为长度为n的传输码字<U>c</U>；以包含2<Sup>m</Sup>个星座点的二维星座<U>S</U>作为调制信号星座,用于将长度为n的传输码字<U>c</U>进行调制成长度为n/m的调制信号序列<U>x</U>；对于长度为n的接收序列<U>y</U>,进行额外信息和基本负载信息的译码。本发明是一种基于星座旋转的额外信息传输方法,在不需要额外消耗能量、带宽的情况下,利用额外信息序列来控制调制信号的分段和旋转,并将其叠加到编码后的码字进行传输,其方法步骤简单,实现方便,可以在基本不影响负载信息译码性能的条件下,传输额外信息序列。(The invention discloses a kind of additional information transmission method based on constellation rotation, comprising: using general linear block code c as basic code, for the information sequence for being k by length u And length is the additional information sequence of l v Combined coding is the transmitted codewords that length is n c ；To include 2 m The two dimensional constellation of a constellation point S As modulated signal constellation, for the transmitted codewords for being n by length c It is modulated into the modulated signal sequences that length is n/m x ；The reception sequence for being n for length y , carry out the decoding of additional information and basic load information.The present invention is a kind of additional information transmission method based on constellation rotation, in the case where not needing additionally to consume energy, bandwidth, the segmentation and rotation of modulated signal are controlled using additional information sequence, and the code word after the coding that is added to is transmitted, its method and step is simple, it is convenient to realize, can be under conditions of having substantially no effect on load information decoding performance, transmitting additional information sequence.)

一种基于星座旋转的额外信息传输方法

技术领域

本发明涉及数字通信和数字存储领域，特别涉及一种基于星座旋转的额外信息传输方法。

背景技术

LDPC码作为5G通信中长码的编码传输标准，及其诸多优点，在现代通信系统中有着广泛应用。在实际的通信系统中，为了高效地进行数据调度、传输，除了要传输数据信息外，还要传输控制信息。对于数据信息的传输，要求逼近信道容量，主要要求速率高。控制信息包括线路信令信息、路由信息等等，通常较短，但要求可靠性较高。

现有技术为了保证控制消息较高的可靠性，一般使用码率较低的编码方案对控制信息进行独立传输。因此，需要额外花费能量、带宽开销来传输这些信息。为了降低开销，现有相关研究主要针对混合自动重传请求(Hybrid Automa tic Repeat reQuest，HARQ)系统中接收段反馈的ACK(Acknowledgement)/NAC K(Negative Acknowledgement)信息，通过选择不同星座或不同编码方案只提供了实现额外传输1比特的信息的方案。

现实通信系统中，信令信息除了ACK/NACK信息外，还包括线路信令信息、路由信息等，从而需要额外传输多个比特的额外信息。而现有研究的方案并不能实现多比特的额外信息传输，并且现有的部分方案由于对信令信息进行单独的编码传输，从而导致对能量和带宽的额外消耗。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于星座旋转的额外信息传输方法，在不需要额外消耗能量、带宽的情况下，将额外信息与负载信息进行叠加，并将额外信息映射成旋转角度用以控制调制信号以进行额外信息的无附加系统资源消耗的传输。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于星座旋转的额外信息传输方法，包括下述步骤：

(1)以一般线性分组码作为基本码，用于将长度为k的信息序列u及长度为的额外信息序列v联合编码为长度为n的传输码字c，其编码方法包括以下步骤：

(1.1)先将长度为k的基本负载信息序列u编码成线性分组码码字

(1.2)将长度为的额外信息序列v输入序列选择器R，输出长度为n的序列s＝R(v)；

(1.3)将序列s与线性分组码码字w叠加编码得到传输码字c；

(2)以包含2^m个星座点的二维星座S作为调制信号星座，用于将长度为n的传输码字c进行调制成长度为n/m的调制信号序列x，将长度为的额外信息序列v经过星座选择器，得到旋转角度的参数集合并将调制信号序列x分段与旋转角度的参数集合H中的元素分别相乘得到编码后的传输信号序列其编码方法包括以下步骤：

(2.1)对于二维星座S，选择一个旋转角度θ∈[0，2π)，构造集合Θ＝{θ₀＝0，θ₁＝θ}；

(2.2)将长度为n的传输码字c经过调制器映射到二维星座S上，输出长度为n/m的调制信号序列x；

(2.3)将长度为的额外信息序列v输入星座选择器，输出旋转角度参数集合

(2.4)将序列x划分为等长的段，各段长度为d，并将每段与集合H的元素对应相乘，得到编码后的传输信号序列

(3)对于长度为n的接收序列y，其额外信息序列的译码方法，包括以下步骤：

(3.1)先将长度为n的接收序列y划分为等长的段，各段长度为d，对第k段计算F(θ，k)，其中

(3.2)由每段计算所得的F(θ，k)，产生一个额外信息序列的候选列表其中，对序列度量函数列表L中的序列满足如下关系

(3.3)对候选列表L中的每个序列计算特征度量函数并根据μ⁽ⁱ⁾的大小选择最优的作为额外信息的译码输出

(4)其基本负载信息的译码方法，包括以下步骤：

(4.1)从接收序列y中移除的分段旋转的干扰和叠加编码的干扰得到关于基本负载信息的基本线性分组码的对应接收序列

(4.2)利用基本线性分组码的译码器对进行译码，输出基本信息序列的译码输出

作为优选的技术方案，步骤(1.1)中，基本负载信息序列的编码器是任意类型的将长度为k的基本信息u编码成长度为n的码字w的线性分组码编码器，采用的编码是低密度奇偶校验码或turbo码。

作为优选的技术方案，步骤(1.2)中，序列选择器R是指输入信息长为输出信息长为n的任意类型编码器，具体实现方法包括：

用一个伪随机数发生器产生一个大小为的0-1二元随机矩阵R，当输入为长度为的比特序列v，则输出为s＝vR；

所述的叠加编码是序列的有限群加法运算，对于编码二元编码的情形，有限群加法运算是逐比特异或运算。

作为优选的技术方案，步骤(2.1)中，所指的二维星座S是任意类型的二维调制星座，包括：

正交相移键控调制和正交振幅调制，

选择的旋转角度θ是可由似然度量函数与不旋转的情况进行区分的角度。

作为优选的技术方案，步骤(2.3)中，将长度为的额外信息序列v经过星座选择器编码成旋转角度的参数集合的方法如下：

对长度为的额外信息序列v，根据其每个比特的值v _i，依次计算其中从而得到旋转参数集合H。

作为优选的技术方案，步骤(2.4)中，得到编码后的传输信号序列的方法如下：

将序列x划分为等长的段，其中各段为 将每段序列与旋转角度的参数集合H的元素h_k相乘，得到其中所述的乘法指复数乘法。

最后将各段相乘的结果 合并得到传输信号序列

作为优选的技术方案，步骤(3.1)中，函数F(θ，k)的描述如下：

其中σ²为复高斯白噪声w的方差，y_t为接收序列y在t时刻的符号，s_i为二维调制星座S中的一个星座点。

作为优选的技术方案，步骤(3.2)中，所述序列度量函数是一个输入为额外信息序列v⁽ⁱ⁾的一个实值函数，其具体的实现方法包括：

对于输入的额外信息序列序列度量函数的输出为其中

由各段计算所得的F(θ，k)产生额外信息序列的候选列表L的具体的实现方法包括但不限于：

以各段计算所得的F(θ，k)构造篱笆网络，并根据序列度量函数使用列表维特比译码算法对所构造的篱笆网络进行搜索得到候选列表L。

作为优选的技术方案，步骤(3.3)中，所述特征度量函数是一个输入为接收序列y和额外信息序列v⁽ⁱ⁾的关于线性分组码的一个实值函数，其具体的实现方法包括但不限于：

当选用LDPC码时，特征度量函数的具体描述如下：

(3.3.1)从接收序列y中消除v⁽ⁱ⁾的干扰，得到关于基本负载信息的基本线性分组码的对应接收序列

(3.3.2)利用LDPC码的译码器对进行硬判决，得到序列从序列中移除v⁽ⁱ⁾的叠加干扰R(v⁽ⁱ⁾)得到码字w的估计序列并对序列进行奇偶校验，统计校验结果，得出μ⁽ⁱ⁾。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明对分段后的调制序列控制其旋转角度来传输额外信息序列的每个比特，适用于任何星座，编码设计简单。

2、本发明对额外信息序列的译码根据计算所得度量信息，计算额外信息序列的候选列表确保了额外信息序列译码的正确率。

3、本发明基于星座旋转来传输额外的比特信息不需要消耗额外的能量和带宽。

附图说明

图1是本发明编码方案的流程框图；

图2是本发明使用LDPC编码和16QAM调制为例，传输额外信息的误帧率的示意图；

图3是本发明使用LDPC编码和16QAM调制为例，传输额外信息的情况下负载信息的性能示意图；

图4是本发明使用LDPC编码和QPSK调制为例，传输额外信息的误帧率的示意图；

图5是本发明使用LDPC编码和QPSK调制为例，传输额外信息的情况下负载信息的性能示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例1的一种基于星座旋转的额外信息传输方法，如图1所示，包括下述步骤：

(1)以一般线性分组码作为基本码，用于将长度为k的信息序列u及长度为的额外信息序列v联合编码为长度为n的传输码字c，其编码方法包括以下步骤：

(1.1)先将长度为k的基本负载信息序列u编码成线性分组码码字基本负载信息序列的编码器是任意类型的将长度为k的基本信息u编码成长度为n的码字w的线性分组码编码器，包括但不限于：

低密度奇偶校验码(low-density parity-check,LDPC)和turbo码。

(1.2)将长度为的额外信息序列v输入序列选择器R，输出长度为n的序列s＝R(v)；

所述序列选择器R是指输入信息长为输出信息长为n的任意类型编码器，具体实现方法包括但不限于：

用一个伪随机数发生器产生一个大小为的0-1二元随机矩阵R，当输入为长度为的比特序列v，则输出为s＝vR；

所述的叠加编码是序列的有限群加法运算，对于编码二元编码的情形，有限群加法运算是逐比特异或运算。

(1.3)将序列s与线性分组码码字w叠加编码得到传输码字c；

(2)以包含2^m个星座点的二维星座S作为调制信号星座，用于将长度为n的传输码字c进行调制成长度为m的调制信号序列x，将长度为的额外信息序列v经过星座选择器，得到旋转角度的参数集合并将调制信号序列x分段与旋转角度的参数集合H中的元素相乘得到编码后的传输信号序列其编码方法包括以下步骤：

(2.1)对于二维星座S，选择一个旋转角度θ∈[0，2π)，构造集合Θ＝{θ₀＝0，θ₁＝θ}；所述二维星座S是任意类型的二维调制星座，包括但不限于：

正交相移键控调制(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)和正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)。

选择的旋转角度θ是可由似然度量函数与不旋转的情况进行区分的角度。

以QPSK调制信号星座为例，旋转角度θ可以选择为或者

(2.2)将长度为n的传输码字c经过调制器映射到二维星座S上，输出长度为n/m的调制信号序列x；

(2.3)将长度为的额外信息序列v输入星座选择器，输出旋转角度的参数集合其具体为：

对长度为的额外信息序列v，根据其每个比特的值v _i，计算其中从而得到旋转角度的参数集合H。

(2.4)将序列x划分为等长的段，各段长度为d，并将每段与参数集合H中的元素对应相乘，得到编码后的传输信号序列得到编码后的传输信号序列的方法如下：

将序列x划分为等长的段，其中各段为 将每段序列与旋转参数集合H中的元素h_k相乘，得到其中所述的乘法指复数乘法。

最后将各段相乘的结果 合并得到传输信号序列

(3)对于长度为n的接收序列y，其额外信息序列的译码方法，包括以下步骤：

(3.1)先将长度为n的接收序列y划分为等长的段，各段长度为d，对第k段计算F(θ，k)，其中

函数F(θ，k)的描述如下：

其中σ²为复高斯白噪声w的方差，y_t为接收序列y在t时刻的符号，s_i为二维调制星座S中的一个星座点。

(3.2)由每段计算所得的F(θ，k)，产生一个额外信息序列的候选列表其中，对序列度量函数列表L中的序列满足如下关系

所述序列度量函数是一个输入为额外信息序列v⁽ⁱ⁾的一个实值函数，其具体的实现方法包括：

对于输入的额外信息序列序列度量函数的输出为其中

由各段计算所得的F(θ，k)产生额外信息序列的候选列表L的具体的实现方法包括但不限于：

以各段计算所得的F(θ，k)构造篱笆网络，并根据序列度量函数使用列表维特比译码算法对所构造的篱笆网络进行搜索得到候选列表L。

(3.3)对候选列表L中的每个序列计算特征度量函数并根据μ⁽ⁱ⁾的大小选择最优的作为额外信息的译码输出

所述特征度量函数是一个输入为接收序列y和额外信息序列v⁽ⁱ⁾的关于线性分组码的一个实值函数，其具体的实现方法包括但不限于：

以LDPC码为例，特征度量函数的具体描述如下：

(3.3.1)从接收序列y中消除v⁽ⁱ⁾的干扰，得到关于基本负载信息的基本线性分组码的对应接收序列

(3.3.2)利用LDPC码的译码器对进行硬判决，得到序列从序列中移除v⁽ⁱ⁾的叠加干扰R(v⁽ⁱ⁾)得到码字w的估计序列并对序列进行奇偶校验，统计校验结果，得出μ⁽ⁱ⁾

(4)其基本负载信息的译码方法，包括以下步骤：

(4.1)从接收序列y中移除的分段旋转的干扰和叠加编码的干扰得到关于基本负载信息的基本线性分组码的对应接收序列

(4.2)利用基本线性分组码的译码器对进行译码，输出基本信息序列的译码输出

通过本实施例1基于星座旋转的额外信息传输方法，在不需要额外消耗能量、带宽的情况下，将所需传输的额外信息序列编码后控制调制信号的分段旋转来进行传输，其方法步骤简单，实现方便，可以在对基本负载信息的译码性能可忽略的条件下，传输额外信息序列。

实施例2

本实施例2使用码长为n＝8064，码率为r＝0.5的LDPC码，星座调制方式为正交相移键控调制(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)说明本发明提出的基于星座旋转的额外信息传输方法的有效性。以传输长度和额外信息序列为例，选择星座旋转角度为候选列表的大小I＝1024，具体步骤如下：

首先将长度为k＝4032的基本负载信息u送入LDPC码的编码器得到长度为n的码字w，并对w和长度为l＝24的额外信息序列v进行叠加编码得到序列c，对序列c进行QPSK调制后得到长度为m＝4032的调制信号序列x；

额外序列v送入星座选择器得到旋转角度的参数集合H，将调制信号序列x分为长度为d＝168的段，并将每段与旋转角度的参数序列H中的元素相乘，发送至信道，接收端对接收序列y进行译码。进行蒙特卡洛仿真实验，由图2，和图3可见，使用本发明的方案，可以在不影响LDPC码性能的情况下传输长度为的额外信息序列v。

实施例3

本实施例3使用码长为n＝8064，码率为r＝0.5的LDPC码，星座调制方式为带有16个符号的正交幅度调制(16-Quadrature Amplitude Modulation,16QAM)说明本发明提出的基于星座旋转的额外信息传输方法的有效性。以传输长度和额外信息序列为例，选择星座旋转角度为候选列表的大小I＝32，具体步骤如下：

首先将长度为k＝4032的基本负载信息u送入LDPC码的编码器得到长度为n的码字w，并对w和长度为l＝16的额外信息序列v进行叠加编码得到序列c，对序列c进行16QAM调制后得到长度为m＝2016的调制信号序列x；

额外序列v送入星座选择器得到旋转角度的参数集合H，将调制信号序列x分为长度为d＝126的段，并将每段与旋转角度的参数集合H中的元素相乘，发送至信道，接收端对接收序列y进行译码。进行蒙特卡洛仿真实验，由图4，和图5可见使用本发明的方案，可以在不影响LDPC码性能的情况下传输长度为的额外信息序列v。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。