基于可变长纠错码和掺杂调制的联合信源信道编码调制方法.pdf

基于可变长纠错码和掺杂调制的联合信源信道编码调制方法包 涵 凃国防*张 灿 高绍帅 陈德元(魏桥国科大高等技术研究院 北京 101408)(中国科学院大学电子电气与通信工程学院 北京 101408)摘 要：针对无线通信中存在的频谱资源有限、信道衰落和多径效应等问题，该文将可变长纠错(VLEC)编码和掺杂调制相结合，提出一种新的联合信源信道编码调制方法。该方法利用外信息转移(EXIT)图分析系统的迭代译码特性，优化设计可变长纠错编码和掺杂调制的参数。主要包括：(1)设计有更大自由距离的可变长码，使其具有纠错能力；(2)设计优化掺杂调制的掺杂和映射规则的方法，使掺杂调制EXIT曲线与可变长纠错编码EXIT曲线匹配，降低迭代译码收敛所需的信噪比(SNR)。仿真结果表明，在AWGN信道和瑞利衰落信道下，该联合信源信道编码调制方法与分离的信源信道编码调制方相比，迭代收敛所需的信噪比减小了1 dB以上，相比其他的联合信源信道编码调制方法，也有更好的误码率性能。在误码率为104时，该方法距离AWGN信道和瑞利衰落信道的香农限分别为0.7 dB和1.0 dB。关键词：联合信源信道编码；掺杂调制；迭代译码；外信息转移图中图分类号：TN911.3文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)06-2045-09DOI:10.11999/JEIT220531Joint Source-Channel Code Modulation Scheme Based on Variable-lengthError-Correct Code and Doping ModulationBAO Han TU Guofang ZHANG Can GAO Shaoshuai CHEN Deyuan(The High Technology Research Institute of Wei Qiao,USCAS,Beijing 101408,China)(School of Electronic,Electrical and Communication Engineering,University ofChinese Academy of Sciences,Beijing 101408,China)Abstract:To deal with effects of limited spectrum,fading and multipath during wireless communication,a newjoint source-channel code modulation scheme is proposed.This scheme consists of a Variable-Length Error-Correct(VLEC)code and doping modulation.With the aid of EXtrinsic Information Transfer(EXIT)chartanalysis for the iterative decoding characteristics,the parameters of VLEC and doping modulation are designed.The design includes:(1)a variable-length code with large free distance is constructed to provide errorcorrection capability;(2)the doping code and mapping of modulation are optimized to make the EXIT curve ofdoping modulation match with the EXIT curve of VLEC,and hence the Signal-to-Noise Ratio(SNR)requiredfor iterative decoding convergence is reduced.Simulation results show that over AWGN channel and Rayleighfading channel,the proposed scheme has more than 1 dB SNR gains compared with the separated source-channel code modulation and has the best performance compared with other joint source-channel codemodulation schemes.Also,at the symbol error rate of 10-4,the performance of the proposed system is 0.7 dBand 1.0 dB away from the Shannon limit,respectively.Key words:Joint source-channel code;Doping modulation;Iterative decoding;EXtrinsic Information Transfer(EXIT)chart 收稿日期：2022-04-27；改回日期：2022-09-18；网络出版：2022-10-14*通信作者：凃国防基金项目：国家自然科学基金(61571416,61271282)，中国科学院奖励基金(2017-6-17)Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(61571416,61271282),The Award Foundation of Chinese Academyof Sciences(2017-6-17)第45卷第6期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.62023年6月Journal of Electronics&Information TechnologyJun.20231 引言传统的无线通信系统依据香农信源信道分离定理1，将信源编码、信道编码分离设计，当各部分都达到最优时，可实现系统的全局最优。在实际无线通信系统中，由于时延和复杂度的限制，分离定理的假设前提难以满足，系统无法达到全局最优，因此一些文献提出了联合信源信道编译码方法2。联合信源信道编译码方法能够根据不同的信源、信道条件，以及资源限制等来优化系统信源编码和信道编码模块参数，提高通信系统的整体性能。其中一个重要研究方向是将可变长码(Variable LengthCode,VLC)用于联合信源信道编译码系统。VLC被广泛用在文本、图像和视频的信源压缩编码中，它通过对概率大的信源符号分配短码字，概率小的信源符号分配长码字，提高了信源传输速率。但传统的VLC如Huffman码，不具备纠错能力，信道传输错误会导致VLC译码发生严重的错误扩散，为此，研究人员对使用VLC的联合信源信道编译码系统进行了改进，特别是在VLC编码的鲁棒性和VLC译码性能方面。文献36提出了更可靠的可变长编码方法，例如可逆变长码(eversible Vari-able Length Code,RVLC)3通过双向译码来减轻同步损耗的影响；可变长纠错码(Variable LengthError-correction Code,VLEC)46通过加入冗余，提高码字的自由距离，使VLC编码同时具有纠错能力。相比传统可变长熵编码，这些编码方法能够降低信源译码的误码率。另外，为提高VLC的译码性能，文献7提出VLC的最大后验概率译码算法，实现了信源符号的软判决译码(Soft DecisionSource Decoding,SDSD)。相比硬判决方法，软译码方法能充分利用信源编码冗余提高译码性能。在此基础上，文献8和文献9分别研究了VLC与Turbo码和低密度奇偶校验(Low-Density ParryCheck,LDPC)码的迭代联合译码系统，将信源软译码与信道软译码相结合，通过迭代交换比特外信息，提高信道纠错译码性能，获得了比分离译码更低的误码率。此外，对于特殊的二进制信源，文献10使用双LDPC码同时实现信源压缩与纠错的联合编码。为进一步提高通信系统的带宽和功率效率，国内外学者结合高效的高阶星座点调制方法，提出了联合信源信道编译码调制方法，将通信系统中的信源编码、信道编码和调制模块进行联合编译码。文献11,12提出了一种联合信源信道与多维调制的编译码方法，设计不等概率符号的多维调制规则，通过增大符号之间的欧氏距离提高了符号抗噪性能，该方法计算复杂度低，但是获得的编码增益有限，无法实现接近信道容量的系统性能。文献13针对信源编码、信道卷积码和调制的串联系统，提出了一种新的Turbo迭代译码方法，通过交换信源译码器、信道译码器和解调器三者的外信息，在不扩展带宽的情况下提高了编码增益。文献14将VLC与TTCM(Turbo Trellis Coded Modulation)的网格图结合，使符号译码能同时利用信源统计特性和译码外信息，从而提高译码解调性能。文献15将VLC与比特交织编码调制(Bit-Interleaved CodedModulation,BICM)相结合，通过优化调制星座点的映射，降低了迭代译码解调的误码率。文献16,17进一步将空时编码与信源信道编码调制结合，以应对信道衰落。但是这些方法并没有考虑发送端信源信道编码器参数的优化设计。对于联合信源信道编码系统，各部分的参数选取都会影响迭代译码性能，于是，文献1822提出使用外信息转移(EXtrinsicInformation Transfer,EXIT)图23对编码参数进行联合优化设计的方案。文献18在调制前增加了单位速率的预编码，使系统内外编码器的EXIT曲线之间能够形成开放的通道，从而达到使迭代译码收敛，移除较高误码平台的目的。文献19,20设计了相匹配的可变长编码和单位速率卷积编码，得到具有较窄的迭代译码通道的EXIT图。文献21,22利用EXIT图分析比较了不同参数编码器组成的联合编码调制系统的迭代译码收敛性能，指出提高信源编码的自由距离能获得更大的信源信道迭代译码增益。但是上述方案没有联合考虑调制设计，在采用高阶星座点调制时，信源信道译码器和解调器之间不能通过迭代充分利用对方提供的外信息，造成系统译码的性能损失，无法使系统传输速率更加接近理论信道容量。针对这一问题，本文将掺杂技术24用于联合信源信道编码调制系统，提出了一种将可变长纠错编码和掺杂调制相结合的联合信源信道编码调制方法，能够根据可变长信源编码特性，联合优化掺杂调制的参数，使系统获得更好的迭代译码解调性能。具体设计包括两点：(1)根据信源符号统计概率，设计具有纠错能力的可变长码，将信源输出的符号直接编码为具有冗余的比特序列，同时实现信源编码和信道编码。使接收端能够通过迭代译码同时利用信源冗余和可变长纠错编码冗余纠正信道噪声和衰落造成的传输错误；(2)利用EXIT图对迭代译码系统的分析，优化掺杂调制参数，实现调制与可变长码译码的EXIT曲线相匹配，降低了译码收敛所需的信噪比。通过这两点，设计后的联合信源信道编码调制系统具有接近信道容量的译码性能。2046电 子 与 信 息 学 报第 45 卷2 联合信源信道编码调制方法框图联合信源信道编码调制方法框图如图1所示。发送端首先使用可变长纠错编码将信源符号直接编码为具有冗余的比特序列，然后使用掺杂调制将随机交织后的编码比特映射为调制符号进行发送。接收端使用迭代译码方法实现信源信道与调制联合译码解调，判决后可得到发送端传输的信源符号。uici=c1,c2,.,cl,cl 0,1c在发送端，通过VLEC编码将信源符号依次映射成二进制码字，得到比特序列。VLEC编码是一种联合信源信道编码，它同时具有压缩能力和纠错能