1、2008 年 11 月 Journal on Communications November 2008第 29 卷第 11A 期 通 信 学 报 Vol.29 No.11A基于 CT-TCM 的自适应编码调制 系统周林，白宝明，王晶(西安电子科技大学 综合业务网国家重点实验室，陕西 西安 710071)摘 要：在目标误码率（BER，用 RBE 表示）下优化系统吞吐量，提出了一种基于级联两状态网格编码调制（CT-TCM）技术的恒功率、变速率的自适应编码调制方案，以及基于 CT-TCM 的 MAP 译码算法的 LMS 信道估计方法。计算机仿真结果表明：在 Rayleigh 衰落信道下，R BE 为
2、 105时，CT-TCM 相对于 TTCM、BICM-ID、BICM 分别有约 1.5dB, 2.6dB, 4.6dB 的增益；在信噪比大于 8dB，目标 RBE 小于 103时，该系统可以获得24bit/s/Hz 的较高信道频谱效率。因此，该自适应编码调制系统提供了一种在较高信噪比下的衰落信道中高效、可靠的通信方案。关键词：自适应编码调制；Turbo 网格编码调制；最小均方算法；Gallager 映射中图分类号：TN911 文献标识码：B 文章编号：1000-436X(2008)11A-0082-05Adaptive coded-modulation schemes based on CT-
3、TCMZHOU Lin, BAI Bao-ming, WANG Jing(State Key Lab. of Integrated Service Networks, Xidian University, Xian 710071, China)Abstract: An ACM system based on concatenated two-state trellis-coded modulation (CT-TCM), which can achieve improved spectral efficiency at a given target bit-error-rate (BER) w
4、as proposed. A fixed-power variable-rate CT-TCM scheme was developed with an adaptive algorithm; moreover, a kind of LMS algorithm for channel estimation was presented based on the MAP decoding of CT-TCM. Simulation results show that, when RSN8dB, with the target RBE 103, gains of 1.5dB, 2.6dB,4.6dB
5、 than TTCM、 BICM-ID、 BICM and a spectral efficiency as high as 24bit/s/Hz were obtained. Key words: adaptive coded modulation (ACM); Turbo trellis-coded modulation; least mean square algorithm; Gallager mapping1 引言Ungerboeck 于 1982 年提出的 TCM（trellis coded modulation）技术 1,2奠定了带限信道上编码调制技术的研究基础，该技术在提高系统
6、功率效率的同时并不扩展带宽。1993 年，C. Berrou 等人在 ICC93 上提出的 Turbo code3具有逼近香农限的特征，在较低的 RSN 下提供很低的 RBE。结合两者优点，很多学者进行了研究，提出了 Turbo-TCM4,5方案。Li Ping 等人于 2003 年提出了一种低复杂度、高性能的级联两状态 Turbo-TCM 方案（CT-TCM） 6。文献7 于 2004 年提出了一种编码与成形相结合的多层线性重叠编码调制方案，在 AWGN 信道中均具有逼近容量限的性能。收稿日期：2008-10-10基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（2006AA0
7、1Z267）；国家自然科学基金资助项目（60502046）；国家自然基金广东省联合基金重点资助项目（U0635003）Foundation Items: The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2006AA01Z267); The National Natural Science Foundation of China (60502046); The National Natural Science Foundation of China and Key Unio
8、n Foundation of Guangdong Province (U0635003)第 11A 期 周林等：基于 CT-TCM 的自适应编码调制系统 83对于衰落信道，由于信道的时变特性，链路自适应技术是实现逼近 Shannon 容量限不可或缺的技术。自适应编码调制技术的基本思想是通过改变发射功率、编码方案、星座大小、码率及这些参数的组合，来保持 Eb/N0 恒定，在不牺牲系统功率和误码率的前提下，根据信道的时变特性，提供较高的信道频谱效率。现有的自适应编码调制方案主要有基于速率适配卷积码 8、自适应Turbo 编码调制 9、BICM 与 H-ARQ 相结合的编码调制技术 10、基于网格
9、编码调制(TCM)码的自适应编码调制方案 11等。比较以上几种编码调制技术，自适应 BICM技术的优点是利用比特交织器的时间分集效果，避免了信道预测误差对信息比特的影响，但该技术采用比特交织器，引入了附加时延。而且需要在符号似然值与比特似然值之间进行转换，从而招致性能损失。Turbo-TCM 在 AWGN 信道具有优秀的性能，但在衰落信道下表现不佳，需要采用自适应技术克服。自适应 Turbo-TCM 在衰落信道下性能优秀，是当前的一个研究热点。缺点是随着网格状态的增加，译码复杂度呈指数递增。本文主要研究基于 CT-TCM 的自适应编码调制技术，提出了一种固定门限切换的高性能、低复杂度的编码调制
10、方案。CT-TCM 的特点是对于从 QPSK 到 64-QAM 的调制方式，合并前后相邻的平行分支后，译码器工作在相同的两状态网格图上，从而在接收端可以采用共同的译码器进行译码，并且译码器的复杂度很低。因此，CT-TCM很适合构造高性能的自适应编码调制系统。2 TCM 编译码器基本原理2.1 CT-TCM 编码器结构CT-TCM 编码器的结构如图 1 所示，它由个M图 1 CT-TCM 全局编码器结构TCM 编码器按照“Turbo 原理”并行级联组成。每个分支由 3 部分组成：符号交织器、两状态编码器（如图 2 所示）和信号映射器。后两部分合起来就是一个标准的 TCM 系统，为 CT-TCM
11、的分量编码器。从 个分支出来的码字序列经过一M个删余处理后，再送入信道进行传输。图 2 二进制两状态编码器结构（T 表示延时）2.2 CT-TCM 译码器结构工 作 在 对 数 域 上 的 CT-TCM 全 局 译 码 器 如 图 3所 示 。 它 由 M 个 分 量 最 大 后 验 概 率 (MAP)译 码 器 组成 ， 每 个 分 量 后 验 译 码 器 对 应 一 个 分 量 码 。 图 3 中涉 及 的 变 量 为 对 数 似 然 值 ， 具 体 译 码 算 法 不 再 详 述 。图 3 全局译码器（ T 表示延时， 表示交织）3 ACM 系统方案基于 CT-TCM 的自适应编码调制
12、系统主要由编码调制器、译码解调器、信道估计等部分组成，如图 4 所示。CT-TCM 系统根据估计的信道状态信息，采用固定门限切换的自适应算法，确定合适的编码方式、调制星座大小、映射方式等。然后，编码调制后的数据经过衰落信道传输，如图4 中 为信道增益幅度，n( t)为加性噪声。在接)t收端，CT-TCM 译码器对接收信号进行基于符号84 通 信 学 报 第 29 卷MAP 算法的迭代译码，并对信道的状态信息（信噪比）进行估计，把估计值反馈到发射端，然后根据系统要求的 RBE 指标，用一定的自适应算法选择合适的工作模式，使系统能达到最大频谱效率。图 4 基于 CT-TCM 的 ACM 系统框图3
13、.1 接收端信噪比估计前面假设过衰落信道的衰落系数为 ，白()t高斯噪声 n(t)的功率谱密度记为 。设 S 为信02N号发射功率，B 为接收信号的带宽，对于传输功率恒定的 S，接收端的瞬时信噪比 RSN 表示为B (1)0()()tStB在本文中，将信号发射功率 S 归一化，并且假设信道估计是精确的，忽略反馈路径的时间延迟。本文采用了易于实现的最小均方（LMS，least-mean- square）算法来估计信道的增益。具体算法如下。信道估计单元根据接收符号抽样对当前信道衰落系数进行估计。信道衰落幅度 为ka(2)1()Nknay其中， 为自适应滤波器在 K 时12(),N刻的 N 个抽头系
14、数， 为 K 时刻的接收符号采样。k定义 LMS 算法的误差信号为(3)kkeya令任意时刻 K 的自适应滤波器权矢量，将经过衰落信道达T12(),()NWk到接收端的符号序列作为自适应滤波器的输入矢量，则 K 时刻自适应滤波器的输出矢量为，可以得到自适应滤波T12(),kkNYy器的权矢量的递推式(4)1kkkWYe其中， 为 LMS 算法的自适应增益系数，它决定LMS 算法的收敛速度和收敛后的剩余误差，在确保自适应滤波器收敛的情况下， 越大，收敛速度越快，但同时剩余误差变大。系统仿真时，需要根据实际情况在收敛速度与剩余误差间采取折衷。3.2 自适应切换算法本文根据信道估计得到的信道信息确定
15、门限，采用固定门限切换的自适应算法。首先将信道信噪比范围划为对应于 N 种编码调制方式的 N 个子集，即 ；然后在恒发射功1210,率和瞬时误码率（ ）的条件限制下，BEber()R根据当前 RSN 大小选择合适的编码调制方式，使系统频谱效率尽可能的高。本系统中，选择的误码率门限 RBE 为 ，经大量仿真实验，最终工作模310式的选取情况如表 1 所示。表 1 自适应 CT-TCM 系统的区间分配区间/dB选用调制方式 交织器长度 码率低于 8 810.5 8-PSK 1024 个符号 2/310.517 16-QAM 1024 个符号 3/4高于 17 32-QAM 1024 个符号 4/5
16、3.3 星座图映射方案几乎所有的编码调制技术都是基于Ungerboeck 提出的基于信号集分割的符号映射 1。对于 M-QAM 信号集，平方欧式距离 被 用 作 距 离 的度 量 。 在 AWGN 信 道 下 ， TCM 方 案 设 计 所 要 遵 循的 准 则 就 是 要 使 自 由 欧 式 距 离 最 大 化 。 根 据Ungerboeck 提 出 的 集 分 割 方 式 ungerboeck partitioning（ UP） 准 则 ， 每 一 次 分 割 后 ， 子 集 中 信号 点 间 的 距 离 大 于 上 一 级 子 集 中 信 号 点 间 的 距 离 。在 AWGN 信 道
17、下 ， UP 子 集 分 割 方 式 具 有 最 佳 的 性能 ， 但 系 统 在 衰 落 信 道 中 的 性 能 很 大 程 度 地 取 决 于信 号 分 集 。 在 衰 落 信 道 下 TCM 设 计 准 则 是 要 使 最短 错 误 路 径 的 长 度 最 小 （ 最 小 分 集 度 ） 以 及 使 分 支乘 积 距 离 最 小 。 文 献 6提 出 的 设 计 子 集 分 割 的 准 则有 。1)最小汉明距离（ ）最大化，成对合并概min率（ ）最大化；2)具有较小相对发散度的 2 个pw码字应当被映 射 到 具 有 较 大 欧 式 距 离 的 星 座 点 上 ，这 两 条 准 则 下
18、 构 成 的 映 射 方 式 称 为 BP 映 射 ； 另有 几 种 常 见 的 映 射 方 式 ， 格 雷 映 射 （ Gray map） ，随 机 映 射 （ Random map） 和 混 合 映 射 （ Mixed 第 11A 期 周林等：基于 CT-TCM 的自适应编码调制系统 85map） 。图 5 给出了 CT-TCM 在 16QAM 调制下，结合几种典型的映射方式的仿真曲线，可以直观的看到，在已知边信息的 Rayleigh 衰落信道下，若采用的是 18 次迭代译码，在误码率（R BE）为103 时，采用 BP 映射要比 UP 映射大约有 2dB 的增益, 相比于 Gray 映射
19、，大约有 1dB 的增益，相比于 Mixed 映射，大约有 1.5 dB 的增益，相比于Random 映射，大约有 4 dB 以上的增益。因此，CT-TCM 结合 BP 映射，可以得到良好的传输性能。图 5 CT-TCM -16 QAM 几种典型映射方式的性能比较4 系统性能与仿真结果4.1 CT-TCM 仿真结果在非相关衰落信道，假设已知信道状态信息的情况下，对 CT-TCM 系统进行了仿真（如图 6所示） ，采用 8-PSK 调制方式，映射方式采用 BP映射。CT-TCM 和 64 状态 TCM 、8 状态 turbo-TCM (TTCM)、64 状态 bit-interleaved co
20、ded modulation(BICM)以及 16 状态 bit-interleaved coded modulation-iterative decoding(BICM-ID)5 种方案比较 ， CT-TCM 译 码 复 杂 度 最 低 。 仿 真 结 果 表明 ， CT-TCM 的 性 能 最 好 ， 接 下 来 依 次 为TTCM、 BICM-ID、 BICM、 TCM ， 在 BER 为14处 ， CT-TCM 相 对 TTCM 大 约 有 1.5dB 的 增 益 ，510BICM-ID 大 约 有 2.6dB， BICM 大 约 有 4.6dB， 且CT-TCM 比 其 余 方 案
21、有 更 低 的 错 误 平 层 (error floor)。图 6 8-PSK 调制各种编码调制方案性能比较4.2 基于 CT-TCM 的自适应编码调制系统的性能在非相关衰落信道，已知信道状态信息的情况下，CT-TCM 分别采用 8PSK、16QAM 及32QAM 的星座映射，每帧数据包含 1024 个符号，生成矩阵如文献6所示，采用 BP 映射方式，交织长度为 1024。从图 7 中可以看到，3 种调制方式下的性能曲线，在不同的 RSN 下，都能到达的目标 RBE，所以根据不同的 RSN，可以选择310不同的调制方式和编码速率，达到高的系统吞吐率。根 据 表 1， 采 用 固 定 门 限 的
22、 编 码 调 制 方 案 ，在 目 标 误 码 率 小 于 103 情 况 下 可 以 得 到 自 适 应 系统 的 误 码 率 ， 如 图 8 所 示 ， 该 系 统 的 谱 效 率 如 图9 所 示 。图 7 衰落信道下 MPSK 与 MQAM 的性能比较 86 通 信 学 报 第 29 卷图 8 衰落信道下固定门限的自适应编码调制的误码率图 9 基于 CT-TCM 的自适应系统谱效率5 结束语CT-TCM 编码调制方案可以较低的复杂度在衰落信道中获得较高的性能。本文中，提出了一种基于 CT-TCM 的自适应调制编码方案，在功率恒定、目标误比特率一定的条件下，自适应系统能获得较高的频谱效率
23、。所以，基于 CT-TCM 的自适应编码调制 系 统 在 高 速 无 线 通 信 系 统 中 有 着广 阔 的 应 用 前 景 。 同 时 ， 需 要 深 入 研 究 的 地 方 也很 多 。 在 快 速 变 化 的 衰 落 信 道 中 ， 自 适 应 编 码 调制 对 信 道 估 计 的 反 应 速 度 和 反 馈 时 延 要 求 很 高 ，需 要 研 究 性 能 更 优 异 的 信 道 估 计 算 法 ； 一 般 的 通信 系 统 中 ， 经 过 编 码 的 信 号 等 概 地 映 射 在 星 座 图中 ， 例 如 常 见 的 PAM 和 QAM 信 号 ， 为 了 得 到更 高 的 频
24、谱 效 率 ， 可 以 在 系 统 中 采 用 不 等 概 的Gallager 映 射 方 式 ， 然 后 将 解 调 和 译 码 联 合 迭 代来 提 高 通 信 系 统 的 性 能 ， 所 做 的 基 于 Gallager 映射 的 仿 真 实 验 已 经 证 实 了 该 方 案 的 优 越 性 ， 下 一步 的 工 作 是 将 其 推 广 到 整 个 自 适 应 编 码 调 制 系 统 ；此 外 Multiple-TCM (MTCM)系 统 在 衰 落 信 道 下 的效 果 要 强 于 普 通 TCM， 因 此 ， MTCM 的 研 究 可能 会 成 为 未 来 工 作 的 一 个 研
25、究 方 向 。参考文献：1 UNGERBOECK G. Channel coding with multi- level/phase signalingJ. IEEE Trans Inform Theory, 1982, 28(1):55-67.2 UNGERBOECK G. Trellis-coded modulation with redundant signal sets, Part II: state of the artJ. IEEE Communications Magazine, 1987, 25(2): 12-21.3 BERROU C, GLAVIEUX A, THITIMA
26、JSHIMA P. Near shannon limit error-correcting coding and decoding: turbo codes (1)A. ICC93C. 1993. 1064 - 1070.4 GOFF S L, GLAVIEUX A, BERROU C. Turbo-codes and high spectral efficiency modulationA. ICC94C. 1994.645-649.5 DIVSALAR D, S DOLMAR, POLLARA F. Serial concatenated trellis-coded modulation
27、with rate-1 inner codeA. IEEE GLOBECOM00C. 2000.777-782.6 LI P, BAI B M, WANG X M. Low-complexity concatenated two-state TCM schemes with near-capacity performanceJ. IEEE Trans Inform 第 11A 期 周林等：基于 CT-TCM 的自适应编码调制系统 87Theory, 2003, 49(12): 3225-3234.7 MA X, LI P. Coded modulation using superimposed
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