適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三維64qam網(wǎng)格編碼調(diào)制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的= 維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最為核屯、的技術(shù)之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在近距離 高速網(wǎng)的建設(shè)中大有用武之地，可W廣泛用于軍事通信、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、緊急搶險和災(zāi)難救 助、環(huán)境監(jiān)測、空間探索W及其他商業(yè)應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的大規(guī)模自組織網(wǎng) 絡(luò)，具自組織、可快速展開、可移動和多跳等特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在野外環(huán)境一般采用電 池供電，且電池的電能主要在于通信功耗，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求在相同的帶寬和通信距離 下，盡可能W最低的通信功耗傳輸信息，對延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是至關(guān)重要。且 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用普及，傳統(tǒng)的二維空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始向=維空間拓 展。因此，針對傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的二維數(shù)字調(diào)制技術(shù)的傳輸信息能效不高的 缺點，將二維數(shù)字調(diào)制技術(shù)擴(kuò)展到多維數(shù)字調(diào)制可W提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的能效 比。
[0003] 在數(shù)字通信的調(diào)制星座設(shè)計中，任意兩個星座點之間的最小歐氏距離表明了調(diào)制 解調(diào)誤碼抗干擾能力。在平均功率一定的情況下，信號空間中各星座點間的最小歐式距離 越大，相應(yīng)的信號判決區(qū)域也隨之變大，因此，當(dāng)信號受到噪聲和干擾的損害時，接收信號 錯誤概率也將隨之減小。因此構(gòu)造出信號空間中最小歐式距離盡可能大的調(diào)制方式，運樣 系統(tǒng)的誤碼率將減小。對于任何一個數(shù)字通信系統(tǒng)，調(diào)制都是一個必不可少的過程。一個有 限的信號序列通常被用來表示二進(jìn)制信息，運個信號序列稱為信號星座圖。一個輸入的二 進(jìn)制信息通過信號星座圖轉(zhuǎn)化為一個對應(yīng)的實數(shù)或復(fù)數(shù)序列，用于調(diào)制載波。多進(jìn)制相位 鍵控（MPSK,Multilevel Phase 化ift Keying)和正交振幅調(diào)制（QAM,Quadrature Amplitude Modulation)的信號分布圖是現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中最常用的星座圖。對于信號 星座圖來說，最小歐式距離(MED,Minimum Euclidean Distance)是決定一個數(shù)字通信系統(tǒng) 差錯性能的關(guān)鍵參數(shù)，傳輸信號的抗干擾性也隨著M邸值的增大而增強(qiáng)，系統(tǒng)接收端的誤碼 率也會降低。如果信號星座圖包含的信號點數(shù)量和信號平均功率固定，星座圖的M抓值會隨 著信號所在空間維度的增加而增大，從而帶來可觀的性能增益。然而，現(xiàn)在所有正在應(yīng)用的 數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號星座圖大部分還均局限在二維空間，也就是說信號點只分布在二維 平面內(nèi)。
[0004] 鑒于信號點僅分布在二維空間的局限性，本發(fā)明提供了=維的信號星座圖及其網(wǎng) 格編碼調(diào)制計劃。由于在同等條件下，即信號星座圖中的信號點數(shù)量和平均功率不變，把信 號從二維空間分配到高于二維的空間后，星座圖的M邸值將隨之增大，從而能夠提高整個數(shù) 字通信系統(tǒng)的差錯性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中信號星座圖調(diào)制方法誤碼率較高 的缺陷，提供一種在信號點數(shù)量和平均功率不變的情況下，能夠增大信號空間中星座點間 的歐氏距離，從而獲得解調(diào)增益的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的=維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法 及系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明提供一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法，具體步 驟為：
[0008] S1、將一個S維64QAM格型星座圖的信號空間對稱的分解為8個信號子空間，每個 信號子空間均為正方體；
[0009] S2、根據(jù)S維64QAM格型星座圖的分解方案，使用8狀態(tài)64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制器對信 號進(jìn)行調(diào)制，該調(diào)制器的卷積編碼表達(dá)式為：
[001 ^ 其中，Xnl、Xn2、Xn3、Xn4、品嗦示網(wǎng)格編碼調(diào)制器輸入5位信息比特，Yn*\ Ynl、Yn2、Yn3、 Yn4、Yn嗦示網(wǎng)格編碼調(diào)制器輸出6位比特，網(wǎng)格編碼調(diào)制器的碼率為5/6,符號e表示異或 邏輯運算。
[0013] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟Sl的方法具體為：
[0014] 將一個=維64QAM格型星座圖的正方體每隔一個星座點對稱地抽取八個星座點構(gòu) 成8個正方體的信號子空間，且每個子集中星座點之間的最小歐式距離是分解前=維64QAM 中星座點之間的最小歐式距離的2倍。
[0015] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的方法的調(diào)制信號的誤碼率為：
[0017]其中，其中：
表示將=維矩形星座圖中各方向能量均歸一化后，星座圖所對應(yīng) 調(diào)制信號的符號信噪比，erfcO為通信中誤差函數(shù)。
[0018] 本發(fā)明提供一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制系統(tǒng)，包括：
[0019] 星座圖分解單元，用于將一個=維64QAM格型星座圖的信號空間對稱的分解為8個 信號子空間，每個信號子空間均為正方體；
[0020] 信號調(diào)制單元，用于根據(jù)S維64QAM格型星座圖的分解方案，使用8狀態(tài)64QAM網(wǎng)格 編碼調(diào)制器對信號進(jìn)行調(diào)制，該調(diào)制器的卷積編碼表達(dá)式為：
[0023] 其中，Xnl、Xn2、Xn3、Xn4、Xn 5表示網(wǎng)格編碼調(diào)制器輸入5位信息比特，Yn°、Ynl、Yn2、Yn3、 Yn4、Yn嗦示網(wǎng)格編碼調(diào)制器輸出6位比特，網(wǎng)格編碼調(diào)制器的碼率為5/6,符號e表示異或 邏輯運算。
[0024] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的所述星座圖分解單元的具體功能為：
[0025] 將一個=維64QAM格型星座圖的正方體每隔一個星座點對稱地抽取八個星座點構(gòu) 成8個正方體的信號子空間，且每個子集中星座點之間的最小歐式距離是分解前=維64QAM 中星座點之間的最小歐式距離的2倍。
[0026] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的系統(tǒng)的調(diào)制信號的誤碼率為：
[0028] 其中，其中
表示將=維矩形星座圖中各方向能量均歸一化后，星座圖所對應(yīng) 調(diào)制信號的符號信噪比，erfcO為通信中誤差函數(shù)。
[0029] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編 碼調(diào)制方法，通過將=維64QAM格型星座圖的信號空間對稱的分解為8個信號子空間，基于 運種分解方案設(shè)計了一種=維8狀態(tài)64QAM格型編碼調(diào)制器，能夠增大信號空間中星座點間 的自由歐氏距離，從而獲得一定的解調(diào)增益，該方法相比傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)具有更低的誤碼 率，為能量敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供更加低功耗和可靠無線通信技術(shù)。
【附圖說明】
[0030] 下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0031] 圖1是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法的 流程圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法的 S維64QAM格型星座圖的子集分割圖；
[0033] 圖3是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法的8 狀態(tài)64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制器組成框圖；
[0034] 圖4是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法的8 狀態(tài)64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制器的網(wǎng)格圖；
[0035] 圖5是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法的 =維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法與其它經(jīng)典方法誤碼率對比圖；
[0036] 圖6是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法的 二維調(diào)制下和S維調(diào)制下的信道容量與信噪比SNR的關(guān)系曲線（1);
[0037] 圖7是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方法的 二維調(diào)制下和S維調(diào)制下的信道容量與信噪比SNR的關(guān)系曲線(2);
[0038] 圖8是本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)框圖；
[0039] 圖中，801-星座圖分解單元，802-信號調(diào)制單元。
【具體實施方式】
[0040] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用W解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S維64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制方 法，具體步驟為：
[0042] S1、將一個S維64QAM格型星座圖的信號空間對稱的分解為8個信號子空間，每個 信號子空間均為正方體；
[0043] 如圖2所示，將一個=維64QAM格型星座圖的正方體每隔一個星座點對稱地抽取八 個星座點構(gòu)成8個正方體的信號子空間，且每個子集中星座點之間的最小歐式距離是分解 前=維64QAM中星座點之間的最小歐式距離的2倍。每個信號子集中各星座的二進(jìn)制碼子如 表1所示：
[0044] 表1信號子集中各星座的二進(jìn)制碼子

[0046]~S2、根據(jù)=維64QAM格型星座圖的分解方案，使用8狀態(tài)64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制器對信 號進(jìn)行調(diào)制，該8狀態(tài)64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制器組成框圖如圖3所示。根據(jù)該調(diào)制器的原理框 圖，可W寫出該調(diào)制器的卷積編碼表達(dá)式，該表達(dá)式為：
[0049] 其中，Xnl、Xn2、Xn3、Xn4、Xn5表示網(wǎng)格編碼調(diào)制器輸入5位信息比特，Yn°、Ynl、Yn 2、Yn3、 Yn4、Yn嗦示網(wǎng)格編碼調(diào)制器輸出6位比特，網(wǎng)格編碼調(diào)制器的碼率為5/6,符號e表示異或 邏輯運算。
[0050] 根據(jù)該卷積表達(dá)式可W畫出8狀態(tài)64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，如表2所 示：
[0051 ]表2 8狀態(tài)64QAM網(wǎng)格編碼調(diào)