CN102246424A - 利用相位重新赋形实现的脏纸预编码方法和发射机 - Google Patents

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Abstract

一种在发射机上利用相位重新赋形实现的脏纸预编码方法，包括：从目标信号中减去干扰信号以获得差值信号；根据干扰信号和目标信号的幅度相关信息来确定用于星座扩展尺寸；根据所确定的用于星座扩展的星座尺寸，通过星座扩展处理将该差值信号的原始星座块扩展映射为具有所确定的星座尺寸的扩展星座块，其中扩展星座块相比原始星座块被成比例扩大至更接近于星座坐标原点；将对应于该差值信号的扩展星座块的各星座点进行相位重新赋形，其中相位重新赋形使得与目标信号的特定星座点相对应的差值信号的星座点被映射到与该特定星座点相同的星座象限。

Description

利用相位重新赋形实现的脏纸预编码方法和发射机 技术领域
本发明涉及通信领域更具体地， 涉及一种在发射机处利用相位重新赋形实 现的脏纸预编码方法和发射机， 无论干扰信号的幅度是大于、 小于还是等于目标 信号的幅度， 均能够实现具有较好 BER (误比特率） - Eb/ΝΟ性能。 背景技术
早在 1983年提出的脏纸编码理论指出， 当发射端已知干扰信号的情况下， 信道容量不受干扰信号存在的影响。 直到脏纸编码和多个通信问题联系起来后， 才受到关注， 被认为是多种通信问题很好的研究模型。 它的最初应用集中在数字 水印， 消除千扰的预编码设计和各种广播策略等问题上。 近年来， 脏纸编码被广 泛地应用于多用户通信领域中。
Toml inson- Harashima预编码 （THP ) 最初被设计用来消除符号间干扰 （参 考文献 1 )。 在存在干扰的情况下， 发射端通过预先减去干扰的处理， 能够将目标 信号发送至接收端。 这种预先减去干扰的方案类似于预先减去多用户干扰的方 案。 因此， THP能够很容易地扩展到消除多用户干扰。 到 2000年后， THP才和脏纸 编码联系到一起， 并被解释为脏纸编码的一维实现 （参考文献 2 )。
THP方法由于其实现简单而具有吸引力。 图 1示出了具有干扰和加性高斯噪 声的 THP方法的原理图。 利用该技术， 在发射端， 从脏纸预编码的目标信号 V中预 先减去干扰信号3， 并得到差值信号(1。 然后， 由量化器 Q经过量化处理获得 d模 M (M为整数）信号。 发射端发送的是量化器的输出信号 d模 M而非差值信号 d， 以确 保发射信号 X在功率限制之内。 在接收端， 在通过相同的量化器 Q对接收到的信号 y进行量化之后， 可以将目标信号重构为 即目标信号的估计信号。
然而， 现有技术 （参考文献 1和 2) 仅从幅度的角度出发来讨论和解决脏纸 编码问题。 本申请的发明人认为还应该考虑调制相位以便从接收到的信号 y中更 优化地重构 v。 特别地， 在干扰信号 s具有比目标信号 V更大的幅度的情况下， 现 有技术非常难以重构目标信号的相位。 图 2和图 3分别示出了在 BPSK和 QPSK的情况 下的现有技术存在的问题。 为了简化， 假定 V和 s具有相同的调制星座。 干扰信号 s比目标信号 V具有更大的幅度。 在图 2中， V的不同星座点由不同的形状来区分， 而 s的不同星座点由不同的阴影填充来区分。 图 1的运算 （v-s ) 得到了图 2的 （c ) 所示的星座点。 图 2的 （c ) 所示的每一个星座点具有目标信号 V和干扰信号 s的信. 息 （包含幅度和相位信息）。 然后， 差值信号 （v-s ) 的取模运算将减小在相同象 限的不同星座点之间的距离。 由此， 所接收到的信号 y的可能星座点如图 2d所示。 可以看到， 接收信号 y的星座图是对信号 V的星座图的扩大， 从 QPSK扩大到 16QAM。 此外， 接收信号 y的具有相同形状不同阴影填充的星座点分隔在不同的象限。 显 然， 根据所接收到的信号 y对目标信号 V进行相位重构难以实现。 图 3示出了 QPSK 的情况， 具有与图 2类似的问题。
参考文献 3是参考文献 1和 2所述的 THP方法的改进， 名为 SDPC (结构脏纸编 码），该方法在接收端已知干扰信号的调制结构的前提下，讨论对 THP方法的改进。 图 4示出了 SDPC的原理结构， 其中源信号 u经过正交幅度调制 （QAM)。 通过对调制 信号 V进行预编码， 因为接收端已知干扰信号的调制结构， 接收端也就预先知道 接收信号 y的星座， 因此 SDPC相比 THP具有更好的解调性能。 然而， 以接收端知道 干扰信号的调制结构为代价， 仅仅从一定程度上解决了相位重构的问题。 图 5示 出了这一问题。 另外， 在源信号和干扰信号都是 QPSK的情况下， 接收端必须对星 座图被扩大的接收信号 y进行 16QAM解码以便重构源信号的相位。
以下列出了参考文献 1、 参考文献 2和参考文献 3。
参考文献 1 : H. Harashima and H. Miyakawa, "Matched Transmition technique for channels with intersymbol interference " , IEEE Trans. Commun. , vol20, pp. 774-780, Aug 1972
参考文献 2 : W. Yu and J. M. Cioffi, "Trel l is precoding for the broadcast channel " , in Proc. IEEE Global Telecommunications Conf . (GL0BLEC0M' 2001)
参考文献 3 : Bin Liu, Hui Liu, Sumit Roy, "Structured dirty paper coding with known Interference structure at receiver " , IEEE Signal Systems and Computers, 2005 发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷提出了本发明。 因此， 本发明的目的是一种 在发射机处利用相位重新赋形实现的脏纸预编码方法和发射机， 无论干扰信号的 幅度是大于、 小于还是等于目标信号的幅度， 均能够实现具有较好 BER-Eb/NO性 能。
为了实现上述目的， 根据本发明， 提出了一种在发射机处利用相位重新赋 形实现的脏纸预编码方法， 包括： 从目标信号中减去干扰信号以获得差值信号； 根据干扰信号和目标信号的幅度相关信息来确定用于星座扩展的星座尺寸； 根据 所确定的用于星座扩展的星座尺寸， 通过星座扩展处理将所述差值信号的原始星 座块扩展映射为具有所确定的星座尺寸的扩展星座块， 所述扩展星座块相比原始 星座块被成比例扩大至更接近于星座坐标原点； 以及将对应于所述差值信号的扩 展星座块的各星座点进行相位重新赋形， 所述相位重新赋形使得与目标信号的特 定星座点相对应的差值信号的扩展星座块的星座点被映射到与所述特定星座点 相同的星座象限。
优选地， 所述幅度相关信息为目标信号和干扰信号的幅度。
优选地， 所述幅度相关信息为干扰信号的星座块的尺寸和目标信号的星座 块的尺寸。
优选地， 所述目标信号是经过调制的信号。
另外， 根据本发明， 还提出了一种利用相位重新赋形实现脏纸预编码的发 射机， 包括： 差值信号获取装置， 从目标信号中减去干扰信号以获得差值信号； 星座尺寸确定装置， 根据目标信号和干扰信号的幅度相关信息来确定用于星座扩 展的星座尺寸； 星座扩展映射装置， 根据所确定的用于星座扩展的星座尺寸， 通 过星座扩展处理将所述差值信号的原始星座块扩展映射为具有所确定的星座尺 寸的扩展星座块， 所述扩展星座块相比原始星座块被成比例扩大至更接近于星座 坐标原点； 以及相位重新赋形装置， 将对应于所述差值信号的扩展星座块的各星 座点进行相位重新赋形， 所述相位重新赋形使得与目标信号的特定星座点相对应 的差值信号的扩展星座块的星座点被映射到与所述特定星座点相同的星座象限。
优选地， 所述幅度相关信息为目标信号和干扰信号的幅度。
优选地， 所述幅度相关信息为干扰信号的星座块的尺寸和目标信号的星座 块的尺寸。
优选地， 所述发射机还包括： 调制装置， 用于对源信号进行调制以获得所 述目标信号。 附图说明
通过参考以下结合附图对所采用的优选实施例的详细描述， 本发明的上述 目的、 优点和特征将变得显而易见， 其中：
图 1是实现传统 Toml inson-Harashima预编码的结构示意图；
图 2是在 BPSK (二进制移相键控） 的情况下针对 THP的各信号的星座图； 图 3是在 QPSK (正交移相键控） 的情况下针对 THP的各信号的星座图； 图 4是现有技术 SDPC预编码的结构示意图；
图 5是在 QPSK (正交移相键控） 的情况下针对 SDPC的各信号的星座图； 图 6是根据本发明的在发射机处利用相位重新赋形实现的脏纸预编码方法 的流程图；
图 7是根据本发明的利用相位重新赋形实现脏纸预编码的结构图； 图 8是根据本发明第一实施例的确定用于星座扩展的星座尺寸的示意图； 图 9是根据本发明第一实施例的各信号的星座图；
图 10是根据本发明第二实施例的确定用于星座扩展的星座尺寸的示意图； 以及
图 11是本发明的方法与现有技术的 SDPC预编码方法的 BER性能比较的曲线 图。 具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明的优选实施例。
图 6是根据本发明的在发射机处利用相位重新赋形实现的脏纸预编码方法 的流程图。
如图 6所示， 在步骤 601， 从目标信号 V中减去干扰信号 s以获得差值信号 b。 在步骤 603， 根据目标信号 V和干扰信号 s的幅度相关信息来确定用于星座扩 展的星座尺寸。
图 8是根据本发明第一实施例的确定用于星座扩展的星座尺寸的示意图。 如图 8所示， 发射机根据目标信号 V和干扰信号 s的幅度 （图 8中的 vl和 si ) 来确定用于差值信号 b的星座扩展的星座尺寸。 从图 8的 （a) 和 （b ) 所示的示例 可以看出， 目标信号和干扰信号均是 QPSK调制的。 目标信号 V和干扰信号 s的星座 尺寸可以通过幅度 vl和 si来确定。 差值信号 b的星座尺寸由土^和土 ？来确定。 换句话说， 例如在第一象限， 差值信号 b的星座点的 X坐标和 y坐标都处于范围 [L2, L1]之内。
假定; yl = a.vl， 其中 α>0， £1和 根据以下的规则来确定： w
这里， 无论目标信号 V和干扰信号 s之间的功率比如何， 该星座尺寸确定过 程均是适用的。
图 10是根据本发明第二实施例的确定用于星座扩展的星座尺寸的示意图。 这里， 目标信号 V和干扰信号 s之一或者这两者是比 QPSK更高的 QAM调制。
如图 10的 （a) 所示， 目标信号 V的星座块可以通过每一个象限内的星座中 心的位置和星座块尺寸参数 （即， vl和 v2) 来确定。 如图 10的 （b) 所示， 干扰 信号 s的星座块可以通过每一个象限内的星座中心的位置和星座块尺寸参数（即， si和 s2) 来确定。 这里， 星座块是信号在某个象限内所有星座点的坐标所限定的 采
假定 sl = al.vl, ·92 = α2.ν2,其中 al,a2>0， 则 1和 £2根据以下的规则来 确定：
(2,2-v2)/2a2 = (l--L)-v2 ? 如果 a2≥l (4)
12 =
v2-52 = (l-a2)-v2 az < 1
在步骤 605， 根据所确定的用于星座扩展的星座尺寸 ± 1和± 2, 通过星座 扩展处理将所述差值信号 b的原始星座块扩展映射为具有所确定的星座尺寸 ± 1 和 ±£2的扩展星座块， 即， 输出信号 c的星座块。 可以看出， 通过星座扩展处理， 所述扩展星座块相比原始星座块被成比例扩大至更接近于星座坐标原点。
如图 8所示， 差值信号 b的原始星座尺寸在 X坐标和 y坐标上均处于 [ I a -11.vl， (1 + o .vl]内。通过星座扩展， 原始星座块被成比例映射到输出信号 c的扩展星座 块内 （例如在第一象限， 星座点的 X坐标和 y坐标均处于 [L2， L1]的范围内）。 这 里， 需要提前指出的是， 输出信号 c经过稍后将描述的相位重新赋形后所得到的 输出信号 d的星座块与输出信号 c扩展星座块的尺寸相同。 在步骤 607， 将对应于所述差值信号 b的扩展星座块 c的各星座点进行相位重 新赋形。 这里， 信号的相位表示其星座点位于星座图的哪一个象限。 所述相位重 新赋形使得与目标信号 V的特定星座点相对应的差值信号 b的扩展星座块的星座 点 （输出信号 c的星座点） 被映射到与所述特定星座点相同的星座象限， 以得到 输出信号 d的星座点。
可以通过以下方式， 根据目标信号 V的相位对差值信号 b的扩展星座块的各 星座点的相位进行重新赋形：
real{d) = sign(real(v)) * real{b) (5)
imaged) = sign(imag(v)) * imag{b) (6)
换句话说， 这意味着将包含信号 v的的信号 c的星座点映射到与信号 v相同的 星座象限， 以得到信号 d的星座点。
图 7是根据本发明的利用相位重新赋形实现脏纸预编码的结构图。 实线表示 与图 1所示相同的数据流。虚线块 P内的功能块表示在发射之前所设计的脏纸预编 码策略， 点划线是控制信息。
如图 7所示， 根据本发明的发射机包括： 调制装置 701、 差值信号获取装置
703、 星座尺寸确定装置 705、 星座扩展映射装置 707和相位重新赋形装置 709。 调 制装置 701用于对源信号进行调制以获得所述目标信号。差值信号获取装置 703从 目标信号中减去干扰信号以获得差值信号。 星座尺寸确定装置 705根据目标信号 和干扰信号的幅度相关信息来确定用于星座扩展的星座尺寸。 星座扩展映射装置 707根据所确定的用于星座扩展的星座尺寸， 通过星座扩展处理将所述差值信号 的原始星座块扩展映射为具有所确定的星座尺寸的扩展星座块， 所述扩展星座块 相比原始星座块被成比例扩大至更接近于星座坐标原点。 相位重新赋形装置 709 将对应于所述差值信号的扩展星座块的各星座点进行相位重新赋形， 所述相位重 新赋形使得与目标信号的特定星座点相对应的差值信号的扩展星座块的星座点 被映射到与所述特定星座点相同的星座象限。
另外， 如图 9所示， 根据本发明， 由于发射机处的相位重新赋形， 在接收机 处接收到的信号 y保持了目标信号 V的相位特征。 因此， 与现有技术相比， 根据本 发明， 在重构目标信号时， 不需要接收机知道干扰信号的调制结构， 此外， 接收 机知道干扰信号的调制结构会使得应用场景变窄。 当使用 THP预编码来消除多用 户干扰时， 接收机知道干扰信号的调制结构几乎是不可能的。 另一方面， 根据本 发明， 接收机也并不对调制扩展后的调制星座（输出信号 c和 d的星座）进行解调。 图 11是本发明的方法与现有技术的 SDPC预编码方法的 BER性能比较的曲线 图。
如图 1 1所示。性能曲线为 OFDM信号的 BER对 Eb/NO (单位为 dB)。在该仿真中， 脏纸编码的目标信号和干扰信号都是 QPSK调制信号， α = 1. 5， 发射端的编码方 案采用码率为 1/3的 turbo码， 信道的发射信号是 OFDM信号。 接收端使用高效的对 数最大后验概率准则解码算法， 即， Max-log-MAP解码算法。其他仿真参数是 OFDM 信号的 FFT尺寸为 512点、 信道估计算法采用理想信道估计、 信道类型是 AWGN单输 入单输出信道.、 系统带宽是 5M和 OFDM子载波间隔为 15Hz。 图 11还示出了没有干扰 的 AWGN信道条件下的性能作为参考。该结果显示根据本发明的方法相对于现有技 术的 SDPC具有大约 4dB的提高。 本发明的具体优点如下：
1 ) 实现了具有更好性能的脏纸预编码；
2 ) 本发明通过考虑星座尺寸和星座相位而改善了 THP预编码方法；
3 ) 与传统 THP预编码相比在接收端不需要取模运算；
4) 无论干扰信号的幅度是大于、 小于还是等于目标信号的幅度， 本发明均 能够较好应用；
5 ) 不需要接收机知道干扰信号的调制结构， 此外， 知道干扰信号的调制结 构会使得应用场景变窄；
6 ) 接收机对接收信号只需要按照发射信号的调制结构进行解调， 而不需要 对相比于发射信号， 星座图被扩大后的接收信号的实际调制结构进行解调；
7 ) 本发明使得接收信号保持与其携带的目标信号相同的相位特征， 因而与 现有技术相比具有更好的解调性能；
8 ) 本发明是脏纸编码的更实用的实现， 并且相对于现有技术具有更好的
BER-Eb ΝΟ性能。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明， 但是本领域的技术 人员将会理解， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 可以对本发明进行各种 修改、 替换和改变。 因此， 本发明不应由上述实施例来限定， 而应由所附权利要 求及其等价物来限定。

Claims (1)

  1. 权 利 要 求
    1、 一种在发射机处利用相位重新赋形实现的脏纸预编码方法， 包括： 从目标信号中减去干扰信号以获得差值信号；
    根据干扰信号和目标信号的幅度相关信息来确定用于星座扩展的星座尺 寸；
    根据所确定的用于星座扩展的星座尺寸， 通过星座扩展处理将所述差值信 号的原始星座块扩展映射为具有所确定的星座尺寸的扩展星座块， 所述扩展星座 块相比原始星座块被成比例扩大至更接近于星座坐标原点； 以及
    将对应于所述差值信号的扩展星座块的各星座点进行相位重新赋形， 所述 相位重新赋形使得与目标信号的特定星座点相对应的差值信号的扩展星座块的 星座点被映射到与所述特定星座点相同的星座象限。
    2、 根据权利要求 1所述的方法， 其中所述幅度相关信息为目标信号和干扰 信号的幅度。
    3、 根据权利要求 1所述的方法， 其中所述幅度相关信息为干扰信号的星座 块的尺寸和目标信号的星座块的尺寸。
    4、 根据权利要求 1所述的方法， 其中所述目标信号是经过调制的信号。
    5、 一种利用相位重新赋形实现脏纸预编码的发射机， 包括- 差值信号获取装置， 从目标信号中减去干扰信号以获得差值信号； 星座尺寸确定装置， 根据目标信号和干扰信号的幅度相关信息来确定用于 星座扩展的星座尺寸；
    星座扩展映射装置， 根据所确定的用于星座扩展的星座尺寸， 通过星座扩 展处理将所述差值信号的原始星座块扩展映射为具有所确定的星座尺寸的扩展 星座块， 所述扩展星座块相比原始星座块被成比例扩大至更接近于星座坐标原 点； 以及
    相位重新赋形装置， 将对应于所述差值信号的扩展星座块的各星座点进行 相位重新赋形， 所述相位重新赋形使得与目标信号的特定星座点相对应的差值信 号的扩展星座块的星座点被映射到与所述特定星座点相同的星座象限。
    6、 根据权利要求 5所述的发射机， 其中所述幅度相关信息为目标信号和干 扰信号的幅度。 7、 根据权利要求 5所述的发射机， 其中所述幅度相关信息为干扰信号的星 座块的尺寸和目标信号的星座块的尺寸。
    8、 根据权利要求 5所述的发射机， 还包括： 调制装置， 用于对源信号进行 调制以获得所述目标信号。
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