CN102754368A - 利用最大速率和互信息优化jcma星座 - Google Patents

Abstract

一种用于计算JCMA通信系统用的JCMA星座的方法和系统，其中，所述方法包括使用最大速率和互信息标准来选择对于发射器的数量N、SNR和发射器使用的调制方案的最优JCMA星座的步骤。

Description

利用最大速率和互信息优化JCMA星座

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年11月5日提交的美国临时专利申请第61/258,328号的优先权权益，通过引用将其并入本文。

技术领域

本发明总体涉及通信系统和方法，更具体但非排除性地，涉及用于多路接入通信的方法和系统。

背景技术

无线通信接口在移动和固定装置中的激增使频谱变得不足。有效使用所分配的通信带宽是无线通信系统继续可行的关键问题。

频分多址接入（FDMA）是一种允许多个发射器接入公共无线信道的广泛使用的方法。其示例为多个移动用户访问相同基站的移动电话。具体地，FDMA近年来应用于通用移动通讯系统（UMTS）标准的长期演进技术（LTE）扩展中的上行链路。

联合星座多路接入（Joint Constellation Multiple Access，JCMA）的用途为人们所熟知。美国专利申请20090135926被视为代表最相关的现有技术。美国专利申请20090135926通过引用并入本文。

下列文献被视为代表进一步相关的现有技术：

J.G.Proakis,Digital Communication,McGraw Hill,3rd edition,1995.

T.M.Cover and J.Thomas.Elements of Information Theory.John Wileyand Sons Inc.,second edition,2006.

A.Goldsmith,Wireless Communications,Cambridge University Press,2006.

C.Johnson,Radio Access Networks for UMTS,Wiley,2008.

G.R.Tsouri and D.Wulich,"Securing OFDM over Wireless Time-Varying Channels using Sub-Carrier Over-Loading with Joint SignalConstellations",Eurasip Journal on Wireless Communications&Networking,2009.

在传统的FDMA方法中，将总频谱划分成子带。接收器为每个发射器分配子带，且每个发射器具有对所分配的子带的专门用途。这将所分配的总带宽转换为连接发射器和接收器的一组正交信道。

JCMA提出根据叠加调制（SM）方案耦合N多个发射器。这使得将它们的多个子带联合成为原子带N倍的单个子带。较大的带宽允许以原速率N倍的速率进行发送。然而，每个所发送的符号的能量也会减少N倍，导致在接收器上解码时比特误码率（BER）增加。通过在发送之前应用信源编码并通过同步发射器以构成对接收器上的噪声具有鲁棒性的叠加星座（constellation）而使BER的增加减少。应用编码会导致吞吐量下降。如果由编码导致的吞吐量下降小于由带宽扩展导致的传输率增加，则具有同步SM的吞吐量会大于传统FDMA的吞吐量。

如上所述，JCMA基于同步叠加调制（SM）和编码，以增加实际FDMA系统的频谱效率。众所周知SM实现了最大聚集容量。然而，在SM提供的增容与在获得准确同步和其操作所需的功率控制过程中所涉及的复杂度相比并不明显的前提下，很大程度上避免SM。

因此，公认需要且非常有利的是具有一种通信系统，特别是一种优选通过优化用于SNR的星座的抗扰性而具有增加容量的JCMA通信系统。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于计算JCMA通信系统用JCMA星座的方法，其中所述方法包括使用最大速率和互信息标准的步骤。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，包括根据下式来计算最大互信息： $I(X;Y)={\∫}_{x\∈X}{\∫}_{y\∈Y}p(x,y){\log }_2\frac{p(x,y)}{p\left(x\right)p\left(y\right)}\mathrm{dxdy},$ 其中X是发送至少一部分JCMA星座的发射器，Y是接收JCMA星座的接收器，其中I(X,Y)是互信息函数，并且其中p(x,y)是X和Y的联合概率密度函数，且p(·)是分别对于X和Y的边缘概率密度函数。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，包括根据下式来计算最大速率和互信息：

其中N是利用星座的发射器的数量，其中P_n是发射器n的平均发射功率，其中θ_n是发射器n的星座的右旋转，其中I是互信息函数，其中X_n是发射器n的发送星座，并且其中Y是接收器。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，包括从多个JCMA星座中选择JCMA星座，其中对所选择的JCMA星座，S的值最大，其中S以下式给出： $S[{\underset{\‾}{x}}^{\left(1\right)},{\underset{\‾}{x}}^{\left(2\right)},...,{\underset{\‾}{x}}^{\left(N\right)}]=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n\left({\underset{\‾}{x}}^{\left(n\right)}\right),$ 其中 $I_n\left({\underset{\‾}{x}}^{\left(n\right)}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(y/x_i^{\left(n\right)})P\left(x_i^{\left(n\right)}\right){\log }_2\frac{p(y/x_i^{\left(n\right)})}{p\left(y\right)}\mathrm{dy},$ 并且其中

进一步根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，其中利用最大速率和互信息标准计算的星座提供至少以下之一：最优频谱效率、最优比特率以及最优发射功率。

又进一步根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，该方法还包括以下步骤：使用最大速率和互信息标准，计算多个JCMA星座，其中每个星座对于包括至少以下两者的组合是最优的：参与JCMA星座的发射器的数量、JCMA星座的接收器上的信噪比（SNR）值以及至少一个调制方案。

更进一步根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，该方法还包括以下步骤：将多个JCMA星座分配给至少一个接收器和发射器。

更进一步根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，该方法包括以下步骤：在JCMA星座的接收器上执行以下步骤：选择多个发射器构成用于联合发送JCMA星座的一组发射器；测量这一组发射器的组合SNR值；根据至少以下两者从多个JCMA星座中选择JCMA星座：这一组发射器中发射器的数量N、SNR值以及至少一个调制方案；并且将所选择的星座通知给这一组发射器。

另外根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，其中选择JCMA星座的步骤包括使用在接收器上的最大速率和互信息标准来计算JCMA星座。

另外根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，其中选择JCMA星座的步骤包括以下步骤：使用最大速率和互信息标准，离线计算多个JCMA星座；给接收器和发射器中的至少一个分配多个JCMA星座；以及在接收器和发射器中的至少一个中，根据至少以下两者从多个JCMA星座中选择JCMA星座：一组发射器中发射器的数量N、SNR值以及至少一个调制方案。

另外根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，该方法包括以下步骤：从接收器接收星座；从接收器接收导频信号；在一组发射器中的发射器上根据导频信号计算发射功率P和星座旋转角度θ中的至少之一，并且使用P和θ将至少一个JCMA星座组元发送给接收器。

还根据本发明的另一方面，提供了一种用于计算JCMA星座的方法，其中接收器是基站、接入点、卫星及卫星地面站中的至少一个。

又根据本发明的另一方面，提供了一种通信系统，其使用用于根据最大速率和互信息标准计算JCMA星座的方法。

再根据本发明的另一方面，提供了一种通信系统中的接收器，该通信系统使用用于根据最大速率和互信息标准计算JCMA星座的方法。

另外根据本发明的另一方面，提供了一种JCMA通信系统中的接收器，其中接收器是基站、接入点、卫星及卫星地面站中的至少一个。

还根据本发明的另一方面，提供了一种JCMA通信系统中的发射器，该JCMA通信系统使用用于根据最大速率和互信息标准计算JCMA星座的方法。

进一步根据本发明的另一方面，提供了一种通信方法，包括以下步骤：将导频信号从接收器发送至一组发射器；通过至少一个接收器接收导频信号；根据导频信号计算发射器中的功率电平和旋转角；并且利用所计算出的功率电平和旋转角将数据信号从发射器发送至接收器，其中导频信号以根据一组发射器中发射器的数量在接收器上计算的功率电平发送。

更进一步根据本发明的另一方面，提供了一种通信系统中的接收器，该通信系统使用包括以下步骤的通信方法：将导频信号从接收器发送至一组发射器；通过至少一个接收器接收导频信号；根据导频信号计算发射器中的功率电平和旋转角；并且利用所计算出的功率电平和旋转角将数据信号从发射器发送至接收器，其中导频信号以根据一组发射器中发射器的数量在接收器上计算的功率电平发送。

更进一步根据本发明的另一方面，提供了一种通信系统中的接收器，该通信系统使用包括以下步骤的通信方法：将导频信号从接收器发送至一组发射器；通过至少一个接收器接收导频信号；根据导频信号计算发射器中的功率电平和旋转角；并且利用所计算出的功率电平和旋转角将数据信号从发射器发送至接收器，其中导频信号以根据一组发射器中发射器的数量在接收器上计算的功率电平发送，并且其中接收器是基站、接入点、卫星及卫星地面站中的至少一个。

更进一步根据本发明的另一方面，提供了一种非暂态计算机可读介质，包括利用最大速率和互信息标准计算的JCMA星座。

除非另有定义，本文所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。本文提供的材料、方法及实例仅是说明性的，并不用于限制。除处理本身所需或固有的范围外，没有有意安排或暗示本公开内容中描述的方法和处理的步骤或阶段，包括图的特定顺序。在多种情况下，处理步骤的顺序可以在不改变所描述的方法的目的或作用的情况下进行改变。

本发明方法和系统的实现涉及以手动、自动或其任意组合方式执行或完成某些所选择的任务或步骤。而且，根据本发明方法和系统的优选实施方式的实际仪器和设备，几个所选择的步骤可以利用任何固件的任何操作系统上的硬件或软件或其任意组合进行实现。例如，作为硬件，本发明的所选择的步骤可以实现为芯片或电路。作为软件，本发明的所选择的步骤可实现为由利用任何合适的操作系统的计算机所执行的多个软件指令。在任何情况下，本发明方法和系统的所选择的步骤可以被描述为由数据处理器、诸如用于执行多个指令的计算平台来执行。

附图说明

本文参照附图仅通过实例的方式描述了本发明。现在，详细地具体参照附图，强调指出所示的具体情况是用于举例和用于示例性讨论本发明的优选实施方式的目的，其被呈示是为了提供认为是最有用的且容易理解本发明的原理和概念的说明。因此，在此并没有为了本发明的基本理解而过多地尝试显示本发明更详细的结构细节，并且说明书和附图一起使得对本领域技术人员而言可以如何实际实施本发明的几种形式是显而易见的。

在附图中：

图1是包含Max-I星座计算器的通用JCMA系统的框图；

图2是同步叠加星座的简化图形描述；

图3是针对图2的场景的BER与SNR相关性的简化图示；

图4是JCMA接收器、JCMA发射器及Max-I JCMA星座计算器的简化框图；

图5是包含Max-I星座计算器的基于JCMA的蜂窝通信系统的简图；

图6是由图5的基于JCMA的蜂窝通信系统执行的处理的简化框图；

图7是用于利用Max-I计算JCMA星座的处理的简化流程图；

图8a、图8b、图8c及图8d分别是N=3、BPSK且SNR值为5dB、10dB、12dB及15dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图；

图9a、图9b及图9c分别是N=4、BPSK且SNR值为10dB、12dB及15dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图；

图10a、图10b、图10c及图10d分别是N=5、BPSK（2QAM）且SNR值为2dB、5dB、10dB及16dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图；

图11是各种基于Max-I的JCMA星座的最大速率和频谱效率与SNR对比的简图；

图12a和图12b分别是N=2、QPSK且SNR值为15dB及20dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图；

图13a、图13b及图13c分别是N=3、QPSK且SNR值为5dB、10dB及20dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图；

图14是各种基于Max-I的JCMA星座的最大速率和频谱效率与SNR对比的简图。

具体实施方式

参照附图和所附的说明可以对根据本发明的定位系统和方法的原理和操作进行更好的理解。

在对本发明的至少一个实施方式进行详细的说明之前，应当理解本发明的应用不限于下述说明书中阐述或附图中示出的组件的结构和布置的详细内容。本发明能够以各种方式实施或以其他实施方案执行。并且，应理解，本文中采用的措辞和术语是为了说明的目的，而不应视为限制。

在本文中，附图范围内未描述的并且用之前的附图中已经描述的数字标记的附图的要素的用途和描述与之前的附图中相同。类似地，文本中用由文本描述的附图中没有出现的数字标识的要素的用途和描述与对要素进行描述的之前的附图中相同。

现在将参照图1，该图为根据本发明实施方式的包含Max-I星座计算器11的通用通信系统10的简化框图的视图。

图1优选示出了用于计算通信系统10用的调制方案的星座的方法，其中该方法包括使用最大速率和互信息标准的步骤。

如图1所示，通信系统10优选包括通过通信介质14与接收器13进行通信的多个发射器12以及Max-I星座计算器11。Max-I星座计算器11为通信系统10提供优化的符号星座15。该优化优选基于根据发射器的数量N（要素16）、和/或信噪比（SNR）（要素17）、和/或所用的调制方案（要素18）的最大速率和互信息标准（Max-I）。调制方案可以是BPSK、QPSK、QAM或任何其他符号编码方法。

如图1所示，各个发射器12优选包括：编码器19，诸如BCH编码器或任何其他纠错编码器；以及调制器20，其优选根据优化的星座15并根据由编码器19编码的数据22产生星座21或星座组元21。

优选地，通信系统10是联合星座多路接入（JCMA）通信系统，且通信系统10所用的通信方法是联合星座多路接入（JCMA）通信方法。在JCMA通信系统和方法的情况下，星座信号21是JCMA星座23的组元。因此，对于JCMA，星座组元21结合在通信介质中，以构成JCMA星座23。在JCMA通信系统和方法的情况下，JCMA星座23优选与Max-I优化星座15相容。

如图1所示，通信介质14给由发射器11发送且由接收器13接收的信号添加噪声，诸如附加高斯白噪声（AWGN）24。

如图1所示，接收器13优选包括信号解调器25和解码器26，该信号解调器25和解码器26一起对所接收的信号进行解调和解码并产生对应于数据22的数据信道27。

在本文中，术语接收器，诸如接收器13，通常是指无线集中站，诸如蜂窝基站、WiFi接入点、卫星和/或卫星地面基站等，和/或有线网络中的集中器，诸如集线器、前端等。应了解，这种接收器，诸如接收器13，还具有发送能力。

在本文中，术语发射器，诸如发射器12，通常是指无线站，诸如蜂窝移动站、WiMAX用户站、WiFi单元、卫星和/或卫星地面基站等，和/或有线网络中的节点，诸如终端节点。应了解，这种发射器，诸如发射器12，还具有接收能力。

为了计算Max-I优化星座15，Max-I星座计算器11使用最大速率和互信息标准。最大速率和互信息由Max-I星座计算器11根据方程1进行计算：

方程1： $I(X;Y)={\∫}_{x\∈X}{\∫}_{y\∈Y}p(x,y){\log }_2\frac{p(x,y)}{p\left(x\right)p\left(y\right)}\mathrm{dxdy},$ 其中，

X是发送至少一部分JCMA星座的发射器，Y是接收JCMA星座的接收器；

I(X,Y)是互信息函数；并且

p(x,y)是X和Y的联合概率密度函数，且p(·)是分别对于X和Y的边缘概率密度函数。

应了解如上所述利用最大速率和互信息标准计算的星座提供了至少以下之一：最优频谱效率、最优比特率以及最优发射功率。

现在参照图2，该图是根据本发明优选实施方式的同步叠加星座28的简化图形描述。

如图2所示，此场景假设发射器11的数量N=2，并假设发射器11使用二进制相移键控（BPSK）（要素29和30）。每个发射器11使用P瓦特的功率以及W/2 Hz的子带。相应符号持续时间为T。此场景的BER由方程2给出：

方程2： $\mathrm{Pb}=Q\left(\sqrt{2\mathrm{SNR}}\right),$ 其中 $\mathrm{SNR}\stackrel{\mathrm{def}}{=}E/N_0$ 且E＝P·T。

当使用SM时，两个发射器使用整个带宽W，其使符号率加倍。符号持续时间现在为T/2。两个发射器以双倍速率、但是通过每E/2比特的能量使用BPSK。叠加星座28构建在包括四相相移键控（QPSK）等设置中的四个星座点的接收器上。如果发射器不是符号同步的，则叠加星座对解码是欠佳的。然而，当发射器同步使得每个发射器占据单个载波组元（90度相移或同相），则由此产生的星座对解码总是具有鲁棒性。

由于发射器占据正交维数且每比特的SNR现在为SNR/2，所以未编码的BER由方程3给出：

方程3： ${P^{\′}}_b=Q\left(\sqrt{\mathrm{SNR}}\right)$

注意，P'_b>P_b，P'_b优选通过应用实际编码方案减小。

为了使吞吐量高于无同步SM的吞吐量，我们将编码速率限制为高于或等于0.5。

对于这种说明性场景，我们使用简单的BCH编码（n，k，d）=（127，64，10），其中硬译码产生0.504的编码速率。对于完备码，编码的BER根据方程4：

方程4： ${P^{\′}}_c=1-{\left[\underset{l=1}{\overset{0.5d-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{l}{n}\right)P_b^{\′l}{(1-{P^{\′}}_b)}^{n-l}\right]}^{1/k}$

在这种情况下，方程4是编码的BER的上界。

现在参照图3，该图是根据本发明优选实施方式的针对图2的场景的BER与SNR依赖关系的简化图示。

图3示出了传统FDMA的BER以及具有同步SM和BCH代码的BER的上界。如图所示，SNR高于8dB时SNR增益至少为2dB。SNR增益可以转化为功率发射的减少量、增加的吞吐量及增加的单元尺寸。

现在参照图4，该图是根据本发明优选实施方式的JCMA接收器31、JCMA发射器32及Max-I星座计算器33的简化框图。

应了解：

JCMA接收器31等同于适用于JCMA通信方法和系统的图1的接收器12；

JCMA发射器32等同于适用于JCMA通信方法和系统的图1的发射器13；并且

Max-I星座计算器33等同于适用于JCMA通信方法和系统的图1的Max-I星座计算器11。

如图4所示，Max-I星座计算器33优选与接收器31和发射器32都分离，优选在离线模式下计算最优JCMA星座，并优选为接收器31和发射器32提供Max-I计算的JCMA星座作为查找表（LUT）。

应了解，可选地，Max-I JCMA星座计算器33可以优选并入接收器31中。

优选地，LUT包含多个JCMA星座，其中每个JCMA星座包含多个JCMA星座组元类型。每个JCMA星座组元类型优选由接收器31分配给特定的发射器32。JCMA星座组元类型是分配给特定的发射器32的一组星座点。优选地，JCMA星座组元类型反映了特定发射器32使用的调制方案。

应了解，由Max-I JCMA星座计算器33计算出的且在LUT中提供的JCMA星座使包括一个或多个接收器31和发射器32的JCMA通信系统达到最优频谱效率和/或最优比特率和/或最优发射功率。

如图4所示，接收器31优选包括下列组件：

通过天线35接收JCMA星座（JCMA信号或JCMA符号）的接收器模块34。接收器34连接至JCMA解调器36，JCMA解调器36连接至输出数据信道38的解码器37（诸如BCH解码器）。

存储器模块39，诸如闪存模块，其存储优选由Max-I JCMA星座计算器33计算的Max-I优化的JCMA星座的查找表（LUT）。

Max-I JCMA星座选择器40，其使用测量SNR值41、JCMA组中发射器的数量N（42）以及分配给JCMA组中的发射器的调制方案43（诸如BPSK、QPSK、QAM等）以从存储器模块39中的LUT中选择并检索合适的Max-I JCMA星座44。

发射器模块45，用于向发射器发送包含所选择的星座的消息46和/或导频信号47。

应了解，在Max-I JCMA星座计算器33并入接收器31的可选配置中，Max-I JCMA星座计算器33优选并入Max-I JCMA星座选择器，或Max-IJCMA星座选择器是Max-I JCMA星座计算器33。

如图4所示，发射器32包括下列组件：

接收发送用的数据49的编码器48（诸如BCH编码器或其他）。编码器48向JCMA调制器50提供编码数据。JCMA调制器50使用调制方案（诸如BPSK、QPSK、QAM等）和JCMA星座51来产生JCMA星座组元52。JCMA星座组元通过发射器模块53和天线54发送给接收器31。

存储器模块55，诸如闪存模块，其存储优选由Max-I JCMA星座计算器33计算的Max-I优化的JCMA星座的查找表（LUT）。

接收包含所选择的星座（或所选择星座的标识）的消息46和/或导频信号47的接收器模块56。

为调制器50提供功率和相位校正数据58的功率相位校正计算器57。

优选地，发射器32从接收器31接收包含由接收器31选择的JCMA星座的标识的消息46。然后，发射器32从存储器模块55中的LUT中检索所选择的JCMA星座51。所选择的JCMA星座51包括JCMA星座的标识以及分配给特定发射器的JCMA星座组元类型。利用JCMA星座51，调制器50创建JCMA星座组元52。

优选地，发射器32从接收器31接收一系列导频信号47。利用导频信号47，功率相位校正计算器57计算功率和相位校正数据58。利用功率相位校正数据58，调制器修改JCMA星座组元52的功率和相位以在接收器31上提供最优联合星座。

在图4中描述的操作模式下，Max-I计算的JCMA星座是离线计算的，并被作为查找表（LUT）提供给接收器31和发射器32。接收器31优选将消息（未示出）发送给被选择为参与特定JCMA组的一组发射器32。消息表示选自LUT的特定JCMA星座。JCMA星座优选按照JCMA组中的发射器32的数量、和/或由接收器31对这组发射器32测量的SNR、和/或分配给这组发射器32中的每一个的调制方案进行选择。

现在将参照图5，该图是根据本发明优选实施方式的包含Max-I星座计算器11的基于JCMA的蜂窝通信系统59的简图。

如图5所示，基于JCMA的蜂窝通信系统59优选包括蜂窝基站60、多个蜂窝移动站（例如移动电话）61及Max-I离线JCMA星座计算器11。

应了解，可选地，Max-I JCMA星座计算器11可以并入蜂窝基站60。还应了解，蜂窝基站60优选等同于图1的接收器13或图4的接收器31。因此，蜂窝基站60还可以表示WiFi接入点或任何其他通信集中器。进一步应了解，蜂窝移动站61优选等同于图1的发射器12或图4的发射器32。因此，蜂窝移动站61还可以表示WiFi终端或任何其他类型的通信节点。

图5的要素62是一部分基站60的框图，且要素63是一部分移动站61的框图。

如图5所示，JCMA星座计算器11优选利用最大速率和互信息标准生成JCMA星座的查找表（LUT）64。然后，LUT 64被分配和/或加载到基站60和移动站61。

优选地，LUT包含多个JCMA星座，其中每个JCMA星座包含多个JCMA星座组元类型。JCMA星座组元类型是分配给形成JCMA星座的JCMA发射器组的特定发射器的一组星座点。优选地，JCMA星座组元类型反映了特定发射器使用的调制方案。

基站60中的星座选择器65根据SNR67，移动站61的数量N 68以及调制方案69的类型（例如BPSK、QPSK、QAM等）选择LUT的JCMA星座66。基站60将消息70发送给每个移动站61，将所选择的JCMA星座70以及分配给特定移动站61的特定JCMA星座组元类型（一组星座点）通知给每个移动站。

然后，基站60优选发送导频信号71。优选地，根据发射器的数量调节导频信号的功率电平。

当收到消息70时，移动站61上的星座选择器72从存储在存储器模块73中的LUT 64检索合适的JCMA星座66。在这方面，JCMA星座66包括分配给移动站61的特定JCMA星座组元类型（一组星座点）。使用JCMA星座66，调制器74生成JCMA星座66的组元75。

根据导频信号71，功率相位校正模块76计算功率P和星座旋转角θ。利用这些功率P和相位θ校正值77，调制器74向接收器发送JCMA星座组元75。因此，由发射器61的JCMA星座组元75的组合创建JCMA星座78。

现在参照图6，该图是根据本发明优选实施方式的由图5的基于JCMA的蜂窝通信系统59执行的处理79的简化流程图。

应了解处理79或类似处理还可以由根据图1和/或图4描述的系统来执行。

如图6所示，处理79优选包括LUT生成处理80、接收器处理81以及发射器处理82。LUT生成处理80优选由图5的Max-I星座计算器11执行。接收器处理81优选由图5的基站60执行。发射器处理82优选由图5的移动站61执行。

如图6所示，LUT生成处理80优选开始于选择或准备以下组的步骤83：

一组信噪比（SNR）值（例如5dB、10dB、15dB、…）。

一组参与联合星座多路接入（JCMA）发射器组以形成JCMA星座的发射器（诸如图1的发射器12或图5的移动站61）的数量值（例如2、3、4、…）。

一组调制方案，诸如BPSK方案、QPSK方案及各种QAM方案。

LUT生成处理80优选继续从步骤83中创建的组中的至少两组中选择至少一个值，即SNR值、参与JCMA发射器组的发射器的数量N的值以及一个或多个调制方案的步骤84。然后，LUT生成处理80根据最大速率和互信息标准生成JCMA星座，即互信息值的和为最大的JCMA星座。优选地，每个JCMA星座包括根据JCMA组中的发射器的数量和分配给这些发射器的调制方案的多个JCMA星座组元类型。

LUT生成处理80优选继续步骤85，以通过重复步骤84为步骤83的集合的值的多个组合创建JCMA星座的查找表（LUT）。

LUT生成处理80优选继续步骤86，以将步骤85中创建的LUT分配给接收器和发射器，诸如图5的基站60和移动站61。LUT可以利用任何类型的非暂态计算机可读介质进行分配。

接收器处理81优选开始于从LUT生成处理80接收LUT的步骤87。然后，接收器处理81优选继续优选选择一组发射器以参与JCMA星座（也称为JCMA组或JCMA发射器组）的步骤88。然后，接收器处理81优选继续优选选择JCMA组中发射器的调制机构的步骤89。然后，接收器处理81优选继续优选测量由JCMA发射器组发送的信号的SNR值的步骤90。

然后，接收器处理81优选继续优选从步骤87中接收的LUT中选择与如在步骤88、90和89中选择的N值、SNR值和调制方案符合的JCMA星座的步骤91。然后，接收器处理81优选继续优选将所选择的JCMA星座及它们各自的星座组元类型通知给JCMA组的发射器的步骤92。

应了解，可选地，步骤91可以包括诸如在步骤84中那样利用如在步骤88、90和89中选择的N值、SNR值和调制方案、利用Max-I来计算JCMA星座。

可选地但优选地，接收器处理81继续优选发送导频信号的步骤93。优选地，根据发射器组中的发射器的数量计算导频信号的发射功率电平。优选重复、优选无限期地重复步骤93。

然后，接收器处理81优选继续优选接收由JCMA发射器组发送的JCMA星座和优选对JCMA星座进行解调和解码以构成每个发射器的数据信道的步骤94。优选重复、优选无限期地重复步骤94。

优选地，优选重复、优选无限期地重复步骤90、91和92。

发射器处理82开始于优选从LUT生成处理80中接收LUT的步骤95。然后，发射器处理82优选继续优选接收如在步骤92中由接收器发送的所选择的JCMA星座的标识的步骤96。然后，发射器处理82优选继续优选从在步骤95中接收的LUT检索所选择的JCMA星座和所分配的星座组元类型的步骤97。

可选地但优选地，发射器处理82继续优选接收在步骤93中由接收器发送的导频信号的步骤98。发射器处理82优选继续优选根据所接收的导频信号计算发射功率P和/或星座旋转角θ（也称为相位旋转、相位校正）的步骤99。优选重复、优选无限期地重复步骤98至99。

发射器处理82优选继续优选利用所选择的JCMA星座和/或JCMA星座组元类型根据LUT和在步骤97中从接收器接收的JCMA选择信息发送JCMA星座组元的步骤100。优选地，利用在步骤99中获得的值对JCMA星座组元的功率和相位值进行校正。优选重复、优选无限期地重复步骤100。

应了解发射器可以使用相同的调制方案或调制方案的各种混合。

现在参照图7，该图是根据本发明优选实施方式的利用Max-I计算JCMA星座的、如优选由图6的步骤84执行的处理101的简化流程图。

如图7所示，利用Max-I计算JCMA星座的处理101开始于优选从在图6的步骤83中准备的集合选择发射器的数量和SNR值的步骤102。

处理101优选继续为每个发射器N选择星座组元类型的步骤103。

处理101优选继续步骤104从而为在步骤102中选择的值且根据在步骤103中选择的星座组元计算互信息函数I。第n个发射器和接收器之间的互信息由方程5给出：

方程5： $I_n\left(\underset{\‾}{x^{\left(n\right)}}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(y/x_i^{\left(n\right)})P\left(x_i^{\left(n\right)}\right){\log }_2\frac{p(y/x_i^{\left(n\right)})}{p\left(y\right)}\mathrm{dy},$ 其中，

向量

（n=1，2，…，N）表示第n个发射器可能的M个结果（星座点），其中，

M是所选择的调制方案的可能符号的数量（例如BPSK为2，QPSK为4等）。

是第n个发射器的可能结果的概率分布；

是给出

时信道结果的条件概率密度函数。对于高斯信道噪声，

由方程6表示：

方程6：其中，

σ²是SNR的倒数。

处理101优选继续步骤105以计算由方程7定义的速率和互信息：

方程7： $S[{\underset{\‾}{x}}^{\left(1\right)},{\underset{\‾}{x}}^{\left(2\right)},...,{\underset{\‾}{x}}^{\left(N\right)}]=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n\left({\underset{\‾}{x}}^{\left(n\right)}\right)$

处理101优选对不同组的向量x ⁽¹⁾,x ⁽²⁾,...,x ^(N)重复步骤101至105，且当几组向量用完时（步骤106），处理101优选继续步骤107。

在步骤107中，处理107（Max-I计算器）查找这组向量x ⁽¹⁾,x ⁽²⁾,...,x ^(N)，使S[x ⁽¹⁾,x ⁽²⁾,...x ^(N)]在有方程8表示的约束条件下最大：

方程8：

n=1，2，…，N

从而为LUT选择S最大的星座。

或者，以更紧凑的表示法，如方程9所示：

方程9： $[{\underset{\‾}{x}}_{\mathrm{opt}}^{\left(1\right)},{\underset{\‾}{x}}_{\mathrm{opt}}^{\left(2\right)},...,{\underset{\‾}{x}}_{\mathrm{opt}}^{\left(N\right)}]=\arg \left\{\underset{{\underset{\‾}{x}}^{\left(1\right)},{\underset{\‾}{x}}^{\left(2\right)},...{\underset{\‾}{x}}^{\left(N\right)}}{\max }\right[S[{\underset{\‾}{x}}^{\left(1\right)},{\underset{\‾}{x}}^{\left(2\right)},...{\underset{\‾}{x}}^{\left(N\right)}]\left]\right\}$

在如用方程10描述的约束条件下：

方程10：

n=1，2，…，N

向量

分别构成发射器1、2、…、N的标称星座（nominalconstellation）。联合星座的点的数量等于M^N。

现在参照图8a、图8b、图8c及图8d，这些图分别是根据本发明优选实施方式的N=3、BPSK且SNR值为5dB、10dB、12dB及15dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图。

利用最大速率和互信息标准优化N个用户（移动站）的叠加星座的计算如下：

令P=[P₁,P₂,...,P_N]，θ=[θ₁,θ₂,...θ_N]，其中(P_n,θ_n)是用户n的星座的平均功率和右旋转（用度表示）。将x=[-1,1]用于BPSK并将x=[-1,1,j,-j]用于QPSK，所发送的星座可以用方程11写成：

方程11：

设计标准使速率和互信息最大化并由方程12定义：

方程11：

因此，图8a、图8b、图8c及图8d分别示出了x=[-1,1]、三个移动站（N=3）且SNR值为5dB、10dB、12dB及15dB时的叠加星座。

表I示出了三个用户和x=[-1,1]时的最小距离d_min和下一个最小距离d_min,2。表II示出了三个用户和x=[-1,1]时的发射器2和3的星座的大小和相对旋转。将发射器1的功率设置为1且它的旋转是基准旋转并设置为0。从表II中可以看出，对大于5dB的SNR，相对相位是固定的，最小距离仅通过改变旋转角在两个其他用户的旋转角之间的第二用户的功率来确定。实际上，这表明增加最小距离通过减小功率来实现。

表1

SNR为2dB、5dB、10dB、12dB和15dB时的d_min和d_min,2

注意，对任何距离，右边的列都表示用该距离表征多少对。

表2

发射器2和3的星座的幅度和相对旋转

基于优化结果，进行以下观察：

记住速率和总是主要速率约束（其从未放松）。

为了充分利用最大的可用速率，移动单元必须协调如表2中所示的功率和旋转这两者。

应注意，高SNR的最优叠加星座不使用在如表2中所示的所有发射器上可用的最大功率。实际上，通过回退一个用户的功率，可以获得更高的速率和。这意味着一个用户“牺牲”其性能且它的最大可达速率小于它的个别约束。例如，如果功率减小的用户是用户2，则

$I(X_2;Y|X_1,X_3)<\underset{P_3\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right]}{\max }I(X_2;Y|X_1,X_3)$

从图8a、图8b、图8c及图8d可以看出，当SNR增加时，内部点之间的距离也增加。这使得内部点更接近外部点，因此减小了d_min,2并增加了d_min。

应注意，SNR较高时的叠加星座与通过使d_min最大化（而不是使速率和互信息最大化）获得的叠加星座一致。

SNR较低时，所有用户在利用最大可用功率发送时都尽最大努力。从图8a、图8b、图8c及图8d看出，当SNR为2dB时，星座以60度的等角距离分散。叠加星座点形成点阵，然而由于一对d_min为零，所以最大化d_min,2（同样参见表I）。当SNR增加时，最小距离增加。同时，下一个最小距离d_min,2减小。原因在于控制（主导）误差事件：SNR较高时，误差事件由最近的一对星座点控制。因此，对高SNR，目的是使最小距离最大化。对低SNR，相隔大于d_min的星座点之间的误差事件变成了控制因素。因此，最优星座具有零的d_min和最大的d_min,2。这降低了除最近的一对之外的星座点的误差概率。由于仅有一对位于距离d_min处且许多其他对位于间隔距离d_min,2处，所以降低了总误差概率。

该处理还优化了相位和功率。该优化在SNR=10dB时获得d_min=1.1321（也比较于优化超功率时的1.3036）且在SNR=5dB时获得d_min=0.8723（也比较于优化超功率时的0.9071）。比较仅优化相位时获得的最大可达速率和频谱效率与优化相位和功率两者时获得的最大可达速率和频谱效率，可以得出这样的结论：与增加的最小距离相关的可达速率的增加仅为0.5%的级别。因此优化超功率的主要优势在于有能力达到相同的速率，同时使用较小的发射功率，由此在不牺牲速率的情况下延长移动站的寿命。

现在参照图9a、图9b及图9c，这些图分别是根据本发明优选实施方式的N=4、BPSK且SNR值为10dB、12dB及15dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图。

图9a、图9b及图9c分别示出了x＝[-1,1]、四个移动站（N=4）且SNR值为10dB、12dB及15dB的时的叠加星座。

现在参照图10a、图10b、图10c及图10d，这些图分别是根据本发明优选实施方式的N=5、BPSK（2QAM）且SNR值为2dB、5dB、10dB及16dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图。

图10a、图10b及图10c分别示出了x＝[-1,1]、五个移动站（N=5）及SNR值为2dB、5dB、10dB及16dB时的叠加星座。

现在参照图11，该图是根据本发明优选实施方式的各种基于Max-I的JCMA星座的最大速率和频谱效率与SNR对比的简图。

图11示出了x＝[-1,1]时最大速率和频谱效率与SNR的对比。图11示出了所提出的多用户调制以及标准频分复用（FDMA）时用比特/秒/赫兹表示的总速率和频谱效率与SNR的对比。在FDMA中，保持平均功率不变，假设平均化处理占据所有这三个用户帧。

文献中存在用于多路接入信道的多个实例，这些实例展示了分时同步传输的优势。实际上，分频叠加调制的优势根据图11变得显而易见：FDMA速率和不能超过单用户速率，BPSK的单用户速率为1比特/秒/赫兹或QPSK（4QAM）的单用户速率为2比特/秒/赫兹。通过适当对齐星座，SNR较高时的速率和增加N倍。

现在参照图12a和图12b，这些图分别是根据本发明优选实施方式的N=2、QPSK且SNR值为15dB及20dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图。

图12a和图12b分别示出了x=[-1,1,j,-j]、两个移动站（N=2）且SNR值为15dB及20dB时的叠加星座。

现在参照图13a、图13b及图13c，这些图分别是根据本发明优选实施方式的N=5、QPSK且SNR值为5dB、10dB及20dB时的最优叠加（JCMA）星座的简图。

图13a、13b及13c分别示出了x=[-1,1,j,-j]、三个移动站（N=3）且SNR值为5dB、10dB及20dB时的叠加星座。

现在参照图14，该图是根据本发明优选实施方式的各种基于Max-I的JCMA星座的最大速率和频谱效率与SNR对比的简图。

图14示出了x=[-1,1,j,-j]时最大速率和频谱效率与SNR的对比。图14示出了如图12a、图12b以及图13a、图13b和图13c中描述的所提出的多用户调制以及标准频分复用（FDMA）时用比特/秒/赫兹表示的总速率和频谱效率与SNR的对比。

结果表明，使用在FDMA系统中进行编码的同步叠加调制导致频谱效率增加。对三个示例场景进行了研究：结合BCH编码的任意QPSK叠加星座的双用户场景、具有互信息优化的三、四、五用户BPSK场景、以及具有互信息优化的双、三用户QPSK场景。

对双用户场景，观察到SNR高于8dB时2dB的SNR增益。

对于速率和，当不同用户的功率和相位同步时显示实现了互信息优化。显示所获得的速率和取决于与FDMA相比速率和具有可能的N倍增益的SNR。对于较高SNR，数字显示互信息优化场景等同于优化最大的最小欧氏距离。此外，实现最大速率和要求一些用户牺牲他们的个别速率。然而，这同样延长了电池寿命，同时保持了最大速率和。对于较低SNR，显示最优叠加星座为性能受第二最小欧氏距离控制的点阵。

如果使更多发射器同步以形成较大的叠加信号星座并且使用先进的编码技术诸如turbo码和低密度奇偶校验码，则可预期频谱效率大幅增加。我们正在进行的研究包括基于同步SM利用新兴的无线标准（诸如UMTS的LTE）中的先进编码方案和高阶叠加信号星座实现JCMA的实用方法。

进一步应注意，导频信号能量应在上行链路子带上从接收器发送至发射器并且导频信号的能量应直接与发射器的数量成正比。近期研究（上文提到的G.R.Tsouri和D.Wulic）提供了简单的信号导频规则，以在SM场景下实现发射器的精确同步以及功率控制。

Claims (20)

1.一种用于计算JCMA通信系统用的JCMA星座的方法，其中，所述方法包括使用最大速率和互信息标准的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括根据下式来计算最大互信息：

$I(X;Y)={\&Integral;}_{x\&Element;X}{\&Integral;}_{y\&Element;Y}p(x,y){\log }_2\frac{p(x,y)}{p\left(x\right)p\left(y\right)}\mathrm{dxdy}$

其中，X是发送至少一部分所述JCMA星座的发射器，并且Y是接收所述JCMA星座的接收器；

其中，I(X,Y)是所述互信息函数；并且

其中，p(x,y)是X和Y的联合概率密度函数，且p(·)是分别对于X和Y的边缘概率密度函数。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括根据下式来计算所述最大速率和互信息：

其中，N是利用所述星座的发射器的数量；

其中，P_n是发射器n的平均发射功率；

其中，θ_n是发射器n的所述星座的右旋转；并且

其中，I是所述互信息函数；并且

X_n是发射器n的发送星座；并且

Y是接收器。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括从多个JCMA星座中选择所述JCMA星座，其中对所选择的JCMA星座，S的值最大，其中S以下式给出：

$S[{\underset{\&OverBar;}{x}}^{\left(1\right)},{\underset{\&OverBar;}{x}}^{\left(2\right)},...,{\underset{\&OverBar;}{x}}^{\left(N\right)}]=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_n\left({\underset{\&OverBar;}{x}}^{\left(n\right)}\right);$

其中， $I_n\left({\underset{\&OverBar;}{x}}^{\left(n\right)}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}p(y/x_i^{\left(n\right)})P\left(x_i^{\left(n\right)}\right){\log }_2\frac{p(y/x_i^{\left(n\right)})}{p\left(y\right)}\mathrm{dy};$ 并且

其中，

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，利用所述最大速率和互信息标准计算的所述星座提供至少以下之一：

最优频谱效率；

最优比特率；以及

最优发射功率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

使用所述最大速率和互信息标准，计算多个JCMA星座，其中，每个星座对于包括至少以下两者的组合是最优的：

i．参与所述JCMA星座的发射器的数量；

ii．所述JCMA星座的接收器上的信噪比（SNR）值；以及

iii．至少一个调制方案。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

将所述多个JCMA星座分配给接收器和发射器中的至少一个。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：

在所述JCMA星座的接收器上执行以下步骤：

i．选择多个发射器以形成用于联合发送JCMA星座的一组发射器；

ii．测量所述一组发射器的组合SNR值；

iii．根据至少以下两者从所述多个JCMA星座中选择JCMA星座：所述一组发射器中发射器的数量N、所述SNR值以及至少一个调制方案；并且

iv．将所选择的星座通知给所述一组发射器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，选择一个JCMA星座的步骤包括利用所述接收器上的所述最大速率和互信息标准计算所述JCMA星座。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，选择一个JCMA星座的步骤包括以下步骤：

使用所述最大速率和互信息标准，离线计算多个所述JCMA星座，

将所述多个JCMA星座分配给接收器和发射器中的至少一个；并且

在所述接收器和所述发射器中的至少一个中，根据至少以下两者从所述多个JCMA星座中选择JCMA星座：

一组发射器中发射器的数量N；

所述SNR值；以及

至少一个调制方案。

11.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：

从所述接收器接收星座；

从所述接收器接收导频信号；

在所述一组发射器中的发射器上，根据所述导频信号计算发射功率P和星座旋转角θ中的至少一个；并且

利用所述P和所述θ向所述接收器发送至少一个JCMA星座组元。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述接收器是基站、接入点、卫星及卫星地面站中的至少一个。

13.一种通信系统，使用权利要求1至12中任一项所述的方法。

14.一种通信系统中的接收器，所述通信系统使用权利要求1至12中任一项所述的方法。

15.根据权利要求14所述的接收器，其中，所述接收器是基站、接入点、卫星及卫星地面站中的至少一个。

16.一种通信系统中的发射器，所述通信系统使用权利要求1至12中任一项所述的方法。

17.一种用于通信的方法，包括以下步骤：

将导频信号从接收器发送至一组发射器；

通过至少一个所述接收器接收所述导频信号；

根据所述导频信号计算所述发射器中的功率电平和旋转角；并且

利用所计算出的功率电平和旋转角将数据信号从所述发射器发送至所述接收器；

其中，所述导频信号以根据所述一组发射器中发射器的数量在所述接收器上计算的功率电平发送。

18.一种通信系统中的接收器，所述通信系统使用权利要求17所述的方法。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述接收器是基站、接入点、卫星及卫星地面站中的至少一个。

20.一种非暂态计算机可读介质，包括根据权利要求1至12中任一项所述的利用最大速率和互信息标准计算的JCMA星座。

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