CN105763236A - 一种基于预编码的计算前传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预编码的计算前传方法，涉及一种基于预编码的计算前传（Compute?and?Forward，CF）中继协作通信或迫整接收技术的线性优化处理方法，可应用于多用户中继无线通信系统或多天线无线通信系统以及多址接入系统。该方法中多个用户采用嵌套格码，通过对多用户发送信息的整数线性组合而非所有发送信息进行直接解码，再线性求解得到所需信息，以低复杂度获得较高的速率。本发明提出将接收放大因子移到发射端变成预编码，克服了传统计算前传方法存在丢番图折中（Diophantine Tradeoff）的问题，大大提高了多用户通信网络的自由度性能。

Description

一种基于预编码的计算前传方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络传输中的线性信号处理技术领域，特别是一种基于预编码的计算前传方法。

背景技术

计算前传技术是近年来多用户中继协作通信研究的一个新进展。计算前传中继策略及类似的迫整接收方案分别应用于多用户中继无线通信系统或多址接入系统，通过利用多用户或多天线干扰来获得更高的传输速率，能进一步提高信道资源的利用。首先，所有发射用户的信息采用同样的线性码或格码，如嵌套格码。这样，由于多个格码的任意线性组合仍然是一个格码，计算前传技术能去除接收噪声得到多个发射码字线性组合的复合码，然后通过线性转换将数据流间的干扰消除。通过应用优良的结构码与有理数对信道实数系数之间的良好近似，该方案能以低复杂度获得较高的速率。传统的计算前传或迫整接收方案中，接收信号先经过均衡器放大来接近一个整数线性组合，而根据数论的丢番图近似理论，这个放大系数越大近似程度越高，但却同时放大了接收噪声，所以存在近似准确度和接收噪声放大之间的折中，即丢番图折中，使其系统自由度受到很大限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于预编码的计算前传方法，本发明提出将接收放大因子移到发射端变成预编码，克服了传统计算前传方法存在丢番图折中(DiophantineTradeoff)的问题，大大提高了多用户通信网络的自由度性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于预编码的计算前传方法，包括以下步骤：

步骤一、K个发射用户首先分别对要发送信息编码成嵌套格码其功率为P_x，即其中，n为码长，k＝1,...,K；

步骤二：每个发射用户将各自的嵌套格码x_k乘以预编码系数b_k后发射，b_k的集合记为预编码每个发射用户的预编码系数b_k是通过接收端迭代计算后反馈得到的，其功率为P_b，即|b_k|²≤P_b；接收端通过构建以传输速率最大为目标函数，发射功率限制为约束的优化问题，求得预编码的最优解；

步骤三：接收端对多个发射用户的发射信号经过无线信道H的线性组合进行解码去除接收噪声及近似实数信道的误差，得到整数线性组合

步骤四：接收端对整数线性组合求出整数系数矩阵A；解码的信号整数线性组合乘以A的逆求解恢复出原始发射信号

作为本发明所述的一种基于预编码的计算前传方法进一步优化方案，所述步骤二中的预编码的最优解是通过以下步骤求得：

步骤(1)、初始化设置δ⁽⁰⁾←ε，ε＞0，ε为迭代终止系数，δ⁽⁰⁾为迭代条件初始值，h_kj为信道矩阵H的第k行第j列的元素，a_kj为接收处理的整数矩阵A的第k行第j列的元素，{a_kj}取的四舍五入，即 为第i次迭代的预编码系数，i为迭代次数，1≤j≤K；

步骤(2)、初始化迭代次数i＝0；

步骤(3)、设其中，为接收加性白噪声的方差；

步骤(4)、i＝i+1；

步骤(5)、根据计算出若则

步骤(6)、根据信息传输速率计算R⁽ⁱ⁾；

步骤(7)、若步骤(6)计算出的R⁽ⁱ⁾＜R^(i-1)，则步骤(5)计算出的即为预编码的最优解；否则计算出δ⁽ⁱ⁾＝R⁽ⁱ⁾-R^(i-1)；

步骤(8)、若步骤(7)中的δⁱ≥ε，则返回步骤(4)；否则步骤(5)计算出的即为预编码的最优解。

作为本发明所述的一种基于预编码的计算前传方法进一步优化方案，每个用户的发送预编码是通过接收端采用步骤(1)-(8)优化迭代计算得到，再广播发射反馈给发射用户。

作为本发明所述的一种基于预编码的计算前传方法进一步优化方案，所述接收端为K个协作中继或一个K根天线的接收机。

作为本发明所述的一种基于预编码的计算前传方法进一步优化方案，整数系数矩阵A取信道与预编码乘积的整数近似，即{a_kj＝round(h_kjb_j)}。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明将放大因子移到发射端变成预编码以克服丢番图折中的方案，在发射功率受限下优化设计预编码并提出了迭代算法，系统的速率和自由度性能远远超过了传统的计算前传中继技术，克服了传统计算前传方法存在丢番图折中(DiophantineTradeoff)的问题，大大提高了多用户通信网络的自由度性能。

附图说明

图1是基于预编码的计算前传通信系统模型及通信过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明是针对多用户计算前传中继或多天线的无线通信系统提出一种优化预编码的线性处理方法，使得系统和速率大幅提高，进而使系统自由度性能明显提高。

本发明主要通过以下技术方案实现：分别在K个用户的发射端与K个协作中继或一个K根天线的接收端进行。每个用户先对发射信息进行编码成嵌套格码，然后乘以预编码系数并发射，嵌套格码和预编码均受发射功率限制。优化的预编码系数是通过已知信道信息的接收端按所提迭代算法计算得到后反馈到发射用户的。接收端先对接收信号进行解码得到发射信号的整数线性组合以去除接收加性高斯白噪声和近似实数信道的误差，然后通过对信号的整数线性组合进行线性变换得到原始发射信号。由于接收端是对多个用户发射信号的整数线性组合而非每个信号进行解码，再通过线性求解得到所需用户信息，所以计算前传方案具有较低复杂度和较高系统和速率。并且，所提方法通过用户发射端的预编码实现对实数信道的分数近似时的尺度放大，避免了对接收噪声的放大，解决了丢番图折中这一问题，更加大大地提高了系统速率。

系统模型的框图如图1所示。

具体实施方法如下：

一种基于预编码的计算前传方法，包括以下步骤：

步骤一、K个发射用户首先分别对要发送信息编码成嵌套格码其功率为P_x，即其中，n为码长，k＝1,...,K；

步骤二：每个发射用户将各自的嵌套格码x_k乘以预编码系数b_k后发射，b_k的集合记为预编码每个发射用户的预编码系数b_k是通过接收端迭代计算后反馈得到的，其功率为P_b，即|b_k|²≤P_b；接收端通过构建以传输速率最大为目标函数，发射功率限制为约束的优化问题，求得预编码的最优解；具体如下：

步骤(1)、初始化设置δ⁽⁰⁾←ε，ε＞0，ε为迭代终止系数，h_kj为信道矩阵H的第k行第j列的元素，a_kj为接收处理的整数矩阵A的第k行第j列的元素，{a_kj}取的四舍五入，即 为第i次迭代的预编码系数，δ⁽⁰⁾为迭代条件初始值，i为迭代次数，1≤j≤K；

步骤(2)、初始化迭代次数i＝0；

步骤(3)、设其中，为接收加性白噪声的方差；

步骤(4)、i＝i+1；

步骤(5)、根据计算出若则

步骤(6)、根据信息传输速率计算R⁽ⁱ⁾；

步骤(7)、若步骤(6)计算出的R⁽ⁱ⁾＜R^(i-1)，则步骤(5)计算出的即为预编码的最优解；否则计算出δ⁽ⁱ⁾＝R⁽ⁱ⁾-R^(i-1)；

步骤(8)、若步骤(7)中的δⁱ≥ε，则返回步骤(4)；否则步骤(5)计算出的即为预编码的最优解。

步骤三：接收端对多个发射用户的发射信号经过无线信道H的线性组合进行解码去除接收噪声及近似实数信道的误差，得到整数线性组合

步骤四：接收端对整数线性组合求出整数系数矩阵A；解码的信号整数线性组合乘以A的逆求解恢复出原始发射信号

每个用户的发送预编码是通过接收端采用步骤(1)-(8)优化迭代计算得到，再广播发射反馈给发射用户。

所述接收端为K个协作中继或一个K根天线的接收机。

整数系数矩阵A取信道与预编码乘积的整数近似，即{a_kj＝round(h_kjb_j)}。

至此，整个基于预编码的计算前传无线通信的终端线性处理过程执行完毕。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于预编码的计算前传方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、K个发射用户首先分别对要发送信息编码成嵌套格码其功率为P_x，即其中，n为码长，k＝1,...,K；

步骤二：每个发射用户将各自的嵌套格码x_k乘以预编码系数b_k后发射，b_k的集合记为预编码每个发射用户的预编码系数b_k是通过接收端迭代计算后反馈得到的，其功率为P_b，即|b_k|²≤P_b；接收端通过构建以传输速率最大为目标函数，发射功率限制为约束的优化问题，求得预编码的最优解；

步骤三：接收端对多个发射用户的发射信号经过无线信道H的线性组合进行解码去除接收噪声及近似实数信道的误差，得到整数线性组合

步骤四：接收端对整数线性组合求出整数系数矩阵A；解码的信号整数线性组合乘以A的逆求解恢复出原始发射信号

2.根据权利要求1所述的一种基于预编码的计算前传方法，其特征在于，所述步骤二中的预编码的最优解是通过以下步骤求得：

步骤(1)、初始化设置δ⁽⁰⁾←ε，ε＞0，ε为迭代终止系数，δ⁽⁰⁾为迭代条件初始值，h_kj为信道矩阵H的第k行第j列的元素，a_kj为接收处理的整数矩阵A的第k行第j列的元素，{a_kj}取的四舍五入，即 为第i次迭代的预编码系数，i为迭代次数，1≤j≤K；

步骤(2)、初始化迭代次数i＝0；

步骤(3)、设其中，为接收加性白噪声的方差；

步骤(4)、i＝i+1；

步骤(5)、根据计算出若则

步骤(6)、根据信息传输速率计算R⁽ⁱ⁾；

步骤(7)、若步骤(6)计算出的R⁽ⁱ⁾＜R^(i-1)，则步骤(5)计算出的即为预编码的最优解；否则计算出δ⁽ⁱ⁾＝R⁽ⁱ⁾-R^(i-1)；

步骤(8)、若步骤(7)中的δⁱ≥ε，则返回步骤(4)；否则步骤(5)计算出的即为预编码的最优解。

3.根据权利要求2所述的一种基于预编码的计算前传方法，其特征在于，每个用户的发送预编码是通过接收端采用步骤(1)-(8)优化迭代计算得到，再广播发射反馈给发射用户。

4.根据权利要求1所述的一种基于预编码的计算前传方法，其特征在于，所述接收端为K个协作中继或一个K根天线的接收机。

5.根据权利要求1所述的一种基于预编码的计算前传方法，其特征在于，整数系数矩阵A取信道与预编码乘积的整数近似，即{a_kj＝round(h_kjb_j)}。