CN107113263A - 用于设计星座图的系统和方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作发送设备的方法，包括：根据分配给接收设备的星座图将数据映射到传输符号，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及发送所述传输符号。

Description

用于设计星座图的系统和方法及其用途
交叉引用
本申请要求于2015年6月11日提交的美国专利申请序列号为14/737,336、发明名称为“用于设计星座图的系统和方法及其用途”的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本公开一般涉及数字通信，更具体地，涉及一种用于设计星座图的系统和方法及其用途。
背景技术
通常，星座图包括以特定配置排布的多个星座点。星座图表示数字数据到载波信号或载波的映射，反之亦然。例如，在正交幅度调制中，彼此相差90度的两个波的幅值被调制以表示数字数据。
发明内容
本公开的示例实施例提供一种用于设计星座图的系统和方法及其用途。
根据本公开的示例实施例，提供了一种用于操作发送设备的方法。所述方法包括：所述发送设备根据分配给接收设备的星座图将数据映射到传输符号，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及所述发送设备发送所述传输符号。
根据本公开的另一示例实施例，提供了一种用于操作接收设备的方法。所述方法包括：所述接收设备从发送设备接收传输符号；所述接收设备根据星座图解映射所述传输符号，以生成接收数据，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及所述接收设备处理所述接收数据。
根据本公开的另一示例实施例，提供了一种发送设备。所述发送设备包括：处理器；非瞬态计算机可读存储介质，所述非瞬态计算机可读存储介质存储有由所述处理器执行的程序。所述程序包括指令，用于：根据分配给接收设备的星座图将数据映射到传输符号，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及发送所述传输符号。
根据本公开的另一示例实施例，提供了一种接收设备。所述接收设备包括：处理器；非瞬态计算机可读存储介质，所述非瞬态计算机可读存储介质存储有由所述处理器执行的程序。所述程序包括指令，用于：从发送设备接收传输符号；根据星座图解映射所述传输符号，以生成接收数据，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及处理所述接收数据。
实施例的一个优点是本文所提出的技术可以在较低的信噪比(SNR)环境中操作。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考下面结合附图的描述，其中：
图1示出了根据本文描述的示例实施例的示例通信系统；
图2a示出了根据本文描述的示例实施例进行传输时发生在发送设备中的示例操作的流程图；
图2b示出了根据本文描述的示例实施例接收传输时发生在接收设备中的示例操作的流程图；
图3示出了根据本文描述的示例实施例在设计设备中的示例操作的流程图；
图4示出了根据本文描述的示例实施例参与星座图设计的接收设备中的操作的流程图；
图5a和5b示出了根据本文描述的示例实施例的2维星座图的维度1和2的图；
图6a-6c示出了根据本文描述的示例实施例的3维星座图的维度1、2和3的图；
图7示出了根据本文描述的示例实施例的示例第一通信设备；
图8示出了根据本文描述的示例实施例的示例第二通信设备；以及
图9是可以用于实现本公开的设备和方法的处理系统的框图。
具体实施方式
下面将详细讨论当前示例实施例的操作及其结构。然而，应当理解，本公开提供了可以体现在多种特定的环境中的许多可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅说明本公开的具体结构和操作本公开的方法，并不限制本公开的范围。
本公开的一个实施例涉及星座图的设计及其用途。例如，设备根据从信号得到的后验误差率设计星座图，并提示该星座图用于在通信系统中传输信号。
本公开将针对在特定环境，即使用星座图的通信系统中的示例实施例进行描述。本公开可以应用于使用星座图的如符合第三代合作伙伴计划(Third GenerationPartnership Project，3GPP)、IEEE 802.11等技术标准的符合标准的通信系统，以及符合非标准的通信系统。
图1示出了一个示例通信系统100。通信系统100包括服务于多个用户设备(userequipment，UE)的演进节点B(evolved NodeB，eNB)105。一般而言，经过eNB105向UE的传输或者来自UE的传输可使用由eNB 105分配的资源。然而，在可替代的通信模式中，两个UE之间的通信可以在不使用eNB 105充当中间媒介的情况下进行。eNB通常还可以称为节点B、基站、接入点、控制器、基站终端站等，而UE通常也可以称为手机、移动台、站、终端、订户、用户等。
可以理解的是，通信系统可采用能够与多个UE进行通信的多个eNB，但是为了简单起见，仅示出一个eNB和多个UE。
在使用星座图的通信系统中，使用星座图将数字数据映射到载波波形或载波信号上(反之亦然)。星座图可以为一维星座图或多维星座图。通信系统100还包括设计设备130。设计设备130为通信系统100中的设备设计星座图(例如，一维星座图和多维星座图)。设计设备130可以根据本文所描述的示例实施例设计星座图。设计设备130可以向通信系统100中的设备提供星座图。设计设备130可以将星座图存储在存储器或数据库中。
图2a示出了在进行传输时发生在发送设备中的示例操作200的流程图。操作200可以指示发生在如下行链路传输中的eNB或上行链路传输中的UE的发送设备中的操作。
操作200可以开始于发送设备确定接收设备的星座图(一维或多维)(框205)。在不失一般性的情况下，术语星座和星座图可以互换使用。发送设备可以向接收设备分配星座图，从存储器(远程或本地)检索接收设备的星座图分配，从服务器(远程或本地)检索接收设备的星座图，发送设备可以生成接收设备的星座图等。发送设备可以接收用于接收设备的数据(框210)。发送设备可以根据星座图编码和调制接收到的数据(框215)。编码和调制接收到的数据生成一个或多个QAM符号。发送设备可以发送一个或多个QAM符号(框220)。
图2b示出了在接收传输时发生在接收设备中的示例操作250的流程图。操作250可以指示发生在如下行链路传输中的UE或上行链路传输中的eNB的接收设备中的操作。
操作250可以开始于接收设备确定星座图(一维或多维)(框255)。接收设备可以分配在消息中向接收设备发送的星座图，从存储器(远程或本地)检索星座图分配，从服务器(远程或本地)检索星座图分配，接收设备可以为自身分配星座图等。接收设备可以接收QAM符号(框260)。接收设备可根据星座图解映射QAM符号，以生成编码数据(框265)。接收设备可以解码编码数据，以生成数据(框270)。接收设备可以处理数据(框275)。
可以使用星座图的点之间的欧几里德距离作为设计标准来设计星座图。使用欧几里德距离对如误码率(bit error rate，BER)的度量设置上界可在高信噪比(signal tonoise ratio，SNR)环境中产生紧密边界。然而，使用编码传输的通信系统通常在低SNR环境中操作。因此，可能需要不同的设计标准，以适应在低SNR环境中的编码传输的要求。
根据示例实施例，使用如后验误码率(bit error rate，BER)、后验误包率(packeterror rate，PER)、后验帧误差率(frame error rate，FER)等的后验误差率的优化作为星座图设计的设计标准。
为了讨论的目的，考虑到最小化后验误码率的设计标准
其中，是包括在K个比特的星座图中的第i个比特的对数似然比。
设S＝[s1,s2,...sM]T是调制符号的M维向量，其中，每个调制符号sm由二进制符号Θ＝[θ1,θ2,...θK]的相同K维向量决定，其中θk∈{-1；1}。换句话说，向量S是二进制向量的函数，即，S(Θ)在多维星座图的整个集合中有2K个可能值。
设S(Θ)是在高斯背景噪声中观察到的向量：
Y＝S(Θ)+η，
其中，η是具有零均值和协方差矩阵的复高斯噪声的样本的M维向量，其中，IM是M乘M的单位矩阵，是噪声的I分量或Q分量的方差。
关于发送的组合Θ的所有可用信息包含在以下后验分布中：
Pps(Θ|Y)＝CΛ(Y|Θ)Ppr(Θ)，
其中，Ppr(Θ)是二进制变量向量的先验分布，Λ(Y|Θ)是似然函数，C是不取决于Θ的归一化常数。
似然函数可以表示为：
其中，()H是共轭转置操作。
对于向量Θ的等概率组合，因此，后验分布仅由似然函数确定。表示为的似然比的对数通常用于计算软估计，其中，是第k个二进制随机值θk的边缘分布。
可以示出二进制随机值θk∈{-1；1}的边缘分布是完全由λk参数定义的且可表示为
发送的二进制符号的硬估计(基于最大后验概率)可表示为
设二进制符号被发送，且其估计表示是可计算的。包括的二进制符号描述比特误差，即，如果εk＝-1，那么该比特被错误地接收。εk的后验分布也可以表示为
其中，是发送的二进制符号的向量。
后验比特误码率可定义为事件εk＝-1的平均概率，即
其中，〈〉是对噪声η和Ξ的所有可能选择的平均操作。所有比特的平均后验误差率可以表示为
可以通过消除噪声分量简化后验误差率，即η＝0。然后，所有比特的平均后验误差率可以表示为
可以使用最大后验(MAP)解调算法确定参数λk，作为示例
如S(Θ)函数所描述的，函数的最小化可以通过选择一维或多维星座点提供。可以使用最佳星座图搜索。S(Θ)函数的元素的M值对应于二进制向量Θ的每个组合。因此，复数(complex)2K×M维矩阵S可以是优化结果，矩阵S的每列表示M维星座图的一个点，每行表示一个复数星座图(complex constellatio)。矩阵S提供具有对每个星座图的恒定平均功率的约束的的最小值，即，对于任何m＝1,…,M，满足条件
根据示例实施例，可以使用用于优化的数值法来执行函数的最小化。梯度法通常在收敛速度方面是有效的。优化算法可以是迭代的，并且可以描述为
其中，γ是加权因子，是关于点S＝Sj-1中的矩阵S的函数的梯度。约束归一化可以包括在归一化操作中，归一化操作可表示为
简化步骤可以包括通过其增量比近似改变梯度，表示为
其中，S(k,m)是矩阵S的第(k,m)个元素，并且ΔS是自变量的增量(星座点的移位)。由于正在确定梯度近似，星座图校正的方向可能是不正确。建议使用具有内部校验的修改过程。其他形式的修正和停止条件是可能的，修改的优化过程可以描述为：
a、确定移位的星座点
b、归一化具有移位点的星座图
c、确定梯度其中，
d、归一化梯度
e、确定新的星座图
f、归一化星座图
g、确定的当前值；
h、如果则星座图步骤是好的，返回(a)；
i、如果则星座图步骤是差的，通过换算系数(例如，γ＝0.1γ)减小γ因子的值，且直到γ≥γmin时，返回(e)。
根据另一示例实施例，可以使用用于优化的数值法来执行函数的最小化。使用随机近似的随机搜索(优化)的方法。用于最小化函数的示例方法如下：
1、形成具有零均值的独立高斯随机增量的矩阵，且形成单位方差ΔSj～N(O,I)；
2、确定具有相反变化方向的移位星座点和的两组星座图，其中，β是算法参数；
3、归一化具有移位点的星座图
4、确定后验概率的值
和
5、确定新的星座图
其中，γj,α是算法参数；
6、归一化星座图
7、确定的当前值；
8、如果则星座图步骤是好的，增大γj+1＝Aγ,↑γj，并返回步骤(1)进行下一次迭代；
9、如果则星座图步骤是差的，减小因子γj+1＝Aγ,↓γj，直到γj≥γmin时，返回步骤(5)。如果γj<γmin且则不进行星座图校正返回(1)(即，设Sj＝Sj-1)；
10、当迭代次数达到阈值时，迭代结束。
图3示出了设计设备中示例操作300的流程图。当设计设备设计具有后验误差率的星座图作为设计标准时，操作300可以指示发生在设计设备中的操作。
操作300可以开始于设计设备接收通信系统的性能参数(框305)。设计设备可以使用性能参数设计星座图。性能参数的示例可以包括比特的数量、星座图的维度、关于通信信道的假设等。设计设备可以选择星座图(框310)。星座图可以是一维或者多维的，其中，维度可能是由性能参数、通信设备的能力等确定。选择的星座图可包含随机选择的星座点。选择的星座图可从多个候选星座图中选择。选择的星座图可从先前设计中使用的星座图中选择。
设计设备可以向接收设备发送选择的星座图和使用选择的星座图映射的信号(框315)。设计设备可以向接收设备发送选择的星座图的指示符，以及使用选择的星座图映射的信号。设计设备可以从接收设备接收后验误差率(框320)。后验误差率可以是由接收设备使用选择的星座图和由设计设备发送的信号测量的BER、PER、FER等。设计设备可以确定后验误差率是否已收敛(框325)。确定后验误差率是否已收敛可以通过将后验误差率与阈值进行比较来实现。可替换地，可以将连续的(successive)后验误差率彼此进行比较，并且如果满足阈值，则可以说后验误差率已经收敛。如果后验误差率尚未收敛，则设计设备可以调整星座图(框330)。作为说明性示例，设计设备可移动星座图中的一个或多个星座点。设计设备可以返回框315，向接收设备发送调整后的星座图和使用调整后的星座图映射的信号。如果后验误差率已收敛，设计设备可以向设备提示星座图(框335)。设计设备可以向设备发送星座图。设计设备可以将星座图保存到存储器或数据库。总的来说，框310、315、320、325和330可以称为设计星座图。框320、325和330可以统称为根据设计标准调整星座图。
虽然操作300的讨论集中于设计设备结合接收设备一起操作设计星座图，但是设计设备可以自行操作设计星座图。不是向接收设备发送使用星座图映射的信号，而是设计设备可以对信道模型对信号的影响进行建模，对信道噪声和/或干扰进行建模，并且由自身得到后验误差率。在这种情况下，星座图的设计不需要设计设备与接收设备进行交互。此外，通信系统资源不必专用于星座图设计过程。当设计设备自身进行操作时，设计设备可以不需要执行框315和320。相反，设计设备可以根据星座图得到后验误差率。操作300的其他部分可以保持不变。
图4示出了参与星座图设计的接收设备中的操作400的流程图。操作400可以指示接收设备与设计设备参与星座图设计时发生在接收设备中的操作。
操作400可以开始于接收设备接收星座图和使用星座图映射的信号(框405)。接收设备可以接收星座图的指示和包括使用星座图映射的信号的传输。接收设备可以确定后验误差率(框410)。接收设备可以向设计设备反馈后验误差率(框415)。接收设备可以反馈后验误差率的指示。
图5a和5b示出了具有每个维度包括32个星座图点的2维星座图的维度1和维度2的图，其中，多维星座图是使用本文提出的技术设计的。
图6a-6c示出了具有每个维度包括128个星座图点的3维星座图的维度1、2和3的图，其中，多维星座图是使用本文提出的技术设计的。
图7示出了示例第一通信设备700。通信设备700可以是设计设备的实现。通信设备700可以以集成电路或芯片组实现。通信设备700可以用于实现本文讨论的各种实施例。如图7所示，发送机705被配置为发送数据包、星座图、星座图指示符、使用星座图映射的信号等。通信设备700还包括接收机710，接收机710被配置为接收数据包、后验误差率、后验误差率指示符等。
星座图设计单元720被配置为设计星座图，以满足通信系统的性能参数。星座图设计单元720被配置为基于如后验误差率(例如，BER、PER、FER等)的设计标准设计星座图。星座图设计单元720被配置为调整星座图点。后验误差处理单元722被配置为处理接收到的后验误差率或其指示符。优化单元724被配置为使用如梯度法、随机搜素技术、随机近似等优化技术，确定后验误差率的收敛。存储器730被配置为存储星座图、性能参数、后验误差率、收敛阈值等。
通信设备700的元件可以以特定的硬件逻辑块实现。在替代方案中，通信设备700的元件可以以在处理器、控制器、专用集成电路等中执行的软件实现。在又一替代方案中，通信设备700的元件可以以软件和/或硬件的组合实现。
作为示例，接收机710和发送机705可以以特定的硬件块实现，而星座图设计单元720、后验误差处理单元722和优化单元724可以是在微处理器(例如，处理器715)或定制电路或现场可编程逻辑阵列的定制编译逻辑阵列中执行的软件模块。星座图设计单元720、后验误差率处理单元722和优化单元724可以是存储在存储器730中的模块。
图8示出了示例第二通信设备800。通信设备800可以是如发送设备和/或接收设备的通信设备的实现。通信设备800可以以集成电路或芯片组实现。通信设备800可以用于实现本文讨论的各种实施例。如图8所示，发送机805被配置为发送数据包、使用星座图映射的信号等。通信设备800还包括接收机810被配置为接收数据包、使用星座图映射的信号等。
星座图处理单元820被配置为确定通信设备800的星座图。星座图处理单元820被配置为从由通信设备800接收到的指示符确定星座图。星座图处理单元820被配置为从存储器或数据库检索星座图。映射/解映射单元822被配置为使用星座图映射用于传输的数据。映射/解映射单元822被配置为使用星座图解映射接收的数据。数据处理单元824被配置为在映射之前处理数据。数据处理单元824被配置为在解映射之后处理数据。存储器830被配置为存储星座图、数据、指示符等。
通信设备800的元件可以以特定的硬件逻辑块实现。在替代方案中，通信设备800的元件可以以在处理器、控制器、专用集成电路等中执行的软件实现。在又一替代方案中，通信设备800的元件可以以软件和/或硬件的组合实现。
作为示例，接收机810和发送机805可以以特定的硬件块实现，而星座图处理单元820、映射/解映射单元822和数据处理单元824可以是在微处理器(例如，处理器815)或定制电路或现场可编程逻辑阵列的定制编译逻辑阵列中执行的软件模块。星座图处理单元820、映射/解映射单元822和数据处理单元824可以是存储在存储器830中的模块。
图9是可用于实现本文所公开的设备和方法的处理系统900的框图。特定设备可以利用所示的所有部件，或者仅利用部件的子集，并且集成水平可以随设备的变化而变化。此外，设备可以包含部件的多个实例，如多个处理单元、处理器、存储器、发送机、接收机等。处理系统或其部分可以在一个集成电路或多个集成电路上实现。换句话说，处理系统或其部分可以以芯片组实现。处理系统可以包括配备有一个或多个如人机接口915(包括扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、小型键盘、键盘、打印机等)、显示器910等的输入/输出设备的处理单元905。处理单元可以包括连接到总线945的中央处理单元(CPU)920、存储器925、大容量存储设备930、视频适配器935和I/O接口940。
总线可以是包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、视频总线等的任何类型的几种总线架构中的一种或多种。CPU可以包括任何类型的电子数据处理器。存储器可以包括如静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)、同步DRAM(synchronous DRAM，SDRAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)及其组合等的任何类型的系统存储器。在实施例中，存储器可以包括在启动时使用的ROM，以及在执行程序时编程的DRAM和使用的数据存储器。
大容量存储设备可以包括被配置为存储数据、程序和其他信息，且使得该数据、程序和其他信息可经由总线访问的任何类型的存储设备。大容量存储设备可以包括例如固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器等中的一个或多个。
视频适配器和I/O接口提供接口，以将外部输入和输出设备耦合到处理单元。如图所示，输入和输出设备的示例包括耦合到视频适配器的显示器和耦合到I/O接口的鼠标/键盘/打印机。其他设备可以耦合到处理单元，且可以使用附加的或更少的接口卡。例如，诸如通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)(未示出)的串行接口可以用于为打印机提供接口。
处理单元还包括一个或多个网络接口950，该一个或多个网络接口950可以包括如以太网电缆等的有线链路、和/或到接入节点或不同网络955的无线链路。网络接口允许处理单元经由网络与远程单元通信。例如，网络接口可以经由一个或多个发送机/发送天线和一个或多个接收机/接收天线提供无线通信。在一个实施例中，处理单元耦合到用于数据处理的局域网或广域网，并与如其他处理单元、因特网、远程存储设施等的远程设备进行通信。
虽然已详细描述了本公开及其优点，但是应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变，替换和变更。

Claims (21)

1.一种用于操作发送设备的方法，所述方法包括：
所述发送设备根据分配给接收设备的星座图将数据映射到传输符号，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及
所述发送设备发送所述传输符号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定与所述接收设备关联的所述星座图。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定所述星座图包括：接收分配给所述接收设备的所述星座图的第一指示符。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，确定所述星座图包括：向所述接收设备分配所述星座图。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：向所述接收设备发送所述星座图的第二指示符。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送信号是由所述发送设备发送的，所述方法还包括：
选择初始星座图；
确定使用所述初始星座图映射的传输符号的后验误差率；以及
迭代地调整所述初始星座图，直到所述后验误差率满足阈值，以获得所述星座图。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述后验误差率包括：
向第二设备发送所述传输符号和所述初始星座图的指示符；以及
从所述第二设备接收所述后验误差率。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述后验误差率包括：
根据信道模型对所述传输符号的接收版本进行建模；以及
从所述传输符号的接收版本得到所述后验误差率。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述星座图包括多维星座图。
10.一种用于操作接收设备的方法，所述方法包括：
所述接收设备从发送设备接收传输符号；
所述接收设备根据星座图解映射所述传输符号，以生成接收数据，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及
所述接收设备处理所述接收数据。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
确定所述星座图的分配；以及
根据所述分配从存储器检索所述星座图。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，确定所述分配包括以下之一：在消息中接收所述分配，从所述存储器检索所述分配，从服务器检索所述分配，以及为自身分配所述星座图。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，处理所述接收数据包括：
解码所述接收数据，以生成解码数据；以及
处理所述解码数据。
14.一种发送设备，包括：
处理器；
非瞬态计算机可读存储介质，所述非瞬态计算机可读存储介质存储有由所述处理器执行的程序，所述程序包括指令，用于：
根据分配给接收设备的星座图将数据映射到传输符号，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及
发送所述传输符号。
15.根据权利要求14所述的发送设备，其中，所述程序包括指令，用于确定与所述接收设备关联的所述星座图。
16.根据权利要求15所述的发送设备，其中，所述程序包括指令，用于接收分配给所述接收设备的所述星座图的第一指示符和向所述接收设备分配所述星座图之一。
17.根据权利要求14所述的发送设备，其中，所述程序包括指令，用于向所述接收设备发送所述星座图的第二指示符。
18.根据权利要求14所述的发送设备，其中，所述发送信号是由所述发送设备发送的，所述程序包括指令，用于：选择初始星座图，确定使用所述初始星座图映射的传输符号的后验误差率，并迭代地调整所述初始星座图，直到所述后验误差率满足阈值，以获得所述星座图。
19.一种接收设备，包括：
处理器；以及
非瞬态计算机可读存储介质，所述非瞬态计算机可读存储介质存储有由所述处理器执行的程序，所述程序包括指令，用于：
从发送设备接收传输符号；
根据星座图解映射所述传输符号，以生成接收数据，其中，所述星座图是根据从发送信号得到的后验误差率设计的；以及
处理所述接收数据。
20.根据权利要求19所述的接收设备，其中，所述程序包括指令，用于：确定所述星座图的分配，以及根据所述分配从存储器检索所述星座图。
21.根据权利要求19所述的接收设备，其中，所述程序包括指令，用于：解码所述接收数据，以生成解码数据，并处理所述解码数据。
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