CN107222448B - 一种星座图优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星座图优化方法及系统，该方法包括：基于给定映射矩阵和给定母星座图，以发送信号间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度；根据优化的各用户星座图旋转角度和给定的母星座图构造各用户星座图。本发明可以提高设计的码本的性能，降低系统误码性能。

Description

一种星座图优化方法及系统

技术领域

本发明属于无线多址接入通信领域，具体地说，尤其涉及一种星座图优化方法及系统。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，传统的正交多址接入技术已经不能满足日益增长的频谱效率要求以及有限资源支持更多用户的需求。所以，非正交多址接入技术成为目前5G通信领域的研究热点。其中，稀疏编码多址接入通过码域的非正交来实现更高的频谱效率以及更低的信令开销和延时等。

在稀疏编码多址接入的编码过程中，融合了比特信息到实际星座符号的映射和扩展过程，二进制符号被直接映射成为多维稀疏码本中的码字。其中码本设计包含用于调制的星座图设计和用于稀疏化的映射矩阵设计，由于没有一种通用的设计标准，因而很难提出最优的设计方法。一种次优的算法提出把映射矩阵和星座图的设计分离开来单独设计。在给定系统参数的情况下，先给出支持最多通信用户时的映射矩阵设计准则，然后再单独地设计星座图。其中，星座图的设计也是一种次优的方法，即先设计一个多维的母星座图，再通过旋转、置换等星座图操作来得到多个不同的星座图。

但是，现有的码本设计方案中，星座图的设计完全独立于映射矩阵，没有利用已有的映射矩阵信息来设计星座图。并且，对于星座图的设计，只是考虑母星座图的设计，而没有考虑对于星座图操作的优化。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种星座图优化方法及系统，用以提高设计的码本的性能，降低系统误码性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种星座图优化方法，包括：

基于给定映射矩阵和给定母星座图，以发送信号间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度；

根据优化的各用户星座图旋转角度和给定的母星座图构造各用户星座图。

根据本发明的一个实施例，以各用户所有可能的发送信号间最小的欧式距离中的最大值为基准优化各用户星座图旋转角度。

根据本发明的一个实施例，优化各用户星座图旋转角度进一步包括以下步骤：

根据给定母星座图和给定各用户相位旋转角度调制各用户比特信息；

根据给定映射矩阵将各用户比特信息映射为各用户发送信号；

计算各用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离；

遍历所有可行的相位旋转角度，最大化最小欧式距离对应的信号发送点之间的距离以得到优化的星座图旋转角度。

根据本发明的一个实施例，遍历所有可行的相位旋转角度包括采用穷搜算法。

根据本发明的一个实施例，所述给定映射矩阵通过以下步骤计算得到：

设定所有用户的因子图矩阵F＝(f₁,f₂,...,f_j,...f_J)，其中，J表示用户数量，矩阵每一行表示同一个资源结点的用户连接情况，每一列表示同一个用户对所有资源结点的连接情况，其元素值为1表示使用该资源结点，为0表示不使用该资源结点；

将用户j使用资源结点以二值示性向量表示：

V_j表示用户j的给定映射矩阵，

表示V_j的转置矩阵，V_j中的1值表示用户j占用该资源结点，0值表示用户j不占用该资源结点，V_j的行数表示使用资源节点的总数，V_j的列数表示占用资源节点的数目。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种星座图优化系统，包括：

星座图旋转角度优化模块，其设置为基于给定映射矩阵和给定母星座图，以发送信号间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度；

用户星座图构造模块，其设置为根据优化的各用户星座图旋转角度和给定的母星座图构造各用户星座图。

根据本发明的一个实施例，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为：以各用户所有可能的发送信号间最小的欧式距离中的最大值为基准优化各用户星座图旋转角度。

根据本发明的一个实施例，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为通过以下方式优化各用户星座图旋转角度：

根据给定母星座图和给定各用户相位旋转角度调制各用户比特信息；

根据给定映射矩阵将各用户比特信息映射为各用户发送信号；

计算各用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离；

遍历所有可行的相位旋转角度，最大化最小欧式距离对应的信号发送点之间的距离以得到优化的星座图旋转角度。

根据本发明的一个实施例，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为采用穷搜算法来遍历所有可行的相位旋转角度。

根据本发明的一个实施例，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为通过以下方式确定所述给定映射矩阵：

设定所有用户的因子图矩阵F＝(f₁,f₂,...,f_j,...f_J)，其中，J表示用户数量，矩阵每一行表示同一个资源结点的用户连接情况，每一列表示同一个用户对所有资源结点的连接情况，其元素值为1表示使用该资源结点，为0表示不使用该资源结点；

将用户j使用资源结点以二值示性向量表示：

V_j表示用户j的给定映射矩阵，

表示V_j的转置矩阵，V_j中的1值表示用户j占用该资源结点，0值表示用户j不占用该资源结点，V_j的行数表示使用资源节点的总数，V_j的列数表示占用资源节点的数目。

本发明的有益效果：

本发明在星座图的设计中用到了映射矩阵的信息，可以进一步提高设计的码本的性能。另外，本发明还提出了一种通用的星座图设计准则，即最大化最小的发送信号点之间距离，并且在给定映射矩阵和母星座图的情况下，通过优化相位旋转角度来设计星座图。本发明所述的方法，在实际稀疏编码多址接入系统中，可以达到更好的系统误码性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是稀疏编码多址接入无线通信场景示意图；

图2是稀疏编码多址接入系统模型示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的方法流程图；

图4a是初始相位为零的QPSK星座图；

图4b是图4a旋转θ之后的星座图；

图5是根据本发明的一个实施例的因子图示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的星座图优化方法性能分析示意图；

图7是根据本发明的另一个实施例的星座图优化方法性能分析示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明提供了一种联合映射矩阵信息的星座图优化方法，适用于稀疏编码多址接入无线通信系统，其应用场景如图1所示。

如图2所示为稀疏编码多址接入系统模型示意图，整个系统可以分成三个模块。其中，第一模块是编码器，

表示比特信息，M是星座图的点数。比特信息经过一个N维的星座图进行调制后得到N维的符号

再经过映射矩阵V之后得到稀疏的K维码字

其中，M与N满足

第二模块是多址接入模块，J个用户的信号被复接为信号y后发送给基站。第三模块是用户检测模块，基站接收到信号y后，根据信道状态信息，利用发送信号的稀疏性，可以采用置信传播的算法以较低复杂度实现多用户检测，即检测出多个用户的信号X＝(x₁,...,x_J)。在这个过程中，接收端进行多用户检测和解码需要用到所有用户的映射矩阵信息和星座图信息。本发明提出的优化方法主要用于完成码本设计中星座图的优化。

基于以上所述的稀疏编码多址接入系统模型，本发明提供了一种星座图优化方法，如图3所示为根据本发明的一个实施例的方法流程图，以下参考图3来对本发明进行详细说明。

首先在步骤S110中，基于给定映射矩阵和给定母星座图，以发送信号间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度。

对于一个二值的映射矩阵

来说，它表示把N维星座点映射成K维码字的对应关系。用V_j表示第j个用户的映射矩阵，那么该用户使用资源结点可以用一个二值的示性向量

表示，称为因子图向量，其中的“1”表示用户j占用该资源结点，而“0”表示不占用。这样，就可以把J个用户的映射矩阵

写成因子图矩阵的形式

它们代表着同样的映射矩阵信息。对于因子图矩阵F，每一行

表示连接第k个资源结点的用户，每一列

表示第j个用户使用的资源结点，其中F_kj,k∈{1,2,...,K},j∈{1,2,...,J}表示F第k行第j列的元素。由于每个K维码字中都有N个非零元，所以F的每一列非零元的数目都是N，同时F每一行非零元的数目表示这一维度重叠的用户数。

基于以上的因子图矩阵理论，设定所有用户的因子图矩阵F＝(f₁,f₂,...,f_j,...f_J)，其中，J表示用户数量，f_j表示用户j的因子图向量，该矩阵每一行表示同一个资源结点的用户连接情况，每一列表示同一个用户对所有资源结点的连接情况，其元素值为1表示使用该资源结点，为0表示不使用该资源结点。给定映射矩阵的大小可以根据用户j和使用资源结点K(对应K维码字)得到，映射矩阵内各元素的取值可以根据是否占用该资源节点表示。例如，对于映射矩阵F：

其表示具有3个用户，4个使用资源节点，第一列表示第一用户对4个资源节点的使用情况，第二列表示第二用户对4个资源节点的使用情况，第三列表示第三用户对4个资源节点的使用情况。

将用户j使用资源结点以二值示性向量表示：

V_j表示用户j的给定映射矩阵，

表示V_j的转置矩阵，V_j中的1值表示用户j占用该资源结点，0值表示用户j不占用该资源结点，V_j的行数表示使用资源节点的总数，V_j的列数表示占用资源节点的数目。

对于映射矩阵F，对应于三个用户的映射矩阵为：

给定母星座图可以从现有的星座图中选择。

在给定映射矩阵和给定母星座图后，以发送信号间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度。具体的，以各用户所有可能的发送信号间最小的欧式距离中的最大值为基准优化各用户星座图旋转角度。

优化各用户星座图旋转角度进一步包括以下步骤。首先，根据给定的母星座图和给定的各用户相位旋转角度调制各用户比特信息。星座图的相位旋转操作定义为Δ＝(ο:θ)z:＝e^iθz，其中θ表示旋转角度。J个不同的相位旋转操作定义为Δ_j,j∈{1,2,...,J}。

图4a-4b给出了QPSK星座图经过相位旋转的一个示例。假设J个用户的相位旋转角度为θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_j]^T，那么对于用户j，比特信息经过N维的星座图调制后的符号可以写成c_j＝[c_j1,c_j2,...,c_jN]^T。

然后，根据给定的映射矩阵将各用户比特信息映射为各用户发送信号。比特信息经过N维的星座图调制后，再经过稀疏映射后得到K维的信号x_j＝V_jc_j。于是J个用户的信号经过复接后，发送的信号可以表示为：

所以，发送信号可以认为是K维空间中的一个点。每次发送中，每个用户都从M个星座点中选择一个来发送，记所有可能的发送信号集合为χ，其中元素个数为|χ|＝M^J。于是，接收端解码就是从所有可能的加入了高斯噪声的信号点中找到特定的发送信号。对于任意一个信号点，其正确解码的概率受限于它到K维空间中与之最近的点的距离。

然后，计算各用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离。记χ中任意两个点之间欧式距离为d_mn，其中m,n∈{1,2,...,|χ|}。为了最小化接收端的平均误码率，需要最大化最小的发送信号点间的距离，即建模成如下的优化问题：

最后，遍历所有可行的相位旋转角度，最大化最小欧式距离对应的信号发送点之间的距离以得到优化的星座图旋转角度。为了求解上述优化问题，可以采用一种简单的穷搜算法，在给定适当的搜索步长Δθ时，可以得到最优的星座度相位旋转角度

在步骤S120中，根据优化的各用户星座图旋转角度和给定的母星座图构造各用户星座图。根据母星座图g和相位旋转操作

可以构造相应的N维星座图Δ_jg。

本发明在星座图的设计中用到了映射矩阵的信息，可以进一步提高设计的码本的性能。另外，本发明还提出了一种通用的星座图设计准则，即最大化最小的发送信号点之间距离，并且在给定映射矩阵和母星座图的情况下，通过优化相位旋转角度来设计星座图。本发明所述的方法，在实际稀疏编码多址接入系统中，可以达到更好的系统误码性能。

以下通过一个稀疏编码多址接入系统为例来对本发明进行验证说明。J个用户通过K个正交的资源向基站发送信息，假设信道为加性高斯白噪声信道，系统参数设定如下：N＝2,K＝4,J＝3,M＝4。为了最小化各个资源结点的用户重叠数，同时保证不同用户之间映射矩阵的差异性最大，使用如下的映射矩阵：

其对应的因子图如图5所示。

假设我们采用初始相位为0的QPSK作为母星座图，各个用户的相位旋转角度为θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_J]^T，于是用户j的星座点符号可以写成：

c_j∈{[coscosθ_j,sinsinθ_j]^T,[-sin-sinθ_j,coscosθ_j]^T,[-cos-cosθ_j,-sin-sinθ_j]^T,[sinsinθ_j,-cos-cosθ_j]^T} (3)

所以，可以写出所有发送信号的结合χ，其中每个点可以表示成：

计算χ中任意两个点之间的距离，并找出其中最小的距离d_min(θ)。取搜索步长为Δθ＝5°，遍历所有可行的θ，找到最大的d_min(θ)及对应的θ^*＝[10°,10°,25°]^T。

为了评估上述优化方法的性能，做如下的对比实验。考虑到映射矩阵的一般设计规则：a)

其中

是V_j去掉全零行的结果，所以任取F₀中不同的三列都可以作为一组满足条件的映射矩阵：

同时，母星座图也采用初始相位为0的QPSK，各用户的相位旋转角度均匀分布在[0,360°/M)，即θ＝[0°,30°,60°]。对比结果如图6所示。

其中，黑线表示传统码本设计方案的误码性能，红线表示本发明提出的优化方法设计的码本的误码性能。可以看出，本发明的方法，在实际稀疏编码多址接入系统中，可以达到更好的系统误码性能。类似地，对于J＝4个用户的情况，可以得到最优的相位旋转角度θ^*＝[15°,15°,35°,55°]^T，其误码性能如图7所示。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种星座图优化系统，包括星座图旋转角度优化模块和用户星座图构造模块。其中，星座图旋转角度优化模块设置为基于给定映射矩阵和给定母星座图，以发送信号间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度；用户星座图构造模块设置为根据优化的各用户星座图旋转角度和给定的母星座图构造各用户星座图。

根据本发明的一个实施例，该星座图旋转角度优化模块具体设置为以各用户所有可能的发送信号间最小的欧式距离中的最大值为基准优化各用户星座图旋转角度。

根据本发明的一个实施例，该星座图旋转角度优化模块具体设置为通过以下方式优化各用户星座图旋转角度：根据给定母星座图和给定各用户相位旋转角度调制各用户比特信息；根据给定映射矩阵将各用户比特信息映射为各用户发送信号；计算各用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离；遍历所有可行的相位旋转角度，最大化最小欧式距离对应的信号发送点之间的距离以得到优化的星座图旋转角度。

根据本发明的一个实施例，该星座图旋转角度优化模块具体设置为采用穷搜算法来遍历所有可行的相位旋转角度。

根据本发明的一个实施例，该星座图旋转角度优化模块具体设置为通过以下方式确定所述给定映射矩阵：

设定所有用户的因子图矩阵F＝(f₁,f₂,...,f_j,...f_J)，其中，J表示用户数量，该矩阵每一行表示同一个资源结点的用户连接情况，每一列表示同一个用户对所有资源结点的连接情况，其元素值为1表示使用该资源结点，为0表示不使用该资源结点；

将用户j使用资源结点以二值示性向量表示：

V_j表示用户j的给定映射矩阵，

表示V_j的转置矩阵，V_j中的1值表示用户j占用该资源结点，0值表示用户j不占用该资源结点，V_j的行数表示使用资源节点的总数，V_j的列数表示占用资源节点的数目。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种星座图优化方法，包括：

基于给定映射矩阵和给定母星座图，以用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度，其中优化各用户星座图旋转角度包括最大化最小的发送信号点间的欧式距离；

根据优化的各用户星座图旋转角度和给定的母星座图构造各用户星座图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以各用户所有可能的发送信号间最小的欧式距离中的最大值为基准优化各用户星座图旋转角度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，优化各用户星座图旋转角度进一步包括以下步骤：

根据给定母星座图和给定各用户相位旋转角度调制各用户比特信息；

根据给定映射矩阵将各用户比特信息映射为各用户发送信号；

计算各用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离；

遍历所有可行的相位旋转角度，最大化最小欧式距离对应的信号发送点之间的距离以得到优化的星座图旋转角度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，遍历所有可行的相位旋转角度包括采用穷搜算法。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述给定映射矩阵通过以下步骤计算得到：

设定所有用户的因子图矩阵F＝(f₁,f₂,...,f_j,...f_J)，其中，J表示用户数量，矩阵每一行表示同一个资源结点的用户连接情况，每一列表示同一个用户对所有资源结点的连接情况，其元素值为1表示使用该资源结点，为0表示不使用该资源结点；

将用户j使用资源结点以二值示性向量表示：

V_j表示用户j的给定映射矩阵，

表示V_j的转置矩阵，V_j中的1值表示用户j占用该资源结点，0值表示用户j不占用该资源结点，V_j的行数表示使用资源节点的总数，V_j的列数表示占用资源节点的数目。

6.一种星座图优化系统，包括：

星座图旋转角度优化模块，其设置为基于给定映射矩阵和给定母星座图，以用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离为基准优化各用户星座图旋转角度，其中优化各用户星座图旋转角度包括最大化最小的发送信号点间的欧式距离；

用户星座图构造模块，其设置为根据优化的各用户星座图旋转角度和给定的母星座图构造各用户星座图。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为：以各用户所有可能的发送信号间最小的欧式距离中的最大值为基准优化各用户星座图旋转角度。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为通过以下方式优化各用户星座图旋转角度：

根据给定母星座图和给定各用户相位旋转角度调制各用户比特信息；

根据给定映射矩阵将各用户比特信息映射为各用户发送信号；

计算各用户所有可能的发送信号集合中任意两点之间的欧式距离；

遍历所有可行的相位旋转角度，最大化最小欧式距离对应的信号发送点之间的距离以得到优化的星座图旋转角度。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为采用穷搜算法来遍历所有可行的相位旋转角度。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述星座图旋转角度优化模块具体设置为通过以下方式确定所述给定映射矩阵：

设定所有用户的因子图矩阵F＝(f₁,f₂,...,f_j,...f_J)，其中，J表示用户数量，矩阵每一行表示同一个资源结点的用户连接情况，每一列表示同一个用户对所有资源结点的连接情况，其元素值为1表示使用该资源结点，为0表示不使用该资源结点；

将用户j使用资源结点以二值示性向量表示：

V_j表示用户j的给定映射矩阵，

表示V_j的转置矩阵，V_j中的1值表示用户j占用该资源结点，0值表示用户j不占用该资源结点，V_j的行数表示使用资源节点的总数，V_j的列数表示占用资源节点的数目。

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