CN107750435B - 非正交传输的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

无线通信系统中的一种包括处理器的发射机装置。在一个实施例中，处理器被配置用于接收至少一个调制数据消息，并且使用低密度签名矩阵将所述至少一个调制数据消息扩展到传输信号中。所述低密度签名矩阵是无环签名矩阵。接收机装置被配置用于接收所述传输信号并在所接收的传输信号内检测至少一个调制数据消息。所述处理器被配置用于使用所述无环签名矩阵在一次迭代中检测至少一个调制数据消息。这样的无环签名矩阵被构造为相位旋转单位矩阵和全零矩阵的级联。

Description

非正交传输的装置和方法
技术领域
本公开的方面一般涉及无线通信系统，尤其涉及基站和无线用户设备之间的非正交传输。
背景技术
下一代无线通信系统的主要挑战之一是相当大的业务量增长。诸如长期演进(Long Term Evolution，LTE)等的当前系统已经在上行链路和下行链路中为每个用户提供了非常高的峰值数据速率。因此，似乎有理由认为，这样的预测的业务增长是总体数据速率更高的原因，即许多同时的用户的频谱效率更高，而不是增加每个用户频谱效率。
当考虑到几个用户时，码分多址(code division multiple access，CDMA)是频谱效率最高的方案之一。在CDMA类型系统中，在被分配了用户特定的签名和扩展之后，通过相同资源(即求和的)并发发射与不同用户有关的多个码字。通常，在通用CDMA传输中，签名序列的数目等于码片的数量。
过载的情况是比码片有更多的签名序列。在这种情况下，不存在正交签名的集合，并且发射机中的干扰是固有的。使用比可用码片更多的签名，允许与正交传输相比调度更多的用户，并实现下一代通信系统所需的大量连接要求。
当涉及到检测时，最大后验(Maximum A Posteriori，MAP)多用户检测可以通过使用对大量可能的传输信号执行穷尽搜索的算法来完成。这种解调器通常对于实际应用来说太复杂，因为它必须经过的所有可能的序列。换句话说，该解调器评估信号替代物，以便为每个码片找到解决方案。因此，完全解调的替代(或度量)的总数是然而，已经证明，可以通过使用允许使用更简单的接收机算法的特别设计的稀疏签名来减少MAP解调器的复杂度。
这种稀疏签名只包含少量的非零元素，并且被称为低密度扩频(Low-DensitySpreading，LDS)签名或低密度签名矩阵。到目前为止，低密度奇偶校验(Low DensityParity Check，LDPC)码矩阵被用作LDS签名矩阵。在LDPC矩阵的生成中应用的约束意味着相应的图形表示包含环(cycle)。该特性是在接收机上使用迭代解码算法的关键。
在迄今为止的签名设计中，可以预期的是根据常规LDPC结构设计的矩阵将能够充分地执行。这些矩阵如前所述是低密度的，并且在其图形表示中具有环。
所获得的结果表明，当使用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)时，针对LDPC类型的签名定制的LDS迭代检测器可以实现鲁棒的近单用户性能，其中过载因子高达2。使用诸如正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)等更复杂的调制时，当采用达到或大于2的过载因子的时候，上述检测器与单用户性能相比还有较大距离。
当采用QPSK和高于2的过载因子时，如果能提供与单用户性能相比有较小距离的解决方案是有利的。在减少接收机复杂度的同时增加LDS类型多址传输方案中的聚合频谱效率也是有利的。此外，即使在使用更高的过载因子时，联合优化LDS签名和LDS收发器以提供合理的性能也将是有利的。
发明内容
本申请的一个目的是提供在减少接收机复杂度的同时增加LDS类型多址传输方案中的聚合频谱效率的装置和方法。该目的可以通过本申请实施例的必要技术特征来解决。在附加技术特征中可以发现进一步有利的改进。
根据本申请的第一方面，通过包括处理器的无线通信系统的发射机装置获得了上述目的和进一步的优点。在一个实施例中，处理器被配置用于接收至少一个调制数据消息，并使用低密度签名矩阵将至少一个调制数据消息扩展到传输信号中，其中低密度签名矩阵是无环签名矩阵。
在根据第一方面的发射机装置的第一种可能的实现形式中，发射机装置被配置用于通过无线通信系统的无线信道发射传输信号。所公开的实施例的多个方面为许多同时的用户提供了更高的频谱效率。在分配了用户特定的签名和扩频后，与不同用户相关的代码字在同一资源上同时发射。这降低了接收机的复杂度性并提高了系统性能。
在根据这样的第一方面的发射机装置的第二种可能的实现形式中，处理器被配置用于利用至少一个其他调制数据消息来扩展至少一个调制数据消息。所公开的实施例的多个方面提供了用至少一个其他调制的数据消息来扩展至少一个调制数据消息，以形成传输信号，其中使用无环签名矩阵可以传播任何数量的数据消息。
在根据第一方面的发射机装置的第三种可能的实现形式，或任何之前可能的实现形式本身中，无环签名矩阵是相位旋转单位矩阵和全零矩阵的级联。所公开的实施例的多个方面提供了一种简单且灵活的设计，有助于将传输系统适应于不同的信道条件，并提供具有较小复杂度的检测器。使用非迭代置信传播算法在一次迭代中进行检测。这提供了更好的系统性能。
在根据这样的第一方面的发射机装置的第三种可能的实现形式的第一种可能的实现形式中，相位旋转单位矩阵使得码片星座的符号之间的最小欧几里德距离最大化。最大化码片星座符号之间的最小欧几里德距离将为整个系统提供更好的性能。
在根据这样的第一方面的发射机装置的第三种可能的实现形式的第二种可能的实现形式中，相位旋转单位矩阵在给定间隔[0,kπ]中包括均匀间隔的相位，其中kπ是当被施加到信号星座时，将所述信号星座变换成自身的相位旋转。均匀间隔的相位将为系统提供更好的性能。
在根据第一方面的发射机装置的第四种可能的实现形式中，或者先前可能的实现形式中的任何一种，处理器被配置用于编码、交织和调制至少一个调制数据消息和至少一个其他调制数据消息。所公开的实施例的多个方面提供使用无环签名矩阵来传播的任何数量的数据消息。
在根据这样的第一方面的发射机装置的第五种可能的实现形式，或者先前可能的实现形式中的任何一种中，处理器被配置用于使用所述至少一个调制数据消息来扩展和发送用于所述至少一个调制数据消息的调制符号无环签名矩阵。所公开的实施例的多个方面提供任何数量的数据流将被过载。
在根据这样的第一方面的发射机装置的第六种可能的实现形式，或者先前的实现形式中的任一种中，用于调制至少一个调制数据消息的调制是正交幅度调制(QuadratureAmplitude Modulation，QAM)。QAM是广泛采用的数字调制。
在根据这样的第一方面的发射机装置的第七种可能的实现形式，或者先前的任何实施形式中的任何一种中，处理器被配置用于基于大于1的过载因子来计算无环签名矩阵。以这种方式计算无环签名矩阵产生简单且灵活的扩展矩阵设计，有助于将传输系统适应于不同的信道条件。检测器将具有较少的复杂性，因为使用非迭代置信传播算法在一次迭代中执行检测。
在根据这样的第一方面的发射机装置的第七种可能的实现形式的第一种可能的实现形式中，处理器被配置用于使用所计算的无环签名矩阵来扩展和发送用于所述至少一个调制数据消息的调制符号。使用所计算的无环签名矩阵扩展和发送用于所述至少一个调制数据消息的调制符号可以提高系统的性能。
根据本申请的第二方面，通过包括处理器的无线通信系统的接收机装置获得了上述和进一步目的和优点。在一个实施例中，接收机装置被配置用于接收传输信号并且在所接收的传输信号中使用无环签名矩阵在一次迭代中检测至少一个调制数据消息。无环签名矩阵的使用降低了接收机的复杂度。
在根据这样的第二方面的接收机装置的第一种可能的实现形式中，处理器被配置用于在一次迭代中计算与所接收的传输信号的所接收的编码比特有关的软信息，并且对软件进行解交织信息。能够在一次迭代中计算软信息，降低了接收机的复杂度，并且提高了系统性能。没有必要计算从变量节点发射到函数节点的消息。在一次迭代之后，获得确切的可变软节点值，并且MPA检测器将给出发射符号的精确MAP检测。
在根据这样的第二方面的接收机装置的第二种可能的实现形式，或者根据前述可能的实施形式中的任何一种中，处理器被配置用于使用解交织和去速率匹配以顺序方式检测和解码所接收的传输信号。所公开的实施例的多个方面降低了接收机复杂度，这提高了系统性能。
在根据这样的第二方面的接收机装置的第三种可能的实现形式，或者根据第二方面的任何先前可能的实现形式，处理器被配置用于通过迭代共同检测和解码所接收的传输信号，所述迭代包括去交织、去速率匹配、交织和速率匹配。所公开的实施例的多个方面降低了接收机复杂度，这提高了系统性能。
根据本申请的第三方面，通过无线电接入网络获得上述和进一步目的和优点。在一个实施例中，无线接入网络包括根据第一方面和第二方面的先前可能的实现形式中的任一个的发射机装置和接收机装置。所公开的实施例的多个方面在LDS类型的多址传输方案中增加了聚合频谱效率，同时降低了接收机的复杂度。这提高了任何数量的数据流过载的系统性能。
根据本申请的第四方面，通过一种用于无线通信系统中的非正交传输的方法来获得上述和进一步目的和优点。在一个实施例中，该方法包括：选择至少一个用于传输的数据消息，编码和调制所述至少一个数据消息，对编码和调制后的所述至少一个数据消息进行交织；并且使用无环签名矩阵将编码、调制和交织后的所述至少一个数据消息扩展到传输信号中。所公开的实施例的多个方面增加了LDS类型的多址传输方案中的聚合频谱效率，同时降低了接收机的复杂度。这提高了任何数量的数据流过载的系统性能。
在第四方面的第一实现形式中，该方法包括通过无线通信系统的无线信道发射传输信号。所公开的实施例的多个方面为许多同时的用户提供了更高的频谱效率。在分配了用户特定的签名和扩频后，与不同用户相关的代码字在同一资源上同时发射。这降低了接收机的复杂度并提高了系统性能。
在这样的第四方面的第二实现形式或任何前述可能的实现形式中，所述方法包括接收所述传输信号，并且使用无环签名矩阵在一次迭代中检测所述接收信号中的至少一个调制数据消息。这降低了接收机的复杂度并提高了系统性能。
根据本申请的第五方面，通过一种用于无线通信系统中的非正交接收的方法来获得上述和进一步目的和优点。在一个实施例中，该方法包括接收信号并且使用无环签名矩阵在一次迭代中检测接收信号中的至少一个调制数据消息。所公开的实施例的多个方面提高了LDS类型的多址传输方案中的聚合频谱效率，同时降低了接收机的复杂度。这提高了任何数量的数据流过载的系统性能。
根据本申请的第六方面，通过包括非暂时性计算机程序指令的计算机程序产品获得上述和其他目的和优点，当所述计算机程序产品由处理器执行时，使得处理器执行根据是第四方面和第五方面的一个或多个的方法。
根据本申请的第七方面，通过一种用于无线通信网络的装置得到上述和进一步目的和优点。在一个实施例中，该装置包括被配置用于通过无线通信网络的无线信道发射传输信号的发射机，所述传输信号通过以下形成：接收至少一个调制数据消息，并使用低密度签名矩阵将所述至少一个调制数据消息扩展为传输信号，其中低密度签名矩阵是无环签名矩阵，以及接收机，被配置用于接收传输信号，并且使用无环签名矩阵在一次迭代中在所接收的传输信号内检测至少一个调制数据消息。所公开的实施例的多个方面增加了LDS类型的多址传输方案中的聚合频谱效率，同时降低了接收机的复杂度。这提高了任何数量的数据流过载的系统性能。
根据结合附图考虑的实施例，示例性实施例的这些和其他方面、实现形式和优点将变得显而易见。然而，应当理解，描述和附图仅为了说明的目的而设计，而不是作为对所公开的发明的限制的定义。本申请的其他方面和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地将根据描述变得显而易见，或者可以通过本申请的实践来了解。此外，本申请的多个方面和优点可以通过本申请中特别指出的手段和组合来实现和获得。
附图说明
在本申请的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例实施例更详细地说明本申请，其中：
图1示出了包含所公开的实施例的多个方面的发射机装置的框图；
图2示出了包含所公开的实施例的多个方面的接收机装置的框图；
图3示出了现有技术的LDS方案的因子图表示；
图4示出了包含所公开的实施例的多个方面的LDS方案的因子图表示；
图5示出了包含所公开的实施例的多个方面的传输过程的流程图；
图6示出了包含所公开的实施例的多个方面的接收过程的流程图；
图7示出了现有技术的LDS方案与包含所公开的实施例的多个方面的LDS方案的频谱效率图比较；
图8是现有技术的LDS方案与包含所公开的实施例的多个方面的LDS方案的EXIT图表比较；
图9示出了现有技术的LDS方案与包含所公开的实施例的多个方面的LDS方案的另一个EXIT图表比较；
图10是包含所公开的实施例的多个方面的LDS方案的频谱效率图；
图11是包含所公开的实施例的多个方面的LDS方案的另一个频谱效率图；
图12示出了包含所公开的实施例的多个方面的示例性装置；和
图13是可以用于实践所公开的实施例的多个方面的示例性装置的框图。
具体实施方式
参考图1，示出了包括所公开的实施例的多个方面的示例性发射机装置100的框图。所公开的实施例的多个方面指向增加LDS类型的多址传输方案中的聚合频谱效率，同时降低接收机的复杂度。
参考图1，在发射机装置100中，使用不同的前向纠错(Forward ErrorCorrection，FEC)编码器102对K个信息比特流u进行编码。对应于不同的流K的编码比特d在对应的速率匹配设备104中进行速率匹配。速率匹配后的比特e在交织器106之一中独立地交织，然后在调制器108中映射到调制符号或调制数据消息。然后，调制后的数据消息被馈送到LDS发射机110中，以便使用没有环(no cycle)或无环(cycle-free)的LDS扩展矩阵(在本文中称为无环签名矩阵)进行扩展。如图1的示例性框图所示，任何数量的数据流K可以被过载而不损失一般性，这意味着流K的数目可以是一个或多个(p到K是1，2，3，...，K)。在只有一个流的情况下，仅使用一个正向校正编码器102来编码信息比特，并且在使用LDS发射机110的LDS扩展矩阵进行扩频之前，使用一个速率匹配设备104和一个交织器单元106。
图2示出了包含所公开的实施例的多个方面的示例性LDS接收机装置200。在该示例中，示出了以不同的方式实现LDS接收机装置200。一种方法是通过LDS解交织器204和反向速率匹配(inverse rate matching，RM-1)块206将LDS检测器202与软输入软输出(Soft-Input Soft-Output，SISO)解码器208串联连接。SISO解码器208对其输入软信息应用卷积码约束，并传递与信息比特和编码位相关的其输出软信息。该过程由图2的实线部分表示。
仍参考图2，在一个实施例中，实现接收机装置200的另一种方式是根据迭代方法共同检测和解码所接收的信号。这由图2的虚线部分示出。在该示例中，所得到的迭代接收机算法重复地执行LDS检测器202和SISO解码器208，通过反比特率匹配(inverse ratematching，RM-1)设备206、速率匹配(rate matching，RM)设备210和LDS解交织器块204和LDS交织器块212交换软信息。
图2的LDS检测器202仅使用一次迭代来计算与编码比特相关的软信息。软信息使用LDS解交织器204进行解交织。所得到的软信息在图2中表示为Λ(e；I)。
SISO解码器208将卷积码约束应用于其输入软信息，并传递与信息比特相关的输出软信息Λ(u；O)。此外，SISO解码器208计算与编码比特相关的更新的软信息Λ(e；O)，并且通过LDS交织器块212将更新的软信息馈送给LDS检测器202。
图2的框图示出了可以在不失一般性的情况下检测和解码任何数量的数据流的情况。在这种情况下，LDS非迭代检测器202输出与每个编码流相关的软信息Λ(e；I)，并且使用串行级联检测器202和软解码器208，或者通过联合解码和检测与迭代方法相对应的接收信号在每个流上执行解码，如虚线所示。
所公开的实施例的多个方面旨在为许多同时的用户提供了更高的频谱效率。如上所述，在分配了用户特定的签名和扩展之后，通过相同的资源同时发射与不同用户相关的CDMA系统码字。在通用CDMA系统中，签名序列的数量等于码片的数量。
特别地，所公开的实施例的多个方面指向过载情况，其中存在比码片更多的签名序列。在这种情况下，不存在正交签名的集合，并且发射机中的干扰是固有的。使用比可用码片更多的签名允许与正交传输相比调度更多的用户，因此满足下一代通信系统所需的大量连接要求。
作为示例，由N个接收到的码片值组成的接收矢量y可以被建模为：
y＝Sx+z
其中S是N×K复签名矩阵(每个签名是矩阵的一列)，是包含调制符号的列向量，每个调制符号都属于称为信号星座的复数值的一个集合最后，z是包含具有方差的加性白高斯噪声的复值独立样本的列向量。矢量y的符号通常称为码片，它们的值属于码片星座的一个集合，其中矢量y的每个元素属于复数值的一个集合以下称为码片星座，其中是具有N个坐标的N维空间。使用复杂签名复用相同或不同用户的调制符号的操作称为扩展。在扩展后，调制符合在信道上传输。的比例，即签名序列的数量与所得到的码片的数量的比率被定义为过载因子。
如上所述，可以通过使用对大量可能的传输信号进行穷尽搜索的算法来完成最大后验(Maximum A Posteriori，MAP)多用户检测。然而，这种解调器对于实际使用来说通常太复杂，因为它必须经过的所有可能的序列。已经证明，可以通过使用允许使用更简单的接收机算法的专门设计的稀疏签名来减少MAP解调器的复杂度。
这种稀疏签名只包含很少的非零元素，并且被称为低密度扩频(Low-DensitySpreading，LDS)签名，并且LDPC矩阵被用作LDS签名矩阵。在LDPC矩阵的生成中应用的约束意味着相应的图形表示包含环。这是在接收机上使用迭代解码算法的特征。
根据所公开的实施例的方面，通过使用本文所述的LDS签名结构，MAP检测问题可以被转换为基于消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)或置信传播(beliefpropagation，BP)方法的软输入软输出(Soft-Input Soft-Output，SISO)多用户检测，其有效地利用所公开的实施例的LDS签名结构。所公开的实施例的LDS签名结构将通过将其分解成简单本地信道观察的乘积，然后在稍后阶段将其组合来迭代地近似全局最优MAP检测。
所公开的实施例的LDS签名结构是稀疏的，并且与穷尽搜索相比，上述本地观察和相应组合的计算具有相当低的复杂度。因此，根据所公开的实施例的检测算法具有较低的复杂度。
长度N的LDS签名是N个扩展符号(码片)的序列，使得每列中wc个码片不等于零，而N-wc个等于零，其中wc＜＜N。在签名矩阵的每一行以中wr＜＜K的方式也存在wr数量的非零元素。这些属性表征了常规签名矩阵的类。
对于现有技术的LDS检测器，码片n的接收矢量可以写成如下：
yn＝s[n]x[n]+zn
其中s[n]表示包含矩阵S的第n行的行向量，并且x[n]是向第n个接收到的码片做贡献的相应输入调制符号的列向量，其被定义为
这里，表示向量x[n]的第i个元素。
到目前为LDS提出的次最佳多用户检测器的类别可以由其相应的因子图表示。例如参考图3，在所示的因子图表示中，所发射的符号xk，k＝1,…,K以及码片观测yn，n＝1,…,N分别被表示为变量节点和函数节点。令边缘ek,n是将函数节点cn连接到变量节点uk的边缘。在对应的系统模型中，如果在与码片n和输入符号k相对应的矩阵S中有非零元素，则存在边缘ek,n。否则，因子图表中没有边缘。当边缘上有从一个节点开始并且结束到同一个节点的路径时，签名矩阵S有环。
因此，在参照图3的图表的现有技术的LDS结构中，每个变量节点uk仅连接到wc个函数节点并且每个函数节点cn仅连接到wr个变量节点V(n)是连接到函数节点n的变量节点的集合，并且Z(k)是连接到变量节点k的函数节点的集合。图3所示的因子图表示为大小为4×8的LDS签名矩阵。
参考图3的示例，其中LDS结构包含环，先前已经示出，可以通过使用底层因子图表示和应用迭代消息传递算法来近似最佳MAP检测。在图3的示例中，消息沿着相应的边缘在函数节点和变量节点之间交换，并被迭代地更新。这些消息的内容是指示与每个边缘相关联的对应符号的可靠性的软值。对于BPSK调制，符号的对数似然比(log likelihoodratio，LLR)可用于表示消息。对于更高阶调制的情况，所交换的消息是包含符号星座的每个可能符号的可靠性的向量。
对于图3的示例，消息传递算法工作如下。从在边缘ek,n上的函数节点cn发出的消息是在前一次迭代期间从边缘接收的消息与在码片cn上得到的本地信道观察的乘积。记号V(n)\k表示包含连接到除变量节点之外的函数节点n的所有可变节点的集合。类似地，变量节点uk将在边缘en,k上发送消息，该消息是从边缘接收的消息的乘积。这些操作重复进行多次迭代。当达到最大迭代次数时，每个变量节点将使用所有传入的消息来计算估计的符号。
消息传递算法中的上述迭代可以在以下等式中总结：
公式1：从函数节点到变量节点的输出消息的计算
公式2：从变量节点到函数节点的输出消息的计算
其中指数i表示相应的迭代。表示从节点cn发送到节点uk的消息向量。实际上，该消息是本地信道观察和在函数节点上的先前迭代接收的消息的函数。这是包含符号星座上的概率分布(或相应的LLR分布)的向量。经过一定次数的迭代后，进行符号判定。这可以写成：
公式3：迭代后的符号判定
消息传递算法的复杂度可以通过使用图3所示的底层因子图表示和相关方程来得出。在这种情况下，解调器不需要经历与MAP检测相反的所有可能的序列。实际上，本地信道观察复杂度很小，因为本地信道观测的计算涉及少量节点。在等式1中得到的本地信道观察中要搜索的替代方案的总数是评估等式1的整体复杂度变成：
在Nit迭代后算法的整体复杂度将是：
常规LDPC结构的签名矩阵是低密度的，并且在其图形表示中具有环，如图3所示。
所公开的实施例的多个方面提供了一种专门针对具有简化的和非迭代的消息经过与签名矩阵匹配的LDS检测器的迭代接收机定制的LDS签名矩阵或结构。
如图2所示，通过重复执行非迭代消息经过LDS检测器202和SISO解码器208，在SISO解码器208和LDS检测器202之间交换软信息来执行迭代接收机装置200中的多次迭代。
参考图1，所公开的实施例的发射机装置100中使用的LDS签名矩阵是可扩展的，并且可以为任何任意调制阶数和任何任意过载因子设计无环的签名矩阵。结果，发射机装置100或传输系统可以容易地适应于改变信道条件。
所公开的实施例的多个方面提供了一种联合的发射机-接收机装置结构，其可以实现在过载因子达到5的情况下接近单用户性能。如图2所示，将所公开实施例的多个方面结合的简化LDS检测器202与SISO解码器208，并且将根据迭代方法共同检测并解码传输的符号。
如上所述，图3所示的签名的图形表示包括环。这意味着至少有一个路径从一个节点开始并终止在同一个节点。在LDPC签名中，最短环的长度称为周长。预计使用这种结构，基于MPA的检测器将在经过一些迭代后给出输入信号的良好近似。通常选择迭代次数等于或大于签名的周长，以允许MPA通过迭代收敛并通过节点更新所有消息。虽然可以为较低阶调制和较低的过载因子获得良好的性能，但是对于更高的过载因子，使用具有LDPC类型的签名的MAP检测器不能提供估计符号的良好近似，并且因此接收机性能下降。这是由于以下事实：上述公式1中的干扰项(第二项)在经过一定次数的迭代后未被正确地近似。因此，当进行符号判定(公式3)时，该符号是输入符号的较差近似值。
为了克服这个限制，所公开的实施例的多个方面为LDS签名提供了另一种结构，并降低了LDS解码器202的复杂度。参考图1，在发射机装置100侧，依赖于LDPC结构的旧的LDS签名矩阵被LDS发射机110中的LDS签名矩阵替代，其中相应的图形表示没有环。这种类型的签名矩阵被称为无环签名矩阵。图4是无环签名矩阵的图形表示。如图4中的图形所示，并且与图3中的图形相比，没有从一个节点开始并终止于相同节点的路径。
为任何任意过载因子和任何任意调制阶数M获得合适签名的设计过程如下。当过载因子是整数值时，即当Ω是整数时，任何过载因子和任何调制阶数的新的无环签名矩阵可以被定义为：
其中应用于每个码片中第i个叠加符号的相位旋转。相位的集合
是根据将在下文中解释的某些设计标准为预定义的过载因子Ω和调制阶数M获得的。IN是大小为N×N的单位矩阵。为了简化记号，我们将假设调制阶数M是固定的，因此我们将放弃它。
当过载因子不是整数值时，方程(4)的初始设计可以扩展成更一般的形式。例如，当1<Ω<2时，我们可以写成
其中p<N。对于这种情况，无环签名矩阵可以写成：
其中和是对应于过载因子Ω＝2的第一和第二相位旋转。Ip表示大小为p×p的单位矩阵，并且0(N-p)×p表示具有大小(N-p)×p的零矩阵。因此，无环签名矩阵是相位旋转单位矩阵(即和)和所有零矩阵(即0(N-p)xp)的级联。
在一般情况下，可以写出其中0≤p＜N，其中表示小于或等于Ω的最接近Ω的整数。我们可以将等式(5)定义的无环签名矩阵扩展到：
其中，是为过载因子Ω选择的第n个相位，下面假定在的情况下，考虑到的值，获得作为第n相位。
可以使用几种方法来获得相位值
在一个实施例中，选择相位以使得扩展之后所得到的码片星座的最小欧几里德距离最大化。例如，考虑复值输入符号星座
并且其中M是所选择的调制阶数。码片星座的符合属于其大小为
的符号c1可以写成：
这里，表示单位能量输入符号。目的是确定导致的最大的最小欧几里得距离的相位的值。
如果我们将两个不同码片之间的欧几里得距离的平方定义为：
则最小欧几里得距离的平方可以写成：
其中 的最佳值解析地或计算地获得为：
在某些情况下，最小欧几里德距离的最大化可能不是最佳标准。在另一个实施例中，我们选择相位在区间[0,Θ)上均匀分布，其中Θ是将信号星座变换成自身的最小正相位旋转。通过将信号星座变换为自身，我们表明经旋转后获得星座中相同的信号集。
例如，对于QAM，我们有Θ＝π/2，因此我们得到
对于i＝1,…,Ω-1。
可以将与的计算相关的上述实施例中的任何一个直接应用于多路用户使用不同调制的情况。
根据所公开的实施例的多个方面的新的扩展码的示例：
例如，对于过载因子Ω＝2并且码片数量N＝12的情况，式(2)中的矩阵S的大小为12×24。这可以写成：
其中并且这对应于当使用具有过载因子为2的QPSK调制时，将所产生的码片星座的最小欧几里德距离最大化的相位值。
因此，清楚的是，无环签名矩阵是相位旋转单位矩阵和全零矩阵的级联。
还要注意的是，任意调制阶数和任意过载因子是指任何调制阶数或任何过载因子。过载因子可以是大于1的任何值。假设在无线通信中使用常规调制，即对应于调制阶数1、2、4、6和8的BPSK，QPSK，16QAM，64QAM和256QAM。
LDS检测器202的复杂性分析：
所公开的实施例的LDS签名结构提供了本文所述的无环签名矩阵。如上所述并在图4的图中示出的，没有从一个节点开始并终止于相同节点的路径。图4中的示例性图形表示用于所提出的无环签名矩阵，其具有等式(2)的整数过载因子和大小为4×8的签名。
当将消息传递算法应用于所公开的实施例的签名结构时，由于在前一半迭代之后已经获得了可变节点的精确软信息(或概率分布)，因此变得清楚的是，不需要计算从变量节点到函数节点去的消息。因此，获得了精确的可变节点软值，并且所得到的MPA检测器将给出发射符号的精确MAP检测。
上述分析表明所公开的实施例的LDS检测器202的复杂度大大降低。复杂度约为
图5示出了在诸如发射机装置100的网络节点等中使用的传输过程的一个实施例。在一个实施例中，选择至少一个用于传输的数据消息。这可以包括发射机装置100从一个(或多个)用户设备接收502信道质量指示符(channel quality indicator，CQI)数据。504用于确定适合于通过可用资源块向一个(或多个)用户设备传输的调制阶数、编码率和过载因子。使用调制阶数和编码率对一个(或多个)输入比特流进行编码、速率匹配并映射506到调制符号。基于过载因子和调制阶数，计算508扩展矩阵。使用获得的扩展矩阵，对输入符号进行扩展和发送510。
图6示出了包括所公开的实施例的多个方面的诸如接收机装置200等的用户设备的接收过程的示例性流程图。在一个实施例中，接收机装置接收传输信号，并且LDS检测器202在一次迭代中计算602与接收到的发射消息的接收的编码比特相关的软信息。LDS解交织器204计算604输入到反向速率匹配206的软信息。反向速率匹配206计算606输入到解码器208的软信息。确定608是否已经实现了最大迭代次数。如果是，则解码器208传递610与信息比特相关的输出软信息。
如果没有达到最大迭代次数，则解码器208传递612与编码比特相关的更新的软信息。速率匹配210计算614到LDS交织器212的输入。LDS交织器212计算到LDS检测器的输入616。
性能评估的结果：
为了评估和比较所公开的实施例的无环签名矩阵结构的频谱效率，在频谱效率(Spectral Efficiency，SE)方面进行比较。这可以定义为：
SE＝ΩMR(1-BLER)
其中BLER是块错误率。对于一系列SNR值通过蒙特卡罗(Monte Carlo)仿真估计BLER。这里采用的SNR是信息比特能量与噪声能量的比率Eb/N0，其中是噪声的双侧功率频谱效率。
关于信道编码方案，考虑了LTE标准中规定的两种方案。第一种方案由具有速率1/3和自由距离df＝15的64状态前馈二进制卷积码组成。它使用带有生成器[133,171,165]8的约束长度为7的编码器进行编码。编码网格使用咬尾技术终止。第二种方案是由通过交织器连接的两个8状态递归系统编码器组成的并行级联卷积码(又名，turbo码)。该编码器的结构符合LTE标准。
过载方案的增加的SE是以增加传输功率为代价实现的。该增加可以通过单流SNR损失来表征，其特征定义为：
ΔSNR(Ω,ρ)＝SNR(SE(Ω)＝ρSE∞(Ω))-SNR(SE(1)＝ρSE∞(1))。
在这种情况下，其中Ω表示过载因子，和
SE∞(Ω)＝limSNR→∞SE(Ω)
渐近总体频谱效率(aggregate spectral efficiency，ASE)。
图7示出了在具有母码率(0.33)的turbo码和具有过载因子为2的签名矩阵的情况下，与旧设计相比，所公开实施例的无环签名矩阵设计获得的频谱效率。
在这些仿真中，我们在240个时频资源元素上执行L比特信息字的传输。使用QPSK调制编码比特。因此，考虑到过载因子Ω＝2，我们得到960个编码比特的码字长度。
用于现有技术的签名矩阵具有12×24的大小和LDPC结构、t，并且包含环。签名矩阵的非零元素是根据由J.van de Beek和B.Povovic于电气与电子工程师协会全球电信会议，全球电信会议，2009年11月30日-12月4日，夏威夷火奴鲁鲁，pp-1-6(IEEE globalTelecomm.Conf.GLOBECOM 2009,Honolulu,HI,Nov.30-Dec.4,pp-1-6)发表的题为“具有低密度签名的多址(Multiple Access with low-density signatures)”进行选择的。用于具有过载因子2的公开实施例的新的无环签名矩阵方案的签名是两个12×12单位矩阵的级联。第二单位矩阵具有等于ejπ/6的相位系数。如上所述，该相移对应于使过载因子为2的码片星座的QPSK符号之间的最小欧几里德距离最大化的旋转。
在评估中，LDS检测器202的迭代接收机执行12次外部迭代和2次内部LDS迭代和2次turbo码迭代，而利用所公开的实施例的无环签名矩阵设计，迭代接收机装置200执行12次外部迭代，具有2个turbo码迭代的1次LDS迭代。
示出了所公开的实施例的无环签名矩阵设计对于1比特/秒/Hz的频谱效率表现得比LDS设计好(1dB改善)，其中单流SNR损耗降低到2.1dB。
图8和9示出了可以用于获得对所公开的实施例的无环签名矩阵的特性的深入了解的EXIT图。EXIT图表是分析解码器的两个组件之间的信息传递的有益工具。在本文描述的分析中，研究了LDS检测器202和软解码器208之间的信息传输，其在一个实施例中包括Turbo解码器。图8示出了具有母码率的turbo码的Eb/N0＝2dB的EXIT图。
软解码器或turbo码208和LDS检测器202的转移特性被独立地示出。为新的无环签名矩阵和现有技术示出了LDS检测器202的转移特性。如图所示，与旧签名相关的曲线和turbo码在低的相互信息水平相交，这导致高的BER。该结果与频谱效率图(图7)一致，其中对于Eb/N0＝2dB，频谱效率为零。
对于相同的Eb/N0值，所公开的实施例的无环签名矩阵的EXIT曲线根本没有相交。这与频谱效率曲线一致，其中对于Eb/N0＝2dB，频谱效率不为零。
图9示出了Eb/N0＝3dB的EXIT图。在这个图中，在转移特性之间没有交点，因此接收器通过迭代收敛到互信息的高值。值得注意的是，对于所公开的实施例的新的无环签名矩阵的情况，存在LDS曲线垂直移位到更高的互信息值，这意味着更高的收敛性质。这也符合从图6获得的结果。实际上，在图9的示例中，对于Eb/N0＝3dB，所公开的实施例的新的无环的签名矩阵实现更高的频谱效率。
所公开的实施例的多个方面提供即使对于更高的过载因素也获得单流SNR损失。对于不同的过载因子，我们根据实现的频谱效率选择了不同的相位系数设计，如表1所示：
Ω＝2 最大欧几里德距离
Ω＝3 最大欧几里德距离
Ω＝4 统一相位
Ω＝5 统一相位
表1：对于不同过载因子的相位系数设计。
表2总结了卷积码和不同编码率以及不同过载因子(Ω＝2、3、4和5)获得的结果。
表2：具有新设计的卷积编码系统的单流SNR损失。
表2示出了利用具有极低速率(0.1)，母码率(0.33)和高速率(0.5)的turbo码的所公开实施例的无环签名矩阵设计获得的单流SNR损失。与所公开的实施例的无环签名矩阵的非过载(单流情况)相比的单流SNR损失和所考虑的编码速率总结在表3中。
表3：具有新设计的turbo编码系统的单流SNR损失。
以上表格说明，当编码率等于0.5时，单流SNR损失在turbo码的过载因子增加时几乎线性地增长。对于其他速率和其他信道码，SNR损失不是线性增长，而是获得单流SNR损失的可接受的值。
图10示出了对于turbo码和编码率0.5以及高达5的不同过载因子的情况的单流SNR损失。
图11示出了对于速率为0.5的卷积码和高达5的不同的过载因子的情况的单流SNR损失。
结果示出了，当以迭代方式将该简化的LDS检测器202与SISO解码器208组合以共同检测和解码发射的符号时，所公开的实施例的联合发射机-接收机结构可以实现用于高达5的过载因子的鲁棒的近单用户性能。
所公开的实施例的多个方面增强了先前设计的LDS系统的签名矩阵。所公开的实施例的无环签名矩阵与现有技术相比表现更好并且具有更低的复杂性。
到目前为止提出的所有LDS设计使用基于包含环的LDPC结构的签名矩阵。对于高的过载因子和比BPSK的高的调制次序，这些签名矩阵性能不好。所公开的实施例的新的LDS签名结构是无环的签名矩阵，从而改善系统的性能并降低接收机的复杂度。
图12示出了结合所公开的实施例的多个方面的示例性装置1200。在该示例中，图1的发射机装置100和图2的接收机装置200在相同的设备或装置1200中，其在一个实施例中可以包括无线接入网络设备或装置。该示例中的装置1200包括节点基站(NodeB)1210和用户设备(UE)1220。在替代的实施例中，装置1200可以包括用于实现所公开的实施例的多个方面的任何合适的设备和组件，如本文所述。
对于下行链路通信(DL)，信息从LDS Tx(NodeB)1212传送到LDS Rx(用户设备)1222。对于上行链路通信(UL)，信息从LDS TX(用户设备)1224传送到LDS Rx(NodeB)1214。装置1200可以实现一种环境，其中在NodeB 1210中使用相同天线用于传输和接收。
图13示出了包含本申请的多个方面的无线设备1300的框图。无线设备1300适用于实现本文描述的正交传输装置和方法的实施例。所示出的无线设备1300包括耦联到存储器1304的处理器1302、射频(radio frequency，RF)单元1306、用户界面(user interface，UI)1308和显示器1310。装置1300可以是移动设备，诸如各种类型的无线通信用户设备，包括手机、智能手机或平板设备等。或者，装置1300也可以用作诸如在基站中的发射机。当使用装置1300作为基站来移除UI 1308并且经由网络或其他类型的计算机接口(未示出)远程管理装置1300时，这可能也是需要的。
处理器1302可以是单个处理设备，或者可以包括多个处理设备，包括专用设备，例如数字信号处理(digital signal processing，DSP)设备、微处理器或其他专用处理设备以及一个或多个通用计算机处理器，包括并行处理器或多核处理器。处理器1302被配置用于执行本文所述的过程的实施例。处理器1302耦联到存储器1304，存储器1304可以是各种类型的易失性和/或非易失性计算机存储器的组合，例如只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁盘或光盘、或其他类型的计算机存储器。存储器1304存储可由处理器1302访问和执行的计算机程序指令，以使处理器1302执行如本文所述的各种期望的计算机实现的过程或方法。存储在存储器1304中的程序指令可以被组织为本领域技术人员参考的程序指令的组或集合，以各种术语诸如程序、软件组件、软件模块、单元等，其中每个程序可以是识别的类型，例如操作系统、应用程序、设备驱动程序或其他常规认知的类型的软件组件。包括在存储器1304中的还有可以由计算机程序指令访问、存储和处理的程序数据和数据文件。
RF单元1306耦联到处理器1302并且被配置用于基于与处理器1302交换的数字数据1312来发射和接收RF信号。RF单元1306被配置用于发射和接收无线信号，其可以符合如今使用的无线通信标准的一个或多个，例如LTE，LTE-A，Wi-Fi，或者可以被配置用于将来的无线电接入技术。RF单元1306可以从一个或多个天线接收无线信号，对所接收的RF信号进行下变频，执行适当的滤波和其它信号调节操作，然后通过用模数转换器采样将得到的基带信号转换成数字信号。此处也被称为数字通信信号的数字化基带信号然后被发送1312到处理器1302。在发射机应用中，RF单元1306被配置用于从处理器1302接收数字数据1312形式的数字信息并将其发射到一个或多个接收机，例如移动设备或UE。
UI 1308可以包括一个或多个用户界面元件，例如触摸屏、键盘、按钮、语音命令处理器，以及适于与用户交换信息的其他元件。UI 1308还可以包括被配置用于显示适合于移动设备或UE 1300的各种信息的显示单元1310，并且可以使用任何期望的显示类型来实现，例如有机发光二极管(organic light emitting diodes，OLED)、液晶显示器(liquidcrystal display，LCD)、以及诸如LED或指示灯等不太复杂的元件等。在某些实施例中，显示单元1310包括用于从无线设备1300的用户接收信息的触摸屏。或者，当不需要直接与用户或操作者交换信息时，UI 1308可以被诸如网络接口或其他远程访问技术之类的更理想的接口方法所替代，或者被完全移除。
因此，虽然在应用于本申请的示例性实施例时已经示出、描述和指出了本申请的基本新颖特征，但是应该理解的是，本领域技术人员可以在不脱离本申请的精神和范围的情况下对示出的设备和方法的形式和细节做出各种省略、替换和改变。此外，明确预期的是，以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的那些元件的所有组合都在本申请的范围内。此外，应当认识到，结合本申请的任何公开形式或实施例所示和/或描述的结构和/或元件可以作为设计选择的通用主题并入任何其他公开或描述或建议的形式或实施例中。

Claims (24)

1.一种用于无线通信系统的发射机装置(100)，所述发射机装置(100)包括处理器(1302)，被配置用于：
接收至少一个调制数据消息；和
使用低密度签名矩阵将所述至少一个调制数据消息扩展到传输信号中，其中所述低密度签名矩阵是无环签名矩阵，其中所述无环签名矩阵是相位旋转单位矩阵和全零矩阵的级联。
2.根据权利要求1所述的发射机装置(100)，其中所述处理器(1302)被配置用于利用至少一个其他调制数据消息来扩展所述至少一个调制数据消息。
3.根据权利要求1所述的发射机装置(100)，其中所述相位旋转单位矩阵使得码片星座的符号之间的最小欧几里德距离最大化。
4.根据权利要求1所述的发射机装置(100)，其中所述相位旋转单位矩阵在给定间隔[0,kπ]中包括均匀间隔的相位，其中kπ是当被施加到信号星座时，将所述信号星座变换成自身的相位旋转。
5.根据权利要求1所述的发射机装置(100)，其中所述处理器(1302)被配置用于使用所述无环签名矩阵来扩展和发送所述至少一个调制数据消息的调制符号。
6.根据权利要求1所述的发射机装置(100)，其中所述处理器(1302)被配置用于基于大于1的过载因子来计算所述无环签名矩阵。
7.根据权利要求1所述的发射机装置(100)，其中所述发射机装置(100)为用户设备或基站。
8.一种用于无线通信系统的接收机装置(200)，所述接收机装置(200)包括处理器(1302)，所述处理器(1302)被配置用于：
接收传输信号；和
在所接收的传输信号内检测至少一个调制数据消息，所述处理器(1302)被配置用于使用无环签名矩阵在一次迭代中检测所述至少一个调制数据消息，其中所述无环签名矩阵是相位旋转单位矩阵和全零矩阵的级联。
9.根据权利要求8所述的接收机装置(200)，其中所述处理器(1302)被配置用于在一次迭代中计算与所接收的传输信号的所接收的编码比特相关的软信息，并且对所述软信息进行解交织。
10.根据权利要求9所述的接收机装置(200)，其中所述处理器(1302)被配置用于使用解交织和去速率匹配以顺序方式检测和解码所接收的传输信号。
11.根据权利要求9所述的接收机装置(200)，其中所述处理器(1302)被配置用于通过迭代共同检测和解码所接收的传输信号，所述迭代包括去交织、去速率匹配、交织和速率匹配。
12.根据权利要求9所述的接收机装置(200)，其中所述接收机装置(200)为用户设备或基站。
13.一种无线接入网络(1200)，包括根据权利要求1至7中任一项所述的发射机装置(100)和权利要求8至12中任一项所述的接收机装置(200)。
14.一种用于无线通信系统中的非正交传输的方法，所述方法包括：
选择(502)至少一个用于传输的数据消息；
编码和调制(504)所述至少一个数据消息；
交织(506)编码和调制后的所述至少一个数据消息；和
使用无环签名矩阵将编码、调制和交织后的所述至少一个数据消息扩展(510)到传输信号中，其中所述无环签名矩阵是相位旋转单位矩阵和全零矩阵的级联。
15.根据权利要求14所述的无线通信系统中的非正交传输方法，还包括：
接收所述传输信号；和
使用无环签名矩阵在一次迭代中检测(602)所接收的传输信号中的至少一个调制数据消息。
16.根据权利要求14所述的无线通信系统中的非正交传输方法，其中所述相位旋转单位矩阵使得码片星座的符号之间的最小欧几里德距离最大化。
17.根据权利要求14所述的无线通信系统中的非正交传输方法，其中所述相位旋转单位矩阵在给定间隔[0,kπ]中包括均匀间隔的相位，其中kπ是当被施加到信号星座时，将所述信号星座变换成自身的相位旋转。
18.根据权利要求14所述的无线通信系统中的非正交传输方法，其中基于大于1的过载因子来计算所述无环签名矩阵。
19.一种用于无线通信系统中的非正交接收的方法，所述方法包括：
接收信号；和
使用无环签名矩阵在一次迭代中检测(602)所述接收信号中的至少一个调制数据消息，其中所述无环签名矩阵是相位旋转单位矩阵和全零矩阵的级联。
20.根据权利要求19所述的无线通信系统中的非正交传输方法，其中所述相位旋转单位矩阵使得码片星座的符号之间的最小欧几里德距离最大化。
21.根据权利要求19所述的无线通信系统中的非正交传输方法，其中所述相位旋转单位矩阵在给定间隔[0,kπ]中包括均匀间隔的相位，其中kπ是当被施加到信号星座时，将所述信号星座变换成自身的相位旋转。
22.根据权利要求19所述的无线通信系统中的非正交传输方法，其中基于大于1的过载因子来计算所述无环签名矩阵。
23.一种计算机存储器，其特征在于，所述计算机存储器存储有程序，所述程序用于发送设备执行如权利要求14-18中任一项所述的方法。
24.一种计算机存储器，其特征在于，所述计算机存储器存储有程序，所述程序用于接收设备执行如权利要求19-22中任一项所述的方法。
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