CN107769892B - 块长自适应脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法 - Google Patents

块长自适应脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法 Download PDF

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CN107769892B CN201711025279.9A CN201711025279A CN107769892B CN 107769892 B CN107769892 B CN 107769892B CN 201711025279 A CN201711025279 A CN 201711025279A CN 107769892 B CN107769892 B CN 107769892B
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Abstract

本发明公开了一种基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法，属于无线通信技术领域。在信道估计不理想的情况下，相比于传统的固定速率编码方法，具有无速率特性的脊髓编码可以保证Massive MIMO系统更加可靠地工作。系统基站侧可以通过当前用户传输信道的可达数据速率动态调整脊髓编码的编码块长，从而有效降低了脊髓译码所需的重传次数，提高系统传输效率。同时，基站侧可以根据传输信道质量，动态选取脊髓编码打孔方案，从而能同时保证系统的传输效率与可靠性。相比于采用静态编码块长的脊髓编码Massive MIMO系统传输方案，该方案具有更优的传输效率，从而为脊髓码在实际系统中的部署提供了指导。

Description

块长自适应脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信的大规模多天线技术领域，具体涉及一种基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法。
背景技术
大规模多天线(Massive MIMO)技术的增益依赖于发端(基站侧)准确的已知传输信道状态信息(CSI)。但实际系统往往受限于反馈信道容量和反馈信息的实时有效性，难以真正获取理想的CSI。在非理想CSI情况下，采用传统的固定速率编码，如LDPC和Turbo，会因为速率适配而明显降低系统的吞吐量。
目前，利用脊髓编码的无速率特性，研究者提出了一种可以在非理想CSI下逼近系统吞吐量上限的编码方法，但是该方法不能同时兼顾可靠性与高传输效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决固定编码块长脊髓码的传输效率低问题，提供一种基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法，所述的方法包括下列步骤:
S1、初始化系统参数，确定基站侧天线数目M，单天线用户数目N，以及单根接收天线上的有效信号功率P，给定第
Figure GDA00023826523800000211
次信号传输的下行信道大尺度矩阵
Figure GDA00023826523800000212
为对角矩阵，小尺度矩阵
Figure GDA0002382652380000021
则实际传输信道矩阵
Figure GDA0002382652380000022
给定估计的信道矩阵为
Figure GDA0002382652380000023
信道估计误差因子δe
S2、计算预编码矩阵
Figure GDA0002382652380000024
以及功率控制因子
Figure GDA0002382652380000025
S3、计算用户n的接收信干噪比
Figure GDA0002382652380000026
以及当前信道的理论数据可达速率上界Rn＝log2(1+SINRn)；
S4、计算基站侧不同用户对应的脊髓码编码块长
Figure GDA0002382652380000027
其中，
Figure GDA0002382652380000028
为向上取整操作；
S5、根据接收信干噪比SINRn，选取不同的脊髓码打孔参数Lsub,n；
S6、基站侧每个用户的脊髓编码器根据参数Kn和Lsub,n，对原始数据进行编码输出，得到B个数据块的编码输出向量
Figure GDA0002382652380000029
S7、采用交织器对
Figure GDA00023826523800000213
进行交织，得到交织后的信号向量为
Figure GDA00023826523800000214
S8、对N路交织信号向量
Figure GDA00023826523800000216
进行预编码，得到发送信号向量
Figure GDA00023826523800000215
Figure GDA00023826523800000218
通过下行传输信道
Figure GDA00023826523800000217
到达每个用户接收天线；
S9、在接收端，每个用户对收到的B个符号进行解交织，得到解交织符号
Figure GDA00023826523800000210
S10、每个用户通过控制信道获取基站侧的编码块长Kn和打孔参数Lsub,n，然后采用脊髓译码器对
Figure GDA00023826523800000219
进行译码输出；
S11、用户对译码输出信息进行CRC校验，如果校验成功，则通过反馈信道通知基站侧发送新的数据；如果校验失败，则通过反馈信道通知基站侧发送更多冗余的脊髓编码符号进行译码。
进一步地，所述的步骤S5中根据接收信干噪比SINRn，选取不同的脊髓码打孔参数Lsub,n的具体实现步骤如下：
S51、计算用户n采用脊髓编码达到的实际数据速率
Figure GDA0002382652380000031
与Rn之间的差值，得到
Figure GDA0002382652380000032
其中，存在正整数a1和a2，满足θ(x)∈[a1x,a2x]；
S52、计算用户成功译码一次数据所实现的传输效率
Figure GDA0002382652380000033
S53、选取参数ε1和ε2，使得
Figure GDA0002382652380000034
和
Figure GDA0002382652380000035
始终成立，因此需要满足
Figure GDA0002382652380000036
由此可知，在Rn增加的情况下，需选择增大Lsub,n；在Rn变小的情况下，需选择减小Lsub,n。
进一步地，所述的步骤S6中基站侧脊髓码编码器根据参数Kn和Kn对每个用户的原始数据进行编码，得到B个数据块的编码输出向量
Figure GDA0002382652380000037
的具体实现如：
S61、用户原始数据被分为B个数据块，每个数据块mi,i＝1,...,B长度为Kn比特；
S62、mi经过哈希函数h映射，得到输出值vi＝h(mi,vi-1)，vi长度为c0比特，其中v0是在收发两端都已知的初始值，vi经过随机数生成RNG函数映射，得到B个编码符号输出RNG(vi)，每个符号长度为c1比特；
S63、根据Lsub,n，确定打孔后每次传输的符号个数为
Figure GDA0002382652380000038
进一步地，所述的步骤S7中采用交织长度为B的旋转交织器对
Figure GDA0002382652380000039
进行交织，具体实现步骤如下：
S71、将编码输出向量
Figure GDA0002382652380000048
按照行的顺序写入到
Figure GDA0002382652380000041
行和α列的矩阵，得到编码输出矩阵
Figure GDA0002382652380000042
S72、交织时从矩阵
Figure GDA0002382652380000049
的左上角第一个元素
Figure GDA00023826523800000410
开始向下方读取数据，每向下一行，同时右移一位，行方向和列方向分别对地址索引取模
Figure GDA0002382652380000043
和α，得到交织后的信号向量
Figure GDA00023826523800000411
进一步地，所述的步骤S10中每个用户通过控制信道获取基站侧的编码块长Kn和打孔参数Lsub,n，然后采用脊髓译码器对
Figure GDA00023826523800000412
进行译码输出的具体实现如下：
S101、以v0为根节点，构建高度为B+1的译码树，第i层有
Figure GDA0002382652380000044
个节点，每个父节点包含有
Figure GDA0002382652380000045
个子节点，父节点与各子节点之间的边值为
Figure GDA0002382652380000046
S102、遍历译码树的所有节点，使得度量函数
Figure GDA0002382652380000047
最小的{mi}为译码输出。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明公开的基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法，相对于传统固定速率编码来说，能够显著提升Massive MIMO系统在非理想CSI下的吞吐量。
2、本发明公开的基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法传输效率高，相比于采用静态编码块长的脊髓编码MassiveMIMO系统传输方法，该方法具有更优的传输效率。
附图说明
图1是本发明所提的基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法实现步骤流程图；
图2是打孔参数选取、脊髓编码与交织实现步骤流程图；
图3是脊髓译码实现步骤流程图；
图4基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统示意图；
图5是脊髓码与LDPC实现的系统吞吐量对比图，其中δe＝0.1；
图6是脊髓码在不同打孔方案下实现的系统吞吐量图；
图7是块长自适应的脊髓码与静态块长脊髓码的传输效率对比图，其中δe＝0.1。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法，基站侧根据当前信道传输质量，动态调整脊髓编码的编码方案，该基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法包括下列步骤：
S1、初始化系统参数，确定基站侧天线数目M，单天线用户数目N，以及单根接收天线上的有效信号功率P，给定第
Figure GDA00023826523800000612
次信号传输的下行信道大尺度矩阵
Figure GDA00023826523800000613
为对角矩阵，小尺度矩阵
Figure GDA0002382652380000061
则实际传输信道矩阵
Figure GDA0002382652380000062
给定估计的信道矩阵为
Figure GDA0002382652380000063
信道估计误差因子δe。
S2、计算预编码矩阵
Figure GDA0002382652380000064
以及功率控制因子
Figure GDA0002382652380000065
S3、计算用户n的接收信干噪比
Figure GDA0002382652380000066
以及当前信道的理论数据可达速率上界Rn＝log2(1+SINRn)。
S4、计算基站侧不同用户对应的脊髓码编码块长
Figure GDA0002382652380000067
其中，
Figure GDA0002382652380000068
为向上取整操作。
S5、根据接收信干噪比SINRn，选取不同的脊髓码打孔参数Lsub,n。其中，该步骤S5的具体过程如下：
S51、计算用户n采用脊髓编码达到的实际数据速率
Figure GDA0002382652380000069
与Rn之间的差值，得到
Figure GDA00023826523800000610
其中，存在正整数a1和a2，满足θ(x)∈[a1x,a2x]；
S52、计算用户成功译码一次数据所实现的传输效率
Figure GDA00023826523800000611
S53、选取参数ε1和ε2，使得
Figure GDA0002382652380000071
和
Figure GDA0002382652380000072
始终成立。因此需要满足
Figure GDA0002382652380000073
由此可知，在Rn增加的情况下，需增大Lsub,n；在Rn变小的情况下，需减小Lsub,n。
S6、基站侧脊髓码编码器根据参数Kn和Lsub,n对每个用户的原始数据进行编码输出，得到B个数据块的编码输出向量
Figure GDA0002382652380000074
其中，该步骤S6具体过程如下：
S61、用户原始数据被分为B个数据块，每个数据块mi,i＝1,...,B长度为Kn比特；
S62、mi经过哈希函数h映射，得到输出值vi＝h(mi,vi-1)，vi长度为c0比特，其中v0是在收发两端都已知的初始值，vi经过随机数生成RNG函数映射，得到B个编码符号输出RNG(vi)，每个符号长度为c1比特；
S63、根据Lsub,n，确定打孔后每次传输的符号个数为
Figure GDA0002382652380000075
S7、采用交织器对
Figure GDA0002382652380000078
进行交织，得到交织后的信号向量为
Figure GDA00023826523800000710
其中，该步骤S7中采用交织长度为B的旋转交织器对
Figure GDA0002382652380000079
进行交织，但旋转交织器不构成对本发明技术方案的限制，其他具有相同功能的交织器都构成对本发明的技术限制，具体实现步骤如下：
S71、将编码输出向量
Figure GDA00023826523800000711
按照行的顺序写入到
Figure GDA0002382652380000076
行和α列的矩阵，得到编码输出矩阵
Figure GDA0002382652380000077
S72、交织时从矩阵
Figure GDA00023826523800000811
的左上角第一个元素
Figure GDA00023826523800000812
开始向下方读取数据，每向下一行，同时右移一位。行方向和列方向分别对地址索引取模
Figure GDA0002382652380000081
和α，得到交织后的信号向量
Figure GDA00023826523800000813
S8、对N路交织信号向量
Figure GDA00023826523800000814
进行预编码，得到发送信号向量
Figure GDA00023826523800000815
Figure GDA00023826523800000816
通过下行传输信道
Figure GDA00023826523800000817
到达每个用户接收天线。
S9、在接收端，每个用户对收到的B个符号进行解交织，得到解交织符号
Figure GDA0002382652380000082
S10、每个用户通过控制信道获取基站侧的编码块长Kn和打孔参数Lsub,n，然后采用脊髓译码器对
Figure GDA00023826523800000818
进行译码输出。其中，该步骤S10具体过程如下：
S101、以v0为根节点，构建高度为B+1的译码树，第i层有
Figure GDA0002382652380000083
个节点，每个父节点包含有
Figure GDA0002382652380000084
个子节点，父节点与各子节点之间的边值为
Figure GDA0002382652380000085
S102、遍历译码树的所有节点，使得度量函数
Figure GDA0002382652380000086
最小的{mi}为译码输出。
S11、用户对译码输出信息进行CRC校验，如果校验成功，则通过反馈信道通知基站侧发送新的数据；如果校验失败，则通过反馈信道通知基站侧发送更多冗余的脊髓编码符号进行译码。
当采用基于动态编码块长与打孔方案的脊髓编码时，大规模多天线系统能够实现
Figure GDA0002382652380000087
以及传输效率
Figure GDA0002382652380000088
在Rn增加的情况下，增大Lsub,n；在Rn变小的情况下，减小Lsub,n，这种打孔方法能够同时保证小的
Figure GDA0002382652380000089
和大的
Figure GDA00023826523800000810
所以，本实施例提出的基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法能够同时保证系统高可靠和高效率地传输。
实施例二
本实施例结合说明书附图4至图7并以一个具体的基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输实施例对本发明提出的高效率传输方法做详细的说明。
考虑基于块长自适应的脊髓编码Massive MIMO系统模型如图4所示。基站侧天线数目M＝64，单天线用户数目N＝4，
Figure GDA0002382652380000091
Figure GDA0002382652380000093
每个用户接收信号功率为P，噪声功率为1，接收信噪比SNR＝P。
首先，用户原始数据un经过脊髓编码，其中v0＝0，c0＝32，c1＝10，对比系统的静态编码块长为8比特。其次，脊髓编码符号进行旋转(rotation)交织，得到交织后的符号，其中α＝2。然后，进行预编码得到发送信号向量，经过无线Massive MIMO传输信道到达接收端。
接收端对收到的信号首先进行解交织，然后送往脊髓码译码器进行译码输出
Figure GDA0002382652380000092
用户对译码信息进行CRC校验。如果校验成功，则通过确认反馈信道通知基站侧发送新的数据；如果校验失败，则通过确认反馈信道通知基站侧发送更多冗余的脊髓码符号进行译码。
图5吞吐量结果表明，在有信道估计误差下，基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法能达到比LDPC更高的数据速率。
图6的数值结果表明，当采用脊髓码采用动态编码块长时，实施打孔方案能够减小系统实现的数据速率与理论可达速率之间的差距，特别是在信道质量好的情况下。
图7的数值结果表明，相比于采用静态编码块长的脊髓编码MassiveMIMO系统传输方案，所申请的方案具有更优的传输效率。结合图6和图7的数值仿真结果可知，基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法能同时保证系统可靠性与高效率。
根据上述的数值结果证明，本实施例提出的基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法能够同时兼顾Massive MIMO系统的可靠性与高效性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤:
S1、初始化系统参数，确定基站侧天线数目M，单天线用户数目N，以及单根接收天线上的有效信号功率P，给定第l次信号传输的下行信道大尺度矩阵Dl＝diag(d1l,d2l,...,dnl,...dNl)为对角矩阵，小尺度矩阵
Figure FDA0002382652370000011
则实际传输信道矩阵
Figure FDA0002382652370000012
给定估计的信道矩阵为
Figure FDA0002382652370000013
信道估计误差因子δe；
S2、计算预编码矩阵
Figure FDA0002382652370000014
以及功率控制因子
Figure FDA0002382652370000015
S3、计算用户n接收信干噪比
Figure FDA0002382652370000016
以及当前信道的理论数据可达速率上界Rn＝log2(1+SINRn)；
S4、计算基站侧不同用户对应的脊髓码编码块长
Figure FDA0002382652370000017
其中，
Figure FDA0002382652370000018
为向上取整操作；
S5、根据接收信干噪比SINRn，选取不同的脊髓码打孔参数Lsub,n，具体实现步骤如下：
S51、计算用户n采用脊髓编码达到的实际数据速率
Figure FDA0002382652370000019
与Rn之间的差值，得到
Figure FDA00023826523700000110
其中，存在正整数a1和a2，满足θ(x)∈[a1x,a2x]；
S52、计算用户成功译码一次数据所实现的传输效率
Figure FDA0002382652370000021
S53、选取参数ε1和ε2，使得
Figure FDA0002382652370000022
和
Figure FDA0002382652370000023
始终成立，因此需要满足
Figure FDA0002382652370000024
S6、基站侧每个用户的脊髓编码器根据参数Kn和Lsub,n，对其原始数据进行编码输出，得到B个数据块的编码输出向量
Figure FDA0002382652370000025
具体实现步骤如下：
S61、用户原始数据被分为B个数据块，每个数据块mi,i＝1,...,B长度为Kn比特；
S62、mi经过哈希函数h映射，得到输出值vi＝h(mi,vi-1)，vi长度为c0比特，其中v0是在收发两端都已知的初始值，vi经过随机数生成RNG函数映射，得到B个编码符号输出RNG(vi)，每个符号长度为c1比特；
S63、根据Lsub,n，确定打孔后每次传输的符号个数为
Figure FDA0002382652370000026
S7、采用交织器对Snl进行交织，得到交织后的信号向量为S′nl，具体实现步骤如下：
S71、将编码输出向量Snl＝(s1,nl,s2,nl,...,sB,nl)按照行的顺序写入到
Figure FDA0002382652370000027
行和α列的矩阵，得到编码输出矩阵
Figure FDA0002382652370000028
S72、交织时，从矩阵Snl的左上角第一个元素s1,nl开始向下方读取数据，每向下一行，同时右移一位，行方向和列方向分别对地址索引取模
Figure FDA0002382652370000029
和α，得到交织后的信号向量S′nl；
S8、对N路交织信号向量Sl进行预编码，得到发送信号向量Xl＝WlSl，Xl通过下行传输信道Hl到达每个用户接收天线；
S9、在接收端，每个用户对收到的B个符号进行解交织，得到解交织符号
Figure FDA0002382652370000031
S10、每个用户通过控制信道获取基站侧的编码块长Kn和打孔参数Lsub,n，然后采用脊髓译码器对ynl进行译码输出，具体实现步骤如下：
S101、以v0为根节点，构建高度为B+1的译码树，第i层有
Figure FDA0002382652370000034
个节点，每个父节点包含有
Figure FDA0002382652370000035
个子节点，父节点与各子节点之间的边值为
Figure FDA0002382652370000032
S102、遍历译码树的所有节点，使得度量函数
Figure FDA0002382652370000033
最小的{mi}为译码输出；
S11、用户对译码输出信息进行CRC校验，如果校验成功，则通过反馈信道通知基站侧发送新的数据；如果校验失败，则通过反馈信道通知基站侧发送更多冗余的脊髓编码符号进行译码。
2.根据权利要求1所述的基于块长自适应的脊髓编码大规模多天线系统无速率传输方法，其特征在于，所述的步骤S5中，在Rn增加的情况下，需选择增大Lsub,n；在Rn变小的情况下，需选择减小Lsub,n。
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