CN109964426A - 在具有分布匹配和统计幅度成形的系统中利用符号分布的误差检测 - Google Patents

在具有分布匹配和统计幅度成形的系统中利用符号分布的误差检测 Download PDF

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Abstract

一种用于解析接收信号的信号接收器，该接收器用于执行以下步骤：解码该接收信号，以形成假定表示该接收信号的内容的符号序列；比较该序列内符号的出现频率与预定符号分布；以及如果该符号序列内符号的相对出现频率与该预定分布不匹配，则将该符号序列视为该接收信号的内容的错误表示。

Description

在具有分布匹配和统计幅度成形的系统中利用符号分布的误 差检测
技术领域
本发明涉及以利用预定符号分布的方式对信号进行解码和编码。
背景技术
为了使通信系统实现AWGN信道容量，系统中使用的发送符号必须是高斯分布。这只能在实际系统中近似。对于高阶星座，使用均匀分布的正交幅度调制(quadratureamplitude modulation，QAM)符号导致高达1.53dB的成形损耗。当前在诸如DVB、LTE、WiFi、xDSL和光纤通信等的大多数通信系统中使用的具有并行逐位(parallel bit-wise)解映射和解码的比特交织编码调制(Bit-interleaved coded modulation，BICM)会导致额外的损耗。如图1所示，对于2至5比特bits/s/Hz(比特/秒/赫兹)的频谱效率，均匀(uniform)64QAM的总损耗可能达到1dB以上。在一些系统中，通过统计成形(probabilistic shaping，PS)几乎可以完全消除这些损耗，其中QAM符号遵循近似离散的高斯分布。
一些系统采用成形来影响符号分布，例如，网格成形(trellis shaping)、壳状映射(shell mapping)和叠加编码(superposition coding)。这些可能会影响性能，或者可能需要在接收器处进行相对复杂的迭代解映射。
最近已经提出了一种简单的统计幅度成形(probabilistic amplitude shaping，PAS)方案，其可以使用具有迭代解码的标准二进制信道码来接近大块长度的信道容量(详细参见G.F.Steiner和P.Schulte，“带宽有效和速率匹配的低密度奇偶校验编码调制”(Bandwidth efficient and rate-matched low-density parity-check codedmodulation)，IEEE通信学报(IEEE Trans.Commun.)，63卷，12期，4651-4665页，2015年12月)。它使用所谓的恒定组分分布匹配(constant composition distribution matching，CCDM)来近似最优符号分布(详细参见P.Schulte和G.“恒定组分分布匹配”(Constant Composition Distribution Matching)，IEEE信息论汇刊(IEEETrans.Inf.Theory)，62卷，1期，430-434页，2016年1月)。然而，CCDM会引发短块长度的速率损耗，这可能超过实现的成形增益。
短码的另一个问题是迭代解码也不能很好地执行。作为替代方法，在相关文献中已经提出了几种列表解码算法来接近最优的最大似然(maximum likelihood，ML)解码器的性能。这些算法通常采用外部错误检测码，例如循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)，其从所生成的候选列表中选择有效的码字。CRC码也用于混合ARQ方案，以检查消息是否被正确接收。虽然对于大的消息长度可以忽略附加的CRC位，但是对于短块，开销和所产生的速率损耗更为重要。
需要提高概率成形编码方案的效率，特别是对于短块长度。
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于解析接收信号的信号接收器，所述接收器用于执行以下步骤：解码所述接收信号，以形成假定表示所述接收信号的内容的符号序列；比较所述序列内符号的出现频率与预定符号分布；以及如果所述符号序列内符号的相对出现频率与所述预定分布不匹配，则将所述符号序列视为所述接收信号的内容的错误表示。
所述序列可以按时间和/或根据索引进行排序。
所述接收器可以用于如果所述符号序列内符号的相对出现频率与所述预定分布不匹配，则请求重传所述接收信号。因此，符号与分布的匹配可以用作错误检查。
所述接收器可以用于：解码所述接收信号，以形成假定表示所述接收信号的内容的多个符号序列；比较每个序列内符号的相对出现频率与所述预定符号分布；以及选择所述符号序列或每个符号序列作为所述接收信号的候选表示，其中所述符号序列或每个所述符号序列内符号的平均出现频率最佳地匹配所述预定分布。因此，符号与分布的匹配可以用于在候选解码之间进行选择。
所述接收器可以用于，如果所述符号序列中的多于一个的符号序列与所述预定分布匹配，则对匹配的所述序列执行最大似然检测处理以选择所述接收信号的单个候选表示。这可以用于在候选解码之间进行选择。
所述解码步骤由第一处理执行，并且所述接收器可以用于，如果所述符号序列内符号的出现频率与所述预定分布不匹配，则通过与所述第一处理不同的第二处理解码所述接收信号，以便形成假定表示所述接收信号的内容的第二符号序列。因此，符号与分布的匹配可以用于评估第一处理是否足以解码信号。
所述第二处理可能比所述第一处理计算密集度更高。因此，如果可能的话，最好省略该处理。
所述第一处理可以是迭代前向纠错解码处理。因此可能相对有效。
所述预定分布可以包括多个符号中的每个符号的出现概率的定义。当所述符号序列中任何符号的相对出现频率偏离所定义的所述符号的出现概率至少预定量时，将所述符号序列内符号的出现频率视为与所述预定分布不匹配。所述预定量可以相当于所述信号的长度上的一个符号。这具有以下优点：概率评估可以严格地保持在预期分布上。如果在发送器处应用了严格的概率成形，这可能是有效的。
所述预定分布可以包括符号的多个特征中的每个特征的出现概率的定义。当具有所述符号的多个特征中的任何特征的符号的平均出现频率偏离所定义的具有所述特征的符号的出现概率预定量时，可以将所述符号序列内符号的出现频率视为与所述预定分布不匹配。因此，在评估其出现概率时，可以将符号组划分到一起。可能存在一个以上这样的组。
所述特征可以是或包括符号幅度。所述接收器可以用于接收根据采用统计幅度成形的编码方案编码的信号。所述接收器可以用于接收根据采用恒定组分分布匹配的编码方案编码的信号。这样的方案可以实现相对有效的带宽使用。
所述接收器可以用于解码所述接收信号，以通过依赖于候选序列内符号的相对出现频率与预定符号分布匹配的程度来对多个候选符号序列进行最大似然解码，从而形成表示所述接收信号的内容的符号序列。这可以用于在候选解码之间有效地进行选择。
根据第二方面，提供了一种通信系统，包括：发送器，用于根据编码方案编码数据信号为编码的符号序列，在所述编码方案下，必须以预定频率选择所述符号的至少一个符号的至少一个特征(characteristic)，并且将编码的所述符号序列作为发送信号发送；和如上所述的信号接收器，用于接收所述发送信号。
所述发送器可以用于根据采用统计幅度成形的编码方案编码所述数据信号以形成编码的所述符号序列。然后，所述接收器可以假设它可以在假设概率成形后的信号的情况下应用分析。
编码的所述序列中的所述符号可以具有多个幅度电平(amplitude levels)。所述发送器可以用于编码所述数据信号以形成编码的所述符号序列，使得具有每个幅度电平的符号在编码的所述符号序列上以预定频率出现。所述发送器可以用于编码所述数据信号以形成编码的所述符号序列，使得具有每个幅度电平的符号在编码的所述符号序列上以相等的频率出现。所述发送器可以用于根据采用恒定组分分布匹配的编码方案编码所述数据信号以形成所述符号。这些方法可以有效地利用带宽。
根据第三方面，提供了一种用于解析接收信号的方法，所述方法包括：解码所述接收信号，以形成假定表示所述接收信号的内容的符号序列；比较所述序列内符号的出现频率与预定符号分布；以及如果所述符号序列内符号的相对出现频率与所述预定分布不匹配，则将所述符号序列视为所述接收信号的内容的错误表示。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述本发明。在附图中：
图1示出了AWGN信道和分别具有均匀和优化分布的64QAM的可实现速率。
图2示出了利用统计幅度成形PAS的发送器/接收器系统的一般模型。
图3示出了随着幅度分布PA＝[0.4，0.3，0.2，0.1]，相比于离散无记忆源(discrete memoryless source，DMS)的熵，不同块长度n的CCDM的速率。
图4示出了用于基于类型检查和附加CRC对HARQ执行错误检测的架构。
图5示出了8-ASK，LTE Turbo码的FER[n＝20个符号，1.6比特/使用(bit/use)]。
图6示出了利用类型检查执行列表解码的架构。
图7示出了利用类型检查执行混合解码的架构。
具体实施方式
图2示出了用于实现PAS编码方案的基本系统模型。
1处的输入数据由分布匹配器(distribution matcher，DM)1映射到具有期望分布PA的幅度序列A1……An上。可以执行映射以将符号映射到高斯分布。幅度在编码器2中编码，由调制器3调制并在信道4上发送。在接收器处，符号在解调器5中解调，在解码器6中解码并在块7中逆分布匹配以产生恢复比特序列。
块8更详细地示出了块2和块3。
二进制标签b(·)与每个幅度电平相关联。使用由P表示的系统的信道编码器对这些比特进行编码。该信道编码器生成几乎均匀分布的奇偶校验位并确定发送符号X1……Xn的标记S1……Sn。这些标记乘以相应的幅度以形成发送符号。随后将发送符号按比例乘以Δ值，以满足针对期望功率分布的特定发送功率约束。在替换实施例中，分布匹配器直接生成具有期望分布的比特元组b1……bn，然后使用标准QAM符号映射器将其与由前向纠错(forward error correction，FEC)编码器生成的奇偶校验位(parity bits)一起映射到发送符号上。还可以通过均匀分布的数据位(data bits)结合更高的FEC码率替换一些奇偶校验位。在接收器处，基于观测到的接收信号计算逐位对数似然比(log-likelihood ratios，LLRs)，考虑非均匀发送符号分布。这些LLRs被馈送到FEC解码器6。它输出比特元组b1……bn的估计或等效地，幅度A1……An的估计，其最终由逆分布匹配器7映射回数据位。
理想情况下，幅度A1……An应该是独立且相同分布的(independent andidentically distributed，IID)，就好像它们是由离散无记忆源DMS产生的一样。这通常仅在实践中由分布匹配器近似实现。通过利用CCDM，期望的分布PA(a)由包含每个幅度电平a的相同类型的序列A1……An近似，精确地为na≈n·PA(a)次。数据位数k以及因此分布匹配器的速率Rccdm＝k/n的上限由具有期望类型的序列数目限制，
其中，Μ/2表示M-幅移键控(amplitude shift keying，ASK)的幅度电平数。如图3所示，对于具有四个幅度电平的示例，CCDM的速率接近DMS的熵，并且对于大块长度n具有期望的幅度分布。然而，对于短块，CCDM会导致速率损耗。原因可能包括(a)具有期望类型的序列的数量通常不是2的幂，因此仅使用序列的子集以便获得k个数据位和n个幅度之间的可逆映射；以及(b)由于所有序列A1……An具有相同的类型，因此幅度在统计上不是独立的。CCDM可以通过算术编码有效地实现，而不需要存储期望类型的所有序列。
实质上，分布匹配器1引入了附加冗余。原因在于，为了能够固定发送信号的一个方面的概率成形(在幅度电平的分布的情况下)，系统对发送信号的自由度降低。
在下面要描述的系统中，接收器使用该附加冗余来执行错误检测和/或纠错。这可以提高接收器的效率。
当以上述方式使用CCDM发送信号时，接收器可以使用简单类型检查来验证接收信号的候选/假设解码。应用于发送器的约束意味着对于给定的块长度n和幅度分布PA(a)，正确解码的接收信号中的每个幅度序列A1……An必须包含幅度电平a恰好na次。由此得出，在接收器处，由FEC解码器输出的不满足该条件的任何版本的解码信号都不能对应于正确解码的信号。该原理意味着可以通过计算候选解码中的幅度并将它们与值na中的一个或多个进行比较来在接收器处采用错误检测或改进的解码机制。
因此，可以利用用于错误检测的发送序列中的模式来允许降低专用纠错码(例如CRC)所需的开销。
采用该方法的实施例可以提供若干优点。可以在接收器处利用可用冗余来提高效率。这有助于补偿由发送器处的分布匹配器导致的速率损耗。当使用CCDM对信号进行编码时，可以通过计算幅度非常简单地执行分布分析。该方法可以与标准二进制FEC码和QAM符号映射器一起使用，并且如果需要可以与附加的短外部CRC码组合。
通过与预定分布相比测试接收符号的假定序列，该预定分布已知是接收信号的正确解码的属性，可以评估假定序列是错误解码还是合理解码。上述决定可以支持接收器处的多个动作中的任何一个。一些示例如下。
1、接收器可以用于如果假定表示接收消息的正确解码的接收符号序列与预定分布不匹配，则请求重传该消息。这可以形成混合自动重传请求(hybrid automatic repeatrequest，HARQ)方案的一部分。
2、接收器可以用于形成多个接收符号序列，其可以表示对接收消息的正确解码。接收器可以基于其具有这些序列与预定分布的最佳拟合来选择其中之一作为优选解码。候选解码(码字)可以由列表解码算法生成。
3、接收器可以用于在接收消息时首先尝试使用相对低复杂度和/或相对高效率的算法来解码该消息。这生成候选解码。然后，接收器可以与预定分布相比来测试该解码。如果它与分布匹配，那么它可以被视为正确的解码。否则，接收器可以使用相对高复杂度和/或相对低效率的算法再次解码消息。例如，算法可以是FEC解码算法。
为了采用上述方法，接收器需要知道发送器应用的分布。该分布可以应用于每符号精度，或者发送器可以允许在应用分布时有一些余地。在后一种情况下，接收器还必须知道与期望分布的允许偏差。可以预先确定分布和允许偏差(如果有的话)并将其存储在接收器中。或者，它/它们可以例如使用控制信道从发送器发信号通知给接收器。在CCDM的情况下，由接收器存储和/或发送到接收器的参数可以包括在发送器处采用的符号映射、幅度分布PA(a)和FEC码参数。
在一个示例中，接收器对FEC解码器输出执行先前描述的类型检查以生成用于HARQ的确认/否定确认(Acknowledged/Not Acknowledged，ACK/NACK)信号。如果FEC解码器输出处的序列不具有正确类型，则将NACK消息反馈给发送器以请求重传。为了提高错误检测性能，该方案可以与附加的CRC码组合。仅当(i)类型检查与预期分布匹配并且(ii)由接收器针对候选接收码字计算的CRC值与接收到的CRC匹配时，解码器输出才被认为是正确的。在那种情况下，候选码字被传递以在接收器处进一步处理，并且可以发送ACK消息。图4示出了这种接收器的两种可能的实现方式。示例(a)适用于发送器处在图2的分布匹配器1之前添加CRC的情况。在该示例中，解码器输入传递到FEC解码器20。然后在块21中执行类型检查。根据该类型检查的结果，可以将NACK消息返回给发送器。然后在块22中，执行逆CCDM过程。然后在块23中解码CRC。如果CRC不匹配，则可以将NACK返回到发送器。否则，可以传递码字用于进一步处理，并且可以返回ACK。示例(b)适用于发送器处在分布匹配器1之后添加CRC的情况。该示例类似于示例(a)，除了CRC解码的顺序被移至FEC解码和类型检查之间，因此类型检查形成关于候选码字是否被接受的最终决定。
在第二示例中，类型检查与列表解码器组合，如图6所示。列表解码器根据解码器输入生成候选码字列表。可以采用的列表解码算法的示例包括：
·“卷积码的列表维特比算法LVA”(List Viterbi algorithm(LVA)forconvolutional codes)(参见例如N.Seshadri和C.-E.W.Sundberg，“应用型的列表维特比解码算法”，(List Viterbi decoding algorithms with applications)，IEEE通信学报(IEEE Trans.Commun.)，42卷，313-323页，1994年2月/3月/4月)。
·“极化码的连续消除列表SCL解码”(Successive cancellation list(SCL)decoding for polar codes)(参见例如I.Tal和A.Vardy，“极化码的列表解码”(Listdecoding of polar codes)，IEEE信息论汇刊(IEEE Trans.Inf.)，61卷，第5期，2213-2226页，2015年5月)。
·“用于二进制线性分组码的有序统计解码OSD”(Ordered statistics decoding(OSD)for binary linear block codes)(参见例如M.P.C.Fossorier和S.Lin，“基于有序统计的线性分组码的软判决解码”，(Soft-decision decoding of linear block codesbased on ordered statistics)，IEEE信息论汇刊(IEEE Trans.Inf.Theory)，41卷，1379-1396页，1995年9月)。
列表解码机制形成候选码字列表。从该列表中，不具有正确类型(即，与预期分布不匹配)的码字可被视为无效。有三种可能的结果：
·没有码字具有正确的类型。在这种情况下，解码器可以声明失败(在这种情况下，它可以向发送器发送NACK消息)或者放宽用于生成候选成员列表的标准并且使用增加的列表重复该过程。
·恰好一个码字具有正确的类型。然后可以选择它作为解码器输出。
·一个以上的码字具有正确的类型。在这种情况下，可以对正确类型的候选码字执行最大似然(maximum likelihood)检测。可以根据最大似然ML标准从缩减列表中选择最可能的码字。
在第三示例中，如图7所示，如果检测到错误，则类型检查可用于从低复杂度解码算法(例如，迭代算法和/或FEC算法)切换到高级解码器。这对于Turbo码和低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check，LDPC)码尤其有用。例如，高级解码器可以是具有类型检查的列表解码器，如参考图6所述。类型检查还可以用作提前终止标准，以在达到最大迭代次数之前停止迭代解码器。
具有类型检查的列表解码的模拟性能增益在图5中示出。使用没有类型检查的标准迭代解码，由于CCDM的速率损耗，成形后的8-ASK估计比没有成形的均匀8-ASK差几乎0.5dB。作为替换方案，可以使用有序统计解码(ordered statistics decoding，OSD)来生成最可能的码字列表(关于OSD的细节，参见例如M.P.C.Fossorier和S.Lin，“基于有序统计的线性分组码的软判决解码”，IEEE信息论汇刊(IEEE Trans.Inf.Theory)，41卷，1379-1396页，1995年9月)。在这种情况下，与均匀符号相比，接收器处的具有类型检查的成形估计提供大约1dB的增益，这表明如果在接收器处利用相应的冗余，则可以完全补偿CCDM的速率损耗。还示出了混合FEC解码算法的模拟性能，该算法在不满足类型检查的情况下从迭代解码切换到OSD。它比具有OSD的均匀ASK更好，同时具有低得多的平均复杂度。
本文描述的方法不限于使用通过利用CCDM进行统计成形编码的信号。当发送器被约束为将某个出现分布应用于编码和发送信号的符号时，它可以应用于使用其他方案编码的信号。可以在符号级别应用概率分布(例如，它可以要求特定符号与特定频率一起使用，例如在消息的长度上)，或者可以将其应用于符号组(例如，它可以要求例如特定IQ象限中的所有符号等的符号组以特定频率使用，例如在消息的长度上)。其他分布可以调用发送信号中的其他模式以检测接收器处的解码错误，例如具有特定结构的已知协议报头。通过使用其他模式检查替换或补充类型检查，可以相应地调整先前描述的实施例。
上述功能可以在专用硬件中执行，或者适当地，在接收器或发送器处由执行存储在存储器中的软件的一个或多个处理器执行。
执行上述功能的发送器可能能够执行如上所述的接收器的功能。因此，上述过程可以在通信链路上双向应用。
申请人在此独立地公开了本文所述的每个单独的特征以及两个或更多个这样的特征的任何组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为整体根据本领域技术人员的公知常识来执行，而不管这些特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以包括任何这样的单独特征或特征组合。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (20)

1.一种用于解析接收信号的信号接收器，所述接收器用于执行以下步骤：
解码所述接收信号，以形成假定表示所述接收信号的内容的符号序列；
比较所述序列内符号的出现频率与预定符号分布；以及
如果所述符号序列内符号的相对出现频率与所述预定分布不匹配，则将所述符号序列视为所述接收信号的内容的错误表示。
2.如权利要求1所述的信号接收器，所述接收器用于如果所述符号序列内符号的相对出现频率与所述预定分布不匹配，则请求重传所述接收信号。
3.如前述任一项权利要求所述的信号接收器，所述接收器用于：解码所述接收信号，以形成假定为表示所述接收信号的内容的多个符号序列；
比较每个序列内符号的相对出现频率与所述预定符号分布；以及
选择所述符号序列或每个符号序列作为所述接收信号的候选表示，其中所述符号序列或每个所述符号序列内符号的平均出现频率最佳地匹配所述预定分布。
4.如权利要求3所述的信号接收器，其中所述接收器用于，如果所述符号序列中的多于一个的符号序列与所述预定分布匹配，则对匹配的所述序列执行最大似然检测处理以选择所述接收信号的单个候选表示。
5.如权利要求1所述的信号接收器，其中所述解码步骤由第一处理执行，并且所述接收器用于，如果所述符号序列内符号的出现频率与所述预定分布不匹配，则通过与所述第一处理不同的第二处理解码所述接收信号，以便形成假定表示所述接收信号的内容的第二符号序列。
6.如权利要求5所述的信号接收器，其中所述第二处理比所述第一处理计算密集度更高。
7.如权利要求5或6所述的信号接收器，其中所述第一处理是迭代前向纠错解码处理。
8.如前述任一项权利要求所述的信号接收器，其中所述预定分布包括多个符号中的每个符号的出现概率的定义，并且当所述符号序列中任何符号的相对出现频率偏离所定义的所述符号的出现概率至少预定量时，将所述符号序列内符号的出现频率视为与所述预定分布不匹配。
9.如权利要求8所述的信号接收器，其中所述预定量相当于所述信号的长度上的一个符号。
10.如前述任一项权利要求所述的信号接收器，其中所述预定分布包括符号的多个特征中的每个特征的出现概率的定义，并且当具有所述符号序列中的多个特征中的任何特征的符号的平均出现频率偏离所定义的具有所述特征的符号的出现概率预定量时，将所述符号序列内符号的出现频率视为与所述预定分布不匹配。
11.如权利要求10所述的信号接收器，其中所述特征是符号幅度。
12.如前述任一项权利要求所述的信号接收器，其中所述接收器用于接收根据采用统计幅度成形的编码方案编码的信号。
13.如前述任一项权利要求所述的信号接收器，其中所述接收器用于接收根据采用恒定组分分布匹配的编码方案编码的信号。
14.一种用于解析接收信号的信号接收器，所述接收器用于解码所述接收信号，以通过依赖于候选序列内符号的相对出现频率与预定符号分布匹配的程度来对多个候选符号序列进行最大似然解码，从而形成表示所述接收信号的内容的符号序列。
15.一种通信系统，包括：
发送器，用于根据编码方案编码数据信号为编码的符号序列，在所述编码方案下，必须以预定频率选择至少一个符号，并且将编码的所述符号序列作为发送信号发送；和
如权利要求1至14中任一项所述的信号接收器，用于接收所述发送信号。
16.如权利要求15所述的通信系统，其中所述发送器用于根据采用统计幅度成形的编码方案编码所述数据信号以形成编码的所述符号序列。
17.如权利要求15所述的通信系统，其中所述符号具有多个幅度电平，并且所述发送器用于编码所述数据信号以形成编码的所述符号序列，使得具有每个幅度电平的符号在编码的所述符号序列上以预定频率出现。
18.如权利要求15所述的通信系统，其中所述符号具有多个幅度电平，并且所述发送器用于编码所述数据信号以形成编码的所述符号序列，使得具有每个幅度电平的符号在编码的所述符号序列上以相等的频率出现。
19.如权利要求15至18中任一项所述的通信系统，其中所述发送器用于根据采用恒定组分分布匹配的编码方案编码所述数据信号以形成所述符号。
20.一种用于解析接收信号的方法，所述方法包括：
解码所述接收信号，以形成假定表示所述接收信号的内容的符号序列；
比较所述序列内符号的出现频率与预定符号分布；以及如果所述符号序列内符号的相对出现频率与所述预定分布不匹配，则将所述符号序列视为所述接收信号的内容的错误表示。
CN201680090497.8A 2016-10-31 2016-10-31 用于解析接收信号的信号接收器和方法、通信系统 Active CN109964426B (zh)

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