CN110140330B

CN110140330B - 用于整形数据序列概率分布的装置和方法

Info

Publication number: CN110140330B
Application number: CN201780081987.6A
Authority: CN
Inventors: 马尔钦·皮库斯; 许文
Original assignee: Huawei Technologies Duesseldorf GmbH
Current assignee: Huawei Technologies Duesseldorf GmbH
Priority date: 2017-01-02
Filing date: 2017-01-02
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2037-01-02
Also published as: WO2018121887A1; CN110140330A

Abstract

一种概率整形器，包括输入端，被配置为接收具有第一概率分布的输入数据序列。该概率整形器也包括分路器，被配置为将该输入数据序列划分为多个独立数据序列。概率整形器包括多个整形编码器。每个整形编码器被配置为接收相应的一个独立数据序列，并将其映射到具有与第一概率分布不同的概率分布的输出数据序列。每个整形编码器被配置为独立于其他整形编码器执行其映射。概率整形器还包括合路器，被配置为从多个整形编码器接收该输出数据序列，并将该输出数据序列合路成具有目标概率分布的单数据序列。该概率整形器通过将输入数据序列划分为可以并行处理的更短的序列，能够增加吞吐量。

Description

用于整形数据序列概率分布的装置和方法

技术领域

本申请涉及用于整形数据序列概率分布的装置和方法。

背景技术

概率整形编码调制(probabilistically shaped coded modulation，PSCM)是一种支持带宽高效传输的传输方案，具有接近香农容量(Shannon capacity)的性能。该方案在发射端使用整形编码器(shaping encoder，ShEnc)和信道编码器(channel encoder，ChEnc)，在接收端使用信道译码器(channel decoder，ChDec)和其之后的整形译码器(shaping decoder，ShDec)。这带来了许多好处。首先，整形编码器将输入消息的均匀分布的比特转换为非均匀分布，使得信道输入符号接近能够实现信道容量的分布。其次，通过改变整形编码器的参数，发射器可以调整传输速率，而无需改变前向纠错(forward errorcorrection，FEC)码的参数。这两个方面都不同于传统的编码调制方案(例如比特交错编码调制(bit-interleaved coded modulation，BICM))。在传统的编码调制方案中，没有用于优化信道输入符号分布的分布匹配。并且在传统的编码调制方案中，速率匹配是通过调整FEC码的参数实现的。概率振幅整形(probabilistic amplitude shaping，PAS)是PSCM的一种，由G.Bocherer等人在“Bandwidth Efficient and Rate-Matched Low-DensityParity-Check Coded Modulation”(IEEE Trans.Commun.,vol.63,no.12,pp.4651-4665,2015)中提出。

如图1所示是PAS系统的框图。整形编码器101旨在产生一个符号序列(随机变量)，在给定符号序列作为输入的情况下，该符号序列具有期望的概率分布。输入符号通常具有均匀的概率分布。输出符号通常具有非均匀的概率分布。有时整形编码器被称为分布匹配器(distribution matcher，DM)，整形解码器被称为分布逆匹配器或反向DM。分布匹配通常在块到块(或块到可变长度)的基础上进行。换句话说，整形编码器通常将一个均匀分布的固定长度输入序列映射到一个根据期望的概率分布进行分布的固定长度(或可变长度，取决于输入序列)符号序列。映射应该是一对一的。

图1所示的PAS系统的工作原理如下：

·首先，假设图1中的系统配置为处理2^m-振幅移位键(amplitude shift key，ASK)符号集中的n_C个符号的块。

·k_C个均匀分布输入比特的序列

106进入整形编码器101。

·整形编码器101输出由符号集

形成的n_C个振幅的序列

108和概率分布为P_A 107。

·通过固定的映射b_A，每个振幅独立地进行映射102，映射到长度为m-1的对应比特标签。

·作为连接量的比特标签

109形成一个由(m-1)n_C比特组成的二进制序列。该序列由比率为R＝(m-1)/m的系统FEC编码器103编码。换句话说，每个振幅产生一个校验比特。

·二进制序列

110使用反向映射

映射回到振幅。二进制序列

111的n_C个校验比特根据如下表达式映射至符号S：

·序列

112和

113的n_C个振幅和符号以元素方式相乘105，并且缩放Δ114倍，以获得信道输入符号

115。

当前的PSCM实现使用算术编码，其实现了数百Mbps的吞吐量。然而，预计未来的移动通信需要吞吐量高达数十Gbps，预计光纤链路需要吞吐量达到Tbps(参见例如Buchali等人的“Experimental Demonstration of Capacity Increase and Rate-Adaptation byProbabilistically Shaped 64-QAM”，ECOC 2015的后期论文PDP.3.4)。

发明内容

本发明的目的是提供可以提供更高吞吐量的概率整形的概念。

通过独立权利要求的特征实现前述和其他目的。根据从属权利要求，说明书和附图，其他实施方式是明显的。

根据第一方面，提供了一种概率整形器，包括输入端，被配置为接收具有第一概率分布的输入数据序列。概率整形器也包括分路器，被配置为将该输入数据序列划分为多个独立数据序列。概率整形器包括多个整形编码器。每个该整形编码器被配置为接收相应的一个该独立数据序列，并将其映射到具有与第一概率分布不同的概率分布的输出数据序列。每个该整形编码器被配置为独立于其他整形编码器执行其映射。概率整形器还包括合路器，被配置为从多个该整形编码器接收该输出数据序列，并将该输出数据序列合路成具有目标概率分布的单数据序列。该概率整形器通过将输入数据序列划分为可以并行处理的序列，可以增加吞吐量。

该多个整形编码器和该合路器中的每一个可以被配置为将各自接收的数据序列映射到输出数据序列，该输出数据序列由各自相应的符号集形成，多个该整形编码器中的每一个被配置为映射到一个比合路器中符号集更小的符号集。这降低了各个整形编码操作的复杂性并进一步增加了吞吐量。

该合路器被配置为接收该输出数据序列并将其映射到单数据序列，该单数据序列由目标符号集形成，其中目标符号集包括多个符号，每个符号由一个或多个子符号表示。每个整形编码器可以被配置为将其各自相应的独立数据序列映射到输出数据序列，该输出数据序列是由包含至少一个子符号的符号集形成。因此，整形编码器能够输出各个数据序列，这些数据序列可以独立地形成，然后联合映射到目标符号集。

该分路器可以被配置为将该输入数据序列划分为多个该独立数据序列，多个该独立数据序列的数量与多个子符号的数量相等，该多个该子符号代表目标符号集中的每个符号。概率整形器可以被配置为，使得一个或多个该独立数据序列不输入整形编码器，而是输入至合路器。这可以进一步提高吞吐量并降低复杂性。

每个该子符号包括一个或多个比特级。该合路器可以被配置为处理来自多个该整形编码器的该输出数据序列，每个整形编码器提供该子符号相应的一个或多个比特级。这有助于合路器将整形编码器的输出联合映射到期望的目标符号集。

该合路器可以被配置为将该输出数据序列合路以形成单数据序列，通过对包括在多个该整形编码器的该输出数据序列中的一个或多个子符号进行合路，以形成子符号组合；并且将该子符号组合映射到该目标符号集中的符号，该目标符号集中的符号由该子符号组合表示。这使得合路器能够将整形编码器的输出联合映射到期望的目标符号集。

该目标符号集中的每个符号与各自相应的发送功率相关联。该合路器可以被配置为将该目标符号集中的每个符号视为由子符号的特定组合表示，由此该目标符号集中与该目标符号集中的另一个符号相关联的发射功率更高的发射功率相关联的符号被视为由特定的子符号组合表示，该子符号具有低于或等于特定概率的概率；该特定概率为代表其他符号的子符号的特定组合的概率。这通过使输出符号的输出分布接近高斯分布以改善性能。

合路器可以被配置为使用自然编码映射将子符号组合映射到目标符号集中的符号。这有助于提供概率有序的映射。

该合路器可以被配置为形成具有目标概率分布的该单数据序列，与第一概率分布相比，该目标概率分布预计将提供改进的传输性能。这些改进可能出现在任何领域，包括降低的错误率，降低的发射功率，降低的峰值平均功率比(Peak-to-Averaged Power ratio，PAPR)等。概率整形器因此能够提供改进的传输性能。

根据第二方面，提供了一种发射器，包括前面各段描述的概率整形器。

根据第三方面，提供了一种概率逆整形器，包括输入端，被配置为接收具有目标概率分布的输入数据序列。概率逆整形器还包括分频器，被配置为将输入数据序列划分成多个独立数据序列。概率逆整形器还包括多个整形解码器，每个该整形解码器被配置为接收相应的一个独立数据序列并将其逆映射到具有与该目标概率分布不同的概率分布的输出数据序列。每个该整形解码器独立于其他该整形解码器执行该逆映射。概率逆整形器还包括合路器，被配置为从多个该整形解码器接收该输出数据序列，并将其合路以形成具有该第一概率分布的单数据序列。因此，概率逆整形器通过将输入数据序列分成可以并行处理的序列，可以反转概率整形器的处理并增加吞吐量。

分频器可以包括逆映射器，被配置为接收该输入数据序列，该输入数据序列由目标符号集形成，其中该目标符号集包括多个符号，每个该符号可以由多个子符号表示。逆映射器也可以被配置为将该输入数据序列逆映射到逆映射数据序列；该逆映射数据序列是由包括多个该子符号的符号集形成的。逆映射器也可以被配置为输出该逆映射数据序列以划分成多个独立数据序列。因此，分频器能够将输入数据流分成适当的子符号序列，这些子符号序列可以被逆映射以回到输入到概率整形器中的原始数据。

分频器可以被配置为通过在相同序列中布置与相同子符号相对应的数据和在不同序列中布置与不同子符号相对应的数据，将该逆映射数据序列划分成多个该独立数据序列。因此，分频器可以将输入数据流分成可以独立逆映射的子符号序列。

根据第四方面，提供一种接收器，包括前述各段的概率逆整形器。

根据第五方面，提供一种方法，包括接收输入数据序列，该输入数据序列具有第一概率分布。该方法包括将该输入数据序列划分为多个独立数据序列。该方法包括将每个该独立数据序列独立地映射到输出数据序列，该输出数据序列的概率分布与该第一概率分布不同。该方法包括将该输出数据序列合路以形成具有目标概率分布的单数据序列。

附图说明

参考附图，以示例的方式描述本发明。在附图中：

图1示出了现有技术PAS系统的示例。

图2示出了根据本申请实施例提供的一种概率整形器的示例。

图3示出了根据本申请实施例提供的一种概率逆整形器的示例。

图4是对本申请实施例提供的一种整形技术的示例进行说明的流程图。

图5示出了概率整形器的更详细的示例。

图6示出了被配置为执行划分整形编码的概率整形器的示例。

图7示出了被配置为执行二进制划分整形编码的概率整形器的示例。

图8示出了结合在PCSM发送链中的概率整形器的示例。

图9示出了使用灰度二进制编码(Gray Binary Code)映射和自然二进制编码(Natural Binary Code)映射的划分整形编码器的仿真结果。

具体实施方式

图2示出了用于实现概率整形的装置的示例。这里称为“概率整形器”的装置可以用200表示。它包括输入端201，分路器202和多个整形编码器203。分路器被配置成从输入端接收输入数据序列，并将其分成多个独立数据序列。分路器可能只是一个开关，但它可以通过任何合适的进行划分输入数据流的方式实现，包括例如多路复用器。每个整形编码器被配置为接收一个独立数据序列并对其进行整形以生成输出数据序列，该输出数据序列具有与原始输入数据序列的概率分布不同的概率分布。整形编码器可以被配置为生成概率分布相同或彼此不同的输出序列。每个整形编码器独立于其他整形编码器执行其映射，因此每一个整形的操作与其他整形编码器进行的整形操作无关。

数据序列通常由多个比特或符号组成。这些比特或符号通常取自符号集，该符号集中定义了可用的比特或符号。例如，二进制符号集是集合{0,1}。数据序列的“概率分布”定义了该序列包含的不同符号集元素的相对比例。因此，例如，一个二进制序列的概率分布是指它的1和0的相对比例。改变序列的概率分布在本申请中称为“整形(shaping)”。

在一些实施例中，概率整形器接收的输入数据序列是均匀序列，即符号集中元素的相对比例相同的序列。优选地，整形编码器配置为将这些均匀分布转换为“偏置”分布，其中“偏置”是指序列中不同符号集元素的概率不同。

概率整形器还包括一个合路器204。该合路器被配置为从多个整形编码器接收输出数据序列，并将它们合路以形成具有目标概率分布的单数据序列。可选地，该合路器包括映射器205，该映射器205被配置为将合路器从整形编码器接收的输出数据序列映射到目标符号集。

概率整形器通常是发射器的一个组成部分。例如，它可以构成发射器的一部分，该发送器能够根据PCSM传输方案对传输数据进行格式化以进行发送。这种格式在接收端处进行逆处理。由图2中所示的概率整形器执行的处理可以通过镜像进行逆处理：如图3所示的概率逆整形器。

图3示出了用于实现概率逆整形的装置的示例。这里称为“概率逆整形器(probabilistic deshaper)”的装置可以用300表示。它包括输入端301、分频器302和多个整形解码器303。该分频器被配置为将输入数据序列拆分成多个独立数据序列。与分路器201相似，分频器可以只是一个开关。然而，分频器的工作可能比分路器201稍微复杂一些(从下面的一些示例中可以明显看出)，因此它可能由更复杂的组件实现，例如多路复用器。可选地，如图3所示，可选地，该分频器包括逆映射器304。如果在发送端实现了划分-整形编码(下面将更详细地描述)，则逆映射器304可能被需要。每个整形解码器被配置为接收一个独立数据序列，并对其进行整形以生成输出数据序列。输出数据序列与原始输入数据序列的概率分布不同。整形解码器可以被配置为生成概率分布相同或彼此不同的输出序列。每个整形解码器独立于其他整形编码器执行其逆映射。

该概率逆整形器还包括一个合路器305，被配置为从多个整形解码器接收输出数据序列，并将它们合路成单数据序列。对于逆整形器，单数据序列应该与发射器处理的原始数据序列相同，也就是说，单数据序列应该具有第一概率分布。

一般来说，概率整形器和逆整形器的工作方式非常相似，它们都接收输入数据序列，并将其分成若干个较小的、独立的序列，然后独立地映射到输出序列。这种通用方法在图4中进行说明，该方法从步骤S401开始，接收输入数据序列。在概率整形器中，这个输入数据序列将具有第一概率分布。在概率逆整形器中，这个信号将是一个已经经过整形过程的接收信号，因此具有目标分布。然后，概率整形器和概率逆整形器将它们各自的输入序列分割成多个独立数据序列(步骤S402)。相似地，概率整形器和概率逆整形器都包括整形编码器/解码器，用于将各自的输入序列转换为与设备最初接收到的数据序列具有不同概率分布的输出序列(步骤S403)。最后，两种设备将多个整形编码器的输出组合成一个数据序列(步骤S404)。在逆整形器中，这种组合可能是由不同整形解码器输出的数据序列的简单连接。在整形器中，这个操作可能更加复杂，涉及到将整形编码器输出序列的子符号联合映射到目标符号(如下文详细解释)。

图2和图3中所示的装置介绍了一种用于块到块或块到变长整形编码和解码的新结构。这种新结构降低了复杂性和并行性，从而提高了吞吐量。

图2和图3所示的结构(以及这里所包含的所有模块设备图)旨在与许多功能块相对应。这只是为了说明。图2和图3不是为了定义芯片上硬件的不同部分之间或者软件中的不同程序、过程或功能之间的严格划分。在一些实施例中，本文描述的部分或全部信号处理技术可以全部或部分地由处理器在软件控制下执行。在一些实施例中，本文描述的部分或全部信号处理技术可以全部或部分地在硬件中执行。特别地，该方式应用于与重复算术操作相结合的技术，例如映射和整形。这在一些实施例中，功能模块被期望作为发射器/接收器链路中的专用硬件来实现。发送链和接收链可以在相同的设备和组件中实现。具体地，概率整形器和逆整形器中的一个或多个组件可能具有双重用途，这取决于设备是在“传输”模式还是“接收”模式下运行。例如，整形编码器和解码器可能是相同的组件，只是根据它们是在传输模式还是接收模式下操作而配置为执行不同的映射。下面的描述主要集中在发送端，因为是发送端决定了接收端的处理方式。即使在没有明确说明的情况下，也应该理解，为了发射器处理过程的反向处理并获得原始数据序列，下文中在发送器端执行的所有技术都将在接收端镜像。

发射器/接收器链路中的特定组件依赖于发射器/接收器被配置为执行的确切波形和电信协议。本发明下文所述的一种或多种实施例，涉及一种应用程序，该应用程序将发射器/接收器配置为按照PCSM传输方案进行操作。这只是为了举例。应该理解的是，本发明的范围不限于任何特定的传输方案、波形或电信协议。

图5示出了一个更详细的概率整形器的示意图。实施例中，该设备可以称为“独立整形编码器(separate shaping encoder)”。该独立整形编码器将输入序列划分成多个较短的序列。如图5所示的示例中，k比特的输入数据序列501被划分为的两个独立序列502和503，每个序列的长度均为k/2。图5中没有显示分路器，但是它可能只是一个开关，将输入数据序列首先连接到一个整形编码器，然后再连接到另一个编码器。独立数据序列在图5中长度相同，但是它们的长度可能不同，从下面的一些示例中可以看出这一点。该概率整形器包括两个作为构成模块的整形编码器504和505，每个整形编码器被配置为接收一个独立数据序列。该整形编码器被配置为并行地对每个序列执行分布匹配，以生成各自的输出序列508和509。在图5中，整形编码器都被配置为将各自的输入序列映射到概率分布为P_A的输出序列。整形编码器也可以映射到具有不同概率分布的输出序列。然后，多路复用器510被配置为将整形编码器输出序列连接以形成一个单输出序列511。

在图5的示例中，作为构成模块的整形编码器使用目标符号集，例如，整形编码器504和505都映射到最终输出序列

由于单输出序列是通过将整形编码器的输出序列连接起来形成的，因此，合路器能够有多路复用器510实现。在其他示例中，合路器可以被配置为将成形编码器的输出序列联合映射到目标符号集，已形成一个单输出序列。下面将更详细地描述这一点。

提高吞吐量的一种方法是将符号的输入序列分割成多个更短的符号序列集。使用这种技术，整形编码器可以映射到与合路器不同的符号集。特别地，整形编码器可以映射到比合路器更小的符号集。这样就产生了多个整形编码器，所有整形编码器都对较短的序列并列进行操作。

图6显示了一个概率整形器的示例，其中整形编码器和合路器使用不同的符号集。在这个示例中，作为构成模块的整形编码器604和605，使用小于目标符号集X的符号集执行独立的分布匹配。每个编码器形成各自使用自己的符号集，所以整形编码器604使用符号集A生成其输出序列608，而整形编码器605使用符号集B生成其输出序列609。将整形编码器输出序列608、609中的符号的联合分布通过映射器610映射为目标符号集中的符号。

图6所示的概率整形器的基本原理如下。概率整形器可以具有k个并行构成模块整形编码器。这些整形编码器可以被视为“划分整形编码器(split shaping encoder)”。

以整形系统被配置为恒定成分分布匹配器(Constant CompositionDistribution Matcher，CCDM)的整形编码器为例对划分整形编码器的工作进行描述。有关CCDM及其操作的详细信息，请参见“Constant Composition Distribution Matching”，P.Schulte，G.Bocherer，IEEE Trans.Inf.Theory,vol.62,no.1,2016。以k二进制编码器为例进行说明。

划分整形编码器的输出符号集

的大小为w^k，其中w是整形编码器符号集(本示例中以CCDM符号集为例)中“级(level)”的数量。例如，如果整形编码器都映射到一个二进制字母表{0,1}，则w＝2，并且输出符号集

的大小为2^k。优选地，整形编码器使用的符号集与目标符号集相关。例如，目标符号集中的每个符号可以由一个或多个子符号表示，而这些子符号可以构成整形编码器的符号集。可以这样理解，目标符号集中的每个符号都有一个标签L_i。每个标签可能有k比特。目标符号及中的这些符号可以被看作是k“比特级(bitlevel)”。比特级的数量可以与整形编码器的数量相等。实际上，每个整形编码器都可以被认为是负责将输入数据序列映射到一个“比特级”。相应地，合路器将整形编码器的输出数据序列中的每一个都视为为符号标签提供了各自的比特级。(每个整形编码器也可以处理一个以上的比特级。下面将对此进行更详细的描述)。

优选地，k个作为构成模块的整形编码器中的每一个，其整形分布可以设计为

所有标签的联合概率

可以通过假设不同比特级的比特相互独立进行计算。标签的概率是对应比特级概率的乘积。例如，

确定标签的概率，需要使其与标签所代表的目标字母表中符号的期望概率相对应。对于无法准确表示为两个或多个独立分布的乘积的目标分布，可能会舍弃一定的分布匹配精度。然而，这种技术具有并行化和更高吞吐量的优点。

对于CCDM，整形系统的输入参数是输出数据序列的目标输出分布P_A和长度n_C。输出分布P_A通过输出n_C个某种类型符号的序列

例如，输出序列

包括来源于

的固定数量的独特符号。这样，就找到了输出序列的经验分布，该经验分布接近于目标分布P_A。序列中符号的经验分布为：

其中，

为符号a_i在输出序列

中出现的次数，

找到经验分布相当于找到了

例如，可以进行一个简单的舍入：

一种选择是寻找使得KL(Kullback-Leibler)散度

最小的经验参数

KL散度

是两个概率分布

和P_A的函数，概率分布

和P_A在相同的符号集

上定义。例如：

在所需的经验分布

下，可用数据序列的数量可以计算如下：

其中，

是多项式系数。

对于CCDM，输入数据序列的长度可以确定为

(其中，q是输入符号集的大小，

表示层函数，即最大的整数不大于x)。这是输入符号的最大数量，可以用于对使用了大小为q的符号集的可用序列进行标签的标记。例如，一个二进制字母有两级，因此

代表的最大比特，可用于对序列进行双目标标记。标签可以由选择问

序列,每个经验分布,并定义之间的一对一映射标签和目标字母的符号。选择哪个标签映射到哪个符号可以是随机的，也可以选择以实现某些目的，例如实现概率有序映射。一个二进制字母有两个级，所以

表示可以用于对序列进行双标记的最大比特数。然后可以通过选择

序列来确定标签，每个序列都具有经验分布，并在这些标签和目标符号集的符号之间定义一对一的映射。选择哪个标签映射到哪个符号可以是随机的，也可以选择以实现某些目的，例如实现概率有序映射。

下面是一个实际的示例。这种基于CCDM的操作，CCDM可以用于概率整形器中整形编码器构成模块的实现。这仅仅是整形编码器的一个实施例。应理解，这里描述的技术可以应用于任何类型的整形编码器。

下面的工作示例参见如图7所示的概率整形器。该设备被配置为实现比特级或二进制分布匹配。与在符号级别上执行分布匹配不同，目标符号被赋予二进制标签。然后对二进制标签的每个比特级执行分布匹配，其中第n“比特级”指二进制标签的第n比特。二进制分布匹配后，将二进制输出序列映射回符号。通过这种方式，可以独立并行地处理输入比特，从而获得更高的吞吐量。

图7中的两个整形编码器701和702是比特级(或二进制)整形编码器。图7中的设备反映了接收端的执行；相应的比特(或二进制)整形译码器形成发送端实现的构成模块。这些构成模块可以被任何其他二进制源编码器或解码器(例如在块对块的基础上工作的编码器)所替代，后者输出有偏置的比特序列。

图7的示例中，目标符号集为

因此，目标符号集有4级。各符号相对应的目标概率P_A＝{6/12,3/12,2/12,1/12}。输出数据序列的长度为n_C＝12。

在本例中，输出序列的期望分布可以精确匹配，即，不需要近似。我们有：

并且，

因此，有55440个序列满足目标分布，长度为n_C＝12。即A出现6次，B出现3次，C出现2次，D出现1次的情况下，有55440个序列。

不是执行符号级别的匹配，图7中的设备被配置为在两个比特级B₁和B₂下执行分布匹配，B₁和B₂是分配给二进制标签的两个符号目标符号集中的符号可以标记如下：

	A	B	C	D
					B<sub>1</sub>B<sub>2</sub>	00	01	10	11

因此，目标符号集中的每个符号都由两个子符号表示，即0和1，它们构成一个惟一的标签。每个整形编码器使用符号集

编码器使用子符号组成的符号集。

下一步是确定比特级分布

从而这样一个“好”的联合概率分布的近似P_A可以通过将联合分布

映射到符号集

中的符号。如上所述，标签的概率是相应的比特级概率的乘积。因此，对于随机变量B₁和B₂，边缘分布为

可以看出，联合分布：

与目标分布P_A完全匹配。

也可以看出：

从而输入长度为

二进制整形编码器701和702被配置为将各自的输入比特映射到一个输出比特序列，该输出比特序列根据它们的边际概率B₁和B₂显示“1”和“0”的适当分布。匹配器703将二进制整形编码器701的输出视为提供的比特B₁，将二进制整形编码器702的输出视为提供的比特B₂。因此，匹配器703从每个序列中取交替的比特，将比特B₁和B₂联合映射到目标符号集的符号，从而得到具有目标概率分布P_A的符号的单输出序列。

图7中的整形器的输入长度为

这与从如图1所示的传统的现有技术PAS系统中获得的输入长度相同。图7中这种部署的优点是可以并行独立地处理多个输入比特(因此速度更快)。而且，一般来说，相比于符号级别的分布匹配，二进制分布匹配的复杂度较低。

图7中的设备被配置为在非二进制分布匹配器中执行二进制分布匹配，这是为了降低复杂性和改进并行性。这项技术适用于PSCM方案，并且可以合并到PSCM传输链中的通道编码之前(传输链可以通过对接收链进行镜像得到)。图8示出了PCSM传输链的一个部分的示例，该部分包含如上文所述的一个分割划分整形装置801。生成符号之后，发射链的其余部分可以按照与图1所示的PAS系统相同的方式工作。相应地，映射b_A(将符号映射至比特，在FEC编码器之前)是的灰度二进制编码(Gray binary code，GBC)映射，这被认为是BICM的最佳选择。然而，这种映射不同于概率整形器内部使用的映射，后者的目标是整形增益，而不是编码调制增益。下面将更详细地描述这一点。

如果整形编码是由概率整形器实现的，那么该技术最好由接收信号的概率解码器来镜像。这对分频器302提出了一些额外的要求。如上所述，可选地，分频器可以包括一个逆映射器304。逆映射器被配置为接收来自目标符号集的输入数据序列。逆映射器还被配置为将输入数据序列逆映射为由适当的子符号组成的逆映射数据序列。该分频器器配置为将该输出数据序列划分成多个独立的数据序列，使同一子符号对应的数据定向到同一整形解码器，不同子符号对应的数据定向到不同整形解码器。本质上，这只是逆转了在发射机中执行的过程。

仿真结果表明，概率整形器包括被配置为图6至图8划分整形编码器，可以实现整形性能。该整形性能非常接近于传统的符号级分布匹配器，原因之一是整形过程中考虑的不同比特级，几乎是相互独立的。下面的例子更清楚地说明了这一点。

如果信号幅值近似于麦克斯韦-玻尔兹曼分布，则可获得接近加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道容量的性能。信号幅值近似于麦克斯韦-玻尔兹曼分布，即目标符号集

中每个振幅

的概率如下：

其中，v是一个由信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)决定的参数。

对于这个目标概率分布，我们发现每个比特之间的相关性很小。表1-3显示了使用自然二进制编码对目标符号进行标记所得到的结果，即，000,001,010,011,100，…，111。结果表明，麦克斯韦-玻尔兹曼分布的比特与16-ASK调制振幅之间存在相关系数，即x轴正部分的8个振幅(以B₁B₂B₃表示)和x轴负部分的8个振幅对称。结果表明，不同比特级的比特基本相互独立，从而验证了比特级整形的效果。

	B<sub>1</sub>	B<sub>2</sub>	B<sub>3</sub>
				B<sub>1</sub>	1	-0.122	-0.061
B<sub>2</sub>	-0.122	1	-0.029
				B<sub>3</sub>	-0.061	-0.029	1

表1.在v＝0.0098下麦克斯韦-玻尔兹曼分布与16-ASK(划分整形编码器目标符号集中的8个振幅)不同比特级的相关系数。

	B<sub>1</sub>	B<sub>2</sub>	B<sub>3</sub>
				B<sub>1</sub>	1	-0.047	-0.053
B<sub>2</sub>	-0.047	1	-0.134
				B<sub>3</sub>	-0.053	-0.134	1

表2.在v＝0.0494下麦克斯韦-玻尔兹曼分布与16-ASK(划分整形编码器目标符号集中的8个振幅)不同比特级的相关系数。

	B<sub>1</sub>	B<sub>2</sub>	B<sub>3</sub>
				B<sub>1</sub>	1	-0.004	-0.009
B<sub>2</sub>	-0.004	1	-0.122
				B<sub>3</sub>	-0.009	-0.122	1

表3.在v＝1下麦克斯韦-玻尔兹曼分布与16-ASK(划分整形编码器目标符号集中的8个振幅)不同比特级的相关系数。

使用划分整形编码器不能够实现每个目标分布，因为划分整形编码器仅限于通过可用比特级实现的分布的乘积的分布。然而，仿真结果显示，相关分布可以近似化，使得损失可以忽略。

构成模块整形编码器可以工作在更高级别的符号集。这包括不一定是二进制的字符集，和/或每一个符号包括多余一比特符号的符号集(因此，每个整形编码器映射至大于一个输出比特)。使用更高级别的整形编码器可以提高目标分布P_A的逼近精度。当某些比特级的相关性或依赖性不强时，这一点尤为重要。在这种情况下，可以将个别的整形编码器配置为共同考虑两个或更多比特级以形成输出子符号。

子符号到目标符号集的映射不需要任何特殊的结构。每个目标符号可以随机分配其子符号的唯一标签。但是，优选地，分配标签以实现概率要求下的映射。这种方式下，相对传输功率较低的符号映射到的子符号组合，与传输功率较高的目标符号相关联的目标符号通常被映射到概率较低的子符号组合中。大小相邻的符号也有可能映射到概率相同的子符号组合。

对于AWGN信道，传输符号上的高斯概率分布是最优的。因此，在接近高斯分布的发射信号上使用概率分布应该能够提供最大的整形增益。高斯分布的幅值随着幅值的增大而减小，即一个符号的幅值越大，该符号的概率越低。优选地，PSCM系统中的发送符号的概率分布具有相同的属性。因此，合路器内的映射器优选地配置为确保输出符号的总体趋势是其概率随着其幅度增加而减小。这可以通过以下方式实现：

首先做出一系列假设。概率整形器包括k个并行的作为构成模块的整形编码器。目标符号及

的大小为2^k，符号集中的每个符号具有k比特的标签L_i。

适用于每个k个作为构成模块的整形编码器的二进制目标分布可以设定为：

适用于所有标签的联合概率可以设定为：

假设不同的比特级彼此独立，则标签的概率是相应比特级的概率的乘积。例如，

然后可以根据L_i的概率对其进行排序。例如：

其中S_i是排序操作后的标签索引。

然后可以将标签

按顺序映射到目标符号

中(假设符号

的大小依次递增)。结果即为具有所需概率分布的目标符号。

在一个示例中，整形编码器可以配置为使用自然编码作为符号集。概率上有序的自然编码可以在从符号级到比特级的不均等分布方面实现最大冗余。还可以看出，在对k个构成模块整形编码器中的每一个所应用的分布的某些约束下，自然编码映射是导致目标符号具有递减的概率分布的映射。下面使用实际的工作实例对此进行说明。

在该示例中，假设概率整形器具有4个并行作为构成模块的二进制整形编码器。目标符号集

的大小为16，并且符号集中的每个符号都有一个4比特标签L_i。

可以设定4个二进制整形编码器中的每一个的分布：

这些分布符合以下条件：

·

这表明，对于任意b₁、b₂、b₃，有

·

这相当于P_B3(0)≥P_B4(0)，表明对于任意b₁、b₂，有

·

这表明，对于任意b₁，有

·

这表明，

因此，上述约束表明，根据自然二进制编码进行排序(即，0000,0001,0010,0011，...，1111)时，

降低。

作为一个实际示例，考虑有P(0101)<P(0000)：

上面的结构可以用来证明任何比特标签的不等式。

上面的推理可以扩展到如下的一般定理：

假设k个独立的比特B₁,…,B_k，具有对应概率

当且仅当满足如下条件，根据自然二进制编码排序的比特标签，即L_i＝B₁…B_k＝{0…00,0…01,…,1…11}，概率降低：

其中，

这个一般定理可以扩展到涵盖任何自然编码合路器，即，可以导出自然编码是概率序列编码的必要条件。

相反，使用非概率排序的映射可能导致随着幅度的增加概率分布不是递减的趋势。这不能实现AWGN信道可实现的整形增益。非概率排序映射的示例是灰度二进制编码(Gray binary code，GBC)映射。图9示出了使用自然二进制码映射和灰度二进制码映射得到的符号概率分布。灰度二进制编码的仿真结果如曲线901所示。结果显示该映射是非概率排序的映射。因此导致性能不佳。自然二进制码映射的仿真结果如曲线902所示。该映射满足上述约束，因此实现概率排序的映射。

整形编码器可以被配置为实现使用任何自然编码的映射。自然编码是自然二进制编码的扩展，并扩展到任何N元符号集。自然编码定义了序列的顺序，例如，二进制编码的顺序。具体地，自然编码对序列进行排序，使得最右边的符号是最不重要的符号，第二最右边的符号是第二最不重要的符号，依此类推，最左边的符号是最重要的。

对于二进制符号集，自然编码将是：

#1＝00

#2＝01

#3＝10

#4＝11

对于3元符号集，自然编码将是：

#1＝00

#2＝01

#3＝02

#4＝10

#5＝11

#6＝12

#7＝20

#8＝21

#9＝22

类似地，10元自然编码是十进制编号。

在具有混合符号集的序列上也可以具有自然编码。例如，符号集可以具有二进制的第一符号和三进制的第二符号。那么，自然编码将是：

#1＝00

#2＝01

#3＝02

#4＝10

#5＝11

#6＝12

在上述所有示例中，输入数据序列被分成多个独立数据序列，划分成的独立数据序列的数量等于整形编码器的数量。然后，每个独立数据序列在被映射到目标符号集之前，由整形编码器处理。然而，在一些实施例中，并非所有独立的数据序列都需要由整形编码器处理。在这些实施例中，概率整形器仍被配置为将输入数据序列划分为多个独立数据序列，其数量等于多个子符号的数量，子符号代表目标符号集中的每个符号。然而，这些独立的数据序列中的一个或多个不输入到整形编码器中，而是直接输入到合路器中。其原因解释如下。

优选地确定整形编码器的比特级概率

以实现目标符号集的高斯分布。考虑使用调制阶数为2^m的n_C符号块和平均发射功率约束P的发送。如图8所示的PSCM系统具有以下可用的自由参数：(i)每个比特级的概率分布

(ii)星座缩放Δ>0。为了确定这些参数，识别发送符号的“良好”概率分布P_X。这使得比特级概率

能够确定产生接近于

的分布P_X。

可以采用优化方法来获得以采用优分布P_X，分布P_X产生接近AWGN容量的速率。例如，分布P_X可以限制为麦克斯韦-玻尔兹曼分布，即

则可以通过解决一下最大化问题得到Δ和P_X：

注意，P_X是幅度P_A上的分布，因此，是比特标签

上(通过比特到符号映射)的联合分布。这样的目的是找到接近

的独立比特

的乘积分布。KL-散度

可用作“接近度”的度量：

通过选择以下方式可以最大化期望：

是B_i的边缘分布。结果，系统参数

可以设置为：

下一阶段是计算由参数引起的分布

并通过新的星座缩放参数Δ重新缩放符号集，使得平均功率约束满足相等性。表4中给出了通过仿真获得的比特级概率的示例。

表4.针对具有分割整形编码，256QAM调制和速率为5/6且长度为576比特的WiMAXLDPC码的PSCM获得的示例比特级概率。

表中的结果表明，对于某些最低有效比特(LSB)B3，可以跳过整形编码，而采用均匀分布的输入比特的替代方式，均匀分布的输入比特用于形成目标符号。这是因为对于诸如5或6[b/CU](＝每通道使用比特)的高速率，概率P_B3(0)接近0.5，即在比特级B₃中，“1”和“0”几乎相等地分布。跳过比特级B₃的整形编码降低了系统计算复杂性并进一步增加了吞吐量。

接收端的概率逆整形器配置为对发射端执行的处理进行逆处理。因此，优选地，整形解码器配置为在其操作中使用与概率排序顺序相反的映射和自然编码映射，从而解映射它们各自的输入序列以获得原始数据序列。类似地，概率逆整形器可以配置为镜像发射端的处理，跳过针对在发射器处进行整形的任何比特级的整形解码。

与原始数据序列的分布相比，输出符号的期望分布是优选的分布，预期提供改进的传输性能。通过实现接近期望分布的目标分布，本文描述的概率性整形器能够实现传输性能的改进。传输性能的改进包括可能出现在任何方面，包括错误率降低，发射功率降低，峰值平均功率比(peak-to-averaged power ratio，PAPR)降低等。

应当理解，说明书和相应的权利要求涉及设备通过执行某些步骤或过程或通过实施特定的技术做一些事，并不排除在同一过程中该设备执行其他步骤或过程或实现其他技术。换句话说，在设备被描述为“通过”某些指定装置做某事的情况下，“通过”一词意味着设备执行“包括”指定装置而不是“由......组成”的过程。

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这些特征中两个或更多个的任何组合。在一定程度上，不论这些特征或特征的组合能否解决任何本申请公开的问题，根据本领域技术人员的公知常识，基于本说明书，这些特征或特征的组合作为整体能够执行。这些特征或特征的组合不构成对权利要求的范围的限制。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。基于前面的描述，任何对于本领域技术人员显而易见的修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种概率整形器，其特征在于，包括：

输入端，被配置为接收具有第一概率分布的输入数据序列；

分路器，被配置为将所述输入数据序列划分为多个独立数据序列；

多个整形编码器，每个所述整形编码器被配置为接收相应的一个所述独立数据序列，并将其映射到具有与第一概率分布不同的概率分布的输出数据序列，其中，每个所述整形编码器独立于其他所述整形编码器执行其映射；和

合路器，被配置为从多个所述整形编码器接收所述输出数据序列，并将所述输出数据序列合路成具有目标概率分布的单数据序列。

2.根据权利要求1所述的概率整形器，其特征在于，多个所述整形编码器和所述合路器中的每一个被配置为将各自接收的数据序列映射到输出数据序列，所述输出数据序列由各自相应的符号集形成，多个所述整形编码器中的每一个被配置为映射到一个比所述合路器中符号集更小的符号集。

3.根据权利要求1或2所述的概率整形器，其特征在于：

所述合路器被配置为接收所述输出数据序列并将其映射到单数据序列，所述单数据序列由目标符号集形成，其中所述目标符号集包括多个符号，每个所述符号由一个或多个子符号表示；和

每个所述整形编码器被配置为将其各自相应的独立数据序列映射到输出数据序列，所述输出数据序列由包含至少一个子符号的符号集形成。

4.根据权利要求3所述的概率整形器，其特征在于：

所述分路器被配置为将所述输入数据序列划分为多个所述独立数据序列，多个所述独立数据序列的数量与多个所述子符号的数量相等，所述多个所述子符号代表目标符号集中的每个符号；和

所述概率整形器被配置为，使得一个或多个所述独立数据序列不输入至整形编码器，而是直接输入至合路器。

5.根据权利要求3或4所述的概率整形器，其特征在于，每个所述子符号包括一个或多个比特级，所述合路器被配置为处理来自多个所述整形编码器的所述输出数据序列，每个整形编码器提供所述子符号相应的一个或多个比特级。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的概率整形器，其特征在于，所述合路器被配置为通过以下方式将所述输出数据序列合路以形成单数据序列：

对包括在多个所述整形编码器的所述输出数据序列中的一个或多个子符号进行合路，以形成子符号组合；和

将所述子符号组合映射到所述目标符号集中的符号，所述目标符号集中的符号由所述子符号组合表示。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的概率整形器，其特征在于，所述目标符号集中的每个符号与各自相应的发送功率相关联，所述合路器被配置为将所述目标符号集中的每个符号视为由子符号的特定组合表示，由此所述目标符号集中与所述目标符号集中的另一个符号相关联的发射功率更高的发射功率相关联的符号被视为由特定的子符号组合表示，所述子符号具有低于或等于特定概率的概率，所述特定概率为代表其他符号的子符号的特定组合的概率。

8.根据权利要求3-7中任一项所述的概率整形器，其特征在于，所述合路器被配置为使用自然编码映射将子符号组合映射到目标符号集中的符号。

9.根据前述任一项权利要求所述的概率整形器，其特征在于，所述合路器被配置为形成具有目标概率分布的所述单数据序列，与所述第一概率分布相比，所述目标概率分布预计将提供改进的传输性能。

10.一种发射器，其特征在于，包括前述任一项权利要求所述的概率整形器。

11.一种概率逆整形器，其特征在于，包括：

输入端，被配置为接收输入数据序列，所述输入数据序列具有目标概率分布；

分频器，被配置为将输入数据序列划分成多个独立数据序列；

多个整形解码器，每个所述整形解码器被配置为接收相应的一个独立数据序列并将其逆映射到具有与所述目标概率分布不同的概率分布的输出数据序列，其中每个所述整形解码器独立于其他所述整形解码器执行所述逆映射；和

合路器，被配置为从多个所述整形解码器接收所述输出数据序列，并将其合路以形成具有第一概率分布的单数据序列。

12.根据权利要求11所述的概率逆整形器，其特征在于，所述分频器包括逆映射器，所述逆映射器被配置为：

接收所述输入数据序列，所述输入数据序列由目标符号集形成，其中所述目标符号集包括多个符号，每个所述符号可以由多个子符号表示；

将所述输入数据序列逆映射到逆映射数据序列，所述逆映射数据序列由包括多个所述子符号的符号集形成；和

输出所述逆映射数据序列，所述逆映射数据序列用于划分成多个独立数据序列。

13.根据权利要求12所述的概率逆整形器，其特征在于，所述分频器被配置为通过在同一序列中布置与同一子符号相对应的数据和在不同序列中布置与不同子符号相对应的数据，将所述逆映射数据序列划分成多个所述独立数据序列。

14.一种接收器，其特征在于，包括权利要求12或13所述的概率逆整形器。

15.一种方法，其特征在于，包括：

接收输入数据序列，所述输入数据序列具有第一概率分布；

将所述输入数据序列划分为多个独立数据序列；

将每个所述独立数据序列独立地映射到输出数据序列，所述输出数据序列的概率分布与所述第一概率分布不同；和

将所述输出数据序列合路以形成具有目标概率分布的单数据序列。