CN110870213B - 用于比奈奎斯特快的信号传输的时空预编码 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于通过多输入单输出MISO信道从数据传输设备向K个接收器同时发送K条数据消息的方法和设备。发射器使用比奈奎斯特快的信令速率。通过在发射器处利用时空信道干扰模型，FTN在有效速率和能量效率方面的益处不会以增加的接收器复杂度为代价。

Description

用于比奈奎斯特快的信号传输的时空预编码
技术领域
本发明属于数字通信领域。
发明背景
多个输入数据通信信道允许并发地将不同的数据码元发送到不同的接收器。同时传送的数据码元相互干扰，使得每个接收器在给定的时间处接收到被传送给所有接收器的所有数据码元的组合。因此，在传统系统中，目标是设计减轻这种多用户干扰的传输方法。在数字通信系统中，在使用数字通信信道传送数据之前，使用数字调制技术将数据编码成信号。数字调制方案通常由复平面中的信号星座来定义，该星座的每个信号点对应于一数据码元。一旦接收器解调了接收到的信号，其将接收到的信号点映射到信号星座，并将该信号检测为与最接近的可用星座点相关联的码元。
如果在发射器处已知由信道对所传送的信号引起的干扰的水平或种类，则已建议通过将预编码应用于数据码元来利用由数据通信信道引起的空间干扰。预编码先发制人地解决了已知或估计的信道行为，该已知或估计的信道行为否则将以其他方式不利地影响所传送的数据码元的接收。尽管可以将由数据传输信道的特异性引起的多用户干扰定义为空间干扰，但其他形式的干扰可能会影响对接收到的码元在其各自的接收器处的正确检测。
比奈奎斯特快的(FTN)信令是一种提高常规正交调制方案的带宽效率的方法。如果在数据通信信道上传送的脉冲出现的速率高于码元间无干扰传输所允许的奈奎斯特条件，则认为信令系统比奈奎斯特快，参见例如J.E.Mazo所著“Faster-than-Nyquistsignaling(比奈奎斯特快的信令)”，Bell Syst.Tech.J.(贝尔系统技术杂志)，1975年10月。作为结果，引起了在时间和频率两者中的干扰，通常被称为码元间干扰ISI。因而，ISI可被认为是后续传送的信号之间的时间干扰。
在使用FTN信令的已知系统中，由ISI引入的复杂度被转移到接收器，该接收器必须容适接收到的信号的正确检测。尽管使用FTN提高带宽效率是一个有趣的目标，但特定且复杂的接收器的需求阻碍了它在大多数实际通信系统中的采用。例如，专利文献WO 2016/165761 A1公开了在多输入多输出环境中的FTN数据传输。该环境不适用于将数据从单个发射器同时传送到多个用户。尽管在公开的系统中，经预编码的码元被以FTN信令速率传送，但是预编码步骤本身仅考虑了由于传输信道状态而引起的干扰。
要解决的技术问题
目的是提供一种克服了现有技术的至少一些缺点的方法和设备。具体来说，本发明的目的是提供一种在无需特定且复杂的接收器的情况下用于在多输入单输出MISO数据通信信道上实现FTN信令的方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于通过多输入单输出MISO信道同时从数据传输设备向K个接收器发送K条数据消息的方法，每条数据消息包括S个数据码元的块。该信道在所传送的信号上引入了用户间干扰。该方法包括下列步骤：
a)使用选择装置，选择与数字调制方案相关联的信号星座，该信号星座包括多个星座点，其中每个星座点与数据码元且与对应的检测区域相关联；
b)对于每个K个块集合的数据码元，其中每个块都来自K条数据消息之一，
i)使用预编码装置计算S·K个对应的经预编码的码元；
ii)使用数字调制装置，根据所述数字调制方案调制载波信号，以表示每一个所述经预编码的码元的已调信号；
iii)使用脉冲整形装置，生成对应于每一个所述已调信号的信号脉冲；
iv)在所述MISO信道上传送所述信号脉冲。
该方法的显著之处在于，对应于K个块的连续集合的信号脉冲被以高于与所述信号脉冲相关联的奈奎斯特速率的信令速率传送，由此引入了码元间干扰。此外，所述经预编码的码元被计算，使得在传输期间遭受所述用户间干扰和所述码元间干扰之后，在K个相应接收器处接收到的K个所传送的块的数据码元位于它们对应的检测区域中。经预编码的码元的计算取决于所述信令速率，该信令速率高于与所述信号脉冲相关联的奈奎斯特速率。
优选地，经预编码的码元的计算进一步取决于所述信号脉冲的形状。
为每个接收器选择的信号星座优选地可以彼此不同。其可以优选地取决于每个接收器的传输速率要求。
优选地，可以在发射器处通过从所述接收器接收的反馈来接收描述用户间干扰的信道状态信息。替代地，发射器可以使用计算装置基于描述所述MISO信道的预期行为的计算信道模型来计算经估计的用户间干扰。计算装置可以优选地包括计算设备的处理器或中央处理单元。
每个块可优选地包括一个数据码元，S＝1。
更优选地，数据传输设备可以包括被配置用于传送所述信号脉冲的N个传输天线，其中N大于K。
可以优选地选择所述数字调制方案，以使得在向K个接收器的所述传输期间实现预定的数据传输速率。
预定的数据传输速率可以优选地在接收器进行数据传输之前被传达到发射器。数据传输速率可以优选地指示优选或要求的服务质量QoS。
所述MISO信道可以优选地是无线信道。替代地，其可以是有线信道。
优选地，可以在包括标识所选择的数字调制方案和相关联的信号星座的前置码的数据帧中将经预编码的码元传送到它们各自的接收器。
在此期间传送与K个块的连续集合相对应的所述信号脉冲的码元传输周期可以优选地具有基本上等于与奈奎斯特信令速率相对应的传输周期的0.5至0.95倍的历时。
本发明的另一个目的是提供一种数据传输设备，以用于通过公共多输入单输出MISO数据通信信道，使用经数字调制的脉冲整形信号向K个接收器传送经预编码的数据码元。该设备包括：用于存储K条数据消息的存储器元件；数据传输装置，其被适配成使用所述数据通信信道的多个输入中的至少一个以高于与所使用的信号脉冲相关联的奈奎斯特速率的信令速率向每一个所述接收器传送数据，以及可操作地耦合到所述存储器元件和数据传输装置的处理装置，该处理装置被配置成执行根据本发明的方法步骤。优选地，数据传输装置包括计算设备的联网接口，并且处理装置包括计算设备的数据处理单元或数据处理器。
该设备可以优选地包括被配置用于传送信号脉冲的N个发送天线，其中N大于K。
此外，该设备可以优选地包括数据接收装置，该数据接收装置被配置用于从所述接收器接收信道状态信息反馈。数据接收装置可以优选地包括计算设备的联网接口。
本发明的另一个目的是提供一种被配置用于执行根据本发明的方法的计算机。
本发明的又一个目的是提供一种包括计算机可读代码装置的计算机程序，该计算机可读代码装置在计算机上运行时致使计算机执行根据本发明的方法。
最终，本发明的一个目的是提供一种计算机程序产品，其包括计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储了根据本发明的计算机程序。
当通过多输入单输出MISO数据通信信道并发地向多个用户传送多个数据码元时，本发明建议使用比奈奎斯特信令速率快的速率。因此，除了信道本身在所传送的信号脉冲上引起的空间干扰之外，本发明还有意地在连续地传送的信号脉冲之间引入时域中的码元间干扰。通过使用FTN信令，与已知的传输方案相比，发明人已经观察到有效速率和能量效率方面的显著增益。发射器使用码元预编码步骤，在此步骤期间，为要并发地传送给K个接收器的K个数据码元中的每一个计算经预编码的码元。经预编码的码元的计算不仅考虑了在传输期间预期由信道引起的空间干扰，而且重要的是，其还考虑了发射器本身通过使用FTN信令引入的码元间干扰。通过这么做，本发明允许在使用已知的接收器的同时获得FTN信令的益处，已知的接收器不必应付由FTN信令引入的复杂度。实际上，所提出的时空预编码步骤使FTN信令对接收器而言透明，并且所增加的复杂度仅存在于发射器及其预编码模块中。这对于在已经使用多个接收器的应用中部署FTN信令特别有用。与使用已知的发射器相比，相同的接收器仍然有用，但是当使用根据本发明执行预编码步骤的发射器时，体验到性能升级。
附图简述
通过附图解说了本发明的若干实施例，这些实施例不限制本发明的范围，其中：
-图1是使用奈奎斯特信令条件进行信令传输时在时域中的三个后续信号脉冲的图解；
-图2是在使用FTN信令时在时域中的三个后续信号脉冲的图解；
-图3示出了指示根据本发明的方法的优选实施例的主要步骤的流程图；
-图4示出了根据本发明的设备的优选实施例的示意图解；
-图5解说了与奈奎斯特的信令条件下的信令相比，在由本发明带来的因变于信令加速因子的有效速率方面的增益；
-图6解说了与奈奎斯特的信令条件下的信令相比，在由本发明带来的因变于信令加速因子的能量效率方面的增益。
具体实施方式
本章节基于优选实施例和附图进一步详细描述本发明。应当注意，除非明确提及相反的情况，否则针对本文描述的特定实施例所描述的特征可以与其他实施例的特征组合。
图1和2回顾了奈奎斯特条件或上限对码元间干扰的信令速率的影响。在图1的示例中，sinc形信号脉冲在数据通信信道上以等于奈奎斯特信令条件的速率被连续地传送。在每个整数传输时隙(0,1,2,...)期间被认为传送一个信号脉冲。所描绘的三个虚线脉冲中的每一个在沿时间轴的仅一个整数时隙处具有非零幅度，而在所有其他整数时间处，这些脉冲具有零幅度。所描绘的脉冲分别在时间0、1和2处具有非零幅度。具体地，第一脉冲在跟随着的脉冲具有非零幅度的那些时隙(1和2)处具有零幅度。这在数学上的含义是，偏移整数个码元时间的两个脉冲的乘积的积分为零；实际含义是脉冲彼此不可见。这使得可以在数据通信信道的接收器端处利用匹配滤波器和采样器以逐个码元的方式进行最佳检测。
在图2中，三个sinc形脉冲被以比奈奎斯特信令极限更快的速率传送。这对应于FTN信令。变得显而易见的是，由于这些更快的连续传输，在每个整数时隙处，这三个脉冲具有非零幅度并且它们随着它们各自幅度加和而干扰。当然，如果被编码成三个sinc脉冲的所有信息可由接收器恢复，则FTN信令允许增加信道的有效速率。根据本发明，在组合的码元级预编码步骤期间，将FTN信令所引入的码元间干扰以及MISO数据通信信道所引入的空间干扰相结合地使用。经预编码的码元接着被数字地调制，并且对应的已调信号被脉冲整形且被以指定的FTN信令速率在MISO信道上传送。预编码允许将码元间干扰和用户间干扰纳入考虑，以使得每个接收器能够以高概率正确地检测其各自的数据码元。
图3解说了根据本发明的方法的优选实施例的主要步骤。该方法旨在同时从数据传输设备(发射器)向K个接收器发送K条数据消息。K条数据消息中的每一条包括各自具有S个数据码元的块，S等于1或更大。数据传输介质是多输入单输出MISO信道，该MISO信道对在其上传送的信号引入空间用户间干扰。该信道可以例如是无线广播信道，并且该信道的多个输入可以或者例如是天线阵列的多个(N>>K)个天线。
在步骤a)，与数字调制方案相关联的信号星座通过选择装置来被选择。选择装置例如由数据处理器实现，该数据处理器通过适当的程序代码装置被编程为实现该效果。每个信号星座包括多个星座点，并且每个星座点与数据码元且与对应的检测区域相关联。传输设备具有对多个信号星座的访问权，诸如m-PSK，m-QAM等。任何信号星座均可被传输设备使用，该传输设备将对应的信息储存在为此目的所预见的存储器元件中。该选择优选地基于预定的数据传输速率，该预定的数据传输速率例如可以由K个接收器规定。信号星座被选择成以使得所需的数据传输速率是可达成的。众所周知，高阶星座能够达成更高的速率。
在步骤b)期间，对于每个K个块集合的数据码元，其中每个块来自K条数据消息中的一条，每个数据消息被寻址到K个接收器之一，然后执行以下步骤。
i)使用预编码装置计算S·K个对应的经预编码的码元；
ii)使用数字调制装置，根据所选择的数字调制方案调制载波信号，以表示每一个所述经预编码的码元的已调信号；
iii)使用脉冲整形装置，生成对应于每一个所述已调信号的信号脉冲；
iv)接着以高于与所述信号脉冲相关联的奈奎斯特速率的速率在MISO信道上传送所述信号脉冲。
至关重要的是，在预编码步骤期间，不仅要考虑用户间干扰，而且还要考虑码元间干扰，后者是通过FTN信令而专门引入的，以使得K个所传送的块的数据码元一旦在K个相应的接收器处被接收到，便位于所选择的信号星座的它们的对应检测区域中。在已知的码元级预编码办法中，使用仅描述空间干扰对所传送的数据的影响的信道模型，其中信号星座的选择定义了需由数据码元在接收之后满足以便被正确地检测的一组约束。此类信道模型可以纯粹是允许计算信道的预期行为的数学模型，或者它们可以基于先前观察到的信道行为，先前观察到的信道行为可以通过在接收器处生成并反馈到发射器的信道状态信息反馈来获得。还已知两种办法的组合，其中通过观察到的反馈来完善数学模型。根据本发明的预编码步骤进一步使用时空信道干扰模型，该时空信道干扰模型此外还描述了ISI的影响，这是由于将经整形的信号脉冲置于MISO信道上的FTN信令速率所致。关于经预编码的码元的计算的更多形式上的细节将在下面通过本发明的另一优选实施例给出。
由于在传输设备处选择实际的FTN信令速率，因此对ISI的影响容易在传输设备处可获得，以便在预编码步骤期间使用它。由信道引起的用户间干扰可要么使用已知的信道行为模型来估计，要么其优选地根据可以从K个接收器周期性地接收到的信道状态信息反馈来估计。假设信道状态在对应于至少一个码元传输的传输时间内保持恒定。
预编码装置、数字调制装置和脉冲整形装置可以优选地由数据处理器来实现，该数据处理器被编程为通过适当的程序代码装置来实现所描述的动作。需要注意，本领域普通技术人员将能够使用他们在本领域的普通技能来编程用于实现所描述的功能性的软件程序。替代地，对应的功能性可以通过电子电路系统或两种办法的组合来实现。
图4提供了根据本发明的数据传输设备100的优选实施例的示意图解。该设备被配置成用于使用数字已调脉冲经整形信号通过公共多输入单输出MISO数据通信信道向K个接收器传送经预编码的数据码元。该信道可以例如是无线广播信道，并且该信道的多个输入可以或者例如是天线阵列的多个(N>>K)个天线。此外，该设备包括用于储存K条数据消息的存储器元件110。存储器元件可以例如是随机存取存储器或非易失性存储器，诸如硬盘驱动器或固态驱动器。设备100进一步包括数据传输装置120，该数据传输装置被适配成使用所述数据通信信道的多个输入中的至少一个、以高于与所使用的信号脉冲相关联的奈奎斯特速率的信令速率向所述K个接收器中的每一个传送数据。数据传输装置120可以例如包括联网接口。设备的处理装置130可操作地耦合到所述存储器元件和数据传输装置，并且优选地通过适当的程序代码装置来被配置成执行根据本发明的方法步骤a)和b)-i)至b)-iv)。
通过其他优选实施例概述了本发明的进一步细节及其可能的实现。
1.进一步优选实施例的介绍
本说明书的其余部分安排如下：系统模型在第2节中进行描述。在第3节中正式描述了FTN码元级预编码。在第4节中，呈现了数值结果。
粗体大写和小写字母分别被用于矩阵和列向量。(·)H、(·)*代表(·)的厄米特(Hermitian)转置和共轭。E(·)和||·||表示统计期望和欧几里得范数。∠(·)、|·|分别是(·)的角度和量值。R(·)、I(·)是(·)的实部和虚部，i指示数字的复数部分。
Figure BDA0002257534940000071
分别表示阿达玛(Hadamard)和克罗内克(Kronecker)乘积。最后，1a×b和Ia表示大小为a×b的全1矩阵和大小为a×a的单位矩阵。
2.系统模型
假设系统通过N个传输天线向K个单天线用户传达K个独立的消息。每个数据流被划分为S个码元的块。假设该信道是准静态块衰落，即其对每个块而言保持恒定。在该上下文中，S＝[s1...sK]T是聚集了每个码元时隙的K×1个输入码元向量的K×S矩阵。类似地，D是N×S矩阵，其表示每个码元时隙的给N个传输天线的输入信号向量。每个输入信号在传输之前都必须经过脉冲整形。模拟波形α(t)通过其离散采样α[iT]而在形式上被定义，其中T为码元周期。假设单位功率对称脉冲以零为中心且历时为2ηT，则可以说，对于i<-η或i>η，α[iT]＝α[-iT]且α[iT]≈0。对于无限脉冲，η由所需时间定义，以使得脉冲衰减到足够低的电平以下，从而可以认为ISI可忽略不计。由于脉冲存储器，第m个天线的第s个所传送的信号可以被写为：
Figure BDA0002257534940000072
其中X是N×S矩阵，其表示每个码元时隙的给N个传输天线的输出信号向量。设A为对称S×S托普利兹(Toeplitz)矩阵，其第一行被定义为a＝[α[0]α[T]...α[ηT]0...0]。作为结果，脉冲整形过程可以被表示为线性乘法X＝DA。
根据众所周知的多用户MISO信道模型，可以以矩阵形式将在用户处接收到的码元写为：
Y＝HX+Z＝HDA+Z (2)
其中Y是K×S矩阵，其表示每个码元时隙的在K个用户处接收到的信号；H＝[h1...hK]T是K×N矩阵，表示M个天线和K个用户之间的空间信道；并且Z表示加性高斯白噪声AWGN的矩阵。在这项工作中，我们聚焦于实信道，但是其可以被直接应用于复信道。通过对单个块在时间维度上进行向量化(行优先)，上面的模型可以被进一步扩展成更简单的形式，表示所有S个码元的来自所有M个天线的所传送的信号的向量可以用公式表示为：
Figure BDA0002257534940000081
并且接收到的信号可以用向量形式表示为：
Figure BDA0002257534940000082
其中y＝vec(YT)是KS×1向量，其表示所有S个码元的在所有K个用户处接收到的信号；d是NS×1向量，其表示所有S个码元的在所有N个天线处进行脉冲整形之前的输入信号；并且z是表示AWGN的KS×1向量。G是表示时空信道矩阵的KS×NS矩阵，并且z是表示所有K个用户和所有S个码元处的AWGN的KS×1向量。
2.1比奈奎斯特快
FTN信令设法在时域中打包更多信息，分别参见图1和2。在系统模型定义中，到目前为止尚未对码元速率做出任何假设。可以容易地推断出，如果将具有码元周期Tny的奈奎斯特信令与sinc脉冲相组合地使用，则
Figure BDA0002257534940000083
为零且托普利兹矩阵减小为经缩放的恒等式A＝α[0]IS。作为结果，脉冲整形之后的输出信号可以被直接表示为：X＝α[0]D。
假设应用了信令加速因子τ≤1，使得有效码元周期为T＝τTny。可以看出，加速越高，A矩阵中非零值的数目越大。这可以通过在时域中打包更多脉冲的事实来解释。此外，由于单个脉冲的总历时保持恒定，所以η的值随着τ的减小而增加(参见Y.J.D.Kim、J.Bajcsy和D.Vargas所著的“Faster-Than-Nyquist Broadcasting in Gaussian Channels:Achievable Rate Regions and Coding(在高斯信道中比奈奎斯特快地广播：可实现的速率区域和编码)”，IEEE通信学报，第64卷，第3期，第1016-1030页，2016年)。为了简化分析，在这项工作中采用了截断的高斯脉冲整形，以使得脉冲历时不是无限的并且α值单调减小。
3.FTN码元级预编码
3.1预编码器设计
过去的码元级预编码SLP解决方案旨在仅利用空间域干扰(例如参见M.Alodeh、S.Chatzinotas和B.Ottersten所著的“Energy Efficient Symbol-Level Precoding inMultiuser MISO Channels Based on Relaxed Detection Region(基于松弛检测区域的多用户MISO信道中的能量高效码元级预编码)”，IEEE无线通信学报，第15卷，第5期，第3755-3767页，2016年5月)。使用FTN信令在时域中在诸码元之间创建时间相关性(ISI)，这可被用来设计时空预编码。这种类型的预编码能够利用时域和空间域中的干扰。新的优化应将多用户干扰和ISI纳入考虑。在这项工作中，我们目的在于在每个用户服务质量QoS约束条件下使所传送的波形的总功率最小化。这种QoS约束基于所需的调制和误码率SER来选择，并且其为每个用户针对整个帧来被预定义和固定。而且，用户可以具有不同的QoS要求。该优化可写为如下矩阵形式：
Figure BDA0002257534940000091
其中
Figure BDA0002257534940000092
γ＝[γ1,...,γK]是针对每个用户的SNR目标，并且
Figure BDA0002257534940000097
是元素级(element wise)运算符，其保证每个接收到的码元在其正确的检测区域中，例如M.Alodeh、S.Chatzinotas和B.Ottersten在IEEE无线通信学报上发表的“Symbol-levelPrecoding Multiuser MISO Precoding for Multi-level Modulation(用于多级调制的码元级预编码多用户MISO预编码)”中所概述的。作为示例，16-QAM星座包括四个中央或内部星座点。对应码元的检测应有利地是精确的，以使得对于那些码元，上述约束中的符号
Figure BDA0002257534940000098
等同于“＝”。16-QAM星座进一步包括围绕四个内部星座点的十二个外部星座点。由于星座的几何形状，外部星座点的检测区域较少地受到约束。例如，对于第一象限的外部星座点，符号
Figure BDA0002257534940000099
等同于“≥”，以便确保接收器处的正确码元检测。使用(3)-(4)中的向量表示，(5)中的优化可以重新用公式如下表示(由于S为恒量，因此其不影响优化问题并且其在以下公式中被丢弃)：
Figure BDA0002257534940000093
Figure BDA0002257534940000094
其中Gj＝[gj T[1],...,gj T[S]]T表示用户j的S×NS时空信道矩阵，并且sj是表示用户j的S个码元上的给用户j的数据码元的S×1向量。应当注意的是，该优化问题是在不忽略来自下一个码元的ISI的情况下在码元级被解决的。从第2.1节中所介绍的FTN系统模型和公式(4)可知，ISI的影响由矩阵G通过其对矩阵A的依赖性来捕捉。因此，该优化的结果(即，经预编码的码元的集合)取决于FTN信令速率。经预编码的码元进一步取决于信号脉冲的形状。通过进一步操纵(6)中的优化，该问题可被写为：
Figure BDA0002257534940000095
Figure BDA0002257534940000096
其中κj表示因子
Figure BDA0002257534940000101
其在码元基础上改变并且基于所需码元的幅度来调整长期SINR。遵守前两组约束C1和C2允许以一定的信噪比SNR水平接收数据码元。
3.1.1.循环调制的详细优化
对于任何循环调制(MPSK、APSK)，优化可以被扩展为如下：
Figure BDA0002257534940000102
Figure BDA0002257534940000103
其中
Figure BDA0002257534940000104
可以制定C1、C2和C3以保证接收到的信号位于取决于数据码元的正确的检测区域中。
-对于内部星座码元，约束C1、C2应保证接收到的信号取得精确的星座点。约束可以被写为：
c1：
Figure BDA0002257534940000105
c2：
Figure BDA0002257534940000106
在该情形中，不需要C3。
-最外面的星座码元，约束C1、C2应保证接收到的信号位于正确的检测中，这比内部星座点更灵活。约束可以被写为：
c1：
Figure BDA0002257534940000107
Figure BDA0002257534940000108
c2：
Figure BDA0002257534940000109
Figure BDA00022575349400001010
C3保证接收到的码元具有特定相位。应该很清楚tan()不能保留符号。因此，C1、C2和C3应该一起使用。
该问题具有二次目标和线性约束，这可以使用凸优化工具来高效地解决，例如在S.Boyd和L.Vandenberghe所著的剑桥大学出版社出版的Convex Optimization(凸优化)中所概述的。
3.1.2.矩形调制的详细优化
对于矩形调制(例如MQAM)，先前的优化可被简化为：
Figure BDA0002257534940000111
可以制定C1、C2以保证接收到的信号位于取决于数据码元的正确的检测区域中。C1、C2的详细公式可以表示为
-对于内部星座码元，C1、C2可以按在式(10)中那样用公式表示。
-对于外部星座码元，约束C1、C2应保证接收到的信号位于正确的检测中。约束可以被写为：
c1：
Figure BDA0002257534940000112
Figure BDA0002257534940000113
c2：
Figure BDA0002257534940000114
c1：
Figure BDA0002257534940000115
c2：
Figure BDA0002257534940000116
Figure BDA0002257534940000117
-最外面的星座码元，约束C1、C2应保证接收到的信号位于正确的检测中。这些约束可以按在式(11)中那样用公式表示。
式(8)-(12)中所阐述的问题可以使用线性约束二次规划来求解，例如参见S.Boyd和L.Vandenberghe所著的剑桥大学出版社出版的凸优化。
3.2对接收器复杂度的讨论
在已知的FTN系统中，要求在接收器处具有均衡器以减轻ISI的影响，例如参见J.B.Anderson、F.Rusek和V.Owall所著的“Faster-Than-Nyquist¨Signaling(比奈奎斯特快的信令)”，IEEE会报(Proceedings of the IEEE)，第101卷，第8期，第1817-1830页，2013年8月。根据本发明，由于在发射器处使用SLP应对ISI，因此在接收器侧不需要任何均衡。因此，由于ISI已在发射器处在码元级被应对，因此接收器架构被简化。
4.数值结果
为了评估所提出的传输方案的性能，已进行了不同算法的蒙特卡洛仿真以研究根据本发明的比奈奎斯特快的码元级预编码FTN SLP的性能，并将其与例如由[12]M.Alodeh、S.Chatzinotas和B.Ottersten在2014年国际信息理论研讨会(ISIT)发表的“A MulticastApproach for Constructive Interference Precoding in MISO Downlink Channe(MISO下行链路信道中用于相长干扰预编码的多播办法)”中所描述的空间域SLP进行比较。所仿真的场景为K＝2，并且使用QPSK服务接收器的每一者，其中
Figure BDA0002257534940000123
信道生成数等于100，信道被固定用于10个码元(即，S＝10)。假设所采用的信道模型为
hk～N(0,σ2). (15)
在本节中，我们研究有效速率和能量效率在不同的加速因子τ处的性能，应该强调的是，当τ＝1时，预编码设计是如上面引用的文献中所讨论的空间域SLP。
虽然通常由所指定的调制来定义速率，但是由于有效噪声而导致的误差在所取得的速率中起着重要的作用，我们在此将所取得的速率称为“有效速率”，定义为
Figure BDA0002257534940000121
其中Rj是用户j的无误差速率(可以通过某种调制达到的最大速率)。为了捕捉误码率SER、所消耗的功率和有效速率的联合效果，我们使用能量效率度量，其可以被定义为：
Figure BDA0002257534940000122
图5描绘了相对于加速因子τ的有效速率。应当注意的是，曲线具有随τ减小的趋势。但是，由于以某个τ进行采样导致对所有用户而言更好的共同属性(例如以时间干扰具有相长属性的某些α值)的事实，这一趋势是平稳的。在τ＝0.5-0.51时，有效速率高于3bps/Hz。
虽然所使用的调制是QPSK(即最大速率等于2bps/Hz)，但利用FTN SLP，我们可以具有与更高调制(16APSK、16QAM)相关联的有效速率。这种效果对于τ＝0.51-0.74持续，其中有效速率与(8PSK、8QAM)调制相关联。对于τ>0.74，有效速率与QPSK调制相关联。有趣的是，可以使用式(8)-(12)中较少的约束C1、C2实现实际上更高的速率。
图6描绘了能量效率相对于加速因子的性能。可以注意到，能量效率性能由于能量效率因变于有效速率和取得该目标速率所需的功率两者的事实而具有与有效速率不同的趋势，所以该附图解说了它们之间的折衷。此外，总体趋势是，能源效率随着我们加速我们的码元速率而改善。当τ＝0.52和τ＝0.58时取得最高能量效率，而当τ＝0.97和τ＝0.94(这些值非常接近τ＝1)时达到最低能量效率。在这些情形中，所使用的加速无法补偿达成SNR目标的增加的所需功率。
应当理解，仅通过说明的方式给出了特定优选实施例的详细描述，因为在本发明范围内的各种改变和修改对本领域技术人员而言是显而易见的。保护范围由以下权利要求书限定。
卢森堡国家研究基金FNR于FNR ANR GRANT Broadsat 10079323下支持了这项工作和发明。

Claims (13)

1.一种用于通过多输入单输出MISO信道从数据传输设备向K个接收器同时发送K条数据消息的方法，每条数据消息包括S个数据码元的块，所述信道在所传送的信号上引入用户间干扰，所述方法包括以下步骤：
a)使用选择装置，选择与数字调制方案相关联的信号星座，所述信号星座包括多个星座点，其中每个星座点与数据码元且与对应的检测区域相关联；
b)对于K个块的每个集合的所述数据码元，其中每个块都来自所述K条数据消息之一，
i)使用预编码装置计算S·K个对应的经预编码的码元；
ii)使用数字调制装置，根据所述数字调制方案调制载波信号，以表示每一个所述经预编码的码元的已调信号；
iii)使用脉冲整形装置，生成对应于每一个所述已调信号的信号脉冲；
iv)在所述MISO信道上传送所述信号脉冲；
其特征在于，
-对应于K个块的连续集合的信号脉冲被以高于与所述信号脉冲相关联的奈奎斯特速率的信令速率传送，由此引入了码元间干扰；以及
-所述经预编码的码元的计算取决于所述信令速率，使得在传输期间遭受所述用户间干扰和所述码元间干扰之后，在所述K个相应接收器处接收到的所述K个所传送的块的数据码元位于它们对应的检测区域中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，描述所述用户间干扰的信道状态信息在发射器处通过从所述接收器接收的反馈来被接收。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个块包括一个数据码元，S＝1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据传输设备包括被配置成用于传送所述信号脉冲的N个传输天线，其中N大于K。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字调制方案被选择成使得预定的数据传输速率在向所述K个接收器进行所述传输期间被达成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MISO信道是无线信道。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经预编码的码元在包括标识所选择的数字调制方案和相关联的信号星座的前置码的数据帧中被传送到它们各自的接收器。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在此期间传送与K个块的连续集合相对应的所述信号脉冲的码元传输周期具有基本上等于与奈奎斯特信令速率相对应的传输周期的0.5至0.95倍的历时。
9.一种数据传输设备(100)，用于使用数字已调脉冲经整形信号(10)通过公共多输入单输出MISO数据通信信道向K个接收器传送经预编码的数据码元，包括：
用于储存K条数据消息的存储器元件(110)；
数据传输装置(120)，所述数据传输装置被适配成使用所述数据通信信道的多个输入中的至少一个、以高于与所使用的信号脉冲相关联的奈奎斯特速率的信令速率向每一个所述接收器传送数据；
操作地耦合到所述存储器元件(110)和数据传输装置(120)的处理装置(130)，所述处理装置被配置成执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法步骤。
10.根据权利要求9所述的数据传输设备，其特征在于，包括被配置用于传送信号脉冲的N个传输天线，其中N大于K。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的数据传输设备，其特征在于，包括被配置用于接收来自所述接收器的信道状态信息反馈的数据接收装置。
12.一种计算机系统，包括用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的装置。
13.一种具有指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时致使机器执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
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