CN114337923B - 一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法和设备 - Google Patents

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CN114337923B CN202111619396.4A CN202111619396A CN114337923B CN 114337923 B CN114337923 B CN 114337923B CN 202111619396 A CN202111619396 A CN 202111619396A CN 114337923 B CN114337923 B CN 114337923B
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本发明涉及一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法和设备，包括：S1、发射端获取原始编码信息，采用分层编码机制将原始编码信息编码到多组独立码本上，分别结合编码子信息生成中间编码信息发送到接收端；S2、接收端对接收的中间编码信息进行动态划分，根据划分后的编码信息计算满足低复杂度约束的局部解码优化顺序，根据局部解码优化顺序依次选择部分目标信息和干扰信息进行有序解码；S3、接收端根据解码信息，采用有限信道反馈协调局部解码顺序，并基于最大‑最小原理交互更新各码本传输速率，实现码本传输速率和解码顺序的全局优化。与现有技术相比，本发明具有使接收端在既定复杂度约束下快速完成对目标信息的有效解码等优点。

Description

一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法和设备
技术领域
本发明涉及物联网高性能传输领域，尤其是涉及一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法和设备。
背景技术
现如今，考虑到物联网的(Internet of Things，IoT)密集部署和无线资源的日渐稀缺，海量终端资源共享导致的同频干扰将制约系统的传输容量和可靠性能。为充分缓解多用户干扰对通信容量的负面影响，基于连续干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)的分组解码技术，通过允许接收端以分组形式依次选择性地解码部分干扰信息，为多元终端的速率分配及解码方案提供了更多的灵活性，成为抑制同频干扰、维持更高信道容量的有效手段。
尽管采用分组解码技术在提升信道容量方面具有很大优势，逐步解码机制却会面临冗杂的干扰消除步骤，甚至可能会显著增加解码复杂度和接收处理时延。作为5G的三大应用场景之一，低时延高可靠通信(Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC)是指引物联网大规模部署的重要性能指标。其中，针对时延敏感性业务的实时维护，5G特别指出要将系统的端到端时延控制在毫秒量级。具体来说，端到端时延是指对于已经建立连接的收发设备，从发射端编码产生数据包开始，到接收端解码完成所消耗的总时延。然而，现有的分组解码设计旨在确保既定可靠性约束下的传输容量最大化，而忽视了分组机制固有的计算复杂度和相应大幅增加的接收处理时延。因此，如何有效权衡信道容量、传输可靠性以及接收处理复杂度，满足物联网低时延、高可靠的传输需求是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法和设备，使接收端在既定复杂度约束下快速完成对目标信息的有效解码。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法，具体包括以下步骤：
S1、发射端获取原始编码信息，采用分层编码机制将原始编码信息编码到多组独立码本上，分别结合对应的编码子信息生成中间编码信息发送到接收端；
S2、接收端对接收的中间编码信息进行动态划分，根据划分后的编码信息计算满足低复杂度约束的局部解码优化顺序，根据局部解码优化顺序依次选择部分目标信息和干扰信息进行有序解码；
S3、接收端根据解码信息，采用有限信道反馈协调局部解码顺序，并基于最大-最小原理交互更新各码本传输速率，实现码本传输速率和解码顺序的全局优化。
所述接收端接收的中间编码信息yi[n]的公式如下所示：
Figure BDA0003437385960000021
其中，hi,j表示发射端j到接收端i的信道增益，Pj和vi[n]分别表示发射功率和接收噪声，
Figure BDA0003437385960000022
xj,l[n]表示经独立码本
Figure BDA00034373859600000210
编码后的第n个信息符号，
Figure BDA0003437385960000023
表示发射端j选取的Lj层独立码本。
所述接收端对中间编码信息进行动态划分时满足以下公式：
Figure BDA0003437385960000024
Figure BDA0003437385960000025
其中，
Figure BDA0003437385960000026
为中间编码信息的划分结果，m∈{1,2,...,qi}，
Figure BDA0003437385960000027
为接收端i解码目标信息，μ为接收端每组同步解码的最多子信息数。
所述接收端根据划分后的编码信息进行解码的过程如下所示：
S201、初始化分组轮次m＝1；
S202、利用最大似然解码技术联合解码当前分组轮次的子信息集
Figure BDA0003437385960000028
并将其余子信息集
Figure BDA0003437385960000029
视作噪声；
S203、执行干扰消除操作；
S204、更新分组轮次m←m+1，判断分组轮次是否小于m＜qi+1，若是则转至步骤S202。
所述发射端的独立码本具有可解码速率，所述独立码本的可解码速率满足可达速率阈值，可达速率阈值
Figure BDA00034373859600000318
具体如下所示：
Figure BDA0003437385960000031
Figure BDA0003437385960000032
其中，
Figure BDA00034373859600000319
为接收端联合解码子信息集，
Figure BDA00034373859600000320
为噪声，
Figure BDA00034373859600000321
表示接收端i接收到的所有码本信息，当接收端i解码子信息集
Figure BDA0003437385960000033
时，对应的可解码速率表示为：
Figure BDA0003437385960000034
其中，
Figure BDA0003437385960000035
为解码子信息集
Figure BDA0003437385960000036
对应的可解码速率，
Figure BDA0003437385960000037
接收端采用不同的码本划分/解码顺序会得到不同的可解码速率/最大传输速率；当分组数目
Figure BDA0003437385960000038
取值较大时，采用分组解码将带来不容忽视的计算复杂度和接收处理时延。为了有效权衡码本传输速率和计算复杂度，各接收端将首先构建基于低复杂度约束的解码顺序局部优化问题。所述步骤S2中计算低复杂度约束的局部解码优化顺序对应的公式如下所示：
Figure BDA0003437385960000039
Figure BDA00034373859600000310
其中，
Figure BDA00034373859600000311
表示接收端i在低复杂度约束
Figure BDA00034373859600000312
下的最优解码顺序，为相应解码顺序下独立码本的传输速率。
进一步地，所述独立码本的传输速率满足以下公式：
Figure BDA00034373859600000313
其中，Rj,l为发射端j选取的l层独立码本的传输速率，
Figure BDA00034373859600000314
由于采用穷举法搜寻
Figure BDA00034373859600000315
包含的所有可行解码方案复杂度过高，为了快速求解各接收端局部解码优化顺序，所述步骤S2中采用逆序搜索算法计算低复杂度约束的局部解码优化顺序，具体来说，按照逆序搜索思想优先确定噪声集合
Figure BDA00034373859600000316
(所包含的子信息始终被视作噪声)，最后确定解码集合
Figure BDA00034373859600000317
具体过程包括计算使下述速率增量最小的码本集合：
Figure BDA0003437385960000041
其中，
Figure BDA0003437385960000042
为优化过程中的码本信息集合。
当各接收端利用局部环境参数求解得到各自的局部解码优化顺序之后，为保证全局所有终端的一致性服务需求，需协调各终端局部优化信息，通过全局优化分配码本传输速率和解码顺序，提升系统的全局可达和速率。具体来说，以最大化系统可达和速率为优化目标。所述步骤S3中基于最大-最小原理交互更新各码本传输速率，进行全局速率优化分配，具体公式如下所示：
Figure BDA0003437385960000043
其中，
Figure BDA0003437385960000044
为码本速率，Δr为过程参数。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可由处理器运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时，执行所述的解码方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明具有较好的解码灵活性：传统的连续干扰消除技术往往以发射端传输单码本数据为前提，并假设接收端将解码全部目标信息及干扰信息，这一定程度上限制了接收端的解码自由。本发明通过将发送码本分层编码到多组码本上，并允许接收端有选择性地解码部分干扰信息，为系统的速率分配及解码方案提供了更多灵活性，有益于维持更高信道容量下的可靠通信。
2.本发明具有较好的解码时效性：传统分组解码方案仅围绕最大化系统可达和速率对解码顺序进行优化设计，然而冗长的干扰消除步骤会显著增加接收处理复杂度。本发明通过求解满足低复杂度约束的分组解码优化方案，确保了接收端在执行既定次数干扰消除操作后即可完成对目标信息的快速解码。
3.本发明具有较好的解码可扩展性：可扩展性是指系统的扩展和增长能力，而复杂度正是评估可扩展性的重要指标，复杂度越低则系统的可扩展性越好。本发明通过设计基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方案，有效降低了连续干扰消除机制固有的计算复杂度和接收处理时延，使系统在既定复杂度约束下实现了可达传输速率的最大化。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例中K-用户全连接干扰系统信道模型的示意图；
图3为本发明实施例中基于连续干扰消除的分组解码的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法，具体包括以下步骤：
S1、发射端获取原始编码信息，采用分层编码机制将原始编码信息编码到多组独立码本上，分别结合对应的编码子信息生成中间编码信息发送到接收端；
S2、接收端对接收的中间编码信息进行动态划分，根据划分后的编码信息计算满足低复杂度约束的局部解码优化顺序，根据局部解码优化顺序依次选择部分目标信息和干扰信息进行有序解码；
S3、接收端根据解码信息，采用有限信道反馈协调局部解码顺序，并基于最大-最小原理交互更新各码本传输速率。
接收端接收的中间编码信息yi[n]的公式如下所示：
Figure BDA0003437385960000051
其中，hi,j表示发射端j到接收端i的信道增益，Pj和vi[n]分别表示发射功率和接收噪声，
Figure BDA0003437385960000052
xj,l[n]表示经独立码本
Figure BDA0003437385960000055
编码后的第n个信息符号，
Figure BDA0003437385960000053
表示发射端j选取的Lj层独立码本。
接收端对中间编码信息进行动态划分时满足以下公式：
Figure BDA0003437385960000054
Figure BDA0003437385960000061
其中，
Figure BDA0003437385960000062
为中间编码信息的划分结果，m∈{1,2,...,qi}，
Figure BDA0003437385960000063
为接收端i解码目标信息，μ为接收端每组同步解码的最多子信息数。
接收端根据划分后的编码信息进行解码的过程如下所示：
S201、初始化分组轮次m＝1；
S202、利用最大似然解码技术联合解码当前分组轮次的子信息集
Figure BDA0003437385960000064
并将其余子信息集
Figure BDA0003437385960000065
视作噪声；
S203、执行干扰消除操作；
S204、更新分组轮次m←m+1，判断分组轮次是否小于m＜qi+1，若是则转至步骤S202。
发射端的独立码本具有可解码速率，独立码本的可解码速率满足可达速率阈值，可达速率阈值
Figure BDA00034373859600000618
具体如下所示：
Figure BDA0003437385960000066
Figure BDA0003437385960000067
其中，
Figure BDA00034373859600000619
为接收端联合解码子信息集，
Figure BDA00034373859600000620
为噪声，
Figure BDA00034373859600000621
表示接收端i接收到的所有码本信息，当接收端i解码子信息集
Figure BDA0003437385960000068
时，对应的可解码速率表示为：
Figure BDA0003437385960000069
其中，
Figure BDA00034373859600000610
为解码子信息集
Figure BDA00034373859600000611
对应的可解码速率，
Figure BDA00034373859600000612
接收端采用不同的码本划分/解码顺序会得到不同的可解码速率/最大传输速率；当分组数目
Figure BDA00034373859600000613
取值较大时，采用分组解码将带来不容忽视的计算复杂度和接收处理时延。为了有效权衡码本传输速率和计算复杂度，各接收端将首先构建基于低复杂度约束的解码顺序局部优化问题。步骤S2中计算低复杂度约束的局部解码优化顺序对应的公式如下所示：
Figure BDA00034373859600000614
Figure BDA00034373859600000615
其中，
Figure BDA00034373859600000616
表示接收端i在低复杂度约束
Figure BDA00034373859600000617
下的最优解码顺序，为相应解码顺序下独立码本的传输速率。
独立码本的传输速率满足以下公式：
Figure BDA0003437385960000071
其中，Rj,l为发射端j选取的l层独立码本的传输速率，
Figure BDA0003437385960000072
由于采用穷举法搜寻
Figure BDA0003437385960000073
包含的所有可行解码方案复杂度过高，为了快速求解各接收端局部解码优化顺序，步骤S2中采用逆序搜索算法计算低复杂度约束的局部解码优化顺序，本实施例中，逆序搜索算法的伪代码如表1所示：
表1低复杂度约束的解码顺序优化算法
Figure BDA0003437385960000074
具体来说，按照逆序搜索思想优先确定噪声集合
Figure BDA0003437385960000075
(所包含的子信息始终被视作噪声)，最后确定解码集合
Figure BDA0003437385960000076
具体过程包括计算使下述速率增量最小的码本集合：
Figure BDA0003437385960000077
其中，
Figure BDA0003437385960000081
为优化过程中的码本信息集合。在依次逆序选取解码集合的过程中，为确保所选方案满足低复杂度约束，设置复杂度判定条件
Figure BDA0003437385960000082
暗示接收端可以在执行既定次数连续干扰消除步骤内，完成对剩余所有码本信息的有效解码；否则，限制分组解码维度
Figure BDA0003437385960000083
确保最终输出的解码顺序符合低复杂度约束。
当各接收端利用局部环境参数求解得到各自的局部解码优化顺序之后，为保证全局所有终端的一致性服务需求，需协调各终端局部优化信息，通过全局优化分配码本传输速率和解码顺序，提升系统的全局可达和速率，全局速率优化分配算法的伪代码如表2所示：
Figure BDA0003437385960000084
具体来说，以最大化系统可达和速率为优化目标。步骤S3中基于最大-最小原理交互更新各码本传输速率，进行全局速率优化分配，具体公式如下所示：
Figure BDA0003437385960000091
其中，
Figure BDA0003437385960000092
为码本速率，Δr为过程参数。受低复杂度约束影响，速率增量在迭代一定次数后会存在
Figure BDA0003437385960000093
为了始终维持
Figure BDA0003437385960000094
从而避免反复循环，这种情况下将沿用前一次迭代得到的优化方案。当速率增量不再随着迭代过程持续增加时，即对于任意小的数ε存在
Figure BDA0003437385960000095
则最终输出结果为在低复杂度约束下关于分组解码顺序和码本发送速率的全局优化方案。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器上存储有可由处理器运行的计算机程序，处理器运行计算机程序时，执行解码方法。
具体实施时，采用如图2所示的基于K-用户全连接干扰模型作为多终端通信场景，其中每个发射端用户均期望与其指定的接收端用户进行通信，各发射端共享相同的时/频资源传输多层码本信息，各接收端不仅接收来自指定发射端的目标信息，还将接收到来自其他发射端的干扰信息。
如图3所示，以K＝4全连接干扰系统为例，假设接收端3接收到的所有子信息为
Figure BDA00034373859600000910
待解码目标信息为
Figure BDA0003437385960000096
若给定码本划分方案
Figure BDA0003437385960000097
其中
Figure BDA0003437385960000098
Figure BDA0003437385960000099
则接收端3将在连续执行q3＝3次连续干扰消除操作后解码出所有目标信息。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、发射端获取原始编码信息，采用分层编码机制将原始编码信息编码到多组独立码本上，分别结合对应的编码子信息生成中间编码信息发送到接收端；
S2、接收端对接收的中间编码信息进行动态划分，根据划分后的编码信息计算满足低复杂度约束的局部解码优化顺序，根据局部解码优化顺序依次选择部分目标信息和干扰信息进行有序解码；
S3、接收端根据解码信息，采用有限信道反馈协调局部解码顺序，并基于最大-最小原理交互更新各码本传输速率；
所述接收端对中间编码信息进行动态划分时满足以下公式：
Figure FDA0003902064500000011
Figure FDA0003902064500000012
其中，
Figure FDA0003902064500000013
为中间编码信息的划分结果，m∈{1,2,...,qi}，
Figure FDA0003902064500000014
为接收端i解码目标信息，μ为接收端每组同步解码的最多子信息数；
所述接收端根据划分后的编码信息进行解码的过程如下所示：
S201、初始化分组轮次m＝1；
S202、利用最大似然解码技术联合解码当前分组轮次的子信息集
Figure FDA0003902064500000015
并将其余子信息集
Figure FDA0003902064500000016
视作噪声；
S203、执行干扰消除操作；
S204、更新分组轮次m←m+1，判断分组轮次是否小于m＜qi+1，若是则转至步骤S202；
所述步骤S2中计算低复杂度约束的局部解码优化顺序对应的公式如下所示：
Figure FDA0003902064500000017
Figure FDA0003902064500000018
其中，
Figure FDA0003902064500000019
表示接收端i在低复杂度约束
Figure FDA00039020645000000110
下的最优解码顺序，为相应解码顺序下独立码本的传输速率；
所述步骤S2中采用逆序搜索算法计算低复杂度约束的局部解码优化顺序，具体过程包括计算使下述速率增量最小的码本集合：
Figure FDA0003902064500000021
其中，
Figure FDA0003902064500000022
为优化过程中的码本信息集合；
所述步骤S3中基于最大-最小原理交互更新各码本传输速率，进行全局速率优化分配，具体公式如下所示：
Figure FDA0003902064500000023
其中，
Figure FDA0003902064500000024
为码本速率，Δr为过程参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法，其特征在于，所述接收端接收的中间编码信息yi[n]的公式如下所示：
Figure FDA0003902064500000025
其中，hi,j表示发射端j到接收端i的信道增益，Pj和vi[n]分别表示发射功率和接收噪声，
Figure FDA0003902064500000026
xj,l[n]表示经独立码本
Figure FDA00039020645000000217
编码后的第n个信息符号，
Figure FDA0003902064500000027
表示发射端j选取的Lj层独立码本。
3.根据权利要求1所述的一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法，其特征在于，所述发射端的独立码本具有可解码速率，所述独立码本的可解码速率满足可达速率阈值，可达速率阈值
Figure FDA0003902064500000028
具体如下所示：
Figure FDA0003902064500000029
Figure FDA00039020645000000210
其中，
Figure FDA00039020645000000211
为接收端联合解码子信息集，
Figure FDA00039020645000000212
为噪声，
Figure FDA00039020645000000213
Figure FDA00039020645000000214
表示接收端i接收到的所有码本信息，当接收端i解码子信息集
Figure FDA00039020645000000215
时，对应的可解码速率表示为：
Figure FDA00039020645000000216
其中，
Figure FDA0003902064500000031
为解码子信息集
Figure FDA0003902064500000032
对应的可解码速率，
Figure FDA0003902064500000033
Rj,l为发射端j选取的l层独立码本的传输速率，
Figure FDA0003902064500000034
4.根据权利要求1所述的一种基于连续干扰消除的低复杂度分组解码方法，其特征在于，所述独立码本的传输速率满足以下公式：
Figure FDA0003902064500000035
其中，Rj,l为发射端j选取的l层独立码本的传输速率，
Figure FDA0003902064500000036
5.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可由处理器运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时，执行如权利要求1-4中任一项所述的解码方法。
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