CN115021781B - 一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，包括发送端第i个用户数据进行分布匹配，幅值映射，低密度奇偶校验LDPC编码，交织，调制，符号旋转映射；发送端经过符号旋转映射后的符号依次进行层映射，空间Q路交织，Q路交织，预编码；接收端依次进行MIMO检测，Q路解交织，空间Q路解交织，层解映射；之后，得到的第i个用户数据依次进行解调，解交织，LDPC译码，幅值解映射，拟分布匹配，并串转换，最终得到接收端最终数据。该方法可以提升MU‑MIMO系统的高可靠传输性能，解决现有技术的不足。

Description

一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法。
背景技术
目前的多用户多输入多输出MU-MIMO（multi-user multiple-input multiple-output）系统针对高谱效通信采用等概规则的正交幅度调制QAM （quadrature amplitudemodulation）方案，但这种星座调制在高谱效情况下距离香农限有1.53 dB的成形损失。所以普通高谱效规则QAM MU-MIMO系统的可靠传输性能有待进一步提升，其还不能满足第六代移动通信6G高可靠传输需求，所以需要提供一种更加高效的方式。
发明内容
本发明提供了一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，提升MU-MIMO系统的高可靠传输性能。
本发明的技术方案是：一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，A、第i个用户（1≤i≤总用户数K）发送数据的比特序列为 />，对发送数据依次进行处理，
1)、对数据进行分布匹配器DM（distribution matcher）处理，
分布匹配器DM码率为，当/>，/>，其中/>表示不等概幅值概率分布/>的熵；
2）、进行幅值映射，
4PAM星座幅值集合A={3,1}，8PAM星座幅值集合A={7,5,3,1}。为幅值映射函数，
对于4PAM符号，
对于8PAM符号，
；
3）、比特交织编码调制，
进行低密度奇偶校验码LDPC编码，LDPC采用系统码，码率为r，均匀分布的数据比特序列的长度为/>，其长度为/>，其中，/>，/>，LDPC信息位比特为/>，
经过LDPC编码后，生成的校验比特和/>进行级联，通过比特交织器，
比特交织后的数据比特序列被用于星座调制的符号位比特，非均匀分布的数据比特序列/>被用于星座调制的幅值位比特，调制符号/>经过二维星座旋转后，得到旋转后的调制符号/>，其中
表示星座旋转角度，/>和/>分别表示信号/>的同向分量和正交分量；
B、发送端经过符号旋转映射后的符号依次进行层映射，空间Q路交织，Q路交织，预编码，
C、接收端依次进行MIMO检测，Q路解交织，空间Q路解交织，层解映射；之后，得到的第i个用户数据依次进行解调，解交织，LDPC译码，幅值解映射，拟分布匹配，并串转换，最终得到接收端最终数据。
具体的，的选取范围为/>，基于平均互信息，采用遍历搜索，寻找最优的星座符号旋转角度，
针对K用户，MU-MIMO系统，当采用M-QAM星座调制时，其平均互信息表达式如下所示，
其中，x和y分别表示输入星座调制符号和输出符号；表示星座集合；/>表示星座子集；其中，第i个比特/>，h表示MU-MIMO衰落信道系数。
步骤B具体为，所有K个用户旋转后的调制符号被分为L层数据，随后，经过空间Q路交织，并在每一层进行时域Q路分量交织；
发射端预编码，
第i个用户的MIMO信道为，
为发送端天线数目，/>为第i个接收端用户天线数目，/>；
接收端总天线数目；
统一信道矩阵为，
发送符号，接收符号/>，
其中，，/>表示零均值方差为/>的高斯噪声；
为预编码矩阵，/>，
表示第i个用户预编码矩阵，/>；
表示第i个用户的接收符号，
其中，是第i个用户的有用信号，/>为多用户干扰MUI，采用块对角化预编码，有效地消除MUI，/>；
需要满足以下等式
，
通过奇异值分解SVD（singular value decomposition），信道矩阵被分解为
和/>是矩阵/>的两个奇异矩阵。/>，其中，/>表示矩阵/>的秩，/>表示/>中/>个非零奇异值对应的空间向量，/>表示/>中/>个零奇异值对应的空间向量；
发送端和第i个用户等效的MIMO信道可以表达如下
随后，矩阵通过SVD分解为无干扰的并行MIMO子信道，
当所有用户分配等功率时，第i个用户的总预编码矩阵可以表达为。
步骤C具体为，进行MIMO检测、之后经过时域Q路解交织和空间Q路解交织，生成的所有L层接收符号，/>被映射到K个用户，得到/>，对于第i个用户，/>被解调通过计算/>，
其中，，/>，/>表示条件概率密度函数，/>表示旋转星座符号，/>和/>分别表示符号/>的实部分量和虚部分量，
其中，和/>分别表示衰落信道的实部分量和虚部分量，
经过解交织和LDPC译码后，第i个用户的LDPC译码比特通过幅值解映射，逆分布匹配后，可以得到第i个用户估计的数据比特序列/>，
通过并串转换，最终，得到所有K个用户估计的数据比特序列。
利用本发明提供的基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，具有如下优点：本发明所提供的基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，将概率成形技术应用到MU-MIMO编码调制系统，通过优化最优符号旋转角度，可以显著提升MU-MIMO编码调制系统的可靠传输性能，为多用户实现可靠的数据传输提供了一种方法。
附图说明
图1是根据本发明实例的一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法流程示意图。
图2是分布匹配的流程示意图。
图3(a)是4PAM星座图的示意图，图3(b)是8PAM星座图的示意图。
图4 给出了16QAM MU-MIMO 2用户，每用户2根接收天线情况下的不同角度对应的谱效对比。
图5 64QAM MU-MIMO 2用户，每用户2根接收天线情况下的不同角度对应的谱效对比。
图6是本发明实例1与采用均匀无旋转系统在16QAM调制，4/5码率，2用户，4个发送天线，2个接收天线下的传输性能对比示意图。
图7是本发明实例2与采用均匀无旋转系统在16QAM调制，5/6码率，2用户，4个发送天线，2个接收天线下的传输性能对比示意图。
图8是本发明实例3与采用均匀无旋转系统在64QAM调制，4/5码率，2用户，4个发送天线，2个接收天线下的传输性能对比示意图。
图9是本发明实例4与采用均匀无旋转系统在64QAM调制，5/6码率，2用户，4个发送天线，2个接收天线下的传输性能对比示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1、2、3，一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法
采用2用户，4个发送天线，2个接收天线， PS 16QAM 调制，一维不等概幅值概率分布为[3:1]=[0.3505:0.6495]。LDPC码率为5/6，码长为12000比特。对于第i个用户（i=1，2），发送端均匀分布的二进制比特序列/>分为/>。 根据一维不等概幅值概率分布，/>通过分布匹配，产生长度为6000的不等概分布幅值序列/>。经过幅值映射后，产生用于16QAM星座调制的幅值位比特序列/>，/>和/>进行级联，作为LDPC编码的信息位比特序列，经过LDPC编码，产生的校验位比特序列/>和/>进行级联，通过比特交织后，得到用于16QAM星座调制的符号位比特序列/>。经过16QAM星座调制后，得到星座调制符号序列。将调制符号序列/>经过二维星座旋转，旋转角度/>为18o，生成符号序列/>。将2个用户生成的符号序列/>、/>合并，然后进行2层层映射。针对层映射后的数据进行空间Q路交织。经过空间Q路交织，将每一层数据进行时域Q路交织，得到符号序列/>。将符号序列/>进行SVD预编码，其中，第i个用户的MIMO信道可以表示为/>，矩阵大小为2x2, 预编码矩阵为/>,矩阵大小为2 x 2,对于第1个接收信号/>来说，/>，其中，/>是第1个用户的有用信号，/>为多用户干扰MUI。为了确保MUI被完全消除，/>需满足。假设/>，其矩阵大小为4x2，秩为2。所以，。同理，对于第1个接收信号/>来说，，其中，/>是第2个用户的有用信号，/>为多用户干扰MUI。为了确保MUI被完全消除，/>需满足/>。假设/>，其矩阵大小为4x2，秩为2。所以，/>。
第i个用户的MIMO信道,矩阵/>的大小都为2x2。第i个用户的发送端预编码矩阵为/>，接收端MIMO检测矩阵为/>。 经过MIMO检测后，得到的第i层检测符号序列/>进行时域Q路解交织，然后生成的符号序列/>进行空间Q路解交织，得到序列/>。将2层序列/>和/>进行层解映射。对于第i个用户，将层解映射得到的序列/>进行解调，对于第i个用户，/>被解调通过计算/>。
其中，。
随后，经过解交织和LDPC译码后，第i个用户的LDPC译码比特序列经过幅值解映射和逆分布匹配后，可以得到第i个用户估计的数据比特序列/>。通过并串转换，最终，我们可以得到2个用户估计的数据比特序列/>，全部流程结束。
图4 给出了16QAM MU-MIMO 2用户，每用户2根接收天线情况下的不同角度对应的谱效对比。其中，PS1幅值概率分布为[3:1]=[0.3505:0.6495]，PS2幅值概率分布为[3:1]=[0.333:0.667]。通过遍历搜索，我们发现，对于均匀16QAM 2X4 MIMO 2用户，PS1 16QAM2X4MIMO 2用户和PS2 16QAM 2X4MIMO 2用户系统，其最优星座旋转角度都为18o。
图5 给出了64QAM MU-MIMO 2用户，每用户2根接收天线情况下的不同角度对应的谱效对比。其中，PS3幅值概率分布为[7:5:3:1]=[0.1265:0.213:0.30175:0.35875]，PS4幅值概率分布为[7:5:3:1]=[0.1135:0.206:0.374:0.3065]。通过遍历搜索，我们发现，对于均匀64QAM 2X4MIMO 2用户，PS3 64QAM 2X4MIMO 2用户和PS4 64QAM 2X4MIMO 2用户系统，其最优星座旋转角度都为14o。
图6是本发明实例和目前传统的均匀无旋转系统在4/5码率下的传输性能对比图。从图中可以看出，在误帧率为10-3时，均匀旋转18o系统可以获得2.87 dB的性能增益。提出的PS 16QAM 旋转18o系统可以获得3.12 dB的性能增益。
实施例2
一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法
本发明实例采用规则列度为3的LDPC码作为其信道编码，码长为12000 比特。该发明实例各参数说明如下：信道为快衰落信道，译码方式为Log-BP, 最大译码迭代次数为30次。调制方式为16QAM。 对于均匀无旋转系统和均匀旋转系统，其LDPC码率为5/6。对于PS旋转系统，其LDPC码率为7/8, 一维PS幅值概率分布为[3:1]=[0.333:0.667]，系统总码率为5/6。采用2用户，4个发送天线，2个接收天线。
图7是本发明实例和目前传统的均匀无旋转系统在5/6码率下的传输性能对比图。从图中可以看出，在误帧率为10-3时，均匀旋转18o系统可以获得3.38 dB的性能增益。提出的PS 16QAM 旋转18o系统可以获得3.71 dB的性能增益。
实施例3
一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法
本发明实例采用规则列度为3的LDPC码作为其信道编码，码长为12000 比特。该发明实例各参数说明如下：信道为快衰落信道，译码方式为Log-BP, 最大译码迭代次数为30次。调制方式为64QAM。 对于均匀无旋转系统和均匀旋转系统，其LDPC码率为4/5。对于PS旋转系统，其LDPC码率为5/6, 一维PS幅值概率分布为[7:5:3:1]=[0.1265:0.213:0.30175:0.35875]，系统总码率为4/5。采用2用户，4个发送天线，2个接收天线。
图8是本发明实例和目前传统的均匀无旋转系统在4/5码率下的传输性能对比图。从图中可以看出，在误帧率为10-3时，均匀旋转14o系统可以获得1.00 dB的性能增益。提出的PS 64QAM 旋转14o系统可以获得1.50 dB的性能增益。
实施例4
一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法
本发明实例采用规则列度为3的LDPC码作为其信道编码，码长为12000 比特。该发明实例各参数说明如下：信道为快衰落信道，译码方式为Log-BP, 最大译码迭代次数为30次。调制方式为64QAM。 对于均匀无旋转系统和均匀旋转系统，其LDPC码率为5/6。对于PS旋转系统，其LDPC码率为7/8, 一维PS幅值概率分布为[7:5:3:1]=[0.1135:0.206:0.374:0.3065]，系统总码率为5/6。采用2用户，4个发送天线，2个接收天线。
图9是本发明实例和目前传统的均匀无旋转系统在5/6码率下的传输性能对比图。从图中可以看出，在误帧率为10-3时，均匀旋转14o系统可以获得1.60 dB的性能增益。提出的PS 64QAM 旋转14o系统可以获得1.90 dB的性能增益。

Claims (3)

1.一种基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，其特征在于：
A、第i个用户（1≤i≤总用户数K）发送数据的比特序列 为 />，对发送数据依次进行处理，
1)、对数据进行分布匹配器DM（distribution matcher）处理，
分布匹配器DM码率为，当/>，/>，其中/>表示不等概幅值概率分布/>的熵；
2）、进行幅值映射，
4PAM星座幅值集合A={3,1}，8PAM星座幅值集合A={7,5,3,1}，为幅值映射函数，
对于4PAM符号，
对于8PAM符号，
；
3）、比特交织编码调制，
进行低密度奇偶校验码LDPC编码，LDPC采用系统码，码率为r，均匀分布的数据比特序列的长度为/>，其长度为/>，其中，/>，/>，LDPC信息位比特为/>，
经过LDPC编码后，生成的校验比特和/>进行级联，通过比特交织器，
比特交织后的数据比特序列被用于星座调制的符号位比特，非均匀分布的数据比特序列/>被用于星座调制的幅值位比特，调制符号/>经过二维星座旋转后，得到旋转后的调制符号/>，其中/>，
表示星座旋转角度，/>和/>分别表示信号/>的同向分量和正交分量；
B、发送端经过符号旋转映射后的符号依次进行层映射，空间Q路交织，Q路交织，预编码，具体为，所有K个用户旋转后的调制符号被分为L层数据，随后，经过空间Q路交织，并在每一层进行时域Q路分量交织；
发射端预编码，
第i个用户的MIMO信道为，
为发送端天线数目，/>为第i个接收端用户天线数目，/>；
接收端总天线数目；
统一信道矩阵为，
发送符号，接收符号/>，
其中，，/>表示零均值方差为/>的高斯噪声, />接收端总天线数目；
为预编码矩阵，/>，
表示第i个用户预编码矩阵，/>；
表示第i个用户的接收符号，
，
其中，是第i个用户的有用信号，/>为多用户干扰MUI，；
需要满足以下等式
，
通过奇异值分解SVD（singular value decomposition），信道矩阵被分解为
和/>是矩阵/>的两个奇异矩阵，/>，其中，/>表示矩阵/>的秩，表示/>中/>个非零奇异值对应的空间向量，/>表示/>中/>个零奇异值对应的空间向量；
发送端和第i个用户等效的MIMO信道可以表达如下
随后，矩阵通过SVD分解为无干扰的并行MIMO子信道，
当所有用户分配等功率时，第i个用户的总预编码矩阵可以表达为；
C、接收端依次进行MIMO检测，Q路解交织，空间Q路解交织，层解映射；之后，得到的第i个用户数据依次进行解调，解交织，LDPC译码，幅值解映射，拟分布匹配，并串转换，最终得到接收端最终数据。
2.根据权利要求1所述的基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，其特征在于：星座旋转角度的选取范围为/>，基于平均互信息，采用遍历搜索，寻找最优的星座符号旋转角度，
针对K用户，MU-MIMO系统，当采用M-QAM星座调制时，其平均互信息表达式如下所示，
，
其中，x和y分别表示输入星座调制符号和输出符号；表示星座集合；/>表示星座子集；其中，第i个比特/>，h表示MU-MIMO衰落信道系数。
3.根据权利要求1所述的基于概率成形的多用户多输入多输出调制分集方法，其特征在于：步骤C具体为，进行MIMO检测、之后经过时域Q路解交织和空间Q路解交织，生成的所有L层接收符号被映射到K个用户，得到/>，对于第i个用户，/>被解调通过计算/>，
,
,
其中，，/>，/>表示条件概率密度函数，/>表示旋转星座符号，/>和/>分别表示符号/>的实部分量和虚部分量，
其中，和/>分别表示衰落信道的实部分量和虚部分量，
经过解交织和LDPC译码后，第i个用户的LDPC译码比特通过幅值解映射，逆分布匹配后，可以得到第i个用户估计的数据比特序列/>，通过并串转换，最终，得到所有K个用户估计的数据比特序列/>。
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