CN116054889A - 一种面向mimo系统的编码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向MIMO系统的编码传输方法，应用于N_t根发射天线和N_r根接收天线的SM‑MIMO系统模型，对于任意时刻t，只有发射机的n_a根天线处于激活状态以进行传输。本发明使用任意线性分组码C[n,k]保护信息，激活天线的可能发射信号取自星座信号集合χ，考虑时不变延迟方案，第(t，i)个编码子块p_t ⁽ⁱ⁾在瞬时t+T_i视为SM映射器的输入，参数T_i称为第i个延迟。缓冲区中的比特以逐列方式用于SM映射。SM映射器获取比特序列矩阵C_t作为输入，x_t＝(x_t,0,x_t,1,...,x_t,i,...,x_t,α‑1)作为输出。用P_t,i表示P_t的第i列，传输信号x_t,i由P_t中的第i列获取。SM映射器利用了P_t和P_t+1之间的相关性，使得后面的接收器中可以探索这些相关性来提高解码性能。本发明具有构造灵活、可逼近信道容量、性能良好等优点。

Description

一种面向MIMO系统的编码传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和数字存储技术领域，具体涉及一种面向MIMO系统的编码传输方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，提高无线电通信频谱效率和可靠性至关重要，其中信道编码是数据可靠传输，控制差错和可靠存储的重要保障。目前，几乎所有实际应用的纠错码都是线性的，线性分组码的应用也很广泛。LDPC码具有逼近香农限的优异性能，并且具有译码复杂度低、可并行译码以及译码错误的可检测性等特点，从而成为了信道编码理论新的研究热点。低信噪比下LDPC码的误比特率偏高，当信噪比增加到某一数值后，误比特率会大幅下降，此误比特率大幅下降的区间称为瀑布区；高信噪比下，误比特率维持在低水平且不再明显变化，继续增大信噪比将不会带来增益，此区间称为错误平层区。

现代生活对提高无线链路的更高数据速率和改进服务质量的需求在不断增加，多输入多输出(MIMO)技术是通过从多个天线传输多个数据流来实现此目的的一种解决方案。技术中的一种，具有降低传输和接收复杂度以及改进错误性能的优点。2012年又有研究者提出比特交织编码空间调制(BICSM)方法，这是一种有效针对信道衰落和天线相关效应的性能改进的空间调制方法，BICSM在实际误码率(BER)水平上普遍优于未编码SM系统，并且在所有方面都提供了可观的性能提升渠道条件。后来也有不少文献研究了任意线性分组码方案下的SM-MIMO系统，它们的复杂度要低得多。2016年，延迟BICM(DBICM)被提出，在DBICM中，来自多个码字的某些位被映射到一个符号上，这在码字之间创建了相关性，接收器可以探索这些相关性以提高解码性能，且在瀑布区线性分组码的DBICM相比于BICM有相当大的性能提升。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，结合上述技术的优点提供一种面向MIMO系统的编码传输方法，将DBICM应用于线性分组码的SM-MIMO系统中，简称为DBICSM，这种方案具有构造灵活的优点，可以提高编码空间调制性能，在瀑布区表现出更好的性能提升。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种面向MIMO系统的编码传输方法，应用于使用N_t根发射天线和N_r根接收天线的SM-MIMO系统模型，对于任意时刻t，N_t根发射天线中只有n_a根发射天线处于激活状态以进行传输，使用线性分组码C[n,k]进行信息编码，其中n是分组码中的码长，k是分组码中信息码元的数目，用星座信号集合χ作为激活状态的发射天线的待发射信号，星座信号集合χ的基数|χ|＝2^q，q为大于0的整数，激活天线的不同组合总数为

是组合符号，表示从A个数中选B个数，选择处于激活状态的发射天线需要的比特数为w，

表示向下取整运算，用p＝w+n_aq比特来确定SM映射器中采每个时刻t的传输信号，假设线性分组码的码长n是p的整数倍，即n＝pα，α为大于0的整数，如果不满足此假设，在码字v_t末尾填充适当数量的0，使得填充0之后的分组码的码长n是p的整数倍，设定DBICSM的编码记忆为m，0＜m＜p，m为大于0的整数，延迟模块的耦合总数为L，2≤L且L为整数，所述编码传输方法包括以下步骤：

S1、在时刻t，将长度为n的信息序列u_t经过码率为R＝k/n的线性分组码编码器ENC进行编码，输出码字v_t；

S2、接着交织器Π对码字v_t进行信息和奇偶校验位的重新组织得到长度为n的信息序列c_t；

S3、将上述得到的信息序列c_t通过串并(S/P)转换器得到p块长度为α的子序列，记为C_t＝(c_t ⁽⁰⁾,c_t ⁽¹⁾,...,c_t ⁽ⁱ⁾,...,c_t ^(p-1))，c_t ⁽ⁱ⁾表示第i块子序列，接着把子序列送入p行和α列的矩形缓冲器中构成矩阵P_t用于SM映射，P_t的第i行表示为p_t ⁽ⁱ⁾＝(p_t ⁽ⁱ⁾(0),p_t ⁽ⁱ⁾(1),...,p_t ⁽ⁱ⁾(j),...,p_t ⁽ⁱ⁾(α-1))，并将p_t ⁽ⁱ⁾称为第(t，i)个编码子块，p_t ⁽ⁱ⁾(j)称为p_t ⁽ⁱ⁾中的第j列，矩形缓冲器的设置步骤如下：

S31、在初始时刻t＝0，序列c₀通过串并(S/P)转换器得到p块子序列，记为C₀＝(c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ^(p-1))，

S311、把全零序列送入p×α的矩形缓冲器的前m行中。用全零序列作为矩阵的开头，在解码过程中，通过k的值可以确定前m部分信息序列为零，从而使得这一部分译码准确率很高，这对后续译码率的提高也有帮助。

S312、把C₀的前p-m个子序列c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ^(p-m-1)逐行送入矩形缓冲器剩下的p-m行中，得到矩形缓冲器中的P₀矩阵。矩阵P₀的前一部分由确定的零序列构成，有助于提高译码性能。

S32、在下一时刻t＝t+1，序列c₁通过串并(S/P)转换器得到p块子序列，记为C₁＝(c₁ ⁽⁰⁾,c₁ ⁽¹⁾,...,c₁ ^(p-1))，把时刻t＝0剩下的m个子序列c₀ ^(p-m),...,c₀ ^(p-1)送入矩形缓冲器的前m行，执行步骤S312用C₁的子序列得到矩阵P₁，两个矩形缓冲器中的矩阵P₀和P₁通过C₀引入了相关性，记作完成一次耦合。由于矩阵P₀和P₁之间的相关性，译码能力也会因为这两个矩阵之间的相关性而受到影响，当前面的信息序列解码准确率提高，后面的信息序列解码准确率也会提高。

S33、对剩余的序列c_t执行步骤S31和步骤S32，直到完成设定的L次耦合；

S4、考虑时不变延迟方案，SM映射把P_t中的每一列P_t,i作为输入序列，P_t,i表示P_t的第i列，传输信号x_t,i由P_t中的第i列获取，假设在瞬时t+T_i，SM映射器对P_t进行映射操作得到输出序列x_t＝(x_t,0,x_t,1,...,x_t,α-1)，其中0＝T₀≤T₁≤...≤T_i≤...≤T_p-1≤m，参数T_i表示第i个延迟，SM映射器利用两个矩阵P_t和P_t+1之间的相关性，使后面的接收器可以探索这些相关性来提高解码性能，与现有的方法相比获得更低的误比特率，得到更好的性能结果。

进一步地，所述信息序列u_t是二元序列或多元序列。

进一步地，所述线性分组码编码器ENC是任意线性分组码编码器。

进一步地，u_t是二元序列时，所述矩阵P_t是任意类型的二进制矩阵；当u_t是定义在多元有限域上的序列时，所述矩阵P_t是定义在多元有限域上的任意类型的多元矩阵。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明提出的一种面向MIMO系统的编码传输方法，具有构造灵活、可逼近信道容量等优点。

2、本发明提出的一种面向MIMO系统的编码传输方法，与现有的编码传输方法相比，可以得到更好的瀑布区。

3、本发明提出的一种面向MIMO系统的编码传输方法，将延迟比特交织编码方法与空间调制相结合，与现有的编码传输方法相比，本发明的构造更多样灵活。

综上所述，本发明提出了一种面向MIMO系统的编码传输方法，具有误比特率低、可逼近信道容量，构造方法更灵活等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明公开的一种面向MIMO系统的编码传输方法的系统框图；

图2是本发明中m＝1，T₀＝…＝T_p-2＝0，T_p-1＝1的DBICSM编码器框图；

图3是本发明实施例1中的编码传输系统性能示意图；

图4是本发明实施例2中的编码传输系统性能示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中，设置GSM-MIMO系统模型大小为N_t＝4根发射天线和N_r＝4根接收天线，激活天线数n_a＝2，编码记忆m＝1，耦合总数L＝100；对任意时刻t，选择二进制LDPC码C[5600,2800]作为线性分组码。处于激活状态的发射天线的待发射信号取自16QAM信号，因此得到q＝4；选择处于激活状态的发射天线需要的比特数w＝2；SM映射器中采用p＝w+n_aq＝10比特来确定每个时刻t的传输信号，因此得到α＝560。本发明所述编码传输方法包括以下步骤：

步骤S1、将任意时刻t的信息序列u_t经过码率为R＝k/n＝0.5的LDPC编码器ENC，输出码字v_t；

步骤S2、接着交织器Π对码字v_t进行信息和奇偶校验位的重新组织得到长度为5600的信息序列c_t；

步骤S3、将上述得到的信息序列c_t通过串并(S/P)转换器得到10块长度为560的子序列，记为C_t＝(c_t ⁽⁰⁾,c_t ⁽¹⁾,...,c_t ⁽ⁱ⁾,...,c_t ⁽⁹⁾)，接着把这些子序列送入10×560的矩形缓冲器中构成矩阵P_t用于SM映射。矩形缓冲器的设置步骤如下：

在初始时刻t＝0，序列c₀通过串并(S/P)转换器得到10块子序列，记为C₀＝(c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ⁽⁹⁾)，把全零序列送入10×560的矩形缓冲器的第1行，把C₀的前9个子序列c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ⁽⁸⁾逐行送入矩形缓冲器剩下的9行中，得到矩形缓冲器中的P₀矩阵；

在下一时刻t＝t+1，序列c₁通过串并(S/P)转换器得到10块子序列，记为C₁＝(c₁ ⁽⁰⁾,c₁ ⁽¹⁾,...,c₁ ⁽⁹⁾)。把时刻t＝0剩下的1个子序列c₀ ⁽⁹⁾送入矩形缓冲器的第1行，把C₁的前9个子序列c₁ ⁽⁰⁾,c₁ ⁽¹⁾,...,c₁ ⁽⁸⁾逐行送入矩形缓冲器剩下的9行中得到矩阵P₁。因此两个矩形缓冲器中的矩阵P₀和P₁通过C₀引入了相关性，记作完成一次耦合；

对剩余所有序列c_t执行步骤上述步骤直到完成设定的100次耦合；

图3给出了本实施例中的面向MIMO系统的编码传输方法的编码性能。为了比较性能，图3也给出了原始BICSM在二进制LDPC码下的性能。从图3中可以看出与现有的编码传输方法相比有0.6dB左右增益，本实施例给出的面向MIMO系统的编码传输方法具有更好的性能。

实施例2

本实施例中，设置SM-MIMO系统模型大小为N_t＝8根发射天线和N_r＝8根接收天线，激活天线数n_a＝1，编码记忆m＝1，耦合总数L＝100；对任意时刻t，选择二进制LDPC码C[5600,2800]作为线性分组码。处于激活状态的发射天线的待发射信号取自16QAM信号，因此得到q＝4；选择处于激活状态的发射天线需要的比特数w＝3；SM映射器中采用p＝w+n_aq＝7比特来确定每个时刻t的传输信号，因此得到α＝800。本发明所述编码传输方法包括以下步骤：

步骤S1、将任意时刻t的信息序列u_t经过码率为R＝k/n＝0.5的LDPC编码器ENC，输出码字v_t；

步骤S2、接着交织器Π对码字v_t进行信息和奇偶校验位的重新组织得到长度为5600的信息序列c_t；

步骤S3、将上述得到的信息序列c_t通过串并(S/P)转换器得到7块长度为800的子序列，记为C_t＝(c_t ⁽⁰⁾,c_t ⁽¹⁾,...,c_t ⁽ⁱ⁾,...,c_t ⁽⁶⁾)，接着把这些子序列送入7×800的矩形缓冲器中构成矩阵P_t用于SM映射。矩形缓冲器的设置步骤如下：

在初始时刻t＝0，序列c₀通过串并(S/P)转换器得到7块子序列，记为C₀＝(c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ⁽⁶⁾)，把全零序列送入7×800的矩形缓冲器的第1行，把C₀的前6个子序列c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ⁽⁵⁾逐行送入矩形缓冲器剩下的6行中，得到矩形缓冲器中的P₀矩阵；

在下一时刻t＝t+1，序列c₁通过串并(S/P)转换器得到7块子序列，记为C₁＝(c₁ ⁽⁰⁾,c₁ ⁽¹⁾,...,c₁ ⁽⁶⁾)。把时刻t＝0剩下的1个子序列c₀ ⁽⁷⁾送入矩形缓冲器的第1行，把C₁的前6个子序列c₁ ⁽⁰⁾,c₁ ⁽¹⁾,...,c₁ ⁽⁶⁾逐行送入矩形缓冲器剩下的6行中得到矩阵P₁。因此两个矩形缓冲器中的矩阵P₀和P₁通过C₀引入了相关性，记作完成一次耦合；

对剩余所有序列c_t执行步骤上述步骤直到完成设定的100次耦合。

图4给出了本实施例中的面向MIMO系统的编码传输方法的编码性能。为了比较性能，图4也给出了原始BICSM在二进制LDPC码下的性能。从图4中可以看出与原有的编码传输方法相比有0.6dB左右增益，本实施例给出的面向MIMO系统的编码传输方法具有更好的性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向MIMO系统的编码传输方法，应用于使用N_t根发射天线和N_r根接收天线的SM-MIMO系统模型，对于任意时刻t，N_t根发射天线中只有n_a根发射天线处于激活状态以进行传输，使用线性分组码C[n,k]进行信息编码，其中n是分组码中的码长，k是分组码中信息码元的数目，处于激活状态的发射天线的待发射信号取自星座信号集合χ，星座信号集合χ的基数χ＝2^q，q为大于0的整数，激活天线的不同组合总数为

是组合符号，表示从A个数中选B个数，选择处于激活状态的发射天线需要的比特数为w，

表示向下取整运算，SM映射器中采用p＝w+n_aq比特来确定每个时刻t的传输信号，假设线性分组码的码长n是p的整数倍，即n＝pα，α为大于0的整数，如果不满足此假设，在码字v_t末尾填充适当数量的0，使得填充0之后的分组码的码长n是p的整数倍，设定DBICSM的编码记忆为m，0＜m＜p，m为大于0的整数，延迟模块的耦合总数为L，2≤L且L为整数，其特征在于，所述编码传输方法包括以下步骤：

S1、将时刻t的信息序列u_t经过码率为R＝k/n的线性分组码编码器ENC进行编码，输出码字v_t；

S2、交织器Π对码字v_t进行信息和奇偶校验位的重新组织得到长度为n的信息序列c_t；

S3、将上述得到的信息序列c_t通过串并(S/P)转换器得到p块长度为α的子序列，记为C_t＝(c_t ⁽⁰⁾,c_t ⁽¹⁾,...,c_t ⁽ⁱ⁾,...,c_t ^(p-1))，c_t ⁽ⁱ⁾表示第i块子序列，接着把子序列送入p行和α列的矩形缓冲器中构成矩阵P_t用于SM映射，P_t的第i行表示为p_t ⁽ⁱ⁾＝(p_t ⁽ⁱ⁾(0),p_t ⁽ⁱ⁾(1),...,p_t ⁽ⁱ⁾(j),...,p_t ⁽ⁱ⁾(α-1))，并将p_t ⁽ⁱ⁾称为第(t，i)个编码子块，p_t ⁽ⁱ⁾(j)称为p_t ⁽ⁱ⁾中的第j列，矩形缓冲器的设置步骤如下：

S31、在初始时刻t＝0，序列c₀通过串并(S/P)转换器得到p块子序列，记为C₀＝(c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ^(p-1))，

S311、把全零序列送入p×α的矩形缓冲器的前m行中；

S312、把C₀的前p-m个子序列c₀ ⁽⁰⁾,c₀ ⁽¹⁾,...,c₀ ^(p-m-1)逐行送入矩形缓冲器剩下的p-m行中，得到矩形缓冲器中的P₀矩阵；

S32、在下一时刻t＝t+1，序列c₁通过串并(S/P)转换器得到p块子序列，记为C₁＝(c₁ ⁽⁰⁾,c₁ ⁽¹⁾,...,c₁ ^(p-1))，把时刻t＝0剩下的m个子序列c₀ ^(p-m),...,c₀ ^(p-1)送入矩形缓冲器的前m行，执行步骤S312用C₁的子序列得到矩阵P₁，两个矩形缓冲器中的矩阵P₀和P₁通过C₀引入了相关性，记作完成一次耦合；

S33、对剩余的序列c_t执行步骤S31和步骤S32，直到完成设定的L次耦合；

S4、考虑时不变延迟方案，SM映射把P_t中的每一列P_t,i作为输入序列，P_t,i表示P_t的第i列，传输信号x_t,i由P_t中的第i列获取，假设在瞬时t+T_i，SM映射器对P_t进行映射操作得到输出序列x_t＝(x_t,0,x_t,1,...,x_t,α-1)，其中0＝T₀≤T₁≤...≤T_i≤...≤T_p-1≤m，参数T_i表示第i个延迟。

2.根据权利要求1所述的一种面向MIMO系统的编码传输方法，其特征在于，所述信息序列u_t是二元序列或多元序列。

3.根据权利要求1所述的一种面向MIMO系统的编码传输方法，其特征在于，所述线性分组码编码器ENC是任意线性分组码编码器。

4.根据权利要求2所述的一种面向MIMO系统的编码传输方法，其特征在于，当u_t是二元序列时，所述矩阵P_t是任意类型的二进制矩阵；当u_t是定义在多元有限域上的序列时，所述矩阵P_t是定义在多元有限域上的任意类型的多元矩阵。

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