CN117178525A - 用于脏纸编解码方案的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于无线通信系统的脏纸编解码(dirty paper coding，DPC)方案。为此，本公开提出了一种编码设备(400)和一种解码设备(410)。所述编码设备根据发送信号(403)中的符号的目标分布，获取给定有效干扰(402)下的符号序列(401)中的符号的符号概率。此外，所述编码设备根据所述符号概率将消息(405)编码到所述符号序列(401)中，然后根据所述符号序列和所述有效干扰的映射(406)，使用标量函数获取所述发送信号(403)。所述解码设备获取接收信号(411)，根据所述接收信号和缩放因子(414)，使用标量函数获取符号序列(413)，然后对所述符号序列进行解码，以获取消息(416)。

Description

用于脏纸编解码方案的设备和方法
技术领域
本公开涉及用于无线通信系统的编解码方案。具体地，本公开涉及一种脏纸编解码(dirty paper coding，DPC)方案。为此，本公开分别提出了一种编码设备和解码设备以及对应的编码方法和解码方法。所述编码设备和解码设备用于实现本公开提出的DPC。
背景技术
有许多应用包括在接收器处存在干扰的情况下通过噪声信道传输消息，其中，干扰在消息的发送器处是预先已知的。图1示出了一个示例，其中，无线通信系统100中的基站101(在这种情况下是发送器)向移动电话102(在这种情况下是接收器)传输包括消息的有用信号。
接收器处的干扰是由于在相同的时频资源上同时传输其它信号引起的。这些信号可以源自与有用信号相同的发送器101，或者源自发送已知发送信号的其它源(例如，源自其它基站103)。假设发送器101能够使用信道状态信息(channel state information，CSI)，则可以预测到接收器102观察到的干扰。
预先抵消发送器处已知的干扰称为DPC。DPC的通用系统模型如图2所示。系统200中的编码器201(编码器201可以是图1所示的发送器101的一部分)将由K个比特组成的消息b映射到由具有平均功率约束P的N个符号组成的发送信号x，其中，干扰i用作边信息(sideinformation)。系统200中的解码器202(解码器202可以是图1所示的接收器102的一部分)根据噪声接收信号y形成消息的估计。在不失一般性的情况下，可以假设n是具有方差/>的加性白高斯噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)，其中，AWGN通过噪声信道添加，形成接收信号y，还可以假设信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)定义为/>
本公开大体上涉及在存在发送器处已知但接收器处未知的任意干扰的情况下通过这种噪声信道进行可靠数据传输。尽管如此，本公开不仅涉及无线通信系统中的下行传输，而且还涉及其它侧行链路或上行信号之上的侧行链路传输等。干扰信号可以使用不同的波形，通常不具有特定的结构，这可以帮助接收器进行消息解码。其它可能的应用可以包括有线通信或数字水印中的串扰缓解。
发明内容
本公开的目标是使用基于概率整形(probabilistic shaping)的DPC方案，以提高性能并降低复杂性。
本公开及其实施例还基于以下考虑。
人们已经广泛研究了具有已知干扰的信道编解码。理论结果表明，使用辅助随机变量d，离散无记忆信道的速率R＝I(d；y)-I(d；i)＝H(d|i)-H(d|y)是能够实现的，其中，I(x；y)表示两个随机变量x和y之间的交互信息，H(x|y)表示x以y为条件的熵。基于此，人们发现，对于AWGN信道，使用高斯分布发送符号x＝d-αi可以实现与无干扰情况相同的信道容量，其中，对应于最小均方误差(minimum mean squared error，MMSE)缩放因子。这些理论结果基于随机编解码参数，因此不适合实际实现。
此外，建议在根据x＝(d-i)modA从数据符号中减去干扰之后使用简单的标量取模运算，以限制动态范围，从而限制发送信号的功率。但是，如果数据符号d是均匀分布的且与干扰无关，则标量取模运算会使性能严重下降(尤其是在低SNR下)。
为了接近信道的容量限制，考虑了点阵编解码策略(lattice coding strategy)，标量Tomlinson-Harashima预编码(Tomlinson-Harashima precoding，THP)替换为x＝(d-αi-v)modΛ，其中，v对应于均匀分布的抖动信号，将矢量x′映射到整形点阵Λ的基本沃洛诺伊(Voronoi)区域。图3示出了这种方案用于编码设备(在发送侧)和解码设备(在接收侧)的通用设备结构。请注意，QΛ(x′)对应于映射到最近点阵点的N维矢量量化，通常计算复杂度很高。
大多数以前的实用DPC方案都采用格栅编码量化(trellis-coded quantization，TCQ)进行信号整形。在这种情况下，维特比(Viterbi)算法可以用于降低发送侧的矢量量化的复杂性。但是，为了接近最佳整形增益，需要具有大量状态的格栅码，这仍然会产生高计算复杂性。此外，获得良好性能需要具有软输出量化和外信道解码器的反馈的非常复杂的迭代解码设备(如图3中的虚线箭头所示)。
综上所述，上述方案存在以下缺点：
·THP等简单的DPC方案不执行信号整形，这导致性能次优，尤其是在低SNR下。
·其它基于使用TCQ的几何整形的DPC方案需要具有软输出量化的高级迭代接收器，这些接收器具有非常高的复杂性。
有鉴于此，本公开实施例的目的是提供一种用于实现改进型DPC方案的编码设备和解码设备。一个目标具体是提高DPC的性能，尤其是在低频谱效率和/或低SNR下。另一个目标是使用标准信道码和解码器。此外，编码设备和解码设备的复杂性应尽可能降低。
这些目的和其它目的通过如所附独立权利要求中所述的本公开的各实施例来实现。各实施例的有利实现方式在从属权利要求中进一步定义。
本公开实施例基于信道编解码和取决于有效干扰(effective interference)的概率整形，这能够实现显著的性能增益。
本公开的第一方面提供了一种编码设备，其中，所述编码设备用于：根据发送信号中的符号的目标分布，获取给定有效干扰下的符号序列中的符号的符号概率；根据所述符号概率将消息编码到所述符号序列中；根据所述符号序列和所述有效干扰的映射，使用标量函数获取所述发送信号。
所述编码设备设置在发送侧。所述编码设备可以是发送器，也可以包括在发送设备中。所述有效干扰在发送侧是已知的。通过根据所述发送信号的所述目标分布和所述有效干扰选择所述符号序列的所述符号概率，所述编码设备实现了显著的性能增益。具体地，所述编码设备可以能够在提高性能的情况下实现DPC，尤其是在低频谱效率和/或低SNR下。因此，所述将消息编码到所述符号序列中可以使用标准信道码(例如，极化码)执行。所述编码设备的复杂性较低，因为只使用标量函数来获取所述发送信号。
在所述第一方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述编码设备可以用于：根据所述符号概率确定所述符号序列中的所述符号，使得所述发送信号中的所述符号具有所述目标分布。
在所述第一方面的一种实现方式中，所述发送信号中的所述符号的所述目标分布可以是截断高斯分布(truncated Gaussian distribution)。
在所述第一方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述编码设备可以用于：从离散符号字母表中的符号中选择所述符号序列中的所述符号，其中，所述离散符号字母表中的所述符号具有取决于所述有效干扰的所述符号概率。
在所述第一方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述编码设备可以用于：将所述离散符号字母表中的所述符号的所述符号概率转换为对数似然比；根据所述对数似然比对所述消息执行联合信道编码和概率整形，以获取所述符号序列。
根据上述实现方式，所述编码设备能够执行取决于所述有效干扰的概率整形，这产生了显著的性能增益。
在所述第一方面的一种实现方式中，所述离散符号字母表中的所述符号可以设置有比特标签，其中，所述比特标签包括自然标签或灰色标签(Gray labelling)。
所述编码设备可以使用具有任何类型的比特标签(例如，自然标签或灰色标签或其组合)的符号字母表。
在所述第一方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述编码设备可以用于：进一步根据所述离散符号字母表中的所述符号的所述比特标签，确定所述符号序列中的所述符号。
在所述第一方面的一种实现方式中，所述有效干扰还可以包括均匀分布的抖动信号(dither signal)。
所述均匀的抖动信号可以特定于用户或服务。请注意，所述接收器知道所使用的抖动信号，以便对所述消息进行解码。
在所述第一方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述编码设备可以用于：将所述消息划分为多个子消息；将每个所述子消息编码到码字中，其中，第一组子消息编码到第一码字集中，第二组子消息根据所述第一码字集和所述有效干扰编码到第二码字集中；将所述第一码字集和所述第二码字集中的码字映射到对应符号，以获取所述符号序列。
在所述第一方面的一种实现方式中，所述编码设备还可以用于：通过使用信道解码器对所述第二码字集中的每个子消息进行编码。
在所述第一方面的一种实现方式中，所述编码设备还可以用于：根据候选码字集的对数似然比，将每个所述子消息编码到码字中。
根据上述实现方式，所述编码设备可以用于在发送侧实现多层级架构。
在所述第一方面的一种实现方式中，根据所述符号序列和所述有效干扰的映射，使用所述标量函数获取所述发送信号包括：根据所述符号序列和所述有效干扰获取其它符号序列；通过对所述其它符号序列应用包括标量取模运算的所述标量函数，获取所述发送信号。
这提供了一种获取具有性能增益的发送信号的高效方法。
在所述第一方面的一种实现方式中，将所述消息编码到所述符号序列中包括极化编码，所述编码设备还可以用于：通知接收器整形比特的数量和/或整形比特的分配。
本公开的第二方面提供了一种解码设备，所述解码设备用于：获取接收信号；根据所述接收信号和缩放因子，使用标量函数获取符号序列；对所述符号序列进行解码，以获取消息。
所述解码设备设置在接收侧。所述解码设备可以是接收器，也可以包括在接收设备中。所述有效干扰通常在接收侧是未知的。但是，通过使用所述缩放因子和所述标量函数，所述解码设备可以与上述编码设备一起实现改进型DPC方案。所述解码设备的复杂性较低，因为只使用标量函数获取所述符号序列，而且因为标准解码器可以用于对所述符号序列进行解码。
在所述第二方面的一种实现方式中，所述缩放因子可以是MMSE缩放因子。
在所述第二方面的一种实现方式中，所述标量函数可以包括均匀分布的抖动信号。
在所述第二方面的一种实现方式中，对所述符号序列进行解码以获取所述消息包括极化解码，所述解码设备还可以用于：从发送器接收整形比特的数量和/或整形比特的分配。
本公开的第三方面提供了一种编码方法，其中，所述编码方法包括：根据发送信号中的符号的目标分布，获取给定有效干扰下的符号序列中的符号的符号概率；根据所述符号概率将所述消息编码到所述符号序列中；根据所述符号序列和所述有效干扰的映射，使用标量函数获取所述发送信号。
在所述第三方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述方法包括：根据所述符号概率确定所述符号序列中的所述符号，使得所述发送信号中的所述符号具有所述目标分布。
在所述第三方面的一种实现方式中，所述发送信号中的所述符号的所述目标分布可以是截断高斯分布。
在所述第三方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述方法可以包括：从离散符号字母表中的符号中选择所述符号序列中的所述符号，其中，所述离散符号字母表中的所述符号具有取决于所述有效干扰的所述符号概率。
在所述第三方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述方法可以包括：将所述离散符号字母表中的所述符号的所述符号概率转换为对数似然比；根据所述对数似然比对所述消息执行联合信道编码和概率整形，以获取所述符号序列。
在所述第三方面的一种实现方式中，所述离散符号字母表中的所述符号可以设置有比特标签，其中，所述比特标签包括自然标签或灰色标签。
在所述第三方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述方法可以包括：进一步根据所述离散符号字母表中的所述符号的所述比特标签，确定所述符号序列中的所述符号。
在所述第三方面的一种实现方式中，所述有效干扰还可以包括均匀分布的抖动信号。
在所述第三方面的一种实现方式中，为了将所述消息编码到所述符号序列中，所述方法可以包括：将所述消息划分为多个子消息；将每个所述子消息编码到码字中，其中，第一组子消息编码到第一码字集中，第二组子消息根据所述第一码字集和所述有效干扰编码到第二码字集中；将所述第一码字集和所述第二码字集中的码字映射到对应符号，以获取所述符号序列。
在所述第三方面的一种实现方式中，所述方法还包括：通过使用信道解码器对所述第二码字集中的每个子消息进行编码。
在所述第三方面的一种实现方式中，所述方法还可以包括：根据候选码字集的对数似然比，将每个所述子消息编码到码字中。
在所述第三方面的一种实现方式中，所述根据所述符号序列和所述有效干扰的映射，使用标量函数获取所述发送信号包括：根据所述符号序列和所述有效干扰获取其它符号序列；通过对所述其它符号序列应用包括标量取模运算的所述标量函数，获取所述发送信号。
在所述第三方面的一种实现方式中，所述将消息编码到所述符号序列中包括极化编码，所述方法还可以包括：通知接收器整形比特的数量和/或整形比特的分配。
所述第三方面的方法可以由所述第一方面的编码设备执行。所述第三方面及其实现方式的方法实现了所述第一方面及其相应实现方式的编码设备的所有优点和效果。
本公开的第四方面提供了一种解码方法，其中，所述解码方法包括：获取接收信号；根据所述接收信号和缩放因子，使用标量函数获取符号序列；对所述符号序列进行解码，以获取消息。
在所述第四方面的一种实现方式中，所述缩放因子可以为MMSE缩放因子。
在所述第四方面的一种实现方式中，所述标量函数可以包括均匀分布的抖动信号。
在所述第四方面的一种实现方式中，对所述符号序列进行解码以获取所述消息包括极化解码，所述方法还可以包括：从发送器接收整形比特的数量和/或整形比特的分配。
所述第四方面的方法可以由所述第二方面的解码设备执行。所述第四方面及其实现方式的方法实现了所述第二方面及其相应实现方式的解码设备的所有优点和效果。
本公开第五方面提供了一种计算机程序，所述包括计算机程序程序代码，当由处理器执行时，所述程序代码使得所述处理器执行所述第三方面或所述第四方面或其任一实现方式提供的方法。
本公开的第六方面提供了一种非瞬时性存储介质，所述非瞬时性存储介质存储可执行程序代码，当由处理器执行时，所述可执行程序代码使得执行所述第三方面或所述第四方面或其任一实现方式提供的方法。
总之，所提出的分别由上述方面和实现方式提供的编码设备或编码方法和解码设备和解码方法实现的DPC方案与其它方案相比具有以下优点：
·与产生均匀分布的发送信号的THP相比，通过概率整形可以获得显著的性能增益，尤其是在低频谱效率和/或SNR下。
·与其它技术方案相比，取决于有效干扰的信道编解码和整形可以联合执行，这样效率更高。
·可以使用标准信道码(例如，极化码)和标准解码器(在解码设备处)。
·所提出的DPC方案不限于线性点阵码，而且适用于离散字母表中的符号的任意比特标签(例如，
自然标签或灰色标签或其组合)。
·(在发送侧)可以使用简单的多层级编码设备结构，从而连续地对比特级进行编码。
·标准多层级解码器可以用于(在接收侧)在解码设备处对比特级进行解码。
·解码设备处不需要额外的矢量量化器或整形解码器，因此复杂性几乎与不整形相同。
·其它基于具有迭代接收器的TCQ技术方案通常具有更高的复杂性。
应当注意，本申请中描述的所有设备、元件、单元和装置可以在软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现。本申请中描述的各种实体所执行的所有步骤以及所描述的各种实体要执行的功能均意在指相应实体用于执行相应步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，外部实体执行的具体功能或步骤没有在执行具体步骤或功能的实体的具体详述元件的描述中反映，但是技术人员应清楚，这些方法和功能可以通过相应的硬件或软件元件或其任何组合实现。
附图说明
结合所附附图，将在下面具体实施例的描述中阐述上述各个方面及其实现方式，在附图中。
图1示出了无线通信系统中具有已知干扰的下行传输的示例。
图2示出了示例性DPC方案的通用系统模型。
图3示出了基于使用整形点阵(shaping lattice)的几何整形的示例性DPC方案。
图4示出了本发明实施例提供的用于实现本公开中的DPC的编码设备和解码设备。
图5示出了本发明实施例提供的编码设备和解码设备根据概率整形实现的本公开中的DPC方案。
图6示出了截断高斯目标分布的条件符号分布。
图7示出了图6所示的示例性分布的比特级(bit-level)LLR，示例性地分别针对自然标签(a)和灰色标签(b)。
图8示出了每个比特级的整形速率与每个符号的总整形冗余(shapingredundancy)的对比。
图9示出了用于本发明中如图5所示的DPC方案的连续多层级编码器(在本公开实施例提供的编码设备处)。
图10示出了基于信道解码器的编码器，因为该信道解码器可以用于本发明实施例提供的编码设备处。
图11示出了渐近整形损耗(asymptotic shaping loss)，其中，虚曲线对应于灰色标签比特级的独立整形。
图12示出了本公开提出的DPC方案在具有整形和没有整形时的可达速率(achievable rate)。
图13示出了本公开提出的使用极化码的DPC方案的误块率。
图14示出了用于本公开在图5中示出的DPC方案的BICM编码器。
图15示出了本发明实施例提供的编码方法。
图16示出了本发明实施例提供的解码方法。
具体实施方式
本公开中提出了一种新颖的基于概率整形的DPC方案。这种DPC方案使用的编码设备400和解码设备410的结构分别如图4和图5所示。
图4示出了本发明实施例提供的编码设备400和解码设备410。编码设备400和解码设备410可以构成无线通信系统，也可以是无线通信系统的一部分。编码设备400设置发送侧，可以是发送器，也可以是发送器的一部分。解码设备410设置在接收侧，可以是接收器，也可以是接收器的一部分。编码设备400和解码设备410可以通过噪声信道进行通信，该噪声信道将噪声n添加到通过该信道发送的信号中。另外，干扰i可能会干扰接收侧(即解码设备410侧)的接收信号。干扰和/或基于接收侧的干扰的有效干扰(表示为i')可以在发送侧(即在编码设备400侧)是已知的。
编码设备400用于根据发送信号403中的符号的目标分布，获取给定有效干扰402下的符号序列401中的符号的符号概率。具体地，编码设备用于根据有效干扰402获取符号概率，目的是获取具有目标分布的发送信号403。
此外，编码设备400用于根据符号概率将消息405编码404到符号序列401中。这种获取可以在编码设备400中的可选计算块404侧完成，计算块404可以是编码器。
然后，编码设备400用于根据符号序列401和有效干扰402的映射，使用标量函数获取发送信号403。这可以在编码设备400中的可选计算块406侧完成，计算块406可以是取模运算处理器。
解码设备410用于获取接收信号411。解码设备410获取到的接收信号411可以对应于编码设备400发送的发送信号403，并且可以由解码设备410在通过噪声信道进行传输之后并且在存在干扰i的情况下接收。
解码设备还用于根据接收信号411和缩放因子414(表示为α)，使用标量函数获取符号序列413。具体地，解码设备410用于通过将接收信号411与缩放因子414相乘并且将标量函数应用于乘法结果，处理接收信号411。这可以在编码设备410中的可选计算块412侧完成，计算块412可以是取模运算处理器。
此外，解码设备410用于对符号序列413进行解码，以获取在理想情况下与消息405相同的消息416。这可以在解码设备410中的可选计算块415侧完成，计算块415可以是解码器。
编码设备400和/或解码设备410可以包括处理器或处理电路(未示出)，该处理器或处理电路用于执行、进行或启动本文中描述的相应设备400、410的各种操作。该处理电路可以包括计算块404和406和/或412和415。
上述处理电路可以包括硬件，和/或上述处理电路可以由软件控制。硬件可以包括模拟电路和/或数字电路。数字电路系统可以包括专用集成电路(application-specificintegrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)或多用途处理器等组件。
编码设备400和/或解码设备410还可以包括存储电路，该存储电路存储可以由处理器或处理电路(具体地，在软件的控制下)执行的一个或多个指令。例如，该存储电路可以包括存储可执行软件代码的非瞬时性存储介质，当由处理器或处理电路执行时，可执行软件代码使得执行相应设备400、410的各种操作。
在一个实施例中，上述处理电路包括一个或多个处理器和连接到一个或多个处理器的非瞬时性存储器。该非瞬时性存储器可以携带可执行程序代码。当由一个或多个处理器执行时，可执行程序代码使得设备400、410执行、进行或启动本文中描述的操作或方法。
图5示出了本发明实施例提供的在图4中示出的实施例之上构建的编码设备400和解码设备410。图4和图5中的相同元件使用相同的标号来标记，并且可以类似地实现。
图5中的编码设备400和解码设备410是图4中示出的相同设备400、410的详细版本。编码设备400包括编码器(作为计算块404)和用于执行标量取模运算502的取模运算处理器(作为计算块406)。解码设备410包括用于执行标量取模运算512的取模运算处理器(作为计算块412)和解码器(作为计算块414)。这两个标量取模运算可以明显地是相同的运算，也可以是不同的运算。
编码设备400中的编码器404根据有效干扰将消息405(表示为b)映射到符号序列401(表示为d)中的符号。有效干扰在图5的示例中定义为i′＝(αi+v)modA。这种映射使得发送信号403(表示为x)中的符号具有或近似于目标概率分布pt(x)。
具体地，为了获取发送信号403，符号序列401和有效干扰402的映射在本示例中包括：根据符号序列401和有效干扰402获取其它符号序列501(表示为x′)，然后通过对其它符号序列501应用标量取模运算502，获取发送信号403。
编码器404可以执行联合信道编码和概率整形，其中，符号序列中的符号的目标分布d取决于干扰i和可选的抖动信号v，也就是取决于有效干扰i'。简单的标量取模运算502(例如， )可以应用于其它符号序列501中的元素，而不使用图3中示出的涉及矢量量化的点阵取模运算。这允许在解码设备410中的解码器414侧对无干扰的信道使用标准算法，同时只做了一些小的改动。
在解码设备410侧，接收信号411(表示为y)在噪声信道之后接收。然后，根据接收信号411和缩放因子414(表示为α)，使用包括标量取模运算512的标量函数获取符号序列413(表示为y'，也称为有效接收信号)。
接收侧的标量取模运算512可以与发送侧的标量取模运算502相同。标量函数412包括接收信号411与缩放因子414相乘，标量函数还可以包括均匀分布的可添加的抖动信号511(表示为v)。
然后，解码设备410还用于通过解码器414对符号序列413(即有效接收信号y′)进行解码415，以获取解码消息415(表示为)。
为了便于说明，下面考虑实值信号。通过使用两个实值符号作为一个复值符号的实部和虚部，对复值等效基带信号的扩展非常简单。
在第一步骤中，可以根据干扰i和可选的均匀抖动信号v确定符号序列d中的任意符号d的分布，其中，i和v是对应于符号d的序列i和v中的元素(下面考虑的其它序列也是如此)。有效干扰i′＝(αi+v)modA均匀分布在大小为A的模数区间内。因此，发送信号x＝(d-i′)modA的分布由下式给出：
其中，表示离散符号字母表，从中选择符号序列d中的符号d。由于有效干扰是均匀分布的，d和i′的联合分布为：
p(d,i′)＝p(d|i′)·p(i′)∝p(d|i′)。
因此，给定i′下的d分布应该是：
p(d|i′)∝pt(x＝(d-i′)modA)。
截断高斯分布用于图6所示的上述条件分布的一个示例，其中，x∈[-A/2,A/2]，[...]表示闭合区间，也就是说，x等于或大于-A/2且等于或小于+A/2。截断前的方差选择为σ2＝1，模数区间的大小为A＝8，符号取自4-ASK字母表，其中，符号d∈{-3,-1,+1,+3}，{...}表示集合，也就是说，d等于-3、-1、+1或+3。从这个示例可以明显看出，目标符号概率取决于有效干扰i′。因此，不可能使用要求d中的符号具有预定义分布的整形算法。
在第二步骤中，符号概率可以转换为比特级对数似然比(log-likelihood ratio，LLR)。这样能够使用二进制信道码进行联合信道编码和整形。请注意，使用非二进制码的实施例不需要这个步骤。假设m个比特c1…cm映射到符号序列d中的符号d，使得条件概率p(cl|c1…cl-1,i′)可以通过边缘化获取。然后，比特级LLR由下式给出：
用于图6中的条件4-ASK符号分布的比特级LLR的一个示例如图7所示。请注意，结果取决于符号d∈{-3,-1,+1,+3}的比特标签。对于自然标签(参见图7的(a))，L(c2|c1,i′)的曲线根据c1的值循环移动。这与灰色标签不同(参见图7的(b))，其中还绘制了不根据c1的L(c2|i′)的曲线，某些实施例可以使用该曲线来近似分布p(d|i′)。通常，离散符号字母表中的符号可以设置有任何比特标签，其中，比特标签可以是自然标签或灰色标签等。
在第三步骤中，可以为目标符号分布确定每个比特级的整形速率。图8示出了渐近最佳整形速率Rs,l＝1-H(cl|c1…cl-1,i′)与每个符号的总整形冗余Rs＝m-H(d|i′)的对比，这是通过改变截断高斯分布的参数σ2获取的。在实践中，根据有限块长度和特定于实现方式的损耗，可以进一步优化整形速率。
在这些初步操作之后，可以详述基于图5中提出的DPC方案的编码设备400。具体地，基于多层级架构的编码设备400的一种可能的实现方式如图9所示。
消息b可以首先分解为m个子消息b1…bm。假设存在个候选码字，表示每个级别中的相同消息bl。然后，编码器l可以用于在给定输入LLR下从候选码字集中选择最有可能的码字cl：
L(cl|c1…cl-1,i′)＝[L(cl,1|c1,1…cl-1,1,i′1)…L(cl,N|c1,N…cl-1,N,i′N)]
事实上，这对应于信道解码问题。对于线性码，码字可以写成cl＝[blsl]·Gl，其中，Gl是生成矩阵，sl是包括N·Rs,l个整形比特的矢量。与标准信道解码器相比，消息比特bl是固定的，并且只对整形比特sl执行搜索。因此，编码设备400中的编码器404可以使用标准信道解码器来实现，如图10所示。具体地，编码设备400可以用于通过使用信道解码器对第二码字集中的每个子消息1001进行编码。
在解码设备410侧，可以使用传统的多层级解码器。码字估计可以根据符号解映射器的输出侧的/>连续确定，这些LLR的定义与p(d|i′)替换为p(d|y′)∝p(y′|d)·p(d)的L(cl|c1…cl-1,i′)类似。如果编码设备取模运算的输入侧的有效噪声n′具有存在零均值和方差/>的高斯分布，则获取以下结果：
对于实际实现，由于指数函数快速衰减，例如只考虑k∈{-1,0,+1}就足够。解码之后，可以仅丢弃整形比特。
所提出的实施例允许在编码设备400(发送器)侧存在已知干扰的情况下接近AWGN信道的容量限制。下文提供了一些模拟结果，说明了为DPC提出的概率整形带来了增益。
图11示出了不同ASK符号字母表的整形损耗(即，与熵与发送信号相同的理想高斯分布相比，功率增加)。对于2-ASK，最小整形损耗约为0.1dB，而对于较大的符号字母表，最小整形损耗接近0dB。在不根据其它比特级的情况下使用L(cl|i′)对比特级进行独立整形会使性能下降。在不整形的情况下，发送信号在模数区间内均匀分布，对应的整形损耗为1.53dB。
图12分析了概率整形和有效干扰缩放因子α如何影响可达速率R＝H(d|i′)-H(d|y′)。请注意，在本文考虑复值M-QAM星座，复值M-QAM星座分别对应于实部和虚部中的两个符号，每比特能量定义为Eb/N0＝SNR/R。
与无干扰AWGN信道相比，THP中的均匀传输会使得低频谱效率下的脏纸编解码的性能大幅下降。优化的缩放在这种状态下提供了明显的增益，但2.4dB的最小值Eb/N0仍与容量限制相差甚远。使用所提出的概率整形方案，可以实现与无干扰的AWGN信道相同的性能。但是，即使在非常低的SNR下，4-QAM也会不理想，因此需要使用高阶调制。
图13示出了使用极化码和N＝256个符号的块长度的误块率(block error rate，BLER)模拟结果，其中，图9所示的多层级编码器用于编码设备400侧。下面提供了更多的实现细节。
如图12中的理论结果所预测，所提出的基于概率整形的DPC方案与具有均匀发送符号的THP相比，提供了高达2dB的增益，并且对于无干扰的AWGN信道，实现了与概率整形相同的性能。在低SNR下，对于给定的目标BLER，频谱效率可以增加一倍以上。
用于图13中模拟结果的示例性实施例基于图9中示出的多层级编码器结构。在每个比特级中，极化码在本示例中用于执行联合整形和信道编解码，符号映射器使用自然比特标签。
首先，根据可达速率，优化截断高斯目标分布pt(x)的参数σ2和对应的整形速率Rs。然后，确定每个比特级的整形速率Rs,l，其中，给定块长度N的整形比特数可以通过数值模拟进一步离线细化。整形比特sl被分配给最可靠的极化子信道，最不可靠的极化子信道被冻结为零。其余的子信道携带消息比特bl，消息比特可以包括用于错误检测的额外循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)比特。请注意，接收器需要知道整形比特、冻结比特和消息比特分配给极化子信道的情况，以便对消息进行解码。
图9中的编码设备400使用串行抵消列表(successive cancellation list，SCL)解码器将整形比特sl和处理bl的对应码字cl确定为冻结比特。为了进一步提高性能，具有关联解码LLR和路径度量的候选码字列表被传送到后续的比特级，在这些后续的比特级，具有关联解码LLR和路径度量的候选码字列表/>用于初始化SCL解码器。在最后阶段中，选择具有最佳累积路径度量的码字。在接收器处采用类似的列表传送多层级解码器，其中，选择满足CRC的最佳候选。
这种多层级实施例存在许多可能的变化和扩展，例如：
·极化码可以使用不同的方式设计。例如，可以选择用于消息比特和整形比特的极化子信道，以进一步优化某种解码器的性能，或降低解码器的复杂性或延迟。还可以定义一个通用序列，从中选择要使用的极化子信道。
·打孔、缩短或其它极化核等不同的技术可以用于速率匹配，以获取块长度N不是2的幂的极化码。
·可以使用其它信道码或解码算法。
·可以应用交织或加扰等附加操作。
·其它比特标签(例如，灰色标签)可以用于符号。
对于灰色标签，可以忽略对先前比特级的调整，这对于图9中的实施例，能够在减少延迟的情况下对比特级进行并行编码。图14中示出的另实施例将单个编码器用于解复用器之前的长度为mN的代码，这也称为比特交织编码调制(bit-interleaved codedmodulation，BICM)。
对于线性码，码字可以写成cl＝[blsl]·Gl＝blG′l+slG″i，其中，G′l和G″l是生成矩阵Gl的子矩阵。因此，图9中的编码设备400可以通过以下方式实现：首先计算c′l＝blG′l，然后通过信道解码器使用输入LLR(1-2c′l)·L(cl|c1…cl-1,i′)选择c″l＝slG″l。其它实施例可以使用非线性码或非二进制码。
缩放因子α可以根据MMSE标准选择。在一些实施例中，缩放因子可以量化为离散值。还可以在编码设备400和解码设备410侧使用不同的缩放因子，例如，在编码设备400侧使用α＝1，在解码设备410侧使用信道相关α。
均匀的抖动信号v是可选的，在一些实施例中可以省略。在其它实施例中，均匀抖动信号可以特定于用户或服务。请注意，接收器需要知道所使用的抖动信号，以便对消息进行解码。
模数区间A通常根据符号字母表选择。例如，对于常规M-ASK星座可以设置为A＝2M。其它选择也是可能的。请注意，图4中的取模运算x＝x′modA等同于使用d′＝d-QA(x′)传输x＝d′-i′。因此，在有效干扰的动态范围限制为QA(x′)＝0的一些实施例中，可以省略取模运算。
本公开的各实施例影响发送器处的信道编解码、符号映射和预编码，该发送器可以是或包括编码设备400。为了对消息b进行解码，可以是或包括解码设备410的接收器应该知道该消息是如何映射到发送信号x。这包括以下信息：
·整形比特sl的数量和分配。
·发送器处使用的缩放系数α。
·使用的公共抖动信号v。
·模数区间A。
除了值与信道SNR无关的抖动信号v之外，这些参数不需要单独指示，但可以与其它公共调制编解码参数一起在表中指定。根据估计的信道质量，可以选择星座阶数进行传输，并且可以为每个QAM阶数分配固定的整形速率。
此外，整形比特的位置的序列可以类似于极化码的可靠性序列进行预定义。因此，接收器可以根据调制阶数和整形序列确定整形比特的数量和位置。此外，缩放系数α取决于信道质量，SNR值需要指示给发送器，以便进行正确编码。也可以为每个调制阶数指定模数区间A，如上所述。根据特定应用，参数可以是固定的、基于估计的信道质量动态调整，或者以半静态方式选择。
4G LTE和5G NR中指定了物理下行控制信道(physical downlink controlchannel，PDCCH)和物理下行共享信道(physical downlink shared channel，PDSCH)。PDCCH采用固定的QPSK调制。新颖的PDCCH可以用于使用所提出的具有16-QAM和固定整形速率的DPC方案，等等。对于PDSCH，调制编码方案(modulation coding scheme，MCS)可以通过下行控制信息(downlink control information，DCI)或无线资源控制(radio resourcecontrol，RRC)或媒体接入控制(media access control，MAC)层信令等显式指示。还可以是以下情况：一部分MCS参数通过DCI指示，另一部分MCS参数通过RRC配置。这可以很容易地扩展到所提出的DPC方案。对于具有DPC的自主侧行链路传输，扩展MCS参数可以使用半静态方式选择。
发送器向接收器发送DPC方案相关参数可以独立实现，也就是说，可能不需要依赖于任何先前的编码或解码操作，而仅需要依赖于上面给出的需要传输到接收器的DPC方案的参数。
图15示出了本发明实施例提供的编码方法1500。编码方法1500可以由编码设备400执行。
方法1500包括步骤1501：根据发送信号403中的符号的目标分布，获取给定有效干扰402下的符号序列401中的符号的符号概率。此外，方法1500包括步骤1502：根据所述符号概率将消息405编码到符号序列401中。然后，方法1500还包括步骤1503：根据符号序列401和有效干扰402的映射，使用标量函数获取发送信号403。
图16示出了本发明实施例提供的解码方法1600。解码方法1600可以由解码设备410执行。
解码方法1600包括步骤1601：获取接收信号411。此外，方法1600包括步骤1602：根据接收信号411和缩放因子414，使用标量函数获取符号序列413。然后，方法1600还包括步骤1603：对符号序列413进行解码，以获取消息416。
本公开已结合各种实施例作为示例以及实现方式进行描述。但是，根据对附图、本公开和独立权利要求的研究，本领域技术人员在实施所要求保护的主题时，能够理解和实现其它变型。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，且量词“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以满足权利要求书中描述的若干实体或项目的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施并不表示这些措施的组合不能用于有利的实现方式。

Claims (20)

1.一种编码设备(400)，其特征在于，所述编码设备(400)用于：
根据发送信号(403)中的符号的目标分布，获取给定有效干扰(402)下的符号序列(401)中的符号的符号概率；
根据所述符号概率将消息(405)编码(404)到所述符号序列(401)中；以及
根据所述符号序列(401)和所述有效干扰(402)的映射，使用标量函数获取(406)所述发送信号(403)。
2.根据权利要求1所述的编码设备(400)，其特征在于，为了将所述消息(405)编码(404)到所述符号序列(401)中，所述编码设备(400)用于：
根据所述符号概率确定所述符号序列(401)中的所述符号，使得所述发送信号(403)中的所述符号具有所述目标分布。
3.根据权利要求1或2所述的编码设备(400)，其特征在于：
所述发送信号(403)中的所述符号的所述目标分布是截断高斯分布。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的编码设备(400)，其特征在于，为了将所述消息(405)编码(404)到所述符号序列(401)中，所述编码设备(400)用于：
从离散符号字母表中的符号中选择所述符号序列(401)中的所述符号，其中，所述离散符号字母表中的所述符号具有取决于所述有效干扰(402)的所述符号概率。
5.根据权利要求4所述的编码设备(400)，其特征在于，为了将所述消息(405)编码(404)到所述符号序列(401)中，所述编码设备(400)用于：
将所述离散符号字母表中的所述符号的所述符号概率转换为对数似然比；以及
根据所述对数似然比对所述消息(405)执行联合信道编码和概率整形，以获取所述符号序列(401)。
6.根据权利要求4或5所述的编码设备(400)，其特征在于，所述离散符号字母表中的所述符号设置有比特标签，其中，所述比特标签包括自然标签或灰色标签。
7.根据权利要求6和2所述的编码设备(400)，其特征在于，为了将所述消息(405)编码(404)到所述符号序列(401)中，所述编码设备(400)用于：
进一步根据所述离散符号字母表中的所述符号的所述比特标签，确定所述符号序列(401)中的所述符号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的编码设备(400)，其特征在于，
所述有效干扰(402)还包括均匀分布的抖动信号(402b)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的编码设备(400)，其特征在于，为了将所述消息(405)编码(404)到所述符号序列(401)中，所述编码设备(400)用于：
将所述消息(404)划分为多个子消息(1001)；
将每个所述子消息(1001)编码到码字(1002)中，其中，第一组子消息(1001)编码到第一码字集中，第二组子消息(1001)根据所述第一码字集和所述有效干扰(402)编码到第二码字集中；以及
将所述第一码字集和所述第二码字集中的所述码字(1002)映射到对应符号，以获取所述符号序列(401)。
10.根据权利要求9所述的编码设备(400)，其特征在于，所述编码设备(400)用于：
通过使用信道解码器对所述第二码字集中的每个子消息(1001)进行编码。
11.根据权利要求9和10所述的编码设备(400)，其特征在于，所述编码设备(400)用于：
根据候选码字集的对数似然比，将每个所述子消息(1001)编码到码字(1002)中。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的编码设备(400)，其特征在于，根据所述符号序列(401)和所述有效干扰(402)的所述映射，使用所述标量函数获取(406)所述发送信号(403)包括：
根据所述符号序列(401)和所述有效干扰(402)获取其它符号序列(501)；以及
通过对所述其它符号序列(501)应用包括标量取模运算(502)的所述标量函数，获取所述发送信号(403)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的编码设备(400)，其特征在于，将所述消息(405)编码(404)到所述符号序列(401)中包括极化编码，所述编码设备(400)还用于：
通知接收器整形比特的数量和/或整形比特的分配。
14.一种解码设备(410)，其特征在于，所述解码设备(410)用于：
获取接收信号(411)；
根据所述接收信号(411)和缩放因子(414)，使用标量函数获取(412)符号序列(413)；以及
对所述符号序列(413)进行解码(415)，以获取消息(416)。
15.根据权利要求14所述的解码设备(410)，其特征在于，所述缩放因子(414)是MMSE缩放因子。
16.根据权利要求14和15所述的解码设备(410)，其特征在于，所述标量函数包括均匀分布的抖动信号(511)。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的解码设备(410)，其特征在于，对所述符号序列(413)进行解码(415)以获取所述消息(416)包括极化解码，所述解码设备(410)还用于：
从发送器接收整形比特的数量和/或整形比特的分配。
18.一种编码方法(1500)，其特征在于，所述编码方法(1500)包括：
根据发送信号(403)中的符号的目标分布，获取(1501)给定有效干扰(402)下的符号序列(401)中的符号的符号概率；
根据所述符号概率将消息(405)编码(1502、404)到所述符号序列(401)中；以及
根据所述符号序列(401)和所述有效干扰(402)的映射，使用标量函数获取(1503、406)所述发送信号(403)。
19.一种解码方法(1600)，其特征在于，所述解码方法(1600)包括：
获取(1601)接收信号(411)；
根据所述接收信号(411)和缩放因子(414)，使用标量函数获取(1602、412)符号序列(413)；以及
对所述符号序列(413)进行解码(1603、415)，以获取消息(416)。
20.一种计算机程序，其特征在于，所述计算机程序包括程序代码，当由处理器执行时，所述程序代码使得所述处理器执行根据权利要求18或19所述的方法(1500、1600)。
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