通过在零点上调制数据来进行通信的系统和方法技术方案

描述了使用各种零点上调制方案传输数据的系统和方法。在许多实施例中，利用包括具有调制器的发射机的通信系统，该调制器调制多个信息比特以在离散时间基带信号的z变换的零点中对比特编码。另外，该通信系统包括具有解码器的接收机，该解码器被配置为通过下列操作来对来自接收到的信号的样本的多个信息比特解码：基于来自接收到的连续时间信号的样本确定接收到的离散时间基带信号的z变换的多个零点，识别对多个信息比特编码的零点，以及基于所识别的零点输出多个解码信息比特。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过在零点上调制数据来进行通信的系统和方法联邦资助的研究的声明本专利技术在由美国国家科学基金会授予的批准号CCF1018927和CCF1423663和CCF1409204和CNS0932428下在有政府支持的情况下做出。政府对本专利技术具有某些权利。相关申请的交叉引用本专利技术要求PhilippWalk等人于2018年1月26日提交的标题为“ModulationonConjugatedZeros”的序列号为62/622,673的美国临时专利申请的优先权。序列号为62/622,673的美国临时专利申请的公开通过引用以其整体并入本文。
本专利技术总体涉及数字通信，且更特别地涉及在未知无线多径信道上传输的盲通信方案。背景未来一代无线网络面临多种新挑战。即将到来的趋势——诸如物联网(IoT)和触觉互联网的出现——根本上改变了关于如何按比例调整无线基础设施的想法。新兴技术必须应对的主要挑战之一，是范围从强功能的智能手机和平板电脑到小且低成本的传感器节点的大量(数十亿)设备的支持。这些设备伴随有不同的和甚至矛盾的类型的业务，包括高速蜂窝链路、大量机器对机器(M2M)连接以及承载短分组的数据的无线链路。零星性质的短消息可能将在未来占主要地位，且常规蜂窝和集中管理的无线网络基础设施将不足够灵活到跟上这些需求。尽管在研究团体中被强烈地讨论，但是在如此多样的需求下关于我们在不久的将来如何交流的最基本的问题仍然是基本上未解决的。支持零星和短消息业务类型的关键问题是如何获取、通信和处理信道信息。常规信道估计过程通常需要大量的资源和开销。当消息是短的以及业务是零星的时，这个开销可能在预期的信息交换中占主要地位。例如，一旦节点以零星的方式醒来以递送消息，它必须首先向网络指示它的存在。其次，训练符号(导频)通常用于在接收机处提供用于估计链路参数(诸如信道系数)的足够的信息。最后，在交换某个数量的控制信息之后，设备在预先分配的资源上传输它的期望信息消息。在当前的系统中，这些步骤经常在单独的通信阶段中顺序地被执行，一旦信息消息足够短并且节点以不可预测的方式醒来就产生巨大的开销。因此，几个已被接受的系统概念的重新设计和重新考虑以及通信层的维度设定将可能是必要的，以用有效的方式支持这样的业务类型。非相干和盲策略(noncoherentandblindstrategy)提供了从这个困境出来的潜在途径。像盲均衡这样的经典方法在工程文献中被研究，但是明确地应对短消息和零星类型的数据的新的非相干调制思想可能是需要的。为了通过被称为信道的物理系统传输数字数据，数据在模拟信号上通常由数模设备调制。这个设备将数字数据调制到模拟基带脉冲的(被称为采样周期的)等距离移位的复值振幅上。叠加将形成模拟基带信号，其将在某一频率范围内由天线传输到接收机。在数字通信中使用的标准二进制数据调制方案是开-关键控(OOK)、二进制相移键控(BPSK)、二进制频移键控(BFSK)，以对每自由度1个比特编码，而通用的M进制(M-ary)调制方案用于对每自由度M>1个比特编码。在许多无线通信场景中，所传输的信号被多径传播影响，且因此如果信道延迟扩展超过采样周期，信道将是频率选择性的。另外，在移动和时变场景中，我们也遇到时间选择性快速衰落。在这两种情况下，信道参数通常具有随机韵味，并可能引起各种干扰。因此，从信号处理角度来看，在接收机处以及可能也在发射机处处理可能的信号失真是合乎需要的。处理多径信道的一种已知方法是在多个并行波形上调制数据，这非常适合于特定的信道条件。一种可用于频率选择性多径信道的简单方法是正交频分复用(OFDM)。当最大信道延迟扩展是已知的时，可以通过适当的保护间隔来避免符号间干扰(ISI)。副载波的正交性可以由防止载波间干扰的循环前缀实现。另一方面，从信息理论角度来看，随机信道参数从分集观点来看是有帮助的。在副载波上扩展数据可以利用在频率选择性衰落信道中的分集。但是为了在接收机处相干地解调数据符号，信道脉冲响应(CIR)应该至少在接收机处是已知的。为了获得CIR的知识，训练数据(导频)通常被添加到信息基带样本，当每信号的样本的数量大约是信道抽头的量级时，导致相当大的开销。如果样本的数量甚至小于信道抽头的数量，则从任何导频数据中准确地估计信道(假设完全支持)可能在数学上是不可能的。因此，我们被迫通过添加更多的导频来增加信号长度或在信道上假设一些边信息。此外，导频密度必须适应于移动性，并且具体来说，OFDM对由于多普勒频移和振荡器不稳定性引起的时变失真是非常敏感的。密集的CIR更新常常是需要的，这可能导致复杂的收发机设计。在文献中只有关于非相干OFDM方案的很少的著作。经典方法由正交信令给出，例如如同脉冲位置调制(PPM)或特殊码分复用方法一样。在频域中，非相干方法被称为自差OFDM或自相干OFDM。最近，提出了一种用于具有指数调制(IM)的OFDM的非相干方法，其利用在N个副载波中的Q个活动副载波的稀疏。调制可被看作一般化N进制频移键控(FSK)，其使用Q个音调(频率)并导致非正交星座的码本。通过将N个可用副载波分组为大小G>Q的N/G个组，频谱效率/性能可以被提高。
技术实现思路
根据本专利技术的各种实施例的系统和方法利用被称为零点调制(MOZ)的调制方案，其是在长度K+1的固定的一组非正交复值序列的z变换的K个不同的零点上调制一序列比特的一种调制方案，其在发射机和接收机处是已知的。在许多实施例中，MOZ可以涉及共轭倒数零点的调制(MOCZ，发“moxie”的音)。在几个实施例中，MOZ可以涉及共轭倒数零点的二进制调制(BMOCZ)。大多数常规调制方案在时域或频域中调制数据，其通过线性傅立叶变换被连接。本文描述的MOZ调制方案对离散时间基带信号的z变换的复值零点操作。根据本专利技术的各种实施例，这些调制方案中的每一个都可以在通信系统中被利用，以通过将消息编码到所传输的序列的z变换的零点结构上在未知的FIR信道上可靠地传输信息数据。在许多实施例中，MOZ调制方案的使用使与传输信号长度成比例的数量的比特能够被传输，并且不需要任何导频数据的传输。在单块传输场景中，发射机和接收机都不需要知道关于FIR信道的任何事情：既不知道它的系数，也甚至不知道它的长度。在许多实施例中，接收机简单地获取高于噪声水平的很多信号样本以收集所有重要路径。当所传输的比特的数量很小时，对所有联合零点配置的穷举搜索是可能的，从而允许最大似然(ML)接收机的实现。如果否，解码器可以试图通过确定所接收的多项式的根并执行某种最近邻搜索来找出所传输的零点。然而更好地，根据本专利技术的几个实施例的解码器通过一次一个地直接测试零点位置来独立地搜索零点——一种可以被称为DiZeT的方案。当在共轭倒数对(MOCZ)中选择零点时，可以获得具有许多期望特性的方案：所传输的序列都具有相同的自相关函数，并且下面讨论的线性时间简单DiZeT解码器具有接近ML性能。在几个实施例中，特定的共轭倒数零点导致具有另外的有利特性的霍夫曼序列。与现有的无导频方案(PPM和盲OF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通信系统，包括：/n发射机，所述发射机包括：/n调制器，所述调制器被配置为调制多个信息比特以获得离散时间基带信号，其中，所述多个信息比特在所述离散时间基带信号的z变换的零点中被编码；以及/n信号发生器，所述信号发生器被配置为基于所述离散时间基带信号产生连续时间传输信号；/n接收机，所述接收机包括：/n解调器，所述解调器被配置为以给定采样率对接收到的连续时间信号采样；/n解码器，所述解码器被配置为通过下列操作来对来自所接收到的信号的样本的多个信息比特解码：/n基于来自所述接收到的连续时间信号的样本确定接收到的离散时间基带信号的z变换的多个零点；/n从所述多个零点中识别对所述多个信息比特编码的零点；以及/n基于所识别的零点，输出多个解码信息比特。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180126 US 62/622,6731.一种通信系统，包括：
发射机，所述发射机包括：
调制器，所述调制器被配置为调制多个信息比特以获得离散时间基带信号，其中，所述多个信息比特在所述离散时间基带信号的z变换的零点中被编码；以及
信号发生器，所述信号发生器被配置为基于所述离散时间基带信号产生连续时间传输信号；
接收机，所述接收机包括：
解调器，所述解调器被配置为以给定采样率对接收到的连续时间信号采样；
解码器，所述解码器被配置为通过下列操作来对来自所接收到的信号的样本的多个信息比特解码：
基于来自所述接收到的连续时间信号的样本确定接收到的离散时间基带信号的z变换的多个零点；
从所述多个零点中识别对所述多个信息比特编码的零点；以及
基于所识别的零点，输出多个解码信息比特。


2.根据权利要求1所述的通信系统，其中，所述接收到的离散时间基带信号的z变换的多个零点包括对信息比特编码的多个零点和由所述传输信号的多径传播引入的至少一个零点。


3.根据权利要求1所述的通信系统，其中，所述离散时间基带信号的z变换对于多个编码比特中的每一个包括零点。


4.根据权利要求3所述的通信系统，其中，在所述离散时间基带信号的z变换中的每个零点被限制为一组共轭倒数零点对中的一个。


5.根据权利要求4所述的通信系统，其中：
在所述一组共轭倒数零点对中的每个共轭倒数零点对包括：
具有大于一的第一半径的外零点；
具有是所述第一半径的倒数的半径的内零点；并且
其中所述内零点和外零点具有是相同相位的相位；
在所述一组共轭倒数零点对中的每个零点对中的所述外零点的半径是相同的；以及
在所述一组共轭倒数零点对中的每个零点对中的所述外零点的相位在一次完整的旋转中均匀地间隔开。


6.根据权利要求4所述的通信系统，其中，所述离散时间基带信号是霍夫曼序列。


7.根据权利要求1所述的通信系统，其中，所述离散时间基带信号的z变换的零点中的至少一个对多个编码比特编码。


8.根据权利要求7所述的通信系统，其中，对多个编码比特编码的所述离散时间基带信号的z变换中的所述至少一个零点被限制为来自一组多于两个零点中的零点。


9.根据权利要求7所述的通信系统，其中，对多个编码比特编码的所述离散时间基带信号的z变换中的所述至少一个零点被限制为来自一组多个共轭倒数零点对的零点。


10.根据权利要求7所述的通信系统，其中，能够例如通过Gray编码来使用每个所传输的零点到一组可允许的零点位置的任何比特编码/标记。


11.根据权利要求9所述的通信系统，其中，在所述一组多个共轭倒数零点对中的每个共轭倒数零点对具有不同于在所述一组多个共轭倒数零点对中的其它共轭倒数零点对的相位。


12.根据权利要求9所述的通信系统，其中，在所述一组多个共轭倒数零点对中的每个零点具有相同的相位。


13.根据权利要求1所述的通信系统，其中，所述解码器被配置为基于所述接收到的连续时间信号的样本来确定所述离散时间基带信号的z变换的被用于产生所述传输信号的最可能的一组零点。


14.根据权利要求12所述的通信系统，其中，所述解码器使用自相关码本来确定所述离...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普·沃克，巴巴克·哈斯比，彼得·荣格，
申请(专利权)人：加州理工学院，柏林工业大学，
类型：发明
国别省市：美国;US