一种结合1比特模数转换器的零时延通信方法及其应用技术

本发明专利技术涉及无线通信领域，更具体地，本发明专利技术涉及一种结合1比特模数转换器的零时延通信方法及其应用。包括：步骤一：编码映射初始化；步骤二：编码映射更新。相比于目前信源信道分离的编码方案，本发明专利技术考虑将信源编码和信道编码合并起来，采用联合信源信道的编码方案，实现在广播信道上传输相关信源。并考虑一个极端的情况，通过一次信道传输来传送单个信号样本，以实现零时延传输的要求。本发明专利技术考虑相关高斯信源在结合1比特模数转换器前端的广播信道上的零时延传输，结合1比特模数转换器前端的广播信道模型，在确定的失真标准下，通过非参数化映射的方式对初始的编码映射进行优化，发现该方法可提升系统的失真性能。发现该方法可提升系统的失真性能。发现该方法可提升系统的失真性能。

【技术实现步骤摘要】
一种结合1比特模数转换器的零时延通信方法及其应用


[0001]本专利技术涉及无线通信领域，更具体地，本专利技术涉及一种结合1比特模数转换器的零时延通信方法及其应用。

技术介绍

[0002]现代无线通信系统通过利用接近达到信道容量的信道编码和高度优化的压缩算法，实现可靠传输特定的高速率内容类型，比如说联合图像专家组(JPEG)和动态图像专家组(MPEG)。然而，许多新兴的应用，如物联网(IOT)或者机器与机器间通信(M2M)，进一步限制了通信设备的成本和复杂度，或者对可用的能量和端到端延迟提出更高要求，这使得许多已知的编码方法和调制技术不再适用。
[0003]广播通信是使用公共信道将信息从中央节点传输到多个设备的通信方式。广播通信被应用在许多场景中，例如蜂窝系统的下行链路，或者无线传感器网络(WSN)，以此控制节点与大量传感器之间的通信。在广播信道上可靠地传输信息的一个方案是基于信源信道分离的机制，也就是信源编码和信道编码分开分别优化。
[0004]一般情况下，基于信源信道分离的编码方案能够提供接近最优的性能，但同时，该方案也存在一定的缺陷。一方面，基于信源信道分离的编码方案要求编码端使用长码字以接近理论最优界，但这会导致编码复杂度增大并且带来较高的时延。另一方面，由于编码率取决于信道条件，系统需要在时变环境中重新设计，从而使编码器与信道条件相匹配。因此，基于信源信道分离的编码方案通常情况下，在多用户的环境中并不是最优的。
[0005]时下，大规模多天线系统被认为是下一代通信系统的一种很有应用价值的技术。当天线的规模增大，接收机的设计将变得更加复杂，能耗也更高。数字接收机前端的一个关键部件是连接到每个接收天线的模数转换器。模数转换器消耗的功率随着比特数呈线性增长。当可用功率受限时，比如对于电池功率受限的传感器节点或移动设备，模数转换器的分辨率受到限制。在一个极端情况下，1比特模数转换器由于其低硬件复杂度而受到关注：能通过简单的阈值比较器实现的同时，并且不需要自动增益控制。故研究结合1比特模数转换器的通信方法，减少时延，提升系统的失真性能是一个重要研究内容。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术第一个方面提供了一种结合1比特模数转换器的零时延通信方法，包括：
[0007]步骤一：编码映射初始化：两个信源x1和x2经过编码器编码后，分别通过噪声叠加、1比特模数转换器和译码器，得到x1和x2的估计信号i＝1或2，获得代价函数J，所述J如公式(1)所示：
[0008][0009]α为编码器的编码映射，β1为信源x1的译码器的译码映射，β2为信源x2的译码器的
译码映射，α(x1,x2)为信源x1和x2经过编码器编码映射后的编码器输出，λ为拉格朗日乘子；
[0010]步骤二：编码映射更新：保持译码映射β1和β2不变，更新编码映射μ为步长，为梯度，k∈{0，R}，得到编码映射为α
k+1
，估计信号为时的代价函数J
k+1
。
[0011]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述步骤二中，当J
k+1
>J
k
，重复步骤二，当J
k+1
≤J
k
，结束。
[0012]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述估计信号的公式如式(2)所示：
[0013][0014]p(x1,x2)表示联合概率密度函数，p(z
i
|α(x1,x2))表示已知α(x1,x2)下的条件概率密度函数，z
i
为1比特模数转换器的输出。
[0015]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述z
i
的公式如式(3)所示：
[0016][0017]Y
i
为噪声叠加后的信道输出。
[0018]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述梯度的公式如式(4)所示：
[0019][0020]σ
n1
为信源x1叠加的噪声的方差，σ
n2
为信源x2叠加的噪声的方差，β1(0)为输入0时译码映射β1的输出，β2(0)为输入0时译码映射β2的输出，β1(1)为输入1时译码映射β1的输出，β2(1)为输入1时译码映射β2的输出。
[0021]作为本专利技术一种优选的技术方案，当步骤二J
k+1
≤J
k
时，进行步骤三：代价函数更新：保持编码映射α
k+1
不变，根据步骤一得到两个信源x1和x2经过编码器编码α
k+1
后，分别通过噪声叠加、1比特模数转换器和译码器，得到x1和x2的估计信号为得到编码映射为α
k+1
，估计信号为的代价函数J
k+2
。
[0022]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述步骤三中，当J
k+2
>J
k+1
，重复步骤二和步骤三，当J
k+2
≤J
k+1
，结束。
[0023]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述步骤三中，当J
k+2
≤J
k+1
，计算平均均方误差MSE。
[0024]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述译码器采用最小均方误差估计器得到x1和x2的估计信号
[0025]本专利技术第二个方面提供了一种所述的结合1比特模数转换器的零时延通信方法的应用，用于广播通信。
[0026]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0027](1)相比于目前信源信道分离的编码方案，本专利技术考虑将信源编码和信道编码合并起来，采用联合信源信道的编码方案，实现在广播信道上传输相关信源。并考虑一个极端的情况，通过一次信道传输来传送单个信号样本，以实现零时延传输的要求。
[0028](2)本专利技术考虑相关高斯信源在结合1比特模数转换器前端的广播信道上的零时
延传输，结合1比特模数转换器前端的广播信道模型，在确定的失真标准下，通过非参数化映射的方式对初始的编码映射进行优化，发现该方法可提升系统的失真性能。
[0029](3)本专利技术通过构建拉格朗日代价函数，将通信系统的功率受限平均失真最小化问题转化成无限制的最小化问题，得到该模型下最优编码器所满足的隐式方程，从而得到代价函数J关于最优编码α的梯度公式利用梯度下降的方法，从初始化的编码映射进行迭代优化，实现接近最优条件的优化后编码映射。
[0030](4)使用本专利技术非参数化映射的方法，相比参数化映射，如变符号标量量化器线性编码器(AS
‑
SQLC)，可以在给定信源符号的先验分布的情况下，找到接近最优的编码映射，在不同信道信噪比(CSNR)下，用户端的平均失真基本可获得0.2dB的增益。
附图说明
[0031]图1为所述零时延通信方法的流程图。
[0032]图2为所述零时延通信方法的模块组成图。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合1比特模数转换器的零时延通信方法，其特征在于，包括：步骤一：编码映射初始化：两个信源x1和x2经过编码器编码后，分别通过噪声叠加、1比特模数转换器和译码器，得到x1和x2的估计信号i＝1或2，获得代价函数J，所述J如公式(1)所示：α为编码器的编码映射，β1为信源x1的译码器的译码映射，β2为信源x2的译码器的译码映射，α(x1,x2)为信源x1和x2经过编码器编码映射后的编码器输出，λ为拉格朗日乘子；步骤二：编码映射更新：保持译码映射β1和β2不变，更新编码映射μ为步长，为梯度，k∈{0，R}，得到编码映射为α
k+1
，估计信号为时的代价函数J
k+1
。2.根据权利要求1所述的结合1比特模数转换器的零时延通信方法，其特征在于，所述步骤二中，当J
k+1
>J
k
，重复步骤二，当J
k+1
≤J
k
，结束。3.根据权利要求1所述的结合1比特模数转换器的零时延通信方法，其特征在于，所述估计信号的公式如式(2)所示：p(x1,x2)表示联合概率密度函数，p(z
i
|α(x1,x2))表示已知α(x1,x2)下的条件概率密度函数，z
i
为1比特模数转换器的输出。4.根据权利要求3所述的结合1比特模数转换器的零时延通信方法，其特征在于，所述z
i
的公式如式(3)所示：Y
i
为噪声叠加后的信道输出。5.根据权利要求1所述的结合1比特模数转换器的零时延通信方法，其特征在于，所述梯度的公式如式(4)所示：σ
n1

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟杰，陈雪晨，楚盛，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：