用于干扰网络的编码的方法和设备与流程
相关申请的交叉参考
本专利文件要求2014年9月29日提交的标题为“用于干扰网络的编码的方法和设备(methodsandapparatusforcodingforinterferencenetwork)”的第62/057,193号美国临时专利申请的优先权的权益。上述专利申请的全部内容以引用方式并入，作为本专利文件的一部分。
关于由联邦赞助的研发的声明
本发明是基于由国家科学基金会(nsf)给予的政府支持项目ccf-1320895而展开的。政府享有本发明的某些权利。
本专利文件涉及用于对通信信道的数据流进行编码和解码的方法和系统。
背景技术：
为了获得高数据速率和大量的连接，预期下一代蜂窝网络将部署很多小基站。尽管这种密集的部署提供使无线电更靠近终端用户的益处，但它也增加了来自邻近小区的干扰量。因此，对干扰的智能管理将成为实现高频谱利用率、低功耗、覆盖广的无线通信技术的一个关键。
各种现有通信系统基于点对点信道代码进行操作并且将干扰处理成噪声。尽管此类技术能够在干扰较弱时以较低的计算复杂性取得可接受的性能，但随着干扰变强，性能变会降低，而这在密集无线网络下是常有的情况。具体而言，在高信噪比/干扰噪声比界限下，将干扰处理成噪声的性能与同时解码具有极大差距。将干扰处理成噪声和连续消除解码(没有速率分裂)通常是实践中使用的两个主要的解码方案，它们实现比同时解码严格意义上小的速率区域。
技术实现要素：
公开用于利用多对发送器和接收器对通信信道的数据流进行编码和解码的方法和系统。所述方法和系统可以利用任何数量的发送器和接收器来实现针对一般干扰信道的同步解码的性能，而无需使用高复杂性多用户序列检测。所述方法和系统还可以通过并入速率分裂技术来实现han-kobayashi编码方案的性能。已知同步解码是han-kobayashi编码方案的组成部分，其中每个接收器对预定消息(intendedmessage)以及干扰消息的一部分进行解码，而不是将干扰处理成噪声。然而，传统han-kobayashi中的同时解码使用高复杂性多用户序列检测，这在实施过程中成本可能较高。
本文件描述可以尤其克服干扰信道中的同时解码的上述限制的技术。在一方面，公开用于包括多对发送器和接收器的通信信道的低复杂性编码技术。来自发送器的信号彼此相互干扰，因此，在每个接收器处观察到的信号是期望信号以及一个或多个干扰信号和一些噪声的混合。
在一些公开的实施例中，将数据流分解成多个子流。这些子流经由时间/频率/空间维度的跨度上的多个单元(“块”)传送到接收器。每个发送器将其子流中的每个编码成跨越多个块的码字，并且通过以交错的方式叠加多个码字来同时传输多个码字。在一些实施例中，码字的特性(编码调制)和叠加它们的机制(叠加原理)可以相对于通信信道参数以及其他传输约束进行优化。每个接收器通过经由多个块的滑动窗口对接收到的信号进行解码而恢复来自期望发送器的码字以及来自干扰发送器的一些码字。在示例性方面，针对每个窗口，可以一个接一个地(连续消除解码)恢复多个码字(期望码字和干扰码字)，从而允许每个解码步骤具有低复杂性。在一些实施方案中，可以优化对将要恢复的码字的选择以及码字的解码顺序。
附图说明
图1示出示例性两用户高斯干扰信道的说明性图解。
图2示出利用三个虚拟输入信号的叠加编码的说明性图解。
图3a到图3c示出编码和解码操作的说明性图解。
图4a到图4d示出实施例的性能评估的说明性图解。
图5示出实施例的性能评估的另一说明性图解。
图6a示出同时解码内边界和角点的说明性图解。
图6b示出滑动窗口叠加编码方案的说明性调度表。
图7示出无线通信系统的说明性图解。
图8示出用于传输信号流和接收信号流的示例性方法。
图9示出用于传输信号流和接收信号流的示例性设备。
具体实施方式
本专利文件涉及用于利用多对发送器和接收器而针对通信信道来对数据流进行编码和解码的方法和系统。使用传统点对点信道编码的大多数现有通信系统将干扰处理成噪声。尽管这个简单的方案可以在干扰较弱时以较低的计算复杂性实现良好的性能，但随着干扰变强，性能降低，而这在密集无线网络下是常有的情况。
在过去的数十年里，已经提议不同协议层处的若干技术来减轻无线网络中干扰的不利影响。物理层处的一个重要的概念技术是同时解码，其中每个接收器对期望信号以及干扰的一部分或全部进行解码。当干扰较强时，同时解码技术使用良好的点对点代码而针对两用户高斯干扰信道实现最佳性能。另外，当编码器被限于点对点随机代码全体时，同时解码技术通常实现最佳的最大似然解码性能。实现通用两用户干扰信道的最好已知性能的han-kobayashi编码方案也将同时解码用作关键组成部分。然而，主要缺点在于，同时解码中的每个接收器不得不使用多用户序列检测的某一形式，这在实施时通常需要较高的计算复杂性。这个问题近来已经由基于新出现的空间耦合的极性代码的一些方法解决，但这些解决方案需要开发新的代码家族(而不是使用传统的点对点信道代码，诸如，ldpc代码和涡轮码)并且涉及非常长的块长度。
在本文件中，公开滑动窗口叠加编码(swsc)方案，该方案利用点对点信道代码和低复杂性解码实现同时解码的理论性能。这个方案以网络信息原理的基本组成部分为基础，将下列理念相结合：块马尔可夫编码和滑动窗口解码(常用于多跳中继和反馈通信，但不用于单跳通信)以及叠加编码和连续消除解码(允许利用点对点代码进行的低复杂性解码)。将了解，在若干操作场景下，所公开的方案的实施例可以在移动电话和基站中的任一个(或两者)处实施。
所公开的滑动窗口叠加编码(swsc)方案利用点对点信道代码和低复杂性解码实现同时解码的性能。本文件公开该编码方案如何利用两个或更多发送器-接收器对针对一般干扰信道在概念层面进行工作以及该编码方案在调制约束下可以如何转变为高斯干扰信道的实际编码技术。模拟结果表明，在适中的块长度(例如，2048)处使用标准lte涡轮码，滑动窗口叠加编码有时可以使将干扰处理成噪声的传统方法的性能翻倍。尽管模拟结果与涉及两个用户的示例性场景有关，但所公开的技术可以容易应用于具有两个以上用户的场景。
使用至多两个叠加层，所公开的swsc技术实现用于任何两用户对干扰信道的同时解码内边界，而无需使用高复杂性同时多用户序列检测。所公开的编码方案也可以扩展以实现一般干扰网络的同时解码的理论性能，包括han–kobayashi内边界。
在用于干扰信道的大多数现有编码技术中，干扰通常作为噪声的一部分而被忽略，从而合并信号结构(调制顺序)和/或干扰的功率。当将调制/功率信息用作编码技术的一部分时，这样的技术在本文中被称为“将干扰处理成噪声”。当只将功率信息用作编码技术的一部分时，这样的技术在本文中被称为“将干扰处理成高斯噪声”。
根据编码技术，接收器可以相继地恢复一些干扰码字和期望码字，而忽略作为噪声的一部分的剩余部分(例如，不将被恢复的码字)。这个编码方案可以被称为“连续干扰消除”。因此，将干扰处理成噪声与连续干扰消除之间的一个差异在于，在将干扰处理成噪声时，不恢复干扰码字。
根据另一编码技术，接收器可以同时恢复所有码字(例如，期望码字和干扰码字)。这个技术在本文中称为“同时解码”或“联合解码”。已知，同时解码优于上述两种编码技术，并且它实现所有编码技术上的最佳性能。在上述技术的一些实施例中，假设单个数据子流由在单个块上传送的单个码字携载。
图1示出示例性两用户高斯干扰信道的说明性图解。所公开的swsc技术实现两者的最优特征-在低复杂性的连续消除解码时的同时解码的性能。针对一些实施方式，连续消除解码无法实现同时解码的性能，然而，swsc通过下列方式规避了连续消除解码的这个限制：
(1)通过将数据流分解成多个子流来传送数据流；
(2)由跨过多个块的码字携载每个子流；
(3)叠加多个码字以用于传输；
(4)以交错(异步)方式传输叠加的多个码字；
(5)经由块的滑动窗口对接收的信号进行解码；以及
(6)依次恢复来自期望发送器和干扰发送器的码字。
文献中已经直接或间接地建立了这些组成技术中的每个。(1)和(2)中的组成部分通常被称为“块马尔可夫编码”，已广泛用于中继。(3)中的组成部分大多用在单块编码中并且被称为“叠加编码”，已经用于广播来自单个发送器的多个数据流。(4)中的组成部分已经用于多个访问系统(诸如，ev-doreva)或多个天线通信系统(诸如，d-blast或贝尔实验室对角分层空时)。(5)中的组成部分被称为“滑动窗口解码”并且同样常用于中继。(6)中的组成部分被称为“连续消除解码”或“连续干扰消除”并且已经广泛用于多个访问系统。有关所公开的技术的一个新颖的方面是这些组成部分以仔细的方式组合并且将组合的产物应用于减轻干扰，以实现干扰信道的更佳性能。
swsc具有一些额外的特征。首先，如本文中论述，swsc可以实现同时解码的性能。这通过优化发送器处的码字叠加结构和接收器处的解码顺序来获取。然而，即使是对叠加结构和解码顺序的次优选择，也可以使用网络信息原理中的基本工具来轻松地评估最终的性能。因此，当系统具有不允许最优叠加结构或解码顺序的额外限制时，次优选择是有帮助的。另外，随着信道条件改变，解码顺序可以从一个结构到另一结构适应性地切换。最终，可以容易使用现有的现成信道代码(诸如，涡轮码和ldpc代码)来实施swsc。事实上，swsc可以以相当简单的方式与针对单块通信开发的多数现有技术(诸如，速率分裂、多级编码和混合arq)相结合。
用于高斯干扰信道的滑动窗口叠加编码
图1示出两用户高斯干扰信道的说明性图解。将两用户高斯干扰信道定义为：
y1＝g11x1+g12x2+z1,
y2＝g21x1+g22x2+z2,(1)
此处，x1∈xn，i＝1、2是来自发送器i的具有平均功率约束pi的传输信号，其中n是块长度，并且
滑动窗口叠加编码(swsc)技术基于网络信息理论中的若干基础构建块，诸如，叠加编码、块马尔可夫编码、连续消除解码和滑动窗口解码。发送器i通过使用利用多个叠加层的叠加编码和多个块中的块马尔可夫编码来对它的消息进行编码。接收器i根据预定解码顺序在窗口长度内对来自发送器i的所有叠加层和来自其他发送器的一些叠加层执行连续消除解码，并且滑动解码窗口，直到到达块的末尾为止。现在更详细地阐述本专利文件中考虑的swsc的具体版本的编码/解码过程。
针对块j＝1.....b，m(j)∈{1,2.....2nr,}是从发送器i传送到接收器i的消息。类似地，x1(j)、y1(j)和z1(j)是块j中的发送器/接收器i的信道输入、输出和噪声。
在一些实施例中，所公开的swsc技术允许叠加层的数量、叠加编码的辅助随机变量的数量和结构以及解码顺序完全灵活。出于论述和说明的目的，提供的示例涉及通过叠加和固定解码顺序形成4-pam(脉冲幅度调制)信号的bpsk(二进制相移键控)信号的两个层。具体而言：
其中u(j)、v(j)和w(j)∈{-1,+1}n是bpsk信号。
图2示出利用三个虚拟输入信号(两个输入信号用于发送器1并且一个输入信号用于发送器2)的叠加编码的说明性图解。具体而言，图2代表叠加编码，其中u和v用于x1并且w用于x2。在图3a至图3c中论述与叠加编码相关联的编码和解码操作。
图3a至图3c示出与叠加编码相关联的编码和解码操作的说明性图解。具体而言，图3a示出针对7个块的编码和解码操作。消息m1(2)由信号v(2)和u(3)携载，而消息m2(5)由w(5)携载。在接收器1处对m1(2)进行的滑动窗口解码是基于其在两个块上接收到的信号y1(2)和y1(3)进行的。接收器1首先恢复m1(2)(相当于v(2)和u(3))，随后恢复m2(3)(相当于w(3))。从先前的解码窗口中已知信号u(2)和w(2)。接收器2的操作略有不同，首先基于两个块y1(5)和y1(6)恢复m1(5)随后恢复m2(5)。
图3b示出发送器1处的4个信号层和发送器2处的3个子流的交错，其中
在图3b中，u11到u14是这样的信号，其经过叠加以生成x1，并且u21到u23是这样的信号，其经过叠加以生成x2。这些信号被称为“层”，并且层的数量可以是任意的且从一个发送器到另一发送器不同。针对u个信号，这个叠加操作可以以任意方式在任意空间上执行。如图3b所示，每个子流由跨过多个块和层的码字携载。例如，子流a1被编码到跨过块1中的层u14、块2中的层u13、块3中的层u12和块4中的层u11的码字中。在每个块中，发送器将它们的u个信号叠加，以生成x个信号并且传输它们。例如，在块3中，发送器2将用于b1的码字的层u21部分、用于b2的码字的层u22部分和用于b3的码字的层u23部分叠加，以生成x2并且传输x2。根据层的数量，在通信开始和结束时，传输预定的信号(图3b中标记为
每个接收器通过在多个块的窗口上对接收到的信号进行解码来恢复它的期望子流。接收器可以从多个选项中进行选择，以对它的信号进行解码。在一些实施例中，解码器可以通过将干扰信号作为噪声忽略而只针对期望的子流进行解码，或者解码器可以针对期望子流和干扰子流进行解码。当针对期望子流和干扰子流进行解码时，解码器可以执行连续消除解码，即，它可以恢复一个子流、消除它，随后恢复另一子流。子流的解码顺序可以是任意的。随着接收器滑动解码窗口，解码顺序以及针对干扰解码与否的选项可以从一个接收器切换到另一接收器。
尽管本文中的示例论述了两个用户对，但本文件的实施例可以容易扩展到多个用户对。另外，本文件的实施例也可以与其他编码技术相结合，诸如，速率分裂、多级编码和混合arq。
参考图3c，提供示例以示出swsc如何工作。假设每个块由n个传输单元(ofdm中的副载波和时间单元)构成。发送器1使用两个信号层，表示为u和v，它们中的每个是bpsk。这两个bpsk信号适当地缩放并且相加，以生成4-pam信号x1。发送器2使用单个层；因此，发送器2的信号u是bpsk信号x2。子流a1、a2……的码字由速率为r1和长度为2n的涡轮码进行编码；每个码字超过2个块并且由一个u序列和一个v序列构成。例如，子流a2由具有块2中的信号v和块3中的信号u的码字携载。子流b1、b2的码字由速率为r2和长度为n的涡轮码直接编码到x2。在此示例中，假设两个接收器恢复两个子流。接收器1按下列顺序相继地恢复子流：b1(来自块1)、a1(来自块1和2)、b2(来自块2)、a2(来自块2和3)等。例如，在消除已知信号，即，u(2)[从a1的先前解码可知]和x2(2)[从b2的先前解码可知]之后，通过在块2和3中对接收到的信号进行解码来恢复a2。
接收器2按下列顺序相继地恢复子流：a1(来自块1和2)、b1(来自块1)、a2(来自块2和3)、b2(来自块2)等。例如，在消除u(5)之后，通过在块5和6中对接收到的信号进行解码来恢复a5；随后，在消除u(5)和v(5)之后，通过在块5中对接收到的信号进行解码来恢复b5。
图3c中描绘编码和解码操作。信号u(j)携载来自前一块的消息m1(j-1)，并且v(j)和w(j)分别携载来自当前块的m1(j)和m2(j)。按照惯例，m1(0)＝m1(b)＝1。参数α确定被分成u(j)和v(j)的功率的比。在本文中，α＝0.8，使得
对应的信道输出是：
在块j+1的最后，接收器1首先对y1(j)和y1(j+1)进行解码，以恢复由v(j)和u(j+1)携载的m1(j)。此处，u(j)和w(j)从先前的解码窗口中已知，因此，来自y1(j)的有效信道输出是
r1≤i(u；y1)+i(v；y1|u,w)(3)
接收器1随后对y1(j+1)进行解码，以恢复由w(j+1)携载的m2(j+1)，其中u(j+1)从第一步骤中已知，并且v(j+1)是干扰。如果满足下列项，则该解码步骤成功：
r2≤i(w；y1|u).(4)
在块j+1的最后，接收器2首先对y2(j)和y2(j+1)进行解码，以恢复由v(j)和u(j+1)携载的m1(j)，其中u(j)从先前的解码窗口中已知，并且v(j)是干扰。接收器2随后对y2(j)进行解码，以恢复由w(j)携载的m2(j)，其中u(j)和v(j)是已知的。如果满足下列项，则这些解码步骤成功：
r1≤i(u,v；y2),(5)
r2≤i(w；y2|u,v)(6)
在最后一个块j＝b的最后，接收器2另外对y2(b)进行解码以恢复由w(b)携载的m2(b)，如果(6)成立，则这再次成功。由于在b个块上发送m1(1)、……、m1(b-1)和m2(1)、……、m2(b)，因此，发送器/接收器1的实际速率是r1＝r1(b-1)/b，并且发送器/接收器2的实际速率是r2＝r2。将这些结果(4)到(6)相结合，可以利用swsc渐进地实现下列速率区域：
r1≤min{i(u；y1)+i(v；y1|u,w),i(u,v；y2)}
r2≤min{i(w；y1|u),i(w；y2|u,v)},(7)
其中u、v和w是独立的unif{-1,+1}随机变量。
图4a至图4d和图5示出实施例的性能评估的说明性图解400a、400b、400c、400d和500。具体而言，在这些图中，针对信道增益g的各种值，将滑动窗口叠加编码的理论性能(sws(a))410与(i)同时非唯一解码的理论性能(snd(a))420和(ii)将干扰处理成噪声(ian(a))430进行比较。另外，图4a到图4d中示出重叠的实施方式的模拟结果sws(s)440，以及理论性能曲线。
在原始swsc方案中，可以最佳地选择辅助信号u、v和w以及叠加映射x1(u,v)，从而确保sws(a)410与snd(a)420相同。在性能评估示例中，将辅助信号视作bpsk，以便x1是等间隔的4-pam。因此，先验地不清楚sws(a)410是否将接近于snd(a)420。
为简单起见，假设对称速率、功率和信道增益，换言之，r1＝r2＝r，p1＝p2＝p，g11＝g22＝1并且g12＝g21＝g。为了评估性能，改变传输功率p，从而实现信噪比(snr)和干扰噪声比(inr)，并且相应地找到实现snd(a)420、ian(a)430和sws(a)410的给定速率r的最小功率p。针对g＝0.9、1.0、1.1、1.2，图4a到图4d中示出最小对称传输功率p(在轴404上显示)与可达对称速率r(在轴402上显示)的曲线图。应注意，sws(a)410与snd(a)420之间的差距是因为u和v的次优选择，例如，使用bpsk调制方案。尽管如此，sws(a)410接近snd(a)420并且在较高snr下显著优于ian(a)430。可以验证，实施的性能sws(s)440遵循sws(a)410的理论性能，从而确认滑动窗口叠加编码的可行性。应注意，sws(s)440在较高snr下优于ian(a)430。应注意，ian(a)是将干扰处理成噪声的理论性能界限，它的实际性能(在公平比较下)甚至将更差。
为了利用点对点信道代码来实施swsc，使用[v(j)|u(j+1)]的长度为2n且速率为r1/2的二元线性代码，因为u(j+1)和v(j)共同携载m1(j)。类似地，使用w(j)的长度为n且速率为r2的二元线性代码来携载m2(j)。使用lte标准中所用的涡轮码，从而允许码率和块长度具有灵活性。具体而言，以速率1/3的母代码来开始性能评估，并且根据标准中的速率匹配算法来调整速率和长度。应注意，针对r1<2/3，重复一些代码位，并且针对r1>2/3，删除一些代码位。为了评估swsc的性能，分别将块长度n和块数量b设置为2048和20。此处，应注意，b是块的总数，而不是解码窗口的尺寸(该尺寸是2)。以一个块的延迟来恢复每一条消息。尽管较大的b会减小1/b的速率惩罚，但也引起多个块上的误差传播，在速率和ber计算时应适当考虑这两种情况。使用用于turbo解码的log-map算法，其中针对解码的每个阶段，将迭代的最大次数设置为8。如果得到的误码率(ber)在模拟的1000个独立集合上低于0.001，那么假设针对给定的pi和gij实现速率对(r1,r2)。
首先论述对称情况的性能评估，即，其中有对称速率、功率和信道增益，也就是，r1＝r2＝r，p1＝p2＝p，g11＝g22＝1并且g12＝g21＝g。图4a到图4d中的模拟的结果与理论性能曲线重叠。
现在参考图5，示出实施例的性能评估的说明性图解。作为另一可行性测试，考虑高斯衰落干扰信道，其中gij是i.i.d.～n(0,1)。出于模拟的目的，生成独立信道增益系数的25个集合，以便评估各种信道条件下的swsc的性能。针对r＝0.3、0.4、0.5、0.6，计算25个信道实现上的平均最小功率pavg(在轴504上显示)，其中r在轴502上显示。如图5所示，sws(a)410非常接近snd(a)420，由实际实施sws(s)440来跟踪。应注意，sws(s)440始终比ian(a)430好，其中差距在较高速率/较高snr范围下变大。
根据本文中论述的实施例，图4a到图4d和图5中的曲线表明滑动窗口叠加编码(swsc)方案具有用于干扰管理的实际信道编码技术的潜力。在一些实施例中，可以进一步优化接收器处的解码顺序。例如，在某些解码顺序下，swsc可以始终实现将干扰处理成噪声的性能。在一些实施例中，尤其是可以通过功率比控制来优化叠加映射的结构(α≠0.8)。
理论性能比较
在此部分中，考虑针对(1)中的信道模型的将干扰处理成噪声和同时非唯一解码，并且将swsc的理论性能与它们进行比较。
a.将干扰处理成噪声
将干扰处理成噪声的可达速率区域由下列项表征：
r1≤i(x1；y1)，
r2≤i(x2；y2)(8)
其中x1是
b.同时非唯一解码
在同时解码中，每个接收器将来自两个发送器的码字进行恢复。此处，考虑同时解码的变体(该变体被称为同时非唯一解码)，它通过忽视干扰码字的唯一性而提供改进性能。同时非唯一解码的可达速率区域由以下项表征：
r1≤i(x1；y1|x2)，
r2≤i(x2；y2|x1)，
r1+r2≤min{i(x1,x2；y1),i(x1,x2；y2)}，(9)
其中x1和x2同样在(2)中给出。当干扰较强，也就是，
图6a示出同时解码内边界和角点的说明性图解。图6b示出滑动窗口叠加解码的说明性调度表。在此部分，公开滑动窗口叠加编码方案，该方案解决了单块速率分裂的困难。所公开的编码方案适用于一般的离散无记忆干扰信道。出于说明和论述的目的，论述集中于当
i(x1,x2；y1)＝i(x1,x2；y2)(11)
如何实现同时解码内边界的角点：
(r1,r2)＝(i(x1；y2),i(x2；y2|x1))(10)
如图6a所示。在图6a中，由(10)示出同时解码内边界和角点(并且在图6a中说明性地表示为角点610)。至于对称高斯干扰信道，这是证明了本文中之后论述的单块速率分裂的不足之处的完全相同的点。
定理1：如果针对某一pmfp(u,x1)p(x2)满足以下条件，则可利用滑动窗口叠加编码方案来实现速率对(r1,r2)
r1＜min{i(u；y1)+i(x1；y1|u,x2),i(x1；y2)}：＝i1，
r2＜min{i(x2；y1|u),i(x2；y2|x1)}：＝i2
此外，存在pmfp(u,x1)p(x2)，使得(i1,i2)＝(i(x1；y2),i(x2；y2|x1))；换言之，可实现角点(10).
粗略地讲，替代于将消息m1分割成两个部分并且单独地恢复所述两个部分，根据一些公开的实施例，在不分割的情况下经由两个连续的块来发送m1，并且使用滑动窗口解码来恢复m1。细节如下。
码本生成。获得目标速率对的pmfp(u,x1)p(x2)是固定的。随机且独立地生成用于每个块的码本。按照惯例，假设m10＝m1b＝1。针对j∈[1:b]，
编码。在块j∈[1:b]中，发送器1传输
解码和误差分析。解码器1(和2分别)相继地恢复
令块j中的接收序列为
(并且如果不存在消息或存在一个以上消息，则声明出现误差)。通过标准分析，如果r2＜i(x2；y1|u)-δ(∈)，则误差的概率趋近于零。在块j+1,j∈[1:b-1]中，接收器1找到唯一消息
如果r1＜i(x1；y1|u,x2)+i(u；y1)-2δ(∈)，则误差的概率趋近于零。随后，找到唯一
如果r2＜i(x2；y1|u)-δ(∈)，则误差的概率趋近于零。针对接收器2，在块j+1,j∈[1:b-1]中，找到唯一
如果r1＜i(x1；y2|u)+i(u；y2)-2δ(∈)＝i(x1；y2)-2δ(∈)，则误差的概率趋近于零。随后，接收器找到唯一
如果r2＜i(x2；y2|x1)-δ(∈)，则误差的概率趋近于零。最后，接收器2找到唯一
如果r2＜i(x2；y2|x1)-δ(∈)，则误差的概率趋近于零。
最后，应注意i(x2；y1)≤i(x2；y2|x1)≤i(x2；y1|x1)，从而保证存在p(u|x1)，使得i(x2；y1|u)＝i(x2；y2|x1)。与(4)相结合，这表明i(x1；y2)＝i(u；y1)+i(v；y1|x2,u)，并且可达到角点。针对对称高斯干扰信道，当u～n(0,αp),v～n(0,(1-α)p)并且x1＝u+v时，达到角点，其中u和v是独立的并且α＝(s2+s-i)/s2。
单块速率分裂的不足之处
在此部分，考虑对称高斯干扰信道。表明使用速率分裂利用连续取消编码不可达到同时解码内边界的角点。假设平均功率约束p。针对输入x1和x2，接收器处的信道输出是
y1＝x1+gx2+z1，
y2＝gx1+x2+z2，
其中g是固定常数并且z1,z2～n(0,1)是附加高斯噪声分量，独立于(x1,x2)。将接收到的信噪比定义为i＝g2p。
将(s,t,d1,d2,f)速率分裂方案及其可达速率区域定义如下：
速率分裂。消息m1由分别采用速率r11、r12、……、r1s的s个独立部分m11、m12、……、m1s表示，并且消息m2由分别采用速率r21、r22、……、r2t的t个独立部分m21、m22、……、m2t表示。
码本生成。使用叠加编码。cdff＝f(q)f(us|q)f(vt|q)是固定的，使得q是有限的，e[(vt)2]≤p。根据
编码。为了发送消息对
解码。使用连续消除解码。将解码器1处的解码顺序d1定义为
作为示例，假定将消息m1分割成两个部分，而不分割消息m2。解码顺序是
d1:u→x2→x1，
d2:u→x1→x2，
其中在单个分割的情况下，编写(u,x1)＝(u1,u2)并且x2＝v1。这意味着解码器1相继地恢复m11、m2和m12，并且解码器2相继地恢复m11、m12和m2。更准确地说，在解码器1处接收到
1)解码器1找到唯一消息
2)如果找到
3)如果找到
类似地，在接收到
1)解码器2找到唯一消息
2)如果找到
3)如果找到
根据对误差概率的标准分析，如果满足以下条件，则
r11＜i(u；y1|q)-δ(∈),(11a)
r2＜i(x2；y1|u,q)-δ(∈),(11b)
r12＜i(x1；y1|u,x2,q)-δ(∈),(11c)
r11＜i(u；y2|q)-δ(∈),(11d)
r12＜i(x1；y2|u,q)-δ(∈),(11e)
r2＜i(x2；y2|x1,q)-δ(∈),(11f)
通过fourier–motzkin消除，如果满足以下条件，则可达到(r1,r2)
应注意，文献中关于(11a)到(11f)中的r11和r12的一些常见误解简化成r1＜min{i(u；y1|q)+i(x1；y1|u,x2,q),i(x1；y2|q)}，从而导致错误的结论：han-kobayashi内边界可以由速率分裂实现且连续消除是显著的。连续解码需要独立的速率约束(11d)和(11e)，而不是总速率约束r1＜i(x1；y2|q)。此外，对fourier–motzkin取消过程的适当应用需要取总速率的四个情况的最小值，从而导致(12)。
针对分割的更多层和一般解码顺序，可以按类似方式执行解码。因此，由下列项指定(s,t,d1,d2,f)速率分裂方案
·消息中的独立部分的数量s和t
m1＝(m11,...,m1s)andm2＝(m21,...,m2t),
·cdff＝f(q)f(us|q)f(vt|q)，以及
·解码顺序d1和d2。
令
现在，在定理的帮助下陈述此部分的主要结果。假设对称高斯干扰信道具有较强但不是非常强的干扰，即s＜i＜s(s+1)。容量区域是速率对(r1,r2)的集合，使得
r1≤c(s),
r2≤c(s),
r1+r2≤c(i+s),
这由同时解码来实现，其中x1,x2～n(0,p)并且
定理2：对于具有s＜i＜s(s+1)的对称高斯干扰信道
以用于任何有限的s、t和解码顺序d1、d2。
用于多个访问信道的标准速率分裂方案的想法是用多个部分来表示每个消息，并且将所述部分编码到叠加的层中。与连续消除解码相结合，这个叠加编码方案将多访问信道变换成点对点信道的序列。然而，针对由两个基础的多访问信道p(y1|x1,x2)(i＝1、2)构成的干扰信道，这个想法不再有用。此处，速率分裂引起一般具有不同质量的点对点信道的两个序列。为了确保可靠的通信，消息必须以每个层上的糟糕信道的速率加载，这一般会引起总速率损失。定理2基本上说明对每个层上的两个点对点信道的质量进行均衡的消息没有分割，甚至在对层的解码顺序进行优化时也是如此。速率分裂替代地被视作将一个多访问速率区域的边界点映射到高维空间中的另一多访问速率区域的角点。定理2表明，一般没有此类映射，在所述映射下两个多访问信道的对应角点一致。
定理2的证明
为符号的简单起见，证明所要求的
论点1：针对实现
论点2：(2,2,d1,d2,f)速率分裂方案达到角点的必要条件是分布f使得x1,x2～n(0,p)。
论点3：令f(u,x)为任何分布使得x～n(0,p)并且i(u；y)＝0，其中y＝x+z，而z～n(0,1)独立于x。那么，i(u；x)＝0。现在建立不足之处。检查情况s＝1比较简单。针对s＝2，由矛盾证明。编写(u,x1)＝(u1,u2)并且(v,x2)＝(v1,v2)。
r1＜min{i(u；y1),i(u；y2)}
+min{i(x1；y1|u,v),i(x1；y2|u)}：＝i1,
r2＜min{i(v；y1|u),i(v；y2|x1)}
+i(x2；y2|x1,v)：＝i2,
假设容量区域的角点由
i1＝c(i/(1+s)),(13)
i2＝c(s).(14)
随后，根据论点2，要求x1～n(0,p)并且x2～n(0,p)。考虑
i1＝min{i(u；y1),i(u；y2)}
+min{i(x1；y1|u,v),i(x1；y2|u)},
≤i(u；y1)+i(x1；y2|u)(15)
＝h(y1)-h(y1|u)+h(y2′|u)-h(y2′|x1),(16)
其中y2′＝y2/g＝x1+(x2+z2)/g。由于
其中由于s＜i，得到(aaa)。为了匹配(13)中的持续假设，需要(aaa)中的等式，从而迫使α＝1并且h(y2′|u)＝(1/2)log(2πe(i+s+1)/g2)＝h(y2′)，即，i(u；y2′)＝0。应注意，x1,x2～n(0,p)并且从x1到y2′的信道是高斯信道。应用论点3产生出
i(u；x1)＝0.(17)
现在，可以将i2简化成
其中由于i(u；y1|v)≤i(u；y1|x2)＝i(u；x1+z1)≤i(u；x1)＝0，得到(bbb)，从而表明i(v；y1|u)＝i(v；y1)。在(19)中，
其中从信道条件i＜(1+s)s得出(ccc)。为了匹配(14)中的持续假设，需要(ccc)中的等式，从而迫使β＝1，并且
i(v；x2)＝0.(20)
然而，条件(17)和(20)表明
其中由于i(u；y1)≤i(u；x1)＝0并且i(v；y1|u)≤i(v；y1|x1)≤i(v；x2)＝0.，得出(ddd)。因此，
i1＝i(x1；y1)＝c(s/(1+i))＜c(i/(1+s)),
这否定了(13)并且完成了针对s＝2的证明。
最后，考虑当s＞2时的情况。切换最小值和总和的顺序受到束缚
应注意，(21)和(22)具有分别与(15)和(18)相同的形式。因此，从与当s＝2时相同的论证中推断出次优性。表明对于两用户对的对称高斯干扰信道而言，任何单块速率分裂方案在严格意义上是次优的。然而，通过在多个块上发送消息以及使用滑动窗口解码，同时的解码内边界是可达到的。与实施需要多用户序列检测的同时解码相比较，公开的滑动窗口叠加编码方案具有更简单的实施方式，这是因为可以一次一个地解码消息，而不需要多用户序列检测。
针对一般的k发送器l接收器干扰网络，其中每个发送器传输独立的消息并且每个接收器恢复k个消息的子集，可以类似地在两个以上块上发送消息。通过仔细地调度每个接收器的解码顺序，可以示出滑动窗口叠加编码方案，以实现用于干扰网络的同时解码内边界，作为特殊情况，所述干扰网络包括用于两用户干扰信道的han–kobayashi内边界。
尽管本文中示例性地论述了异构(ux)叠加编码，但一致(uv)叠加仍维持类似结论。针对高斯干扰信道，可以将x1分割成u和v，并且采用函数x1＝u+v。
swsc方案的示例性实施例
逐个符号的映射
将u和v映射到信道输入信号x1的方式有很多。在一些实施例中，信号或层u和v的选择可以基于从网络操作收集的过去的数据。例如，可以根据概率分布，诸如，高斯分布或均匀分布从调制方案(诸如，bpsk、qpsk、qam等)中选择u和v。例如，如果选择qpsk星座方案，那么可以基于概率分布函数从四个可能星座点中的一个中选择信号u和v。因此，信号u和v到输入信号x1的映射可以是实施者的选择。
例如，如果x1是具有功率p的高斯，那么可以将信号u和v选择成分别具有功率αp和(1-α)p的高斯信号，其中p是功率的归一化测量，并且令x1＝u+v。换言之，所公开的系统的一些实施例提供下列选项：选择可以将多少功率分配到层中的每个。针对2层系统，这由参数α指定。因此，在对应于n层叠加方案的实施例中，为n个层选择的功率分配参数可以由n个参数α1、α2、α3、……αn表示。在一些实施例中，功率分配参数可以由例如发射器基于发射器与接收器之间的信道质量而动态地确定。因此，例如，在第一时间实例下，如果发射器-接收器对之间的信道质量较差，那么参数将不同于相同发射器之间的信道质量改进的第二时间实例。此外，在所公开的系统的实施例中，由一个发射器选择以传输到给定接收器的参数或者在某一给定的功率条件下选择的参数可以不同于由另一发射器针对相同接收器和类似功率条件选择的参数。
作为另一示例，可以将u和v选择成bpsk信号并且根据随机分布unif{-1,+1}进行分布。随后，在一些实施例中，可以将x1表达成
作为第三示例，在一些实施例中，u和v可以是bpsk信号并且根据unif{-1,+1}进行分布。通过选择x1＝u·v，在此类实施例中，作为信号u和v的非线性组合的另一bpsk信号可以用作信道输入。
在一些实施例中，针对给定类型的信道和信道的所需传输速率，可以通过至少解出上文提供的等式(3)和(4)来最佳地选择层u和v。例如，信道类型可以是瑞利衰落信道(诸如，缓慢或快速衰落信道)、或多普勒信道、或加性高斯白噪声(awgn)信道，或者发射器-接收器对之间的任何其他信道类型。在一些实施例中，接收器可以将关于信道质量的反馈动态地提供到发射器，例如，采用反馈到发射器的控制信息的形式。接收器可以确定(基于接收的信号强度指示器或导频信号)信道类型的质量。此类信息可以由发射器用于选择层u和v。例如，调制方案、概率分布、层之间分配的功率等可以由发射器基于来自接收器的控制信息进行确定。在一些实施例中，发射器和接收器可以联合确定(例如，基于预定规则或基于运行中的动态执行的协商)调制方案、概率分布、层之间分配的功率等。在一些实施例中，层u和v的组合可以由发射器任意地选择。例如，管理可以如何组合u和v的数学函数也可以由发射器确定。在上文论述的示例中，将信号u和v示为线性地组合(即，u+v)或者它们可以非线性地组合(即，u.v)。因此，所公开的系统的实施例促进各种层根据任何合适的数学函数进行组合。此类数学函数的选择可以任意地确定，或者可以基于解出本文中公开的速率方程来确定。
解码顺序
在一些实施例中，接收器可以接收来自多个发送器的传输。在此类情境下，接收器必须确定对来自不同发送器的信号进行解码的解码顺序。也就是，接收器不仅要针对发送器的传输来确定解码顺序，而且另外，针对给定的发送器，要确定对发送器的传输的不同层的解码顺序。
例如，基于图6b的示例性编码顺序，接收器i＝1,2可以将干扰处理成噪声或者从下列解码顺序中选择一个。图6b中的示例假设接收的信号y1在接收器1处接收到，并且信号y2在接收器2处接收到。这些信号是分别来自发送器1和发送器2的穿过信道之后信号u和x2的接收版本。也假设在接收器1和接收器2处已知信号x1。另外，图6b示出与对接收器1处的信号y1进行解码相比较，接收器2利用一个(1)块的延迟对接收到的信号y2进行解码的示例。
针对解码顺序：
接收器i处的对应速率区域
r1＜i(u；yi)+i(v；y1|x2),
r2＜i(x2；yi|u).
针对解码顺序：
接收器i处的对应速率区域
r1＜i(x1；yi),
r2＜i(x2；yi|x1).
针对解码顺序：
接收器i处的对应速率区域
r1＜i(x1；yi|x2),
r2＜i(x2；yi).
将接收器i处的用于将干扰处理成噪声的可达速率区域表示为
r1＜i(xi；yi).
因此，用于滑动窗口叠加编码的组合的可达速率区域是：
以用于一些pmfp(u)p(v)p(x2)和函数x1(u,v)。
叠加层
在一些实施例中，每个发送器处的叠加层的数量可以改变。例如，如果将x1分割成三个层(u1,u2,u3)，并且不分割x2，那么与在将x1分割成两个层时相比，可以更灵活地选择每个接收器处的解码顺序。因此，如果发送器处的层的数量增加，那么所公开的系统的实施例促成选择解码顺序的更多可能性。接收器i＝1,2可以从解码顺序{dik:k∈[1:4]}中选择一个，或者将干扰处理成噪声。
针对解码顺序di1：
r1＜i(x1；yi),
r2＜i(x2；yi|x1).
针对解码顺序di2：
r1＜i(u1,u2；yi)+i(u3；yi|u1,u2,x2),
r2＜i(x2；yi|u1,u2).
针对解码顺序di3：
r1＜i(u1；yi)+i(u2,u3；yi|u1,x2),
r2＜i(x2；yi|u1).
针对解码顺序di4：
r1＜i(x1；yi|x2),
r2＜i(x2；yi).
用于在接收器i处将干扰处理成噪声的可达速率区域表示成
ri＜i(xi；yi).
在给定当前编码的情况下，组合的可达速率区域是
以用于一些pmfp(u1)p(u2)p(u3)p(x2)和函数x1(u1,u2,u3)。
在一些实施例中，选择最佳解码顺序可以包括解出上文公开的速率方程，或者给定类型的信道和信道的期望传输速率。例如，此类考虑可以类似于发射器在选择层或者如上文论述的结合选择层而选择传输参数时进行的考虑。
图7示出具有两对发送器和接收器的无线通信系统的说明性图解。接收器1接收来自发送器1和发送器2的信号。类似地，接收器2接收来自发送器1和发送器2的信号。本文中公开的实施例可以用作减轻由其他通信实体造成的干扰的不利影响的系统范围的方法，例如，结合5g蜂窝系统和wi-fi系统。
图8示出用于从发送器传输数据流的示例性方法800。在802处，方法800将数据流分解成多个子流。在804处，方法800通过多个块上的码字来对多个子流中的子流进行编码。在806处，方法800叠加多个码字，以便以异步的方式形成信号流。在808处，方法800传输信号流。
图8示出用于由接收器接收信号流的示例性方法810。在812处，方法800对接收到的信号进行解码，以在多个块的滑动窗口上恢复来自第一发送器的码字，其中码字是对来自发送器的数据流的子流的编码。在814处，方法800消除来自接收到的信号的第一码字的影响。在816处，方法800在多个块的滑动窗口上恢复来自第二发送器的码字，并且消除第二码字的影响。两个码字流可以作为一个信号同时被接收到。在一些实施例中，除其他特征外，方法810可以包括确定和应用解码顺序，以恢复来自发送器的码字。段落[0093]到[00114]中提供一些实施例和相关联的考虑的示例。
图9示出用于从发送器传输信号流的示例性设备900。该设备包括：用于将数据流分解成多个子流的模块902；用于通过码字来对多个子流中的子流进行编码的模块904；用于叠加多个码字以形成码字流的模块906；以及用于以异步方式传输码字流的模块908。
图9示出用于由接收器接收信号流的示例性模块910。该方法包括：用于接收来自第一发送器的第一码字流的模块912；用于接收来自第二发送器的第二码字流的模块914；以及用于在多个块的滑动窗口上对接收到的第一码字流和第二码字流进行解码的模块916，其中通过叠加多个码字生成码字流，并且每个码字是对来自发送器的信号流的子流的编码。在一些实施例中，除其他特征外，方法900可以包括通过使用非线性数学函数来组合相应的子流或码字从而生成码字流。段落[0093]到[00114]中提供一些实施例和相关联的考虑的示例。
本专利文件中描述的主题、模块和功能操作的实施可以在各种系统、数字电子电路或者计算机软件、固件或硬件中实施，包括本说明书中公开的结构和它们的结构等效物或者它们中的一个或多个的组合。本说明书中描述的主题的实施可以被实施为一个或多个计算机程序产品，即，在有形的非瞬时计算机可读介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，以便由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基底、存储器装置、影响机器可读传播信号的物质的组成，或者它们中的一个或多个的组合。术语“数据处理设备”涵盖用于处理数据的所有设备、装置和机器，例如，包括可编程处理器、计算机或者多个处理器或计算机。除了硬件之外，设备可以包括为有疑问的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中的一个或多个的组合的代码。
计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且它可以用于任何形式，包括作为独立程序或模块、部件、子程序、适用于计算环境的其他单元。计算机程序不必对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)、存储在专用于有疑问的程序的单个文件中，或者存储在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或者代码的部分的文件)。计算机程序可以在一个计算机上执行或者在位于一个位置或分布在多个位置并由通信网络互连的多个计算机上执行。
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程处理器执行，所述可编程处理器通过在输入数据上操作并且生成输出来执行一个或多个计算机程序以执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路执行，并且设备也可以被实施为专用逻辑电路，例如，fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)。
例如，适于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般而言，处理器将接收来自只读存储器或随机存取存储器或者这两者的指令和数据。计算机的必要元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。一般而言，计算机也将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储装置，或者可操作地耦接以接收来自大容量存储装置的数据或将数据传输到大容量存储装置，例如，磁盘、磁光盘或光盘。然而，计算机无需具有此类装置。适于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器装置，例如，包括半导体存储器装置，例如，eprom、eeprom和闪存装置。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或合并在专用逻辑电路中。
尽管本专利文件含有很多具体方面，但这些不应被解释为限制任何公开的方法或可要求的内容的范围，而是描述可专用于特定公开的方法的特定实施例的特征。本专利文件在单独实施例的背景下描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实施或者在任何合适的子组合中实施。此外，尽管特征可在上文描述为在某些实施例中作用并且甚至如最初要求的那样，但在一些情况下，所要求的组合中的一个或多个特征可以从组合中删除，并且所主张的组合可指向子组合或子组合的变化。
类似地，尽管附图中按特定顺序描绘操作，但这不应被理解为要求此类操作按所示的特定顺序或按先后顺序执行，或者所有所示的操作都被执行，以实现所需结果。此外，本专利文件中描述的实施例中的各种系统部件的分开不应被解释为要求所有实施例中的此类分开。
只描述了一些实施和实例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容进行其他实施、增强和变化。
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