CN112290957B - 一种正交时频扩展的咬尾Turbo编译码通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种正交时频扩展的咬尾Turbo编译码通信方法，对目标用户所输入的符号信息进行咬尾Turbo编码，咬尾编码输出经串并转换，得到一个个数据块，经过离散ISFFT变换后，通过Heisenberg变换和Wigner变换，应用SFFT，经最大后验概率检测与M‑PSK解调得到码元符号，再进行咬尾译码操作，从而获得对发送端可靠的估计结果。本发明通过采用OTFS技术，实现时变，高移动，多径，高多普勒信道可靠通信，基于咬尾Turbo编译码技术，利用咬尾的性质，能够突破码长的限制完成数据信息的可靠传输。

Description

一种正交时频扩展的咬尾Turbo编译码通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是利用正交时频扩展(OTFS)技术的通信方法，适用于利用正交时频扩展(OTFS)结合咬尾Turbo编译码进行无线安全通信。

背景技术

交频分复用技术(OFDM)被大量应用于4G通信方式中，它通过多个正交的子载波来对数据进行传输，相比于频分多址技术提升了频带的利用率，但缺点就在于OFDM会受到频率偏移的影响，这也导致了在高动态传输中，OFDM的传输性能收到了限制。

早期的信道编码技术，由于其距离香农限还有很大距离，并且只有在码长很长的条件下才能获得较好的性能，因此在实际的通信系统中无法绝对保证通信的可靠性。为了实现无线高质量通信，需要找到一种信道编码技术，一方面可以获得与香农限足够接近的距离，另一方面，能够突破码长的限制完成数据信息的可靠传输。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种正交时频扩展的咬尾Turbo编译码通信方法，实现高质量高速度通信，保证更高质量的物理层无线可靠通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：假设K个目标用户，对应输入符号消息为b_k，k＝1,2,…,K；

步骤2：对第k个目标用户所输入的符号信息b_k进行咬尾Turbo编码：

步骤3：咬尾编码输出c_k经串并转换，得到一个个数据块，每块数据包含L×R×Mbits符号消息，其中，L表示子载波个数、R表示每个子载波符号数，M为符号映射得到M-PSK阶数，其中第i个数据块的第l行，第r列的调制离散符号为x_k[l,r]，l∈[1,L]r∈[1,R]；

步骤4：定义离散ISFFT变换：

X_k[p,q]表示ISFFT变换后第j个数据块的第p行，第q列的调制离散符号；

将调制离散符号经离散辛傅里叶变换到时间频率域；

步骤5：经Heisenberg变换：

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，Δf是子载波频率间隔，Δf＝1/T.T是时间间隔；

步骤6：第k个用户接受信号为：r_k(t)＝∫∫h(τ,ν)e^j2πν(t-τ)s_k(t-τ)dτdν，其中，h(τ,ν)＝∫h(τ,ν)e^j2πνtdt为信道传输函数；τ属于路径延时，ν为多普勒频偏；

步骤7：定义Wigner变换：

/>

其中g_rx(t)是接收脉冲函数，接受信号经Wigner变换：

步骤8：应用SFFT得：

步骤9：经最大后验概率(MAP)检测与M-PSK解调得到码元符号c′_k，对c′_k进行咬尾译码操作，从而获得对发送端可靠的估计结果。

所述步骤2中的咬尾Turbo编码的步骤为：

步骤2.1：预编码过程：将寄存器的初始状态设置为0，用户的符号消息作为输入，按照图1(a)所示的编码框图，将用户的符号信息分为三路，第一路将用户的符号信息直接输出，表示为c^u,c^u＝b_k，第二路将用户的信息输入卷积编码器，按照卷积编码器的结构，完成异或运算，得到校验码c^1p、c^1p′，第三路首先将用户信息进行交织，即将用户的信息按照交织表(交织表中保存的是重排后的地址)中的地址进行重新排列后，将交织后的信息输入相同的卷积编码器，按照卷积编码器的结构，完成异或运算，得到校验码c^2p、c^2p′，最终将三路信息按照(c^u、c^1p、c^1p′、c^2p、c^2p′)的顺序进行编码输出；当一帧编码结束，得到一帧编码结束后寄存器的状态S_K；

步骤2.2：根据一次编码后寄存器的状态S_K与信息位数据长度，根据表1，得到编码后咬尾的初始状态S_c；

表1状态查找表

步骤2.3：有效编码过程：将寄存器的初始状态设置为S_c，按照初始状态对用户的符号消息进行再次编码，除了初始状态不同，编码的方式与预编码完全相同，编码完成后寄存器的状态将回到S_c，得到咬尾编码输出c_k。

所述的咬尾译码操作的步骤为：

一、取c′_k中最后的3个以上的符号，假设取的符号记为u_k，将u_k放在第一个符号之前，构成一个新帧，记为d_k＝[c′_k,u_k]；

二、对d_k进行Turbo译码，采用MAP(最大后验概率)译码算法，译码步骤如下：

a)根据接收数据，找出每信息比特b_k.t是“+1”与“-1”或“1”与“0”的概率，等同于计算序列d_k下b_k.t的对数似然比值(LLR)：

/>

其中，p(b_k.t＝+1|d_k)为得到d_k时b_k.t＝+1的概率，p(b_k.t＝-1|d_k为得到d_k时b_k.t＝-1的概率；

b)根据贝叶斯准则，式(1)改写为：

其中，

表示所有由b_k.t＝+1引起/>

状态转移的集合；

c)利用概率论知识进一步变形：

其中，将d_k分为三部分：以时间t为分割线，将d_k分为在时刻t之前接收到的部分d_k.j＞t，在时刻t接收到的部分d_k.j＝t以及时刻t后接收到的部分d_k.j＜t共三段，p(B|A)表示由状态A转移到状态B的状态；

因此公式(3)的关键在于求出α_t(s)，β_t(s)，γ_t(s',s)；

其中，α_t(s)的计算公式为：

初始化：

其中，β_t(s)的计算公式为：

初始化：

其中，γ_t(s',s)的计算公式为根据当前接收码字和先验信息(a-priori)计算得出：

d)将所求得的α_t(s)，β_t(s)，γ_t(s',s)带入公式(2)中的似然比，得到：

e)通过不断迭代更新外信息，直到满足迭代终止条件后终止：

通过式(10)进行判决。

本发明的有益效果在于通过采用OTFS技术，实现时变，高移动，多径，高多普勒信道可靠通信，基于咬尾Turbo编译码技术，利用咬尾的性质，能够突破码长的限制完成数据信息的可靠传输。

附图说明

图1(a)为Turbo编码框图，图1(b)为Turbo译码框图。

图2(a)为咬尾Turbo编码框图，图2(b)为咬尾Turbo译码框图。

图3为基于OTFS的咬尾Turbo编译码通信系统框图。

图4为基于OTFS的咬尾Turbo编译码通信系统接收机在不同码率下的误码性能。

图5为基于OTFS的咬尾Turbo编译码通信系统在不同迭代次数下的误码率性能。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

OTFS可以看作是一种在OFDM上的改进技术，它通过将传统的时间-频率域转换到时延-多普勒域，从而提升在高动态的条件下的传输性能。

OTFS与OFDM不同，是一种二维拓展方式，由离散辛傅里叶变换和多载波复用系统共同构成，发送端首先将时间-频率域变换到时延-多普勒域，并在时延-多普勒域进行调制，最后再将时延-多普勒域中的调制符号映射到时间-频率域中进行发射，接收端相反。

Turbo码又称为并行级联卷积码(Parallel Concatenated Convolutional Code,PCCC)，作为一种信道编码技术，在接收端利用软输入软输出的思想，进行迭代译码达到了逼近香农限的性能。在Turbo编译码中加入咬尾处理，利用咬尾的性质可以突破码长的限制完成信息的可靠传输。因此其作为一种信道编码方式，广泛应用于高可靠无线通信中。在实际应用中，咬尾Turbo编译码技术结合OTFS调制技术，不仅可以支持在高移动场景下高速数据传输，同时也保证信息的可靠传输。

根据本发明所述基于OTFS的咬尾Turbo编译码技术，假设共有K个目标用户，发射机发送给每个用户的消息均为0或1的随机序列，则发送给第k个用户的消息序列记为b_k＝[0 1 0 0 1 0 1 0 0 0……0 1 0 1 0 0 0 1 0 0]，k＝1,2,…,K，本例中的消息数据帧长为256，假设采用QPSK进行映射，即M＝4，采用8个子载波进行传输，每个载波传输16bit信息，信道中的存在的噪声默认为高斯白噪声。由图3所示，本发明提供了一种基于OTFS的咬尾Turbo编译码通信技术，具体实施方式如下：

步骤一：按照图2(a)所示对K个目标用户发出的数据信息进行咬尾Turbo编码，设置寄存器初始状态为0，则咬尾Turbo编码结束后数据输出为c_k＝[1 0 0 1 0 0 1 0 10……1 0 0 1 0 1 0 1 1 1]，k＝1,2,…,K。

步骤二：编码后信息码块的每一路串行数据进行QPSK调制,得到8*8的调制后符号码块x，其中每个元素表示为x[l,r]，此时的调制码块是在时延-多普勒域。。

步骤三：将时延-多普勒域通过ISFFT变换到时间-频率域，具体的变换公式为

步骤四：通过Heisenberg变换把X[p,q]变换为发射端的发送基带信号s(t)，具体可以表示为

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，Δf是子载波频率间隔，T是符号周期，Δf＝1/T。

步骤五：假设时变信道的冲击响应为h(τ,ν)，其中τ为时延，ν为多普勒频移，接收机接收信号r(t)表示为：r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)e^j2πν(t-τ)dτdν+w(t)。w(t)为一个均值为0，的高斯白噪声。假设多径信号数为P＝4，那么h(τ,ν)改写为

步骤六：在接收端匹配滤波器计算交叉模糊函数A_grx,r(τ,ν)，定义Wigner变换：

其中g_rx(t)是接收脉冲函数。接收信号经Wigner变换：/>

此时的信号表现在时间-频率域。

步骤七：将时间-频率域的Y[p,q]通过SFFT变换到时延-多普勒域的y[l,r]，可由该式计算：

步骤八：从y[l,r]中通过MAP检测恢复调制符号x[l,r]。

步骤九：根据星座点映射对x[l,r]进行QPSK解调得到咬尾Turbo译码前的数据c′_k

步骤十：取c′_k中最后的若干符号(假设取的符号个数为10)，将其放在第一个符号之前，构成一个新帧，记为d_k＝[1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0……1 0 0 10 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0]。

步骤十一：计算：

其中，

为输入比特b_k.t的先验信息，信息平均能量为E_b，码率为R。

步骤十二：通过多次迭代得到α_t(s)，β_t(s)，γ_t(s',s)，进而可以计算序列d_k下b_k.t的对数似然比值(LLR)：

步骤十三：将L(b_k.t|d_k)带入下式，判决得到译码后的结果输出。

图4为基于OTFS的咬尾Turbo编译码通信系统接收机在不同码率下的误码率图，采取若干次蒙特卡洛实验，直到误帧数大于15时蒙特卡洛实验结束，每次送入一帧数据，比较分别采用1/2、1/3、2/5、1/5码率在不同信噪比下的误码率。由图可知，当码率不断降低时，可以看出其误码率不断降低，当采用1/5码率，在信噪比为3dB左右时，达到10^-7，但其通信速率则会相对降低。因此在不同信道环境下，我们需要在通信速率与通信的可靠性之间取得一个平衡来选择不同的码率。

图5为基于OTFS的咬尾Turbo编译码通信系统接收机在不同迭代次数下的误码率图，采取若干次蒙特卡洛实验，直到误帧数大于15时蒙特卡洛实验结束，每次送入一帧数据，比较分别在1、2、3、4、5次迭代下的误码率。由图可知，刚开始迭代次数增加的时候，误码率会有大幅度的降低，说明迭代次数增加时，外部信息越来越稳定，使得最后的译码输出更加准确。但是当迭代次数到5次左右时，曲线的梯度接近于0，出现饱和的现象，误码率不在随着迭代次数的增加而降低。因此我们需要选择合适的迭代次数以取得迭代次数与计算量之间的平衡。

Claims (3)

1.一种正交时频扩展的咬尾Turbo编译码通信方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：假设K个目标用户，对应输入符号消息为b_k，k＝1,2,…,K；

步骤2：对第k个目标用户所输入的符号信息b_k进行咬尾Turbo编码：

步骤3：咬尾编码输出c_k经串并转换，得到一个个数据块，每块数据包含L×R×Mbits符号消息，其中，L表示子载波个数、R表示每个子载波符号数，M为符号映射得到M-PSK阶数，其中第i个数据块的第l行，第r列的调制离散符号为x_k[l,r]，l∈[1,L]r∈[1,R]；

步骤4：定义离散ISFFT变换：

X_k[p,q]表示ISFFT变换后第j个数据块的第p行，第q列的调制离散符号；

将调制离散符号经离散辛傅里叶变换到时间频率域；

步骤5：经Heisenberg变换：

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，Δf是子载波频率间隔，Δf＝1/T.T是时间间隔；

步骤6：第k个用户接受信号为：r_k(t)＝∫∫h(τ,ν)e^j2πν(t-τ)s_k(t-τ)dτdν，其中，h(τ,ν)＝∫h(τ,ν)e^j2πνtdt为信道传输函数；τ属于路径延时，ν为多普勒频偏；

步骤7：定义Wigner变换：

其中g_rx(t)是接收脉冲函数，接受信号经Wigner变换：

步骤8：应用SFFT得：

步骤9：经最大后验概率(MAP)检测与M-PSK解调得到码元符号c′_k，对c′_k进行咬尾译码操作，从而获得对发送端可靠的估计结果。

2.根据权利要求1所述的一种正交时频扩展的咬尾Turbo编译码通信方法其特征在于：

所述步骤2中的咬尾Turbo编码的步骤为：

步骤2.1：预编码过程：将寄存器的初始状态设置为0，用户的符号消息作为输入，将用户的符号信息分为三路，第一路将用户的符号信息直接输出，表示为c^u,c^u＝b_k，第二路将用户的信息输入卷积编码器，按照卷积编码器的结构，完成异或运算，得到校验码c^1p、c^1p′，第三路首先将用户信息进行交织，即将用户的信息按照交织表中的地址进行重新排列后，将交织后的信息输入相同的卷积编码器，按照卷积编码器的结构，完成异或运算，得到校验码c^2p、c^2p′，最终将三路信息按照(c^u、c^1p、c^1p′、c^2p、c^2p′)的顺序进行编码输出；当一帧编码结束，得到一帧编码结束后寄存器的状态S_K；

步骤2.2：根据一次编码后寄存器的状态S_K与信息位数据长度，根据表1，得到编码后咬尾的初始状态S_c；

表1状态查找表

步骤2.3：有效编码过程：将寄存器的初始状态设置为S_c，按照初始状态对用户的符号消息进行再次编码，除了初始状态不同，编码的方式与预编码完全相同，编码完成后寄存器的状态将回到S_c，得到咬尾编码输出c_k。

3.根据权利要求1所述的一种正交时频扩展的咬尾Turbo编译码通信方法其特征在于：

所述步骤9中的咬尾译码操作的步骤为：

一、取c′_k中最后的3个以上的符号，假设取的符号记为u_k，将u_k放在第一个符号之前，构成一个新帧，记为d_k＝[c′_k,u_k]；

二、对d_k进行Turbo译码，采用MAP译码算法，译码步骤如下：

a)根据接收数据，找出每信息比特b_k.t是“+1”与“-1”或“1”与“0”的概率，等同于计算序列d_k下b_k.t的对数似然比值(LLR)：

其中，p(b_k.t＝+1|d_k)为得到d_k时b_k.t＝+1的概率，p(b_k.t＝-1|d_k为得到d_k时b_k.t＝-1的概率；

b)根据贝叶斯准则，式(1)改写为：

其中，

表示所有由b_k.t＝+1引起/>

状态转移的集合；

c)利用概率论知识进一步变形：

其中，将d_k分为三部分：以时间t为分割线，将d_k分为在时刻t之前接收到的部分d_k.j＞t，在时刻t接收到的部分d_k.j＝t以及时刻t后接收到的部分d_k.j＜t共三段，p(B|A)表示由状态A转移到状态B的状态；

因此公式(3)的关键在于求出α_t(s)，β_t(s)，γ_t(s',s)；

其中，α_t(s)的计算公式为：

初始化：

其中，β_t(s)的计算公式为：

初始化：

其中，γ_t(s',s)的计算公式为根据当前接收码字和先验信息(a-priori)计算得出：

d)将所求得的α_t(s)，β_t(s)，γ_t(s',s)带入公式(2)中的似然比，得到：

e)通过不断迭代更新外信息，直到满足迭代终止条件后终止：

通过式(10)进行判决。

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