CN100508434C - Ofdm系统用的高效的迭代编码多用户检测方法 - Google Patents

Abstract

OFDM系统用的高效的迭代编码多用户检测方法属于编码多用户检测技术领域，其特征在于：它是一种用交织图案区分用户的且又在联合多用户解调和单用户译码之间迭代的检测方法。同时，它提出了一种用于多用户解调器的、计算编码比特最大后验概率的快速方法，其中构造了一个以等效用户调制符号矢量为自变量的、用以计算编码比特的最大后验概率的度量函数，利用该函数的特性，可以大量避免计算所有调制符号矢量的函数值的运算量。最后，根据所有调制符号矢量的函数值，计算各用户编码比特的最大后验概率。它具有在提高频谱效率和用户容量的同时，可以使得多用户解调器中的计算量大为下降，即便于实用的优点。

Description

OFDM系统用的高效的迭代编码多用户检测方法

技术领域

本发明一般涉及OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用)系统中的编码多用户检测问题，本发明特别涉及用于提高OFDM系统的频谱效率和用户容量的迭代编码多用户检测方法。

背景技术

在现代的无线通信系统中，为了获得更高的传输可靠性，在发送信息序列时，通常先进行编码，然后调制发送出去，而接收机进行与发送端相反的过程，先进行解调，再进行译码。加入编码的目的是通过加入冗余使系统具有检错和纠错的能力。传统的接收端数据检测过程是首先在解调单元对接收信号做判决，比如判决成“1”，或“0”，然后再使用译码器对判决数据进行纠错译码，译码器输出的结果就是对发送端发送信息数据的估计。这种从解调器输出给译码器的判决信息被称作硬判决信息。为了提高系统的性能，目前的数据检测过程，基本上都在解调器输出的时候不仅输出判决信息，还要输出判决的可靠性信息，而译码器能够合理的利用可靠性信息来提高译码的准确率，这种表征判决可靠性的信息被称作软判决信息。

为了追求更高的频率使用效率，在先进的无线通信技术中，比如非正交多址技术或多天线技术，必然会出现两个或多个用户的信号在相同的时间-频率资源上叠加的情况，这种来自其它用户的干扰使得从解调器的输出的判决信息的可靠性大大下降。为了改善解调器输出的软判决信息，有人提出多用户检测技术，即在解调过程中，将多个用户的信号联合起来考虑和检测。由于多用户检测技术通常应用在解调器中，所以在本专利申请下面的描述中，将应用多用户检测技术的解调称作多用户解调。近年来，有人提出了进一步增强系统性能的方法，即在发送端的编码器和调制器之间加入一个交织器，如图1所示，而接收端，在多用户解调器和单用户译码器之间相互交换软判决信息进行迭代检测，如图2所示，这就是本专利申请所涉及的编码多用户检测技术。实际上，从距离谱的角度看，多个用户信号的在空间的叠加可以看作一种编码，因此，如果在编码器和调制单元之间加入一个随机交织器，则整个多用户系统可以看作是一种级联码，即每个用户的纠错编码可以看作为外码，而将多用户信号的空中叠加看作内码。在进行译码和数据检测的时候，可以将多用户联合解调和单用户译码分别视作内码译码器和外码译码器，在二者之间交换软判决信息，进行迭代检测。这可以使系统获得比多用户检测增益与编码增益之和更高的增益。现有的相关研究大多数是针对CDMA系统的，而Micheal Moher(Michael Moher，”An Iterative Multi-user Decoder for Near-Capacity Communications，”IEEE Trans.Commun，VOL.46，NO.7，July 1998.)提出了一种适用于非扩频系统的方法，在他的方法中用不同的交织方案来区分用户。

现有的大多数关于多用户检测技术的研究都是针对DS-CDMA(直接序列扩频码分多址)的单载波系统，所以多用户检测是在时域上操作，而且基本都假设使用BPSK调制。为了实现宽带高速的无线数据传输，人们普遍看好另外一项技术——使用高阶调制的OFDM技术。OFDM技术将频带分割成许多彼此正交的子载波，并行发送信号。它具有频谱效率高、抗频率选择性衰落能力强等特点，是目前解决无线高速数据传输的主流技术之一。本专利申请研究的是将编码多用户检测应用于OFDM系统中的情况。在OFDM系统中，由于各用户在频率上的同步比较容易做到，因此整个系统可以简化为同步模型。但接收信号经过FFT(快速傅立叶变换)后，在每一个子载波上，只有一个复数值输出，这给多用户解调造成新的困难，这也是本专利申请提出的多用户解调算法的解决的难点之一。

发明内容

本发明提出了一种利用交织图案区分用户的多用户OFDM系统，并提出了一种用于该系统的迭代检测方法，本发明的核心内容是基于最大后验概率的多用户解调算法。在发送端，每个用户在编码器和调制器之间插入一个交织器，并且不同用户使用不同的交织图案。在接收端，接收信号经过FFT之后，在每一个子载波上输出一个复数值，多用户解调器根据所有子载波上的输出值和信道估计值，以及从各用户的译码器反馈回来的各用户编码比特的外信息计算各用户编码比特的最大后验概率和新的外信息。这里外信息指经过计算而新得到的概率比

与先验概率比的比值。所谓概率比，在本发明中是指比特分别取值为1和0的概率之比。迭代检测过程是，多用户解调器以各用户译码器输出的编码比特的外信息为先验概率，经过计算得到更新的各用户编码比特的外信息，这些外信息经过解交织之后，送给各用户的单用户译码器，各用户的译码器有两个输出，一个是译出的信息序列，另一个是各用户的编码比特的外信息，这些外信息经过交织后，送给多用户解调器，此为一次迭代。经过规定次数的迭代之后，从接收端所属用户的译码器输出译出的信息序列。

本发明的特征在于：

1.它是一种用交织图案区分用户且又基于最大后验概率的快速多用户解调方法，它依次含有以下步骤：

在发送端，依次含有如下步骤：

(1)编码器以任何一种纠错码对各用户的信息比特进行编码；

(2)交织器对编码器输出的编码比特进行交织，把交织后的编码比特输出给调制映射器；

(3)调制映射器根据实际情况选择调制方式，并对所有子载波采用同一种调制方式，星座映射方式采用格雷映射。

设：总用户数为K′，每个OFDM符号包含N个子载波，用s_k′(i)表示第k′个用户在第i个子载波的调制符号，

则从调制映射器每次输出一个长度为N的调制符号矢量(s_k′(1)，s_k′(2)，s_k′(3)，…，s_k′(N))给IFFT单元；

(4)IFFT单元对调制符号矢量(s_k′(1)，s_k′(2)，s_k′(3)，…，s_k′(N))作IFFT变换，然后再进行其它OFDM系统的一般处理，最后从发射天线发送出去。

在接收端，依次含有如下步骤：

(1)信道估计单元估计出每一路用户的频率响应，向多用户解调器输出每一个用户在每一个子载波上的幅度和相位，(i)，1≤i≤N，1≤k′≤K′；同时接收信号经过FFT变换后，在每一个子载波上输出一个复数值，并将此值也送至多用户解调器；

在第i个子载波上的输出为：

$y_I\left(i\right)+j\·y_Q\left(i\right)=\underset{k\′=1}{\overset{K\′}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{k\′}\left(i\right)\·A_{k\′}^{\′}\left(i\right)\·\exp \left(j{\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′}\left(i\right)\right)+n_I\left(i\right)+j\·n_Q\left(i\right)$

其中，y_I(i)和y_Q(i)分别表示接收信号在第i个子载波上的输出值的I路分量和Q路分量；n_I(i)和n_Q(i)分别表示噪声在第i个子载波上的I路分量和Q路分量；

(2)多用户解调器依次按照以下步骤，向各对应用户的译码器输出个对应用户的编码比特的外信息概率；

(2.1)根据信道估计单元的输出和各用户的编码比特的先验概率计算所有编码比特的最大后验概率，其中用到的先验概率来自各个单用户的译码器，第一次解调时，初始化所有编码比特的先验概率比为 $\frac{P(b=1)}{P(b=0)}=1;$

(2.2)再根据计算所得的最大后验概率和来自译码器的先验概率，计算各编码比特的外信息概率；

(3)在送到各个单用户译码器之前，先对多用户解调器输出的外信息进行解交织，再由各个单用户译码器对解交织之后的编码比特序列进行译码，即根据编码比特的外信息计算信息比特硬判决信息和编码比特的外信息，然后把更新的各个编码比特的外信息重新交织，反馈到多用户解调器；

(4)如此反复迭代，直到满足规定的迭代次数，从期望用户的译码器输出信息比特的判决比特。

2.所述的多用户解调器中计算编码比特的最大后验概率是一种快速计算方法，它依次含有以下步骤：

(1)把所有的二维调制的用户的I路、Q路视作两个用户，从而把K′个实际用户等效为K个一维调制的用户。设：第k′个实际用户在第i个子载波上的调制符号为s_k′(i)，信道估计的幅度和相位分别为

和

并且它是一个二维调制符号，通过等效，分解为第k、第k+1两个等效用户，等效关系：s_k′(i)＝a_k(i)+j·a_k+1(i)， $A_k=A_{k\′}^{\′},$ ${\mathrm{\θ}}_k={\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′},$ $A_{k+1}=A_{k\′}^{\′},$ ${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′}+\frac{\mathrm{\π}}{2}.$

(2)根据每个用户的信道频率响应在子载波i上的幅度和相位，噪声方差，以及接收信号经FFT变换在子载波i上的输出值，得到一个计算矢量ζ(i)和一个包含多用户间相关信息的矩阵Γ(i)；

ζ_k(i)＝y_k(i)×A_k(i)/σ²，……，k＝1，…K；i＝1，…N；

其中，y_k(i)表示在第i个子载波上信号y_I(i)+j·y_Q(i)在第k个等效用户的相位θ_k(i)方向上的投影，y_k(i)＝y_I(i)×cos(θ_k(i))+y_Q(i)×sin(θ_k(i))，……，k＝1，…K，σ²为I路或Q路上的噪声方差；

H(i)表示在第i个子载波上各个等效用户波形之间的相关度，它由下式得到：

(H(i))_k，I＝cos(θ_k(i)-θ_l(i))，……，k＝1，…K，l＝1，…K

(3)矢量a_d表示由K个等效用户的调制符号构成的一个矢量，设：第k个调制符号a_k(i)携带的编码比特为m_k个，则矢量a_d的值域空间共有

个调制符号矢量，表示为用a₀表示K个等效用户的所有编码比特都取值为0时，所对应的调制符号矢量。下面构造一个计算最大后验概率所用的函数Λ(a_d)：

$\mathrm{\Λ}\left(a_d\right)=\frac{{{2a}_d}^T\mathrm{\ζ}\left(i\right)-{a_d}^T\mathrm{\Γ}\left(i\right)a_d}{2{\mathrm{\σ}}^2}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^r\left(i\right)\·\log \left(g\left(b_k^r\left(i\right)\right)\right)+{\mathrm{\Λ}}_0$

其中，Λ₀是一个常数，为简化运算，令Λ₀的取值满足Λ(a₀)＝0，而

表示在第i个子载波上携带的第k个用户的第r个编码比特，r＝1，…，m_k，k＝1，…，K。而

表示关于

的先验概率比，

来自单用户译码器，

等于：

$g\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{P(b_k^r\left(i\right)=1)}{P(b_k^r\left(i\right)=0)};$

(4)Λ(a_d)具有如下性质：

$\mathrm{\Λ}\left(a_m\right)=\mathrm{\Λ}\left(a_n\right)+(a_m^k-a_n^{\left(k\right)})({\mathrm{\ζ}}_k\left(i\right)-\underset{j=1,j\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Γ}(k,j){\mathrm{\α}}_m^{\left(j\right)})+({\left(a_m^{\left(k\right)}\right)}^2-{\left(a_n^k\right)}^2)\·\mathrm{\Γ}(k,k)$

$+\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_m\·\log \left(g\left({\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_m\right)\right)-\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_n\·\log \left(g\left({\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_n\right)\right)$

其中，矢量a_m和a_n是

中的两个调制符号矢量，它们的除第k个分量以外的所有分量都相等，用

表示a_m、a_n的第k个分量，则 $a_m^{\left(k\right)}\≠a_n^{\left(k\right)},$ 而

和

分别表示调制到

和

上的第r个编码比特。

利用Λ(a_d)的这条性质，从Λ(a₀)出发，逐步求出全部Λ(a_d)， $0\≤d\≤2^{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k}-1.$

(5)计算所有子载波上的所有用户的调制符号携带的编码比特的最大后验概率，第i个子载波上的第k个用户的第r个编码比特的最大后验概率的计算式为：

$q\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{a_d{b}_k^r\left(i\right)=1}\exp \left(\mathrm{\Λ}\left(a_d\right)\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{a_d{b}_k^r\left(i\right)=0}\exp \left(\mathrm{\Λ}\left(a_d\right)\right)},$ r＝1，…，m_k；k＝1，…，K；i＝1，…，N

(6)计算所有用户的所有编码比特的外信息，并将其输出给单用户译码器：

$g\′\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{q\left(b_k^r\left(i\right)\right)}{g\left(b_k^r\left(i\right)\right)},$ r＝1，…，m_k；k＝1，…，K；i＝1，…，N。

试验证明：它具有在提高频谱效率和用户容量的同时，可以使得多用户解调器中的计算量大为下降，即便于实用的优点。

附图说明：

图1：编码多用户检测系统框图，包括发送端和接收端；

图2：多用户解调和单用户译码之间的迭代检测；

图3：遍历a(i)的所有可能值，计算Λ(a(i))的过程；

图4：发送端的信号处理流程图；

图5：接收端的信号处理流程图；

图6：多用户解调器的信号处理流程图。

具体实施方式

它所述的每个用户的发送端的工作流程如图4所示，依次含有以下步骤：

(1)用户k为例，用户k的编码器对该用户的信息比特进行编码，编码器的编码方式可以是任何一种纠错码，通常采用的是卷积码和Turbo码；

(2)交织器对编码器输出的编码比特进行交织，并将交织过的编码比特输出给调制映射器。交织器的作用不仅是隔离多用户解调和单用户译码，使之接近相互独立，而且不同的交织图案还可以用作用户识别。交织器采用随机交织器，不同用户使用不同的生成种子，生成种子可任意选取；

(3)发送端对所有子载波采用相同的调制方式，使用的调制方式可以依据实际情况，选择BPSK，QPSK，或16QAM中的一种，星座映射采用格雷映射方式。设总用户数为K′，每个OFDM符号包含N个子载波，用s_k′(i)表示第k′个用户在第i个子载波的调制符号，则从调制器每次输出一个长度为N的调制符号矢量(s_k′(1)，s_k′(2)，s_k′(3)，…，s_k′(N))给IFFT单元；

(4)IFFT单元对调制符号矢量s_k′(1)，s_k′(2)，s_k′(3)，…，s_k′(N))作IFFT变换，然后再进行其它OFDM系统的一般处理，最后从发射天线发送出去。

K′个用户的信号必然会在空中叠加，假设各个用户在每一个子载波上的频域信道估计值已知，即用户k′在第i子载波上的幅度和相位分别为

和

则接收信号在FFT之后，在第i个子载波上的输出为：

$y_I\left(i\right)+j\·y_Q\left(i\right)=\underset{k\′=1}{\overset{K\′}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{k\′}\left(i\right)\·A_{k\′}^{\′}\left(i\right)\·\exp \left(j{\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′}\left(i\right)\right)+n_I\left(i\right)+j\·n_Q\left(i\right)---\left(1\right)$

其中，y_I(i)和y_Q(i)分别表示接收信号在第i个子载波上的输出值的I路分量和Q路分量；n_I(i)和n_Q(i)分别表示噪声在第i个子载波上的I路分量和Q路分量，均为高斯变量。

它所述的每个用户的接收端的工作流程如图5所示，依次含有以下步骤：

(1)信道估计单元输出和

给多用户解调器，并第一次迭代初始化编码比特的先验概率比 $g\left(b_k^r\left(i\right)\right)=1,$ k＝1，…，K，第一次之后

由各个用户的单用户译码器提供编码比特的外信息；

(2)多用户解调器根据

和

计算各个用户的编码比特最大后验概率和外信息；

(3)多用户解调器输出的编码比特的外信息经过解交织后，送给各个用户的单用户译码器；

(4)当迭代次数少于规定次数，各用户的单用户译码器输出的编码比特经过交织后，反馈给多用户解调器，转移到(2)；当迭代次数等于规定次数，从各用户的单用户译码器输出信息比特的判决信息。

在本发明提出的多用户解调算法中，为了避免复数运算，我们将每一个二维调制的信号分解成两个一维的调制信号，多用户解调器中计算各个用户的编码比特的最大后验概率的算法的描述如下：

设：系统有K′个实际用户，现将其中的所有二维调制(即QPSK或16QAM)的用户的I路和Q路视作两个用户，这样K′个实际用户就可以等效为K个一维调制的用户。假设K个等效用户在每个调制符号上分别携带的比特数为m₁，…，m_K，第k个等效用户在第i个子载波上调制符号为a_k(i)，其携带的编码比特为调制映射关系可表示为： $\mathrm{\Ψ}(b_k^1\left(i\right),\·\·\·,b_k^{m_k}\left(i\right))=a_k\left(i\right),$ $a_k\left(i\right)\∈\{-2^{m_k}+1,\·\·\·,-1+1,\·\·\·,2^{m_k}-1\}---\left(2\right)$

如果第k′个实际用户是二维调制，调制符号为s_k′(i)，信道估计的幅度和相位分别为

和

它将等效两个一维调制用户，用户k和用户k+1，那么调制符号、幅度和相位的对应关系为：s_k′(i)＝a_k(i)+j·a_k+1(i)， $A_k=A_{k\′}^{\′},$ $A_{k+1}=A_{k\′}^{\′},$ ${\mathrm{\θ}}_k={\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′},$ ${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′}+\frac{\mathrm{\π}}{2}$

根据这个等效关系，我们可以从K′个实际用户在第i个子载波上的调制符号矢量(s₁(i)，s₂(i)，…，s_K′(i))得到K个等效用户在第i个子载波上的调制符号矢量(a₁(i)，a₂(i)，…，a_K(i))；从K′个实际用户在第i个子载波上的信道估计幅度矢量

得到K个等效用户在第i个子载波上的信道估计幅度矢量(A₁(i)，A₂(i)，…，A_K(i))；从K′个实际用户在第i个子载波上的信道估计相位矢量

得到K个等效用户在第i个子载波上的信道估计相位矢量(θ₁(i)，θ₂(i)，…，θ_K(i))；

下面，我们用y_K(i)表示第i个子载波上的信号y_I(i)+j·y_Q(i)在第k个等效用户的相位θ_k(i)方向上的投影，则y_k(i)可由如下的公式(3)得到：

y_k(i)＝y_I(i)×cos(θ_k(i))+y_Q(i)×sin(θ_k(i))，……，k＝1，…K    (3)

相应的，我们用n_k(i)表示第i个子载波上的信号n_I(i)+j·n_Q(i)在第k个等效用户的相位θ_k(i)方向上的投影，则n_k(i)可由如下的公式(4)得到：

n_k(i)＝n_I(i)×cos(θ_k(i))+n_Q(i)×sin(θ_k(i))，……，k＝1，…K    (4)

根据公式(3)、(4)，公式(1)用矢量和矩阵可表示为：

y(i)＝H(i)W(i)a(i)+n(i)，……，i＝1，…N    (5)

其中，对角阵W(i)＝diag(A₁(i)，A₂(i)，…A_K(i))的对角线上的元素表示K个用户的幅度，H(i)表示在第i个子载波上用户波形之间的相关度，它可由下面公式(6)得到：

(H(i))_k，l＝cos(θ_k(i)-θ_l(i))，……，k＝1，…K，l＝1，…K    (6)

据此，本发明提出一种如下公式(7)所示的新型度量函数，用于计算各个用户的编码比特的最大后验概率。

$L\left(a\left(i\right)\right)=\exp \left(\frac{2a{\left(i\right)}^{T}W\left(i\right)y\left(i\right)-a{\left(i\right)}^{T}W\left(i\right)H\left(i\right)W\left(i\right)a\left(i\right)}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right)$

$=\exp (a{\left(i\right)}^T\mathrm{\ζ}\left(i\right)-a{\left(i\right)}^T\mathrm{\Γ}\left(i\right)a\left(i\right))---\left(7\right)$

其中矢量ζ(i)和矩阵Γ(i)由公式(8)(9)到。

ζ_k(i)＝y_k(i)×A_k(i)/σ²，……，k＝1，…K；i＝1，…N    (8)

${\left(\mathrm{\Γ}\left(i\right)\right)}_{k,l}=\left\{\begin{array}{c}{\left(H\left(i\right)\right)}_{k,l}\×A\left(k\right)\×A\left(l\right)/{\mathrm{\σ}}^2,\·\·\·\·\·\·,k=2,\·\·\·K,l==1,\·\·\·k\\ {\left(H\left(i\right)\right)}_{k,k}\×A\left(k\right)\×A\left(k\right)/2/{\mathrm{\σ}}^2,\·\·\·\·\·\·,l=k=1,\·\·\·K\\ 0,\mathrm{others}\end{array}\right.---\left(9\right)$

由此可得计算第k个用户的第r个编码比特

的最大后验概率，如公式(10)所示：

$q\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{a\left(i\right)b_k^r\left(i\right)=1}\underset{j=1}{\overset{K}{\text{\Π}}}\underset{l=1}{\overset{m_j}{\mathrm{\Π}}}{\left(g\left(b_j^l\left(i\right)\right)\right)}^{b_j^l\left(i\right)}L\left(a\left(i\right)\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{a\left(i\right)b_k^r\left(i\right)=0}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}\underset{l=1}{\overset{m_j}{\text{\Π}}}{\left(g\left(b_j^l\left(i\right)\right)\right)}^{b_j^l\left(i\right)}L\left(a\left(i\right)\right)},r=1,\·\·\·m_k;k=1,\·\·\·,K;i=1,\·\·\·N---\left(10\right)$

这里g(b)＝P(b＝1)/P(b＝0)，是关于b的软判决信息，

为了简化计算，本发明提出了一种用于计算最大后验概率的函数Λ(a)，如公式(11)所示：

$\mathrm{\Λ}\left(a\right)=\frac{{2a}^T\mathrm{\ζ}\left(i\right)-a^T\mathrm{\Γ}\left(i\right)a}{2{\mathrm{\σ}}^2}+\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{m_l}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j^l\left(i\right)\·\log \left(g\left(b_j^l\left(i\right)\right)\right)+{\mathrm{\Λ}}_0---\left(11\right)$

其中，Λ₀是一个常数，为简化运算，令Λ₀的取值满足Λ(a₀)＝0，这里a₀表示K个等效用户的所有编码比特都取值为0时，所对应的调制符号矢量。基于函数Λ(a)的最大后验概率的计算方法是：

$q\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{a{b}_k^r\left(i\right)=1}\exp \left(\mathrm{\Λ}\left(a\right)\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{a{b}_k^r\left(i\right)=0}\exp \left(\mathrm{\Λ}\left(a\right)\right)},r=1,\·\·\·,m_k;k=1,\·\·\·,K;i=1,\·\·\·,N---\left(12\right)$

设矢量a_m和a_n是两个调制符号矢量，它们的除第k个分量以外的所有分量都相等，用

表示a_m、a_n的第k个分量，则 $a_m^{\left(k\right)}\≠a_n^{\left(k\right)},$ 而

和分别表示调制到和

上的第r个编码比特。我们可知，函数Λ(a)有如公式(13)所示的特性，利用这一特性，我们可以避免大量的重复运算，大大提高计算最大后验概率的效率。

$\mathrm{\Λ}\left(a_m\right)=\mathrm{\Λ}\left(a_n\right)+(a_m^k-a_n^{\left(k\right)})({\mathrm{\ζ}}_k\left(i\right)-\underset{j=1,j\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Γ}(k,j){\mathrm{\α}}_m^{\left(j\right)})+({\left(a_m^{\left(k\right)}\right)}^2-{\left(a_n^k\right)}^2)\·\mathrm{\Γ}(k,k)$

$+\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_m\·\log \left(g\left({\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_m\right)\right)-\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_n\·\log \left(g\left({\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_n\right)\right)---\left(13\right)$

最后，从多用户解调器输出给单用户译码器的外信息按如下获得：

$g\′\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{q\left(b_k^r\left(i\right)\right)}{g\left(b_k^r\left(i\right)\right)},r=1,\·\·\·,m_k;k=1,\·\·\·,K;i=1,\·\·\·,N---\left(14\right)$

多用户解调器计算编码比特最大后验概率和外信息的快速算法如图6所示，依次含有以下步骤：

(1)系统有K′个实际用户，现将其中的所有二维调制(即QPSK或16QAM)的用户的I路和Q路视作两个用户，这样K′个实际用户就可以等效为K个一维调制的用户。相应的，计算得到矢量Θ(i)＝(θ₁(i)，θ₂(i)，…θ_K(i))^T和W(i)＝dlag(A₁(i)，A₂(i)，…，A_K(i))；

(2)按照公式(3)、(4)、(6)计算y(i)＝(y₁(i)，y₂(i)，…y_K(i))^T、n(i)＝(n₁(i)，n₂(i)，…n_K(i))^T和H(i)。

(3)根据公式(10)计算矢量ζ(i)，根据公式(11)计算相关矩阵Γ(i)，令Λ(a₀)＝0；

(4)遍历第一个调制符号a₁(i)的所有可能的取值，根据公式(11)从Λ(a₀)可以得到

个a不同取值下的Λ(a)，再对这

个不同a分别遍历第二个调制符号a₂(i)的所有可能的取值，利用公式(11)，可以得到个不同a的Λ(a)，依此类推，经过K次遍历得到a的全部可能取值下的Λ(a)。如此计算，可以避免了很多重复运算，从而提高效率；

(5)根据公式(12)计算编码比特的最大后验概率

再用的后验概率除以

的先验概率

从而得到更新的

的外信息

如此计算，得到所有用户的所有编码比特的外信息，最后将这些外信息输出给对应用户的解交织器。

本发明所提出的OFDM系统下的编码多用户检测方法可以在相同的时频资源里，支持更多的用户，从而实现更高的频谱利用率和用户容量。本发明还针对OFDM系统的特点，提出了一种快速计算编码比特最大后验概率的算法，它避免了计算过程中的重复运算，使得多用户解调器中计算量大大下降，也使整个方法具有可实用性。

具体实施方式：

假设OFDM系统中，有1024个子载波，有两个调制方式均为16QAM的用户，即K′＝2，K＝4，N＝1024。假设：每个用户都采用1/2码率的Turbo码。

用户1和用户2的发送端工作流程相同，步骤如下所述：

(1)用户的编码器对该用户的信息比特进行Turbo编码，由于子载波数为1024个，采用16QAM调制，所以每个编码块长度为4096；

(2)交织器对编码器输出的编码比特进行交织，并将交织过的编码比特输出给调制映射器。用户1和用户2采用不同的生成种子，以便生成不同的随机交织图案。比如，用户1和用户2的生成种子分别为100和1000；

(3)发送端在所有子载波采用16QAM、格雷映射调制方式，将4096个编码比特映射到1024个子载波上去；

(4)IFFT单元对调制符号矢量(s_k′(1)，s_k′(2)，s_k′(3)，…，s_k′(1024))作IFFT变换，然后再进行其它OFDM系统的一般处理，最后从发射天线发送出去。

每个用户的接收端工作流程如图5所示，步骤如下：

(1)信道估计单元估计出每一路用户的频率响应，向多用户解调器输出每一个用户在每一个子载波上的幅度(i)和相位

(i)，1≤i≤1024，1≤k′≤2；同时接收信号经过FFT变换后，在每一个子载波上输出一个复数值，并将此值也送至多用户解调器；

(2)多用户解调器根据信道估计单元的输出和各用户的编码比特的先验概率计算所有编码比特的最大后验概率，其中用到的先验概率来自各个单用户的译码器，第一次解调时，初始化所有编码比特的先验概率为 $\frac{P(b=1)}{P(b=0)}=1;$ 在第一次之后的解调时，取值为各个单用户译码器输出的编码比特的外信息，这些译码器输出的编码比特的外信息经过重新交织后反馈给多用户解调器；多用户解调器再根据计算所得的最大后验概率和来自译码器的先验概率，计算各编码比特的外信息概率；

(3)多用户解调器输出的编码比特的外信息经过解交织后，送给各个用户的单用户译码器；

(4)当迭代次数少于规定次数，各用户的单用户译码器输出的编码比特经过交织后，反馈给多用户解调器，转移到(2)；当迭代次数等于规定次数，从各用户的单用户译码器输出信息比特的判决信息。

多用户解调器计算编码比特最大后验概率和外信息的工作步骤如图6所示：

(1)系统有2个实际用户，这两个用户的I路和Q路视作两个用户，这样2个实际用户就可以等效为4个一维调制的用户。相应的，计算得到矢量Θ(i)＝(θ₁(i)，θ₂(i)，θ₃(i)，θ₄(i))^T和W(i)＝diag(A₁(i)，A₂(i)，A₃(i)，A₄(i))；

(2)按照公式(3)、(4)、(6)计算y(i)＝(y₁(i)，y₂(i)，y₃(i)，y₄(i))^T、n(i)＝(n₁(i)，n₂(i)，n₃(i)，n₄(i))^T和H(i)。

(3)根据公式(10)计算矢量ζ(i)，根据公式(11)计算相关矩阵Γ(i)，令Λ(a₀)＝0；

(4)计算a在所有不同的取值下的度量函数Λ(a)的过程，如图3所示。其中每个等效用户在每个调制符号上携带2个比特，采用格雷映射，即：将 $b_k^1{b}_k^2=\mathrm{00,01},11,10$ 分别映射为a_k＝-3，-1，+1，+3。调制符号矢量a(i)＝(a₁(i)，a₂(i)，a₃(i)，a₄(i))。为说明a(i)遍历所有可能值的时候，计算Λ(a(i))的过程，我们对a(i)的取值作如表1所示的标记，以便后面的描述。

表1.a(i)的取值和对应的标记

遍历第一个调制符号a₁(i)的所有4种可能的取值{-3，-1，+1，+3}，根据公式(11)从Λ(a₀)可以得到Λ(a₀)，Λ(a₆₄)，Λ(a₁₂₈)，Λ(a₁₉₂)；再对这4个不同a分别遍历第二个调制符号a₂(i)的所有4种可能的取值，利用公式(11)，可以得到16不同a的度量函数值：

，0≤i≤15；再分别对a₃(i)、a₄(i)遍历，最后的得到所有的Λ(a_i)，0≤i≤255。整个遍历过程，如图3所示。如此计算，可以避免了很多重复运算，从而提高效率；

(5)根据公式(12)计算编码比特

(i)的最大后验概

再用

的后验概率除以

的先验概率

从而得到更新的

的外信息

如此计算，得到所有用户的所有编码比特的外信息，最后将这些外信息输出给对应用户的解交织器。

本发明申请所提出的OFDM系统下的编码多用户检测方法可以在相同的时频资源里，支持更多的用户，从而实现更高的频谱利用率和用户容量。本发明还针对OFDM系统的特点，提出了一种快速计算编码比特最大后验概率的算法，它避免了计算过程中的重复运算，使得多用户解调器中计算量大大下降，也使整个方法具有可实用性

Claims (2)

1.正交频分复用系统用的高效的迭代编码多用户检测方法，含有用不同交织图案来区分用户的步骤，其特征在于，它是一种用交织图案区分用户且又在联合多用户解调和单用户译码之间迭代的检测方法，它依次含有以下步骤：

在发送端，依次含有如下步骤：

(1)编码器以任何一种纠错码对各用户的信息比特进行编码；

(2)交织器对编码器输出的编码比特进行交织，把交织后的编码比特输出给调制映射器；

(3)调制映射器根据实际情况选择调制方式，并对所有子载波采用同一种调制方式，星座映射方式采用格雷映射，

设：总用户数为K′，每个正交频分复用符号包含N个子载波，用s_k′(i)表示第k′个用户在第i个子载波的调制符号，

则从调制映射器每次输出一个长度为N的调制符号矢量(s_k′(1)，s_k′(2)，s_k′(3)，…，s_k′(N))给IFFT单元；

(4)IFFT单元对调制符号矢量(s_k′(1)，s_k′(2)，s_k′(3)，…，s_k′(N))作IFFT变换，然后再进行其它正交频分复用系统的一般处理，最后从发射天线发送出去；

在接收端，依次含有如下步骤：

(1)信道估计单元估计出每一路用户的频率响应，向多用户解调器输出每一个用户在每一个子载波上的幅度

(i)和相位

，1≤i≤N，1≤k′≤K′；同时接收信号经过FFT变换后，在每一个子载波上输出一个复数值，并将此值也送至多用户解调器，

在第i个子载波上的输出为：

$y_I\left(i\right)+j\·y_Q\left(i\right)=\underset{k\′=1}{\overset{K\′}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{k\′}\left(i\right)\·A_{k\′}^{\′}\left(i\right)\·\exp \left(j{\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′}\left(i\right)\right)+n_I\left(i\right)+j\·n_Q\left(i\right)$

其中，y_l(i)和y_Q(i)分别表示接收信号在第i个子载波上的输出值的I路分量和Q路分量；n_l(i)和n_Q(i)分别表示噪声在第i个子载波上的I路分量和Q路分量；

(2)多用户解调器依次按照以下步骤，向各对应用户的译码器输出各对应用户的编码比特的外信息概率：

(2.1)根据信道估计单元的输出和各用户的编码比特的先验概率计算所有编码比特的最大后验概率，其中用到的先验概率就是重新交织的各个单用户译码器输出的编码比特外信息，第一次解调时，初始化所有编码比特的先验概率为P(b＝0)＝P(b＝1)＝0.5，

(2.2)再根据计算所得的最大后验概率和来自译码器的先验概率，计算各编码比特的外信息概率，

(3)在送到各个单用户译码器之前，先对多用户解调器输出的外信息进行解交织，再由各个单用户译码器对解交织之后的编码比特序列进行译码，即根据编码比特的外信息译码器计算信息比特的硬判决信息和更新的编码比特的外信息，然后把更新的各个编码比特的外信息重新交织，反馈到多用户解调器，作为各编码比特的先验概率，

(4)如此反复迭代，直到满足规定的迭代次数，从期望用户的译码器输出信息比特的判决比特。

2.根据权利要求1所述的正交频分复用系统用的高效的迭代编码多用户检测方法，其特征在于：所述的多用户解调器中计算编码比特的最大后验概率是一种快速计算方法，它依次含有以下步骤：

(1)把所有的二维调制的用户的I路、Q路视作两个用户，从而把K′个实际用户等效为K个一维调制的用户；设：第k′个实际用户在第i个子载波上的调制符号为s_k′(i)，信道估计的幅度和相位分别为

和

并且它是一个二维调制符号，通过等效，分解为第k、第k+1两个等效用户，等效关系：s_k′(i)＝a_k(i)+j·a_k+1(i)，

$A_k=A_{k\′}^{\′},$ ${\mathrm{\θ}}_k={\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′},$ $A_{k+1}=A_{k\′}^{\′},$ ${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_{k\′}^{\′}+\frac{\mathrm{\π}}{2};$

(2)根据每个用户的信道频率响应在子载波i上的幅度和相位，噪声方差，以及接收信号经FFT变换在子载波i上的输出值，得到一个计算矢量ζ(i)和一个包含多用户间相关信息的矩阵Γ(i)；

ζ_k(i)＝y_k(i)×A_k(i)/σ²，……，k＝1，…K；i＝1，…N；

其中，y_k(i)表示在第i个子载波上信号y_l(i)+j·y_Q(i)在第k个等效用户的相位θ_k(i)方向上的投影，y_k(i)＝y_l(i)×cos(θ_k(i))+y_Q(i)×sin(θ_k(i))，……，k＝1，…K，σ²为I路或Q路上的噪声方差，

H(i)表示在第i个子载波上各个等效用户波形之间的相关度，它由下式得到：

(H(i))_k，l＝cos(θ_k(i)-θ_l(i))，……，k＝1，…K，l＝1，…K

；

(3)矢量a_d表示由K个等效用户的调制符号构成的一个矢量，设：第k个调制符号a_k(i)携带的比特为m_k个，则矢量a_d的值域空间共有

个调制符号矢量，表示为 $\{a_d,0\≤d\≤2^{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k}-1\},$ 用a₀表示K个等效用户的所有编码比特都取值为0时，所对应的调制符号矢量，下面构造一个计算最大后验概率所用的函数Λ(a_d)：

$\mathrm{\Λ}\left(a_d\right)=\frac{2{a_d}^T\mathrm{\ζ}\left(i\right)-{a_d}^T\mathrm{\Γ}\left(i\right)a_d}{2{\mathrm{\σ}}^2}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^r\left(i\right)\·\log \left(g\left(b_k^r\left(i\right)\right)\right)+{\mathrm{\Λ}}_0$

其中，Λ₀是一个常数，为简化运算，令Λ₀的取值满足Λ(a₀)＝0，而

表示在第i个子载波上携带的第k个用户的第r个编码比特，r＝1，…，m_k，k＝1，…，K，而

表示关于的先验概率比，

来自单用户译码器，

等于：

$g\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{P(b_k^r\left(i\right)=1)}{P(b_k^r\left(i\right)=0)};$

所谓概率比，在本发明中是指比特分别取值为1和0的概率之比；

(4)Λ(a_d)具有如下性质：

$\mathrm{\Λ}\left(a_m\right)=\mathrm{\Λ}\left(a_n\right)+(a_m^{\left(k\right)}-a_n^{\left(k\right)})({\mathrm{\ζ}}_k\left(i\right)-\underset{j=1,j\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Γ}(k,j)a_m^{\left(j\right)})+({\left(a_m^{\left(k\right)}\right)}^2-{\left(a_n^{\left(k\right)}\right)}^2)\·\mathrm{\Γ}(k,k)$

$+\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_m\·\log \left(g\left({\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_m\right)\right)-\underset{r=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_n\·\log \left(g\left({\left(b_k^r\left(i\right)\right)}_n\right)\right)$

其中，矢量a_m和a_n是 $\{a_d,0\≤d\≤2^{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k}\}$ 中的两个调制符号矢量，它们的除第k个分量以外的所有分量都相等，用

表示a_m、a_n的第k个分量，则 $a_m^{\left(k\right)}\≠a_n^{\left(k\right)},$ 而和

分别表示调制到

和

上的第r个编码比特，

利用Λ(a_d)的这条性质，从Λ(a₀)出发，逐步求出全部Λ(a_d)， $0\≤d\≤2^{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k}-1;$

(5)计算所有子载波上的所有用户的调制符号携带的编码比特的最大后验概率比，第i个子载波上的第k个用户的第r个编码比特的最大后验概率比的计算式为：

$q\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{a_d:b_k^r\left(i\right)=1}\exp \left(\mathrm{\Λ}\left(a_d\right)\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{a_d:b_k^r\left(i\right)=0}\exp \left(\mathrm{\Λ}\left(a_d\right)\right)},r=1,\·\·\·,m_k;k=1,\·\·\·,K;i=1,\·\·\·,N;$

(6)计算所有用户的所有编码比特的外信息，并将其输出给单用户译码器：

$g\′\left(b_k^r\left(i\right)\right)=\frac{q\left(b_k^r\left(i\right)\right)}{g\left(b_k^r\left(i\right)\right)},r=1,\·\·\·,m_k;k=1,\·\·\·,K;i=1,\·\·\·,N.$

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