CN103647623A - Turbo-BLAST双迭代检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明以下一代移动通信为背景，涉及Turbo-BLAST双迭代检测设计方法。将比特交织编码调制迭代译码(BICM-ID)思想与Turbo-BLAST系统相结合，给出一种基于双迭代的Turbo-BLAST系统模型，提出一种基于检测器与译码器之间外层迭代检测、解调器与译码器之间内层迭代译码的Turbo-BLAST双迭代检测方法。本发明有效地将BICM-ID思想用于Turbo-BLAST系统，通过双迭代检测达到进一步改善Turbo-BLAST系统误比特率的目的。仿真表明，与Turbo-BLAST迭代检测相比，采用所提的Turbo-BLAST双迭代检测方法可以进一步提高系统的BER性能。

Description

Turbo-BLAST双迭代检测方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及无线通信的迭代检测设计方法，更具体的说涉及Turbo-BLAST双迭代检测的设计方法。 

背景技术

随着通信技术的飞速发展，数字通信正逐步地在通信领域占据了主导地位。如何解决噪声干扰、衰落、功率利用率、频谱利用率等问题来提高通信系统的性能变得尤为重要。1992年，Zehavi提出了比特交织编码调制(BICM)技术，通过比特随机交织来增加分集阶数，从而达到对抗衰落的目的。该方案具有复杂度低、灵活性强等优势，因此在通信系统中得到了广泛应用。受Turbo码迭代译码思想的启发，李晓东和Ritcey在BICM技术的基础上提出了比特交织编码调制迭代译码(BICM-ID)方案，其原理就是通过解调器与软输入软输出(SISO)译码器之间的联合迭代来改善系统性能。BICM-ID具有较高的频谱利用率且实现复杂度较低，同时适用于高斯信道和衰落信道，可以提高无线通信传输的功率谱效率和频谱效率，这些优势使其得到了业界学者们的广泛关注。 

由上述分析可知，BICM-ID的关键技术就是将Turbo码思想用到BICM中。Turbo码自1993年被提出后便迅速成为业界研究的焦点，因为它在低信噪比(SNR)时就能够接近Shannon极限。基于此，A.V.Zels等人给出了Turbo-BLAST系统的结构并对其性能做了分析，Turbo-BLAST系统就是将Turbo迭代译码的思想和多天线系统中的垂直分层空时结构(V-BLAST)联合起来而构成的，是多天线系统中提高吞吐量的一种方案。2002年，M.Sellathurai等人研究了Turbo-BLAST系统的迭代检测算法的原理及其性能，基于此，MengYingTsai等人提出了一种均衡考虑系统性能和计算复杂度的检测算法，在降低算法复杂度的同时也损失了部分性能。 

近年来，关于BICM-ID技术与多天线系统结合的研究很层出不穷，Lee L等人研究了BICM-ID技术在MIMO-OFDM系统中的应用并给出了系统的性能分析。在此基础上，张睿等人研究了链路自适应技术在BICM-ID-MIMO-OFDM系统中的应用，可根据信道状况自适应地选择编码调制方案，还可以根据编码调制方案选取最合适的映射方式，有效改善了系统性能。 

已有研究中，关于BICM-ID技术与Turbo-BLAST系统相结合的研究较少，本发明将在Turbo-BLAST迭代检测的基础上，研究一种基于解调器与译码器之间进行内层迭代译码、检测器与译码器之间进行外层迭代检测的Turbo-BLAST双迭代检测设计方法，以此来改善系统的误比特率(BER)性能。与传统的Turbo-BLAST迭代检测方案相比，采用Turbo-BLAST双迭代检测可以使系统的BER性能得到进一步改善。 

以下将通过具体实施例结合附图对本发明的目的及特性进行详细描述，这些具体实施是说明性的，不 具有限制性。 

发明内容

本发明是针对Turbo-BLAST双迭代检测系统，研究了Turbo-BLAST双迭代检测设计方法。目的是通过接收端的双迭代检测，在传统Turbo-BLAST迭代检测的基础上进一步改善系统的BER性能。本发明提出的Turbo-BLAST双迭代检测设计方法采用了以下步骤： 

(1)给出Turbo-BLAST双迭代系统模型。 

附图1给出了Turbo-BLAST双迭代检测的系统模型。在发送端，来自信源的二进制比特流依次经过信道编码、随机交织、调制与空时编码后通过M根天线发送出去。在接收端，首先由检测模块对接收信号进行检测，然后软解调模块对检测输出的符号进行比特似然解调，得到的对数似然信息经过解交织后送入SISO译码模块进行信道译码。根据设置好的内迭代与外迭代次数，完成解调器与译码器之间的内迭代译码、检测器与译码器之间的外迭代检测。 

假设信道条件为准静态平坦瑞利衰落，发送端有M根发送天线，接收端有N根接收天线，假设各发送天线与接收天线之间相互独立，则某一时刻的接收信号为 

y=Hx+n，              表达式1 

其中，x=(x₁，x₂，…，x_M)^T为发送信号矢量，y=(y₁，y₂，…，y_N)^T为接收信号矢量，H为信道矩阵，其元素满足其中，

表示均值为α方差为σ²的复高斯分布，n=(n₁，n₂，…，n_N)^T表示加性高斯白噪声，其元素服从分布

(2)给出基于软干扰抵消的线性检测方法。 

由于采用最大似然检测方法存在计算复杂度太高的问题，为兼顾系统性能与计算复杂度，本发明采用基于软干扰抵消的线性检测方式。其关键之处就是根据最小均方误差准则计算出最优的干扰估计和检测用的权向量矩阵。 

检测器与SISO译码器之间进行第一次迭代检测时，假设发送符号等概率分布，则第k个发送符号的估计

为 

${\hat{x}}_k=h_k^H{(H{H}^H+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_N)}^{-1}y,$         表达式2 

其中，h_k=[H]_k表示H的第k列。随着迭代次数的增加，可根据SISO译码器反馈的前一次检测符号的后验概率信息估计发送符号，然后利用估计出的发送符号的期望来进行软干扰抵消。 

${\hat{x}}_k={\left({h_k^H{h}_k+\mathrm{\σ}}_n^2\right)}^{-1}{h}_k^H[y-H_{\stackrel{\‾}{k}}\mathrm{\ϵ}\left(x_{\stackrel{\‾}{k}}\right)],$          表达式3 

其中，

表示矩阵H去掉第k列，

表示发送矢量x去掉第k根天线上的发送符号x_k

(3)给出软解调方法。 

检测器输出发送符号的估计后送入软解调器进行比特似然解调。软解调器与SISO译码器之间进行第一次迭代译码时，假设发送符号等概率发送，则软解调输出的对数似然比信息为 

$\mathrm{\λ}(v_j^k=b)=\log \underset{x_k\∈S(j,b)}{\mathrm{\Σ}}p\left(y_k\right|x_k)\≈\underset{x_k\∈S(j,b)}{\max }\log p\left(y_k\right|x_k)$       表达式4 

其中，表示第k个符号的第j个比特，S(j，b)表示第j个比特为b的所有信号矢量。 

当迭代译码次数大于等于二时，SISO译码器输出编码比特的后验概率信息反馈至解调器作为其先验信息进行比特似然解调。定义P(q；I)表示变量q的先验概率信息，P(q；O)表示变量q的后验概率信息，软解调器输出最大后验概率信息为 

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}(v_j^k=b)=\log p(v_j^k=b|y_k)\\ =\log \underset{x_k\∈S(j,b)}{\mathrm{\Σ}}p\left(x_k\right|y_k)\∝\log \underset{x_k\∈S(j,b)}{\mathrm{\Σ}}p\left(y_k\right|x_k)p\left(x_k\right)\end{array}$      表达式5 

其中，

R=log₂Q表示每个传输符号对应的比特数，Q表示调制阶数。 

(4)SISO译码方法。 

软解调输出的对数似然信息经过解交织后得到λ_i(C)，SISO译码器根据先验信息λ_i(C)和所用卷积编码的网格型结构，计算输出信息比特和码字比特的后验概率信息 

${\mathrm{\λ}}_p\left(b_j^k\right)=\log \frac{p(b_j^k=1|{\mathrm{\λ}}_i\left(C\right),{\mathrm{\λ}}_i\left(B\right),\mathrm{decoding})}{p(b_j^k=0|{\mathrm{\λ}}_i\left(C\right),{\mathrm{\λ}}_i\left(B\right),\mathrm{decoding})},\∀k,j$       表达式6 

${\mathrm{\λ}}_p^o\left(c_j^k\right)=\log \frac{p(c_j^k=1|{\mathrm{\λ}}_i^o\left(C\right),{\mathrm{\λ}}_i^o\left(B\right),\mathrm{decoding})}{p(c_j^k=0|{\mathrm{\λ}}_i^o\left(C\right),{\mathrm{\λ}}_i^o\left(B\right),\mathrm{decoding})},\∀k,j$       表达式7 

其中，b表示信息比特，c表示编码比特，λ_i表示先验信息，λ_p表示后验概率信息，λ(B)和λ(C)分别表示所有信息比特和编码比特的对数似然信息的集合。 

(5)根据预先设置的内迭代译码与外迭代检测的次数，完成软解调器与SISO译码器之间的内迭代译码、检测器与SISO译码器之间的外迭代检测，从而完成整个双迭代过程。 

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

附图说明

图1为Turbo-BLAST双迭代检测设计的系统框图 

图2为Turbo-BLAST双迭代检测不同外层迭代次数下的BER-SNR图 

图3为Turbo-BLAST双迭代检测不同内层迭代次数下的BER-SNR图 

具体实施方式

本发明提出的Turbo-BLAST双迭代检测设计方案已经通过Matlab平台进行验证。从仿真结果可以看出该方案可以有效改善系统的BER性能。下面给出具体实施的技术方案： 

(1)检测器与SISO译码器之间的外层迭代检测，设置外迭代次数。 

根据表达式3对接收信号进行检测，计算得到各个发送符号的估计，当外迭代检测次数为一时，假设各符号等概率分布，采用表达式2对接收信号进行检测。 

(2)软解调器与SISO译码器之间的内层迭代译码，设置内迭代次数。 

利用表达式5对检测器输出的发送符号的估计求对应的比特似然信息，第一次内迭代译码时，软解调的先验信息为零，根据表达式4计算比特似然信息。 

(3)对软解调输出的比特似然信息进行解交织运算，得到λ_i(C)并传送至SISO译码器作为先验信息。 

(4)SISO译码器根据表达式6和表达式7分别计算出信息比特和编码比特的后验概率信息。 

(5)判断内迭代译码是否收敛。 

如果内迭代次数小于设置的次数，那么将SISO译码器输出的编码比特的后验概率信息进行交织后返回至(2)，否则继续进行到(6)。 

(6)SISO译码器输出的编码比特的后验概率信息经过交织、符号估计后反馈至软干扰抵消线性检测器作为其先验信息来估计发送符号，并且用估计出的发送符号的期望来进行软干扰抵消，返回至(1)。 

(7)判断外迭代检测是否收敛。 

如果解调器与SISO译码器之间的内层迭代译码和检测器与SISO译码器之间的外层迭代检测均达到收敛，则对SISO译码器输出的信息比特的后验概率信息硬判决后输出，进而完成整个Turbo-BLAST双迭代检测过程。如果外迭代检测还未收敛，则循环(1)至(6)，直至收敛。 

本发明提出了一种基于软解调器与SISO译码器之间内层迭代译码、检测器与SISO译码器之间外层迭代检测的Turbo-BLAST双迭代检测设计方法，附图2-图3给出了这种方案在改善Turbo-BLAST系统BER性能方面的分析。附图2-3中，信道条件为准静态平坦瑞利衰落，信道编码采用(2，1，2)卷积编码、16QAM调制，BCJR译码。附图2-3给出了外层迭代次数Iter-W分别等于一和二，内层迭代次数Iter-N变化时BER随信噪比(SNR)的变化曲线。其中，附图2表明当Turbo-BLAST双迭代检测的外迭代次数固定为一次，即相当于将BICM-ID思想用到V-BLAST系统中，系统的BER性能随着内迭代次数的增加而变得更好，并且内迭代三次后趋于收敛，这是由于软解调器与SISO译码器之间的联合迭代译码使得系统性能变好，说明所提Turbo-BLAST双迭代检测设计方法比传统的V-BLAST检测方法性能要好。此外，采用所提的双迭代检测方法后，系统性能随着接收天线的增多而变好，说明接收分集越大系统性能越好。附图3表明当 Turbo-BLAST双迭代检测的外迭代次数固定为两次时，即将BICM-ID用到了传统的Turbo-BLAST系统中，系统的BER性能随着内迭代次数的递增而逐渐变好。当BER=10^-3时，采用所提的Turbo-BLAST双迭代检方法时，BER性能比采用传统的Turbo-BLAST迭代检测方法时提高约4dB，说明通过软解调器与SISO译码器之间的内层联合迭代译码可以进一步改善系统的BER性能。 

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 

Claims (5)

1.Turbo-BLAST双迭代检测设计方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)针对Turbo-BLAST双迭代检测系统，考虑到最大似然检测方法的计算复杂度随着发送天线数和调制阶数的增加呈指数级增长，均衡算法复杂度与性能，采用基于软干扰抵消的MMSE检测方法对接收信号进行线性检测以抑制天线间干扰。

(2)根据Turbo-BLAST双迭代检测系统模型，将软干扰抵消线性检测器输出的发送符号的估计传送至软解调器，由软解调器计算输出编码比特的比特似然信息。

(3)编码比特的对数似然信息经过解交织运算，然后传送至软输入软输出译码器进行信道译码，得到信息比特和编码比特的后验概率信息。

(4)根据预先设置的内迭代次数和外迭代次数，在软解调器和译码器之间完成内层迭代译码，在检测器与译码器之间完成外层迭代检测，从而完成整个双迭代检测过程。

2.根据权利要求1所述的Turbo双迭代检测设计方法，其特征在于所述步骤(1)包括：

(1a)外迭代次数为一时，假设发送符号等概率分布，即

软输入软输出译码器输出的后验概率信息等于零，此时的MMSE检测过程与普通的MMSE检测过程一致。

(1b)从第二次外迭代开始，根据软输入软输出译码器反馈的前一次检测符号的后验概率信息来估计发送符号，并且用估计出的发送符号的期望来进行软干扰抵消。随着迭代次数的增加，检测出的信号越来越逼近其均值，即 $\mathrm{\ϵ}\left(x_{\stackrel{\‾}{k}}\right)\→x_{\stackrel{\‾}{k}}.$

3.根据权利要求1所述的Turbo双迭代检测设计方法，其特征在于所述步骤(2)包括：

(2a)第一次内迭代译码时，假设发送符号等概率分布，因此软解调器在首次迭代时的先验信息等于零。

(2b)随着内迭代译码的进行，软输入软输出译码器输出的编码比特的后验信息经交织后作为软解调器的先验信息，结合该先验信息对输入符号进行比特似然解调。(2a)是(2b)的一种特殊情况。

4.根据权利要求1所述的Turbo双迭代检测设计方法，其特征在于所述步骤(3)包括：

(3a)软解调器输出的比特似然信息经过解交织运算后传送至软输入软输出译码器。

(3b)结合(3a)中得到的输入信息和所用卷积编码的网格型结构，计算输出信息比特和编码比特的后验概率信息以用于下一轮迭代。

5.根据权利要求1所述的Turbo双迭代检测设计方法，其特征在于所述步骤(4)包括：

(4a)判断内迭代译码是否收敛，如果未收敛，则软输入软输出译码器输出的编码比特的后验概率信息经过交织后反馈至软解调器作为先验信息，继续下一轮内迭代译码；如果内迭代译码收敛，则跳出内迭代循环。

(4b)如果(4a)中内迭代译码收敛，判定外迭代检测是否收敛，如果还未收敛，则软输入软输出译码器输出的编码比特的后验概率信息经过交织后反馈至检测器作为先验信息来估计发送符号，进行新一轮外层迭代检测；如果内迭代和外迭代均达到收敛，则软输入软输出译码器输出的信息比特的后验概率信息经过硬判决后输出，进而完成整个Turbo双迭代检测。最后利用Matlab仿真平台进行相应的验证，验证本发明方案的有效性。

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