CN105812038A - 多波束移动卫星通信系统多用户下行联合预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在多波束移动卫星通信系统中利用基于因子图的消息传递算法，实现分布式的多用户下行联合预编码的方法。所提方案为一种混合消息传递算法，迭代过程中同时采用渐进消息传递（AMP,approximate message passing）算法和干扰消除置信传播（IC‑BP,interference cancelation belief propagation）算法估计预编码信号的后验概率分布，并对两种算法估计出的后验概率分布进行评估，并返回质量更好的估计结果进行下一次迭代运算，最后将各波束的预编码信号的后验概率分布的期望作为最终的估计值，用于发送。

Description

多波束移动卫星通信系统多用户下行联合预编码方法

技术领域

本发明涉及一种分布式的多用户下行联合预编码的方法，适用于多波束同频组网的移动卫星通信系统。

背景技术

多波束移动卫星通信系统中采用同频组网可以最大化系统频谱利用率，但是波束间干扰可能严重降低系统性能。为了抑制下行信号波束间的干扰，目前主要考虑采用脏纸编码(DPC,Dirty paper coding)和正则化破零预编码(RZFC,Regularizedzero-forcing precoding)技术。虽然DPC和RZFC可以有效抑制波束间干扰，发挥同频组网频谱利用率高的优势；但是DPC不易实现，而RZFC需要完成矩阵求逆，运算复杂度较高，不适用于波束非常多的移动卫星通信系统。

利用消息传递算法可以将复杂的预编码运算转化为大量具有相似运算过程的小型运算，并利用分布式小型运算单元完成，是一种便于实现的解决方案。所提方案为一种分布式预编码方法，可用于波束非常多的移动卫星通信系统。

发明内容

本发明的目的是在多波束移动卫星通信系统中，实现基于消息传递算法的多用户下行联合预编码。传统的正则化预编码，需要进行矩阵求逆运算，当波束非常多时难以实现。将复杂的运算拆解为大量小型运算，用分布式的小型运算单元实现，可以有效降低实现难度。所提方案，即为一种分布式的多用户下行联合预编码方法。

本发明为一种，在多波束移动卫星通信系统中，利用基于因子图的消息传递算法，实现多用户下行联合预编码的方法，具体为：

1采用基于因子图分析各波束预编码信号的后验概率分布。

2在用因子图分析各波束预编码信号的后验概率分布的基础上，利用AMP算法估计各波束预编码信号的后验概率分布。

3在用因子图分析各波束预编码信号的后验概率分布的基础上，利用IC-BP算法估计各波束预编码信号的后验概率分布。

4采用混合算法优化各波束预编码信号的后验概率分布估计。

5利用后验概率分布的期望，作为各波束预编码信号的估计值用于发送。

利用因子图可以根据用户与波束间的相关性分析各波束预编码信号的后验概率分布，便于采用分布式的算法计算各波束预编码信号的后验概率分布。假设发送信号服从高斯分布，则各波束预编码信号也服从高斯分布。然后利用贝叶斯公式和信道状态信息，采用AMP算法估计各波束预编码信号的后验概率分布。下行链路中，各波束所发送信号互为干扰信号，估计波束预编码信号后验概率分布为一个相互矫正的过程(或者说是一个迭代消息传递过程)。初始化时，令各波束预编码信号的后验概率分布的期望为0，方差为1，然后通过AMP算法更新各波束预编码信号的期望和方差。通过多次迭代反复更新各波束预编码信号的后验概率分布估计，可以使各信号的概率分布信息逐步趋于准确。

另外，可以通过IC-BP算法粗略估计各波束预编码信号的后验概率分布。不考虑在准确获知干扰信号的概率分布函数的基础上，准确估计各波束预编码信号的后验概率分布函数。而是只考虑干扰信号的功率影响，即只考虑干扰信号的期望和方差，并在此基础上粗略估计预编码信号后验概率分布。干扰消除估计预编码后验概率分布在低信噪比环境下可以获得较好性能，而在高信噪比环境下则较差。

为了最大化AMP算法和IC-BP算法的能力，在迭代过程中考虑同时采用两种算法。对两种算法得到的后验概率分布期望进行评估，假设将该后验概率分布的期望作为发送信号，使其通过信道并与未编码信号进行比较。未编码信号即为需要传输的信号，与未编码信号间的均方误差较小，则视为质量更好的输出。选择相应的后验概率分布估计结果，并返回进行下一次迭代。

本发明具有如下优点：

1可分布式实现，且运算复杂度大大小于传统正则化线性预编码技术。

2混合算法在任意信噪比环境下，都可以更加快速准确地估计出各波束预编码信号的后验概率分布。

附图说明

图1是多波束移动卫星通信系统下行链路系统框图。

图2是各波束预编码信号后验概率分布的因子图。

图3是混合算法流程图。

具体实施方法

假设下行信道状态信息已知，用矩阵Z表示。如图1所示，令未经过预编码信号为s，经过预编码后信号为x，各用户接收信号为y，则下行链路可表示为

y＝Zx+n (1)

其中n为加性高斯白噪声。预编码的目标是让y尽可能接近s，在理想情况下，可以实现如下传输

s＝Zx+n (2)

在未实现预编码之前，x可以视为随机变量，给定s的后验概率分布为f(x|s)。如果可以求出f(x|s)，则可以将其期望作为预编码信号进行发送。

这里用m和n分布代表用户m和波束n。其中假设用户m发送的信号只能被集合中的波束接收，波束n则只能接收集合中用户的信号。图2为预编码信号后验概率分布f(x|s)的因子图。

假设系统知道发送信号x的先验概率分布f(x)和信道状态信息f(s|x)则可利用贝叶斯公式得到x的后验概率分布f(x|s)。假设x的先验和后验概率分布均服从高斯分布，则只需知道f(s)和f(s|x)的期望、方差，即可计算出f(x|s)。

1、利用AMP算法估计各波束预编码信号的后验概率分布期望和方差

在用因子图分析各波束预编码信号的后验概率分布的基础上，通过AMP算法估计各波束预编码信号的后验概率分布的期望和方差。用q_n→m＝(μ_n,ν_n)表示图2中波束n希望传递给用户m的消息，p_m→n＝(ε_m,χ_m)表示用户m传递给波束n的消息。它们的初始值分别为

${\mathrm{\μ}}_n^{\left(0\right)}=0,v_n^{\left(0\right)}=1---\left(3\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_m^{\left(0\right)}=r_m,{\mathrm{\χ}}_m^{\left(0\right)}=1---\left(4\right)$

用结合信道状态信息更新如下式所示，

其中z_m,i为信道状态矩阵Z(信道状态信息)中的元素，为加性噪声方差。

返回更新如下式所示，

$v_n^{\left(t\right)}={({\mathrm{\ξ}}_n^{\left(t\right)}+1)}^{-1}---\left(7\right)$

${\mathrm{\μ}}_n^{\left(t\right)}=v_n^{\left(t\right)}{\mathrm{\ξ}}_n^{\left(t\right)}{\mathrm{\ω}}_n^{\left(t\right)}---\left(8\right)$

其中和为，

迭代检测s后验概率分布的过程中，首先初始化和然后利用和信道状态信息更新并用后验概率分布矫正先验概率分布，即用更新如此循环，通过反复校正和可使尽量接近后验概率分布实际的期望和方差。

2、利用IC-BP算法估计各波束预编码信号的后验概率分布期望和方差

IC-BP算法同样在用因子图分析各波束预编码信号的后验概率分布的基础上，估计各波束预编码信号的后验概率分布的期望和方差。

同样令q_n→m＝(μ_n,ν_n)表示图2中波束n希望传递给用户m的消息，初始值为令表示用户m传递给波束n的消息，不需要定义初始值。

利用更新方法为

利用更新方法为

${\mathrm{\μ}}_n^{(t+1)}=-\frac{b_n}{a_n}---\left(16\right)$

${\mathrm{\ν}}_n^{(t+1)}=\frac{1}{a_n}---\left(17\right)$

同样通过反复矫正和可使尽量接近后验概率分布实际的期望和方差。

3、混合算法估计各波束预编码信号的后验概率分布期望和方差。

如前所述，AMP算法和IC-BP算法均通过分布式迭代运算更新μ_n和ν_n，使其趋近于f(x|s)的期望和方差。AMP算法可以准确趋近于f(x|s)的期望和方差，但是收敛速度较慢，尤其当信噪比较高时。IC-BP算法收敛较快，但收敛后不能准确趋近于f(x|s)的期望和方差。在迭代过程中混用两种方案，则可以即快速又准确的得到f(x|s)的期望和方差。实现方法为，同时采用AMP算法和IC-BP算法完成运算，并对两种方案输出的u＝[μ₁,...,μ_N]^T进行评估，评估方法为计算u通过信道之后与s之间的均方误差，计算表达式为||Zu-s||₂，其中||·||₂表示求2范数。选择均方误差较小的u和相应的v，作为代入下一次迭代。

4、将混合算法所估计的各波束预编码信号的后验概率分布的期望u，作为最终的估计值发送。

Claims (5)

1.一种多波束移动卫星通信系统多用户下行联合预编码方法，所述方法利用基于因子图的消息传递方法，具体步骤为：

A.采用基于因子图的渐进消息传递(AMP,approximate message passing)算法，迭代估计预编码信号的后验概率分布；

B.采用基于因子图的干扰消除置信传播(IC-BP,interference cancelation beliefpropagation)算法，迭代估计预编码信号的后验概率分布；

C.在迭代过程中同时采用AMP算法和IC-BP算法估计预编码信号的后验概率分布，并对两种算法的估计结果进行评估，将质量较好的估计结果代入下一次迭代。通过混合迭代运算，优化后验概率分布估计；

D.将预编码信号的后验概率分布的期望作为最终的估计值。

2.根据权利要求1所述的下行联合预编码方法，所述步骤A中AMP算法迭代估计预编码信号后验概率分布的方法，具体为：

AMP算法利用因子图分析各波束所发送预编码信号与干扰信号的关系，并根据干扰信号的概率分布函数和信道状态信息估计相应预编码信号的后验概率分布。估计各波束预编码信号的后验概率分布时，需要传递干扰信号的概率分布函数，然后通过求边缘概率分布函数估计预编码信号的后验概率分布。所述过程需要返回所估计预编码信号的后验概率分布，是一个迭代过程，迭代次数越多则估计越准确。

3.根据权利要求1所述的下行联合预编码方法，所述步骤B中所述IC-BP算法迭代估计预编码信号的后验概率分布的方法，具体为：

IC-BP算法也需要利用因子图分析各波束所发送预编码信号与干扰信号的关系，然后根据干扰信号的期望和方差以及信道状态信息估计相应预编码信号的后验概率分布。估计各波束预编码信号的后验概率分布时，不考虑准确估计干扰信号的概率分布函数，只考虑干扰信号的期望和方差，然后通过消息传递消除干扰从而估计预编码信号的后验概率分布；所述过程同样需要返回所估计预编码信号的后验概率分布，也是一个迭代过程，迭代次数越多则估计越准确。

4.根据权利要求1所述的下行联合预编码方法，所述步骤C中所述混合迭代算法，具体为：

每一次迭代过程中都同时采用AMP算法和IC-BP算法完成估计运算，并对两种算法估计出的预编码信号的后验概率分布进行评估；选择与发送信号均方误差较小的估计结果，并返回进行下一次迭代。

5.根据权利要求1所述的下行联合预编码方法，所述步骤D中所述各波束预编码信号的后验概率分布的期望作为各波束预编码信号的估计值，具体为：

采用混合迭代算法估计各波束预编码信号的后验概率分布，然后将其期望作为最终的各波束预编码信号的估计值用于发送。