CN105846955A - 多波束移动卫星通信系统多用户联合迭代检测译码方法 - 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分布式消息传递算法，实现分布式的多用户上行信号联合迭代检测译码的方法。所提方法既可以通过局部迭代更新发送符号的后验概率分布，也可以通过全局迭代更新发送符号的后验概率分布，系统需要预先设定最大迭代次数和每次迭代的类型（局部迭代还是全局迭代）。最后一次必须为全局迭代，通过对全局迭代中软输入软输出译码所得的编码比特的对数似然比进行判决，实现译码。

Description

多波束移动卫星通信系统多用户联合迭代检测译码方法

技术领域

本发明涉及一种分布式的多用户上行信号联合检测和迭代检测译码的方法，适用于多波束同频组网的移动卫星通信系统。

背景技术

在多波束移动卫星通信系统中，采用多波束覆盖可以有效利用空分资源，极大提高频谱利用率。但是波束间干扰会严重降低系统性能。为了减小波束间干扰，可采用频分复用或者时分复用。但是频分复用和时分复用不能充分发挥多波束空分复用的优势，与同频组网相比频谱利用率不高。

采用多波束同频组网的移动卫星通信系统，上行链路可采用破零(ZF,zeroforcing)或者最小均方误差(MMSE,minimum mean square error)线性接收机对多用户信号进行联合检测。在线性接收机基础上，利用软输入软输出译码，进行迭代检测译码可以在传输速率接近信道容量的情况下使传输误码率趋于零。但是基于线性接收机的迭代检测译码技术运算复杂度高，尤其是当波束非常多时难以实现。

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分布式的多用户上行信号联合迭代检测译码。传统的多用户联合迭代检测译码，在线性接收机基础上，通过反馈软输入软输出译码得到的编码比特对数似然比实现迭代检测译码，可以在传输速率接近信道容量的情况下，使误码率趋于零。但是复杂度高，难以在波束非常多的多波束移动卫星通信系统中实现。

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分布式消息传递算法，实现分布式的多用户上行信号联合迭代检测译码的方法，具体为：

A.假设各用户发送信号相互独立且服从高斯分布，则所有干扰信号也相互独立且服从高斯分布，并在初始化时将所有干扰信号的期望设为0、方差设为1。根据干扰信号的概率分布和信道状态信息，利用基于因子图的分布式消息传递算法估计每个发送符号的后验概率分布。由于假设所有信号都服从高斯分布，所以传递各信号期望和方差即可传递相应的概率分布函数，同样只需要估计各信号期望和方差即可估计各用户的概率分布函数。

B.通过局部迭代更新发送符号的后验概率分布，利用估计所得发送符号的后验概率分布直接校正干扰信号的概率分布，并再次利用基于因子图的分布式消息传递算法更新发送符号的后验概率分布。

C.通过全局迭代更新发送符号的后验概率分布，利用估计所得发送符号的后验概率分布计算相应编码比特的对数似然比，并进行软输入软输出译码校正相应编码比特的对数似然比。利用经过校正后的编码比特的对数似然比重建相应发送符号的后验概率分布。然后利用所重建的发送符号的后验概率分布校正干扰信号的概率分布，最后利用基于因子图的分布式消息传递算法更新发送符号的后验概率分布。

D.系统预先设定最大迭代次数和每次迭代的类型，即选择局部迭代还是全局迭代。前几次迭代最好选择局部迭代，最后一次迭代必须为全局迭代。

E.最后一次迭代为全局迭代，运算过程中只需要完成软输入软输出译码即可，并对软输入软输出译码得到的编码比特的对数似然比进行判决，实现译码。

本发明具有如下优点：

1、本发明的迭代检测译码方法经过少量迭代即可在传输速率接近信道容量时使误码率趋于零，如图4所示。

2、可分布式实现，且整体运算复杂度大大小于传统基于线性接收机的迭代检测译码技术。

附图说明

图1多波束移动卫星通信系统上行链路系统框图。

图2局部迭代分布式消息传递算法因子图。

图3多用户上行联合迭代检测译码系统框图。

图4基于因子图的分布式消息传递算法多用户上行信号联合迭代检测译码与传统MMSE多用户联合迭代检测译码误码率比较。其中发送符号采用QPSK调制，LDPC编码，码率为1/2，码长为1000。

具体实施方法

为了方便说明本方案的具体实施方法，下面介绍一个典型的多波束移动卫星通信系统模型。在类似多波束移动通信系统中使用本方案同样属于本发明保护范围。

一，多波束移动卫星通信系统模型。

如图1所示，多波束移动

卫星通信系统上行链路。系统可以形成M个点波束，地面有N个用户同时接入网络。每个用户独立发送信号，都采用(W,K)LDPC编码，各用户生成和校验矩阵相同。B_s＝[b₁,b₂,…,b_K]表示N个用户一个码字的信息比特。其中b_k＝[b_1,k,b_2,k,…,b_N,k]^T表示各用户的一个变量节点，b_n,k表示第n个用户的第k个变量节点。C＝[c₁,c₂,…,c_w]表示N个用户一个码字的编码比特。其中

c_w＝[c_1,w,c_2,w,…,c_N,w]^T表示一个校验节点，c_n,w表示第n个用户的第w个校验节点。S＝[s₁,s₂,…,s_W']表示N个用户一个码字的发送符号，其中s_w'＝[s_1,w',s_2,w',…,s_N,w']^T。

如果采用BPSK调制，则

s_w'＝1-2c_w'，w'＝(1:W) (1)

采用QPSK调制，则

s_w'＝(1-2c_2w'-1)+j(1-2c_2w')，w'＝(1:W/2) (2)

另外，R＝[r₁,r₂,…,r_W']，r_w'＝[r_1,w',r_2,w',…,r_M,w']^T表示接收信号，如下式所示，

r_w'＝Z_w's_w'+n_w' (3)

n_w'为加性高斯白噪声。Z_w’为多用户信道矩阵，如下式所示，

$Z_{w^{\′}}={\mathrm{BH}}_d{\mathrm{\Ξ}}_d^{1/2}---\left(4\right)$

其中B只与天线模式和波束成形网络有关，时不变。Ξ_d表示阴影遮蔽，在一个码字内时不变，H_d表示信道衰减，在一个码字内时变。

二，局部迭代更新发送符号后验概率分布。

假设一个码字内的信道状态信息完美已知。如果系统知道发送信号概率分布f(s_w')和接收信号的条件概率分布f(r_w'|s_w')，则可利用贝叶斯公式得到s_w'的后验概率分布f(s_w'|r_w')。通常一个用户发送的信号只有相邻几个波束可以接受。同样一个波束也只能接受相邻几个波束内用户的信号。因此，可以用如图2所示因子图描述后验概率分布f(s_w'|r_w')，其中表示与波束m接收信号有关的用户集合，表示与用户n发送信号有关的波束集合。假设所有信号都服从高斯分布，则只需知道f(s_w')和f(r_w'|s_w')的期望、方差，就可以计算f(s_w'|r_w')的期望和方差。

下面用带括号的右上标标示各变量所在迭代次数，例如表示μ_w'正处于第t次迭代。

如图2所示，用户n传递给点波束m的因子为P(s_n,w'|·)的期望和方差点波束m传递给用户n的因子为

和初始状态分别为，

${\mathrm{\μ}}_{n,w^{\′}}^{\left(0\right)}=0,v_{n,w^{\′}}^{\left(0\right)}=1---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{m,w^{\′}}^{\left(0\right)}=r_{m,w^{\′}},v_{m,w^{\′}}^{\left(0\right)}=1---\left(6\right)$

利用发送信号概率分布和信道状态信息更新接收信号条件概率分布，即用结合信道状态信息更新得到如下式所示，

其中为信道状态矩阵Z_w'中的元素，为加性白噪声方差。

返回条件概率分布期望和方差更新如下式所示，

$v_{n,w^{\′}}^{\left(t\right)}={({\mathrm{\ξ}}_{n,w^{\′}}^{\left(t\right)}+1)}^{-1}---\left(9\right)$

${\mathrm{\μ}}_{n,w^{\′}}^{\left(t\right)}=v_{n,w^{\′}}^{\left(t\right)}{\mathrm{\ξ}}_{n,w^{\′}}^{\left(t\right)}{\mathrm{\ω}}_{n,w^{\′}}^{\left(t\right)}---\left(10\right)$

其中和为，

迭代检测s_w'后验概率分布的过程中，首先初始化然后利用接收信号和信道状态信息更新并用直接代替如此循环，通过反复校正可使尽量接近后验概率分布实际的期望和方差。经过P次局部迭代后，输出为和局部迭代为图3中第一个迭代环，其中μ_w'＝[μ_1,w',μ_2,w',…,μ_N,w']^T，v_w'＝[v_1,w',v_2,w',…,v_N,w']^T分别为P(s_w'|·)的期望和方差。ε_w'＝[ε_1,w',ε_2,w',…,ε_M,w']^T，χ_w'＝[χ_1,w',χ_2,w',…,x_M,w']^T分别为P(r_w'|·)的期望和方差。

三，全局迭代更新发送符号后验概率分布。

如图3所示，一次全局迭代包含一次局部迭代的全过程，不同的是局部迭代用直接代替完成一次迭代，而全局迭代用即和计算相应编码比特的对数似然比其中LLR_w＝[LLR_1,w,LLR_2,w,…,LLR_N,w]^T表示发送符号s_w'对应的编码比特的对数似然比，采用BPSK则w＝w'，如果采用QPSK则w'对应两个编码比特，分别是w＝2w'-1和w＝2w'。通过置信传播(BP)算法利用码字自身的编码信息校正其对数似然比，可以得到更准确的后验对数似然比最后用重建和即

1.软输入软输出译码。

首先介绍用译码得到的方法(以下所有向量间运算均为点运算)。用表示与变量节点k相关的校验节点集合，表示与校验节点w相关的变量节点集合。BP算法译码也是一个迭代过程，用表示第p次迭代译码过程中，校验节点w准备向变量节点k传递的似然信息，表示变量节点k准备向校验节点w传递的似然信息。首先初始化

$g_{w\→k}^{(t,0)}={\mathrm{LLR}}_w^{\left(t\right)}---\left(13\right)$

然后利用中校验节点的似然信息对进行更新，如下式所示(以下向量乘法，均为点乘)，

其中表示去掉元素w后的集合。然后利用中变量节点的似然信息对进行更新，

经过数次循环(推荐为6次)，更新对数似然比，如下式所示，

通过局部迭代可以得到迭代译码需要的发送信号后验概率分布，进而得到每个校验节点的对数似然比，即利用和得到而迭代译码可以校正对数似然比，并重新校正发送信号后验概率分布，即利用得到和两者可以通过相互校正实现快速准确译码。下面介绍两者相互转换的算法。

2.发送符号的后验概率分布校正相应编码比特的对数似然比，即和校正的算法。

当采用BPSK调制时，w'＝(1:W)。

${\mathrm{LLR}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}=\frac{{\left|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}+1\right|}^2-{\left|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-1\right|}^2}{V_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}---\left(17\right)$

当采用QPSK调制时，w'＝(1:W/2)。

${\mathrm{LLR}}_{2w^{\′}-1}^{\left(t\right)}=\ln \left(\frac{\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(1+i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)+\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(1-i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)}{\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(-1+i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)+\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(-1-i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)}\right)---\left(18\right)$

${\mathrm{LLR}}_{2w^{\′}}^{\left(t\right)}=\ln \left(\frac{\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(1+i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)+\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(-1+i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)}{\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(-1-i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)+\exp \left(\frac{{|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{\left(t\right)}-(-1-i)|}^2}{v_{w^{\′}}^{\left(t\right)}}\right)}\right)---\left(19\right)$

3.编码比特的对数似然比校正相应发送符号的后验概率分布，即校正和的方法。考虑用户n，可得

其中为，

其中M_c为一个调制符号包含的比特个数，x^k为对应的第k个比特，为其相应的后验对数似然比。

当采用BPSK调制时，

$P(s_{n,w^{\′}}=1|{\mathrm{LLR}}_{w^{\′}}^{(t+1)})=\frac{\exp \left(\frac{{\mathrm{LLR}}_{n,w^{\′}}^{(t+1)}}{2}\right)}{\exp \left(\frac{{\mathrm{LLR}}_{n,w^{\′}}^{(t+1)}}{2}\right)+\exp (-\frac{{\mathrm{LLR}}_{n,w^{\′}}^{(t+1)}}{2})}---\left(23\right)$

$P(s_{n,w^{\′}}=-1|{\mathrm{LLR}}_{w^{\′}}^{(t+1)})=\frac{\exp (-\frac{{\mathrm{LLR}}_{n,w^{\′}}^{(t+1)}}{2})}{\exp \left(\frac{{\mathrm{LLR}}_{n,w^{\′}}^{(t+1)}}{2}\right)+\exp (-\frac{{\mathrm{LLR}}_{n,w^{\′}}^{(t+1)}}{2})}---\left(24\right)$

可得

${\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{(t+1)}=\frac{\exp \left(\frac{{\mathrm{LLR}}_{w^{\′}}^{(t+1)}}{2}\right)-\exp (-\frac{{\mathrm{LLR}}_{w^{\′}}^{(t+1)}}{2})}{\exp \left(\frac{{\mathrm{LLR}}_{w^{\′}}^{(t+1)}}{2}\right)+\exp (-\frac{{\mathrm{LLR}}_{w^{\′}}^{(t+1)}}{2})}---\left(25\right)$

$v_{w^{\′}}^{(t+1,0)}=1-{\left({\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{(t+1,0)}\right)}^2---\left(26\right)$

采用QPSK调制，

${\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{(i+1)}=\frac{(1+j)L_1{L}_2+(1-j)L_1{L}_2^{-1}+(-1+j)L_1^{-1}{L}_2+(-1-j)L_1^{-1}{L}_2^{-1}}{(L_1+L_1^{-1})(L_2+L_2^{-1})}---\left(27\right)$

$v_{w^{\′}}^{(t+1,0)}=2-{\left|{\mathrm{\μ}}_{w^{\′}}^{(t+1,0)}\right|}^2---\left(28\right)$

其中

$L_1=\exp \left(\frac{{\mathrm{LLR}}_{2w^{\′}-1}^{(t+1)}}{2}\right),L_2=\exp \left(\frac{{\mathrm{LLR}}_{2w^{\′}}^{(t+1)}}{2}\right)---\left(29\right)$

全迭代和局部迭代主要的区别为：全局迭代不用和直接校正和而是用和计算出相应的后完成软输入软输出译码，得到后再重建和

四，预设迭代模式。

系统需要预先设定最大迭代次数和每次迭代的类型，即选择局部迭代还是全局迭代。前几次迭代推荐选择局部迭代，最后一次迭代必须为全局迭代。推荐迭代模式为，8次局部迭代+3次全局迭代。

Claims (6)

1.一种多波束移动卫星通信系统多用户联合迭代检测译码方法，所述方法利用基于因子图的消息传递方法，具体步骤为：

A.根据干扰信号的概率分布和信道状态信息，利用基于因子图的分布式消息传递算法估计发送符号的后验概率分布；

B.通过局部迭代更新发送符号的后验概率分布；

C.通过全局迭代更新发送符号的后验概率分布；

D.每一次迭代更新发送符号的后验概率分布时，既可以选择局部迭代，也可以选择全局迭代，系统需要预先设定最大迭代次数和每次迭代的类型，即选择局部迭代还是全局迭代；

E.最后一次迭代必须为全局迭代，并对迭代过程中软输入软输出译码所得的编码比特的对数似然比进行判决，实现译码。

2.根据权利要求1所述的联合迭代检测译码方法，所述步骤A中利用基于因子图的分布式消息传递算法估计发送符号的后验概率分布，具体为：

假设所有发送符号相互独立且服从高斯分布，则所有干扰信号也相互独立且服从高斯分布。在初始化时将所有干扰信号的期望设为0、方差设为1；根据干扰信号的概率分布和信道状态信息，利用基于因子图的分布式消息传递算法估计每个发送符号的后验概率分布。

3.根据权利要求1所述的联合迭代检测译码方法，所述步骤B中局部迭代更新发送符号的后验概率分布，具体为：

利用所估计发送符号的后验概率分布直接校正干扰信号的概率分布，然后利用基于因子图的分布式消息传递算法更新发送符号的后验概率分布；所述过程为一次局部迭代更新发送符号的后验概率分布的过程。

4.根据权利要求1所述的联合迭代检测译码方法，所述步骤C中全局迭代更新发送符号的后验概率分布，具体为：

利用所估计发送符号的后验概率分布计算相应编码比特的对数似然比，并进行软输入软输出译码校正相应编码比特的对数似然比，然后利用经过校正的编码比特的对数似然比重建相应发送符号的后验概率分布，再利用重建后的发送符号的后验概率分布校正干扰信号的概率分布，最后利用基于因子图的分布式消息传递算法更新发送符号的后验概率分布；所述过程为一次全局迭代更新发送符号的后验概率分布的过程。

5.根据权利要求1所述的联合迭代检测译码方法，所述步骤D中迭代更新发送符号的后验概率分布，具体为：

系统预先设定最大迭代次数和每次迭代的类型，即每次迭代选择局部迭代还是全局迭代。前几次迭代推荐选择局部迭代，最后一次迭代必须为全局迭代。

6.根据权利要求1所述的联合迭代检测译码方法，所述步骤E中对软输入软输出译码所得的编码比特的对数似然比进行判决，具体为：

最后一次迭代必须为全局迭代，运算过程中只需要完成软输入软输出译码即可。通过对软输入软输出译码所得的编码比特的对数似然比进行判决，实现译码。