CN106506115B - 基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置与方法。本发明采用基于IDMA的自由空间激光通信发射与接收系统模型，信号在发射机经过前向编码器编码、交织器交织并调制后发射，在接收机中通过ESE和DEC解码器，利用最优贝叶斯多用户软检测算法，更新接收信号的先验信息，降低多用户干扰，对信号实现迭代软解调。本发明装置包括基于IDMA的自由空间激光通信发射机与接收机两部分。本发明对多用户干扰有良好的抑制效果，并在一定程度上抵抗大气湍流的影响，可广泛运用到物联网组网高速数据传输场景中。

Description

基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置与方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置与方法。

背景技术

自由空间光通信又称无线光通信，它以不可见的激光为载体，在大气或者真空信道中实现点对点，点对多点或者多点对多点的信息传输的双向通信技术，其光波的频率在太赫兹的光谱范围内。自由空间光通信是光纤通信和射频通信相结合的产物，兼有射频通信与光纤通信的特点，与射频通信相比，自由空间光通信无需频率许可证和昂贵的使用费，带宽资源丰富，数据传输速率高，激光定向性好具有内在的保密性与抗干扰性，系统安全性高。与光纤通信相比，自由空间光通信能提供与光纤相近的速率，但它无需铺设光缆及维护费用，建网方便灵活，总体造价低，部署周期短。除此之外，FSO系统克服了铜线进户带宽窄与速率低等缺点，是宽带“最后一公里”的优选解决方案。

在空间光通信研究中，增强多用户信息传输能力实现高速大容量通信系统是未来研究关注的一个重要方向。但是多用户通信系统随着系统用户数的增加，多址干扰或多用户干扰(MAI)就成为系统的主要干扰，当系统用户数目较大时，系统的接收检测复杂度非常高。码分多址是一种重要的多用户系统接入方式，近年来激光CDMA技术被用于空间高速多用户通信网络研究中，其主要采用光正交码区分用户，虽然光正交码具有良好的自相关和互相关特性,但只能提供较少的码容量。另外由于CDMA扩频码选取很难保证各用户之间的信号能够严格正交，多用户干扰成为影响系统性能主要因素。在对CDMA系统进行研究的过程中，Li Ping等人提出了交织多址接入技术(IDMA)，相比CDMA系统，它通过不同的交织器来区分用户，利用扩频码扩展频谱并降低码率，避免了设计正交扩频地址码的复杂性，简化了系统结构，IDMA可认为是CDMA的一个特例，但它可以有效抑制MAI，提高系统性能与容量。IDMA接收端基于软输入软输出迭代检测算法与最优多用户检测算法，实现对多个用户信息的有效恢复和接收，并且可以逼近单用户接收性能，另外能够有效克服系统的远近效应，大大提高系统容量。

多用户通信技术是未来实现无线通信系统的关键技术之一，实现光通信多用户传输技术也是未来光通信发展方向之一。OCDMA采用光正交码区分用户，实现多址接入，但是系统实现复杂度高，多接入干扰严重，严重限制了系统性能与应用。相比CDMA系统，OIDMA系统利用不同的交织器来区分用户，降低了系统的复杂度，有效地克服系统的远近效应。

本发明主要基于Laguerre信道模型，在发送端采用PPM调制情况下，构建了IDMA多用户自由空间激光通信系统框架，并推导了基于最优贝叶斯的多用户软检测算法。从仿真结果中可以看出，本算法对多用户干扰有良好的抑制效果，并在一定程度上抵抗大气湍流的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置与方法。

本发明提出的基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置，采用基于串行级联检测的单用户激光通信发射机与基于串行级联检测的单用户激光通信接收机；其中：

所述基于串行级联检测的单用户激光通信发射机，包括前向编码器FEC、交织器Π、调制器与激光器；原始比特流经过前向编码器FEC进行前向编码，随后通过交织器Π进行信号的随机交织，接着通过调制器将交织码片序列映射为时隙序列，用于驱动激光器并通过信道形成发射信号；

所述基于串行级联检测的单用户激光通信接收机，包括接收孔径、光滤波器、光子分辨率计数器PNRD以及由基本信号检测ESE、交织器/解交织器、译码器DEC组成的迭代检测译码模块；接收的信号经过接收孔径、光滤波器以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列；迭代检测译码模块中的基本信号检测ESE用于实现对接收光信号的解调，初始用户的先验信息为0，利用输入时隙光子数测量值，计算输出码片外信息；译码器DEC为基于SISO的译码器，实现FEC编码的解码过程，最终输出为比特后验对数似然比；迭代检测译码模块中交织器与解交织器用于实现解调/译码的迭代过程中码片之间外信息交换，进行交织与解交织工作，进行一定迭代次数后完成用户数据检测；基本信号检测ESE中采用基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测算法。

所述基于IDMA的自由空间激光通信发射机，其结构如图1所示。设发送端有K个用户，每个用户的发射机中交织器Π是唯一的，第k个用户的传输比特流{b_k(i)；i＝1,2,...,I_bit}经过前向编码器FEC编码得{c_k(i)；i＝1,2,...,I_chip}，再经过交织器Π得到码片序列{Π_k(i)；i＝1,2,...,I_chip}，之后经过调制器映射为时隙序列{s_k(i)；i＝1,2,...,I_chip}，时隙序列驱动激光器发送激光脉冲信号，最后经过信道H_K×1发送出去。

发射机支持k个用户的多通道码流合并传输，每个用户的信号基于IDMA系统进行PPM调制。

基于IDMA的自由空间激光通信接收机，其结构如图2所示。根据自由空间信道模型，以Laguerre分布为信道建模。

在接收机端，K个用户的激光信号经过接收孔径，光滤波器，以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列r。根据用Laguerre信道模型，PNRD的输出光子数量满足Laguerre分布，在时隙时间(0,T_slot)内接收端的接收场包括光信号、背景辐射与高斯白噪声，这样的复合信号通过光滤波器后再通过量子效率为η、暗计数为υ、理想光子数分辨率的PNRD进行光子计数，假设接收机中的光滤波器带宽为2B，时隙时间T_slot内计数的输出为r的概率密度函数为：

其中，计数维数D＝2BT_slot，λ＝n_s·I·s+n_b为接收端输入信号平均光子数，I为接收光信号强度，为发送光脉冲时等效发送光子数，P_T为交织码片为“1”的信号功率，h为普朗克常数，f为光子频率，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，P_b为背景光平均功率。

而PNRD输出的第m个符号的第i时隙内平均光子数为λ_m,i：

其中，为第k个用户的第m符号的第i个发送时隙的光时隙信号值，η为量子效率，n_s为发送光脉冲时等效发送光子数，I_k为第k个用户到达接收端的信道光衰落强度，n_b为等效背景辐射光子数，υ为暗计数。

PNRD首先输出1×l_slot维接收光子数序列r，基本信号检测ESE根据接收光子数序列r与本次K个用户的交织比特先验软信息矩阵进行多用户检测/软解调，得到交织比特外信息矩阵后续进行的解交织器的解交织、译码器的译码以及交织器的交织过程是各自相互独立的、并行处理机制，译码器输出K个用户码片外信息，经交织器进行交织，得到下一次迭代的交织码片先验信息ESE在下一次迭代过程中利用初次数据块检测的结果r和更新的值，进行一定迭代次数后完成多用户数据接收。

接收机的ESE中采用基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测算法，具体流程如下：

对应于Q-ary PPM调制下的OB–MUD算法，第k个用户的第m个符号对应的码片集合为所以K个用户的第m个符号集合为{π_1,m,π_2,m,...,π_K,m}，第k个用户的第m符号对应的时隙集合为K个用户的第m个符号对应的时隙集合为{s_1,m,s_2,m,...,s_K,m}。假设发射光源的空间分布近似独立，各个用户的时隙之间无相关性，同样因为交织的置乱作用，各个用户的码片之间也是不相关性的，记为第m符号的第q个交织码片的K个用户码片信息组合，记第m符号的K个用户符号信息组合后续讨论中下标m省略。

ESE中的外软值信息为：

其中， 代表矢量v^q消去元素的子向量，定义相应的符号集合变为

第k个用户对应码片集经Q-ary PPM映射为Q个时隙将时隙索引1到Q对应的K个用户时隙分别以矢量进行标记，有：

则式(3)变换为：

这里，

D₀和D₁分别表示码片与时对应的时隙值集合，和分别表示码片取1或者0的时候对应的时隙为1的位置i集合，为码片集π_k去掉的集合。

根据假设传输信道为无记忆信道，以及码片之间是近似无相关性，则条件概率项可写成：

信道矩阵为H，根据Laguerre的PNRD的光子计数过程中的P(rⁱ|slot_i)可表示为：

其中，与分别表示第i个时隙时间内第k个用户的时隙信号为0和1的PNRD输出端的平均光子数，根据Laguerre多项式的近似表达式的推导并结合先验信息的推导公式，可得到更细化的ESE的外似然对数比信息表达式，如下所示：

其中，

根据Jacabian原理，上式可以简化为求最大值算法：

根据上述内容，本发明提供的基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的方法，其步骤归纳如下：采用基于IDMA的自由空间激光通信发送与接收系统模型，信号在发射机经过前向编码器编码、交织器交织并调制后发射，在接收机中通过ESE和DEC解码器，利用最优贝叶斯多用户软检测算法，更新接收信号的先验信息，降低多用户干扰，对信号实现软解调。本发明方法能够在多用户系统中提升用户的抗干扰能力。

上述方法中，所述的基于IDMA的自由空间激光通信发射系统模型，是针对多用户场景，各用户使用独立的交织器，每个用户的交织图案是唯一的，为每个用户的标识。

上述方法中，所述的基于IDMA的自由空间激光通信接收系统模型，用户接收机先进行PNRD解调，然后进行IDMA信号软解调，通过ESE与DEC解码器的迭代更新，获得接收信号。

本发明主要针对多用户激光通信下行链路，提出一种基于IDMA自由空间激光通信系统，其中应用本发明中所述的最优贝叶斯多用户软检测算法，更新接收信号的先验信息，降低干扰，对信号实现软解调。仿真结果表明，该接收机在对多用户干扰有良好的抑制效果，并在一定程度上抵抗大气湍流的影响。

本发明优点：

(1)基于最优贝叶斯的多用户软检测接收机能够降低多用户的干扰，在较重负载的系统中具有较好的性能；

(2)基于最优贝叶斯的迭代接收机使用了迭代软解调的接收方法，其接收复杂度较低；

(3)所述的最优贝叶斯检测算法，能够很好地适应IDMA系统用户容量大、有效克服系统的远近效应，抑制多用户干扰的特点；

(4)所述的接收机有效提高多用户系统中单用户的抗干扰能力，接近单用户系统接收性能。

附图说明

图1为基于IDMA的自由空间激光通信发射机结构。

图2为基于IDMA的自由空间激光通信接收机结构。

图3为基于最优贝叶斯的多用户软检测算法的ESE模块结构。

图4为Laguerre信道下系统分别在2 4 8调制阶数下的误码率性能。

图5为Laguerre信道下系统分别在弱湍流与强湍流下误码率性能。

图6为Laguerre信道下系统分别在2 3 4 6用户数下的误码率性能。

具体实施方式

本发明提出的基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的方法，具体步骤如下：

如图1所示，发射端有K个用户，信道通过Laguerre光子计数信道建模。系统采用Q-ary PPM编码的IDMA自由空间激光通信接收机进行蒙特卡洛仿真，比较在不同程度大气湍流程度信道条件下系统的性能，同时仿真了不同用户数量下系统的性能。

图4给出了不同调制阶数下多用户自由空间激光通信系统的误码率与算法迭代次数，从图中可以分析出采用更高阶的PPM调制系统的误码率低，系统性能更加可靠，而且基于最优贝叶斯算法的多用户系统BER收敛快。

图5给出了在4-ary PPM调制下，用户数为2，码率为1/4，理想PNRD情况下，系统受到不同湍流程度的影响下的性能。从图中可以看出，随着湍流程度的增加，湍流信道的性能比无衰落系统的性能略有下降，表明湍流效应是影响基于光子计数无线激光通信系统的主要因素之一。

图6给出了不同用户数量下基于光子计数的自由空间激光通信系统性能，采用清空大气环境，无衰落，理想PNRD。图示结果表明基于Laguerre信道模型下，多用户的系统性能依然较为优秀。

由以上的仿真可知，使用最优贝叶斯检测算法使基于IDMA自由空间激光通信系统能够对多用户干扰起到有效的抑制效果，迭代带来的收敛速度较快，提高了系统的抗干扰能力。

Claims (1)

1.一种基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置，其特征在于，采用基于串行级联检测的单用户激光通信发射机与基于串行级联检测的单用户激光通信接收机；其中：

所述基于串行级联检测的单用户激光通信发射机，包括前向编码器FEC、交织器Π、调制器与激光器；原始比特流经过前向编码器FEC进行前向编码，随后通过交织器Π进行信号的随机交织，接着通过调制器将交织码片序列映射为时隙序列，用于驱动激光器并通过信道形成发射信号；

所述基于串行级联检测的单用户激光通信接收机，包括接收孔径、光滤波器、光子分辨率计数器PNRD以及由基本信号检测ESE、交织器/解交织器、译码器DEC组成的迭代检测译码模块；接收的信号经过接收孔径、光滤波器以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列；迭代检测译码模块中的基本信号检测ESE用于实现对接收光信号的解调，初始用户的先验信息为0，利用输入时隙光子数测量值，计算输出码片外信息；译码器DEC为基于SISO的译码器，用于实现前向编码器FEC编码的解码过程，最终输出为比特后验对数似然比；迭代检测译码模块中交织器与解交织器用于实现解调/译码的迭代过程中码片之间外信息交换，进行交织与解交织工作，进行一定迭代次数后完成用户数据检测；

基本信号检测ESE中采用基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测算法；

基于IDMA的自由空间激光通信发射机中，设发送端有K个用户，每个用户的发射机中交织器Π是唯一的，第k个用户的传输比特流{b_k(i)；i＝1,2,...,I_bit}经过前向编码器FEC编码得{c_k(i)；i＝1,2,...,I_chip}，再经过交织器Π得到码片序列{Π_k(i)；i＝1,2,...,I_chip}，之后经过调制器映射为时隙序列{s_k(i)；i＝1,2,...,I_chip}，时隙序列驱动激光器发送激光脉冲信号，最后经过信道H_K×1发送出去；

发射机支持k个用户的多通道码流合并传输，每个用户的信号基于IDMA系统进行PPM调制；

基于IDMA的自由空间激光通信接收机中，根据自由空间信道模型，以Laguerre分布为信道建模；

在接收机端，K个用户的激光信号经过接收孔径，光滤波器，以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列r；根据用Laguerre信道模型，光子分辨率计数器PNRD的输出光子数量满足Laguerre分布，在时隙时间(0,T_slot)内接收端的接收场包括光信号、背景辐射与高斯白噪声，这样的复合信号通过光滤波器后再通过具有量子效率为η、暗计数为υ、理想光子数分辨率的光子分辨率计数器PNRD进行光子计数；

假设接收机中的光滤波器带宽为2B，时隙时间(0,T_slot)内计数的输出为r的概率密度函数为：

其中，计数维数D＝2BT_slot，λ＝n_s·I·s+n_b为接收端输入信号平均光子数，I为接收光信号强度，为发送光脉冲时等效发送光子数，P_T为交织码片为“1”的信号功率，h为普朗克常数，f为光子频率，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，P_b为背景光平均功率；

光子分辨率计数器PNRD输出的第m个符号的第i时隙内平均光子数为λ_m,i：

其中，为第k个用户的第m符号的第i个发送时隙的光时隙信号值，η为量子效率，n_s为发送光脉冲时等效发送光子数，I_k为第k个用户到达接收端的信道光衰落强度，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，υ为暗计数；

光子分辨率计数器PNRD首先输出1×l_slot维接收光子数序列r，基本信号检测ESE根据接收光子数序列r与本次K个用户的交织比特先验软信息矩阵进行多用户检测/软解调，得到交织比特外信息矩阵后续进行的解交织器的解交织、译码器的译码以及交织器的交织过程是各自相互独立的、并行处理机制，译码器输出K个用户码片外信息，经交织器进行交织，得到下一次迭代的交织码片先验信息ESE在下一次迭代过程中利用初次数据块检测的结果r和更新的值，进行一定迭代次数后完成多用户数据接收；

接收机的ESE中采用基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测算法，具体流程如下：

对应于Q-ary PPM调制下的OB–MUD算法，第k个用户的第m个符号对应的码片集合为所以K个用户的第m个符号集合为{π_1,m,π_2,m,...,π_K,m}，第k个用户的第m符号对应的时隙集合为K个用户的第m个符号对应的时隙集合为{s_1,m,s_2,m,...,s_K,m}；假设发射光源的空间分布近似独立，各个用户的时隙之间无相关性，同样因为交织的置乱作用，各个用户的码片之间也是不相关性的，记为第m符号的第q个交织码片的K个用户码片信息组合，记第m符号的K个用户符号信息组合后续描述中下标m省略；

ESE中的外软值信息为：

其中， 代表矢量v^q消去元素的子向量，定义相应的符号集合变为

第k个用户对应码片集经Q-ary PPM映射为Q个时隙将时隙索引1到Q对应的K个用户时隙分别以矢量进行标记，有：

则式(3)变换为：

这里，

D₀和D₁分别表示码片与时对应的时隙值集合，和分别表示码片取1或者0的时候对应的时隙为1的位置i集合，为码片集π_k去掉的集合；

根据假设传输信道为无记忆信道，以及码片之间是近似无相关性，则条件概率项写成：

信道矩阵为H，根据Laguerre的PNRD的光子计数过程中的P(rⁱ|slot_i)表示为：

其中，与分别表示第i个时隙时间内第k个用户的时隙信号为0和1的光子分辨率计数器PNRD输出端的平均光子数，根据Laguerre多项式的近似表达式的推导并结合先验信息的推导公式，得到更细化的ESE的外似然对数比信息表达式为：

其中，

根据Jacabian原理，上式简化为求最大值算法：