CN106603201B - 一种基于采样点处理的多用户联合检测方法 - Google Patents
一种基于采样点处理的多用户联合检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于采样点处理的多用户联合检测算法。包括输入接收采样点序列、等效信道系数和噪声方差；进行第m次迭代，计算比特值的均值和方差；计算比特值到采样节点传递消息的均值和方差；计算采样节点的均值和方差；计算采样节点到比特值传递消息的均值和方差；更新比特值的均值和方差；计算比特值的似然信息；多用户检测器输出的似然信息作为译码器的输入，译码器输出外信息，计算比特值第m+1次迭代的取值概率；进行第m+1次迭代；根据的正负进行比特判决，如果则bi＝1；否则bi＝‑1。本发明避免了传统符号级检测器从采样值向符号值转化过程引起的信息量损失，有效降低干扰消除算法的计算复杂度和提高干扰消除的性能。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于采样点处理的多用户联合检测方法。
背景技术
卫星移动通信系统中采用了码分多址(CDMA)技术，处在卫星波束覆盖下的不同用户可以同时向卫星发送信号。CDMA系统给不同用户分配不同的扩频码，这些码字自相关性强，且互相关值小，可实现多个用户共享时频资源。在卫星移动通信系统上行链路中，由于不同用户的扩频码不完全正交，不同用户的信号相互干扰，即多址干扰(MAI)。多址干扰会引起远近效应，也就是功率大的信号抑制功率小的信号。即使采用了完美的功率控制技术，当用户数增加时MAI也会随之增加，最终淹没期望用户的信号。因此，有必要在接收端采用多用户检测技术消除其他用户的干扰。
1986年，Verdu针对高斯白噪声(AWGN)信道，提出了最优多用户检测算法——最大似然序列估计算法，该算法不但需要很多信息，包括每个用户是否工作、定时和相位同步、扩频序列、功率和信道条件，而且该算法的运算复杂度是关于用户总数程指数增长，当用户数量很多时，是难以实现的，因此该算法只有理论上的意义。1989年，R.Lupas采用基于矩阵求逆的简单方法，在忽略噪声情况下，可以全部消除干扰，缺点是低信噪比时，会放大噪声，检测性能下降。为了克服这个问题，U.Madhow在1994年对矩阵求逆作了改进，向矩阵加一个噪声项再求逆，估计出的序列和发送序列的均方误差最小。最优检测器计算次数随用户总量程指数增长，R.Lupas和U.Madhow提出的方法都涉及矩阵求逆，计算次数随用户数三次方增长，实现复杂度有明显的下降，但是依然很高。另外，这些算法都是在符号级上作干扰消除，首先对基带信号按p倍码片速率采样得到采样序列，其次对采样序列匹配滤波并对其输出按码片速率采样得到码片值，然后对码片值进行解扩得到带干扰的符号值，将其作为多用户检测算法的输入，算法最终输出干扰消除后的符号值。
传统多用户检测器是先从采样值获得符号值，然后在符号级上进行多用户干扰消除。对于单用户系统，采用匹配滤波方法从采样值获得符号值是最佳的接收方法。但对于多用户系统，存在多址干扰的情况下，就不再是最佳的，得到的符号值也不是各个用户原始信息比特的充分统计量。另外，如果对基带信号采样是存在偏差，解扩环节对码片值进行累加合并，会放大采样偏差，因此符号级检测器在采样值向符号值转化的过程会有较大的信息量损失，导致检测性能不是最优的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于采样点处理的多用户联合检测算法，针对采用二进制相移键控的CDMA系统，该系统的模型为r＝Hb+n，其中n为高斯白噪声；其特征在于，所述算法在已知等效信道系数H和方差的情况下，根据接收采样点序列r，估计发送比特值向量b，其具体步骤为：
步骤1、输入接收采样点序列r，等效信道系数H，噪声方差初始化，采样节点rj到比特值bi传递消息的初始均值采样节点rj到比特值bi传递消息的初始方差μ(0)(bi)＝1/2；比特值bi为发送比特值向量b的第i个比特值，i＝1,2,…,N,N为比特值的个数；采样节点rj为接收采样点序列r的第j个采样值，j＝1,2,…,P,P为采样值的个数；
步骤2、进行第m次迭代，计算比特值bi的均值和方差m＝1,2,…,M，M为迭代次数；
步骤3、计算比特值bi到采样节点rj传递消息的均值和方差
步骤4、计算采样节点rj的均值和方差
步骤5、计算采样节点rj到比特值bi传递消息的均值和方差
步骤6、更新比特值bi的均值和方差；
步骤7、计算比特值bi的似然信息bi是比特值，表示1或者-1两种状态；而表示两种不同状态的概率比值，再取对数；
步骤8、输出似然信息作为译码器的输入，译码器输出外信息L(bi)，计算比特值bi第m+1次迭代的取值概率
为比特值的取值集合；
步骤9、令m＝m+1，返回步骤2；直至m+1＞M，结束所有迭代；
步骤10、根据的正负进行比特判决，如果则bi＝1；否则bi＝-1。
所述步骤2中比特值bi的均值和方差为
其中，αS是取自集合里的元素是比特值1和-1，μ(m)(bi)(bi＝αS)表示比特值αS的概率。
所述步骤3中比特值bi到采样节点rj传递消息的均值和方差为
hj,i表示信道系数，即模型r＝Hb+n中矩阵H的第i行第j列的元素，i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,P
所述步骤4中采样节点rj的均值和方差为
yj表示模型r＝Hb+n中列向量r的第j个元素，j＝1,2,…,P；
所述步骤5中采样节点rj到比特值bi传递消息的均值和方差为
步骤6中更新后的比特值bi的均值和方差为
所述步骤7中比特值bi的似然信息为更新前后似然信息的差值：
其中为更新后似然信息，为更新前似然信息；
更新前似然信息为：
更新后的似然信息为
其中，表示第m-1次迭代时，比特值的取值概率；表示第m次迭代时，比特值的取值概率；并且i＝1,2,…,N；其中，
表示变量bi的服从均值为方差为的复高斯密度分布，即：
有益效果
本发明针对异步CDMA系统设计了采样级的多用户联合检测方法，该方法直接基于采样序列进行多用户干扰消除，避免了传统符号级检测器从采样值向符号值转化过程引起的信息量损失。该方法是基于因子图的近似消息传递迭代方法，近似的含义为将离散的符号值信号近似为高斯连续信号，将原本指数级的复杂度降低为用户总量的二次方，并把多用户检测方法和译码方法进行联合迭代；这是一个整体迭代全部软信息传播的采样级接收方案。本发明适用于非正交接入的多用户通信系统，能有效降低干扰消除方法的计算复杂度和提高干扰消除的性能。
附图说明
图1是本发明方法的步骤流程图。
图2是本发明所述的异步CDMA上行基带发送模型。
图3是本发明所述的基于采样点接收模型。
图4是本发明具体实例的仿真结果图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，步骤流程图如图1所示。异步CDMA上行基带发送模型如附图2所示，K个用户的信息比特各自独立编码，编码比特经过交织，接着直接序列扩频，经历随机的延时后，成形采用升余弦滤波，之后送入高斯白噪声信道，最后所有信号在接收端叠加形成一路接收信号。
异步CDMA上行链路基带接收模型为：
其中K表示有K个用户，M′表示每个用户有M′个信息比特，T为一个比特码元的持续周期，bk[m′]表示第k个用户的第m′个信息比特，取值{+1,-1}，τk表示第k个用户的延迟，取值[0，T]，并且假设τ1<τ2<…<τk，n(t)是零均值的高斯白噪声，其双边功率谱密度为σ2/2。sk(t)是第k个用户的扩频波形
其中，N′是扩频增益，TC是一个码片的持续周期，sj,k是gold扩频序列，是升余弦波形。
基于采样点接收的方案如附图3所示，对接收信号按p倍的码片速率采样，采样间隔Δ＝TC/p，则一个比特码元的总采样点数为P＝pN，令表示最大延迟l个比特码元周期，表示向上取整。假设各个用户的相对延迟限制在一个比特码元范围内，即l＝1，则第i个比特码元的第q个采样值为
令
则
引入下列记号
以及
j＝-1,0,1,则(4)式的矩阵形式
其中，代表卷积，将m′个抽样向量r[i]堆栈，得到以及
其中为书写简明，省略式(5)的下标i,则(5)式写为
r＝Hb+n (6)
上式反映了在有噪声情况下，所有用户原始发送比特值和所有用户混合叠加信号的采样点之间的关系。
针对异步CDMA系统，该系统中每个用户比特首先turbo编码，交织后采用gold序列进行16倍的直接序列扩频，经历不同的延时后，采用升余弦滤波，之后送入高斯白噪声信道，最后所有信号在接收端形成一路信号r(t)。
在接收端，对r(t)按8倍的码元速率进行过采样，将该采样值直接送入多用户检测器进行干扰消除，步骤如下：
步骤1、迭代方法初始化阶段，
步骤2、计算所有比特值bi的均值和方差
步骤3、计算从比特bi到采样节点rj传递消息的均值和方差
步骤4、计算采样节点的均值和方差
步骤5、计算采样节点rj到比特点xi传递消息的均值和方差
步骤6、更新比特值的均值和方差
步骤7、计算比特值bi的似然信息
比特值bi的似然信息为更新前后似然信息的差值：
其中为更新后似然信息，为更新前似然信息；
更新前似然信息为：
更新后的似然信息为
其中，表示第m-1次迭代时，比特值的取值概率；表示第m次迭代时，比特值的取值概率；并且i＝1,2,…,N；其中，
表示变量bi的服从均值为方差为的复高斯密度分布，即：
步骤8、检测器的似然信息作为turbo译码器的输入，译码器输出外信息L(xi)，计算符号值xi第m+1次的取值概率
步骤9、回到步骤2，进行下一次迭代。
附图4是该例子针对1到15个用户干扰消除的仿真ber曲线。
Claims (7)
1.一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，针对采用二进制相移键控的CDMA系统，该系统的模型为r＝Hb+n，其中n为高斯白噪声；其特征在于，所述方法在已知等效信道系数H和方差的情况下，根据接收采样点序列r，估计发送比特值向量b，其具体步骤为：
步骤1、输入接收采样点序列r，等效信道系数H，噪声方差初始化，采样节点rj到比特值bi传递消息的初始均值采样节点rj到比特值bi传递消息的初始方差μ(0)(bi)＝1/2；比特值bi为发送比特值向量b的第i个比特值，i＝1,2,…,N,N为比特值的个数；采样节点rj为接收采样点序列r的第j个采样值，j＝1,2,…,P,P为采样值的个数；
步骤2、进行第m次迭代，计算比特值bi的均值和方差m＝1,2,…,M，M为迭代次数；
步骤3、计算比特值bi到采样节点rj传递消息的均值和方差
步骤4、计算采样节点rj的均值和方差
步骤5、计算采样节点rj到比特值bi传递消息的均值和方差
步骤6、更新比特值bi的均值和方差；
步骤7、计算比特值bi的似然信息bi是比特值，表示1或者-1两种状态；似然信息表示两种不同状态的概率比值的对数；
步骤8、输出似然信息作为译码器的输入，译码器输出外信息L(bi)，计算比特值bi第m+1次迭代的取值概率
为比特值的取值集合；
步骤9、令m＝m+1，返回步骤2；直至m+1＞M，结束所有迭代；
步骤10、根据的正负进行比特判决，如果则bi＝1；否则bi＝-1。
2.根据权利要求1所述的一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，其特征在于，所述步骤2中比特值bi的均值和方差为
其中，αS是取自集合 里的元素是比特值1和-1，μ(m)(bi)(bi＝αS)表示比特值αS的概率。
3.根据权利要求1所述的一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，其特征在于，所述步骤3中比特值bi到采样节点rj传递消息的均值和方差为
hj,i表示信道系数，即模型r＝Hb+n中矩阵H的第i行第j列的元素，i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,P
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4.根据权利要求1所述的一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，其特征在于，所述步骤4中采样节点rj的均值和方差为
yj表示模型r＝Hb+n中列向量r的第j个元素，j＝1,2,…,P；
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5.根据权利要求1所述的一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，其特征在于，所述步骤5中采样节点rj到比特值bi传递消息的均值和方差为
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6.根据权利要求1所述的一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，其特征在于，步骤6中更新后的比特值bi的均值和方差为
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7.根据权利要求1所述的一种基于采样点处理的多用户联合检测方法，其特征在于，所述步骤7中比特值bi的似然信息为更新前后似然信息的差值：
其中为更新后似然信息，为更新前似然信息；
更新前似然信息为：
更新后的似然信息为
其中，表示第m-1次迭代时，比特值的取值概率；表示第m次迭代时，比特值的取值概率；并且 其中，
表示变量bi的服从均值为方差为的复高斯密度分布，即：
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2016
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Patent Citations (2)
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