CN106936544B - 基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法 - Google Patents

基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了直升机卫星通信技术领域中一种基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法。首先建立联合信道检测、相位恢复和译码系统，在发送端均匀插入参考符号，在接收端接收信号，锁相环电路处理接收信号，初始化发送符号概率分布、相位状态概率分布和先验遮挡比例；经过锁相环电路处理后的信号输入至信道检测器和相位恢复器中，通过建立马尔科夫模型，进行信道检测；并确定遮挡区间；本发明中系统对于遮挡比例动态变化的自适应能力强，方法结果表明其误码率性能曲线十分接近已知信道状态下的解调译码算法，保障了直升机卫星通信的可靠性。

Description

基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法
技术领域
本发明属于直升机卫星通信技术领域，特别涉及一种基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法。
背景技术
目前，直升机常使用短波和超短波进行通信，然而短波通信易受到环境的影响，超短波通信的通信距离有限，这些因素均限制了直升机的工作能力，无法充分发挥直升机机动、灵活的优势。而直升机卫星通信充分利用了卫星通信的特点，具有适应能力强、通信距离远、覆盖范围大等特点，在军事、民事等各个领域发挥了十分关键的作用。在直升机卫星通信系统中，机载通信设备为了不影响机体平衡一般安装在旋翼之下，这种安装方式导致直升机卫星通信信号受到旋翼遮挡的影响，对载波同步提出了新的挑战。
针对旋翼遮挡通信信号的问题，传统的载波同步方法在实现载波相位恢复时，会因为旋翼遮挡而无法稳定工作，给信号恢复带来难题。同时在直升机实际飞行中，其旋翼遮挡比例存在动态变化，导致译码性能下降。直升机卫星通信系统中传统解调译码方法是将信道检测、相位恢复和译码单独进行，而将上述步骤联合迭代能够获得更优越的性能。综上，本发明重点研究直升机卫星通信系统中旋翼遮挡比例自适应方法及联合信道检测、相位恢复和译码系统及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法；首先建立联合信道检测、相位恢复和译码系统，该系统包括为在接收端，采用锁相环电路、信道检测器、相位恢复器、遮挡比例自适应器、解调器、解交织器及译码器连接组成的接收端，并对接收信号进行处理；在发送端，采用编码器、交织器、参考符号插入器和调制器串联组成卫星通信发送系统，使用短波和超短波进行通信；其特征在于，接收端对信号处理步骤如下：
步骤1，接收端接收信号；锁相环电路处理接收信号，初始化发送符号概率分布、相位状态概率分布和先验遮挡比例；
步骤2，将经过锁相环电路处理后的信号输入至信道检测器和相位恢复器中，通过建立马尔科夫模型，进行信道检测；
步骤3，信道检测结果输入至遮挡比例自适应器中，采用互相关方法，判定遮挡比例与遮挡区间；
步骤4，遮挡比例自适应器将结果输入至相位恢复器中，进行相位恢复；相位恢复器输出检测结果；
步骤5，计算对数似然比序列；
步骤6，依次通过解调器、解交织器及译码器，解调、解交织及输入译码器进行译码迭代，得到处理结果；
步骤7，根据消息传递算法检测发送符号相位状态，交织及更新发送符号相位概率分布；进入步骤8输出译码结果；或返回步骤3，重复步骤3‐7，直到满足迭代次数；
步骤8，输出译码结果。
所述步骤1初始化中先验遮挡比例，初始化发送符号概率分布及符号相位概率分布的具体步骤为，假设先验遮挡比例为P，接收到符号个数为N，定义接收的第k个符号中的k＝1…N，并采用QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)调制，定义观测函数节点为f、信道状态变量节点为A、马尔科夫链模型中的信道转移函数节点为Δ、相位状态变量节点为θ、发送符号变量节点为x、符号映射函数节点为φ；同时定义表示从发送符号变量节点xk到观测函数节点fk传递的消息，定义表示从符号映射函数节点φk到发送符号变量节点xk传递的消息，定义表示从相位状态变量节点θk到观测函数节点fk传递的消息，则
其中表示QPSK调制符号集合，表示导频符号索引集合，表示对应位置已知的导频符号，表示在已知导频符号的情况下，其相位在对应的相位上概率为1，其他相位为0；其中QPSK调制为正交相移键控调制。
所述步骤2，建立马尔科夫模型，进行信道检测的具体步骤为：
步骤2.1，对于k＝1…N，假设当信号不被遮挡时Ak＝Ao，当信号被遮挡时Ak＝Af，定义表示从观测函数变量节点fk到信道状态变量节点Ak传递的消息，执行以下步骤更新
其中σ2为信道中复高斯噪声的方差；
步骤2.2，对于k＝1…N，定义表示从信道转移函数节点Δ到与其右侧相邻的信道状态变量节点Ak传递的消息，由马尔科夫链信道转移特性，根据前一个信道转移函数节点Δ到与其右侧相邻的信道状态变量节点Ak-1传递的消息执行以下步骤更新前向消息
其中表示前向信道状态转移概率，P为先验遮挡比例；
步骤2.3，对于k＝1…N，定义表示从信道转移函数节点Δ到与其左侧相邻的信道状态变量节点Ak传递的消息，由马尔科夫链信道转移特性，可根据后一个信道转移函数节点Δ到与其左侧相邻的信道状态变量节点Ak+1传递的消息执行以下步骤更新反向消息
其中表示反向信道状态转移概率。
所述步骤3采用互相关方法，判定遮挡比例与遮挡区间；
步骤3.1，对于k＝1…N，定义表示第k个符号不被遮挡的概率，定义表示第k个符号被遮挡的概率，执行以下步骤计算和
步骤3.2，计算实际遮挡比例与遮挡区间；对每一个旋翼旋转周期，设定接收到符号数为M，定义函数h＝[1,1,…,1]且长度为P·M，对一个旋翼旋转周期内与h作互相关，求解结果曲线第一个与最后一个斜率变化点的横坐标a和b，其中b为遮挡区间的终点，执行以下步骤计算实际遮挡比例P'，
同时得到此旋转周期遮挡区间为[b-P'M,b]，依此对接收信号所有旋转周期进行执行此步骤计算遮挡区间，得到被遮挡的周期数H。
所述步骤4，相位恢复包括：
步骤4.1，对于i＝1…H，设定每次在非遮挡区内接收到的符号数为Li，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从观测函数节点到相位状态变量节点θi的消息为执行以下步骤更新
步骤4.2，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从相位状态变量节点θi到观测函数节点的消息为执行以下步骤更新
步骤4.3，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从观测函数节点到发送符号变量节点的消息为执行以下步骤更新
步骤4.4，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从发送符号变量节点到符号映射函数节点的消息为执行以下步骤更新
所述步骤5计算似然比序列的具体步骤：对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义表示从符号映射函数节点到发送符号变量节点传递的消息，执行以下步骤更新
其中
同时定义Q表示符号对应的编码比特序列比特数，对于编号i＝1…H，j＝1…Li，q＝1…Q，根据调制映射规则，计算其对应编码比特的对数似然比序列
其中表示符号对应的编码比特序列中第q个编码比特，为调制符号集合的子集，中的每个符号满足：对应的第q个编码比特取值为1，类似地，为调制符号集合的子集，中的每个符号满足：对应的第q个编码比特取值为0；是上一次迭代译码器输出的外信息，并将在本次迭代中更新。
所述步骤6解调、解交织及输入译码器进行译码迭代的具体步骤为将似然比序列进行解交织，输入LDPC(Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校验码)译码器进行译码迭代输出得到新的外信息序列和译码结果序列。
所述步骤7交织及更新发送符号概率分布的具体步骤为将得到的外信息序列进行交织，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
若满足迭代次数则执行步骤8，输出译码结果；否则执行以下步骤更新
其中
之后返回步骤3，重复步骤3至步骤7直到满足迭代次数，输出译码结果序列。
本发明的有益效果是本发明在发送端均匀插入参考符号，在接收端利用基于马尔科夫链的信道检测、相位恢复和译码迭代实现有保障的接收；本发明要优于未知信道状态解调译码算法2.6dB左右，优于未进行遮挡比例自适应解调译码算法0.3dB左右，且与理想解调译码算法只差0.2dB左右。
在直升机卫星通信系统中，由旋翼遮挡带来通信困难的情况下，首先根据先验遮挡比例建立基于马尔科夫链的信道通断模型，借助因子图工具进行信道检测即遮挡检测，判定实际遮挡比例与先验遮挡比例偏差和遮挡区间；之后根据遮挡检测结果建立相位恢复模型，借助因子图工具进行相位恢复；综合推导出联合信道检测、相位恢复和译码方法。通过仿真表明，在直升机卫星通信系统中，旋翼旋转的先验遮挡比例为10％，实际遮挡比例为15％的断续信道下，每16个符号插入2个参考符号，在误码率为1e‐4时。
附图说明
图1为基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法系统框图。
图2为基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法流程图。
图3为基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法信道检测因子图。
图4为基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法相位恢复因子图。
图5为基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法与各方法误码率比较图。
具体实施方式
本发明提出一种基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码系统及方法。图1为基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法系统框图。建立联合信道检测、相位恢复和译码系统，该系统包括为在接收端，采用锁相环电路、信道检测器、相位恢复器、遮挡比例自适应器、解调器、解交织器及译码器连接组成的接收端，并对接收信号进行处理；在发送端，采用编码器、交织器、参考符号插入器和调制器串联组成卫星通信发送系统，使用短波和超短波进行通信。
图2所示为基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法流程图。其包括以下步骤：
步骤1，接收端接收信号；锁相环电路处理接收信号，初始化发送符号概率分布、相位状态概率分布和先验遮挡比例；
步骤2，将经过锁相环电路处理后的信号输入至信道检测器和相位恢复器中，通过建立马尔科夫模型，进行信道检测；
步骤3，信道检测结果输入至遮挡比例自适应器中，采用互相关方法，判定遮挡比例与遮挡区间；
步骤4，遮挡比例自适应器将结果输入至相位恢复器中，进行相位恢复；相位恢复器输出检测结果；
步骤5，计算对数似然比序列；
步骤6，依次通过解调器、解交织器及译码器，解调、解交织及输入译码器进行译码迭代，得到处理结果；
步骤7，根据消息传递算法检测发送符号相位状态，交织及更新发送符号相位概率分布；进入步骤8输出译码结果；或返回步骤3，重复步骤3‐7，直到满足迭代次数；
步骤8，输出译码结果。
图3和图4所示为因子图模型，首先采用QPSK调制方式，初始化先验遮挡比例、从发送符号变量节点xk到观测函数节点fk传递的消息、从相位状态变量节点θk到观测函数节点fk传递的消息，并且初始化迭代次数为0。在规定的迭代次数内根据算法步骤进行消息传递、计算及更新，在满足迭代次数后，输出译码结果。本发明的原理及算法描述如下：
1)初始化：
初始设定迭代次数t＝1，设定先验遮挡比例值P，并对于编号k＝1…N，设置
在第t次迭代过程中，执行以下步骤：
2)建立马尔科夫模型，采用互相关方法，进行信道检测(如图2所示)，判定遮挡比例偏差与遮挡区间：
a)对于k＝1…N，执行以下步骤更新
b)对于k＝1…N，执行以下步骤更新前向消息
c)对于k＝1…N，执行以下步骤更新反向消息
d)对于k＝1…N，执行以下步骤计算和
e)计算实际遮挡比例与遮挡区间。每一个旋翼旋转周期内接收到M个符号，将长度为P·M的函数h＝[1,1,…,1]与作互相关，根据结果曲线得到第一个与最后一个斜率变化点的横坐标a和b，，执行以下步骤计算实际遮挡比例P'，
同时得到此旋转周期遮挡区间为[b-P'M,b]。依次对接收信号所有旋转周期进行执行此步骤计算遮挡区间，得到被遮挡的周期数H。
3)相位恢复：
a)对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
b)对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
c)对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
d)对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
4)计算似然比序列：
对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
其中
对于编号i＝1…H，j＝1…Li，q＝1…Q，计算其对应编码比特的对数似然比序列
5)解交织及输入译码器进行译码迭代：
将似然比序列进行解交织，输入LDPC译码器进行译码迭代输出得到新的外信息序列和译码结果序列(如图3所示)；
6)交织及更新发送符号概率分布：
将外信息序列交织，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
7)重复2)至7)直至满足迭代次数，输出译码结果。
实施例
以直升机卫星通信系统下的基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法为例(如图2、图3和图4所示)，本实施例的信道编码采用(2048,8192)的LDPC码，并且采用QPSK调制，每帧的长度为8192，同时采用伪随机交织的方式。在信道中采用非周期的遮挡模式，并随机设置遮挡位置，实际遮挡比例为15％，而先验遮挡比例为10％，并且假设遮挡会对信号带来相位模糊。为体现本发明的原理和优势，以下对仿真流程进行描述：采用LDPC码对发送比特进行编码；对编码比特交织；插入参考符号；根据QPSK映射规则进行映射得到发送符号序列；通过模拟直升机卫星通信信道，随机设置遮挡和相位模糊并加入噪声，得到接收符号序列；初始化先验遮挡比例、发送符号概率分布和符号相位概率分布；建立马尔科夫模型进行信道检测(如图3所示)，判定遮挡比例偏差与遮挡区间；对发送符号相位进行恢复(如图4所示)；通过消息传递及更新计算发送符号对应编码比特对数似然比序列；解交织并输入译码器进行迭代译码，得到更新后的外信息序列及译码结果序列；将更新后的外信息序列进行交织，更新发送符号概率分布；在设定的迭代次数范围内不断重复上述步骤，直至达到迭代次数后输出最终译码结果。
进而对上述仿真流程进行计算机仿真，得到结果如图5所示，即基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法与各方法误码率曲线比较图。理想解调译码曲线指的是已知信道状态下的译码情况，未进行遮挡比例自适应译码曲线指的是不考虑实际遮挡比例与先验遮挡比例之间的偏差，直接利用先验遮挡比例进行迭代译码的情况。仿真中，本发明设置的算法迭代次数为3，LDPC译码器迭代译码次数为5，插入参考符号的方式为每16个发送符号插入2个参考符号。根据仿真结果曲线可以看到在BER为1e‐4时，本发明的译码性能要优于未知信道状态解调译码算法2.6dB左右，优于未进行遮挡比例自适应解调译码算法0.3dB左右，且与理想解调译码算法只差0.2dB左右。

Claims (5)

1.一种基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法；首先建立联合信道检测、相位恢复和译码系统，该系统包括为在接收端，采用锁相环电路、信道检测器、相位恢复器、遮挡比例自适应器、解调器、解交织器及译码器连接组成的接收端，并对接收信号进行处理；在发送端，采用编码器、交织器、参考符号插入器和调制器串联组成卫星通信发送系统，使用短波和超短波进行通信；其特征在于，接收端对信号处理步骤如下：
步骤1，接收端接收信号；锁相环电路处理接收信号，初始化发送符号概率分布、相位状态概率分布和先验遮挡比例；其中,初始化中先验遮挡比例，初始化发送符号概率分布及符号相位概率分布的具体步骤为，假设先验遮挡比例为P，接收到符号个数为N，定义接收的第k个符号中的k＝1…N，并采用QPSK调制，定义观测函数节点为f、信道状态变量节点为A、马尔科夫链模型中的信道转移函数节点为Δ、相位状态变量节点为θ、发送符号变量节点为x、符号映射函数节点为φ；同时定义表示从发送符号变量节点xk到观测函数节点fk传递的消息，定义表示从符号映射函数节点φk到发送符号变量节点xk传递的消息，定义表示从相位状态变量节点θk到观测函数节点fk传递的消息，则
θk∈{0,π/2,π,3π/2}
其中表示QPSK调制符号集合；QPSK为正交相移键控；表示导频符号索引集合，表示对应位置已知的导频符号，表示在已知导频符号的情况下，其相位在对应的相位上概率为1，其他相位为0；其中QPSK调制为正交相移键控调制；
步骤2，将经过锁相环电路处理后的信号输入至信道检测器和相位恢复器中，通过建立马尔科夫模型，进行信道检测；其具体步骤为：
步骤2.1，对于接收到第k个符号，其中k＝1...N，假设当信号不被遮挡时Ak＝Ao，当信号被遮挡时Ak＝Af，定义表示从观测函数变量节点fk到信道状态变量节点Ak传递的消息，执行以下步骤更新
其中σ2为信道中复高斯噪声的方差；
步骤2.2，对于k＝1…N，定义表示从信道转移函数节点Δ到与其右侧相邻的信道状态变量节点Ak传递的消息，由马尔科夫链信道转移特性，根据前一个信道转移函数节点Δ到与其右侧相邻的信道状态变量节点Ak-1传递的消息执行以下步骤更新前向消息
其中表示前向信道状态转移概率，P为先验遮挡比例；
步骤2.3，对于k＝1...N，定义表示从信道转移函数节点Δ到与其左侧相邻的信道状态变量节点Ak传递的消息，由马尔科夫链信道转移特性，可根据后一个信道转移函数节点Δ到与其左侧相邻的信道状态变量节点Ak+1传递的消息执行以下步骤更新反向消息
其中表示反向信道状态转移概率，
步骤3，信道检测结果输入至遮挡比例自适应器中，采用互相关方法，判定遮挡比例与遮挡区间；
步骤4，遮挡比例自适应器将结果输入至相位恢复器中，进行相位恢复；相位恢复器输出检测结果；
步骤5，计算对数似然比序列；
步骤6，依次通过解调器、解交织器及译码器，解调、解交织及输入译码器进行译码迭代，得到处理结果；
步骤7，根据消息传递算法检测发送符号相位状态，交织及更新发送符号相位概率分布；其交织及更新发送符号概率分布的具体步骤为将得到的外信息序列进行交织，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，执行以下步骤更新
若满足迭代次数则执行步骤8，输出译码结果；否则执行以下步骤更新
其中
之后返回步骤3，重复步骤3至步骤7直到满足迭代次数，输出译码结果序列”；
其中编号i＝1…H和j＝1…Li定义表示从符号映射函数节点到发送符号变量节点传递的消息；
Q表示符号对应的编码比特序列比特数，对于编号i＝1…H、j＝1…Li，q表示第q个编码比特；编号i＝1…H中H为被遮挡的周期数，编号j＝1…Li中Li为每次在非遮挡区内接收到的符号数；
步骤8，输出译码结果。
2.根据权利要求1所述基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法；其特征在于，所述步骤3采用互相关方法，判定遮挡比例与遮挡区间；
步骤3.1，对于k＝1…N，定义表示第k个符号不被遮挡的概率，定义表示第k个符号被遮挡的概率，执行以下步骤计算和
步骤3.2，计算实际遮挡比例与遮挡区间；对每一个旋翼旋转周期，设定接收到符号数为M，定义函数h＝[1,1,…,1]且长度为P·M，对一个旋翼旋转周期内与h作互相关，求解结果曲线第一个与最后一个斜率变化点的横坐标a和b，其中b为遮挡区间的终点，执行以下步骤计算实际遮挡比例P'，
同时得到此旋转周期遮挡区间为[b-P'M,b]，依此对接收信号所有旋转周期进行执行此步骤计算遮挡区间，得到被遮挡的周期数H。
3.根据权利要求1所述基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法；其特征在于，所述步骤4，相位恢复包括：
步骤4.1，对于i＝1…H，设定每次在非遮挡区内接收到的符号数为Li，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从观测函数节点到相位状态变量节点θi的消息为执行以下步骤更新
步骤4.2，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从相位状态变量节点θi到观测函数节点的消息为执行以下步骤更新
步骤4.3，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从观测函数节点到发送符号变量节点的消息为执行以下步骤更新
步骤4.4，对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义从发送符号变量节点到符号映射函数节点的消息为执行以下步骤更新
4.根据权利要求1所述基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法；其特征在于，所述步骤5计算似然比序列的具体步骤：对于编号i＝1…H和j＝1…Li，定义表示从符号映射函数节点到发送符号变量节点传递的消息，执行以下步骤更新
其中
同时定义Q表示符号对应的编码比特序列比特数，对于编号i＝1…H、j＝1…Li，根据调制映射规则，计算其对应编码比特的对数似然比序列
其中表示符号对应的编码比特序列中第q个编码比特，为调制符号集合的子集，中的每个符号满足：对应的第q个编码比特取值为1，类似地，为调制符号集合的子集，中的每个符号满足：对应的第q个编码比特取值为0；是上一次迭代译码器输出的外信息，并将在本次迭代中更新。
5.根据权利要求1所述基于马尔科夫链的联合信道检测、相位恢复和译码方法；其特征在于，所述步骤6解调、解交织及输入译码器进行译码迭代的具体步骤为将似然比序列进行解交织，输入LDPC译码器进行译码迭代输出得到新的外信息序列和译码结果序列；其中LDPC为低密度奇偶校验码。
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