CN106972910A - 一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于动中通卫星通信技术领域中一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统及方法，该系统发送端和接收端使用短波和超短波进行卫星通信；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；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系统，并对接收信号进行处理，在发送端均匀插入导频，在接收端利用信道状态检测、相位估计和译码迭代实现稳定可靠的接收；本发明由于采用了基于分类学习的联合信道检测、相位检测及译码方法，使得性能稳定且非常接近理想相干解调性能，克服了传统载波跟踪方法在断续信道下无法正常工作的问题。

Description

一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统及方法

技术领域

本发明属于动中通卫星通信技术领域，特别涉及一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统及方法。

背景技术

卫星通信的迅速发展使得其承载的业务种类不断增加，其中动中通(On‐the‐Move)卫星通信技术是卫星通信领域中受到广泛重视的一个领域。动中通卫星通信技术是指在船舶、汽车、飞行器等载体在移动的同时保持不间断卫星通信的技术。在通信中，由于载体的不断运动使得其天线会产生随机抖动而对通信造成衰落甚至中断；并且随机遮挡物如楼宇、树林等物遮挡，也会对信号造成遮挡。在直升机机载移动通讯系统中，由于天线位置安装的局限性，直升机旋翼也会对接收信道造成遮挡。这导致动中通系统中存在断续信道，因此解决动中通系统的断续信道通信问题是保障可靠通信的前提。

针对解决动中通断续信道的通信问题，传统的断续信道下物理层传输技术，将信道检测、解调和译码单独进行达到保障通信的目的。以传统DQPSK(差分四相移相键控)解调为例，其不进行信道状态信息检测，并且解调和译码之间无迭代，使得解调效果较差。研究表明，将信道检测、解调和译码级联，通过联合进行软信息迭代能够获得性能提升。因此重点研究断续信道下联合迭代译码中的相干解调技术，相干解调技术的核心是载波同步，而断续信道对相干解调的载波同步造成影响，使得传统载波同步方法失效。

发明内容

本发明公开了卫星通信技术领域中一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统及方法，其特征在于，卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统，该系统发送端和接收端使用短波和超短波进行卫星通信；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；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系统，并对接收信号进行处理，在发送端均匀插入导频，在接收端利用信道状态检测、相位估计和译码迭代实现稳定可靠的接收；信号处理流程如下：

步骤1，接收信号输入至锁相环电路中，电路对信号进行载波粗同步，初始化接收符号概率分布和相位状态概率分布；

步骤2，锁相环电路输出信号至信道状态检测器和相位状态检测器，信道状态检测器根据分类学习思想检测信道状态；

步骤3，信道状态检测器输出检测结果至相位状态检测器，相位状态检测器根据消息传递算法检测发送符号相位状态。；

步骤4，相位状态检测器输出检测结果依次通过解调器、解交织器及译码器处理得到译码结果；

步骤5，译码器将结果反馈至信道状态检测器中不断迭代进行状态检测和译码。

所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，接收端对信号处理方法具体包括如下步骤：

步骤1，接收信号；

步骤2，初始化发送符号概率分布和相位状态概率分布；

步骤3，根据分类学习思想进行信道状态检测，即采用邻居信道状态节点消息的加权平均得到当前信道状态节点消息；

步骤4，相位状态检测；

步骤5，计算对数似然比序列；

步骤6，解调、解交织及输入译码器进行译码迭代；

步骤7，交织及更新发送符号分布；进入步骤8输出译码结果及信道状态分布序列；或返回步骤3，重复步骤3‐7，直到满足迭代次数；

步骤8，输出译码结果及信道状态分布序列。

所述步骤2的初始化具体步骤为假设接收到符号个数为N，以每接收L个接收符号对信道状态进行一次检测，则所有接收到的N个符号被分为了H＝N/L组，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、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，用表示从符号映射函数节点到发送符号变量节点的消息，用表示从相位状态变量节点θ到观测函数节点f的消息，其余类似；其中i＝1…H，j＝1…L；表示第i组第j个发送的符号，初始化和

其中QPSK调制为正交相移键控调制；表示QPSK调制符号集合，表示导频符号索引集合，表示对应位置的已知导频符号，表示由于参考符号是已知的，所以初始化时在对应的相位上概率为1，其他相位为0；S＝{0,π/2,π,3π/2}表示QPSK信号模糊的相位值集合，θ_i在S中取值。

所述步骤3，根据分类学习思想进行信道状态检测，即采用邻居信道状态节点消息的加权平均得到当前信道状态节点消息，包括：

步骤3.1，对于编号i＝1…H和j＝1…L，表示发送符号变量节点到观测函数节点的消息，执行以下步骤，将观测函数节点更新到信道状态变量节点A_i的消息

其中σ²为信道加入的复高斯噪声的方差；

步骤3.2，对于编号i＝1…H和j＝1…L，定义为所有与A_i节点相连且非观测函数f节点传递的消息，利用相邻两个节点状态结点消息取平均可以得到当前信道状态节点消息，依此计算同时根据已有信息，执行以下步骤更新信道状态变量节点A_i到观测函数节点的消息

所述步骤4，相位模糊检测包括：

步骤4.1，对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新从观测函数节点到相位状态变量节点θ_i的消息

步骤4.2，对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新从相位状态变量节点θ_i到观测函数节点的消息

所述步骤5计算对数似然比序列的具体步骤：对于编号i＝1…H和j＝1…L，表示观测函数节点到发送符号节点的消息，表示发送符号变量节点到调制映射函数节点的消息，根据已有信息，执行以下步骤更新和

进而对于编号i＝1…H，j＝1…L，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Q表示符号对应的编码比特序列的比特数，q＝1…Q，则表示符号对应的编码比特序列中的第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；为上一次迭代时由译码器输出的外信息，并将在本次迭代中更新。

所述步骤6具体为将似然比序列进行解调、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。

所述步骤7更新接收符号概率，具体步骤是将外信息序列进行交织，对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新

之后若满足迭代次数则执行步骤8，输出译码结果及信道状态分布序列；否则返回步骤3，重复步骤3至步骤7直到满足迭代次数，输出译码结果序列和信道状态分布序列

本发明的有益效果是在卫星断续信道会带来信号衰减和相位模糊，对通信造成困难的情况下，首先使用锁相环进行载波跟踪补偿再使用迭代接收技术消除相位模糊，并建立载波相位模糊的因子图，推导出信道状态检测、相位估计和译码联合迭代算法并设计实现对抗信号中断的信号设计格式与接收装置。通过仿真表明，在10％断续信道下，每32个符号插入4个参考符号的情况下，在误码率为1e‐4时，本发明要优于传统差分解调算法1dB左右，且与理想相干解调只差0.2dB左右，十分接近理想相干解调性能。

附图说明

图1卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统框图。

图2为卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法的算法流程图。

图3为卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法组成的因子图。

图4为卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法与传统DQPSK解调及相干解调比较图。

具体实施方式

本发明提出一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统及方法。图1所示为卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统框图。本系统在发送端均匀插入导频，在接收端采用锁相环电路、信道状态检测器、相位状态估计器、解调器、解交织器及译码器对接收信号进行处理，利用信道状态检测、相位估计和译码迭代实现稳定可靠的接收，其中接收端器件连接方式和信号处理流程如下：

步骤1，接收信号输入至锁相环电路中，电路对信号进行载波粗同步，初始化接收符号概率分布和相位状态概率分布；

步骤2，锁相环电路输出信号至信道状态检测器和相位状态检测器，信道状态检测器根据分类学习思想检测信道状态；

步骤3，信道状态检测器输出检测结果至相位状态检测器，相位状态检测器根据消息传递算法检测发送符号相位状态。；

步骤4，相位状态检测器输出检测结果依次通过解调器、解交织器及译码器处理得到译码结果；

步骤5，译码器将结果反馈至信道状态检测器中不断迭代进行状态检测和译码。该系统发送端和接收端使用短波和超短波进行卫星通信；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；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系统，并对接收信号进行处理，在发送端均匀插入导频，在接收端利用信道状态检测、相位估计和译码迭代实现稳定可靠的接收；信号处理流程如下：

步骤1，接收信号输入至锁相环电路中，电路对信号进行载波粗同步，初始化接收符号概率分布和相位状态概率分布；

步骤2，锁相环电路输出信号至信道状态检测器和相位状态检测器，信道状态检测器根据分类学习思想检测信道状态；

步骤3，信道状态检测器输出检测结果至相位状态检测器，相位状态检测器根据消息传递算法检测发送符号相位状态。；

步骤4，相位状态检测器输出检测结果依次通过解调器、解交织器及译码器处理得到译码结果；

步骤5，译码器将结果反馈至信道状态检测器中不断迭代进行状态检测和译码。

对于卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，在方法开始时，先根据QPSK调制方式，将初始化符号映射函数节点到发送符号变量节点的消息，将相位状态变量节点θ映射到观测函数节点f的消息，同时初始化迭代次数为0。之后在设定的迭代次数之内，进行消息的传递、计算和更新；满足迭代次数之后，输出译码结果及信道状态分布序列。下面结合附图与实施例对卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法予以说明。

图2所示为卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法的算法流程图。其包括以下步骤：

步骤1，接收信号；

步骤2，初始化发送符号概率分布和相位状态概率分布；

步骤3，信道状态检测；

步骤4，相位模糊检测；

步骤5，计算对数似然比序列；

步骤6，解调、解交织及输入译码器进行译码迭代；

步骤7，交织及更新发送符号分布；进入步骤8输出译码结果及信道状态分布序列；或返回步骤3，重复步骤3‐7，直到满足迭代次数；

步骤8，输出译码结果及信道状态分布序列。

如图3所示的因子图模型，方法的原理及算法描述如下：

1)初始化：

迭代算法初始化阶段t＝1，对于编号i＝1…H和j＝1…L，设置

在第t次迭代过程中，执行以下步骤：

2)根据分类学习思想进行信道状态状态检测，即采用邻居信道状态节点消息的加权平均得到当前信道状态节点消息：

a)对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新观测函数节点到信道状态变量节点A_i的消息

b)对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新

3)相位模糊检测：

a)对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新

b)对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新

4)计算对数似然比序列：

对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新和

对于编号i＝1…H，j＝1…L，q＝1…Q，计算其对应编码比特的对数似然比序列

5)迭代译码：

对得到的似然比序列进行解调、解交织，输入译码器进行译码迭代，得到新的外信息序列和译码结果序列；

6)更新接收符号概率：

将外信息序列进行交织，对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新

重复2)至7)直到满足迭代次数，输出译码结果和信道状态分布序列

实施例

以卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法的仿真算法为例(如图2和图3所示)，本实施例的信道编码使用(2048,8192)的LDPC码，调制方式为QPSK调制，每帧长度为8192个符号，采用伪随机交织。信道中断位置随机设置，信道中断比例为10％。假设信道的每次中断都有可能会造成相位模糊；以下给出仿真流程，便于理解本发明的原理和优点；具体操作过程顺序如下：采用LDPC码对发送信息比特编码；对编码后信息比特进行交织；对交织后信息比特插入参考符号；将插入参考符号的信息进行QPSK符号映射，得到发送符号序列；发送符号序列通过断续信道和加入随机相位模糊得到接收符号序列；初始化发送符号概率分布和相位状态概率分布；对信道状态进行检测；对相位模糊进行检测；根据检测结果，通过传递和更新消息，计算上行消息，进而更新信道状态分布序列和编码比特的对数似然比序列；对得到的似然比序列进行解调、解交织，输入译码器进行译码迭代，得到新的外信息序列和译码结果序列；将外信息序列进行交织，更新接收符号概率；重复上述过程，直到满足迭代次数。

其次，对上述过程进行计算机仿真测试，得出了结果，如图4所示，卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法与传统DQPSK解调及相干解调理想情况的误码率曲线比较。理想相干解调曲线指理想载波同步和理想信道状态信息检测情况下，LDPC译码器迭代了30次的BER(误码率)性能。传统DQPSK解调性能指不进行信道状态信息检测，解调和译码之间无迭代的BER性能。仿真中(如图2所示)，本发明提出的算法设置为每32个符号插入p＝4个参考符号，LDPC译码器单独迭代3次，相位检测、信道检测和译码器之间迭代10次(使得LDPC码迭代总次数与理想相干解调曲线次数相同)。可以看到，本算法BER性能曲线非常接近理想相干解调性能，在1e‐4时，与理想相干解调只差0.2dB左右，且此时联合迭代算法要优于传统差分解调算法1dB左右。

下面分别对本发明的两个特征进行说明：

进行信道状态检测：

传统DQPSK解调方法在整个过程中不进行信道状态信息检测，直接对接收到的信号进行解调和译码，而卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法对信道状态进行检测，根据检测结果进行解调和译码，使得译码结果更为精确。

检测和译码联合进行：

传统DQPSK解调方法在整个过程中不进行信道状态信息检测，并且解调和译码之间不进行迭代，而卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法进行信道、相位信息的检测和译码，借助因子图工具在检测和译码之间进行消息传递，不断联合迭代，实现了检测和译码的联合进行。

Claims (8)

1.一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统，其特征在于，所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收系统的发送端和接收端使用短波和超短波进行卫星通信；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；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系统，并对接收信号进行处理，在发送端均匀插入导频，在接收端利用信道状态检测、相位估计和译码迭代实现稳定可靠的接收；信号处理流程如下：

步骤1，接收信号输入至锁相环电路中，电路对信号进行载波粗同步，初始化接收符号概率分布和相位状态概率分布；

步骤2，锁相环电路输出信号至信道状态检测器和相位状态检测器，信道状态检测器根据分类学习思想检测信道状态；

步骤3，信道状态检测器输出检测结果至相位状态检测器，相位状态检测器根据消息传递算法检测发送符号相位状态。；

步骤4，相位状态检测器输出检测结果依次通过解调器、解交织器及译码器处理得到译码结果；

步骤5，译码器将结果反馈至信道状态检测器中不断迭代进行状态检测和译码。

2.一种卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，接收信号；

步骤2，初始化发送符号概率分布和相位状态概率分布；

步骤3，根据分类学习思想进行信道状态检测，即采用邻居信道状态节点消息的加权平均得到当前信道状态节点消息；

步骤4，相位状态检测；

步骤5，计算对数似然比序列；

步骤6，解调、解交织及输入译码器进行译码迭代；

步骤7，交织及更新发送符号分布；进入步骤8输出译码结果及信道状态分布序列；或返回步骤3，重复步骤3-7，直到满足迭代次数；

步骤8，输出译码结果及信道状态分布序列。

3.根据权利要求2所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，所述步骤2的初始化具体步骤为假设接收到符号个数为N，以每接收L个接收符号对信道状态进行一次检测，则所有接收到的N个符号被分为了H＝N/L组，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、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，用表示从符号映射函数节点到发送符号变量节点的消息，用表示从相位状态变量节点θ到观测函数节点f的消息，其余类似，其中i＝1…H，j＝1…L，举例来说，表示第i组第j个发送的符号，初始化和

其中QPSK调制为正交相移键控调制；表示QPSK调制符号集合，表示导频符号索引集合，表示对应位置的已知导频符号，表示由于参考符号是已知的，所以初始化时在对应的相位上概率为1，其他相位为0；表示QPSK信号模糊的相位值集合，θ_i在中取值。

4.根据权利要求2所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，所述步骤3，信道状态检测包括：

步骤3.1，对于编号i＝1…H和j＝1…L，表示发送符号变量节点到观测函数节点的消息，执行以下步骤更新观测函数节点到信道状态变量节点A_i的消息

${\mathrm{\μ}}_{x_j^i\→f_j^i}\left(x_j^i\right)={\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\φ}}_j^i\→x_j^i}\left(x_j^i\right),$

其中σ²为信道加入的复高斯噪声的方差；

步骤3.2，对于编号i＝1…H和j＝1…L，定义为所有与A_i节点相连且非观测函数f节点传递的消息，利用相邻两个节点状态结点消息取平均可以得到当前信道状态节点消息，依此计算同时根据已有信息，执行以下步骤更新信道状态变量节点A_i到观测函数节点的消息

${\mathrm{\μ}}_{A_i\→f}\left(A_i\right)=\frac{1}{2}\left({\mathrm{\μ}}_{f\→A_{i-1}}\right(A_{i-1})+{\mathrm{\μ}}_{f\→A_{i+1}}(A_{i+1}\left)\right),$

${\mathrm{\μ}}_{A_i\→f_j^i}\left(A_i\right)={\mathrm{\μ}}_{A_i\→f}\left(A_i\right)\underset{k\≠j}{\Π}{\mathrm{\μ}}_{f_k^i\→A_i}\left(A_i\right).$

5.根据权利要求2所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，所述步骤4，相位状态检测包括：

步骤4.1，对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新从观测函数节点到相位状态变量节点θ_i的消息

步骤4.2，对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新从相位状态变量节点θ_i到观测函数节点的消息

${\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\θ}}_i\→f_j^i}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\underset{k\≠j}{\Π}{\mathrm{\μ}}_{f_k^i\→{\mathrm{\θ}}_i}\left({\mathrm{\θ}}_i\right).$

6.根据权利要求2所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，所述步骤5计算对数似然比序列的具体步骤：对于编号i＝1…H和j＝1…L，表示观测函数节点到发送符号节点的消息，表示发送符号变量节点到调制映射函数节点的消息，根据已有信息，执行以下步骤更新和

${\mathrm{\μ}}_{f_j^i\→x_j^i}\left(x_j^i\right)=\underset{A_i}{\Σ}\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\Σ}f(x_j^i,{\mathrm{\θ}}_i,A_i){\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\θ}}_i\→f_j^i}\left({\mathrm{\θ}}_i\right){\mathrm{\μ}}_{A_i\→f_j^i}\left(A_i\right),$

${\mathrm{\μ}}_{x_j^i\→{\mathrm{\φ}}_j^i}\left(x_j^i\right)={\mathrm{\μ}}_{f_j^i\→x_j^i}\left(x_j^i\right);$

进而对于编号i＝1…H，j＝1…L，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Q表示符号对应的编码比特序列的比特数，q＝1…Q，则表示符号对应的编码比特序列中的第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；为上一次迭代时由译码器输出的外信息，并将在本次迭代中更新。

7.根据权利要求2所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，所述步骤6具体为将似然比序列进行解调、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。

8.根据权利要求2所述卫星断续信道下的基于分类学习的接收方法，其特征在于，所述步骤7更新接收符号概率，具体步骤是将外信息序列进行交织，对于编号i＝1…H和j＝1…L，执行以下步骤更新

${\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\φ}}_j^i\→x_j^i}\left(x_j^i\right)=\underset{q=1}{\overset{Q}{\Π}}\frac{\exp (c_{ij}^q\·{\mathrm{\λ}}^a(c_{ij}^q))}{1+\exp \left({\mathrm{\λ}}^a\right(c_{ij}^q))};$

之后若满足迭代次数则执行步骤8，输出译码结果及信道状态分布序列；否则返回步骤3，重复步骤3至步骤7直到满足迭代次数，输出译码结果序列和信道状态分布序列