CN107147434B - 一种基于ldpc码的mimo传输分集方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法,本发明涉及基于LDPC码的MIMO传输分集方法。本发明的目的是为了解决现有技术没有考虑到LDPC码本身的分集特性,导致误码率高以及没有考虑到信息位和校验位之间的对应关系的问题。具体过程为:一、利用不同时隙进行时间分集;基站发送信息;终端接收两个时隙的信号;计算信息位和校验位的初始LLR;获得修正后的LLR得到译码后的信息位;二、利用空间自由度进行空间分集;基站发射信息;终端两个天线接收到信号;计算信息位和校验位的初始LLR;获得修正后的LLR得到译码后的信息位。本发明用于无线通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及基于LDPC码的MIMO传输分集方法。
背景技术
目前关于MIMO与LDPC相结合的研究,大部分都是将LDPC码直接应用到MIMO系统中,采用联合迭代译码算法来进行信号检测。但是仍然存在两方面问题,其一这类方法没有考虑到LDPC码本身的分集特性,导致误码率高;其二是接收端对LDPC码直接进行译码,没有考虑到信息位和校验位之间的对应关系。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术没有考虑到LDPC码本身的分集特性,导致误码率高以及没有考虑到信息位和校验位之间的对应关系的问题,而提出一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法。
一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法具体过程为:
步骤一、利用不同时隙进行时间分集:
步骤一一、基站发射端第一个时隙发送系统LDPC码的信息位u=(u0,u1,…,uk-1),第二个时隙发送与u对应的系统LDPC码的校验位b=(b0,b1,…,bk-1),将u和b经过BPSK调制得到信号s(1)和s(2);
u0为基站发射端第一个时隙发送的第0个系统LDPC码的信息位,u1为基站发射端第一个时隙发送的第1个系统LDPC码的信息位,uk-1为基站发射端第一个时隙发送的第k-1个系统LDPC码的信息位,b0为基站发射端第二个时隙发送的第0个系统LDPC码的校验位,b1为基站发射端第二个时隙发送的第1个系统LDPC码的校验位,bk-1为基站发射端第二个时隙发送的第k-1个系统LDPC码的校验位;k为信息位的长度,取值为8的倍数的正整数;
LLR为对数似然比;
步骤一五、将步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;
步骤一六、根据步骤一五得到的非系统LDPC码的LLR,用SPA对非系统LDPC码进行译码,得到译码后的信息位;
SPA为和积译码算法;
步骤二、利用空间自由度进行空间分集:
步骤二一、基站发射端第一个天线发送系统LDPC码的信息位u=(u0,u1,…,uk-1),第二个天线发送与u对应的系统LDPC码的校验位b=(b0,b1,…,bk-1),将u和b经过BPSK调制得到信号s(1)和s(2);
u0为基站发射端第一个天线发送的第0个系统LDPC码的信息位,u1为基站发射端第一个天线发送的第1个系统LDPC码的信息位,uk-1为基站发射端第一个天线发送的第k-1个系统LDPC码的信息位,b0为基站发射端第二个天线发送的第0个系统LDPC码的校验位,b1为基站发射端第二个天线发送的第1个系统LDPC码的校验位,bk-1为基站发射端第二个天线发送的第k-1个系统LDPC码的校验位;k为信息位的长度,取值为8的倍数的正整数;
步骤二五、将步骤二四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;
步骤二六、根据步骤二五得到的非系统LDPC码的LLR,用SPA对非系统LDPC码进行译码,得到译码后的信息位。
本发明的有益效果为:
本发明提出的传输方案将LDPC码的分集特性与MIMO相结合,并且考虑LDPC码信息位与校验位的对应关系,提出一种基于信号处理和信息传递的软译码算法,考虑到LDPC码本身的分集特性,在不改变传输效率的前提下,达到降低误码率的目的;解决了现有技术没有考虑到LDPC码本身的分集特性,导致误码率高以及没有考虑到信息位和校验位之间的对应关系的问题。
如图5所示,当信噪比为2时,现有时间分集方法误码率为0.05,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.18,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.182;当信噪比为8时,现有时间分集方法误码率为0.005,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.004,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.0045;当信噪比为14时,现有时间分集方法误码率为0.0005,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.00045,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.00047;如图6所示,当信噪比为2时,现有时间分集方法误码率为0.008,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.012,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.014;当信噪比为8时,现有时间分集方法误码率为0.0008,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.0002,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.0005;当信噪比为10时,现有时间分集方法误码率为0.0002,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.00002,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.00005;根据图5和图6得出随着信噪比的增加,本发明的误码率逐渐小于现有时间分集方法误码率,达到降低误码率的目的。
附图说明
图3为信息位和校验位关系示意图;
图4为本发明流程图;
图5为本发明基于LDPC码的时间分集误码率与现有时间分集方法性能对比图;
图6为本发明基于LDPC码的空间分集误码率与现有时间分集方法性能对比图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1、图2、图3、图4说明本实施方式,本实施方式的一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法具体过程为:
LDPC为低密度奇偶校验码,MIMO(多输入,多输出)是一种用于无线通信的天线技术,在这种技术中,多路天线同时用于源(发射器)和目的地(接收器)。
步骤一、利用不同时隙进行时间分集:
步骤一一、基站发射端第一个时隙发送系统LDPC码的信息位u=(u0,u1,…,uk-1),第二个时隙发送与u对应的系统LDPC码的校验位b=(b0,b1,…,bk-1),将u和b经过BPSK调制得到信号s(1)和s(2);
u0为基站发射端第一个时隙发送的第0个系统LDPC码的信息位,u1为基站发射端第一个时隙发送的第1个系统LDPC码的信息位,uk-1为基站发射端第一个时隙发送的第k-1个系统LDPC码的信息位,b0为基站发射端第二个时隙发送的第0个系统LDPC码的校验位,b1为基站发射端第二个时隙发送的第1个系统LDPC码的校验位,bk-1为基站发射端第二个时隙发送的第k-1个系统LDPC码的校验位;k为信息位的长度,取值为8的倍数的正整数;
LLR为对数似然比;
步骤一五、将步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;
步骤一六、根据步骤一五得到的非系统LDPC码的LLR,用SPA对非系统LDPC码进行译码,得到译码后的信息位;
SPA为和积译码算法;
步骤二、利用空间自由度进行空间分集:
步骤二一、基站发射端第一个天线发送系统LDPC码的信息位u=(u0,u1,…,uk-1),第二个天线发送与u对应的系统LDPC码的校验位b=(b0,b1,…,bk-1),将u和b经过BPSK调制得到信号s(1)和s(2);
u0为基站发射端第一个天线发送的第0个系统LDPC码的信息位,u1为基站发射端第一个天线发送的第1个系统LDPC码的信息位,uk-1为基站发射端第一个天线发送的第k-1个系统LDPC码的信息位,b0为基站发射端第二个天线发送的第0个系统LDPC码的校验位,b1为基站发射端第二个天线发送的第1个系统LDPC码的校验位,bk-1为基站发射端第二个天线发送的第k-1个系统LDPC码的校验位;k为信息位的长度,取值为8的倍数的正整数;
步骤二五、将步骤二四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;
步骤二六、根据步骤二五得到的非系统LDPC码的LLR,用SPA对非系统LDPC码进行译码,得到译码后的信息位。
为第l个时隙第0个信息位或校验位的信道衰落系数,为第l个时隙第1个信息位或校验位的信道衰落系数,为第l个时隙第k-1个信息位或校验位的信道衰落系数,为第l个时隙第0个信息位或校验位的均值为零方差为N0/2的加性高斯白噪声,为第l个时隙第1个信息位或校验位的均值为零方差为N0/2的加性高斯白噪声,为第l个时隙第k-1个信息位或校验位的均值为零方差为N0/2的加性高斯白噪声;为终端接收到的信息位的信号,为终端接收到的校验位的信号。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
其中,0≤j≤k-1;LLR为对数似然比,为第1个时隙第j个系统LDPC码的信息位的信道衰落系数,为终端接收到的第j个系统LDPC码的信息位的信号,为第2个时隙第j个系统LDPC码的校验位的信道衰落系数,为终端接收到的第j个系统LDPC码的校验位的信号,为第j个系统LDPC码的信息位的LLR,为第j个系统LDPC码的校验位的LLR。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
根据最大比合并(MRC)准则,校验位的LLR修正为:
其中C1和C2取决于信道状态信息,i∈N(j)为与第j个校验位相连的所有信息位;C1和C2具体计算如下式所示:
其中,C1、C2为合并系数;
根据最大比合并(MRC)准则,校验位的LLR修正为:
其中j∈N(i)为与第i个校验位相连的所有信息位;
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:所述步骤一五中将步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;具体过程为:
RC约束条件为行列约束条件;
步骤一五一、将非系统LDPC码的校验矩阵H转换为行满秩矩阵,过程为:
如果m=n-k,即H是行满秩矩阵,则直接进行步骤一五二;如果m>n-k,即H不是行满秩矩阵,将H矩阵经过初等行变换转化为矩阵A;
其中,m为H矩阵的行数,n为H矩阵的列数,A为n-k行、n列的矩阵且A的秩为n-k;
步骤一五二、将矩阵A经过初等列变换转化为矩阵[B|C];
其中,B为n-k行、n-k列的满秩方矩阵,C为n-k行、k列的矩阵;
步骤一五三、对[B|C]进行初等行变换,因为B是满秩方阵,因此一定可以经过行变换得到形如[I(n-k)×(n-k)|P(n-k)×k]的矩阵,得到矩阵[I|P],令Hsys=[I|P];
其中I表示n-k行、n-k列的单位矩阵;P表示n-k行、k列的矩阵;
步骤一五五、将系统LDPC码的信息位u与系统生成矩阵Gsys相乘,即u·Gsys=[b|u],得到系统LDPC码的校验位b;
步骤一五六、对步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR做与步骤一五二中相反的列变换,得到满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
为第p个发射天线到第q个接收天线在第0个信息位或校验位的信道衰落系数,为第p个发射天线到第q个接收天线在第1个信息位或校验位的信道衰落系数,为第p个发射天线到第q个接收天线在第k-1个信息位或校验位的信道衰落系数,为第q个时隙第0个信息位或校验位的均值为零方差为N0/2的加性高斯白噪声,为第q个时隙第1个信息位或校验位的均值为零方差为N0/2的加性高斯白噪声,为第q个时隙第k-1个信息位或校验位的均值为零方差为N0/2的加性高斯白噪声;为终端第一个天线接收到的系统LDPC码信息位和校验位叠加的信号,为终端第二个天线接收到的系统LDPC码信息位和校验位叠加的信号。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
其中0≤j≤k-1;LLR为对数似然比,为第1个发射天线到第1个接收天线在第j个信息位或校验位的信道衰落系数,为第1个发射天线到第2个接收天线在第j个信息位或校验位的信道衰落系数,为第2个发射天线到第1个接收天线在第j个信息位或校验位的信道衰落系数,为第2个发射天线到第2个接收天线在第j个信息位或校验位的信道衰落系数,为终端第一个天线接收到第j个系统LDPC码信息位和校验位叠加的信号,为终端第二个天线接收到第j个系统LDPC码信息位和校验位叠加的信号,第j个系统LDPC码的信息位的LLR,第j个系统LDPC码的校验位的LLR。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
根据最大比合并(MRC)准则,校验位的LLR修正为:
其中i∈N(j)为与第j个校验位相连的信息位;
根据最大比合并(MRC)准则,信息位的LLR修正为:
其中j∈N(i)为与第i个校验位相连的信息位。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:所述步骤二五中将步骤二四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;具体过程为:
步骤二五一、将非系统LDPC码的校验矩阵H转换为行满秩矩阵,过程为:
如果m=n-k,即H是行满秩矩阵,则直接进行步骤一五二;如果m>n-k,即H不是行满秩矩阵,将H矩阵经过初等行变换转化为矩阵A;
其中,m为H矩阵的行数,n为H矩阵的列数;A为n-k行、n列的矩阵且A的秩为n-k;
步骤二五二、将矩阵A经过初等列变换转化为矩阵[B|C];
其中,B为n-k行、n-k列的满秩方矩阵,C为n-k行、k列的矩阵;
步骤二五三、对[B|C]进行初等行变换,因为B是满秩方阵,因此一定可以经过行变换得到形如[I(n-k)×(n-k)|P(n-k)×k]的矩阵,得到矩阵[I|P],令Hsys=[I|P];
其中I表示n-k行、n-k列的单位矩阵;P表示n-k行、k列的矩阵;
步骤二五五、将系统LDPC码的信息位u与系统生成矩阵Gsys相乘,即u·Gsys=[b|u],得到系统LDPC码的校验位b;
步骤二五六、对步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR做与步骤一五二中相反的列变换,得到满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:基于LDPC码的时间分集系统;如图5;
本实施例一种基于LDPC码的MIMO时间分集方法具体是按照以下步骤制备的:
步骤一、发送端的数据长度为508,即k=508;
步骤二、信道是块快衰落信道;
步骤三、信噪比为0dB到20dB;
步骤四、在误码率是10-4时,本发明提出的基于LDPC码的时间分集方法与现有的时间分集方法相比,误码率性能有3dB增益;本发明提出的基于信号处理和信息传递的软译码算法与现有的软译码算法相比,误码率性能有1dB增益。
实施例二:基于LDPC码的空间分集系统;如图6;
本实施例一种基于LDPC码的MIMO空间分集方法具体是按照以下步骤制备的:
步骤一、发送端的数据长度为508,即k=508;
步骤二、信道是块快衰落信道;
步骤三、信噪比为0dB到12dB;
步骤四、在误码率是10-5时,本发明提出的基于LDPC码的空间分集方法与现有的空间分集方法相比,误码率性能有1dB增益;本发明提出的基于信号处理和信息传递的软译码算法与现有的软译码算法相比,误码率性能有1dB增益。
如图5所示,当信噪比为2时,现有时间分集方法误码率为0.05,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.18,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.182;当信噪比为8时,现有时间分集方法误码率为0.005,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.004,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.0045;当信噪比为14时,现有时间分集方法误码率为0.0005,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.00045,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.00047;如图6所示,当信噪比为2时,现有时间分集方法误码率为0.008,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.012,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.014;当信噪比为8时,现有时间分集方法误码率为0.0008,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.0002,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.0005;当信噪比为10时,现有时间分集方法误码率为0.0002,本发明基于LDPC码的时间分集方法在修正LLR条件下的误码率为0.00002,本发明基于LDPC码的时间分集方法在未修正LLR条件下的误码率为0.00005;根据图5和图6得出随着信噪比的增加,本发明的误码率逐渐小于现有时间分集方法误码率,达到降低误码率的目的。
本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法,其特征在于:所述方法具体过程为:
步骤一、利用不同时隙进行时间分集:
步骤一一、基站发射端第一个时隙发送系统LDPC码的信息位u=(u0,u1,…,uk-1),第二个时隙发送与u对应的系统LDPC码的校验位b=(b0,b1,…,bk-1),将u和b经过BPSK调制得到信号s(1)和s(2);
u0为基站发射端第一个时隙发送的第0个系统LDPC码的信息位,u1为基站发射端第一个时隙发送的第1个系统LDPC码的信息位,uk-1为基站发射端第一个时隙发送的第k-1个系统LDPC码的信息位,b0为基站发射端第二个时隙发送的第0个系统LDPC码的校验位,b1为基站发射端第二个时隙发送的第1个系统LDPC码的校验位,bk-1为基站发射端第二个时隙发送的第k-1个系统LDPC码的校验位;k为信息位的长度,取值为8的倍数的正整数;
LLR为对数似然比;
步骤一五、将步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;
步骤一六、根据步骤一五得到的非系统LDPC码的LLR,用SPA对非系统LDPC码进行译码,得到译码后的信息位;
SPA为和积译码算法;
步骤二、利用空间自由度进行空间分集:
步骤二一、基站发射端第一个天线发送系统LDPC码的信息位u=(u0,u1,…,uk-1),第二个天线发送与u对应的系统LDPC码的校验位b=(b0,b1,…,bk-1),将u和b经过BPSK调制得到信号s(1)和s(2);
u0为基站发射端第一个天线发送的第0个系统LDPC码的信息位,u1为基站发射端第一个天线发送的第1个系统LDPC码的信息位,uk-1为基站发射端第一个天线发送的第k-1个系统LDPC码的信息位,b0为基站发射端第二个天线发送的第0个系统LDPC码的校验位,b1为基站发射端第二个天线发送的第1个系统LDPC码的校验位,bk-1为基站发射端第二个天线发送的第k-1个系统LDPC码的校验位;k为信息位的长度,取值为8的倍数的正整数;
步骤二五、将步骤二四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;
步骤二六、根据步骤二五得到的非系统LDPC码的LLR,用SPA对非系统LDPC码进行译码,得到译码后的信息位。
4.根据权利要求3所述一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法,其特征在于:所述步骤一四中使用基于信号处理和信息传递的软译码算法对步骤一三得到的和进行修正,获得修正后的系统LDPC码的LLR;具体过程为:
根据最大比合并准则,校验位的LLR修正为:
i∈N(j)为与第j个校验位相连的所有信息位;C1和C2具体计算如下式所示:
其中,C1、C2为合并系数;
根据最大比合并准则,校验位的LLR修正为:
其中j∈N(i)为与第i个校验位相连的所有信息位;
5.根据权利要求4所述一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法,其特征在于:所述步骤一五中将步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;具体过程为:
RC约束条件为行列约束条件;
步骤一五一、将非系统LDPC码的校验矩阵H转换为行满秩矩阵,过程为:
如果m=n-k,则直接进行步骤一五二;如果m>n-k,将H矩阵经过初等行变换转化为矩阵A;
其中,m为H矩阵的行数,n为H矩阵的列数,A为n-k行、n列的矩阵且A的秩为n-k;
步骤一五二、将矩阵A经过初等列变换转化为矩阵[B|C];
其中,B为n-k行、n-k列的满秩方矩阵,C为n-k行、k列的矩阵;
步骤一五三、对[B|C]进行初等行变换,得到矩阵[I|P],令Hsys=[I|P];
其中I表示n-k行、n-k列的单位矩阵;P表示n-k行、k列的矩阵;
步骤一五五、将系统LDPC码的信息位u与系统生成矩阵Gsys相乘,即u·Gsys=[b|u],得到系统LDPC码的校验位b;
步骤一五六、对步骤一四获得的修正后的系统LDPC码的LLR做与步骤一五二中相反的列变换,得到满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR。
8.根据权利要求7所述一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法,其特征在于:所述步骤二四中使用基于信号处理和信息传递的软译码算法对步骤二三得到的和进行修正,获得修正后的系统LDPC码的LLR;具体过程为:
根据最大比合并准则,校验位的LLR修正为:
其中i∈N(j)为与第j个校验位相连的信息位;
根据最大比合并准则,信息位的LLR修正为:
其中j∈N(i)为与第i个校验位相连的信息位。
9.根据权利要求8所述一种基于LDPC码的MIMO传输分集方法,其特征在于:所述步骤二五中将步骤二四获得的修正后的系统LDPC码的LLR转化为满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR;具体过程为:
步骤二五一、将非系统LDPC码的校验矩阵H转换为行满秩矩阵,过程为:
如果m=n-k,则直接进行步骤二五二;如果m>n-k,将H矩阵经过初等行变换转化为矩阵A;
其中,m为H矩阵的行数,n为H矩阵的列数;A为n-k行、n列的矩阵且A的秩为n-k;
步骤二五二、将矩阵A经过初等列变换转化为矩阵[B|C];
其中,B为n-k行、n-k列的满秩方矩阵,C为n-k行、k列的矩阵;
步骤二五三、对[B|C]进行初等行变换,得到矩阵[I|P],令Hsys=[I|P];
其中I表示n-k行、n-k列的单位矩阵;P表示n-k行、k列的矩阵;
步骤二五五、将系统LDPC码的信息位u与系统生成矩阵Gsys相乘,即u·Gsys=[b|u],得到系统LDPC码的校验位b;
步骤二五六、对步骤二四获得的修正后的系统LDPC码的LLR做与步骤二五二中相反的列变换,得到满足RC约束条件非系统LDPC码的LLR。
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