CN107612657A - 极化编码的ofdm‑idma系统的联合检测译码方案 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了极化编码的OFDM‑IDMA系统的联合检测译码方案，所述方案主要采用了极化码对OFDM‑IDMA系统进行信道编码，对于待发送数据进行极化码编码，在接收端采用联合检测译码方案，并且提出了符号辅助的联合检测译码方案。所述联合检测译码方案提高了OFDM‑IDMA系统中低信噪比区域误码率性能，将IDMA检测部分与极化码部分进行融合，使得译码部分信息可以及时返回检测部分，进行更加有效的信息更新，加快软信息收敛速率，改善了系统误码率性能；并对联合检测译码方案进行改进，提出了符号辅助的联合检测译码方案，降低了接收端计算复杂度，提高了系统的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于无线移动通信技术领域，具体涉及极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案。
背景技术
随着信息技术的不断发展，各种智能终端得以普及应用，实时音频、高清视频等服务的需求也日益激增，移动数据流量将在未来几年呈指数级增长。为了保障通信安全性和满足未来移动通信网络的需求，5G应运而生，所谓的5G是指第五代移动通信网络，新型多址是5G通信系统的关键技术之一，能够对发送信号进行高效叠加传输，提升5G系统的接入能力，保证了系统中大规模设备连接的需求。针对新型多址这一关键技术，学术界提出非正交多址(NOMA)的概念。交织多址(IDMA)，作为NOMA的备选方案之一，有望应用于5G移动通信系统。
IDMA是依靠交织器来区分不同用户的多址技术，交织器组的非正交性使IDMA能够实现超载传输。随着IDMA技术的提出，学者们在该领域展开了大量的研究工作。相关文献提出，在多径信道环境下，OFDM-IDMA能以更低的复杂度获得更优的误码率性能，但是，在中低信噪比区域(0～10dB)，系统的误码率性能较高。
极化码作为唯一一种达到香农容量极限的编码，已经被确定为增强移动宽带(eMBB)场景控制信道编码方案。将二者进行结合，并对其检测译码方案进行研究，实现高效可靠的检测译码，具有较大的理论意义与应用价值。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术的不足，本发明提供极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，，提出了符号辅助的联合检测译码，也降低了接收端计算复杂度，提高了系统的灵活性和有效改善了现有通信系统误码率性能。
技术方案：极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，包括采用极化码对OFDM-IDMA系统进行信道编码，在接收端将IDMA检测部分与极化码译码部分进行融合，检测译码过程包括以下步骤：
(1)用户数据编码处理：用户数据在发送前加入冗余位，对加冗余后的信息进行极化编码；
(2)接收信号分离为各个用户：采用中心极值定理和高斯近似法去掉其他用户的累加干扰，将接收信号分离为两个及其两个以上的单用户信号；
(3)采用OFDM-IDMA联合检测译码：将IDMA检测与极化码译码通过外部迭代融合为一个编码，所述的外部迭代包含规定次数的检测迭代与译码迭代，将得到的LLR信息送入极化码译码器进行规定次数的译码迭代，得到译码输出的LLR信息，此时完成一次外部迭代；将译码输出LLR信息送回检测部分，用来更新送入IDMA检测部分的先验信息，外部迭代次数加1，继续完成设定的检测迭代次数，将检测输出的LLR信息送入译码器进行规定次数的译码迭代，如此反复，完成规定的外部迭代次数，根据译码器最终输出的LLR信息进行判决输出；
(4)利用符号辅助的联合检测译码：包括每次检验译码LLR信息更新和根据输出LLR信息的符号位判断是否完成检测译码；
进一步的，步骤(1)所述的编码对用户数据进行极化编码包括用户数据信息在近似无噪声子信道进行传输，冗余信息为0，在全噪声子信道传输。
进一步的，步骤(2)中所述的接收信号对累加干扰基于高斯近似法，计算出每个用户的累加干扰对应的期望与方差，分离出各个单用户信号。
进一步的，步骤(3)中所述的OFDM-IDMA联合检测译码包括将IDMA检测部分与极化码部分进行融合，加强译码信息的约束条件，在接收端将IDMA检测对应的因子图与极化码BP译码对应的因子图进行融合，形成一个新的因子图，并且基于融合的因子图进行节点信息迭代更新，进行联合检测译码。
更进一步的，步骤(3)所述的外部迭代包括以下步骤：
(3.1)所述的OFDM-IDMA联合检测译码完成一次外部迭代后，存储译码器输出的LLR信息符号位；
(3.2)，在完成步骤(3.1)后外部迭代次数加一，进行新一轮外部迭代运算，并存储译码器输出的LLR信息符号位；
(3.3)比较步骤(3.1)和步骤(3.2)得到的LLR信息符号位：若LLR信息相应符号位均保持不变，则终止迭代，根据译码器LLR信息判决输出译码序列；若LLR信息存在符号位发生改变，则清除前一次符号位信息，并开始新一轮迭代，返回步骤(3.1)和(3.2)；若达到最大外部迭代次数仍未完成检测译码，则终止迭代，根据译码器最终LLR信息判决输出译码序列。
进一步的，步骤(4)所述的符号辅助的联合检测译码对LLR信息信息符号位加以利用，采用外部迭代完成前后译码器输出LLR信息符号位保持不变作为提前停止迭代的标准。
更进一步的，步骤(4)所述的符号辅助的联合检测译码包括以下步骤：
(4.1)完成一次检测译码LLR信息更新，外迭代次数加1，并判断与前一次相比，LLR信息符号位是否保持不变；
(4.2)根据译码输出LLR信息的符号位判断是否完成检测译码：若在规定外部迭代次数内，外部迭代完成前后译码器输出的相应用户LLR信息符号位保持不变，则认为LLR信息已经收敛，完成检测译码，提前终止迭代；
(4.3)若接收端在达到最大外部迭代次数完成后仍未满足迭代LLR信息符号位仍有改变，则终止迭代，并根据最终译码器输出LLR信息进行判决输出。
有益效果：本发明与现有技术相比其显著的优势在于，第一、本发明相比未编码的OFDM-IDMA系统，极化码编码的系统在提高编码增益的条件下有效地降低了系统误比特率，改善了中低信噪比区域的系统性能；第二、本发明在极化码编码的OFDM-IDMA系统中，仿真结果显示，在选定的信噪比区域内，联合检测译码方案(JDD)误码率性能普遍优于分离检测译码(SDD)方案，当误比特率为4×10-3,联合检测译码方案(JDD)相较于分离检测译码(SDD)方案能到达到1.5dB的性能增益；第三、本发明对于给定的同样的迭代检测译码次数，加入自适应机制的符号辅助的联合检测译码(SA-JDD)方案，与联合检测译码方案(JDD)方案相比几乎没有性能损失；第四、当信噪比逐渐变大时，符号辅助的联合检测译码(SA-JDD)可以有效降低计算复杂度。
附图说明
图1是本发明的整个系统的功能框图；
图2是本发明所述极化码译码过程示意图；
图3是本发明所述联合检测译码(JDD)案内部各节点的互联情况示意图；
图4是本发明所述符号辅助的联合检测译码(SA-JDD)方案的实现策略示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合具体实施例和说明书附图作进一步的阐述。本具体实施例仅作为优选，不对本发明的保护范围造成任何限制。
如图1所示，本发明所述的一种极化码的OFDM-IDMA联合检测译码方案，u表示用户待发送的数据组，用户待发送的数据首先经过发射机的编码、扩展和符号的映射后进行OFDM调制，OFDM调制包括IFFT和插入CP步骤，然后接入信道进行信号的传输，到达接收机端，首先进行OFDM的解调，解调包括去CP和FFT步骤，通过基本信号估计器(ESE)进行OFDM-IDMA联合编码后的解调和译码。
1)针对待发送的用户数据，如图1的上半部分所示。以第k个用户为例，有效信息加冗余得到：
uk＝{u1,u2,…,uN}，
其中包含KP个信息比特，N-KP个冻结比特，构成N位待发送数据。
待发送数据经过编码器后变为编码序列ck＝{c1,c2,…,cN}，编码过程表达公式如下：
其中，GN为生成矩阵，n＝log2N,表示对核心矩阵求n次克罗内克积，BN为排序矩阵，用以完成比特反序重排操作。
编码系列经过扩展器进一步降低比特率，得到sk，扩展器相当于一个重复编码器。sk经过交织器的作用，进行比特顺序重排得到新的序列这里的与sk相比，内容不变，仅仅比特顺序发生改变，经过符号映射得到xk，进行IFFT和插入CP操作后，发送到无线信道。
2)进一步的，由于交织器的作用，相邻码片之间几乎无相关性，以一个符号周期接收的信号为例进行处理，接收信号可以表示为：
其中rj为第j个时间周期接收到的信号，hk,l为第l条信道路径对信号xk产生的影响。为取实部操作，为取虚部操作，zj为服从(0,σ2)分布的AWGN(加性高斯白噪声)。
3)基于高斯近似算法，通过下列公式的计算，从接收信号中分离中各个单用户信号信息，从接收信号中去掉其他用户的累加干扰，即可得到某单用户的信息，其中E(.)为期望计算，Var(.)为方差计算。在多径信道数目为L的环境中，每一条路径对来自第k个用户的信号均有影响，则的信息需要综合L个符号周期收到的总信息，公式(a)为接收信号的统计信息，公式(b)为接收信号rj实部与虚部的协方差，代表实部与虚部的混叠情况，公式(c)为其他用户累加干扰的统计信息：
4)从接收信号中分离出单用户信号，根据3)中得到的各类统计信息，由公式(d)(e)计算出各用户信号的外附LLR信息，先计算出每一路径对用户信号的作用，再将L个得到的外附LLR信息综合相加。
5)迭代给定次数后，经过解交织、解扩展操作，外附LLR信息送入极化码译码器进行迭代译码。
如图2所示，基于该因子图表示的连接方式，BP译码过程进行信息传递，传递过程如公式(f)所示，其中s表示因子图中的第s级，j表示每一级中第j个节点，根据函数g不断迭代更新各节点LLR信息，得到译码输出序列。
其中函数g(x,y)≈0.9sgn(x)sgn(y)min(|x|,|y|)。
如图3所示，联合检测译码内部互联，成为一个融合的网络，译码输出的LLR信息送回到检测部分，用于更新检测部分的先验信息，加快LLR信息的收敛速率。
4)基于提出的联合检测译码(JDD)方案，提出计算复杂度更低的符号辅助的联合检测译码(SA-JDD方案)，实现策略请参见图4。根据接收信号、信道参数信息、初始化的先验信息进行检测部分操作，生成外附LLR信息，ID次检测完成，将得到的LLR信息经过解交织、解扩展后送入极化码译码器，进行IP次译码，每完成一次检测译码迭代，将得到的译码LLR信息符号位进行存储，与前一次的译码输出LLR信息符号位进行比较：若检测译码前后信息序列符号位均保持不变，则软信息已经收敛，终止检测译码迭代，输出译码序列；若检测译码有符号位发生改变，则外迭代次数iO加一，得到的译码LLR信息送回检测部分，开始新一轮的ID次检测信息更新与IP次译码信息更新。达到最大外迭代次数IO，输出译码结果。
Claims (7)
1.极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，其特征在于：包括采用极化码对OFDM-IDMA系统进行信道编码，在接收端将IDMA检测部分与极化码译码部分进行融合，检测译码过程包括以下步骤：
(1)用户数据编码处理：用户数据在发送前加入冗余位，对加冗余后的信息进行极化编码；
(2)接收信号分离为各个用户：采用中心极值定理和高斯近似法去掉其他用户的累加干扰，将接收信号分离为两个及其两个以上的单用户信号；
(3)采用OFDM-IDMA联合检测译码：将IDMA检测与极化码译码通过外部迭代融合为一个编码，所述的外部迭代包含规定次数的检测迭代与译码迭代，将得到的LLR信息送入极化码译码器进行规定次数的译码迭代，得到译码输出的LLR信息，此时完成一次外部迭代；将译码输出LLR信息送回检测部分，用来更新送入IDMA检测部分的先验信息，外部迭代次数加1，继续完成设定的检测迭代次数，将检测输出的LLR信息送入译码器进行规定次数的译码迭代，如此反复，完成规定的外部迭代次数，根据译码器最终输出的LLR信息进行判决输出；
(4)利用符号辅助的联合检测译码：包括每次检验译码LLR信息更新和根据输出LLR信息的符号位判断是否完成检测译码。
2.根据权利要求1所述的极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，其特征在于：步骤(1)所述的编码对用户数据进行极化编码包括用户数据信息在近似无噪声子信道进行传输，冗余信息为0，在全噪声子信道传输。
3.根据权利要求1所述的极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，其特征在于：步骤(2)中所述的接收信号对累加干扰基于高斯近似法，计算出每个用户的累加干扰对应的期望与方差，分离出各个单用户信号。
4.根据权利要求1所述的极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，其特征在于：步骤(3)中所述的OFDM-IDMA联合检测译码包括将IDMA检测部分与极化码部分进行融合，加强译码信息的约束条件，在接收端将IDMA检测对应的因子图与极化码BP译码对应的因子图进行融合，形成一个新的因子图，并且基于融合的因子图进行节点信息迭代更新，进行联合检测译码。
5.根据权利要求1所述的极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，其特征在于：步骤(3)所述的外部迭代包括以下步骤：
(3.1)OFDM-IDMA联合检测译码完成一次外部迭代后，存储译码器输出的LLR信息符号位；
(3.2)完成步骤(3.1)后外部迭代次数加一，进行新一轮外部迭代运算，并存储译码器输出的LLR信息符号位；
(3.3)比较步骤(3.1)和步骤(3.2)得到的LLR信息符号位：若LLR信息相应符号位均保持不变，则终止迭代，根据译码器LLR信息判决输出译码序列；若LLR信息存在符号位发生改变，则清除前一次符号位信息，并开始新一轮迭代，返回步骤(3.1)和步骤(3.2)；若达到最大外部迭代次数仍未完成检测译码，则终止迭代，根据译码器最终LLR信息判决输出译码序列。
6.根据权利要求1所述的极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，其特征在于：步骤(4)所述的符号辅助的联合检测译码对LLR信息信息符号位加以利用，采用外部迭代完成前后译码器输出LLR信息符号位保持不变作为提前停止迭代的标准。
7.根据权利要求1所述的极化编码的OFDM-IDMA系统的联合检测译码方案，其特征在于：步骤(4)所述的符号辅助的联合检测译码包括以下步骤：
(4.1)完成一次检测译码LLR信息更新，外迭代次数加1，并判断与前一次相比，LLR信息符号位是否保持不变；
(4.2)根据译码输出LLR信息的符号位判断是否完成检测译码：若在规定外部迭代次数内，外部迭代完成前后译码器输出的相应用户LLR信息符号位保持不变，则认为LLR信息已经收敛，完成检测译码，提前终止迭代；
(4.3)若接收端在达到最大外部迭代次数完成后仍未满足迭代LLR信息符号位仍有改变，则终止迭代，并根据最终译码器输出LLR信息进行判决输出。
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