CN108322290B - 一种无线通信的迭代检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信的迭代检测方法及系统，其中方法：使用QRM算法对接收到的信号进行第一次解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；根据所述先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对所述符号估量值进行比特软值计算，对计算后的数据进行解扰、并完成译码；根据所述先验信息以及所述第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。上述方法及系统，增强解调性能，提升了用户的吞吐量，提高了测量信号和控制信号的可靠性和实时性，具有很高的实用性。

Description

一种无线通信的迭代检测方法及系统

技术领域

本发明设计无线通信领域，特别涉及一种无线通信的迭代检测方法及系统。

背景技术

近年来，由于通信技术、计算机技术、信号处理技术、网络技术的高速发展，工业无线通信领域发生了全面的技术变革，从系统架构到底层技术承载，都表现出数字化、智能化、网络化的特征和发展趋势。工业无线通信与无线蜂窝通信有很多不同，从系统指标上要求抗干扰能力强、高可靠性、低时延、低功耗、高安全性，这些指标相比无线蜂窝通信要更加高精尖。

工业无线通信领域的市场空间极为广阔，因为很多工厂的测控信号传送都停留在初级阶段，智能化程度不高。2009年的市场数据显示，全球已经有3000万台HART设备。近几年以及未来十年的增长一定会更加迅猛，工业4.0，中国制造2025等规划都对工业无线通信的发展具有巨大的推动力。出于这些需求，工业无线通信标准化的进程很快，目前在流程行业无线技术领域，形成了WIA-PA、WirelessHART、ISA-100.11a三大国际标准。同时在工业无线标准化领域还表现出两大趋势。一是大量借鉴无线信号传输的成熟标准，例如，WirelessHART标准就借鉴了IEEE 802.15.4的内容，比如，采用了直接序列扩频等关键技术。二是无线蜂窝网络的标准也在向工业无线通信领域渗透。例如，5G中将URLLC作为一个单独的特性进行标准化，面向的应用领域主要是工业无线通信以及智能家居等。本发明的基本思路，是将无线蜂窝通信中的调制解调技术进行增强，并应用于工业无线通信领域。

MIMO无线通信系统中的接收机一般是由信道估计、解调、译码等步骤组成，在接收机侧假设各个发射比特的先验概率相等。在经过译码之后，如果利用译码后的比特先验信息重新做解调，即采用迭代检测技术，可以提高接收机的解调性能。本领域业内人员所熟知的是MMSE-SIC技术进行迭代检测。但是，MMSE-SIC技术进行迭代检测的检测性能有待增强。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种能够增强解调性能，提升用户吞吐量的无线通信的迭代检测方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：提供一种无线通信的迭代检测方法，包括以下步骤：

使用QRM算法对接收到的信号进行第一次解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；

根据所述先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对所述符号估量值进行比特软值计算，对比特软值计算后的数据进行解扰、并完成译码；

或者：根据所述先验信息以及所述第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。

本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：本发明提供的线通信的迭代检测方法，包括两次解调，第一次使用QRM算法对接收到的信号进行解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；第二次根据所述先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对所述符号估量值进行比特软值计算，对比特软值计算后的数据进行解扰、并完成译码；或者：根据所述先验信息以及所述第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。上述方法能够有效的对信号进行两次解调，提高了解调性能和用户的吞吐量，同时还提高了测量信号和控制信号的可靠性，具有很高的实用性。

较优地，在上述技术方案中，所述QRM算法包括节点选择和软值计算；

所述节点选择步骤为：

将第二个码字x₂作为首次遍历层，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₂，对于x₂的每个星座点，遍历x₁，找到下式最小对应的x₁索引：

将每个x₂以及与最小NodeMetric对应的x₁的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

将第一个码字x₁作为首次遍历层，对信道矩阵的2列进行交换，记为H，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₁，对于x₁的每个星座点，遍历x₂，找到下式最小对应的x₂索引：

将每个x₁以及与最小NodeMetric对应的x₂的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

向QRM节点选择模块输出集合C以及数组MinNodeMetric；

所述软值计算步骤为：

计算第j层中第k个比特的软值λ_j,k：

较优地，在上述技术方案中，在所述在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息之后，还包括：

对所述先验信息进行修正，将所述先验信息与退火因子β做乘积运算，其中退火因子取值范围为0<β<1。

还提供了一种无线通信的迭代检测系统，包括第一检测装置和第二检测装置；

所述第一检测装置用于，用QRM算法对接收到的信号进行第一次解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；

所述第二检测装置，用于根据所述先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对所述符号估量值进行比特软值计算，对计算后的数据进行解扰、并完成译码；

或者：根据所述先验信息以及所述第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。

本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：本发明提供的线通信的迭代检测系统，包括两次解调，第一次使用QRM算法对接收到的信号进行解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；第二次根据所述先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对所述符号估量值进行比特软值计算，对比特软值计算后的数据进行解扰、并完成译码；或者：根据所述先验信息以及所述第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。上述系统能够有效的对信号进行两次解调，提高了解调性能和用户的吞吐量，同时还提高了测量信号和控制信号的可靠性，具有很高的实用性。

较优地，在上述技术方案中，所述第一检测装置，在执行QRM算法时，执行节点选择和软值计算，其中：

所述节点选择操作为：

将第二个码字x₂作为首次遍历层，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₂，对于x₂的每个星座点，遍历x₁，找到下式最小对应的x₁索引：

将每个x₂以及与最小NodeMetric对应的x₁的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

将第一个码字x₁作为首次遍历层，对信道矩阵的2列进行交换，记为H，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₁，对于x₁的每个星座点，遍历x₂，找到下式最小对应的x₂索引：

将每个x₁以及与最小NodeMetric对应的x₂的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

向QRM节点选择模块输出集合C以及数组MinNodeMetric；

所述软值计算操作为：

计算第j层中第k个比特的软值λ_j,k：

较优地，在上述技术方案中，所述第一检测装置，还用于对所述先验信息进行修正，将所述先验信息与退火因子β做乘积运算，其中退火因子取值范围为0<β<1。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明提供的无线通信的迭代检测方法的示意性流程图；

图2是本发明提供的无线通信的迭代检测方系统的示意性框架图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的无线通信的迭代检测方法，包括以下步骤：

使用QRM算法对接收到的信号进行第一次解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；

根据先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对符号估量值进行比特软值计算，对比特软值计算后的数据进行解扰、并完成译码；

或者：根据先验信息以及第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。

作为一种可实施方式，QRM算法包括节点选择和软值计算；

节点选择步骤为：

将第二个码字x₂作为首次遍历层，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₂，对于x₂的每个星座点，遍历x₁，找到下式最小对应的x₁索引：

将每个x₂以及与最小NodeMetric对应的x₁的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

将第一个码字x₁作为首次遍历层，对信道矩阵的2列进行交换，记为H，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₁，对于x₁的每个星座点，遍历x₂，找到下式最小对应的x₂索引：

将每个x₁以及与最小NodeMetric对应的x₂的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

向QRM节点选择模块输出集合C以及数组MinNodeMetric；

软值计算步骤为：

计算第j层中第k个比特的软值λ_j,k：

作为一种可实施方式，对先验信息进行修正，将先验信息与退火因子β做乘积运算，其中退火因子取值范围为0<β<1。

本申请的QRM-MMSE-IC的具体执行步骤如下：

步骤1:对接收信号使用QRM算法进行解调，解扰，并完成译码。QRM算法的实现过程分为QRM节点选择和QRM软值计算两个模块。QRM节点选择模块基于接收信号和信道矩阵进行树搜索，向QRM软值计算模块输出节点集合以及相应的累积度量值。QRM软值计算模块根据来自QRM节点选择模块的节点集合和累积度量值，完成软值计算，将计算得到的软值输出给解扰模块。

QRM节点选择模块的实现过程为：

1.将x₂作为首次遍历层；其中x₂为第二个码字；

2.对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

3.遍历x₂，对于x₂的每个星座点，遍历x₁，找到下式最小对应的x₁索引：

4.将每个x₂以及与最小NodeMetric对应的x₁的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

5.将x₁作为首次遍历层；

6.对信道矩阵的2列进行交换，记为H；

7.对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

8.遍历x₁，对于x₁的每个星座点，遍历x₂，找到下式最小对应的x₂索引：

9.将每个x₁以及与最小NodeMetric对应的x₂的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

10.向QRM节点选择模块输出集合C以及数组MinNodeMetric。

QRM软值计算模块的实现过程为：

第j层的第k个比特的软值λ_j,k通过如下公式计算得到：

步骤2：将译码器硬判之前的APP即软比特(译码过程中)，记为LLR_j,i，根据此APP计算符号均值E(x_j)和符号方差v_j，用以下公式表示：--为先验信息

上式中x_j表示第j层发射符号，LLR_j,i表示第j层发射符号的第i个比特。S表示调制星座点集合。b_j,i取值{1，-1}为x_j对应的比特序列s_j,i的第i个取值进行0→1，1→-1映射后的结果。

步骤3：根据以下公式进行解调，得到符号估计量为

上式中基于y＝Hx+n的信号模型，h_j为信道矩阵H的第j列，

N为发射的总层数。V＝diag(v_j)为协方差矩阵，j＝1，2…N。

步骤4：基于步骤3输出的符号估计量，根据常规的MMSE解调方法进行比特软值计算并进行解扰，之后使用常规的译码操作。

而QRM-QRM-IC算法两次解调都是用QRM算法，第一次解调采用常规的QRM解调算法，经过第一次解调之后，第二次解调的第j层的第k个比特的软值λ_j,k计算方法如下：

由于

并且假设x的各个比特独立，有

又由

有

将(9)-(12)代入(8)，得

以上涉及多个指数运算，复杂度很高，可以用maxlogMAP近似为

易见(14)式中若不考虑先验信息的部分，即为传统的基于Max Log MAP的比特软值。而QRM-QRM-IC算法是通过在欧式距离基础上使用译码反馈的先验信息进行比特软值修正，例如，(14)式是减去各层各比特的先验信息，从而增强性能。

具体而言，QRM-QRM-IC算法包括以下步骤：

步骤1:对接收信号，使用QRM算法进行第一次解调，包含QRM节点选择和QRM软值计算两个步骤，其中QRM软值计算不使用先验信息。QRM节点选择和QRM软值计算的过程为本领域技术人员所熟知，非本专利描述重点，不再展开描述；

步骤2:对完成QRM软值计算之后的数据进行解扰，并完成译码；

步骤3:将译码器的硬判之前的APP(软比特)进行加扰，作为第二次解调的先验信息，送给QRM软值计算模块；

步骤4:基于步骤2输出的先验信息，及第一次解调的节点选择结果，根据(14)式进行第二次的QRM软值计算；

步骤5:对第二次QRM软值计算之后的数据进行解扰操作，并完成译码；

根据本发明的另一个实施例，在利用先验信息修正时，不减去本比特的先验信息，即使用下面的式(15)代替式(14)。

根据本发明的另一个实施例，在利用先验信息修正时，对译码反馈的先验信息乘以一个退火因子β，β的取值范围为0<β<1。

根据本发明的另一个实施例，在利用先验信息修正时，在获取硬判之前的APP这一步骤中，对译码LLR的各次迭代结果进行平均之后，再作为先验信息送给第二次QRM软值计算模块使用，从而进一步提高性能。用下式表示：

式(16)中

表示第n次译码迭代时的LLR，Niter为译码迭代的总次数。

本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：本发明提供的线通信的迭代检测方法，包括两次解调，第一次使用QRM算法对接收到的信号进行解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；第二次根据先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对符号估量值进行比特软值计算，对比特软值计算后的数据进行解扰、并完成译码；或者：根据先验信息以及第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。上述方法能够有效的对信号进行两次解调，提高了解调性能和用户的吞吐量，同时还提高了测量信号和控制信号的可靠性，具有很高的实用性。

如图2所示，本发明还提供了一种无线通信的迭代检测系统，包括第一检测装置和第二检测装置；

第一检测装置用于，用QRM算法对接收到的信号进行第一次解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；

第二检测装置，用于根据先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对符号估量值进行比特软值计算，对计算后的数据进行解扰、并完成译码；

或者：根据先验信息以及第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。

作为一种可实施方式，第一检测装置，在执行QRM算法时，执行节点选择和软值计算，其中：

节点选择操作为为：

将第二个码字x₂作为首次遍历层，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₂，对于x₂的每个星座点，遍历x₁，找到下式最小对应的x₁索引：

将每个x₂以及与最小NodeMetric对应的x₁的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

将第一个码字x₁作为首次遍历层，对信道矩阵的2列进行交换，记为H，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₁，对于x₁的每个星座点，遍历x₂，找到下式最小对应的x₂索引：

将每个x₁以及与最小NodeMetric对应的x₂的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

向QRM节点选择模块输出集合C以及数组MinNodeMetric；

软值计算操作为：

计算第j层中第k个比特的软值λ_j,k：

作为一种可实施方式，第一检测装置，还用于对先验信息进行修正，将先验信息与退火因子β做乘积运算，其中退火因子取值范围为0<β<1。

本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：本发明提供的线通信的迭代检测系统，包括两次解调，第一次使用QRM算法对接收到的信号进行解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；第二次根据先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对符号估量值进行比特软值计算，对比特软值计算后的数据进行解扰、并完成译码；或者：根据先验信息以及第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。上述系统能够有效的对信号进行两次解调，提高了解调性能和用户的吞吐量，同时还提高了测量信号和控制信号的可靠性，具有很高的实用性。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线通信的迭代检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用QRM算法对接收到的信号进行第一次解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；

根据所述先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对所述符号估量值进行比特软值计算，对比特软值计算后的数据进行解扰、并完成译码；

或者：根据所述先验信息以及所述第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。

2.如权利要求1所述的无线通信的迭代检测方法，其特征在于，所述QRM算法包括节点选择和软值计算；

所述节点选择步骤为：

将第二个码字x₂作为首次遍历层，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₂，对于x₂的每个星座点，遍历x₁，找到下式最小对应的x₁索引：

将每个x₂以及与最小NodeMetric对应的x₁的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

将第一个码字x₁作为首次遍历层，对信道矩阵的2列进行交换，记为H，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₁，对于x₁的每个星座点，遍历x₂，找到下式最小对应的x₂索引：

将每个x₁以及与最小NodeMetric对应的x₂的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

向QRM节点选择模块输出集合C以及数组MinNodeMetric；

所述软值计算步骤为：

计算第j层中第k个比特的软值λ_j,k：

3.如权利要求1所述的无线通信的迭代检测方法，其特征在于，在所述在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息之后，还包括：

对所述先验信息进行修正，将所述先验信息与退火因子β做乘积运算，其中退火因子取值范围为0<β<1。

4.一种无线通信的迭代检测系统，其特征在于，包括第一检测装置和第二检测装置；

所述第一检测装置用于，用QRM算法对接收到的信号进行第一次解调，对解调后的信号进行解扰和译码，在译码过程中，根据译码器硬判前的软比特计算符号均值和符号方差，作为先验信息；

所述第二检测装置，用于根据所述先验信息计算符号估量值，使用MMSE解调算法对所述符号估量值进行比特软值计算，对计算后的数据进行解扰、并完成译码；

或者：根据所述先验信息以及所述第一次解调的节点选择结果，进行第二次QRM软值计算，对软值计算后的数据进行解扰，并完成译码。

5.如权利要求4所述的无线通信的迭代检测系统，其特征在于，所述第一检测装置，在执行QRM算法时，执行节点选择和软值计算，其中：

所述节点选择操作为：

将第二个码字x₂作为首次遍历层，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₂，对于x₂的每个星座点，遍历x₁，找到下式最小对应的x₁索引：

将每个x₂以及与最小NodeMetric对应的x₁的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

将第一个码字x₁作为首次遍历层，对信道矩阵的2列进行交换，记为H，对信道矩阵H做QR分解，即H＝QR，其中Q为酉阵，R为上三角矩阵，并计算Z＝Q^HY，其中Y为接收信号排成的向量，记Z＝[z₁,z₂]^T，

遍历x₁，对于x₁的每个星座点，遍历x₂，找到下式最小对应的x₂索引：

将每个x₁以及与最小NodeMetric对应的x₂的序号加入到输出集合C中，并将对应的最小NodeMetric加入到MinNodeMetric数组中；

向QRM节点选择模块输出集合C以及数组MinNodeMetric；

所述软值计算操作为：

计算第j层中第k个比特的软值λ_j,k：

6.如权利要求4所述的无线通信的迭代检测系统，其特征在于，所述第一检测装置，还用于对所述先验信息进行修正，将所述先验信息与退火因子β做乘积运算，其中退火因子取值范围为0<β<1。

Images