CN108494709A - 一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种降低Turbo‑MPA接收机复杂度的方法，属于无线通信技术领域。本发明在先验等概即先验对数似然比为零的情况下通过MPA接收机获得接收信号的后验对数似然比，利用后验对数似然比以及贝叶斯公式计算编码比特的外信息，从外信息中挑选可信度相对低的编码比特集合并输出其对应的对数似然比；通过校验关系确定与低可信度编码比特集合相关的校验比特集合；并利用校验比特集合、校验关系以及和积算法更新低可信度编码比特集合的对数似然比进而更新先验对数似然比；将更新的先验对数似然比替换前述零值先验对数似然比，迭代至最大迭代次数，最后输出译码比特。本发明能够降低Turbo‑MPA接收机在迭代过程中的运算复杂度以及处理时延。

Description

一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法
技术领域
本发明涉及一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，尤其涉及适用于降低移动通信系统中的多用户接收机复杂度的方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着移动通信设备数量爆炸性地增长，“低时延、海量连接”已然成为下一代无线通信技术的重要需求。与传统正交多址接入技术相比，非正交多址接入(NOMA)技术可以进一步提升用户容量，其中H Nikopour等人提出的稀疏码多址接入(SCMA)技术由于其在频谱效率以及吞吐量上的优异性能成为第五代移动通信技术(5G)中强有力的竞争者之一。
SCMA的主要思想是将调制与扩频相结合，直接通过码本产生码字，生成的码字具有稀疏性。因此在接收端，SCMA可以采用消息传递算法(MPA)进行多用户检测。MPA是一种基于迭代的非线性检测算法，其利用SCMA扩频序列的稀疏性，性能可以达到与最大似然检测算法相近。为了进一步优化MPA的可靠性，Yiqun Wu等人在《Iterative MultiuserReceiver in Sparse Code Multiple Access Systems》中提出了一种新型迭代多用户接收机，又称之为Turbo-MPA。
顾名思义，Turbo-MPA多用户检测过程类似于Turbo译码，它由两部分组成：MPA接收机以及V个并行译码器，其中V为数据层数。首先经典MPA接收机在先验等概的情况下，对接收信号每层数据的每个编码比特进行软判决，输出接收信号的后验对数似然比；由贝叶斯公式可知：后验对数似然比＝外信息+先验对数似然比；其次将MPA接收机输出的外信息送入到信道译码器处理，最后重新生成先验对数似然比输入MPA接收机，依次迭代。这种带有Turbo迭代的MPA接收机通过更新MPA接收机的输入先验概率，充分利用了分集增益和编码增益，性能优于传统的MPA接收机。
然而，现有Turbo-MPA接收机在Turbo迭代过程中需要对所有编码比特进行多次编码和译码，引入了复杂度和时延，不能满足5G通信中低时延场景的需求。
发明内容
本发明公开的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法要解决的技术问题为：在保证Turbo-MPA接收机可靠接收的情况下，降低无线通信系统中多用户接入的接收端运算复杂度进而降低处理时延，实现适应5G无线通信系统的低时延高可靠场景需求。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，在先验等概即先验对数似然比为零的情况下通过MPA接收机获得接收信号的后验对数似然比，利用后验对数似然比以及贝叶斯公式计算编码比特的外信息，从外信息中挑选可信度相对低的编码比特集合并输出其对应的对数似然比；通过校验关系确定与低可信度编码比特集合相关的校验比特集合；并利用校验比特集合，校验关系以及和积算法更新低可信度编码比特集合的对数似然比进而更新先验对数似然比；将更新的先验对数似然比替换前述零值先验对数似然比，依次迭代，直至最大迭代次数，最后输出译码比特。本发明能够降低Turbo-MPA接收机在迭代过程中的运算复杂度以及处理时延。
本发明公开的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，包括如下步骤：
步骤一：初始化MPA接收机先验概率，先验等概即先验对数似然比Λpri0＝0；
步骤二：通过MPA接收机获得接收信号全部V层数据编码比特的后验对数似然比，令其中的第v(1≤v≤V)层数据编码比特的后验对数似然比为Λpost。
步骤三：利用后验对数似然比Λpost以及贝叶斯公式计算编码比特的外信息E，并从中选取部分可信度相对低的编码比特集合Q输出其对应的对数似然比ΛQ；
步骤3-1.优选的，可信度由编码比特集合对数似然比的绝对值来衡量，设定阈值L，低可信度编码比特集合Q对应编码比特集合对数似然比绝对值低于阈值L的编码比特集合；
步骤3-2.优选的，从所有编码比特中挑选10％个对数似然比绝对值相对低的编码比特，作为低可信度编码比特集合Q；
由于仅选择部分低可信度编码比特进行重新译编码，因此降低了Turbo-MPA接收机在Turbo迭代过程中的运算复杂度，进而降低接收端处理时延；
步骤四：通过信道编码的校验关系Η找出与低可信度编码比特集合Q相关的校验比特集合P；
步骤五：利用校验比特集合P、校验关系Η以及和积算法，重新计算低可信度编码比特集合Q对应位置上编码比特的对数似然比，记作ΛQ'；由于ΛQ'的产生利用了信道编码的校验关系纠正部分错误的ΛQ，因此利用更新后的对数似然比ΛQ'替换低可信度编码比特集合Q的对数似然比ΛQ,以保证接收机的可靠性。
步骤六：由步骤五更新后编码比特Q的对数似然比ΛQ计算更新后的先验对数似然比Λ'pri；
步骤七：将Λ'pri代替步骤一中先验对数似然比Λpri0，重复步骤二-六Niter次，以实现Turbo-MPA接收机的循环迭代，最后输出译码比特，其中Niter为最大迭代次数。
步骤八：分别按照第v层数据操作方法对其他(V-1)层数据进行操作，即按照第v层数据操作方法重复步骤三-步骤七，分别对其他(V-1)层数据进行操作，输出每层译码比特，即在降低无线通信系统中多用户接入的接收端处理运算复杂度以及时延条件下，实现Turbo-MPA接收机可靠接收。
有益效果：
本发明公开的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，在turbo迭代过程中，相对于传统的turbo-MPA接收机中对所有编码比特重新译码的情况，仅挑选部分可信度较低的编码比特进行重新译码，并利用信道编码的校验关系纠正可信度较低的编码比特，因此本发明能够在减少原有turbo-MPA接收机计算冗余的基础上能够保证接收机的性能，即在降低无线通信系统中多用户接入的接收端处理运算复杂度以及时延条件下，实现Turbo-MPA接收机可靠接收。
附图说明
图1为本发明申请提出的低复杂度turbo-MPA接收机流程图；
图2为本发明申请提出的低复杂度turbo-MPA接收机结构图；
图3为本发明实施例中LDPC编码的校验矩阵；
图4为本发明实施例中LDPC编码的因子图；
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，其基本思想是：在Turbo迭代的过程中，利用部分编码比特的重新译码和编码代替原有所有编码比特的译编码，更新MPA接收机的先验概率输入，以降低Turbo-MPA的运算复杂度和时延。
为了更加清晰直观地说明本发明的技术原理以及技术效果，下面将结合具体实施例对本发明的步骤进行更细致的阐述，图2为本实施例的低复杂度Turbo-MPA接收机结构图：
本实施例公开的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，具体实现步骤如下：
步骤一：初始化MPA接收机先验概率，先验概率相等即
P(cv,j＝0)＝P(cv,j＝1)＝1/2,v＝1,2,...,V,j＝1,2,...,J
则初始化先验对数似然比
其中cv,j为第v个数据层上的第j个编码比特，V表示数据层数，J为编码比特的长度；
步骤二：利用MPA接收机对接收信号y以及信道估计h进行处理，得到每层数据编码比特的后验对数似然比：
根据贝叶斯公式可得：
其中E(cv,j)表示编码比特的外信息，Λpri1(cv,j)为编码比特的先验对数似然比，其中编码比特先验对数似然比Λpri1(cv,j)由Turbo迭代过程中的信道译码器即步骤六产生，在首次Turbo迭代过程中，Λpri1(cv,j)＝Λpri0＝0；
步骤三：选取部分可信度较低的编码比特Q＝{q1,q2,...,qn,...,qN1}，通过设定阈值L＝1，则低可信度编码比特集合Q为外信息E(cv,j)中对数似然比绝对值小于L的编码比特，输出编码比特集合Q对应的对数似然比ΛQ(qn)，其中N1为所选编码比特的数目；一般地，通过选取10％的外信息绝对值相对小的编码比特；
步骤四：利用编码校验关系找到与编码比特相关的校验比特P＝{p1,p2,...,pm,...,pM}，其中M为相关校验比特的个数。以LDPC编码为例，图3图4分别为LDPC编码的校验矩阵及其对应的因子图。
步骤五：通过校验比特P以及校验关系Η得到所有与编码比特集合Q相关的其他编码比特集合，其中N2为所有与Q相关的编码比特的数目；利用其他编码比特集合Q1对数似然比更新校验比特P的对数似然比进而得到更新后编码比特集合Q的对数似然比即ΛQ'(q'n)；在步骤三选定10％的低可信度编码比特，且采用图3所示校验关系的情况下，至多能够找到30％与低可信度编码比特相关的编码比特，此过程相对于原有turbo-MPA接收机中将所有编码比特重新译码而言，减少了约70％的加法与乘法运算，因此降低了运算复杂度；
步骤六：由更新后的编码比特Q的对数似然比可以得到更新的后验对数似然比Λpost'，减去前述外信息E(cv,j)，则得到更新后的先验对数似然比Λ'pri；
步骤七：将Λ'pri代替初始化过程中的先验对数似然比，循环重复前述步骤，直至达到最大迭代次数Niter跳出循环，输出译码比特。
步骤八：分别按照第v层数据操作方法对其他(V-1)层数据进行操作，即按照第v层数据操作方法重复步骤三-步骤七，分别对其他(V-1)层数据进行操作，输出每层译码比特，即在降低无线通信系统中多用户接入的接收端处理运算复杂度以及时延条件下，实现Turbo-MPA接收机可靠接收。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：初始化MPA接收机先验概率，先验等概即先验对数似然比Λpri0＝0；
步骤二：通过MPA接收机获得接收信号全部V层数据编码比特的后验对数似然比，令其中的第v(1≤v≤V)层数据编码比特的后验对数似然比为Λpost；
步骤三：利用后验对数似然比Λpost以及贝叶斯公式计算编码比特的外信息E，并从中选取部分可信度相对低的编码比特集合Q输出其对应的对数似然比ΛQ；
步骤四：通过信道编码的校验关系Η找出与低可信度编码比特集合Q相关的校验比特集合P；
步骤五：利用校验比特集合P、校验关系Η以及和积算法，重新计算低可信度编码比特集合Q对应位置上编码比特的对数似然比，记作ΛQ'；由于ΛQ'的产生利用了信道编码的校验关系纠正部分错误的ΛQ，因此利用更新后的对数似然比ΛQ'替换低可信度编码比特集合Q的对数似然比ΛQ，以保证接收机的可靠性；
步骤六：由步骤五更新后编码比特Q的对数似然比ΛQ计算更新后的先验对数似然比Λ'pri；
步骤七：将Λ'pri代替步骤一中先验对数似然比Λpri0，重复步骤二-六Niter次，以实现Turbo-MPA接收机的循环迭代，最后输出译码比特，其中Niter为最大迭代次数；
步骤八：分别按照第v层数据操作方法对其他(V-1)层数据进行操作，即按照第v层数据操作方法重复步骤三-步骤七，分别对其他(V-1)层数据进行操作，输出每层译码比特，即在降低无线通信系统中多用户接入的接收端处理运算复杂度以及时延条件下，实现Turbo-MPA接收机可靠接收。
2.如权利要求1所述的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，其特征在于：步骤三中所述的可信度由编码比特集合对数似然比的绝对值来衡量，设定阈值L，低可信度编码比特集合Q对应编码比特集合对数似然比绝对值低于阈值L的编码比特集合。
3.如权利要求1或2所述的一种降低Turbo-MPA接收机复杂度的方法，其特征在于：步骤三中从所有编码比特中挑选10％个对数似然比绝对值相对低的编码比特，作为低可信度编码比特集合Q。
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