CN109981503A - 一种分层k-best球形译码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层k‑best球形译码方法及装置。所述方法包括下列步骤：S0、输入原始数据；S1、消除块间干扰；S2、对块间干扰消除后信号应用匹配滤波和噪声白化；S3.1、估算当前搜索路径的先验条件概率；S3.2、更新路径的映射值；S4、更新合法路径的度量值；S5、替换存储单元中的数据；S6、检测；S7、检测；S8、修正路径的度量值；S9、输出结果。所述装置包括干扰消除模块、在线合法性检验模块、度量值更新模块、循环检测模块、度量值修正模块和软解调输出模块等。本发明基于球形译码中宽度优先策略，大大降低搜索空间，极大减少计算的复杂度，有效排除非法节点，从而减低误码率、抑制误码扩散。

Description

一种分层k-best球形译码方法及装置

技术领域

本发明涉及数字无线通信的技术领域，特别涉及一种分层k-best球形译码方法及装置。

背景技术

空间调制技术因其具备更高的数据传输效率、更高的频谱效率和更低的功率损耗而受到学术界和工业界的广泛关注。空间调制技术通过控制发射天线的激活状态传输附加的比特信息，从而实现在不增加无线通信资源的前提下提高通信的效率。另一方面，正交频分复用技术作为4G通信系统的关键技术之一，被广泛应用到各种通信协议和场景中。不幸的是正交频分复用技术存在峰均比过高的问题。单载波系统可以很好地解决峰均比问题，将空间调制技术应用到单载波系统是一种可行的方案。但是，由于数据同时承载在传统调制符号和激活发射天线索引组合上，且单载波系统存在由多径传播引起的符号间干扰，导致接收端的解调难度大大增加。目前已有的解调方法可分为三类：频域均衡解调器、时域均衡解调器和迭代接收机。然而已有的方法存在误码率较高、计算复杂度较高等问题。接收端误码性能的损失降低了系统通信的可靠性，过高的解调复杂度又限制了空间调制技术在实际系统和大规模MIMO系统中的应用。针对这些问题，目前亟待提出一种误码性能接近最优、复杂度低的解调方法。

发明内容

本发明的第一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种分层k-best(k-最佳)球形译码方法和装置，用于单载波空间调制系统的接收端。该译码方法改进球形译码的搜索策略，并增加在线合法性检测程序，能有效排除非法路径，抑制误码扩散，提高性能，并且通过逐个天线搜索，极大减低了计算复杂度，从而减少系统接收端的计算负载。该方法输出软解调结果，可用于编码系统的接收端，其误码性能非常接近基于最大后验概率的最优解调方法。

本发明通过下述技术方案实现。

一种分层k-best球形译码方法，用于单载波空间调制系统的接收端，包括下列步骤：

S0、输入原始数据，初始化根节点及其度量值ω_1,0＝1，表示空集；

S1、在第q层，利用存储在存储单元中的最佳路径消除块间干扰；

S2、对块间干扰消除后的数据块应用匹配滤波和噪声白化，并构造下三角的信号结构；

S3.1、对第i根发射天线，搜索扩展的星座图估算当前搜索路径的先验条件概率；

S3.2、更新当前搜索路径的激活天线组合映射值；

S4、根据在线合法性检测结果，更新合法路径的度量值；

S5、用当前度量值最大的k个路径及其度量值替换存储单元中的数据，并令i＝i+1。

S6、检测i≤N_t是否成立，若成立，则重复执行步骤S3-S5，若不成立，令q＝q+1。

S7、检测q≤Q是否成立，若成立，则重复执行步骤S1-S6，若不成立，直至第Q层的路径度量值更新完成，输出结果

S8、对所述存储单元中的度量值进行修正；

S9、输出软解调结果。

进一步的，所述原始数据包括：最佳搜索路径数k、多径抽头个数L、时域信道响应单载波发送数据帧长度Q、时域接收数据块星座图发射天线个数N_t、激活发射天线个数N，其中，H_l表示第l个多径的信道响应矩阵，l取值范围是l∈{0,…,L-1}，y_q表示第q个时隙的接收数据块，q取值范围是q∈{1,…,Q+L-1}，上标^T表示向量或者矩阵的转置操作。

进一步的，步骤S1消除块间干扰具体如下：

其中各标号的含义如下：

r∈{1,…,k}为最佳搜索路径上标；

为分层路径的向量表示形式，其中表示第i根发射天线上的发送符号，i∈{1,…,N_t}；

ρ：发射信噪比；

为块间干扰消除后的数据块。

进一步的，步骤S2的处理方式如下：

表示经匹配滤波和噪声白化处理后的数据块，其中上标^H表示向量或者矩阵的共轭转置操作；

左乘以酉矩阵Q构造下三角的信号结构

其中Q为矩阵Ω^1/2应用QL(QL decomposition)分解的结果：Ω^1/2＝QL，Q是一个酉矩阵，是一个下三角矩阵，其非零元素用l_i,j表示，i,j取值范围为i,j∈{1,…,N_t}，表示在第q个时隙第i根发射天线上的构造信号，x_q(i)表示第q个时隙第i根发射天线的发送符号，表示高斯噪声向量。

进一步的，步骤S3.1具体如下：

估算当前搜索路径的先验条件概率方式如下：

其中各标号的含义如下：

i∈{1,…,N_t}表示发射天线；

x_q(i)＝0表示第q个时隙第i根发射天线未被激活；

M：星座图的大小；

表示路径中非零元素的个数，定义

为最佳搜索路径的分层表示形式，定义

判定为非法路径。

进一步的，步骤S3.2的更新过程如下：

对于的路径，若则更新当前搜索路径的激活天线组合映射值：

其中各标号的含义如下：

为分层路径的激活天线组合映射值，定义

表示当前分层路径中非零元素的个数；

判定为合法路径。

进一步的，步骤S4的更新方式如下：

根据在线合法性检验结果，更新合法路径的度量值：

其中各标号和函数的含义如下：

为最佳搜索路径的度量值，可知

表示当前搜索路径；

表示预测性分布，其中表示分布的均值；

|·|²表示复数的模平方。

进一步的，步骤S8的修正方式如下：

其中各标号和函数的含义如下：

ω^[r]表示修正后的度量值；

为接收信号由于多径传播带来的长尾；

为路径的向量表示形式；

为等价信道矩阵；

表示向量的模平方；

N_r表示接收天线个数。

进一步的，所述步骤S9输出所有激活天线索引组合和调制符号的后验概率作为软解调结果，具体如下：

其中各标号的含义如下：

表示第q个时隙激活天线索引组合的后验概率；

表示第q个时隙的第p个调制符号的后验概率；

为k个最佳路径的度量值之和；

为示性函数；

表示第q个时隙的激活天线索引组合，是分层路径中非零元素的索引集合；

表示第q个时隙的第p个调制符号，是分层路径的第p个非零元素，可知p∈{1,…,N}；

J表示合法激活天线索引组合，取值范围是

表示包含所有合法激活天线索引组合的集合；

a表示星座点，取值范围是

表示任意的。

一种分层k-best球形译码装置，用于单载波空间调制系统的接收端，包括：

初始化模块，该模块用于输入原始数据；

干扰消除模块，应用于第q个接收数据块，利用存储在数据存储单元中的最佳路径消除块间干扰；

下三角信号结构构建模块，该模块对块间干扰消除后的接收信号应用匹配滤波和噪声白化；

在线合法性检验模块，该模块应用于第i根发射天线，估算搜索路径的先验条件概率，对于概率不为零且该天线发送符号非零的路径，更新路径的激活天线组合映射值；

度量值更新模块，该模块根据所述在线合法性检验模块的结果，更新合法路径的度量值；

k-best路径更新模块，该模块用当前度量值最大的k个路径及其度量值替换存储单元中的数据；

天线循环检测模块，该模块用于检测天线i≤发射天线个数N_t是否成立；

循环检测模块，该模块用于检测搜索层q≤单载波发送数据帧长度Q是否成立；

度量值修正模块，该模块对存储单元中的度量值进行修正；

软解调输出模块，该模块输出所有激活天线索引组合和调制符号的后验概率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明使用迭代的方式，对单个天线的发送信号进行搜索，极大地减少了计算的复杂度，很好地满足了通信系统的实时处理要求。

3)本发明引入合法性在线检测策略，有效排除非法路径，抑制了误码扩散，获得极低的误码率结果，从而保证了通信的可靠性。

2)本发明输出软解调结果，适用于编码系统的接收端，可与信道编码配合使用进一步提升通信的可靠性。

附图说明

图1是实施例中一种分层k-best球形译码方法的流程图；

图2是实施例中在线合法性检验的示例；

图3是实施例中编码系统下几种单载波空间调制信号解调方法与本发明的性能比较仿真图；

图4是本实施例中一种分层k-best球形译码装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种分层k-best球形译码方法。该方法是一种通信接收端的信号解调方法，在单载波大规模空间调制系统下实施，主要应用于无线通信的上行链路，实现接收端对单载波大规模空间调制信号的软解调。

下面结合图1，具体说明该实施例公开的一种分层k-best球形译码方法的流程步骤。

S0、输入原始数据，,初始化根节点及其度量值ω_1,0＝1，表示空集；所述原始数据包括：最佳搜索路径数k、多径抽头个数L、时域信道响应单载波发送数据帧长度Q、时域接收数据块星座图发射天线个数N_t、激活发射天线个数N，其中，H_l表示第l个多径的信道响应矩阵，l取值范围是l∈{0,…,L-1}，y_q表示第q个时隙的接收数据块，q取值范围是q∈{1,…,Q+L-1}，上标^T表示向量或者矩阵的转置操作。

S1、在第q层，利用存储在数据存储单元中的最佳路径消除块间干扰，具体如下：

其中各标号的含义如下：

r∈{1,…,k}为最佳搜索路径上标；

为分层路径的向量表示形式，其中表示第i根发射天线上的可能发送符号，i∈{1,…,N_t}；

ρ：发射信噪比；

为块间干扰消除后的数据块。

S2、对块间干扰消除后的接收信号应用匹配滤波和噪声白化，方式如下：

表示经匹配滤波和噪声白化处理后的数据块，其中上标^H表示向量或者矩阵的共轭转置操作；

左乘以酉矩阵Q构造下三角的信号结构

其中Q为矩阵Ω^1/2应用QL(QL decomposition)分解的结果：Ω^1/2＝QL，Q是一个酉矩阵，是一个下三角矩阵，其非零元素用l_i,j表示，i,j取值范围为i,j∈{1,…,N_t}，表示在第q个时隙第i根发射天线上的构造信号，x_q(i)表示第q个时隙第i根发射天线的发送符号，表示高斯噪声向量。

S3、对第i根发射天线，搜索扩展的星座图，应用在线合法性检测程序，包括下列步骤：

S3.1、估算当前搜索路径的先验条件概率方式如下：

其中各标号的含义如下：

i∈{1,…,N_t}表示发射天线；

x_q(i)＝0表示第q个时隙第i根发射天线未被激活；

M：星座图的大小；

表示路径中非零元素的个数，定义

为最佳搜索路径的分层表示形式，定义

判定为非法路径，

S3.2、对于的路径，若则更新当前搜索路径的激活天线组合映射值：

其中各标号的含义如下：

为分层路径的激活天线组合映射值，定义

表示当前分层路径中非零元素的个数；

判定为合法路径。

进一步的，还包括下列步骤：

S4、根据在线合法性检验结果，更新合法路径的度量值：

其中，为最佳搜索路径的度量值，可知

表示当前搜索路径；

表示预测性分布，其中表示分布的均值；

|·|²表示复数的模平方。

S5、用当前度量值最大的k个路径及其度量值替换存储单元中的数据，并令i＝i+1。

S6、检测i≤N_t是否成立，若成立，则重复执行步骤S3-S5，若不成立，令q＝q+1。

S7、检测q≤Q是否成立，若成立，则重复执行步骤S1-S6，若不成立，直至第Q层的路径度量值更新完成，输出结果

S8、对所述存储单元中的度量值进行修正，方式如下：

其中，ω^[r]表示修正后的度量值；

为接收信号由于多径传播带来的长尾；

为路径的向量表示形式；

为等价信道矩阵；

表示向量的模平方；

N_r表示接收天线个数。

S9、输出所有激活天线索引组合和调制符号的后验概率作为软解调结果，具体如下：

其中，表示第q个时隙激活天线索引组合的后验概率；

表示第q个时隙的第p个调制符号的后验概率；

为k个最佳路径的度量值之和；

为示性函数；

表示第q个时隙的激活天线索引组合，是分层路径中非零元素的索引集合；

表示第q个时隙的第p个调制符号，是分层路径的第p个非零元素，可知p∈{1,…,N}；

J表示合法激活天线索引组合，取值范围是

表示包含所有合法激活天线索引组合的集合；

a表示星座点，取值范围是

表示任意的。

图2为分层k-best球形译码方法的实例。其中发送端采用BPSK(二进制相移键控，Binary Phase Shift Keying)调制，系统配置：发射天线N_t＝4、激活天线N＝2、发送数据帧长度Q＝3，星座图星座图大小M＝2、k＝2。图中通过圆圈大小反映路径度量值的大小。可以看到，合法路径需要满足条件且一旦出现或者该路径立即被判定为非法路径，马上被剔除，不再计算其度量值，从而有效地避免错误传递。

本发明基于球形译码中宽度优先策略，用于单载波大规模空间调制系统的接收端，在误码率性能方面非常接近最优解调器的性能，显著优于现有的解调方法，而计算复杂度又远低于最优解调器，符合实际系统对处理时效性的要求，并且该发明输出软解调结果，可用于编码系统的解调，应用场景更加广泛。

通过matlab工具搭建单载波空间调制系统仿真平台，为了消除帧间干扰，每个数据帧之间间隔L个空闲时隙。作为对比，仿真选择时域涡轮均衡解调器和基于最大后验概率的最优解调器与本发明进行比较，仿真参数：发射天线N_t＝4、接收天线N_r＝4、激活天线N＝2、发送数据帧长度Q＝4、多径抽头数L＝3、k＝4、BPSK调制、瑞利信道，发送端采样约束长度为4速率为0.5的卷积码，接收端采样涡轮接收机。

仿真比较结果如图3所示。图3选择了BPSK的调制方式，发射天线个数和接收天线个数N_t＝N_r＝4，激活发射天线个数N＝2，每个发送数据帧包含的符号个数Q＝4，信道多径个数L＝3，每条多径的信道响应服从瑞利分布并且平均功率随时间呈现指数衰减趋势，保留样本点个数k＝4，系统发送端配置了约束长度-4编码速率-0.4的卷积码编码器，系统接收端配置了涡轮迭代接收机。可以看到，在编码系统中，本发明的分层k-best球形译码方法随着迭代次数的增加误比特率呈下降趋势并快速收敛；在任意相同迭代次数下，本发明的误比特率性能都非常接近基于最大后验概率的最优解调器；在中高信噪比区域，本发明的误比特率性能显著优于时域涡轮均衡解调器。

图4为本实施例的一种分层k-best球形译码装置，其运用在单载波大规模空间调制系统下，主要应用在无线通信的上行链路，实现接收端对单载波空间调制信号的软解调功能。

具体包括下列模块：

初始化模块，该模块用于输入原始数据；

干扰消除模块，应用于第q个接收数据块，利用存储在数据存储单元中的最佳路径消除块间干扰；

下三角信号结构构建模块，该模块对块间干扰消除后的接收信号应用匹配滤波和噪声白化；

在线合法性检验模块，该模块应用于第i根发射天线，估算搜索路径的先验条件概率，对于概率不为零且该天线发送符号非零的路径，更新路径的激活天线组合映射值；

度量值更新模块，该模块根据所述在线合法性检验模块的结果，更新合法路径的度量值；

k-best路径更新模块，该模块用当前度量值最大的k个路径及其度量值替换存储单元中的数据；

天线循环检测模块，该模块用于检测天线i≤发射天线个数N_t是否成立；

循环检测模块，该模块用于检测搜索层q≤单载波发送数据帧长度Q是否成立；

度量值修正模块，该模块对存储单元中的度量值进行修正；

软解调输出模块，该模块输出所有激活天线索引组合和调制符号的后验概率。

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个模块和单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各装置和单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分层k-best球形译码方法，用于单载波空间调制系统的接收端，其特征在于，包括如下步骤：

S0、输入原始数据,初始化根节点及其度量值ω_1,0＝1，表示空集；

S1、在第q层，利用存储在存储单元中的最佳路径消除块间干扰；

S2、对块间干扰消除后的数据块应用匹配滤波和噪声白化，并构造下三角的信号结构；

S3.1、对第i根发射天线，搜索扩展的星座图A∪{0}，估算当前搜索路径的先验条件概率；

S3.2、更新当前搜索路径的激活天线组合映射值；

S4、根据上一步骤的判定结果，更新合法路径的度量值；

S5、用当前度量值最大的k个路径及其度量值替换存储单元中的数据，并令i＝i+1；

S6、检测i≤N_t是否成立，若成立，则重复执行步骤S3-S5，若不成立，令q＝q+1；

S7、检测搜索层q≤单载波发送数据帧长度Q是否成立，若成立，则重复执行步骤S1-S6，若不成立，直至第Q层的路径度量值更新完成，输出结果

S8、对所述存储单元中的度量值进行修正；

S9、输出软解调结果。

2.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，所述原始数据包括：最佳搜索路径数k、多径抽头个数L、时域信道响应单载波发送数据帧长度Q、时域接收数据块星座图发射天线个数N_t、激活发射天线个数N，其中，H_l表示第l个多径的信道响应矩阵，l取值范围是l∈{0,…,L-1}，y_q表示第q个时隙的接收数据块，q取值范围是q∈{1,…,Q+L-1}，上标^T表示向量或者矩阵的转置操作。

3.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，步骤S1消除块间干扰具体如下：

其中，r∈{1,…,k}为最佳搜索路径上标；

为分层路径的向量表示形式，其中表示第i根发射天线上的可能发送符号，i∈{1,…,N_t}；

ρ：发射信噪比；

为块间干扰消除后的数据块。

4.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，步骤S2的处理方式如下：

表示经匹配滤波和噪声白化处理后的数据块，其中上标^H表示向量或者矩阵的共轭转置操作；

左乘以酉矩阵Q构造下三角的信号结构

其中Q为矩阵Ω^1/2应用QL(QL decomposition)分解的结果：Ω^1/2＝QL，Q是一个酉矩阵，是一个下三角矩阵，其非零元素用l_i,j表示，i,j取值范围为i,j∈{1,…,N_t}，表示在第q个时隙第i根发射天线上的构造信号，x_q(i)表示第q个时隙第i根发射天线的发送符号，表示高斯噪声向量。

5.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，步骤S3.1具体如下：

估算当前搜索路径的先验条件概率方式如下：

其中各标号的含义如下：

i∈{1,…,N_t}表示发射天线；

x_q(i)＝0表示第q个时隙第i根发射天线未被激活；

M：星座图的大小；

表示路径中非零元素的个数，定义

为最佳搜索路径的分层表示形式，定义

判定为非法路径。

6.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，步骤S3.2的更新过程如下：

对于的路径，若则更新当前搜索路径的激活天线组合映射值：

其中，为分层路径的激活天线组合映射值，定义

表示当前分层路径中非零元素的个数；

判定为合法路径。

7.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，步骤S4的合法路径的度量值更新方式如下：

其中，为最佳搜索路径的度量值，可知

表示当前搜索路径；

表示预测性分布，其中

表示分布的均值；

|·|²表示复数的模平方。

8.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，步骤S8的修正方式如下：

其中各标号和函数的含义如下：

ω^[r]表示修正后的度量值；

为接收信号由于多径传播带来的长尾；

为路径的向量表示形式；

为等价信道矩阵；

表示向量的模平方；

N_r表示接收天线个数。

9.根据权利要求1所述的一种分层k-best球形译码方法，其特征在于，所述步骤S9输出所有激活天线索引组合和调制符号的后验概率作为软解调结果，具体如下：

其中，表示第q个时隙激活天线索引组合的后验概率；

表示第q个时隙的第p个调制符号的后验概率；

为k个最佳路径的度量值之和；

为示性函数；

表示第q个时隙的激活天线索引组合，是分层路径中非零元素的索引集合；

表示第q个时隙的第p个调制符号，是分层路径的第p个非零元素，可知p∈{1,…,N}；

J表示合法激活天线索引组合，取值范围是

表示包含所有合法激活天线索引组合的集合；

a表示星座点，取值范围是

表示任意的。

10.一种分层k-best球形译码装置，用于单载波空间调制系统的接收端，其特征在于，包括：

初始化模块，该模块用于输入原始数据；

干扰消除模块，应用于第q个接收数据块，利用存储在数据存储单元中的最佳路径消除块间干扰；

下三角信号结构构建模块，该模块对块间干扰消除后的接收信号应用匹配滤波和噪声白化；

在线合法性检验模块，该模块应用于第i根发射天线，估算搜索路径的先验条件概率，对于概率不为零且该天线发送符号非零的路径，更新路径的激活天线组合映射值；

度量值更新模块，该模块根据所述在线合法性检验模块的结果，更新合法路径的度量值；

k-best路径更新模块，该模块用当前度量值最大的k个路径及其度量值替换存储单元中的数据；

天线循环检测模块，该模块用于检测天线i≤发射天线个数N_t是否成立；

循环检测模块，该模块用于检测搜索层q≤单载波发送数据帧长度Q是否成立；

度量值修正模块，该模块对存储单元中的度量值进行修正；

软解调输出模块，该模块输出所有激活天线索引组合和调制符号的后验概率。