CN111211870B - 一种turbo接收系统中的迭代终止决策方法 - Google Patents

一种turbo接收系统中的迭代终止决策方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种turbo接收系统中的迭代终止决策方法，包括前置设置步骤和迭代终止决策步骤。本发明通过提前设定两个阈值，当迭代处理过程满足阈值条件时就可以提前终止迭代处理过程。本发明在保证turbo接收系统低误码率的前提下，通过计算符号的平均偏移量和似然信息抖动量，提前终止后续无效或者无意义的迭代过程，从而降低系统的整体复杂度。

Description

一种turbo接收系统中的迭代终止决策方法
技术领域
本发明涉及数字无线通信领域，尤其涉及一种turbo接收系统中的迭代终止决策方法。
背景技术
随着无线通信业务的快速发展，特别是数据业务和多媒体业务，并且由于物联网和车联网技术的发展以及海洋通信的大量需求，使得业务越来越复杂，传输条件越来越苛刻，在条件苛刻的信道环境下传输高质量的数据消息成为通信领域中的一个大的挑战。因此，拥有低误码率性能的基于软信息迭代接收处理(Turbo)的各种传输系统成为当前的研究热点。
Turbo接收系统最重要的特点就是迭代处理，通过在信道均衡、译码之间传递软信息，利用均衡产生的软信息增益提升SISO(Soft In Soft Out)译码器的译码性能，在下次迭代时利用前次译码器产生的增益去提升此次信道均衡的均衡质量，这种积极的正反馈在大部分情况下会使得译码符号越来越趋近于真实值。但高性能的Turbo接收系统也普遍存在一个较大的缺点，即迭代次数的增加使得时间复杂度成线性增长。
如何在保证Turbo接收系统低误码率的特性之上，降低系统的整体复杂度成为当前研究的一个重要方向。通常Turbo接收的复杂度主要集中在均衡部分需要对矩阵多次求逆，许多通信相关的研究学者通过变换均衡表达式，找出可以复用的因子，降低运算次数，从而降低整体的时间复杂度。通过这种简化算法降低复杂度的方法会在不同程度上影响误码率性能，因此turbo接收系统需要在复杂度和精确度之间寻找平衡点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种turbo接收系统中的迭代终止决策方法。本发明在保证turbo接收系统低误码率的前提下，通过计算符号的平均偏移量和似然信息抖动量，提前终止后续无效或者无意义的迭代过程，从而降低系统的整体复杂度。本发明降低系统时间复杂度的多少取决于平均偏移量P和似然信息抖动量S的阈值选取，P/S值选取合适能够大幅度减少迭代过程。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种turbo接收系统的迭代终止决策方法，包括：
前置设置步骤，包括：
S0.1：记当前待处理的接收信号为y＝[y1，y2，y3，...，yN]T，长度为N，初始化发送信号的估计均值为
Figure BDA0002356997640000021
Figure BDA0002356997640000022
为零向量，同时将已知的符号位设置为发送值，初始化接收信号的方差向量为v＝[v1，v2，v3，...，vN]T，v为单位向量，同时将已知的符号位设置为0；设定迭代解码输出符号的平均偏移量P和似然信息抖动量S的阈值，所述阈值用于判定迭代是否有必要终止；
S0.2：利用均值向量
Figure BDA0002356997640000023
和方差向量v以及接收信号y进行信道估计得到信道估计矩阵H；
S0.3：利用得到的信道估计矩阵H对接收信号y的数据符号位进行信道均衡，得到均衡后的输出符号值
Figure BDA0002356997640000024
并将
Figure BDA0002356997640000025
映射成均衡器外部信息
Figure BDA0002356997640000026
其中，d代表发送端信道编码交织后的发送序列；
S0.4：将输出的外部信息
Figure BDA0002356997640000027
进行解交织变换得到译码器先验输入信息
Figure BDA0002356997640000028
经过SISO译码器进行纠错后输出后验信息
Figure BDA0002356997640000029
扣除先验信息，得到译码器输出的外部信息
Figure BDA00023569976400000210
其中c代表发送端信道编码后未交织的发送序列；
S0.5：判断是否达到最大迭代次数imax：若当前迭代次数i等于预设最大迭代次数imax，则执行S0.6，否则执行S0.7；
S0.6：将译码器输出的数据符号信息
Figure BDA0002356997640000031
进行硬判决，得到当前消息序列的最终解调结果，其中b代表发送端还未进行信道编码的发送序列；
S0.7：利用求得的外部信息
Figure BDA0002356997640000032
进行交织，并映射成新的均值向量
Figure BDA0002356997640000033
和方差向量v，然后执行S1进入迭代终止决策过程。
迭代终止决策步骤，包括：
S1：根据前置设置程序迭代处理均衡器和译码器输出的软信息，求解平均偏移量pi；
S2：判断当前迭代是否为第一次迭代，其中i代表当前迭代次数，i＝1，2，3，...，imax：
若i＝1，跳过似然信息抖动量si的计算和判决过程，直接执行S4；
若i＞1，继续执行S3，即对似然信息抖动量si进行求解和判决。
S3：计算似然信息抖动量si，将计算得到的似然信息抖动量si和预设定的阈值S进行比较：
若si≤S，终止迭代过程，直接执行S0.6；
若si＞S，继续执行S4，对符号平均偏移量pi进行判决。
S4：将步骤S1求解得到的符号平均偏移量pi和预设定的阈值P进行比较：
若pi≤P，终止迭代过程，直接执行S0.6；
若pi＞P，令当前迭代次数i＝i+1，跳转至S0.2。
优选地，在步骤S0.1中，将
Figure BDA0002356997640000034
的所有元素初始化为0，需要将导频位置设置为已知发送值。v初始化为向量1，同时需要将导频位置设为0。根据大量仿真计算，推荐符号平均偏移量阈值P和似然信息抖动量S选取的参考范围为P∈(0，0.025]，S∈[0.002，0.4]，其中P值越大，代表可以接受的最终误码率越大，迭代的平均次数会降低，系统处理信号的时间复杂度也会对应的降低。相应的，S取值越大，代表能接受的信息抖动程度越大，迭代的平均次数会降低，系统处理的时间复杂度也会降低。建议在重视误码率的情况下选取较低的P值和S值，在关注系统低复杂度的情况下选取较高的P和S值，必要时可以经过预测试和调试获得更为理想的P/S值。
具体地，在步骤S0.2中，根据信号传输公式为：
y＝Hx+w
其中，H为信道矩阵，x＝[x1，x2，x3，...，xN]T为传输信号，w为噪声，信道矩阵H可以通过x中训练序列或导频等已知序列求得。在Turbo迭代的过程中，x的估计均值
Figure BDA0002356997640000041
和方差v会随着信道均衡和译码的进行变得越来越贴近于真实值，可以利用
Figure BDA0002356997640000042
和v参与到信道估计中，在每次迭代过程中使得信道的估计值越来越精确，得到的均衡结果也会更加精确。
在步骤S0.3中，根据不同传输系统的实际情况以及不同的调制方式，选择不同的方式进行软信息和均值间的映射。以频域均衡为例，方差对角阵
Figure BDA0002356997640000043
噪声向量w是均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声，协方差矩阵
Figure BDA0002356997640000044
IN是N×N的单位矩阵，均衡后的第n个符号的估计值
Figure BDA0002356997640000045
表示为：
Figure BDA0002356997640000046
其中，
Figure BDA0002356997640000051
代表
Figure BDA0002356997640000052
的第n个符号，vn表示第n个符号的方差，hn代表信道矩阵H的第n列，
Figure BDA0002356997640000053
根据均衡后的符号值可以求出对应的外部信息
Figure BDA0002356997640000054
其中的dn代表编码交织后的第n个符号，具体的计算如下：
对于BPSK的调制方式，
Figure BDA0002356997640000055
求解公式为：
Figure BDA0002356997640000056
对于QPSK的调制方式，
Figure BDA0002356997640000057
求解公式为：
Figure BDA0002356997640000058
Figure BDA0002356997640000059
上式中dn，1，dn，2分别代表dn的第1个比特和第2个比特，Re()和Im()分别指取复数的实部与虚部。
具体地，在步骤S0.4中，对均衡器的输出外部信息
Figure BDA00023569976400000510
需要进行解交织变换，并将其作为译码器先验输入
Figure BDA00023569976400000511
经过译码纠错的增益，输出后验信息
Figure BDA00023569976400000512
同时将先验信息
Figure BDA00023569976400000513
扣除，得到译码器的外部信息
Figure BDA00023569976400000514
的计算公式如下：
Figure BDA00023569976400000515
其中，cm代表编码后的第m个符号信息。
具体地，在步骤S0.6中，硬判决的方式可以通过以下方式进行：
Figure BDA00023569976400000516
其中，
Figure BDA00023569976400000517
代表发射端编码前符号bk的估计值，Tb代表译码器输出的所有编码比特。
具体地，在步骤S0.7中，利用译码器输出的外部信息交织后的
Figure BDA0002356997640000061
去更新
Figure BDA0002356997640000062
的方式与调制方式有关：
对于BPSK的调制方式，
Figure BDA0002356997640000063
可由以下公式求得：
Figure BDA0002356997640000064
其中，tanh()为双曲正切函数。
对于QPSK调制方式，
Figure BDA0002356997640000065
可以由以下公式求得：
Figure BDA0002356997640000066
其中，此处的j代表虚数单位。
在上述BPSK或者QPSK两种调制方式中，仅仅更新数据位的
Figure BDA0002356997640000067
对于其他位置的
Figure BDA0002356997640000068
则一直赋值为原来数据。
方差v可以由以下公式求得：
Figure BDA0002356997640000069
将以上新的均值和方差替换掉原先的
Figure BDA00023569976400000610
和v即可。
具体地，步骤S1中，在BPSK和QPSK的调制方式下，平均偏移量pi的计算公式为：
Figure BDA00023569976400000611
其中，Td代表所有的有效数据符号位置，Nd代表数据符号的数量。
发送数据的结构通常为两部分组成，一部分是有用的数据符号，另一部分是用于估计信道的收发端已知序列。两个部分的数据有可能会交错分布，所以这里用Td代表有用数据的分布位置。
更进一步地，在步骤S1中，符号平均偏移量pi代表第i次迭代中，所有符号的符号均值距离自己最近的调制符号真实值的平均水平，对于QPSK调制的平均偏移量也可以通过以下方式求解：
Figure BDA0002356997640000071
其中
Figure BDA0002356997640000072
代表
Figure BDA0002356997640000073
的实部，
Figure BDA0002356997640000074
代表
Figure BDA0002356997640000075
的虚部。
具体地，似然信息抖动量si的计算公式为：
si＝pi-pi-1
更进一步地，在步骤S3中，si的具体意义在于前后两次不可信程度pi的变化量，因此可以取si为前两次变化的平均值：
Figure BDA0002356997640000076
增加pi变化的考量范围可以让迭代终止的结果变得更加可靠，但同时也可能会导致无效迭代次数的增加。应该根据系统指标权衡具体的实现方式，在可靠性和复杂度中寻找平衡点。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1.对于一般的Turbo接收机，加入了本方案中的迭代终止决策方法会消除掉无用的迭代过程，极大幅度地降低系统的处理复杂度。
2.因为符号的偏移量在一定程度上与误码率有很大程度的互相关，利用偏移量作为决策门限也等同于利用误码率作为门限。因此在加入本方案的迭代终止决策方法后，系统的误码性能几乎不会有太大的损失。
3.本方案需要计算的两个门限参数p和s所需要的运算量相对于单次迭代的复杂度几乎可以忽略，因此本方案相较于其他现有方案中引入的算法复杂度也相当的低。
附图说明
图1为本发明Turbo接收系统中的一种迭代终止决策方法的总流程图。
图2为本发明Turbo接收系统中的一种迭代终止决策方法的系统结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明中各标号的含义如下：
Np：导频长度，本实施例中Np＝192。
Nd：一个数据块内有效数据符号长度，本实例中Nd＝768。
N：一个发送数据块的长度。本实例中，N＝Np+Nd+64，其中包含64个零载波，本实施例中N＝1024。
y：y＝[y1，y2，y3，...，yN]T表示接收的OFDM信号。本实施例中采用的是QPSK调制方式。
xp：用于信道估计的导频序列，本实例中，使用长度为Np的簇状导频序列。
b：b＝[b1，b2，b3，...，bK]T表示进行信道编码前的原始比特，本实例中K＝768。
c：c＝[c1，c2，c3，...，c2K]T表示对b进行1/2码率的信道编码后的码组。
Figure BDA0002356997640000081
表示对c进行交织并分组后的码组，其中每个码组包括的比特数由OFDM每个子载波采用的数字调制方式决定，本实例采用QPSK调制方式，因此每个码组包括2个比特，进而有Nd＝k。
x：x＝[x1，x2，x3，...，xN]T表示一帧OFDM的频域发送信号，由xd和xp等间隔交错在一起构成，其中还包括64个零载波。
Figure BDA0002356997640000091
表示经过译码硬判决后的接收比特序列，如果
Figure BDA0002356997640000092
则接收无误码。
i：当前迭代次数，本实例中i初值为1。
imax：最大迭代次数，本实例中imax＝5。
Td：经过调制后所有的待传数据符号在OFDM传输时的子载波位置。
Tb：代表译码器输出的所有编码信息比特所在位置，Tb通常为输出后验信息
Figure BDA0002356997640000093
序列的其中一部分。
在本实施例中，设定OFDM系统原始发射的信息比特经过信道编码、交织、QPSK调制得到频域发送序列x，经过OFDM调制、信道以及接收端OFDM解调后，得到频域接收序列y。其中x＝[x1，x2，x3，...，x1024]T，为发送信号，其中包含长度192的导频序列，长度为768的数据序列以及长度为64的零载波。
如图1所示为一种Turbo接收系统的迭代终止决策方法的流程图，所述方法包括步骤：
前置设置流程，包括步骤：
S0.1：初始化均值
Figure BDA0002356997640000094
为长度1024，元素为0的零向量，并将导频符号存入相应位置，方差v为长度1024的单位向量，并将导频位置和空载波位置设为0。设定最大的迭代次数imax＝5，符号平均偏移量P的阈值0.025，似然信息抖动量S的阈值0.002。
已知的符号位是指的发送符号中用于信道估计的已知序列，比如OFDM的导频序列和单载波中的训练序列。这些序列对应的发送值在接收端是已知的，将这些已知的值在
Figure BDA00023569976400001017
中对应的位置赋上这些对应的已知值。
S0.2：如果是第一次迭代，利用接收信号的导频序列xp，根据信号传输公式y＝Hx+w可以估计出导频所在子信道的信道响应，其中H为信道矩阵，w是均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。根据导频所在子信道的信道响应，利用内插的方法可以求得数据子信道的信道响应，并求得信道矩阵H。如果不是第一次迭代，根据上次迭代更新的发送信号估计均值
Figure BDA0002356997640000101
可以求出数据子信道位置的信道响应值，从而求得更为精确的信道H。
S0.3：记符号方差的对角阵为
Figure BDA0002356997640000102
声向量w是均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声，协方差矩阵
Figure BDA0002356997640000103
IN是N×N的单位矩阵，参数
Figure BDA0002356997640000104
hn代表信道矩阵H的第n列，参数
Figure BDA0002356997640000105
均衡后接收符号的第n个符号值表示为：
Figure BDA0002356997640000106
其中，
Figure BDA0002356997640000107
代表
Figure BDA0002356997640000108
的第n个符号，根据均衡后的符号值可以求出对应的外部信息
Figure BDA0002356997640000109
Figure BDA00023569976400001010
Figure BDA00023569976400001011
S0.4：对S0.3输出的外部信息
Figure BDA00023569976400001012
做解交织变换得到LDPC译码器的先验输入信息
Figure BDA00023569976400001013
经过LDPC译码器译码后得到译码器的后验信息
Figure BDA00023569976400001014
同时将先验信息
Figure BDA00023569976400001015
扣除，得到译码器的外部信息
Figure BDA00023569976400001016
计算公式如下：
Figure BDA0002356997640000111
式中的cm代表编码后的第m个符号信息。
S0.5：对当前迭代次数i进行以下判断：
若i＝imax，执行S0.6；
若i≠imax，执行S0.7。
S0.6：对S0.4求得的软信息
Figure BDA0002356997640000112
进行硬判决，硬判决方式如下：
Figure BDA0002356997640000113
其中Tb代表译码器输出的所有编码比特位。
S0.7：进行交织，并利用
Figure BDA0002356997640000114
更新符号均值
Figure BDA0002356997640000115
和方差v，更新方式如下：
Figure BDA0002356997640000116
Figure BDA0002356997640000117
其中，
Figure BDA0002356997640000118
代表接收信号的第n个符号均值。
接下来进入迭代终止决策流程，包括步骤：
S1：进行迭代终止决策，计算当前迭代次数i下的pi，按照以下公式计算：
Figure BDA0002356997640000119
S2：根据当前迭代次数判定是否需要计算si并对其判决，其中i代表当前迭代次数，i＝1，2，3，...，imax，分以下两种情况处理：
若i＝1，跳过S3，直接执行S4；
若i＞1，执行S3，求解似然信息抖动量si。
S3：按照以下方式求解似然信息抖动量si：
si＝pi-pi-1
根据si和预设定的阈值0.002，按照以下两种情况处理：
若si≤0.002，直接执行S0.6进行符号硬判决；
若si＞0.002，继续执行S4判断pi是否符合条件。
S4：比较S1求得第i次迭代的符号平均偏移量pi和预设定的阈值0.025。
分为以下两种情况处理：
若pi≤0.025，终止迭代过程，直接执行S0.6。
若pi＞0.025，令当前迭代次数i＝i+1，返回执行S0.2进入下一次迭代流程。
如图2所示为采用本发明的迭代终止决策方法的Turbo接收系统的系统结构图。
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 (1)

1.一种turbo接收系统中的迭代终止决策方法，其特征在于，包括：
前置设置步骤，包括：
S0.1：记当前待处理的接收信号为y＝[y1，y2，y3，...，yN]T，长度为N，初始化发送信号的估计均值为
Figure FDA0002975608650000011
将
Figure FDA0002975608650000012
的所有元素初始化为0，
Figure FDA0002975608650000013
为零向量，同时将已知的导频位置设置为发送值，初始化接收信号的方差向量为v＝[v1，v2，v3，...，vN]T，v初始化为向量1，v为单位向量，同时将已知的导频位置设置为0；设定迭代解码输出符号的平均偏移量P和似然信息抖动量S的阈值，所述阈值用于判定迭代是否有必要终止；
S0.2：利用均值向量
Figure FDA0002975608650000014
和方差向量v以及接收信号y进行信道估计得到信道估计矩阵H；
根据信号传输公式为：
y＝Hx+w
其中，H为信道矩阵，x＝[x1，x2，x3，...，xN]T为传输信号，w为噪声，信道矩阵H可以通过x中的已知序列求得，已知序列为训练序列或导频；
S0.3：利用得到的信道估计矩阵H对接收信号y的数据符号位进行信道均衡，得到均衡后的输出符号值
Figure FDA0002975608650000015
并将
Figure FDA0002975608650000016
映射成均衡器外部信息
Figure FDA0002975608650000017
其中，d代表发送端信道编码交织后的发送序列；
其中，根据不同传输系统的实际情况以及不同的调制方式，选择不同的方式进行软信息和均值间的映射，对于频域均衡，方差对角阵
Figure FDA0002975608650000018
噪声向量w是均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声，协方差矩阵
Figure FDA0002975608650000019
IN是N×N的单位矩阵，均衡后的第n个符号值表示为：
Figure FDA00029756086500000110
式中，
Figure FDA00029756086500000111
代表
Figure FDA00029756086500000112
的第n个符号，hn代表信道矩阵H的第n列，
Figure FDA0002975608650000021
根据均衡后的符号值可以求出对应的外部信息
Figure FDA0002975608650000022
其中的dn代表编码交织后的第n个符号，具体的计算如下：
对于BPSK的调制方式，
Figure FDA0002975608650000023
求解公式为：
Figure FDA0002975608650000024
对于QPSK的调制方式，
Figure FDA0002975608650000025
求解公式为：
Figure FDA0002975608650000026
Figure FDA0002975608650000027
上式中dn，1，dn，2分别代表dn的第1个比特和第2个比特，Re()和Im()分别指取复数的实部与虚部；
S0.4：将输出的外部信息
Figure FDA0002975608650000028
进行解交织变换得到译码器先验输入信息
Figure FDA0002975608650000029
经过SISO译码器进行纠错后输出后验信息
Figure FDA00029756086500000210
扣除先验信息，得到译码器输出的外部信息
Figure FDA00029756086500000211
其中c代表发送端信道编码后未交织的发送序列；
Figure FDA00029756086500000212
的计算公式如下：
Figure FDA00029756086500000213
其中，cm代表编码后的第m个符号信息；
S0.5：判断是否达到最大迭代次数imax：若当前迭代次数i等于预设最大迭代次数imax，则执行S0.6，否则执行S0.7；
S0.6：将译码器输出的数据符号信息
Figure FDA00029756086500000214
进行硬判决，得到当前消息序列的最终解调结果，其中b代表发送端还未进行信道编码的发送序列；
硬判决的方式具体通过以下方式进行：
Figure FDA00029756086500000215
其中，
Figure FDA00029756086500000216
代表发射端编码前符号bk的估计值，Tb代表译码器输出的所有编码比特；
S0.7：利用求得的外部信息
Figure FDA0002975608650000031
进行交织，并映射成新的均值向量
Figure FDA0002975608650000032
和方差向量v，然后执行S1进入迭代终止决策过程；
其中，利用译码器输出的外部信息交织后的
Figure FDA0002975608650000033
去更新
Figure FDA00029756086500000313
的方式与调制方式有关：
对于BPSK的调制方式，
Figure FDA0002975608650000034
由以下公式求得：
Figure FDA0002975608650000035
其中，tanh()为双曲正切函数；
对于QPSK调制方式，
Figure FDA0002975608650000036
由以下公式求得：
Figure FDA0002975608650000037
其中，此处的j代表虚数单位；
在上述BPSK或者QPSK两种调制方式中，仅仅更新数据位的
Figure FDA0002975608650000038
对于其他位置的
Figure FDA0002975608650000039
则一直赋值为原来数据；
方差v由以下公式求得：
Figure FDA00029756086500000310
将以上新的均值和方差替换掉原先的
Figure FDA00029756086500000311
和v即可；
迭代终止决策步骤，包括：
S1：根据前置设置程序迭代接收软信息输出，求解平均偏移量pi；
其中，在BPSK和QPSK的调制方式下，平均偏移量pi的计算公式为：
Figure FDA00029756086500000312
式中，Td代表所有的数据符号位置，Nd代表数据符号的数量；
在步骤S1中，符号平均偏移量pi代表第i次迭代中，所有符号的符号均值距离自己最近的调制符号真实值的平均水平，对于QPSK调制的平均偏移量也可以通过以下方式求解：
Figure FDA0002975608650000041
其中
Figure FDA0002975608650000042
代表
Figure FDA0002975608650000043
的实部，
Figure FDA0002975608650000044
代表
Figure FDA0002975608650000045
的虚部；
S2：判断当前迭代是否为第一次迭代，其中i代表当前迭代次数，i＝1，2，3，...，imax：
若i＝1，跳过似然信息抖动量si的计算和判决过程，直接执行S4；
若i＞1，继续执行S3，即对似然信息抖动量si进行求解和判决；
S3：计算似然信息抖动量si，：
si＝pi-pi-1
si的具体意义在于前后两次不可信程度pi的变化量，因此可以取si为前两次变化的平均值：
Figure FDA0002975608650000046
将计算得到的似然信息抖动量si和预设定的阈值S进行比较：
若si≤S，终止迭代过程，直接执行S0.6；
若si＞S，继续执行S4，对符号平均偏移量pi进行判决；
S4：将步骤S1求解得到的符号平均偏移量pi和预设定的阈值P进行比较：
若pi≤P，终止迭代过程，直接执行S0.6；
若pi＞P，令当前迭代次数i＝i+1，跳转至S0.2。
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