CN111726310A - 基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法和装置，本发明将译码器估计的发送符号反向传递充当导频序列，极大程度地提高了信道估计的精度，并降低了导频开销，另外，提出将时域信息转化为先验频域信息，并将其引入到因子图的消息传递推导中，这使得信道估计能够充分利用已有信息，并通过Sherman‑Morrison矩阵展开公式，将算法中涉及的矩阵求逆转换成迭代运算，大大降低算法复杂度，缓解了传统的基于导频的信道估计无法兼顾导频开销和信道精准度的技术问题。

Description

基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法和装置
技术领域
本发明涉及通信的技术领域，尤其是涉及一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法和装置。
背景技术
正交频分多址接入(OFDMA)技术具有频谱利用率高、抗多径干扰和抗频率选择性衰落、时频资源分配灵活等优点，已被广泛应用在现在通信系统(如：3GPP LTE-A/LTE，WLANIEEE 802.11A/b/g，DVB-RCT)中，具有较高的应用价值。
信道估计是无线通信系统物理层接收机的一项关键技术。接收机通过信道估计来获取当前时刻无线信道的信息，从而解调出发射信号。然而，多径传播和相对运动使得无限信道呈现时变性和频率选择性衰落。
传统基于导频的信道估计方法所需导频开销需正比于信道多径数目和最大时延才能较为准确的估计信道，导频开销过大。若降低导频开销，则信道估计性能受损。
综上，传统的基于导频的信道估计存在无法兼顾导频开销和信道精准度的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法和装置，以缓解传统的基于导频的信道估计无法兼顾导频开销和信道精准度的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法，包括：
获取目标用户的OFDM信号；并根据所述OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据所述权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；
更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，所述目标因子图为所述目标用户所属的OFDMA系统的因子图；所述目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；
根据所述传输消息生成译码所需外信息，并根据所述译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；
根据所述新的先验信息更新所述目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，所述第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；
根据所述第一均值和所述第一方差更新矩阵求逆结果，并根据所述矩阵求逆结果更新所述信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；
根据所述第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；
重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
进一步地，根据所述权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差包括：
根据第一公式更新从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，其中，所述第一公式为：
Figure BDA0002562745730000031
Figure BDA0002562745730000032
其中，
Figure BDA0002562745730000033
为第一均值，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的均值；
Figure BDA0002562745730000034
为第一方差，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的方差；t表示目标用户的OFDM信号所在时隙，k表示目标用户的OFDM信号在时隙t中所属的子载波数；
Figure BDA0002562745730000035
表示所述权重函数，ytk表示频域接收符号；xtk表示频域上传输的符号；
Figure BDA0002562745730000036
表示映射星座图；
Figure BDA0002562745730000037
表示高斯白噪声的方差。
进一步地，更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息包括：
根据公式
Figure BDA0002562745730000038
计算中间变量；
Figure BDA0002562745730000039
表示在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的均值；
Figure BDA00025627457300000310
表示为在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的方差；
根据公式
Figure BDA00025627457300000311
更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息，
Figure BDA00025627457300000312
表示在第i次迭代操作中，从发送符号变量节点xtk到函数节点Mtk的传输消息；
Figure BDA0002562745730000041
在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk到发送符号变量节点xtk的传输消息。
进一步地，根据所述传输消息生成译码所需外信息，并根据所述译码所需外信息的对应解生成新的先验信息包括：
根据公式
Figure BDA0002562745730000042
生成译码所需外信息码；
Figure BDA0002562745730000043
表示在第i-1次迭代操作中确定出的译码所需外信息码；
将外信息对应解交织并输入译码器进行迭代译码；
将译码信息重新交织生成所述新的先验信息。
进一步地，根据所述新的先验信息更新所述目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差包括：
根据公式
Figure BDA0002562745730000044
更新函数节点到发送符号变量节点的传输消息；
Figure BDA0002562745730000045
表示在第i次迭代操作中，从函数节点Mtk到发送符号变量节点xtk的传输消息；Q表示调制符号中所含比特个数；
根据以下公式更新从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差：
Figure BDA0002562745730000046
进一步地，根据所述第一均值和所述第一方差更新矩阵求逆结果，并根据所述矩阵求逆结果更新所述信道变量节点后验概率的均值和方差包括：
根据公式
Figure BDA0002562745730000051
更新矩阵求逆结果；其中，(AL)-1通过迭代公式计算得到：
Figure BDA0002562745730000052
根据所述矩阵求逆结果，并通过以下公式更新信道变量节点w的后验概率的均值和方差：
Figure BDA0002562745730000053
其中，
Figure BDA0002562745730000054
进一步地，根据所述第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差包括：
根据以下公式更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差：
Figure BDA0002562745730000055
其中，
Figure BDA0002562745730000056
表示
Figure BDA0002562745730000057
的第k个元素，
Figure BDA0002562745730000058
表示
Figure BDA0002562745730000059
的第k个对角元素。
进一步地，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果包括：
判断当前迭代操作是否满足迭代停止要求；
若满足，则根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置，包括：
计算更新单元，用于获取目标用户的OFDM信号；并根据所述OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据所述权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；
第一更新单元，用于更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，所述目标因子图为所述目标用户所属的OFDMA系统的因子图；所述目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；
生成单元，用于根据所述传输消息生成译码所需外信息，并根据所述译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；
第二更新单元，用于根据所述新的先验信息更新所述目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，所述第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；
第三更新单元，用于根据所述第一均值和所述第一方差更新矩阵求逆结果，并根据所述矩阵求逆结果更新所述信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；
第四更新单元，用于根据所述第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；
确定单元，用于重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
进一步地，所述计算更新单元包括：
第一更新模块，用于根据第一公式更新从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，其中，所述第一公式为：
Figure BDA0002562745730000061
Figure BDA0002562745730000062
其中，
Figure BDA0002562745730000063
为第一均值，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的均值；
Figure BDA0002562745730000064
为第一方差，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的方差；t表示目标用户的OFDM信号所在时隙，k表示目标用户的OFDM信号在时隙t中所属的子载波数；
Figure BDA0002562745730000071
表示所述权重函数，ytk表示频域接收符号；xtk表示频域上传输的符号；
Figure BDA0002562745730000072
表示映射星座图；
Figure BDA0002562745730000073
表示高斯白噪声的方差。
在本发明实施例中，先获取目标用户的OFDM信号；并根据OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，目标因子图为目标用户所属的OFDMA系统的因子图；目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；根据传输消息生成译码所需外信息，并根据译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；根据新的先验信息更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；根据第一均值和第一方差更新矩阵求逆结果，并根据矩阵求逆结果更新信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；根据第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。通过上述描述可知，本发明的基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法中，将译码器估计的发送符号反向传递充当导频序列，极大程度地提高了信道估计的精度，并降低了导频开销，另外，提出将时域信息转化为先验频域信息，并将其引入到因子图的消息传递推导中，这使得信道估计能够充分利用已有信息，并通过Sherman-Morrison矩阵展开公式，将算法中涉及的矩阵求逆转换成迭代运算，大大降低算法复杂度，缓解了传统的基于导频的信道估计无法兼顾导频开销和信道精准度的技术问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的OFDMA系统的因子图的示意图；
图3为本发明实施例提供的根据传输消息生成译码所需外信息，并根据译码所需外信息的对应解生成新的先验信息的流程图；
图4为本发明实施例提供的几种信道估计方法的误码率比较结果的示意图；
图5为本发明实施例提供的几种信道估计方法的归一化均方误差比较结果的示意图；
图6为本发明实施例提供的在不同导频间隔下本发明方法的归一化均方误差的示意图；
图7为本发明实施例提供的基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法进行详细介绍。
实施例1：
图1是根据本发明实施例的一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，获取目标用户的OFDM信号；并根据OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；
在本发明实施例中，假设一个有N个用户的OFDMA系统，系统子载波数为K。所有的子载波被编号为{1，…，K}。用户n发射传输信号，假设第t个时隙用户n被分配子载波集为
Figure BDA0002562745730000091
共Kn个，
Figure BDA0002562745730000092
用户n发射机首先生成信息数据bn，然后对数据进行信道编码和交织获得cn。将获得的数据cn进行星图映射
Figure BDA0002562745730000093
表示符合映射关系，
Figure BDA0002562745730000094
表示映射星座图，
Figure BDA0002562745730000095
Q表示调制符号中所含比特个数。
为了进行信道估计，将映射数据
Figure BDA0002562745730000101
和导频
Figure BDA0002562745730000102
混合放入用户n被分配的子载波当中，其它子载波不传数据。导频集表示为
Figure BDA0002562745730000103
则数据集表示为
Figure BDA0002562745730000104
Figure BDA0002562745730000105
那么频域上传输的符号可以表示为
Figure BDA0002562745730000106
将xt做IFFT，加入循环前缀，进行串并转换变成字符流进行传输。假设发射天线和接收天线之间的信道冲激响应可以表示为h＝[h1，…，hL]，其中hl表示第l个时间抽头系数，L为总的时域信道抽头个数。那么第k个子载波上的频域信道系数为：
Figure BDA0002562745730000107
如图2所示，其中示出了OFDMA系统的因子图。函数节点
Figure BDA0002562745730000108
代表星座图符号映射约束
Figure BDA0002562745730000109
函数观测节点ftk表示观测约束
Figure BDA00025627457300001010
表示均值
Figure BDA00025627457300001011
和方差μ的高斯白噪声。信道变量节点
Figure BDA00025627457300001012
p(w)表示频域信道的先验信息。发送符号变量节点为xtk，比特数据节点为ctk。用
Figure BDA00025627457300001013
表示第i次迭代时从函数观测节点f到发送符号变量节点的传输消息，
Figure BDA00025627457300001014
表示
Figure BDA00025627457300001015
的均值，
Figure BDA00025627457300001016
表示
Figure BDA00025627457300001017
的方差，其余类似，在此不再赘述。
接收目标用户的OFDM信号时，通过FFT得到OFDM频域接收符号yt，yt＝[yt1，…，ytK]T，ytk表示第t个时隙的第k个子载波上的频域接收符号，假设第t个时隙用户n被分配子载波集为
Figure BDA00025627457300001018
共Kn个，取出接收符号
Figure BDA00025627457300001019
在得到目标用户的OFDM信号后，根据OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数。在计算高斯分布的权重函数时，第一次迭代时，需要对相关参数进行初始化，包括：对外部循环迭代次数进行初始化i＝1；对
Figure BDA00025627457300001020
初始化从发送符号变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差，即
Figure BDA0002562745730000111
和
Figure BDA0002562745730000112
其中，
Figure BDA0002562745730000113
表示均值，v表示方差，上角标0表示第0次迭代，xtk表示发送符号变量节点，ftk表示函数观测节点；对
Figure BDA0002562745730000114
初始化从信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差，即
Figure BDA0002562745730000115
和
Figure BDA0002562745730000116
其中，
Figure BDA0002562745730000117
表示均值，v表示方差，上角标0表示第0次迭代，wk表示信道变量节点，ftk表示函数观测节点；对
Figure BDA0002562745730000118
初始化译码输出比特先验信息
Figure BDA0002562745730000119
初始化信道变量节点先验均值
Figure BDA00025627457300001110
信道变量节点先验方差
Figure BDA00025627457300001111
σh为时域信道的功率时延分布，
Figure BDA00025627457300001112
表示DFT权重矩阵的前Kn行，前L列；对
Figure BDA00025627457300001113
在计算高斯分布的权重函数时，对
Figure BDA00025627457300001114
计算高斯分布的权重函数
Figure BDA00025627457300001115
其中，
Figure BDA00025627457300001116
xtk表示发送符号变量节点，ftk表示函数观测节点，
Figure BDA00025627457300001117
表示在第i-1次迭代操作中，发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息，α表示星座图的任意点，
Figure BDA00025627457300001118
表示在第i-1次迭代操作中，在xtk＝α的情况下，发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息，
Figure BDA00025627457300001119
表示映射星座图，t表示目标用户的OFDM信号所在时隙，k表示目标用户的OFDM信号在时隙t中所属的子载波数。
进而根据权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差，下文中再对该计算过程进行详细介绍。
步骤S104，更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，目标因子图为目标用户所属的OFDMA系统的因子图；目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；
步骤S106，根据传输消息生成译码所需外信息，并根据译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；
步骤S108，根据新的先验信息更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；
步骤S110，根据第一均值和第一方差更新矩阵求逆结果，并根据矩阵求逆结果更新信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；
步骤S112，根据第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；
下文中再对上述步骤S104至步骤S112的过程进行详细描述，在此不再赘述。
步骤S114，重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
在本发明实施例中，先获取目标用户的OFDM信号；并根据OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，目标因子图为目标用户所属的OFDMA系统的因子图；目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；根据传输消息生成译码所需外信息，并根据译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；根据新的先验信息更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；根据第一均值和第一方差更新矩阵求逆结果，并根据矩阵求逆结果更新信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；根据第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。通过上述描述可知，本发明的基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法中，将译码器估计的发送符号反向传递充当导频序列，极大程度地提高了信道估计的精度，并降低了导频开销，另外，提出将时域信息转化为先验频域信息，并将其引入到因子图的消息传递推导中，这使得信道估计能够充分利用已有信息，并通过Sherman-Morrison矩阵展开公式，将算法中涉及的矩阵求逆转换成迭代运算，大大降低算法复杂度，缓解了传统的基于导频的信道估计无法兼顾导频开销和信道精准度的技术问题。
上述内容对本发明的基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法进行了简要介绍，下面对其中涉及到的具体内容进行详细描述。
在本发明的一个可选实施例中，根据权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差的步骤包括：
对
Figure BDA0002562745730000131
根据第一公式更新从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，其中，第一公式为：
Figure BDA0002562745730000132
Figure BDA0002562745730000133
其中，
Figure BDA0002562745730000141
为第一均值，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的均值；
Figure BDA0002562745730000142
为第一方差，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的方差；t表示目标用户的OFDM信号所在时隙，k表示目标用户的OFDM信号在时隙t中所属的子载波数；
Figure BDA0002562745730000143
表示权重函数，ytk表示频域接收符号；xtk表示频域上传输的符号；
Figure BDA0002562745730000144
表示映射星座图；
Figure BDA0002562745730000145
表示高斯白噪声的方差。
在本发明的一个可选实施例中，更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息的步骤包括：
对
Figure BDA0002562745730000146
根据公式
Figure BDA0002562745730000147
计算中间变量；
Figure BDA0002562745730000148
表示在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的均值；
Figure BDA0002562745730000149
表示为在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的方差；
对
Figure BDA00025627457300001410
根据公式
Figure BDA00025627457300001411
更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息，
Figure BDA00025627457300001412
表示在第i次迭代操作中，从发送符号变量节点xtk到函数节点Mtk的传输消息；
Figure BDA00025627457300001413
在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk到发送符号变量节点xtk的传输消息。
在本发明的一个可选实施例中，参考图3，根据传输消息生成译码所需外信息，并根据译码所需外信息的对应解生成新的先验信息的步骤包括：
步骤S301，对
Figure BDA0002562745730000151
根据公式
Figure BDA0002562745730000152
生成译码所需外信息码；
Figure BDA0002562745730000153
表示在第i-1次迭代操作中确定出的译码所需外信息码，
Figure BDA0002562745730000154
表示第i次迭代操作中，发送符号变量节点到函数节点的传输消息；
步骤S302，将外信息对应解交织并输入译码器进行迭代译码；
步骤S303，将译码信息重新交织生成新的先验信息。
在本发明的一个可选实施例中，根据新的先验信息更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差包括：
对
Figure BDA0002562745730000155
根据公式
Figure BDA0002562745730000156
更新函数节点到发送符号变量节点的传输消息；
Figure BDA0002562745730000157
表示在第i次迭代操作中，从函数节点Mtk到发送符号变量节点xtk的传输消息；Q表示调制符号中所含比特个数，
Figure BDA0002562745730000158
表示编码后的数据ctk的第q个比特，
Figure BDA0002562745730000159
表示第i次迭代操作中，得到的新的先验信息；
对
Figure BDA00025627457300001510
根据以下公式更新从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差：
Figure BDA00025627457300001511
表示第二均值，
Figure BDA00025627457300001512
表示第二方差，xtk表示频域上传输的符号，
Figure BDA00025627457300001513
表示第i次迭代操作中，从函数节点传递到发送符号变量节点的传输信息。
上述第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息。
在本申请中，在执行完上述步骤之后，还可以经过一个内部迭代算法来进行内部迭代计算，从而根据内部迭代计算结果来更新矩阵求逆结果，并根据所述矩阵求逆结果更新所述信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差，具体内部迭代过程描述如下：
首先，在内部迭代时，初始化内部迭代次数l＝0；
其次，初始化迭代初值
Figure BDA0002562745730000161
A0表示迭代初始值，
Figure BDA0002562745730000162
表示元素对角化函数，
Figure BDA0002562745730000163
表示从函数观测节点
Figure BDA0002562745730000164
传递到信道变量节点
Figure BDA0002562745730000165
消息的方差；迭代计算：
Figure BDA0002562745730000166
Al+1表示第l+1次迭代计算得到的结果，
Figure BDA0002562745730000167
表示时域信道第l+1条径对应的先验方差，φl+1表示离散傅里叶变换矩阵的第
Figure BDA0002562745730000168
行，第l+1列；判断内部循环迭代是否结束；如果内部循环迭代未结束，返回上述迭代计算，如果内部循环迭代结束，根据第一均值和第一方差更新矩阵求逆结果。
在本发明的一个可选实施例中，根据第一均值和第一方差更新矩阵求逆结果，并根据矩阵求逆结果更新信道变量节点后验概率的均值和方差的步骤包括：
(1)根据公式
Figure BDA0002562745730000169
更新矩阵求逆结果；其中，(AL)-1通过迭代公式计算得到：
Figure BDA00025627457300001610
表示信道变量节点先验方差矩阵，
Figure BDA00025627457300001611
是为了表达方便引入的中间变量；
(2)根据矩阵求逆结果，并通过以下公式更新信道变量节点w的后验概率的均值和方差：
Figure BDA0002562745730000171
其中，
Figure BDA0002562745730000172
表示后验概率的均值，即第三均值，
Figure BDA0002562745730000173
表示后验概率的方差，即第三方差。
在本发明的一个可选实施例中，根据第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差的步骤包括：
对
Figure BDA0002562745730000174
根据以下公式更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差：
Figure BDA0002562745730000175
其中，
Figure BDA0002562745730000176
表示
Figure BDA0002562745730000177
的第k个元素，
Figure BDA0002562745730000178
表示
Figure BDA0002562745730000179
的第k个对角元素，
Figure BDA00025627457300001710
表示更新信道变量节点的后验概率的均值，
Figure BDA00025627457300001711
表示更新信道变量节点的后验概率的方差，
Figure BDA00025627457300001712
表示第i次迭代操作中，从函数观测节点到信道变量节点的传输消息的均值，
Figure BDA00025627457300001713
表示第i次迭代操作中，从信道变量节点到函数观测节点的传输消息的方差，
Figure BDA00025627457300001714
表示第i次迭代操作中，从函数观测节点到信道变量节点的传输消息的方差。
在本发明的一个可选实施例中，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果的步骤包括：判断当前迭代操作是否满足迭代停止要求；若满足，则根据更新后的均值和方差确定信道估计结果
Figure BDA00025627457300001715
和译码结果，其中，译码结果为
Figure BDA00025627457300001716
若不满足，则返回执行根据OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数的步骤。
本发明公开了一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法，将时域信息转化为先验频域信息，并将其引入到因子图的推导中，可极大地提高信道估计精度，降低导频开销。并且通过Sherman-Morrison展开公式，将方法中涉及的矩阵求逆转换成迭代运算，大大降低算法复杂度。
假设OFDMA系统工作的中心频率为fc＝2GHz，带宽为B＝10MHz。系统包括K＝2048个子载波，由N＝8个独立单天线用户共享。为每个用户分配Kn＝216个子载波，剩余子载波用作保护子载波。仿真使用的信道模型的功率延迟分布采用国际电信联盟给出的ITU-R模型中的长途车辆B信道。信道的多径数LS＝6。一个OFDM帧中有T＝25个符号，信道在一个符号中保持不变，不同符号的信道改变。CP长度Lcp＝200。对于所有仿真结果，信道编码采用低密度奇偶校验(LDPC)码，码字长度为810，码率为1/2，使用标准4QAM星座图调制，每个子载波的频谱效率为1。就误码率(BER)和归一化均方误差(NMSE)性能而言，将提出的JCESD算法(即基于消息传播算法)与线性最小均方误差(LMMSE)和最小二乘(LS)信道估计算法进行比较。几种信道估计方法的误码率比较结果如图4所示，从图4中可以看出本发明可以显著提升信道估计性能和译码性能，本发明的方法确定的信道估计结果与已知信道状态信息的理想信道估计性能曲线基本重合。几种信道估计方法的归一化均方误差比较结果如图5所示，从图5中可以看出本方法在信道估计性能方面性能明显好于其他方法。另外，图6中示出了在不同导频间隔下本发明方法的归一化均方误差。
实施例2：
本发明实施例还提供了一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置，该基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置主要用于执行本发明实施例上述内容所提供的基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法，以下对本发明实施例提供的基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置做具体介绍。
图7是根据本发明实施例的一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置的示意图，如图7所示，该基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置主要包括：计算更新单元11、第一更新单元12、生成单元13、第二更新单元14、第三更新单元15、第四更新单元16和确定单元17，其中：
计算更新单元，用于获取目标用户的OFDM信号；并根据OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；
第一更新单元，用于更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，目标因子图为目标用户所属的OFDMA系统的因子图；目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；
生成单元，用于根据传输消息生成译码所需外信息，并根据译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；
第二更新单元，用于根据新的先验信息更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；
第三更新单元，用于根据第一均值和第一方差更新矩阵求逆结果，并根据矩阵求逆结果更新信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；
第四更新单元，用于根据第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；
确定单元，用于重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
在本发明实施例中，先获取目标用户的OFDM信号；并根据OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，目标因子图为目标用户所属的OFDMA系统的因子图；目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；根据传输消息生成译码所需外信息，并根据译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；根据新的先验信息更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；根据第一均值和第一方差更新矩阵求逆结果，并根据矩阵求逆结果更新信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；根据第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。通过上述描述可知，本发明的基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法中，将译码器估计的发送符号反向传递充当导频序列，极大程度地提高了信道估计的精度，并降低了导频开销，另外，提出将时域信息转化为先验频域信息，并将其引入到因子图的消息传递推导中，这使得信道估计能够充分利用已有信息，并通过Sherman-Morrison矩阵展开公式，将算法中涉及的矩阵求逆转换成迭代运算，大大降低算法复杂度，缓解了传统的基于导频的信道估计无法兼顾导频开销和信道精准度的技术问题。
可选地，上述计算更新单元包括：第一更新模块，用于根据第一公式更新从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，其中，第一公式为：
Figure BDA0002562745730000201
其中，
Figure BDA0002562745730000202
为第一均值，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的均值；
Figure BDA0002562745730000203
为第一方差，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的方差；t表示目标用户的OFDM信号所在时隙，k表示目标用户的OFDM信号在时隙t中所属的子载波数；
Figure BDA0002562745730000211
表示权重函数，ytk表示频域接收符号；xtk表示频域上传输的符号；
Figure BDA0002562745730000212
表示映射星座图；
Figure BDA0002562745730000213
表示高斯白噪声的方差。
可选地，上述第一更新单元还用于：根据公式
Figure BDA0002562745730000214
计算中间变量；
Figure BDA0002562745730000215
表示在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的均值；
Figure BDA0002562745730000216
表示为在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的方差；根据公式
Figure BDA0002562745730000217
更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息，
Figure BDA0002562745730000218
表示在第i次迭代操作中，从发送符号变量节点xtk到函数节点Mtk的传输消息；
Figure BDA0002562745730000219
在第i次迭代操作中，从发送符号变量节点xtk到函数观测节点ftk的传输消息。
可选地，上述生成单元还用于：根据公式
Figure BDA00025627457300002110
生成译码所需外信息码；
Figure BDA00025627457300002111
表示在第i-1次迭代操作中确定出的译码所需外信息码；将外信息对应解交织并输入译码器进行迭代译码；将译码信息重新交织生成新的先验信息。
可选地，上述第二更新单元还用于：根据公式
Figure BDA00025627457300002112
更新函数节点到发送符号变量节点的传输消息；
Figure BDA00025627457300002113
表示在第i次迭代操作中，从函数节点Mtk到发送符号变量节点xtk的传输消息；Q表示调制符号中所含比特个数；根据以下公式更新从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差：
Figure BDA0002562745730000221
可选地，上述第三更新单元还用于：根据公式
Figure BDA0002562745730000222
更新矩阵求逆结果；其中，(AL)-1通过迭代公式计算得到：
Figure BDA0002562745730000223
根据矩阵求逆结果，并通过以下公式更新信道变量节点w的后验概率的均值和方差：
Figure BDA0002562745730000224
Figure BDA0002562745730000225
其中，
Figure BDA0002562745730000226
Figure BDA0002562745730000227
可选地，上述第四更新单元还用于：根据以下公式更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差：
Figure BDA0002562745730000228
Figure BDA0002562745730000229
其中，
Figure BDA00025627457300002210
表示
Figure BDA00025627457300002211
的第k个元素，
Figure BDA00025627457300002212
表示
Figure BDA00025627457300002213
的第k个对角元素。
可选地，上述确定单元还用于：判断当前迭代操作是否满足迭代停止要求；若满足，则根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码方法，其特征在于，包括：
获取目标用户的OFDM信号；并根据所述OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据所述权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；
更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，所述目标因子图为所述目标用户所属的OFDMA系统的因子图；所述目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；
根据所述传输消息生成译码所需外信息，并根据所述译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；
根据所述新的先验信息更新所述目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，所述第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；
根据所述第一均值和所述第一方差更新矩阵求逆结果，并根据所述矩阵求逆结果更新所述信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；
根据所述第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；
重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差包括：
根据第一公式更新从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，其中，所述第一公式为：
Figure FDA0002562745720000021
Figure FDA0002562745720000022
其中，
Figure FDA0002562745720000023
为第一均值，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的均值；
Figure FDA0002562745720000024
为第一方差，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的方差；t表示目标用户的OFDM信号所在时隙，k表示目标用户的OFDM信号在时隙t中所属的子载波数；
Figure FDA0002562745720000025
表示所述权重函数，ytk表示频域接收符号；xtk表示频域上传输的符号；
Figure FDA0002562745720000026
表示映射星座图；
Figure FDA0002562745720000027
表示高斯白噪声的方差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息包括：
根据公式
Figure FDA0002562745720000028
计算中间变量；
Figure FDA0002562745720000029
表示在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的均值；
Figure FDA00025627457200000210
表示为在第i-1次迭代操作中，从信道变量节点wk传递到函数观测节点ftk的传输消息的方差；
根据公式
Figure FDA00025627457200000211
更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息，
Figure FDA00025627457200000212
表示在第i次迭代操作中，从发送符号变量节点xtk到函数节点Mtk的传输消息；
Figure FDA0002562745720000031
在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk到发送符号变量节点xtk的传输消息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述传输消息生成译码所需外信息，并根据所述译码所需外信息的对应解生成新的先验信息包括：
根据公式
Figure FDA0002562745720000032
生成译码所需外信息码；
Figure FDA0002562745720000033
表示在第i-1次迭代操作中确定出的译码所需外信息码；
将外信息对应解交织并输入译码器进行迭代译码；
将译码信息重新交织生成所述新的先验信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述新的先验信息更新所述目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差包括：
根据公式
Figure FDA0002562745720000034
更新函数节点到发送符号变量节点的传输消息；
Figure FDA0002562745720000035
表示在第i次迭代操作中，从函数节点Mtk到发送符号变量节点xtk的传输消息；Q表示调制符号中所含比特个数；
根据以下公式更新从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差：
Figure FDA0002562745720000036
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述第一均值和所述第一方差更新矩阵求逆结果，并根据所述矩阵求逆结果更新所述信道变量节点后验概率的均值和方差包括：
根据公式
Figure FDA0002562745720000041
更新矩阵求逆结果；其中，(AL)-1通过迭代公式计算得到：
Figure FDA0002562745720000042
根据所述矩阵求逆结果，并通过以下公式更新信道变量节点w的后验概率的均值和方差：
Figure FDA0002562745720000043
其中，
Figure FDA0002562745720000044
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差包括：
根据以下公式更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差：
Figure FDA0002562745720000045
其中，
Figure FDA0002562745720000046
表示
Figure FDA0002562745720000047
的第k个元素，
Figure FDA0002562745720000048
表示
Figure FDA0002562745720000049
的第k个对角元素。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果包括：
判断当前迭代操作是否满足迭代停止要求；
若满足，则根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
9.一种基于消息传播算法的联合信道估计与译码装置，其特征在于，包括：
计算更新单元，用于获取目标用户的OFDM信号；并根据所述OFDM信号计算当前迭代步骤中高斯分布的权重函数，以及根据所述权重函数更新目标因子图中从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，得到第一均值和第一方差；
第一更新单元，用于更新目标因子图中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息，其中，所述目标因子图为所述目标用户所属的OFDMA系统的因子图；所述目标因子图中包含目标用户所使用的资源节点；
生成单元，用于根据所述传输消息生成译码所需外信息，并根据所述译码所需外信息的对应解生成新的先验信息；
第二更新单元，用于根据所述新的先验信息更新所述目标因子图中从发送符号变量节点到函数观测节点的传输消息的均值和方差，得到第二均值和第二方差，其中，所述第二均值和第二方差用于更新下一个迭代步骤中从发送符号变量节点到函数节点的传输消息；
第三更新单元，用于根据所述第一均值和所述第一方差更新矩阵求逆结果，并根据所述矩阵求逆结果更新所述信道变量节点后验概率的均值和方差，得到第三均值和第三方差；
第四更新单元，用于根据所述第三均值和第三方差更新信道变量节点到函数观测节点传输消息的均值和方差；
确定单元，用于重复上述步骤，直至满足迭代停止条件时，根据更新后的均值和方差确定信道估计结果和译码结果。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述计算更新单元包括：
第一更新模块，用于根据第一公式更新从函数观测节点到信道变量节点传输消息的均值和方差，其中，所述第一公式为：
Figure FDA0002562745720000051
Figure FDA0002562745720000052
其中，
Figure FDA0002562745720000053
为第一均值，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的均值；
Figure FDA0002562745720000054
为第一方差，表示为在第i次迭代操作中，从函数观测节点ftk传递到信道变量节点wk的传输消息的方差；t表示目标用户的OFDM信号所在时隙，k表示目标用户的OFDM信号在时隙t中所属的子载波数；
Figure FDA0002562745720000061
表示所述权重函数，ytk表示频域接收符号；xtk表示频域上传输的符号；
Figure FDA0002562745720000062
表示映射星座图；
Figure FDA0002562745720000063
表示高斯白噪声的方差。
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