CN117544456A - 一种基于双迭代的Turbo均衡方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双迭代的Turbo均衡方法、装置、设备及存储介质，方法包括：将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器；将BEP均衡器和译码器级联，得到双迭代结构；利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代。本发明相比传统Turbo均衡方案，在双迭代结构的基础上，应用提前终止迭代策略，避免不必要的循环和迭代次数，在不损失性能的条件下，显著降低复杂度和运算量。
Description
技术领域
本发明涉及信息通信技术领域，尤其涉及一种基于双迭代的Turbo均衡方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
在数字通信中，Turbo均衡方法是一种对接收信号间存在的码间串扰和噪声干扰进行处理的方法，通过在软入软出均衡器和译码器之间传递迭代信息，可有效的提升接收性能。
精确的均衡方法可以通过基于网格图的方法，如BCJR算法实现，其复杂度O(AL)，其中A是调制方式的进制数，L是记忆长度。为降低BCJR算法复杂度，提出了一系列次优算法以减少网格搜索中的状态数，大致可以分为两类。一种是减少网格图的状态数目，其核心思想是通过截断记忆长度即L，从而减少网格状态数目；另一种是在搜索过程中仅保留具有最大度量的分支，从而减少了搜索的路径数目。前者是减少网格数目，在简化的网格图上执行完整的路径搜索算法，后者是在完整的网格图上执行简化的路径搜索算法。在高阶调制和大记忆长度的条件下，基于网格的均衡方法复杂度过高，一种有效的替代方案是基于线性均衡技术的方法，如LMMSE均衡，将符号先验概率p(u)假设为一组独立的高斯分布的乘积，是一种次优但低计算量的均衡算法。
基于网格的方法，如最优的BCJR算法复杂度随记忆长度呈指数增加，采用高阶调制时，多个抽头数目的信道，需要构建的网格图状态数相当庞大，即使采用简化路径搜索或减少网格状态数的方法，仍然面临极高的计算复杂度问题。采用线性化均衡技术的替代方案，如LMMSE均衡，虽然显著降低了复杂度，但是性能损失也相当大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于双迭代的Turbo均衡方法、装置、设备及存储介质，以解决目前Turbo均衡方法复杂度高、性能损失大的问题。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述方案实现的：
本发明提供一种基于双迭代的Turbo均衡方法，包括：
将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器；
将BEP均衡器和译码器级联，得到双迭代结构；
利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；
利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代。
进一步地，将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器，包括：
利用EP算法在给定信道条件下，采用一个复高斯指数族近似先验概率的分布p(u)，对后验概率分布q(u)近似表示为：
其中，∝表示“正比于”，*表示求共轭，y是接收信号，H为信道响应矩阵，为噪声方差，I是N×N的单位矩阵，uk是发送符号，u是发送信息符号，(γk,Λk)为一组复高斯对。
进一步地，采用一个复高斯指数族近似先验概率的分布p(u)，对后验概率分布q(u)近似表示，包括：
采用一组复高斯对(γk,Λk)代替发送信息符号的分布，拟合高斯分布函数q(u)；
其中，高斯分布函数q(u)对应的方差Σ和均值μ分别为
进一步地，利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代，包括：
定义符号概率的收敛率R：
当收敛率R小于预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；
其中，p(l)(xk)为第l次迭代符号xk取不同值的概率。
进一步地，利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代，包括：
比较第i次与第i-1次迭代的硬判决符号不一致的比特个数D(i)，当D(i)＜p×N时，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代；
其中，p是不一致比特个数的占比，取值在0到1之间，N是信息序列的长度。
本发明还提供一种基于双迭代的Turbo均衡装置，包括：
均衡器构建模块，用于将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器；
双迭代构建模块，用于将BEP均衡器和译码器级联，得到双迭代结构；
内迭代提前终止模块，用于利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；
外迭代提前终止模块，用于利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述基于双迭代的Turbo均衡方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述基于双迭代的Turbo均衡方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本发明构建BEP均衡器的性能远优于LMMSE均衡，在内循环收敛时不需要进行Turbo均衡就能和LMMSE外迭代10次的性能相当。
2、本发明利用收敛准则得到IBEP(Improved BEP，改进的BEP)均衡，在选取合适的收敛阈值时，在少许性能损失下能够避免预设最大循环次数带来不必要的计算量。
3、本发明将Turbo均衡和HAD准则结合，能够有效避免预设最大外迭代次数造成的译码时延和计算资源消耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的通信系统实现框图；
图2为本发明实施例提供的不同外迭代次数下的10次内循环的BEP和LMMSE的误码率曲线图；
图3为本发明实施例提供的加入收敛准则的BEP均衡误码率曲线图；
图4为本发明实施例提供的BEP和LMMSE未加入HAD准则(实线)和加入HAD准则(虚线)的误码率；
图5为本发明实施例提供的加入HAD准则的BEP和LMMSE的平均外迭代次数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
本实施例提供一种基于双迭代的Turbo均衡方法，可应用于终端，可以由Turbo均衡装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，该装置可以集成在终端中，例如：任一具备通信功能的平板电脑或计算机设备。该方法相比传统Turbo均衡方案，在外迭代之前，均衡模块利用内循环实现信道均衡。首先，将传统Turbo迭代接收结构中的均衡SISO模块替换为具有循环结构的EP算法，利用一种类似LMMSE均衡过程，通过循环匹配充分统计量，近似符号概率分布，而后将该模块输出的软信息代入Turbo外迭代中进行迭代译码。在双迭代结构的基础上，应用提前终止迭代策略，首先定义符号概率在内循环过程中的收敛率，然后根据收敛率来判断符号概率是否达到最佳收敛，符号概率满足收敛条件时终止EP算法循环；在外迭代中应用HDA准则降低迭代次数，避免不必要的循环和迭代次数。在不损失检测性能的条件下，显著降低了接收机的运算量。
进行接收机设计前，经过信道的接收信号模型表示如下：
y＝Hu+w
其中y是接收信号，w是噪声，满足为噪声方差，H为信道响应矩阵，I是N×N的单位矩阵。为根据接收信号推测符号y推测发送信息符号u，需要计算后验概率p(u|y)，表达式如下：
由于y是接收机观测到的信号，p(y)可以视作无关量，不影响均衡性能，将p(y|u)p(u)记作q(u)，接收方法围绕求解q(u)展开设计。
该基于双迭代的Turbo均衡方法具体包括以下步骤：
步骤1：实现均衡器的内部循环
构建BEP均衡器，改善LMMSE均衡对符号先验概率的近似分布。对于接收信号将发送符号uk对应的均值、方差记为E(uk)和V(uk)。假设发送符号先验概率的分布p(u)满足高斯分布，q(u)可以近似表示为：
传统的LMMSE对符号先验概率p(u)的均值、方差E(uk)和V(uk)近似假设过强，性能损失较大，需要寻找一种更加精确的近似方法。利用EP(expectation propagation，期望传播)算法，在给定信道条件下，采用一个复高斯指数族近似先验概率的分布p(u)，则对后验概率分布q(u)近似表达式如下：
其中，∝代表“正比于”，即A∝B表示A正比于B，符号*表示求共轭。该近似方法的核心思想是利用一组复高斯对(γk,Λk)代替发送信息符号的分布，用于拟合高斯分布函数q(u)，该函数满足复高斯分布，其对应的方差Σ和均值μ为 其中，该均衡器具有与LMMSE均衡类似的结构，如图1所示，称为BEP(Block-EP)均衡器。
步骤2：构建双迭代Turbo均衡
将BEP均衡器与译码器级联，两个模块之间不断交互外信息以提升均衡性能，相当于在Turbo接收机的外迭代上加入均衡内循环，相比LMMSE性能更优，对概率分布近似更精确。
步骤3：在内循环中加入收敛准则，改进BEP均衡器
在EP算法计算复高斯对(γk,Λk)时，基于符号概率的收敛率来确定算法最佳循环次数，避免收敛后产生不必要的迭代时延，定义符号概率的收敛率R
p(l)(xk)为第l次迭代符号xk取不同值的概率，通过预设敛阈值T，当收敛率R小于预设阈值，可以认为EP算法接近收敛，近似计算的符号概率值将趋于定值，EP算法对概率分布的近似性能不再随着循环次数而提升，因此提前终止内循环的迭代。
步骤4：在外迭代中加入辅助硬判决迭代停止准则
Turbo均衡随着迭代次数的增加，性能增益逐渐减小，而不必要的译码时延会增大。为了有效减少译码时延，需要使循环迭代过程在较少的迭代次数下及时停止，通过设计准则停止迭代是实现高效检测的重要手段。HAD(hard decision aided，辅助硬判决)迭代停止准则是在在交叉熵迭代停止判据的基础上提出的，在迭代过程中，译码的收敛性信息可以通过每次迭代后信息序列的硬判决结果得到，当相邻两次迭代的信息符号影判决结果相等时，可以认为达到收敛，通过将辅助硬判决迭代停止准则应用于双迭代Turbo均衡方案中，通过比较第i次与第i-1次迭代的硬判决符号不一致的比特个数D(i)，停止门限为p×N，当D(i)＜p×N时就停止迭代，其中p是不一致比特个数的占比，取值在0到1之间，N是信息序列的长度。
本实施例提供的基于双迭代的Turbo均衡方法，为在性能增益和减少迭代次数之间的权衡，分别构建了双重的迭代结构，在迭代过程中加入提前终止器，减少了不必要的迭代次数，从而实现计算量的降低。如图2所示，利用双迭代结构，通过双重的迭代能够大幅度的增益，但是随着迭代次数增加，增益逐渐减小。如图3、图4和图5所示，根据不同的实际情况，可以灵活地选取提前终止准则和阈值，实现性能增益和计算量的权衡。
实施例二：
本实施例一种基于双迭代的Turbo均衡装置，包括：
均衡器构建模块，用于将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器；
双迭代构建模块，用于将BEP均衡器和译码器级联，得到双迭代结构；
内迭代提前终止模块，用于利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；
外迭代提前终止模块，用于利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代。
实施例三：
本实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一所述基于双迭代的Turbo均衡方法的步骤。
实施例四：
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一所述基于双迭代的Turbo均衡方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于双迭代的Turbo均衡方法，其特征在于，包括：
将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器；
将BEP均衡器和译码器级联，得到双迭代结构；
利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；
利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代。
2.根据权利要求1所述基于双迭代的Turbo均衡方法，其特征在于，将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器，包括：
利用EP算法在给定信道条件下，采用一个复高斯指数族近似先验概率的分布p(u)，对后验概率分布q(u)近似表示为：
其中，∝表示“正比于”，*表示求共轭，y是接收信号，H为信道响应矩阵，为噪声方差，I是N×N的单位矩阵，uk是发送符号，u是发送信息符号，(γk,Λk)为一组复高斯对。
3.根据权利要求2所述基于双迭代的Turbo均衡方法，其特征在于，采用一个复高斯指数族近似先验概率的分布p(u)，对后验概率分布q(u)近似表示，包括：
采用一组复高斯对(γk,Λk)代替发送信息符号的分布，拟合高斯分布函数q(u)；
其中，高斯分布函数q(u)对应的方差Σ和均值μ分别为
4.根据权利要求1所述基于双迭代的Turbo均衡方法，其特征在于，利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代，包括：
定义符号概率的收敛率R：
当收敛率R小于预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；
其中，p(l)(xk)为第l次迭代符号xk取不同值的概率。
5.根据权利要求1所述基于双迭代的Turbo均衡方法，其特征在于，利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代，包括：
比较第i次与第i-1次迭代的硬判决符号不一致的比特个数D(i)，当D(i)＜p×N时，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代；
其中，p是不一致比特个数的占比，取值在0到1之间，N是信息序列的长度。
6.一种基于双迭代的Turbo均衡装置，其特征在于，包括：
均衡器构建模块，用于将LMMSE和EP算法结合，得到BEP均衡器；
双迭代构建模块，用于将BEP均衡器和译码器级联，得到双迭代结构；
内迭代提前终止模块，用于利用符号概率的收敛率和预设的收敛阈值，提前终止BEP均衡器内循环的迭代；
外迭代提前终止模块，用于利用辅助硬判决迭代停止准则，提前终止BEP均衡器和译码器外循环的迭代。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
8.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
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