多流数据整数组合的软判决检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开多流数据整数组合的软判决检测方法及系统，属于通信与信息系统

【技术实现步骤摘要】
Trans.Inf.Theory,vol.57,no.10,pp.6463
–
6486,Oct.2011.“计算与传递：通过结构码来利用干扰”，
IEEE
信息论杂志，
2011
年
10
月
。]。
[0005]通信系统中，信道编码
(channel
‑
coding)
是核心要素
。
它不但支撑了贴近极限的频谱效率与误码率性能，还提供了系统的稳定性与可靠性，并使得通信系统与信息论理论契合
。
主流的信道编码包括
5G NR
标准中的低密度奇偶校验
(low
‑
density parity
‑
check,LDPC)
码，极化码
(polar code)
，及它们的各种变型等
。
特别地，基于后验概率的软判决译码是译码性能贴近极限的必须，比硬判决译码性能提升数个分贝
(dB)[S.Lin and D.J.Costello,“Error control coding,2nd edition,”Pearson,2004.“差错控制编码，第二版”，
Pearson
出版社，
2004
年
。]。
[0006]然而在本专利技术之前，
LR、PNC、CF
和
IF
中关于多流数据的整数组合的计算均基于硬判决检测，高效能低复杂度的软判决检测方法缺失
。
这使得其与性能极限的差距至少数个分贝，且可靠性与稳定性不佳
。
因此，急需提供针对多流数据的整数组合的软判决检测方法，以合理的复杂度精确计算整数组合的后验概率，在实际上下行多用户传输和无蜂窝网络中充分兑现
PNC、CF
和
IF
理念的增益
。
[0007]基于上述现状，针对无线通信中的用户间
、
波束间
、
符号间
、
载波间的干扰问题，本专利技术考虑基于格
(lattice)、
物理层网络编码或计算与传递的思想，通过求解多流数据的整数组合实现干扰的高效处理
。
特别地，对经信道编码的数据流，本专利技术提出针对多流数据的整数组合的软判决检测方法
。
此方法精确计算多流数据的整数组合的后验概率
,
使译码性能贴近极限，且复杂度与流数呈线性关系
。
进一步，基于该方法，本专利技术提出两个新系统：基于格的下行
MIMO
广播系统，和基于格的无蜂窝
MIMO
系统，获得了功能性与性能的显著提升
。

技术实现思路

[0008](
一
)
专利技术目的：
[0009]针对经信道编码的多流数据的通信和干扰问题，本专利技术提供多流数据整数组合的软判决检测方法，精确计算多流数据的整数组合的后验概率
,
可使译码性能贴近极限
。
本专利技术的软判决检测方法的复杂度与数据流数呈线性关系
、
具备并行处理架构
、
处理延时低
。
本专利技术将信息论与编码理论中的格码
、
计算与传递
、
物理层网络编码的先进理念在实际通信系统中兑现，可用于基于
lattice
的高效能多用户检测
、
预编码
、
无蜂窝网络的分布式基站处理，载波间干扰处理等
。
[0010]进一步的，本专利技术的再一个目的在于一种所述软判决检测方法在格码多址系统
(lattice
‑
code multiple
‑
access
，
LCMA)
中的应用
。
[0011]进一步的，本专利技术的再一个目的在于提供一种应用该软判决检测方法的基于格的下行
MIMO
广播系统，适用于平坦信道以及频率选择
(frequency
‑
selective)
信道模型，提高系统的功能性与性能
。
[0012]进一步的，本专利技术的再一个目的在于提供一种基于格的无蜂窝
MIMO
系统，用于所述的
ICB
软判决检测，具有更好的
FER(
误帧率
)
性能
。
[0013](
二
)
技术方案：
[0014]本专利技术的多流数据整数组合的软判决检测方法，具体实现步骤如下：
[0015]步骤一：发送信号
[0016]考虑
K
流消息数据，用行向量
b
1T
,
…
,b
KT
表示
。
令行向量
c
iT
表示经信道编码后的第
i
流数据，
i
＝
1,2,
…
,K
，数据流长度为
n。
令
c
i
[t]表示的第
t
符号位，
t
＝
1,
…
,n。
令列向量
c[t]＝
[c1[t],
…
,c
K
[t]]T
表示所有
K
流数据的第
t
符号位
。
[0017]考虑2m
元信道编码，
m
＝
1,2,
…
。
这样，
c
i
[t]∈{0,
…
,2
m
‑
1}
，即其元素为不大于2m
‑1的非负整数
。
经信道编码后的数据流序列被逐符号地映射成2m
‑
PAM
调制的信号序列，如下：
[0018][0019]其中
γ
为归一化因子，保证序列
x
iT
的平均能量为
1。
这里
x
iT
的元素均为整数除以
γ
。
所有
K
流信号同时传输
。
[0020]对于复数模型，采用两路独立的编码和调制，分别在同相
(in
‑
phase)
和正交部分
(quadrature part)
传输，形成
I/Q
的22m
‑
QAM
调制
。
这符合主流通信系统中广泛采用的2m
‑
PAM
与22m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多流数据整数组合的软判决检测方法，其特征在于：具体实现步骤如下：步骤一：发送信号考虑
K
流消息数据，用行向量
b
1T
,
…
,b
KT
表示；令行向量
c
iT
表示经信道编码后的第
i
流数据，
i
＝
1,2,
…
,K
，数据流长度为
n
；令
c
i
[t]
表示
c
iT
的第
t
符号位，
t
＝
1,
…
,n
；令列向量
c[t]
＝
[c1[t],
…
,c
K
[t]]
T
表示所有
K
流数据的第
t
符号位；考虑2m
元信道编码，
m
＝
1,2,
…
；这样，
c
i
[t]∈{0,
…
,2
m
‑
1}
，即其元素为不大于2m
‑1的非负整数；经信道编码后的数据流序列被逐符号地映射成2m
‑
PAM
调制的信号序列，如下：其中
γ
为归一化因子，保证序列
x
iT
的平均能量为1；这里
x
iT
的元素均为整数除以
γ
；所有
K
流信号同时传输；对于复数模型，采用两路独立的编码和调制，分别在同相和正交部分传输，形成
I/Q
的22m
‑
QAM
调制；步骤二：接收信号考虑接收端的接收信号空间维度为
N
；对实数模型，接收信号表示为：其中
h
i
表示第
i
流信号到接收端
N
个观察量的信道向量；
H
＝
[h1,
…
,h
K
]
表示信道矩阵，包含所有流信号对应的信道向量；矩阵
X
＝
[x1,
…
,x
K
]
T
表示所有
K
流信号序列，其第
i
行为第
i
流信号；
Z
表示加性白噪声矩阵，其各元素为独立同分布的零均值
、
单位方差高斯噪声；
ρ
表示各流信号的平均能量，这里等同于信噪比；这里，
Y
＝
[y[1],
…
,y[n]],y[t]
为第
t
符号位的接收信号向量；一个复数模型可以用一个二倍维度的实数模型来表示，即：步骤三：多流数据的整数组合的定义考虑一个长度为
K
的整数系数向量令一个在上关于
c[t]
的整数组合表示为：这里
mod(
·
,2
m
)
表示模2m
操作，整数组合的取值范围为一般地，
L
路整数组合表示为：路整数组合表示为：表示第
l
路整数组合所对应的整数系数向量；步骤四：多流数据的整数组合的后验概率计算接收端基于其接收的信号
Y
＝
[y[1],
…
,y[n]],
计算
L
路整数组合；
回顾整数组合取值范围为计算整数组合的后验概率的操作表示为：
l
＝
1,
…
,L
；对于给定的
L
个整数系数向量
a
1T
,
…
,a
LT
，对公式
(6)
的操作如下：
a)
线性滤波令
W
为一个尺寸为
L
×
N
的线性滤波矩阵，各元素为实数；令表示
W
的第
l
行，且归一化为
||w
l
||2＝1；滤波后形成
L
路信号：其中，为实数值的等效增益，噪声项的方差为1；
b)
信号表述为了计算的后验概率，对接收信号即公式
(7)
做如下等价表述；令收集
a
l
的非零项的位置，令表示其补集；令表示
a
l
的非零项的个数；这样，可将公式
(7)
表述为：这里，这一项表示
a
l
系数不为零的
ω
(a
l
)
个用户的信号的叠加，为计算整数组合的有用信号部分；包含其余
K
‑
ω
(a
l
)
用户的信号，其对应的
a
l
系数为零，与整数组合不相关；视为等效噪声，它与有用信号部分不相关；对于一个足够大的
K
，也足够大；应用中心极限定理，等效噪声
ξ
l
遵循高斯分布，均值为0，方差为运用公式
(1)
中
x
i
与
c
i
的双射关系，即进一步简化公式
(8)
可得到：这里与信号无关；对其通过进行补偿，得到：
经过上述整理，式
(10)
中信号部分仅存
a
l
中不为零位对应的用户的信号；计算整数组合的后验概率的操作表示为：
l
＝
1,
…
,L
；
c)
整数组合的似然函数的精确计算求后验概率即公式
(11)
时，需要用到似然函数其计算方法如下：令向量仅包含
a
l
的非零元素，并令向量仅包含
c
中对应
a
l
的非零元素的部分；和的长度为运用全概率公式：从式
(10)
我们得到：
d)
基于高斯近似的低复杂度似然函数的计算考虑和之间存在“多对一”映射；这里先计算的似然函数后可转化为令集合收集满足的的候选序列；对于给定的的候选序列；对于给定的的条件均值为：的条件均值为：的条件方差为：这样，若发送的信号满足接收信号可表示为：
当
K
足够大时，对于一个给定的可以近似为均值为方差为的高斯分布；这样，似然函数为可以表示为：然后，运用全概率公式，得到整数组合的似然函数：
e)
计算整数组合的后验概率基于整数组合的似然函数即公式
(18)
，运用贝叶斯公式，整数组合的后验概率为：这里
η
为归一化因子，保证计算得出的软判决的各项相加得1；式
(19)
的第二步运用了整数组合的等概率特性，即整数组合的后验概率的计算结果即软判决信息传递给信道编码的译码器，进行译码操作，获得多流消息数据的整数组合的判决
。2.
根据权利要求1所述的软判决检测方法，其特征在于：该方法进一步包括在格码多址系统中的应用，具体过程为：
a)
信道编码与调制令用户
i
的2m
元消息数据序列用行向量
b
iT
∈{0,1,
…
,2
m
‑
1}
k
表示
,i
＝
1,2,
…
K
，
k
为消息序列的长度；所有
K
用户的消息数据可用矩阵
B
＝
[b1,
…
,b
K
]
T
表示，尺寸为
K
×
k
；本发明使用2m
元环码对各用户消息数据序列进行编码，表示为：然后，通过公式
(1)
形成2m
‑
PAM
符号；所有用户同时同频带传输；
b)
接收信号基站接收机收到信号见
(2)
式；基站根据接收端的信道状态信息
H
，运用所述软判决检测方法对多流数据的整数组合的定义，选取
L
＝
K
个线性独立的整数系数向量
a
1T
,
…
,a
KT
；令
A
＝
[a1,
…
,a
K
]
T
,
称为整数系数矩阵，其在上满秩；定义消息数据的整数组合为：接收端欲先计算
K
路整数组合
u1,
…
,u
K
,
后恢复所有用户的消息数据
B
＝
[b1,
…
,b
K
]
T
；
c)
整数组合软判决检测对第
l
路整数组合，接收端采用所述的整数组合软判决方法，逐符号位地计算出经信道编码的
K
流数据的整数组合的后验概率：
然后，将后验概率传给2m
元信道编码的译码器；
d)
信道编码的译码译码器输出：判决为：若判决结果正确，则获得
K
用户消息数据的第
l
路整数组合：以及
u
lT
＝
[u
l
[1],
…
,u
l
[k]]
；
e)
用户数据恢复
K
路整数组合的软判决检测与译码操作并行开展，产生：因为
A
在上满秩，存在唯一的逆矩阵
A
‑1:
可通过：操作恢复所有用户消息数据
B。3.
一种基于格的下行
MIMO
广播系统，该系统具体应用了如权利要求1所述的软判决检测方法，具体如下：基于格的下行
MIMO
广播系统，以下简称为
LBC...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，邱欣哲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：