專利名稱：Ofdm系統(tǒng)用的高效的迭代編碼多用戶檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用)系統(tǒng)中的編碼多用戶檢測(cè)問(wèn)題，本發(fā)明特別涉及用于提高OFDM系統(tǒng)的頻譜效率和用戶容量的迭代編碼多用戶檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代的無(wú)線通信系統(tǒng)中，為了獲得更高的傳輸可靠性，在發(fā)送信息序列時(shí)，通常先進(jìn)行編碼，然后調(diào)制發(fā)送出去，而接收機(jī)進(jìn)行與發(fā)送端相反的過(guò)程，先進(jìn)行解調(diào)，再進(jìn)行譯碼。加入編碼的目的是通過(guò)加入冗余使系統(tǒng)具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的能力。傳統(tǒng)的接收端數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程是首先在解調(diào)單元對(duì)接收信號(hào)做判決，比如判決成“1”，或“0”，然后再使用譯碼器對(duì)判決數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼，譯碼器輸出的結(jié)果就是對(duì)發(fā)送端發(fā)送信息數(shù)據(jù)的估計(jì)。這種從解調(diào)器輸出給譯碼器的判決信息被稱作硬判決信息。為了提高系統(tǒng)的性能，目前的數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程，基本上都在解調(diào)器輸出的時(shí)候不僅輸出判決信息，還要輸出判決的可靠性信息，而譯碼器能夠合理的利用可靠性信息來(lái)提高譯碼的準(zhǔn)確率，這種表征判決可靠性的信息被稱作軟判決信息。
為了追求更高的頻率使用效率，在先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)中，比如非正交多址技術(shù)或多天線技術(shù)，必然會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)用戶的信號(hào)在相同的時(shí)間-頻率資源上疊加的情況，這種來(lái)自其它用戶的干擾使得從解調(diào)器的輸出的判決信息的可靠性大大下降。為了改善解調(diào)器輸出的軟判決信息，有人提出多用戶檢測(cè)技術(shù)，即在解調(diào)過(guò)程中，將多個(gè)用戶的信號(hào)聯(lián)合起來(lái)考慮和檢測(cè)。由于多用戶檢測(cè)技術(shù)通常應(yīng)用在解調(diào)器中，所以在本專利申請(qǐng)下面的描述中，將應(yīng)用多用戶檢測(cè)技術(shù)的解調(diào)稱作多用戶解調(diào)。近年來(lái)，有人提出了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能的方法，即在發(fā)送端的編碼器和調(diào)制器之間加入一個(gè)交織器，如圖1所示，而接收端，在多用戶解調(diào)器和單用戶譯碼器之間相互交換軟判決信息進(jìn)行迭代檢測(cè)，如圖2所示，這就是本專利申請(qǐng)所涉及的編碼多用戶檢測(cè)技術(shù)。實(shí)際上，從距離譜的角度看，多個(gè)用戶信號(hào)的在空間的疊加可以看作一種編碼，因此，如果在編碼器和調(diào)制單元之間加入一個(gè)隨機(jī)交織器，則整個(gè)多用戶系統(tǒng)可以看作是一種級(jí)聯(lián)碼，即每個(gè)用戶的糾錯(cuò)編碼可以看作為外碼，而將多用戶信號(hào)的空中疊加看作內(nèi)碼。在進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)檢測(cè)的時(shí)候，可以將多用戶聯(lián)合解調(diào)和單用戶譯碼分別視作內(nèi)碼譯碼器和外碼譯碼器，在二者之間交換軟判決信息，進(jìn)行迭代檢測(cè)。這可以使系統(tǒng)獲得比多用戶檢測(cè)增益與編碼增益之和更高的增益?，F(xiàn)有的相關(guān)研究大多數(shù)是針對(duì)CDMA系統(tǒng)的，而Micheal Moher(Michael Moher，”An Iterative Multi-user Decoder for Near-Capacity Communications，”IEEE Trans.Commun.，VOL.46，NO.7，July 1998.)提出了一種適用于非擴(kuò)頻系統(tǒng)的方法，在他的方法中用不同的交織方案來(lái)區(qū)分用戶。
現(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)于多用戶檢測(cè)技術(shù)的研究都是針對(duì)DS-CDMA(直接序列擴(kuò)頻碼分多址)的單載波系統(tǒng)，所以多用戶檢測(cè)是在時(shí)域上操作，而且基本都假設(shè)使用BPSK調(diào)制。為了實(shí)現(xiàn)寬帶高速的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，人們普遍看好另外一項(xiàng)技術(shù)——使用高階調(diào)制的OFDM技術(shù)。OFDM技術(shù)將頻帶分割成許多彼此正交的子載波，并行發(fā)送信號(hào)。它具有頻譜效率高、抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前解決無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)之一。本專利申請(qǐng)研究的是將編碼多用戶檢測(cè)應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中的情況。在OFDM系統(tǒng)中，由于各用戶在頻率上的同步比較容易做到，因此整個(gè)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為同步模型。但接收信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT(快速傅立葉變換)后，在每一個(gè)子載波上，只有一個(gè)復(fù)數(shù)值輸出，這給多用戶解調(diào)造成新的困難，這也是本專利申請(qǐng)?zhí)岢龅亩嘤脩艚庹{(diào)算法的解決的難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種利用交織圖案區(qū)分用戶的多用戶OFDM系統(tǒng)，并提出了一種用于該系統(tǒng)的迭代檢測(cè)方法，本發(fā)明的核心內(nèi)容是基于最大后驗(yàn)概率的多用戶解調(diào)算法。在發(fā)送端，每個(gè)用戶在編碼器和調(diào)制器之間插入一個(gè)交織器，并且不同用戶使用不同的交織圖案。在接收端，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT之后，在每一個(gè)子載波上輸出一個(gè)復(fù)數(shù)值，多用戶解調(diào)器根據(jù)所有子載波上的輸出值和信道估計(jì)值，以及從各用戶的譯碼器反饋回來(lái)的各用戶編碼比特的外信息計(jì)算各用戶編碼比特的最大后驗(yàn)概率和新的外信息。這里外信息指經(jīng)過(guò)計(jì)算而新得到的概率比 與先驗(yàn)概率比 的比值。迭代檢測(cè)過(guò)程是，多用戶解調(diào)器以各用戶譯碼器輸出的編碼比特的外信息為先驗(yàn)信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到更新的各用戶編碼比特的外信息，這些外信息經(jīng)過(guò)解交織之后，送給各用戶的單用戶譯碼器，各用戶的譯碼器有兩個(gè)輸出，一個(gè)是譯出的信息序列，另一個(gè)是各用戶的編碼比特的外信息，這些外信息經(jīng)過(guò)交織后，送給多用戶解調(diào)器，此為一次迭代。經(jīng)過(guò)規(guī)定次數(shù)的迭代之后，從接收端所屬用戶的譯碼器輸出譯出的信息序列。
本發(fā)明的特征在于1.它是一種用交織圖案區(qū)分用戶且又基于最大后驗(yàn)概率的快速多用戶解調(diào)方法，它依次含有以下步驟在發(fā)送端，依次含有如下步驟(1)編碼器以任何一種糾錯(cuò)碼對(duì)各用戶的信息比特進(jìn)行編碼；(2)交織器對(duì)編碼器輸出的編碼比特進(jìn)行交織，把交織后的編碼比特輸出給調(diào)制映射器；(3)調(diào)制映射器根據(jù)實(shí)際情況選擇調(diào)制方式，并對(duì)所有子載波采用同一種調(diào)制方式，星座映射方式采用格雷映射。
設(shè)總用戶數(shù)為K′，每個(gè)OFDM符號(hào)包含N個(gè)子載波，用sk′(i)表示第k′個(gè)用戶在第i個(gè)子載波的調(diào)制符號(hào)，則從調(diào)制映射器每次輸出一個(gè)長(zhǎng)度為N的調(diào)制符號(hào)矢量(sk′(1)，sk′(2)，sk′(3)，…，sk′(N))給IFFT單元；(4)IFFT單元對(duì)調(diào)制符號(hào)矢量(sk′(1)，sk′(2)，sk′(3)，…，sk′(N))作IFFT變換，然后再進(jìn)行其它OFDM系統(tǒng)的一般處理，最后從發(fā)射天線發(fā)送出去。
在接收端，依次含有如下步驟(1)信道估計(jì)單元估計(jì)出每一路用戶的頻率響應(yīng)，向多用戶解調(diào)器輸出每一個(gè)用戶在每一個(gè)子載波上的幅度A′k′(i)和相位θ′k′(i)，1≤i≤N，1≤k′≤K′；同時(shí)接收信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換后，在每一個(gè)子載波上輸出一個(gè)復(fù)數(shù)值，并將此值也送至多用戶解調(diào)器；在第i個(gè)子載波上的輸出為yI(i)+j·yQ(i)=Σk′=1K′sk′(i)·Ak′′(i)·exp(jθk′′(i))+nI(i)+j·nQ(i)]]>其中，yI(i)和yQ(i)分別表示接收信號(hào)在第i個(gè)子載波上的輸出值的I路分量和Q路分量；nI(i)和nQ(i)分別表示噪聲在第i個(gè)子載波上的I路分量和Q路分量；(2)多用戶解調(diào)器依次按照以下步驟，向各對(duì)應(yīng)用戶的譯碼器輸出個(gè)對(duì)應(yīng)用戶的編碼比特的外信息概率；(2.1)根據(jù)信道估計(jì)單元的輸出和各用戶的編碼比特的先驗(yàn)概率計(jì)算所有編碼比特的最大后驗(yàn)概率，其中用到的先驗(yàn)概率來(lái)自各個(gè)單用戶的譯碼器，第一次解調(diào)時(shí)，初始化所有編碼比特的先驗(yàn)概率比為P(b=1)P(b=0)=1;]]>(2.2)再根據(jù)計(jì)算所得的最大后驗(yàn)概率和來(lái)自譯碼器的先驗(yàn)概率，計(jì)算各編碼比特的外信息概率；(3)在送到各個(gè)單用戶譯碼器之前，先對(duì)多用戶解調(diào)器輸出的外信息進(jìn)行解交織，再由各個(gè)單用戶譯碼器對(duì)解交織之后的編碼比特序列進(jìn)行譯碼，即根據(jù)編碼比特的外信息計(jì)算信息比特硬判決信息和編碼比特的外信息，然后把更新的各個(gè)編碼比特的外信息重新交織，反饋到多用戶解調(diào)器；(4)如此反復(fù)迭代，直到滿足規(guī)定的迭代次數(shù)，從期望用戶的譯碼器輸出信息比特的判決比特。
2.所述的多用戶解調(diào)器中計(jì)算編碼比特的最大后驗(yàn)概率是一種快速計(jì)算方法，它依次含有以下步驟(1)把所有的二維調(diào)制的用戶的I路、Q路視作兩個(gè)用戶，從而把K′個(gè)實(shí)際用戶等效為K個(gè)一維調(diào)制的用戶。設(shè)第k′個(gè)實(shí)際用戶在第i個(gè)子載波上的調(diào)制符號(hào)為sk′(i)，信道估計(jì)的幅度和相位分別為A′k′和θ′k′，并且它是一個(gè)二維調(diào)制符號(hào)，通過(guò)等效，分解為第k、第k+1兩個(gè)等效用戶，等效關(guān)系sk′(i)＝ak(i)+j·ak+1(i)，Ak＝A′k′，θk＝θ′k′，Ak+1＝A′k′，θk+1=θk′′+π2.]]>(2)根據(jù)每個(gè)用戶的信道頻率響應(yīng)在子載波i上的幅度和相位，噪聲方差，以及接收信號(hào)經(jīng)FFT變換在子載波i上的輸出值，得到一個(gè)計(jì)算矢量ζ(i)和一個(gè)包含多用戶間相關(guān)信息的矩陣Γ(i)；ζk(i)＝y(tǒng)k(i)×Ak(i)/σ2，……，k＝1，…K；i＝1，…N；其中，yk(i)表示在第i個(gè)子載波上信號(hào)yI(i)+j·yQ(i)在第k個(gè)等效用戶的相位θk(i)方向上的投影，yk(i)＝y(tǒng)l(i)×cos(θk(i))+yQ(i)×sin(θk(i))，……，k＝1，…K，σ2為I路或Q路上的噪聲方差；H(i)表示在第i個(gè)子載波上各個(gè)等效用戶波形之間的相關(guān)度，它由下式得到(H(i))k，l＝cos(θk(i)-θl(i))，……，k＝1，…K，l＝1，…K (3)矢量ad表示由K個(gè)等效用戶的調(diào)制符號(hào)構(gòu)成的一個(gè)矢量，設(shè)第k個(gè)調(diào)制符號(hào)ak(i)攜帶的編碼比特為mk個(gè)，則矢量ad的值域空間共有 個(gè)調(diào)制符號(hào)矢量，表示為{ad,0≤d≤2Σk=1Kmk-1},]]>用a0表示K個(gè)等效用戶的所有編碼比特都取值為0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的調(diào)制符號(hào)矢量。下面構(gòu)造一個(gè)計(jì)算最大后驗(yàn)概率所用的函數(shù)Λ(ad)Λ(ad)=2adTζ(i)-adTΓ(i)ad2σ2+Σk=1KΣr=1mkbkr(i)·log(g(bkr(i)))+Λ0]]>
其中，Λ0是一個(gè)常數(shù)，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，令Λ0的取值滿足Λ(a0)＝0，而bkr(i)表示在第i個(gè)子載波上攜帶的第k個(gè)用戶的第r個(gè)編碼比特，r＝1，…，mk，k＝1，…，K。而g(bkr(i))表示關(guān)于bkr(i)的先驗(yàn)信息，g(bkr(i))來(lái)自單用戶譯碼器，g(bkr(i))等于g(bkr(i))=P(bkr(i)=1)P(bkr(i)=0);]]>(4)Λ(ad)具有如下性質(zhì)Λ(am)=Λ(an)+(am(k)-an(k))(ζk(i)-Σj=1,j≠kKΓ(k,j)am(j))+((am(k))2-(an(k))2)·Γ(k,k)]]>+Σr=1mk(bkr(i))m·log(g((bkr(i))m))-Σr=1mk(bkr(i))n·log(g((bkr(i))n))]]>其中，矢量am和an是{ad,0≤d≤2Σk=1Kmk}]]>中的兩個(gè)調(diào)制符號(hào)矢量，它們的除第k個(gè)分量以外的所有分量都相等，用am(k)、an(k)表示am、an的第k個(gè)分量，則am(k)≠an(k),]]>而(bkr(i))m和(bkr(i))n分別表示調(diào)制到am(k)和an(k)上的第r個(gè)編碼比特。
利用Λ(ad)的這條性質(zhì)，從Λ(a0)出發(fā)，逐步求出全部Λ(ad)，0≤d≤2Σk=1Kmk-1.]]>(5)計(jì)算所有子載波上的所有用戶的調(diào)制符號(hào)攜帶的編碼比特的最大后驗(yàn)概率，第i個(gè)子載波上的第k個(gè)用戶的第r個(gè)編碼比特的最大后驗(yàn)概率的計(jì)算式為q(bkr(i))=Σad:bkr(i)=1exp(Λ(ad))Σad:bkr(i)=0exp(Λ(ad)),r=1,···,mk;k=1,···,K;i=1,···,N]]>(6)計(jì)算所有用戶的所有編碼比特的外信息，并將其輸出給單用戶譯碼器g′(bkr(i))=q(bkr(i))g(bkr(i)),r=1,···,mk;k=1,···,K;i=1,···,N.]]>試驗(yàn)證明它具有在提高頻譜效率和用戶容量的同時(shí)，可以使得多用戶解調(diào)器中的計(jì)算量大為下降，即便于實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。


圖1編碼多用戶檢測(cè)系統(tǒng)框圖，包括發(fā)送端和接收端；圖2多用戶解調(diào)和單用戶譯碼之間的迭代檢測(cè)；圖3遍歷a(i)的所有可能值，計(jì)算Λ(a(i))的過(guò)程；
圖4發(fā)送端的信號(hào)處理流程圖；圖5接收端的信號(hào)處理流程圖；圖6多用戶解調(diào)器的信號(hào)處理流程圖。
具體實(shí)施例方式
它所述的每個(gè)用戶的發(fā)送端的工作流程如圖4所示，依次含有以下步驟(1)用戶k為例，用戶k的編碼器對(duì)該用戶的信息比特進(jìn)行編碼，編碼器的編碼方式可以是任何一種糾錯(cuò)碼，通常采用的是卷積碼和Turbo碼(2)交織器對(duì)編碼器輸出的編碼比特進(jìn)行交織，并將交織過(guò)的編碼比特輸出給調(diào)制映射器。交織器的作用不僅是隔離多用戶解調(diào)和單用戶譯碼，使之接近相互獨(dú)立，而且不同的交織圖案還可以用作用戶識(shí)別。交織器采用隨機(jī)交織器，不同用戶使用不同的生成種子，生成種子可任意選??；(3)發(fā)送端對(duì)所有子載波采用相同的調(diào)制方式，使用的調(diào)制方式可以依據(jù)實(shí)際情況，選擇BPSK，QPSK，或16QAM中的一種，星座映射采用格雷映射方式。設(shè)總用戶數(shù)為K′，每個(gè)OFDM符號(hào)包含N個(gè)子載波，用sk′(i)表示第k′個(gè)用戶在第i個(gè)子載波的調(diào)制符號(hào)，則從調(diào)制器每次輸出一個(gè)長(zhǎng)度為N的調(diào)制符號(hào)矢量(sk′(1)，sk′(2)，sk′(3)，…，sk′(N))給IFFT單元；(4)IFFT單元對(duì)調(diào)制符號(hào)矢量(sk′(1)，sk′(2)，sk′(3)，…，sk′(N))作IFFT變換，然后再進(jìn)行其它OFDM系統(tǒng)的一般處理，最后從發(fā)射天線發(fā)送出去。
K′個(gè)用戶的信號(hào)必然會(huì)在空中疊加，假設(shè)各個(gè)用戶在每一個(gè)子載波上的頻域信道估計(jì)值已知，即用戶k′在第i子載波上的幅度和相位分別為A′k′(i)和θ′k′(i)，則接收信號(hào)在FFT之后，在第i個(gè)子載波上的輸出為yI(i)+j·yQ(i)=Σk′=1K′sk′(i)·Ak′′(i)·exp(jθk′′(i))+nI(i)+j·nQ(i)------(1)]]>其中，yI(i)和yQ(i)分別表示接收信號(hào)在第i個(gè)子載波上的輸出值的I路分量和Q路分量；nI(i)和nQ(i)分別表示噪聲在第i個(gè)子載波上的I路分量和Q路分量，均為高斯變量。
它所述的每個(gè)用戶的接收端的工作流程如圖5所示，依次含有以下步驟(1)信道估計(jì)單元輸出(A′1(i)，A′2(i)，…，A′K′(i))和(θ′1(i)，θ′2(i)，…，θ′K′(i))給多用戶解調(diào)器，并第一次迭代初始化編碼比特的先驗(yàn)信息g(bkr(i))=1,]]>k＝1，…，K，第一次之后(g(b1r(i))，g(b2r(i))，…，g(bKr(i)))由各個(gè)用戶的單用戶譯碼器提供編碼比特的外信息(2)多用戶解調(diào)器根據(jù)(A′1(i)，A′2(i)，…，A′K′(i))、(θ′1(i)，θ′2(i)，…，θ′K′(i))和(g(b1r(i))，g(b2r(i))，…，g(bKr(i)))計(jì)算各個(gè)用戶的編碼比特最大后驗(yàn)概率和外信息；(3)多用戶解調(diào)器輸出的編碼比特的外信息經(jīng)過(guò)解交織后，送給各個(gè)用戶的單用戶譯碼器(4)當(dāng)?shù)螖?shù)少于規(guī)定次數(shù)，各用戶的單用戶譯碼器輸出的編碼比特經(jīng)過(guò)交織后，反饋給多用戶解調(diào)器，轉(zhuǎn)移到(2)當(dāng)?shù)螖?shù)等于規(guī)定次數(shù)，從各用戶的單用戶譯碼器輸出信息比特的判決信息。
在本發(fā)明提出的多用戶解調(diào)算法中，為了避免復(fù)數(shù)運(yùn)算，我們將每一個(gè)二維調(diào)制的信號(hào)分解成兩個(gè)一維的調(diào)制信號(hào)，多用戶解調(diào)器中計(jì)算各個(gè)用戶的編碼比特的最大后驗(yàn)概率的算法的描述如下設(shè)系統(tǒng)有K′個(gè)實(shí)際用戶，現(xiàn)將其中的所有二維調(diào)制(即QPSK或16QAM)的用戶的I路和O路視作兩個(gè)用戶，這樣K′個(gè)實(shí)際用戶就可以等效為K個(gè)一維調(diào)制的用戶。假設(shè)K個(gè)等效用戶在每個(gè)調(diào)制符號(hào)上分別攜帶的比特?cái)?shù)為m1，…，mK，第k個(gè)等效用戶在第i個(gè)子載波上調(diào)制符號(hào)為ak(i)，其攜帶的編碼比特為 調(diào)制映射關(guān)系可表示為Ψ(bkl(i),···,bkmk(i))=ak(i),ak(i)∈{-2mk+1,···,-1,+1,···,2mk-1}------(2)]]>如果第k′個(gè)實(shí)際用戶是二維調(diào)制，調(diào)制符號(hào)為sk′(i)，信道估計(jì)的幅度和相位分別為A′k′和θ′k′，它將等效兩個(gè)一維調(diào)制用戶，用戶k和用戶k+1，那么調(diào)制符號(hào)、幅度和相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系為sk′(i)＝ak(i)+j·ak+1(i)，Ak＝A′k′，Ak+1＝A′k′，θk＝θ′k′，θk+1=θk′′+π2]]>根據(jù)這個(gè)等效關(guān)系，我們可以從K′個(gè)實(shí)際用戶在第i個(gè)子載波上的調(diào)制符號(hào)矢量(s1(i)，s2(i)，…，sK′(i))得到K個(gè)等效用戶在第i個(gè)子載波上的調(diào)制符號(hào)矢量(a1(i)，a2(i)，…，aK(i))；從K′個(gè)實(shí)際用戶在第i個(gè)子載波上的信道估計(jì)幅度矢量(A′1(i)，A′2(i)，…，A′K′(i))得到K個(gè)等效用戶在第i個(gè)子載波上的信道估計(jì)幅度矢量(A1(i)，A2(i)，…，AK(i))；從K′個(gè)實(shí)際用戶在第i個(gè)子載波上的信道估計(jì)相位矢量(θ′1(i)，θ′2(i)，…，θ′K′(i))得到K個(gè)等效用戶在第i個(gè)子載波上的信道估計(jì)相位矢量(θ1(i)，θ2(i)，…，θK(i))；下面，我們用yk(i)表示第i個(gè)子載波上的信號(hào)yI(i)+j·yQ(i)在第k個(gè)等效用戶的相位θk(i)方向上的投影，則yk(i)可由如下的公式(3)得到y(tǒng)k(i)＝y(tǒng)I(i)×cos(θk(i))+yQ(i)×sin(θk(i))，……，k＝1，…K(3)相應(yīng)的，我們用nk(i)表示第i個(gè)子載波上的信號(hào)nI(i)+j·nQ(i)在第k個(gè)等效用戶的相位θk(i)方向上的投影，則nk(i)可由如下的公式(4)得到nk(i)＝nI(i)×cos(θk(i))+nQ(i)×sin(θk(i))，……，k＝1，…K(4)根據(jù)公式(3)、(4)，公式(1)用矢量和矩陣可表示為y(i)＝H(i)W(i)a(i)+n(i)，……，i＝1，…N (5)其中，對(duì)角陣W(i)＝diag(A1(i)，A2(i)，…AK(i))的對(duì)角線上的元素表示K個(gè)用戶的幅度，H(i)表示在第i個(gè)子載波上用戶波形之間的相關(guān)度，它可由下面公式(6)得到
(H(i))k，l＝cos(θk(i)-θl(i))，……，k＝1，…K，l＝1，…K(6)據(jù)此，本發(fā)明提出一種如下公式(7)所示的新型度量函數(shù)，用于計(jì)算各個(gè)用戶的編碼比特的最大后驗(yàn)概率。
L(a(i))=exp(2a(i)TW(i)y(i)-a(i)TW(i)H(i)W(i)a(i)2σ2)]]>=exp(a(i)Tζ(i)-a(i)TΓ(i)a(i))------(7)]]>其中矢量ζ(i)和矩陣Γ(i)由公式(8)(9)到。
ζk(i)＝y(tǒng)k(i)×Ak(i)/σ2，……，k＝1，…K；i＝1，…N (8) 由此可得計(jì)算第k個(gè)用戶的第r個(gè)編碼比特bkr(i)的最大后驗(yàn)概率，如公式(10)所示q(bkr(i))=Σa(i):bkr(i)=1∏j=1K∏l=1mj(g(bjl(i)))bjl(i)L(a(i))Σa(i):bkr(i)=0∏j=1K∏l=1mj(g(bjl(i)))bjl(i)L(a(i)),r=1,···mk;k=1,···,K;i=1,···N----(10)]]>這里g(b)=P(b=1)/P(b=0),]]>是關(guān)于b的軟判決信息，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本發(fā)明提出了一種用于計(jì)算最大后驗(yàn)概率的函數(shù)Λ(a)，如公式(11)所示Λ(a)=2aTζ(i)-aTΓ(i)a2σ2+Σj=1KΣl=1mlbjl(i)·log(g(bjl(i)))+Λ0-------(11)]]>其中，Λ0是一個(gè)常數(shù)，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，令Λ0的取值滿足Λ(a0)＝0，這里a0表示K個(gè)等效用戶的所有編碼比特都取值為0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的調(diào)制符號(hào)矢量?；诤瘮?shù)Λ(a)的最大后驗(yàn)概率的計(jì)算方法是q(bkr(i))=Σa:bkr(i)=1exp(Λ(a))Σa:bkr(i)=0exp(Λ(a)),r=1,···,mk;k=1,···,K;i=1,···,N------(12)]]>設(shè)矢量am和an是兩個(gè)調(diào)制符號(hào)矢量，它們的除第k個(gè)分量以外的所有分量都相等，用am(k)、an(k)表示am、an的第k個(gè)分量，則am(k)≠an(k),]]>而(bkr(i))m和(bkr(i))n分別表示調(diào)制到am(k)和an(k)上的第r個(gè)編碼比特。我們可知，函數(shù)Λ(a)有如公式(13)所示的特性，利用這一特性，我們可以避免大量的重復(fù)運(yùn)算，大大提高計(jì)算最大后驗(yàn)概率的效率。
Λ(am)=Λ(an)+(am(k)-an(k))(ζk(i)-Σj=1,l≠kKΓ(k,j)am(j))+((am(k))2-(an(k))2)·Γ(k,k)]]>+Σr=1mk(bkr(i))m·log(g((bkr(i))m))-Σr=1mk(bkr(i))n·log(g((bkr(i))n))------(13)]]>最后，從多用戶解調(diào)器輸出給單用戶譯碼器的外信息按如下獲得g′(bkr(i))=q(bkr(i))g(bkr(i)),r=1,···,mk;k=1,···,K;i=1,···,N------(14)]]>多用戶解調(diào)器計(jì)算編碼比特最大后驗(yàn)概率和外信息的快速算法如圖6所示，依次含有以下步驟(1)系統(tǒng)有K′個(gè)實(shí)際用戶，現(xiàn)將其中的所有二維調(diào)制(即QPSK或16QAM)的用戶的I路和Q路視作兩個(gè)用戶，這樣K′個(gè)實(shí)際用戶就可以等效為K個(gè)一維調(diào)制的用戶。相應(yīng)的，計(jì)算得到矢量Θ(i)＝(θ1(i)，θ2(i)，…θK(i))T和W(i)＝diag(A1(i)，A2(i)，…，AK(i))；(2)按照公式(3)、(4)、(6)計(jì)算y(i)＝(y1(i)，y2(i)，…yK(i))T、n(i)＝(n1(i)，n2(i)，…nK(i))T和H(i)。
(3)根據(jù)公式(10)計(jì)算矢量ζ(i)，根據(jù)公式(11)計(jì)算相關(guān)矩陣Γ(i)，令Λ(a0)＝0；(4)遍歷第一個(gè)調(diào)制符號(hào)a1(i)的所有可能的取值，根據(jù)公式(11)從Λ(a0)可以得到2mt個(gè)a不同取值下的Λ(a)，再對(duì)這2m1個(gè)不同a分別遍歷第二個(gè)調(diào)制符號(hào)a2(i)的所有可能的取值，利用公式(11)，可以得到2m1+m2個(gè)不同a的Λ(a)，依此類推，經(jīng)過(guò)K次遍歷得到a的全部可能取值下的Λ(a)。如此計(jì)算，可以避免了很多重復(fù)運(yùn)算，從而提高效率；(5)根據(jù)公式(12)計(jì)算編碼比特bkr(i)的最大后驗(yàn)概率q(bkr(i))，再用bkr(i)的后驗(yàn)概率除以bkr(i)的先驗(yàn)概率g(bkr(i))，從而得到更新的bkr(i)的外信息g′(bkr(i))。如此計(jì)算，得到所有用戶的所有編碼比特的外信息，最后將這些外信息輸出給對(duì)應(yīng)用戶的解交織器。
本發(fā)明所提出的OFDM系統(tǒng)下的編碼多用戶檢測(cè)方法可以在相同的時(shí)頻資源里，支持更多的用戶，從而實(shí)現(xiàn)更高的頻譜利用率和用戶容量。本發(fā)明還針對(duì)OFDM系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種快速計(jì)算編碼比特最大后驗(yàn)概率的算法，它避免了計(jì)算過(guò)程中的重復(fù)運(yùn)算，使得多用戶解調(diào)器中計(jì)算量大大下降，也使整個(gè)方法具有可實(shí)用性。
具體實(shí)施例方式假設(shè)OFDM系統(tǒng)中，有1024個(gè)子載波，有兩個(gè)調(diào)制方式均為16QAM的用戶，即K′＝2，K＝4，N＝1024。假設(shè)每個(gè)用戶都采用1/2碼率的Turbo碼。
用戶1和用戶2的發(fā)送端工作流程相同，步驟如下所述(1)用戶的編碼器對(duì)該用戶的信息比特進(jìn)行Turbo編碼，由于子載波數(shù)為1024個(gè)，采用16QAM調(diào)制，所以每個(gè)編碼塊長(zhǎng)度為4096；(2)交織器對(duì)編碼器輸出的編碼比特進(jìn)行交織，并將交織過(guò)的編碼比特輸出給調(diào)制映射器。用戶1和用戶2采用不同的生成種子，以便生成不同的隨機(jī)交織圖案。比如，用戶1和用戶2的生成種子分別為100和1000；(3)發(fā)送端在所有子載波采用16QAM、格雷映射調(diào)制方式，將4096個(gè)編碼比特映射到1024個(gè)子載波上去；(4)IFFT單元對(duì)調(diào)制符號(hào)矢量(sk′(1)，sk′(2)，sk′(3)，…，sk′(1024))作IFFT變換，然后再進(jìn)行其它OFDM系統(tǒng)的一般處理，最后從發(fā)射天線發(fā)送出去。
每個(gè)用戶的接收端工作流程如圖5所示，步驟如下(1)信道估計(jì)單元估計(jì)出每一路用戶的頻率響應(yīng)，向多用戶解調(diào)器輸出每一個(gè)用戶在每一個(gè)子載波上的幅度A′k′(i)和相位θ′k′(i)，1≤i≤1024，1≤k′≤2；同時(shí)接收信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換后，在每一個(gè)子載波上輸出一個(gè)復(fù)數(shù)值，并將此值也送至多用戶解調(diào)器；(2)多用戶解調(diào)器根據(jù)信道估計(jì)單元的輸出和各用戶的編碼比特的先驗(yàn)概率計(jì)算所有編碼比特的最大后驗(yàn)概率，其中用到的先驗(yàn)概率來(lái)自各個(gè)單用戶的譯碼器，第一次解調(diào)時(shí)，初始化所有編碼比特的先驗(yàn)概率為P(b=1)P(b=0)=1;]]>在第一次之后的解調(diào)時(shí)，取值為各個(gè)單用戶譯碼器輸出的編碼比特的外信息，這些譯碼器輸出的編碼比特的外信息經(jīng)過(guò)重新交織后反饋給多用戶解調(diào)器；多用戶解調(diào)器再根據(jù)計(jì)算所得的最大后驗(yàn)概率和來(lái)自譯碼器的先驗(yàn)概率，計(jì)算各編碼比特的外信息概率；(3)多用戶解調(diào)器輸出的編碼比特的外信息經(jīng)過(guò)解交織后，送給各個(gè)用戶的單用戶譯碼器；(4)當(dāng)?shù)螖?shù)少于規(guī)定次數(shù)，各用戶的單用戶譯碼器輸出的編碼比特經(jīng)過(guò)交織后，反饋給多用戶解調(diào)器，轉(zhuǎn)移到(2)；當(dāng)?shù)螖?shù)等于規(guī)定次數(shù)，從各用戶的單用戶譯碼器輸出信息比特的判決信息。
多用戶解調(diào)器計(jì)算編碼比特最大后驗(yàn)概率和外信息的工作步驟如圖6所示(1)系統(tǒng)有2個(gè)實(shí)際用戶，這兩個(gè)用戶的I路和Q路視作兩個(gè)用戶，這樣2個(gè)實(shí)際用戶就可以等效為4個(gè)一維調(diào)制的用戶。相應(yīng)的，計(jì)算得到矢量Θ(i)＝(θ1(i)，θ2(i)，θ3(i)，θ4(i))T和W(i)＝diag(A1(i)，A2(i)，A3(i)，A4(i))；(2)按照公式(3)、(4)、(6)計(jì)算y(i)＝(y1(i)，y2(i)，y3(i)，y4(i))T、n(i)＝(n1(i)，n2(i)，n3(i)，n4(i))T和H(i)。
(3)根據(jù)公式(10)計(jì)算矢量ζ(i)，根據(jù)公式(11)計(jì)算相關(guān)矩陣Γ(i)，令Λ(a0)＝0；(4)計(jì)算a在所有不同的取值下的度量函數(shù)Λ(a)的過(guò)程，如圖3所示。其中每個(gè)等效用戶在每個(gè)調(diào)制符號(hào)上攜帶2個(gè)比特，采用格雷映射，即將bk1bk2=00,01,11,10]]>分別映射為ak＝-3，-1，+1，+3。調(diào)制符號(hào)矢量a(i)＝(a1(i)，a2(i)，a3(i)，a4(i))。為說(shuō)明a(i)遍歷所有可能值的時(shí)候，計(jì)算Λ(a(i))的過(guò)程，我們對(duì)a(i)的取值作如表1所示的標(biāo)記，以便后面的描述。
表1.a(i)的取值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)記

遍歷第一個(gè)調(diào)制符號(hào)a1(i)的所有4種可能的取值{-3，-1，+1，+3}，根據(jù)公式(11)從Λ(a0)可以得到A(a0)，Λ(a64)，Λ(a128)，Λ(a192)；再對(duì)這4個(gè)不同a分別遍歷第二個(gè)調(diào)制符號(hào)a2(i)的所有4種可能的取值，利用公式(11)，可以得到16不同a的度量函數(shù)值Λ(a16×1)，0≤i≤15；再分別對(duì)a3(i)、a4(i)遍歷，最后的得到所有的Λ(a1)，0≤i≤255。整個(gè)遍歷過(guò)程，如圖3所示。如此計(jì)算，可以避免了很多重復(fù)運(yùn)算，從而提高效率；(5)根據(jù)公式(12)計(jì)算編碼比特bkr(i)的最大后驗(yàn)概率q(bkr(i))，再用bkr(i)的后驗(yàn)概率除以bkr(i)的先驗(yàn)概率g(bkr(i))，從而得到更新的bkr(i)的外信息g′(bkr(i))。如此計(jì)算，得到所有用戶的所有編碼比特的外信息，最后將這些外信息輸出給對(duì)應(yīng)用戶的解交織器。
本發(fā)明申請(qǐng)所提出的OFDM系統(tǒng)下的編碼多用戶檢測(cè)方法可以在相同的時(shí)頻資源里，支持更多的用戶，從而實(shí)現(xiàn)更高的頻譜利用率和用戶容量。本發(fā)明還針對(duì)OFDM系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種快速計(jì)算編碼比特最大后驗(yàn)概率的算法，它避免了計(jì)算過(guò)程中的重復(fù)運(yùn)算，使得多用戶解調(diào)器中計(jì)算量大大下降，也使整個(gè)方法具有可實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.OFDM系統(tǒng)用的高效的迭代編碼多用戶檢測(cè)方法，含有用不同交織圖案來(lái)區(qū)分用戶的步驟，其特征在于，它是一種用交織圖案區(qū)分用戶且又在聯(lián)合多用戶解調(diào)和單用戶譯碼之間迭代的檢測(cè)方法，它依次含有以下步驟在發(fā)送端，依次含有如下步驟(1)編碼器以任何一種糾錯(cuò)碼對(duì)各用戶的信息比特進(jìn)行編碼；(2)交織器對(duì)編碼器輸出的編碼比特進(jìn)行交織，把交織后的編碼比特輸出給調(diào)制映射器；(3)調(diào)制映射器根據(jù)實(shí)際情況選擇調(diào)制方式，并對(duì)所有子載波采用同一種調(diào)制方式，星座映射方式采用格雷映射，設(shè)總用戶數(shù)為K′，每個(gè)OFDM符號(hào)包含N個(gè)子載波，用sk′(i)表示第k′個(gè)用戶在第i個(gè)子載波的調(diào)制符號(hào)，則從調(diào)制映射器每次輸出一個(gè)長(zhǎng)度為N的調(diào)制符號(hào)矢量(sk′(1)，sk′(2)，sk′(3)，…，sk′(N))給IFFT單元；(4)IFFT單元對(duì)調(diào)制符號(hào)矢量(sk′(1)，sk′(2)，sk′(3)，…，sk′(N))作IFFT變換，然后再進(jìn)行其它OFDM系統(tǒng)的一般處理，最后從發(fā)射天線發(fā)送出去；在接收端，依次含有如下步驟(1)信道估計(jì)單元估計(jì)出每一路用戶的頻率響應(yīng)，向多用戶解調(diào)器輸出每一個(gè)用戶在每一個(gè)子載波上的幅度A′k′(i)和相位θ′k′(i)，1≤i≤N，1≤k′≤K′；同時(shí)接收信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換后，在每一個(gè)子載波上輸出一個(gè)復(fù)數(shù)值，并將此值也送至多用戶解調(diào)器，在第i個(gè)子載波上的輸出為yI(i)+j·yQ(i)=Σk′=1K′sk′(i)·Ak′′(i)·exp(jθk′′(i))+nI(i)+j·nQ(i)]]>其中，yI(i)和yQ(i)分別表示接收信號(hào)在第i個(gè)子載波上的輸出值的I路分量和Q路分量；nI(i)和nQ(i)分別表示噪聲在第i個(gè)子載波上的I路分量和Q路分量。(2)多用戶解調(diào)器依次按照以下步驟，向各對(duì)應(yīng)用戶的譯碼器輸出各對(duì)應(yīng)用戶的編碼比特的外信息概率(2.1)根據(jù)信道估計(jì)單元的輸出和各用戶的編碼比特的先驗(yàn)概率比計(jì)算所有編碼比特的最大后驗(yàn)概率，其中用到的先驗(yàn)概率比來(lái)自各個(gè)單用戶的譯碼器，第一次解調(diào)時(shí)，初始化所有編碼比特的先驗(yàn)概率比為P(b=1)P(b=0)=1,]]>(2.2)再根據(jù)計(jì)算所得的最大后驗(yàn)概率和來(lái)自譯碼器的先驗(yàn)概率比，計(jì)算各編碼比特的外信息概率，(3)在送到各個(gè)單用戶譯碼器之前，先對(duì)多用戶解調(diào)器輸出的外信息進(jìn)行解交織，再由各個(gè)單用戶譯碼器對(duì)解交織之后的編碼比特序列進(jìn)行譯碼，即根據(jù)編碼比特的外信息計(jì)算信息比特的硬判決信息和編碼比特的外信息，然后把更新的各個(gè)編碼比特的外信息重新交織，反饋到多用戶解調(diào)器，(4)如此反復(fù)迭代，直到滿足規(guī)定的迭代次數(shù)，從期望用戶的譯碼器輸出信息比特的判決比特。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM系統(tǒng)用的高效的迭代編碼多用戶檢測(cè)方法，其特征在于所述的多用戶解調(diào)器中計(jì)算編碼比特的最大后驗(yàn)概率是一種快速計(jì)算方法，它依次含有以下步驟(1)把所有的二維調(diào)制的用戶的I路、Q路視作兩個(gè)用戶，從而把K′個(gè)實(shí)際用戶等效為K個(gè)一維調(diào)制的用戶。設(shè)第k′個(gè)實(shí)際用戶在第i個(gè)子載波上的調(diào)制符號(hào)為sk′(i)，信道估計(jì)的幅度和相位分別為A′k′和θ′k′，并且它是一個(gè)二維調(diào)制符號(hào)，通過(guò)等效，分解為第k、第k+1兩個(gè)等效用戶，等效關(guān)系s′k′(i)＝αk(i)+j·αk+1(i)，Ak＝A′k′，θk＝θ′k′，Ak+1＝A′k′，θk+1=θk′′+π2;]]>(2)根據(jù)每個(gè)用戶的信道頻率響應(yīng)在子載波i上的幅度和相位，噪聲方差，以及接收信號(hào)經(jīng)FFT變換在子載波i上的輸出值，得到一個(gè)計(jì)算矢量ζ(i)和一個(gè)包含多用戶間相關(guān)信息的矩陣Г(i)；ζk(i)＝y(tǒng)k(i)×Ak(i)/σ2，……，k＝1，…K；i＝1，…N；其中，yk(i)表示在第i個(gè)子載波上信號(hào)yI(i)+j·yQ(i)在第k個(gè)等效用戶的相位θk(i)方向上的投影，yk(i)＝y(tǒng)I(i)×cos(θk(i))+yQ(i)×sin(θk(i))，……，k＝1，…K，σ2為I路或Q路上的噪聲方差，H(i)表示在第i個(gè)子載波上各個(gè)等效用戶波形之間的相關(guān)度，它由下式得到(H(i))k，l＝cos(θk(i)-θl(i))，……，k＝1，…K，l＝1，…K； (3)矢量ad表示由K個(gè)等效用戶的調(diào)制符號(hào)構(gòu)成的一個(gè)矢量，設(shè)第k個(gè)調(diào)制符號(hào)αk(i)攜帶的比特為mk個(gè)，則矢量ad的值域空間共有 個(gè)調(diào)制符號(hào)矢量，表示為{ad,0≤d≤2Σk=1Kmk-1},]]>用a0表示K個(gè)等效用戶的所有編碼比特都取值為0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的調(diào)制符號(hào)矢量，下面構(gòu)造一個(gè)計(jì)算最大后驗(yàn)概率所用的函數(shù)Λ(ad)Λ(ad)=2adTζ(i)-adTΓ(i)ad2σ2Σk=1KΣr=1mkbkr(i)·log(g(bkr(i)))+Λ0]]>其中，Λ0是一個(gè)常數(shù)，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，令Λ0的取值滿足Λ(a0)＝0，而bkr(i)表示在第i個(gè)子載波上攜帶的第k個(gè)用戶的第r個(gè)編碼比特，r＝1，…，mk，k＝1，…，K。而g(bkr(i))表示關(guān)于bkr(i)的先驗(yàn)信息，g(bkr(i))來(lái)自單用戶譯碼器，g(bkr(i))等于g(bkr(i))=P(bkr(i)=1)P(bkr(i)=0);]]>(4)Λ(ad)具有如下性質(zhì)Λ(am)=Λ(an)+(am(k)-an(k))(ζk(i)-Σj=1,j≠kKΓ(k,j)am(j))+((am(k))2-(an(k))2)·Γ(k,k)]]>+Σr=1mk(bkr(i))m·log(g((bkr(i))m))-Σr=1mk(bkr(i))n·log(g((bkr(i))n))]]>其中，矢量αm和αn是{ad,0≤d≤2Σk=1Kmk}]]>中的兩個(gè)調(diào)制符號(hào)矢量，它們的除第k個(gè)分量以外的所有分量都相等，用αm(k)、αn(k)表示αm、αn的第k個(gè)分量，則am(k)≠an(k),]]>而(bkr(i)m和(bkr(i))n分別表示調(diào)制到αm(k)和αn(k)上的第r個(gè)編碼比特，利用A(ad)的這條性質(zhì)，從Λ(a0)出發(fā)，逐步求出全部Λ(ad)，0≤d≤2Σk=1Kmk-1;]]>(5)計(jì)算所有子載波上的所有用戶的調(diào)制符號(hào)攜帶的編碼比特的最大后驗(yàn)概率，第i個(gè)子載波上的第k個(gè)用戶的第r個(gè)編碼比特的最大后驗(yàn)概率的計(jì)算式為q(bkr(i))=Σad:bkr(i)=1exp(Λ(ad))Σad:bkr(i)=0exp(Λ(ad)),r=1,···,mk;k=1,···,K;i=1,···,N;]]>(6)計(jì)算所有用戶的所有編碼比特的外信息，并將其輸出給單用戶譯碼器g′(bkr(i))=q(bkr(i))g(bkr(i)),r=1,···,mk;k=1,···,K;i=1,···,N.]]>
全文摘要
OFDM系統(tǒng)用的高效的迭代編碼多用戶檢測(cè)方法屬于編碼多用戶檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它是一種用交織圖案區(qū)分用戶的且又在聯(lián)合多用戶解調(diào)和單用戶譯碼之間迭代的檢測(cè)方法。同時(shí)，它提出了一種用于多用戶解調(diào)器的、計(jì)算編碼比特最大后驗(yàn)概率的快速方法，其中構(gòu)造了一個(gè)以等效用戶調(diào)制符號(hào)矢量為自變量的、用以計(jì)算編碼比特的最大后驗(yàn)概率的度量函數(shù)，利用該函數(shù)的特性，可以大量避免計(jì)算所有調(diào)制符號(hào)矢量的函數(shù)值的運(yùn)算量。最后，根據(jù)所有調(diào)制符號(hào)矢量的函數(shù)值，計(jì)算各用戶編碼比特的最大后驗(yàn)概率。它具有在提高頻譜效率和用戶容量的同時(shí)，可以使得多用戶解調(diào)器中的計(jì)算量大為下降，即便于實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04J11/00GK1547339SQ20031011718
公開日2004年11月17日 申請(qǐng)日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者周世東, 李云洲, 姚彥, 王京 申請(qǐng)人:清華大學(xué)