專利名稱:空時(shí)比特交織調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空時(shí)比特交織調(diào)制(ST-BICM，Space-Time Bit-InterleavedCoded Modulation)系統(tǒng)技術(shù)，尤指一種空時(shí)比特交織調(diào)制系統(tǒng)中的軟輸入軟輸出(SISO，Soft-Input Soft-Output)解調(diào)器實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法。
背景技術(shù)：
基于多天線陣的多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)，可在空間上提供相互獨(dú)立的多個(gè)并行子信道，能有效地提高信息速率或通信質(zhì)量。
空時(shí)編碼是一種適合多天線系統(tǒng)的、可逼近多天線信道容量的信道編碼方法。將傳統(tǒng)二進(jìn)制信道編碼技術(shù)與空時(shí)編碼方法相級連，可獲得逼近多天線信道容量的性能。根據(jù)采用的空時(shí)編碼方法的不同，現(xiàn)有級連方案可分為三類，即級連Trellis空時(shí)碼、級連分組空時(shí)碼和級連分層空時(shí)碼，其中級連分層空時(shí)碼也稱為ST-BICM，圖1a是ST-BICM系統(tǒng)中調(diào)制部分組成結(jié)構(gòu)示意圖，ST-BICM包括信道編碼器、交織器和分層空時(shí)編碼器。與級連Trellis空時(shí)碼和級連分組空時(shí)碼相比，ST-BICM采用分層空時(shí)碼作為內(nèi)碼，利用傳統(tǒng)信道編碼技術(shù)提供分集增益和編碼增益，同時(shí)利用貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)結(jié)構(gòu)(BLAST，Bell Laboratory Layered Space Time Architecture)方式提供復(fù)用增益，可在保證性能的前提下獲取更高的頻譜利用率。
ST-BICM系統(tǒng)所采用的信道編碼技術(shù)以及SISO迭代譯碼算法，直接影響其性能和復(fù)雜度兩個(gè)關(guān)鍵因素。圖1b是SISO迭代譯碼器組成結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1b所示，ST-BICM的SISO迭代譯碼器由SISO解調(diào)器、信道譯碼器及交織/解交織器組成。SISO迭代譯碼器通過在信道譯碼器和SISO解調(diào)器之間互相交換外信息來實(shí)現(xiàn)迭代。
目前，SISO解調(diào)器采用的算法基本可分為兩大類一類是利用接收到的信息中所有可能組合的符號序列，計(jì)算該符號序列中每個(gè)比特的對數(shù)似然比以及外信息，該算法的復(fù)雜度隨發(fā)射天線數(shù)和調(diào)制階數(shù)的增加而呈指數(shù)增加；另一類是利用不同符號序列對每個(gè)比特的對數(shù)似然比的影響不同，選取一部分符號序列來計(jì)算每個(gè)比特的對數(shù)似然比，從而達(dá)到降低計(jì)算復(fù)雜度的目的，典型的算法有球包限譯碼。
其中，第一類SISO解調(diào)器采用的算法也稱為最優(yōu)MIMO檢測算法，實(shí)現(xiàn)原理如下參見圖1a和圖1b，假設(shè)ST-BICM系統(tǒng)采用N根發(fā)射天線，M根接收天線，在發(fā)射端，信源產(chǎn)生的信息序列a首先發(fā)送給信道編碼也稱為外碼編碼器，得到編碼序列u，編碼序列u經(jīng)交織器、串并變換和分層空時(shí)碼調(diào)制器處理，得到N個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，并分別對應(yīng)N根天線發(fā)送出去。
假設(shè)第i根發(fā)射天線在t時(shí)刻的發(fā)送信號為cti，第i根發(fā)射天線與第j根接收天線之間的信道衰落系數(shù)為αi，j，αi，j是一已知參數(shù)。那么，第j根接收天線上對應(yīng)的接收信號rtj可表示為rtj=Σi=1Nαi,jcti+ηtj---(1)]]>公式(1)中，ηtj為第j根接收天線上的信道加性噪聲，ηtj是一已知參數(shù)，ηtj服從均值為零、方差為N0的復(fù)高斯分布。為論述簡單，本文中假設(shè)信道是平坦衰落且不考慮天線之間的相關(guān)性，即αi，j是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。
假定rt=(rt1,...,rtM)T,]]>ct=(ct1,...,ctN)T,]]>ηt=(ηt1,...,ηtM)T,]]>H＝(αi，j)M×N，公式(1)可用矩陣形式表示，如公式(2)所示rt＝Hct+ηt(2)在接收端，根據(jù)M個(gè)接收信號和比特先驗(yàn)信息LA，demob，SISO解調(diào)器計(jì)算每個(gè)比特的似然外信息LE，demob即對數(shù)似然比，將對應(yīng)所有比特的外信息經(jīng)解交織處理后，作為先驗(yàn)信息LA，outb送入信道譯碼器也稱為外碼譯碼器；信道譯碼器利用該先驗(yàn)信息LA，outb，計(jì)算與發(fā)送發(fā)送端的編碼序列u對應(yīng)的先驗(yàn)信息LA，outb中每個(gè)比特的外信息LE，outb，該外信息LE，outb經(jīng)交織作為先驗(yàn)信息LA，demob反饋給SISO解調(diào)器，完成一次迭代過程。需要說明的是，第一次迭代時(shí)，比特先驗(yàn)信息LA，demob被初始化為0。
假設(shè)接收信號的信號星座圖中共有2Q個(gè)星座點(diǎn)，星座符號集表示為S={xi}i=12Q,]]>接收天線j在t時(shí)刻收到的接收信號rtj中包含有(Q×N)比特的信息，將構(gòu)成ct1，ct2，…，ctN的所有(Q×N)比特信息表示為發(fā)射比特序列b，如公式(3)所示b=(bt1,1,...,bt1,Q,bt2,1,...,btN,Q)---(3)]]>其中，bti，1，…，bti，Q表示第i根發(fā)射天線發(fā)送的星座點(diǎn)cti，i＝1，2，…，N.，Q為調(diào)制階數(shù)，比如采用QPSK調(diào)制方法時(shí)，調(diào)制階數(shù)Q為2，星座圖中共有2Q＝22＝4個(gè)星座點(diǎn)；采用16QAM調(diào)制方法時(shí)，調(diào)制階數(shù)Q為4，星座圖中共有16個(gè)星座點(diǎn)。
發(fā)射比特序列b中的比特信息bti，1的對數(shù)似然比可通過公式(4)計(jì)算得到，如下Λ(bti,1)=logPr[btj,l=1|rt1,...,rtM]Pr[bti,l=0|rt1,...,rtM]=logΣc:c=f(b),bti,l=1Pr[rt1,...,rtM,c]Σc:c=f(b),bti,l=0Pr[rt1,...,rtM,c]---(4)]]>公式(4)中，Λ表示對數(shù)似然比運(yùn)算符，Pr[.]表示概率運(yùn)算符，c=(ct1,ct2,...,ctN),]]>1≤l≤Q，f(·)為從發(fā)射比特序列b到發(fā)送符號序列c的映射，發(fā)送符號序列c屬于星座點(diǎn)集合，對應(yīng)的比特序列為發(fā)射序列b。只要給定一個(gè)星座點(diǎn)，就會有Q個(gè)比特與該星座點(diǎn)對應(yīng)，在本文中，將這種對應(yīng)關(guān)系稱為發(fā)射比特序列b到發(fā)送符號序列c的映射，公式(4)可進(jìn)一步寫為公式(5)，如下
Λ(bti,l)=logΣc:c=f(b),bti,l=1Pr[rt1,...,rtM|ct1,...,ctN]Pr[ct1,...,ctN]Σc:c=f(b),bti,l=0Pr[rt1,...,rtM|ct1,...,ctN]Pr[ct1,...,ctN]---(5)]]>假設(shè)發(fā)送符號序列c中各發(fā)送符號獨(dú)立，可將公式(5)變換為公式(6)，如下所示Λ(bti,l)=logΣc:c=f(b),bti,l=1Pr[rt1,...,rtM|ct1,...,ctN]Πi=1NPr[cti]Σc:c=f(b),bti,l=0Pr[rt1,...,rtM|ct1...,ctN]Πi=1NPr[cti]---(6)]]>其中，Pr(rt1,...,rtM|ct1,...,ctN)=1(πN0)Mexp(-Σj=1M|rtj-Σi=1Nαi,jcti|2N0),]]>N0是已知的高斯白噪聲的功率，同時(shí)由于使用了比特交織器，交織器是將發(fā)送的比特更隨機(jī)化，因此可認(rèn)為構(gòu)成發(fā)送符號的各個(gè)比特統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，即Pr[cti]=Πk=1QPr[bti,k]---(7)]]>由公式(6)、(7)以及比特外信息的概率Pr(bti，k)，bti，l的似然外信息LE，demob可由公式(8)表示為Λ(bti,l)=logΣc:c=f(b),bti,l=1Πj=1Mexp(-|rtj-Σi=1nαi,jctj|2N0)Πi=1NΠk=1,k≠1QPr[bti,k]Σc;c=f(b),bti,l=0Πj=1Mexp(-|rtj-Σi=1Nαi,jcti|2N0)Πj=1NΠk=1,k≠1QPr[btj,k]---(8)]]>公式(8)即為SISO解調(diào)器輸出的關(guān)于bti，l的似然外信息LE，demob，在迭代過程中作為信道譯碼器的輸入先驗(yàn)信息LA，outb。
從公式(8)可見，SISO解調(diào)器在計(jì)算每個(gè)比特的似然外信息LE，demob時(shí)，需要考慮所有2QN種可能的序列，即計(jì)算復(fù)雜度隨發(fā)射天線數(shù)N和調(diào)制階數(shù)Q增加而增加，在某些情況下，比如發(fā)射天線數(shù)N很大或調(diào)制階數(shù)Q過高，會產(chǎn)生不可實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。因此，研究低復(fù)雜度的譯碼算法顯得尤為重要。
第二類SISO解調(diào)器采用的算法，是為了降低第一類算法的復(fù)雜度而提出的，目前，研究比較多的是按照概率值Pr(rt1，…，rtM|ct1，…，ctN)的大小，僅將所有2QN種序列中對Pr(rt1，…，rtM|ct1，…，ctN)影響較大的那部分信號點(diǎn)作為被選信號點(diǎn)，以降低SISO解調(diào)器的計(jì)算復(fù)雜度。比較典型算法有兩種一種是球包限譯碼，另一種是基于高斯近似的序列譯碼，關(guān)于這兩種算法的具體實(shí)現(xiàn)可參見相關(guān)技術(shù)資料，這里不再贅述。
球包限譯碼，需要根據(jù)信道衰落系數(shù)αi，j和要求的被選信號點(diǎn)數(shù)來不斷地調(diào)整球包半徑，以確保在所劃的球形區(qū)域內(nèi)剛好包含所希望的信號點(diǎn)數(shù)，因而計(jì)算復(fù)雜度隨信道條件和被選信號點(diǎn)個(gè)數(shù)的大小而變化，仍然不能徹底解決運(yùn)算復(fù)雜度的問題。
基于高斯近似的序列譯碼，不僅需要計(jì)算矩陣HHH的逆陣，其中H是矩陣的共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算符，還需要計(jì)算N次不同協(xié)方差矩陣的逆陣，計(jì)算復(fù)雜度依然很高。

發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種空時(shí)比特交織調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法，能夠降低解調(diào)復(fù)雜度，提高解調(diào)效率。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的一種空時(shí)比特交織調(diào)制ST-BICM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法，設(shè)置可選擇的信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′，該方法包括以下步驟A.所述ST-BICM系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號，計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率，對計(jì)算出的各星座點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，并從概率最大的值開始依次選擇M′個(gè)信號點(diǎn)作為第一次選擇出的被選信號點(diǎn)；B.逐個(gè)計(jì)算從第(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)信號點(diǎn)，與接收到的第n個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)組合中各n維組合信號點(diǎn)的概率，并對計(jì)算出的各信號點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，從概率最大的值開始依次選擇M′個(gè)n維信號點(diǎn)作為第n次選擇出的被選信號點(diǎn)，直至n等于發(fā)射天線數(shù)目N，其中n＝2，3，……N；C.計(jì)算獲得的M′個(gè)N維信號點(diǎn)中各信號點(diǎn)對應(yīng)的信息比特的似然外信息，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
步驟A中所述計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率的方法為利用下列公式進(jìn)行計(jì)算P(rt1,rt2,...,rtM|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j})=exp[-Σj=1M|rtj-E[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]|2Var[rtj|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j}]]Πj=1M1πVαr[rtj|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j}],]]>其中，n＝1，i＝2，3，……N，E[rtj|ct1,{αi,j}]=α1,jct1,]]>Var[rtj|ct1,{αi,j}]=Σi=2N|αi,j|2+N0,]]>N為發(fā)射天線的數(shù)目，M為接收天線的數(shù)目，αi，j為第i根發(fā)射天線與第j根接收天線之間的信道衰落系數(shù)，ctn為第n根發(fā)射天線在t時(shí)刻的發(fā)送信號，N0是高斯白噪聲的功率。
所述星座點(diǎn)個(gè)數(shù)小于或等于M′，步驟A中將所有星座點(diǎn)作為第一次選擇出的被選信號點(diǎn)。
步驟B中所述計(jì)算各n維組合信號點(diǎn)的概率的方法為B1.分別從第n個(gè)發(fā)送符號序列之前的(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)(n-1)維信號點(diǎn)中，選擇一組信號點(diǎn)向量分別作為ct1，ct2，…，ctn-1的取值，從第n個(gè)接收信號的2Q個(gè)星座點(diǎn)中選擇一個(gè)信號點(diǎn)作為ctn，通過下列公式計(jì)算接收信號rtj的均值和方差，E[rtj|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j}]=Σi=1nαi,jcti,]]>Var[rtj|ct1,ct2,...ctn.{αi,j}]=Σi=n+1N|αi,j|2+N0,]]>其中，i＝2，3，……N，N為發(fā)射天線的數(shù)目，M為接收天線的數(shù)目，αi，j為第i根發(fā)射天線與第j根接收天線之間的信道衰落系數(shù)，ctn為第n根發(fā)射天線在t時(shí)刻的發(fā)送信號，rtj為第j根接收天線在t時(shí)刻的接收信號，N0是高斯白噪聲的功率；B2.遍歷所述(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)(n-1)維信號點(diǎn)和2Q個(gè)星座點(diǎn)，利用步驟B1中所得接收信號rtj的均值和方差，通過下列公式，分別計(jì)算(M′×2Q)種可能組合的概率，P(rt1,rt2,...,rtM|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j})=exp[-Σj=1M|rtj-E[rtj|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j}]|2Var[rtj|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j}]]Πj=1M1πVar[rtj|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j}].]]>所述n維組合信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)小于或等于M′，步驟B中將所有n維組合信號點(diǎn)作為第n次選擇出的被選信號點(diǎn)。
步驟C中所述計(jì)算似然外信息的方法為利用下列公式進(jìn)行計(jì)算Λ(bti,l)=logΣc^:c^=f(b),bti,l=1Πj=1Mexp(|rtj-Σi=1Nαi,jcti|2N0)Πi=1NΠk=1,k≠1QPr[bti,k]Σc^:c^=f(b),bti,jΠj=1Mexp(|rtj-Σi=1Nαi,jcti|2N0)Πi=1NΠk=1,k≠1QPr[bti,k],]]>其中，Λ表示對數(shù)似然比運(yùn)算符，Pr[.]表示概率運(yùn)算符，1≤l≤Q，Q為調(diào)制階數(shù)，f(·)為從發(fā)射比特序列b到發(fā)送符號序列c的映射。
該方法進(jìn)一步包括a.利用計(jì)算得到的似然外信息，通過下列公式分別更新E(cti)和Var(cti)，E(cti)=Σxj∈Sf(xj)P(cti=f(xj))=Σxj∈Sf(xj)Πl=1QPr(bti,l),]]>Var(cti)=Σxj∈S|f(xj)|2P(cti=f(xj))-|E(cti)|2=1-|E(cti)|2;]]>其中，Pr(bti，l)是計(jì)算得到的似然外信息，S表示星座符號集，Q為調(diào)制階數(shù)，f(xj)對應(yīng)于從發(fā)射比特序列b到發(fā)送符號序列c的映射中，發(fā)送符號序列c中的某個(gè)星座點(diǎn)；
b.根據(jù)更新后的E(cti)和Var(cti)，分別通過下列公式計(jì)算接收信號rtj的均值和方差，其中，接收信號rtj的均值為E[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=Σi=i+1Nαi,jE(cti)=Σi=1nαi,jcti,]]>接收信號rtj的方差為Var[rtj|ct,1ct2,...ctn.{αi,j}]=Σi=n+1N|αi,j|2(1-|E(cti)|2)+N0;]]>c.返回步驟A執(zhí)行。
由上述技術(shù)方案可見，本發(fā)明ST-BICM系統(tǒng)中的解調(diào)器根據(jù)接收到的信號，計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率，對計(jì)算出的各星座點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，并從概率最大的值開始依次選擇預(yù)先設(shè)定的M′個(gè)信號點(diǎn)；逐個(gè)計(jì)算從第(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)信號點(diǎn)，與接收到的第n個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)組合中各n維組合信號點(diǎn)的概率，并對計(jì)算出的各信號點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，從概率最大的值開始依次選擇預(yù)設(shè)M′個(gè)n維信號點(diǎn)，直至n等于接收天線數(shù)目N，其中n＝2，3，……N；計(jì)算獲得的M′個(gè)N維信號點(diǎn)中各信號點(diǎn)對應(yīng)的信息比特的似然外信息，從而實(shí)現(xiàn)對接收到的發(fā)送符號序列的解調(diào)。
本發(fā)明方法避免了對矩陣求逆的運(yùn)算，降低了復(fù)雜度，在不損失性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了更低復(fù)雜度的SISO解調(diào)算法。
圖1a是ST-BICM系統(tǒng)中調(diào)制部分組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b是SISO迭代譯碼器組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明SISO解調(diào)器實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法的流程圖；圖3是本發(fā)明三發(fā)三收ST-BICM系統(tǒng)采用不同選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′的性能比較示意圖；圖4是本發(fā)明兩發(fā)兩收ST-BICM系統(tǒng)采用不同選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′的性能比較示意圖。
具體實(shí)施方式本發(fā)明的核心思想是ST-BICM系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號，計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率，對計(jì)算出的各星座點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，并從概率最大的值開始依次選擇預(yù)先設(shè)定的M′個(gè)信號點(diǎn)；逐個(gè)計(jì)算從第(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)信號點(diǎn)，與接收到的第n個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)組合中各n維組合信號點(diǎn)的概率，并對計(jì)算出的各信號點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，從概率最大的值開始依次選擇預(yù)設(shè)M′個(gè)n維信號點(diǎn)，直至n等于發(fā)射天線數(shù)目N，其中n＝2，3，……N；計(jì)算獲得的M′個(gè)N維信號點(diǎn)中各信號點(diǎn)對應(yīng)的信息比特的似然外信息，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉較佳實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
在描述本發(fā)明方法之前，先推導(dǎo)幾個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法需要的公式。
在交織器長度足夠大時(shí)，可認(rèn)為各天線上的發(fā)送信號ct1，ct2，…ctN是獨(dú)立同分布的，由中心極限定理，可認(rèn)為公式(1)中的
服從高斯分布的隨機(jī)變量，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易將公式(1)變換為公式(9)，如下rtj=Σi=1nαi,jcti+Σi=n+1Nαi,jcti+ηtj=Σi=1nαi,jcti+ζtn,j---(9)]]>其中，1≤n≤N，疊加信號ζtn.j=Σi=n+1Nαi,jcti+ηtj,]]>疊加信號ζtn，j近似為高斯隨機(jī)變量，且ζtn，j的均值如公式(10)所示E(ζtn,j)=Σi=n+1Nαi,jE(cti),---(10)]]>ζtn，j的方差如公式(11)所示Var(ζtn,j)=Σi=n+1N|αi,j|2Var(cti)+N0---(11)]]>另外，由Λ(bti,l)=logPr(bti,l=1)Pr(bti,l=0),]]>其中
Pr(bti,l=1)=exp(Λ(bti,l))1+exp(Λ(bti,l))---(12-1)]]>Pr(bti,l=0)=11+exp(Λ(bti,l))---(12-2)]]>公式(12-1)和(12-2)可統(tǒng)一寫為公式(13)，如下Pr(bti,l)=exp(bti,l*Λ(bti,l))1+exp(bti,l)---(13)]]>由概率論基本知識有E(cti)=Σxj∈Sf(xj)P(cti=f(xj))=Σxj∈Sf(xj)Πl=1QPr(bti,l)---(14)]]>Var(cti)=Σxj∈S|f(xj)|2P(cti=f(xj))-|E(cti)|2=1-|E(cti)|2---(15)]]>其中，假設(shè)接收信號的信號星座圖中共有2Q個(gè)星座點(diǎn)，S表示星座符號集，為S={xi}i=12Q,]]>f(xj)對應(yīng)于從發(fā)射比特序列b到發(fā)送符號序列c的映射中，發(fā)送符號序列c中的某個(gè)星座點(diǎn)。
由公式(10)、(11)、(14)和(15)，rtj的條件概率密度可表示為公式(16)所示P(rtj|ct1,ct2,...ctn.{αi,j})=1πVar(ζtn,j)exp(-|rtj-E(ζtn,j)-Σi=1nαi,jcti|2Var(ζtn,j))---(16)]]>在已知信道衰落系數(shù)αi，j和前n根天線的發(fā)射信號ct1，ct2，…ctn的條件下，rtj服從均值為E[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=E(ζtn,j)+Σi=1nαi,jcti,]]>方差為Var[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=Var(ζtn,j)]]>的高斯分布，由于假設(shè)信道衰落系數(shù)αi，j之間相互獨(dú)立，M個(gè)接收信號的聯(lián)合概率密度如公式(17)所示
P(rt1,rt2,...,rtM|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j})=exp[-Σj=1M|rti-E[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]|2Var[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]]Πj=1M1πVar[rtj|ct1,ct2,...,ctn,{αi,j}]---(17)]]>本發(fā)明方法利用公式(17)計(jì)算出的發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率值，選擇被選信號點(diǎn)，然后根據(jù)所選的信號點(diǎn)計(jì)算每個(gè)比特的似然外信息。
圖2是本發(fā)明SISO解調(diào)器實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法的流程圖，假設(shè)ST-BICM系統(tǒng)采用N根發(fā)射天線，M根接收天線，具體實(shí)現(xiàn)包括以下步驟步驟200根據(jù)接收到的信號，計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率。
當(dāng)n＝1時(shí)，接收信號rtj(j＝1，2，……M)的均值和方差分別如公式(18)和公式(19)所示，E[rtj|ct1,{αi,j}]=E(ζt1,j)+α1,jct1=Σi=2Nαi,jE(cti)+α1,jct1---(18)]]>Var[rtj|ct1,{αi,j}]=Var(ζt1,j)=Σi=2N|αi,j|2Var(cti)+N0=Σi=n+1N|αi,j|2(1-|E(cti)|2)+N0---(19)]]>在接收到第一個(gè)信號時(shí)，只有接收信號rtj可以利用，而沒有關(guān)于每個(gè)比特的似然外信息，即Λ(bti,l)=logPr(bti,l=1)Pr(bti,l=0)=0,]]>此時(shí)，由公式(14)和(15)可得E(cti)=0]]>和Var(cti)=1,]]>其中，i＝2，…，N，代入公式(18)和(19)可得，在已知ct1，{αi，j}的條件下，rtj的均值和方差分別如公式(20)和(21)所示E[rtj|ct1,{αi,j}]=α1,jct1---(20)]]>Var[rtj|ct1,{αi,j}]=Σi=2N|αi,j|2+N0---(21)]]>由于采用的調(diào)制方式中含有2Q個(gè)星座點(diǎn)時(shí)，cr1可有(2Q)n(n＝1)種可能的取值，從而可利用式(17)、(20)和(21)分別計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列c中2Q個(gè)星座點(diǎn)的概率值P(rt1，rt2，…，rtM|ct1，{αi，j})。
步驟201對計(jì)算出的各星座點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，并從概率最大的值開始依次選擇預(yù)先設(shè)定的M′個(gè)信號點(diǎn)。
對獲得的2Q個(gè)概率值P(rt1，rt2，…，rtM|ct1，{αi，j})進(jìn)行排序，并從概率最大的值開始依次選擇M′個(gè)信號點(diǎn)
選擇其中概率比較大的M′個(gè)信號點(diǎn)作為第一次選擇出的被選信號點(diǎn)。
若2Q≤M′，則將所有2Q個(gè)信號點(diǎn)作為第一次選擇出的被選信號點(diǎn)。
這里，M′的取值取決于系統(tǒng)所要達(dá)到的性能與所能承受的復(fù)雜度，M′越大，系統(tǒng)性能越好，但復(fù)雜度越高。
步驟202計(jì)算從第(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)信號點(diǎn)，與接收到的第n個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)組合中各n維組合信號點(diǎn)的概率，并對計(jì)算出的各信號點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，從概率最大的值開始依次選擇預(yù)設(shè)M′個(gè)n維信號點(diǎn)。重復(fù)步驟202的計(jì)算，直至n等于接收天線數(shù)目N，其中n＝2，3，……N，n為正整數(shù)。
計(jì)算各n維組合信號點(diǎn)的概率的方法為首先，分別從第n個(gè)發(fā)送符號序列之前的(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)(n-1)維信號點(diǎn)中，選擇一組信號點(diǎn)向量分別作為ct1，ct2，…，ctn-1的取值，從第n個(gè)接收信號的2Q個(gè)星座點(diǎn)中選擇一個(gè)信號點(diǎn)作為ctn，利用Λ(bti.l)=0,]]>通過公式(18)和公式(19)計(jì)算接收信號rtj的均值和方差E[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=Σi=1nαi,jcti,]]>Var[rtj|ct1,ct2,...ctn.{αi,j}]=Σi=n+1N|αi,j|2+N0,]]>其中，i＝2，3，……N，N為發(fā)射天線的數(shù)目，M為接收天線的數(shù)目，αi，j為第i根發(fā)射天線與第j根接收天線之間的信道衰落系數(shù)，ctn為第n根發(fā)射天線在t時(shí)刻的發(fā)送信號，rtj為第j根接收天線在t時(shí)刻的接收信號，N0是高斯白噪聲的功率；之后，遍歷所述(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)(n-1)維信號點(diǎn)和2Q個(gè)星座點(diǎn)，利用計(jì)算出的接收信號rtj的均值和方差，通過公式(17)，分別計(jì)算(M′×2Q)種可能組合的概率。
這里以n＝2為例，具體描述本步驟的實(shí)現(xiàn)(1)首先利用Λ(bti,l)=0,]]>從第(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)(n-1)維信號點(diǎn)即
中，選擇一個(gè)信號點(diǎn)作為ct1的取值，同時(shí)從第2個(gè)接收信號的2Q個(gè)星座點(diǎn)中選擇一個(gè)信號點(diǎn)作為ct2，可得到在已知ct1，ct2，{αi，j}的條件下，rtj的均值和方差E[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=Σi=1nαi,jcti=E[rtj|ct1,ct2,{αi,j}]=α1,jct1+α2,jct2---(22)]]>Var[rti|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=Σi=n+1N|αi,j|2+N0=Var[rtj|ct1,ct2,{αi,j}]=Σi=3N|αi,j|2+N0---(23)]]>(2)遍歷
和2Q個(gè)星座點(diǎn)，{ct1，ct2}可有(2Q)n(此時(shí)n＝2)種可能的組合，利用式(17)、(22)和(23)，計(jì)算得到(M′×2Q)個(gè)概率值P(rt1，rt2，…，rtM|ct1，ct2{αi，j})對計(jì)算得到的(M′×2Q)個(gè)概率值進(jìn)行排序，從概率最大的值開始依次選擇M′個(gè)2維(n＝2)信號點(diǎn)，選擇其中概率比較大的M′個(gè)2維信號點(diǎn)作為第二次選擇出的二維被選信號點(diǎn)。
依此類推，假定n＝n+1，重復(fù)執(zhí)行步驟202，直至n＝N，選擇得到M′個(gè)N維信號點(diǎn)集合
若M′≥(2Q)n，則保留所有(2Q)n個(gè)n維組合信號點(diǎn)作為第n次選擇出的被選信號點(diǎn)。
步驟203根據(jù)獲得的M′個(gè)N維信號點(diǎn)，計(jì)算各信號點(diǎn)對應(yīng)的信息比特的似然外信息。
根據(jù)得到的M′個(gè)N維信號點(diǎn)集合
利用公式(8)計(jì)算每個(gè)信息比特的似然外信息。
至此，通過本發(fā)明方法，獲得了SISO解調(diào)器的對接收到的天線信號進(jìn)行解調(diào)后輸出的似然外信息LE，demob。
進(jìn)一步地，由于上述選擇信號向量集合時(shí)，是在假設(shè)Λ(bti,l)=0,]]>即E(cti)=0]]>和Var(cti)=1]]>的條件下得到的。事實(shí)上，信道譯碼器和MIMO解調(diào)器之間經(jīng)過若干次迭代后，存在Λ(bti,l)≠0,]]>此時(shí)，可利用上述公式(8)獲得的Λ(bti，l)，通過公式(14)和(15)分別更新E(cti)和Var(cti)，再根據(jù)更新后的E(cti)和Var(cti)，分別通過公式(9)、(10)和(11)計(jì)算接收信號rtj的均值和方差，其中，接收信號rtj的均值為E[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=Σi=i+1Nαi,jE(cti)+Σi+1nαi,jcti,]]>接收信號rtj的方差為Var[rtj|ct1,ct2,...ctn,{αi,j}]=Σi=n+1N|αi,j|2(1-|E(cti)|2)+N0;]]>最后根據(jù)利用更新后的E(cti)和Var(cti)獲得的接收信號rtj的均值和方差，返回步驟200重新執(zhí)行，以更新所選信號的向量集合，進(jìn)一步改善了譯碼性能。
由于交織器是將發(fā)送的比特更隨機(jī)化，本發(fā)明方法利用交織器的特點(diǎn)，保證了假設(shè)發(fā)送信號獨(dú)立的條件更合理，同時(shí)本發(fā)明方法利用中心極限定理，在合理假定各天線發(fā)送的信號在接收端的迭加值近似服從高斯分布的情況下，選擇概率比較大的一部分信號點(diǎn)作為被選信號向量集合，簡單地計(jì)算出了信號的條件概率密度，降低了迭代譯碼算法復(fù)雜度的。
當(dāng)采用QPSK調(diào)制(調(diào)制階數(shù)Q＝2，星座圖中共有2Q＝22＝4個(gè)星座點(diǎn))，4根發(fā)射天線N時(shí)，若采用現(xiàn)有第一類最優(yōu)MIMO檢測算法進(jìn)行解調(diào)，需要計(jì)算所有(2Q)N＝44＝256種四維信號向量的似然外信息；若采用現(xiàn)有第二類算法，由于信道條件變化或者需要進(jìn)行一系列的矩陣求逆運(yùn)算，增加了解調(diào)的復(fù)雜度。而采用本發(fā)明提供的譯碼算法，只需根據(jù)信道衰落系數(shù)αi，j計(jì)算接收符號序列中各星座點(diǎn)的均值和方差，計(jì)算復(fù)雜度不會隨信道條件變化，也不需進(jìn)行矩陣求逆，從而大大降低了解調(diào)的復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)表示，隨著發(fā)射天線數(shù)N和調(diào)制階數(shù)Q的增加，本發(fā)明方法在降低復(fù)雜度上的優(yōu)勢更加明顯。
圖3是本發(fā)明三發(fā)三收ST-BICM系統(tǒng)采用不同選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′的性能比較示意圖，假設(shè)調(diào)制方式為QPSK，外碼采用生成多項(xiàng)式為(7，5)的Turbo碼，即信道譯碼器為Turbo譯碼器。具體仿真參數(shù)為Turbo碼的譯碼算法為Max-Log-Map；信道假設(shè)為獨(dú)立衰落，且接收端可準(zhǔn)確估計(jì)信道衰落系數(shù)；Turbo碼中的交織器為隨機(jī)交織，長度為1023；SISO解調(diào)器采用本發(fā)明提出的基于高斯近似原理的迭代解調(diào)方法；Turbo譯碼器和SISO解調(diào)器之間進(jìn)行2次迭代，且每次Turbo譯碼的迭代次數(shù)為4。
通過仿真，得到四種不同選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′時(shí)的解調(diào)性能曲線，如圖3中M′＝5時(shí)的性能曲線30、M′＝10時(shí)的性能曲線31、M′＝20時(shí)的性能曲線32及M′＝64時(shí)的性能曲線33。由于調(diào)制方式為QPSK，在發(fā)射天線N＝3時(shí)，2Q＝22＝4個(gè)星座點(diǎn)，所有的組合共有(2Q)N＝43＝64種，即M′＝64是沒有進(jìn)行選擇的情況，因而M′＝64時(shí)的性能曲線33即為最優(yōu)MIMO檢測算法的性能。
分析圖3，容易得到以下結(jié)論(1)在低信噪比時(shí)，選用不同的選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′，對ST-BICM的性能影響不大，但隨著信噪比SNR的增加，迭代譯碼所能獲取的信息量隨選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′的增加而逐漸增加，因而ST-BICM的誤比特性能，包括編碼增益和分集增益，也逐漸得到改善。
(2)不論是否假設(shè)信息比特先驗(yàn)信息為零，選擇M′＝20時(shí)，得到的性能曲線(如圖3中虛線所示)所表現(xiàn)出的性能幾乎接近采用最優(yōu)MIMO檢測時(shí)的性能，此時(shí)選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′＝20占總個(gè)數(shù)(64)的1/3左右，即譯碼的計(jì)算復(fù)雜度僅為最優(yōu)檢測的1/3左右。因而，當(dāng)選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′足夠大時(shí)，利用先驗(yàn)信息為零選擇得到的信號向量已足夠精確的逼近最優(yōu)MIMO檢測。
圖4是本發(fā)明兩發(fā)兩收ST-BICM系統(tǒng)采用不同選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′的性能比較示意圖，假設(shè)調(diào)制方式為QPSK，外碼采用生成多項(xiàng)式為(7，5)的Turbo碼，即信道譯碼器為Turbo譯碼器。具體仿真參數(shù)為Turbo碼采用Max-Log-Map譯碼算法；信道假設(shè)為獨(dú)立衰落，且接收端可準(zhǔn)確估計(jì)信道衰落系數(shù)；Turbo碼中的交織器為隨機(jī)交織，長度為1024；SISO解調(diào)器采用本發(fā)明提出的基于高斯近似原理的迭代解調(diào)方法；Turbo譯碼器和SISO解調(diào)器之間進(jìn)行2次迭代，且每次Turbo譯碼的迭代次數(shù)為4。
通過仿真，得到四種不同選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′時(shí)的解調(diào)性能曲線，如圖4中M′＝4時(shí)的性能曲線40、M′＝8時(shí)的性能曲線41、M′＝10時(shí)的性能曲線42及M′＝16時(shí)的性能曲線43。由于調(diào)制方式為QPSK，在發(fā)送天線N＝2時(shí)，2Q＝22＝4個(gè)星座點(diǎn)，所有的組合共有(2Q)N＝42＝16種，即M′＝16是沒有進(jìn)行選擇的情況，因而M′＝16時(shí)的性能曲線43即為最優(yōu)MIMO檢測算法的性能。
分析圖4，可得到與圖3類似的結(jié)論(1)隨著選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′的增加，迭代譯碼所能獲取的信息量是逐漸增加的，因而ST-BICM的誤比特性能，包括編碼增益和分集增益，也逐漸得到改善。
(2)選擇M′＝10時(shí)，得到的性能曲線(如圖4中虛線所示)所表現(xiàn)出的性能幾乎接近采用最優(yōu)MIMO檢測時(shí)的性能，即對于兩發(fā)兩收的ST-BICM系統(tǒng)，為逼近最優(yōu)檢測的性能，選取信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′占總個(gè)數(shù)(16)的5/8左右，略高于三發(fā)三收系統(tǒng)。這主要是由于本發(fā)明所采用的算法利用了中心極限定理，收發(fā)天線數(shù)越多，疊加信號ζtn,j=Σi=n+1Nαi,jcti+ηtj]]>越逼近高斯分布，結(jié)果也就越準(zhǔn)確。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種空時(shí)比特交織調(diào)制ST-BICM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法，其特征在于，設(shè)置可選擇的信號點(diǎn)個(gè)數(shù)M′，該方法包括以下步驟A.所述ST-BICM系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號，計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率，對計(jì)算出的各星座點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，并從概率最大的值開始依次選擇M′個(gè)信號點(diǎn)作為第一次選擇出的被選信號點(diǎn)；B.逐個(gè)計(jì)算從第(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)信號點(diǎn)，與接收到的第n個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)組合中各n維組合信號點(diǎn)的概率，并對計(jì)算出的各信號點(diǎn)的概率進(jìn)行排序，從概率最大的值開始依次選擇M′個(gè)n維信號點(diǎn)作為第n次選擇出的被選信號點(diǎn)，直至n等于發(fā)射天線數(shù)目N，其中n＝2，3，......N；C.計(jì)算獲得的M′個(gè)N維信號點(diǎn)中各信號點(diǎn)對應(yīng)的信息比特的似然外信息，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，步驟A中所述計(jì)算第一個(gè)發(fā)送符號序列中各星座點(diǎn)的概率的方法為利用下列公式進(jìn)行計(jì)算P(rt1,rt2,···,rtM|ct1,ct2,···,ctn,{ai,j})=exp[-Σj=1M|rtj-E[rtj|ct1,ct2,···ctn,{ai,j}]|2Var[rtj|ct1,ct2,···ctn,{ai,j}]]Πj=1M1πVar[rtj|ct1,ct2,···ctn,{ai,j}],]]>其中，n＝1，i＝2，3，......N，E[rtj|ct1,{ai,j}]=a1,jct1,]]>Var[rtj|ct1,{ai,j}]=Σi=2N|ai,j|2+N0,]]>N為發(fā)射天線的數(shù)目，M為接收天線的數(shù)目，αi，j為第i根發(fā)射天線與第j根接收天線之間的信道衰落系數(shù)，ctn為第n根發(fā)射天線在t時(shí)刻的發(fā)送信號，N0是高斯白噪聲的功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述星座點(diǎn)個(gè)數(shù)小于或等于M′，步驟A中將所有星座點(diǎn)作為第一次選擇出的被選信號點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，步驟B中所述計(jì)算各n維組合信號點(diǎn)的概率的方法為B1.分別從第n個(gè)發(fā)送符號序列之前的(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)(n-1)維信號點(diǎn)中，選擇一組信號點(diǎn)向量分別作為ct1，ct2，…，ctn-1的取值，從第n個(gè)接收信號的2Q個(gè)星座點(diǎn)中選擇一個(gè)信號點(diǎn)作為ctn，通過下列公式計(jì)算接收信號rtj的均值和方差，E[rtj|ct1,ct2,···ctn,{αi,j}]=Σi=1nαi,jcti,]]>Var[rtj|ct1,ct2,···ctn.{αi,j}]=Σi=n+1N|αi,j|2+N0,]]>其中，i＝2，3，......N，N為發(fā)射天線的數(shù)目，M為接收天線的數(shù)目，αi，j為第i根發(fā)射天線與第i根接收天線之間的信道衰落系數(shù)，ctn為第n根發(fā)射天線在t時(shí)刻的發(fā)送信號，rtj為第j根接收天線在t時(shí)刻的接收信號，N0是高斯白噪聲的功率；B2.遍歷所述(n-1)個(gè)發(fā)送符號序列中選擇出的M′個(gè)(n-1)維信號點(diǎn)和2Q個(gè)星座點(diǎn)，利用步驟B1中所得接收信號rtj的均值和方差，通過下列公式，分別計(jì)算(M′×2Q)種可能組合的概率，P(rt1,rt2,···,rtM|ct1,ct2,···,ctn,{αi,j})=exp[-Σj=1M|rtj-E[rtj|ct1,ct2,···ctn,{αi,j}]|2Var[rtj|ct1,ct2,···ctn,{αi,j}]]Πj=1M1πVar[rtj|ct1,ct2,···ctn,{αi,j}].]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所述n維組合信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)小于或等于M′，步驟B中將所有n維組合信號點(diǎn)作為第n次選擇出的被選信號點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，步驟C中所述計(jì)算似然外信息的方法為利用下列公式進(jìn)行計(jì)算Λ(bti,l)=logΣc^:c^=f(b),bti,j=1Πj=1Mexp(-|rtj-Σi=1Nαi,jcti|2N0)Πi=1NΠk=1,k≠1QPr[bti,k]Σc^:c^=f(b),bti,l=0Πj=1Mexp(-|rtj-Σi=1Nαi,jcti|2N0)Πi=1NΠk=1,k≠1QPr[bti,k],]]>其中，Λ表示對數(shù)似然比運(yùn)算符，Pr[.]表示概率運(yùn)算符，1≤l≤Q，Q為調(diào)制階數(shù)，f(·)為從發(fā)射比特序列b到發(fā)送符號序列c的映射。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括a.利用計(jì)算得到的似然外信息，通過下列公式分別更新E(cti)和Var(cti)，E(cti)=Σxj∈Sf(xj)P(cti=f(xj))=Σxj∈Sf(xj)Πl=1QPr(bti,l),]]>Var(cti)=Σxj∈S|f(xj)|2P(cti=f(xj))-|E(cti)|2=1-|E(cti)|2;]]>其中，Pr(bti，t)是計(jì)算得到的似然外信息，S表示星座符號集，Q為調(diào)制階數(shù)，f(xj)對應(yīng)于從發(fā)射比特序列b到發(fā)送符號序列c的映射中，發(fā)送符號序列c中的某個(gè)星座點(diǎn)；b.根據(jù)更新后的E(cti)和Var(cti)，分別通過下列公式計(jì)算接收信號rtj的均值和方差，其中，接收信號rtj的均值為E[rtj|ct1,ct2,···ctn,{αi,j}]=Σi=i+1Nαi,jE(cti)+Σi=1nαi,jcti,]]>接收信號rtj的方差為Var[rtj|ct1,ct2,···ctn.{αi,j}]=Σi=n+1N|αi,j|2(1-|E(cti)|2)+N0;]]>c.返回步驟A執(zhí)行。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種空時(shí)比特交織調(diào)制(ST－BICM)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法，該方法通過合理選擇概率比較大的一部分發(fā)送符號序列中的信號點(diǎn)，作為被選信號向量集合，簡單地計(jì)算出了信號的似然外信息，降低了解調(diào)復(fù)雜度，提高了解調(diào)效率。
文檔編號H04B7/04GK1996984SQ200610086449
公開日2007年7月11日 申請日期2006年6月21日
發(fā)明者李穎, 李 杰, 程鑫豪 申請人:西安電子科技大學(xué), 華為技術(shù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan