基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法及系统

摘要

本发明的一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法及系统，其方法包含：步骤1)根据消息传递算法计算均值和方法，包含：计算每个用户从变量节点至观测节点的均值和方差；计算每个波束内所有用户从观测节点到变量节点传递消息的均值和方差；步骤2)根据步骤1)得到的均值和方差计算每个用户的均值和方差，并计算每个用户的变量节点在迭代检测算法中的均值和方差；步骤3)计算检测器向译码器输出的信息；步骤4)根据检测器向译码器输出的信息，译码器向映射节点输出外信息，所述外信息为编码比特的似然概率；步骤5)判断迭代是否结束，如果迭代未结束，返回步骤1)；否则，将各译码器的译码结果作为估计的对应用户的发送符号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法及系统，属于卫星通信技术领域，特别涉及多波束卫星通信系统的一种联合消除上行多波束干扰的方法。

背景技术

全频复用能够显著提高多波束卫星移动通信系统的频谱效率和系统容量，然而，当系统拥有数以百计的点波束时，引发的波束间干扰将严重恶化系统性能。为避免该性能约束，干扰消除技术可应用于上述系统。

消除上行多波束干扰的一类常用算法是各软入软出模块(如MMSE滤波检测器、最大似然检测器)之间传递外信息实现迭代处理，该类算法能够显著提高系统容量但复杂度较高，例如，基于MMSE滤波的迭代方法的计算复杂度以干扰波束数量的三次方增长。近年来，消息传递算法广泛应用于不同领域，如Turbo码和LDPC码的译码、地面CDMA系统和MIMO系统中的符号检测，若将标准的和积算法(Sum-Product algorithm)直接应用于卫星多波束干扰消除，将导致计算复杂度高，不利于工程实现，尤其是具有波束数量庞大的卫星通信系统。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服上述问题，本发明提供了基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法及系统。

第一方面，提供一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法，该方法在相同波束下的各用户采用TDMA方式复用，同时波束间采用近似消息传递算法消除同频干扰，所述方法包含：

步骤1)根据消息传递算法计算均值和方法，具体包含：计算每个用户从变量节点至观测节点的均值和方差；计算每个波束内所有用户从观测节点到变量节点传递消息的均值和方差；

步骤2)根据步骤1)得到的均值和方差计算每个用户的均值和方差，并计算每个用户的变量节点在迭代检测算法中的均值和方差；

步骤3)计算检测器向译码器输出的信息；

步骤4)根据检测器向译码器输出的信息，译码器向映射节点输出外信息，所述外信息为编码比特的似然概率；

步骤5)判断迭代是否结束，如果迭代未结束，返回步骤1)；否则，将各译码器的译码结果作为估计的对应用户的发送符号。

结合上述第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述步骤1)之前还包含：初始化相关参数的步骤；

其中，所述相关参数包含：迭代次数，第一次迭代时译码器反馈的编码比特的后验概率，第一次迭代时译码器反馈的编码比特的似然概率。

结合上述第一方面，在第二种可能的实现方式中，所述步骤1)进一步包含：

步骤1-1)对参数进行初始化；

设定：m表示多波束天线中点波束的个数,m＝1,2,...,M；M为点波束的总个数；n是存在的用户数,n＝1,2,...,N；N为用户的总数；t是各符号的接收时刻，t＝1,2,...,T；其中i为本次迭代次数，i＝1,2,...,I，I为总迭代次数；

初始化：设定第t个时刻第n个用户发送的符号为x_tn，x_tn取值于离散符号集将x_tn看作是连续型复高斯随机变量，第t个时刻第m个波束接收的符号为f_tm，第i次迭代过程中从变量节点x_tn传递至观测节点f_tm的消息记为将近似为复高斯概率密度函数

步骤1-2)计算每个用户从变量节点至观测节点的均值和方差；

步骤1-2-1)当1≤n≤N，计算第i次迭代过程中x_tn的后验概率分布

${\tilde{p}}^{\left(i\right)}\left(x_{tn}\right)=\underset{q}{\Pi }{\tilde{p}}^{\left(i\right)}\left(c_n^q\right)$

其中，q表示的是比特信息，表示第i次迭代过程中译码器反馈的编码比特的后验概率，∏为连乘符号；

步骤1-2-2)计算第i次迭代过程中x_tn的均值和方差

其中，α_s属于集合

步骤1-2-3)计算第i次迭代过程中的均值和方差由高斯PDF的标准参数得到：

其中，h_mn为信道系数矩阵，表示h_mn的共轭；

其中，表示噪声的方差；

步骤1-3)计算每个波束内所有用户从观测节点到变量节点传递消息的均值和方差；具体过程为：

当1≤m≤M时，计算第i次迭代过程中和的值:

$\forall n,{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}={\tau }_{f_{tm}}^{\left(i\right)}-{\left|h_{mn}\right|}^2{\hat{\nu }}_{x_{tn}\to f_{tm}}^{\left(i\right)};z_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}=z_{f_{tm}}^{\left(i\right)}+h_{mn}{\hat{x}}_{x_{tn}\to f_{tm}}^{\left(i\right)},$

其中，y_m为第m个接收符号。

结合上述第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述步骤2)进一步包含：

当1≤n≤N，计算出x_tn在迭代MMSE检测算法中的均值和方差

${\gamma }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}={\left(\underset{m}{\Sigma }\frac{{\left|h_{mn}\right|}^2}{{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}\right)}^{-1},{\zeta }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}={\gamma }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}\underset{m}{\Sigma }\frac{h_{mn}^{*}{z}_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}{{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}$

其中，表示噪声的方差。

结合上述第一方面，在第四种可能的实现方式中，所述步骤3)进一步包含：

计算出检测器向译码器给出的外信息

其中，是复高斯分布的记号，x_tn服从复高斯分布，和分别为均值和方差，表示从映射节点传递到变量节点x_tn的消息，而表示由译码器传向映射节点的外信息；

译码器以和作为输入并输出外信息和

第二方面，一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码系统，该系统在相同波束下的各用户采用TDMA方式复用，同时波束间采用近似消息传递算法消除同频干扰，所述系统包含：联合检测器和译码器；

所述联合检测器，包括：

第一处理模块，用于根据消息传递算法计算均值和方差，具体包含：计算每个用户从变量节点至观测节点的均值和方差；计算每个波束内所有用户从观测节点到变量节点传递消息的均值和方差；

第二处理模块，用于根据消息传递算法得到的均值和方差，计算每个用户的均值和方差，并计算每个用户的变量节点在迭代检测算法中的均值和方差；和

第三处理模块，用于计算检测器向译码器输出的信息；

所述译码器，包括：

第四处理模块，用于根据检测器向译码器输出的信息，译码器向映射节点输出外信息，其中，所述外信息为编码比特的似然概率；

判决模块，用于判断迭代是否结束；和

输出模块，用于当迭代结束时将各译码器的译码结果作为估计的对应用户的发送符号。

结合上述第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述联合检测器还包含：初始化模块，用于初始化迭代相关的参数；

其中，所述相关的参数包含：迭代次数，第一次迭代时译码器反馈的编码比特的后验概率，第一次迭代时译码器反馈的编码比特的似然概率；

设定：m表示多波束天线中点波束的个数,m＝1,2,...,M；M为点波束的总个数；n是存在的用户数,n＝1,2,...,N；N为用户的总数；t是各符号的接收时刻，t＝1,2,...,T；其中i为本次迭代次数，i＝1,2,...,I，I为总迭代次数；

初始化：设定第t个时刻第n个用户发送的符号为x_tn，x_tn取值于离散符号集将x_tn看作是连续型复高斯随机变量，第t个时刻第m个波束接收的符号为f_tm，第i次迭代过程中从变量节点x_tn传递至观测节点f_tm的消息记为将近似为复高斯概率密度函数

结合上述第二方面，和/或第一种可能的实现方式，在第二种实现方式中，所述第一处理模块的具体处理过程为：

当1≤n≤N，计算第i次迭代过程中x_tn的后验概率分布

${\tilde{p}}^{\left(i\right)}\left(x_{tn}\right)=\underset{q}{\Pi }{\tilde{p}}^{\left(i\right)}\left(c_n^q\right)$

其中，q表示的是比特信息，表示第i次迭代过程中译码器反馈的编码比特的后验概率，∏为连乘符号；

计算第i次迭代过程中x_tn的均值和方差

其中，α_s属于集合

计算第i次迭代过程中的均值和方差由高斯PDF的标准参数得到：

其中，h_mn为信道系数矩阵，表示h_mn的共轭；

其中，表示噪声的方差；

所述第二处理模块的具体处理过程为：

当1≤m≤M时，计算第i次迭代过程中和的值:

$\forall n,{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}={\tau }_{f_{tm}}^{\left(i\right)}-{\left|h_{mn}\right|}^2{\hat{\nu }}_{x_{tn}\to f_{tm}}^{\left(i\right)};z_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}=z_{f_{tm}}^{\left(i\right)}+h_{mn}{\hat{x}}_{x_{tn}\to f_{tm}}^{\left(i\right)},$

其中，y_m为第m个接收符号。

结合上述第二方面，和/或第一种可能的实现方式，在第三种实现方式中，所述第三处理模块的具体处理过程为：

当1≤n≤N，计算出x_tn在迭代MMSE检测算法中的均值和方差

${\gamma }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}={\left(\underset{m}{\Sigma }\frac{{\left|h_{mn}\right|}^2}{{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}\right)}^{-1},{\zeta }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}={\gamma }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}\underset{m}{\Sigma }\frac{h_{mn}^{*}{z}_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}{{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}$

其中，表示噪声的方差。

结合上述第二方面，和/或第一种可能的实现方式，在第四种实现方式中，所述第四处理模块的具体处理过程为：

计算出检测器向译码器给出的外信息

其中，是复高斯分布的记号，x_tn服从复高斯分布，和分别为均值和方差，表示从映射节点传递到变量节点x_tn的消息，而表示由译码器传向映射节点的外信息。

总之，本发明提出的一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法及系统，主要思想是首先推导出联合处理多波束干扰与译码的因子图表示，再通过期望传播原理推导出适用于该因子图的近似消息传递算法，从而实现联合优化的干扰消除与译码算法。该方法一方面通过联合处理提高了性能，另一方面通过高斯近似降低了复杂度，并且具有并行结构，便于工程实现。本发明提供的基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法，首先给出了信息比特联合概率的近似因子图，其次给出了基于此因子图的高斯近似置信传播算法。在接收端，采用消息传递机制，实现译码与多用户检测的联合迭代处理。本发明适用于非正交接入的多用户通信系统，可以有效降低干扰消除算法的计算复杂度，在比特信噪比较低时干扰消除的性能较传统算法略有提升。

本发明的检测及译码方法和传统多用户干扰消除方法相比具有以下两个显著特征：(1)干扰消除与译码联合处理；(2)运算复杂度降低。

附图说明

图1为本发明所述的多用户联合检测方法对应的系统的组成框图；

图2为本发明提供的处理方法的流程框图；

图3为迭代次数为10时两种算法的误码率曲线；

图4为三种情况下两种算法在不同迭代次数下的误码率曲线；

图5为不同迭代次数下的EP算法的误码率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的联合检测及译码方法的核心在于：将多用户检测、映射和译码结合在一起用因子图进行表示，采用的原理是期望传播原理。如图1所示译码器的输入是和输出外信息和再代入多用户检测中进行迭代，其他的节点都是在多用户检测和解映射环节。

实施例1

本实施例采用Turbo迭代算法为例说明本发明的技术方案。

本发明实施例提供一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法，分为多用户检测及映射和译码，如图2所示，所述的方法具体过程是依次按照以下步骤实现的：

本发明考虑的卫星移动通信系统主要由多波束卫星和移动终端组成，设定：m表示多波束天线中点波束的个数，m＝1,2,...,M；n是系统中存在的用户数,n＝1,2,...,N；t是各符号的接收时刻，t＝1,2,...,T。

为了叙述方便，将Turbo迭代简称为迭代，进入迭代过程，其中，I为总的迭代次数，i为本次迭代次数，且i＝1,2,...,I。

步骤101)初始化相关参数；

设定第t个时刻第n个用户发送的符号为x_tn，其中,1≤n≤N，N为用户的总数；x_tn取值于离散符号集将x_tn看作是连续型复高斯随机变量，第t个时刻第m个波束接收的符号为f_tm，第i次迭代过程中从变量节点x_tn传递至观测节点f_tm的消息记为将近似为复高斯概率密度函数表示的均值，表示的方差，反方向消息传递的复高斯概率密度函数表示的方差，表示的均值。表示第i次迭代过程中译码器反馈的编码比特的后验概率，表示第i次迭代过程中译码器反馈的编码比特的似然概率，迭代算法初始化阶段i＝1，

其中：h_mn为信道系数矩阵。

步骤102)当1≤n≤N，计算第i次迭代过程中x_tn的均值和方差

计算第i次迭代过程中x_tn的后验概率分布其取值由给出：

${\tilde{p}}^{\left(i\right)}\left(x_{tn}\right)=\underset{q}{\Pi }{\tilde{p}}^{\left(i\right)}\left(c_n^q\right),$

其中，q表示的是比特信息，表示第i次迭代过程中译码器反馈的编码比特的后验概率，∏为连乘符号。

计算第i次迭代过程中x_tn的均值和方差

其中，α_s属于集合

步骤103)计算第i次迭代过程中的均值和方差可由高斯PDF的标准参数得到：

其中，h_mn为信道系数矩阵，表示h_mn的共轭；

其中，表示噪声的方差。

当1≤m≤M时，计算第i次迭代过程中和的值:

$\forall n,{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}={\tau }_{f_{tm}}^{\left(i\right)}-{\left|h_{mn}\right|}^2{\hat{\nu }}_{x_{tn}\to f_{tm}}^{\left(i\right)};z_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}=z_{f_{tm}}^{\left(i\right)}+h_{mn}{\hat{x}}_{x_{tn}\to f_{tm}}^{\left(i\right)},$

其中，

其中，y_m为第m个接收符号。

步骤104)当1≤n≤N，计算出x_tn在迭代MMSE检测算法中的均值和方差

${\gamma }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}={\left(\underset{m}{\Sigma }\frac{{\left|h_{mn}\right|}^2}{{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}\right)}^{-1},{\zeta }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}={\gamma }_{x_{tn}}^{\left(i\right)}\underset{m}{\Sigma }\frac{h_{mn}^{*}{z}_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}}{{\tau }_{f_{tm}\to x_{tn}}^{\left(i\right)}},$

步骤105)计算出检测器向译码器给出的外信息

其中，是复高斯分布的记号，x_tn服从复高斯分布，和分别为均值和方差，表示从映射节点传递到变量节点x_tn的消息，而表示由译码器传向映射节点的外信息。

步骤106)译码器以和作为输入并输出外信息和

步骤107)判断i＝I是否成立，如果判断结果是肯定的，转入步骤108)，否则，转入步骤102)；

步骤108)将各个译码器的译码结果作为当期时刻估计的各个用户的发送符号。

实施例2

本发明提出的一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码系统，以一个多用户TDMA卫星通信系统为例，多波束天线中点波束个数M＝127，系统用户数N与点波束个数相同，系统采用全频复用，采用1/2码率的卷积码，随机采用QPSK、8PSK、16PSK调制，信道为AWGN信道，假设每个波束受到的干扰波束为6。以下给出工作流程，便于理解本发明的目的、特征和优点。

(1)迭代算法初始化阶段：i＝1，1≤n≤N。

(2)根据的值，计算第i次迭代过程中x_tn(1≤n≤N)的后验概率分布

(3)计算第i次迭代过程中x_tn的均值和方差

(4)由高斯PDF的标准参数得到第i次迭代过程中的均值和方差

(5)当1≤m≤M时，由的均值和方差计算得到和的值，从而得到第i次迭代过程中和的值。

(6)当1≤n≤N，计算出x_tn在迭代MMSE检测算法中的均值和方差

(7)根据和的值，计算出检测器向译码器给出的外信息

(8)译码器以和作为输入并输出外信息和

重复上述多用户检测步骤和译码步骤，直至i＝I为止。

上述实施例1和实施例2的技术方案均没有考虑用户在t时刻发送信息后，再传递至接收端的延时。但是在实际情况中，如果考虑了发送端至接收端的延时，上述技术方案可以不用付出创造性的劳动进行适应性修改即可，这属于本领域的公知常识在此不做赘述。

此外，基于上述方法，本发明还提供了一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码系统，该系统在相同波束下的各用户采用TDMA方式复用，同时波束间采用近似消息传递算法消除同频干扰，所述系统包含：联合检测器和译码器；

所述联合检测器，包括：

第一处理模块，用于根据消息传递算法计算均值和方差，具体包含：计算每个用户从变量节点至观测节点的均值和方差；计算每个波束内所有用户从观测节点到变量节点传递消息的均值和方差；

第二处理模块，用于根据消息传递算法得到的均值和方差，计算每个用户的均值和方差，并计算每个用户的变量节点在迭代检测算法中的均值和方差；和

第三处理模块，用于计算检测器向译码器输出的信息；

所述译码器，包括：

第四处理模块，用于根据检测器向译码器输出的信息，译码器向映射节点输出外信息，其中，所述外信息为编码比特的似然概率；

判决模块，用于判断迭代是否结束；和

输出模块，用于当迭代结束时将各译码器的译码结果作为估计的对应用户的发送符号。

总之，本发明提供的一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法及系统属于卫星通信技术领域，特别涉及多波束卫星通信系统的一种联合消除上行多波束干扰的方法。在接收端，接收信号先后经过多用户检测、映射和译码处理，然后将用户比特的外信息和符号的外信息在“译码节点”和“映射节点”反复迭代，在满足迭代次数以后，本发明可以实现多用户之间的联合干扰消除和译码。该方法一方面推导出联合处理多波束干扰与译码的因子图表示，通过期望传播原理(expectation propagation)推导出适用于该因子图的近似消息传递算法，从而实现联合优化的干扰消除与译码算法，另一方面通过高斯近似降低了复杂度，并且具有并行结构，便于工程实现。

通过仿真验证本发明的技术方案：

对上述系统进行计算机仿真测试，得出了下面的结果，其中，本发明提出的一种基于期望传播的卫星多波束联合检测及译码方法图中简称EP算法，迭代MMSE检测算法图中简称iteraMMSE算法：

测试1：迭代次数为10，调制方式分别采用QPSK、8PSK、16PSK，不同比特信噪比下EP算法和iteraMMSE算法的误码率。从图3的仿真结果中可以看出，当比特信噪比较低时，EP算法的性能略优于iteraMMSE算法。

测试2：设定了如下三组仿真参数，如表1所示：

表1

编号调制方式E_b/N₀Case 1QPSK3dBCase 28PSK6dBCase 316PSK10dB

从图4的仿真曲线，可以看出当迭代次数小于3时EP算法的性能优于iteraMMSE算法。

从图5中不同迭代次数下EP算法的误码率仿真曲线可以看出，当迭代次数小于3时收敛速度较快；当迭代次数为1时，即使比特信噪比增加误码率也不会减小，因为波束间的干扰根本无法消除；当迭代次数不小于5时，误码率随比特信噪比的变化不大。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。