通信系统中基于概率剪切的改进匹配滤波消息传递检测方法

摘要

本发明提供了一种通信系统中基于概率剪切的改进匹配滤波消息传递检测方法，本发明应用在无线通信系统接收机的符号检测判决部分，符号检测判决器可依据本发明方法流程图进行硬件设计。本发明的有益效果是：1.本发明利用匹配滤波和实数化操作使得消息传递检测算法可以在更低复杂度的情况下应用至不限于mMIMO系统的通信符号检测中。2.本发明在匹配滤波消息传递检测算法的符号概率分布更新后，引入了新的“概率剪切”操作，使得算法所需的高斯性能够在算法迭代过程中得到保持，从而大大提高了算法在高信噪比下的符号检测性能，其代价为迭代过程中的额外排序算法复杂度，以及系统应用前的剪切门限选择的仿真消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术与概率图理论领域，可应用于massive MIMO、OFDM、SC、OTFS的通信符号检测，尤其涉及通信系统中基于概率剪切的改进匹配滤波消息传递检测方法。

背景技术

在无线通信中，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号通过正交频分复用的方式使得信号拥有较好的抗多径性能与频谱效率，在现代无线通信系统中得到了广泛的应用。由于OFDM是多载波系统，不可避免的存在峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)过高的问题，因此基于循环前缀(Cyclic Prefix,CP)与频域均衡(Frequency Domain Equalization,FDE)的单载波(Single Carrier,SC)信号被提出，该信号为恒包络信号，同时在高信噪比条件下获得较好的通信性能，并在IEEE802.11ad与LTE-advanced等标准中被采用。针对时变信道多普勒调制的问题，近年来提出了新的正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制方式，通过时延与多普勒的两维分集增益在时变信道中获得了更优异的通信性能。同时在其他方面，为了提升通信系统的系统容量与频谱效率，大规模多输入多输出(Massive Multiple Input MultipleOutput,mMIMO)技术再次获得了广泛关注。不论OFDM、SC、OTFS，还是mMIMO，它们的发射符号与接收符号的关系均可以表示为线性方程的形式(即符号向量与信道矩阵的线性运算)。

这种表示下较为熟知的通信符号的非线性检测算法有最大后验概率(Maximum APosteriori,MAP)检测算法，在发射符号先验等概的情况下等效为最大似然(MaximumLikelihood,ML)检测算法，虽然该方法检测性能好，但由于复杂度过高而无法应用在实际系统当中，只能作为理论参考。较为熟知的线性检测算法有最小均方误差(Minimum MeanSquare Error,MMSE)算法与迫零(Zero-Forcing,ZF)检测算法，它们相对ML算法拥有更低的复杂度，但检测性能损失较大。

利用信道硬化的消息传递(Channel Hardening-Exploiting Message Passing,CHEMP)算法利用massive MIMO中的信道硬化特性，加上消息传递算法从而对ML检测算法进行的迭代求解，从而在较低信噪比范围内获得比MMSE更好的检测性能，并且拥有更低的计算复杂度。但该方法在概率数学推导中利用了高斯近似，当接收信噪比较高时，随着算法迭代的进行，高斯进行逐渐不再成立，从而使得CHEMP随着接收信噪比的增大，其误比特率(Bit Error Rate,BER)趋于一个稳定值，即该检测算法关于接收信噪比存在一个BER极限。同时，该符号检测方法目前仅在mMIMO系统中被提出。

发明内容

本发明提供了一种通信系统中的基于概率剪切的改进匹配滤波消息传递检测方法，包括如下步骤：

步骤a:输入接收信号的噪声功率估计、匹配滤波前的信道矩阵、匹配滤波后的信道矩阵、匹配滤波后的接收信号；

步骤b:初始化迭代次数、所有发射元素的符号概率分布、期望与方差；

步骤c:判断是否达到最大迭代次数，若是，那么执行判决步骤，否则执行步骤d；

步骤d：判断是否所有发射元素更新完成，若是，那行执行步骤c，否则执行步骤e；

步骤e：计算总干扰项的期望与方差；

步骤f：利用总干扰项的高斯假设，对发射元素的符号概率分布进行更新；

步骤g：在该发射元素的符号概率分布进行更新后，将更新后的概率分布中的概率最大值，与剪切门限进行比较，判断概率分布中的概率最大值是否大于剪切门限，若是，那么执行步骤h，否则执行步骤i；

步骤h：进行概率剪切操作，利用该操作对总干扰项的高斯假设进行保持；

步骤i：利用获得的该发射元素的符号概率分布，对该发射元素的统计量进行更新，然后，返回执行步骤d；

判决步骤：利用最终获得的符号概率分布对每个发射元素进行符号判决，即概率分布中，概率最大的符号即为该发射元素所对应的发射符号，最终获得无线通信发射端发射符号的估计；

步骤a至i及判决步骤应用在无线通信系统接收机的符号检测判决部分。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤b中，初始化迭代次数t＝0，初始化t＝0次迭代的x

作为本发明的进一步改进，在所述步骤e中，对于第t次算法迭代，使用E

作为本发明的进一步改进，在所述步骤f中，根据中心极限定理，假设g

式中Δ称为概率更新抑制因子，其值的确定通常依靠先验知识，或者通过事先的蒙特卡洛仿真确定。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤h中，令概率分布中的概率最大值设定为剪切门限，概率分布中的其他概率值进行均匀分配。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤h中，概率剪切操作为：若x

作为本发明的进一步改进，在所述步骤i中，更新x

作为本发明的进一步改进，在所述判决步骤中，当迭代次数t大于设定的最大迭代次数T时，退出迭代，并进行符号判决，即

并将

本发明的有益效果是：1.本发明利用匹配滤波和实数化操作使得消息传递检测算法可以在更低复杂度的情况下应用至不限于mMIMO系统的通信符号检测中，其前提仅为发射符号与接收符号的关系可以表示为线性方程的形式即可。2.本发明在匹配滤波消息传递检测算法的符号概率分布更新后，引入了新的“概率剪切”操作，使得算法所需的高斯性能够在算法迭代过程中得到保持，从而大大提高了算法在高信噪比下的符号检测性能，其代价为迭代过程中的额外排序算法复杂度，以及系统应用前的剪切门限选择的仿真消耗。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明所提的MF-PC-MP检测算法的性能对比图，以32×32的OTFS信号时变信道为例。

具体实施方式

本发明公开了一种通信系统中的基于概率剪切的改进匹配滤波消息传递检测方法，本发明应用在无线通信系统接收机的符号检测判决部分，符号检测判决器可依据本发明方法流程图进行硬件设计。

下面介绍本发明的基本思路和主要操作。

(基本表示)OFDM、SC、OTFS与mMIMO系统的发射符号与接收符号的关系均可以表示为线性方程的形式：

y＝Hx+w (1)

式中

(实数化表示)为了降低计算复杂度，将式(1)进行实数化表示，得到

y

式中

且

(匹配滤波)为了进一步减小消息传递算法的复杂度，这里同CHEMP检测算法一样，先进行匹配滤波操作，得到

z＝Jx

式中

式中J

(MAP问题)在式(4)表示下的MAP检测问题表示为

式中

(MF-PC-MPD)用于求解式(5)所提的本发明具体步骤如下：

步骤1：初始化迭代次数t＝0，初始化t＝0次迭代的x

步骤2：对于第t次算法迭代，使用

步骤3：根据中心极限定理，假设g

式中Δ称为抑制因子，其值的确定通常依靠先验知识，或者通过事先的蒙特卡洛仿真确定。

步骤4：随着迭代的进行，x

步骤5：更新x

步骤6：当迭代次数t大于设定的最大迭代次数T时，退出迭代，并进行符号判决，即

并将

对上述公式中的各参数进行说明：y表示接收符号向量；x表示发射符号向量；w表示加性高斯白噪声向量；H表示信道矩阵；

如图1所示，本发明通信系统中的基于概率剪切的改进匹配滤波消息传递检测方法包括如下步骤：

步骤a:本发明所提的符号检测算法的输入为接收信号的噪声功率估计、匹配滤波前的信道矩阵、匹配滤波后的信道矩阵、匹配滤波后的接收信号。

步骤b:初始化迭代次数、所有发射元素的符号概率分布、期望与方差(详见MF-PC-MPD的步骤1)。

步骤c:判断是否达到最大迭代次数，若是，那么执行判决步骤，否则执行步骤d。

步骤d：判断是否所有发射元素更新完成，若是，那行执行步骤c，否则执行步骤e。

步骤e：在一次迭代过程中，对发射元素进行逐个消息更新，首先进行总干扰项的期望与方差计算(详见MF-PC-MPD的步骤2)。

步骤f：利用总干扰项的高斯假设，对发射元素的符号概率分布进行更新(详见MF-PC-MPD的步骤3)。

步骤g：在该发射元素的符号概率分布进行更新后，将更新后的概率分布中的概率最大值，与剪切门限进行比较，判断概率分布中的概率最大值是否大于剪切门限，若是，那么执行步骤h，否则执行步骤i。

步骤h：若最大值大于剪切门限，则进行概率剪切操作：概率分布中的概率最大值设定为剪切门限，概率分布中的其他概率值进行均匀分配(详见MF-PC-MPD的步骤4)。利用该操作对总干扰项的高斯假设进行保持。

步骤i：若概率分布中的概率最大值小于剪切门限，则不进行概率剪切操作，利用获得的该发射元素的符号概率分布，对该发射元素的统计量进行更新(详见MF-PC-MPD的步骤5)，然后，返回执行步骤d。

判决步骤：若迭代次数达到设定的最大迭代次数，则退出迭代，利用最终获得的符号概率分布对每个发射元素进行符号判决，即概率分布中，概率最大的符号即为该发射元素所对应的发射符号。最终获得无线通信发射端发射符号的估计(详见MF-PC-MPD的步骤6)。

本发明中提出的通信系统中基于概率剪切的改进匹配滤波消息传递检测(Matched Filtering Based Message Passing With Probability Clipping,MF-PC-MP)方法主要有两个创新点：一是本发明将CHEMP检测算法从mMIMO中推广至带有CP的OFDM、SC与OTFS系统中，使得算法更具有通用性，这里重新称为“匹配滤波消息传递(MatchedFiltering Based Message Passing,MF-MP)算法”；二是本发明提出了新的“概率剪切”方法，通过MF-MP概率迭代过程中的概率剪切操作，保持MF-MP算法所必须的高斯近似条件，避免迭代过程中的高斯性丢失，从而大大提高了MF-MP算法在高信噪比条件下的通信符号检测性能，同时其代价仅为增加了概率排序的复杂度，从而进一步地改善符号检测性能与复杂度之间的折衷。

本发明具有如下技术优势：

1.本发明利用匹配滤波和实数化操作使得消息传递检测算法可以在更低复杂度的情况下应用至不限于mMIMO系统的通信符号检测中，其前提仅为发射符号与接收符号的关系可以表示为线性方程的形式即可。

2.本发明在匹配滤波消息传递检测算法的符号概率分布更新后，引入了新的“概率剪切”操作，使得算法所需的高斯性能够在算法迭代过程中得到保持，从而大大提高了算法在高信噪比下的符号检测性能，其代价为迭代过程中的额外排序算法复杂度，以及系统应用前的剪切门限选择的仿真消耗。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。