結合極化碼的MIMO系統聯合檢測解碼方法與流程

2023-08-04 00:40:26 1

本發明屬於無線通信
技術領域：
，是應用於極化碼編碼的MIMO系統的低複雜度聯合檢測解碼方法。
背景技術：
：移動通信經歷了第一代模擬通信(1G)，第二代蜂窩數字通信(2G)，第三代CDMA寬帶通信(3G)的發展歷程，目前已進入了第四代移動通信(4G)產業化的應用階段。移動通信正朝著高速率，高容量，高頻譜效率和低功耗的方向發展，不斷滿足人們日益增長的數據和視頻需求。據主要運營商和權威諮詢機構預測：移動寬帶業務流量將在未來10年增長1000倍。現有4G技術在傳輸速率和資源利用率等方面仍然無法滿足未來的需求，其無線覆蓋和用戶體驗也有待進一步提高。世界各國在推動4G產業化工作的同時，第五代移動通信技術(5G)已經成為了國內外無線通信領域的研究熱點。5G移動通信標誌性的關鍵技術主要體現在超高效能的無線傳輸技術和高密度無線網絡技術。基於大規模多輸入多輸出(MIMO)的無線傳輸技術將有可能使頻譜效率和功率效率在4G的基礎上再提升一個量級。與此同時，高性能、高效率的信道編碼技術也將成為5G的一個重要研究方向。作為第一個能夠達到香農容量的信道編碼，極化碼是信息理論和無線通信領域的重大突破，引起了學術界和工業界的廣泛關注。在5G移動通信的全新應用場景下，極化碼將會取代Turbo碼和LDPC碼，成為信道糾錯編碼的候選者。研究適用於極化碼編碼的MIMO系統的聯合檢測解碼方法具有重大的理論意義與應用價值。關於MIMO系統檢測的相關文獻中，有大量針對理想誤碼性能，低複雜度和低延時的MIMO檢測器的相關研究。最大似然檢測器(ML)為理想檢測器，其計算複雜度隨著發射天線的增加呈指數增加。軟輸出的K-best及球形解碼(SD)算法，由於其近似最優的檢測性能和降低的複雜度而成為MIMO系統的研究熱點。近年來，連續消除的列表極化碼解碼器因其接近最優的檢測性能而引起了廣泛的關注。在極化碼編碼的MIMO系統中，檢測器首先從接收的信號中估計發送符號。然後，解碼器從估計的符號中恢復信息比特。結合極化碼的MIMO技術將大大提高系統容量和數據速率。同時，這也大大增加了接收機的複雜度。一般情況下，檢測和解碼常常被看作兩個獨立的處理模塊。輸出信息在兩個獨立模塊之間相互迭代，從而改善BER性能。然而，迭代的檢測解碼將會增加系統延時。因此，研究結合極化碼的聯合MIMO檢測解碼技術具有重大意義。技術實現要素：發明目的：為了克服現有獨立MIMO檢測解碼器的上述問題，本發明提出了一種低複雜度的聯合檢測解碼方法，結合極化碼的編碼特性，縮小了傳統K-best檢測中路徑搜索範圍。技術方案：本發明中，我們考慮發射天線數為Nt，接收天線數為Nr的MIMO上行鏈路。採用碼率R＝1/2的(N,K,)極化碼編碼，其中N、K、和分別表示碼長、信息比特長度、信息比特的集合和空閒比特值。對於寬度優先的K-Best算法，每次選取具有最小部分歐式距離(PED)的Kp條路徑列表Pnew作為候選路徑，對應的路徑度量值列表為Lnew。發射復值向量中的每個符號取自矩形正交幅度調製(QAM)星座集合Θ，其中，Q為調製星座點尺寸，Mc為每個發射符號包含比特數。用實值分解(RVD)的方法，Nt×Nr的復值MIMO系統可等效為2Nt×2Nr實值系統，發射實值符號的集合為Ω。在聯合檢測解碼(JDD)算法中，n個信道實現需要同時考慮。第i個信道的發射向量為xi，信道矩陣為Hi，加性高斯白噪聲為ni，接收向量為yi。經過信道矩陣QR分解Hi＝QiRi，zi＝QHiyi，n個信道的接收向量的變形z可表示為z＝Rx+n,即K個信息比特經過編碼得到N個編碼比特輸出。對於每一個碼字，信道實現數n＝N/(NtMc)，詳細的系統配置如圖1所示。因此，樹的搜索層數由2Nt增加為2Ntn。需要注意的是，搜索樹的第1層代表矩陣R的第2Ntn行，搜索樹的第2Ntn層代表矩陣R的第1行。不同於傳統的基於因子圖的迭代檢測解碼算法，本發明提出一種結合極化碼的MIMO系統樹形聯合檢測解碼方法，具體包括如下步驟：1)初始化路徑列表及其PED列表：P0＝[0,0,...,0],PED0＝[0,0,...,0]。2)構造縮減樹結合極化碼編碼，2N個碼字中僅含有2K個有效碼字，即理想ML檢測的搜索路徑中僅有條路徑產生於有效的碼字，稱為有效路徑，在路徑擴展過程中，僅擴展有效路徑構成的樹稱為縮減樹。3)結合縮減樹第i(i>0)層，對第i-1層中的每一條路徑擴展其有效路徑，得到更新的路徑列表根據PEDi-1得到更新的PED列表其中Kp表示每一層倖存路徑數，Pi,j表示第i層的j條倖存路徑，PEDi,j表示第i層的j條倖存路徑的度量值，Q表示調製星座點尺寸；根據PEDi-1得到PEDnew的具體計算公式為：PEDnew=PEDi-1+||z2nNt+1-i-Σj=2nNt+1-i2nNtrljxj||2---(11)]]>其中，Nt為發射天線數，xj為第j個發射數據流的發射符號，zj為第j個接收數據流的接收信號，R為信道矩陣QR分解得到的上三角矩陣，rlj為上三角矩陣R的第l行j列元素。4)判斷是否完成檢測，若i＝2Ntn，表示到達葉子節點層，則輸出候選路徑列表及其PED列表否則，選取PED列表PEDnew中最小的Kp個值構成PEDi，其對應的Kp條路徑作為第i層的候選路徑列表Pi，令i＝i+1，返回步驟3進行下一層路徑擴展，其中Nr表示接收天線數，n為信道數。5)進行硬輸入或者軟輸入解碼：採用硬輸入解碼時，輸出最優路徑即最後一層的路徑度量值向量中每一項的最小值對應的路徑，將其對應的路徑進行反映射得到發射碼字，輸入SSC解碼器即得解碼結果；採用軟輸入解碼時，首先結合中的Kp條路徑的PED值，計算接收向量y的LLP，然後輸入SCL解碼器恢復信息比特；計算接收向量y的LLP的具體公式為：其中，為第k個發射數據流的符號xk的第i比特，為第i比特為b的所有符號的集合，b∈{0,1}，σ2為噪聲n的方差，z為通過n個信道的接收向量的變形，R為信道矩陣QR分解得到的上三角矩陣，x為n個信道的發射向量。有益效果：本發明將MIMO技術與可達香農信道容量的極化碼相結合，提高了系統容量和數據速率。結合極化碼的編碼特性，避免了無效路徑的擴展和更新，降低了整體的計算複雜度，同時改善了系統的BER性能。此外，採用SSC硬解碼的JDD算法，採用高效的流水線編碼器完成解碼操作，進一步降低了硬體實現的複雜度，提高了系統吞吐率，在保證較好的BER性能前提下，適用於高吞吐率及低複雜度的應用場景。附圖說明圖1是JDD算法中MIMO系統配置；圖2是2×2MIMO系統聯合檢測解碼算法的樹形搜索過程(16-QAM)；圖3是4×4MIMO系統不同檢測解碼算法的性能對比(4-QAM)；圖4是4×4MIMO系統SDD與JDD算法的性能對比(16-QAM)。具體實施方式下面結合具體實施案例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。為了更好的理解本發明，首先對本發明涉及到的各方法進行簡單介紹。在MIMO系統預處理中，對信道矩陣進行排序的QR分解(SQRD)。具有最高信噪比(SNR)的信號最先被檢測，具有最低SNR的信號最後被檢測，從而降低錯誤傳播。通過SQRD處理，MIMO系統的最大似然檢測問題可轉化為一個2Nt層的樹形搜索問題。這種寬度優先的檢測方法稱為K-best算法。在硬判決中，K-best檢測器選擇葉子節點處具有最小部分歐式距離(PED)的路徑作為最優路徑，並輸出估計符號。估計的符號通過解調得到編碼比特，編碼比特再經過一次極化碼編碼恢復原始的信息比特。這種方法稱為硬輸入的極化碼解碼。對於軟判決輸出，葉子節點處的所有倖存路徑進行結合，計算接收向量y的對數似然概率(LLP)。極化碼的連續消除列表(SCL)解碼器根據接收到的軟信息LLP恢復信息比特。這種方法稱為軟輸入的極化碼解碼。在分開的檢測解碼(SDD)算法中，每個信道實現單獨處理得到估計的發射向量。目前常見的聯合檢測解碼器大多是基於因子圖的迭代實現。在本發明中，提出的聯合檢測解碼(JDD)算法基於寬度優先搜索的樹形結構。該算法需要同時考慮若干個信道實現。對於極化碼編碼的MIMO系統，假定能夠產生有效極化碼的路徑為有效路徑。在傳統的K-best檢測中，每一層都需要擴展條路徑。結合極化碼編碼，這些路徑並不全是有效的。在JDD算法中，每一層僅僅需要擴展有效的路徑，由此產生了縮減的樹。基於該縮減的樹，進行路徑擴展與更新。基於性能和實現複雜度，JDD方法採用SCL和SSC兩種解碼方法恢復原始信息比特。極化碼編碼和解碼假定解碼器輸入為輸出為GN和BN分別表示生成矩陣和比特反序重排置換矩陣。則極化碼的編碼可表示為：x1N=u1NGN=u1NFnsBN,---(2)]]>其中，ns代表解碼器的階數，代表的Kronecker積。類似於K-best算法，SCL解碼也是寬度優先的搜索算法，在滿二叉樹上逐層擴展並選擇最優路徑。因此，SCL解碼可結合K-best算法，實現聯合檢測解碼。SDD算法設等效實值MIMO系統中，發射向量為x，信道矩陣為H，加性高斯白噪聲為n，接收向量為y。信道矩陣的QR分解表示為H＝QR。其中，Q為2Nr×2Nt的矩陣，R為2Nt×2Nt的上三角矩陣。在K-best檢測器中，估計向量可表示為：x^=argminx^Ω||z-Rx||2=argminx^ΩΣl=12Nt||zl-Σj=l2Ntrljxj||2---(3)]]>公式(3)可看作一個2Nt層的樹形搜索問題，每一個節點有個孩子節點。在樹的每一層，保留Kp條具有最小PED值的路徑作為倖存路徑。在樹的第i層，擴展路徑的PED可表示為：PEDi=Σl=12Nt-i+1||zl-Σj=12Ntrljxj||2---(4)]]>在SDD算法中，葉子節點層所有的候選路徑進行結合，並計算接收向量y的LLP。假定符號xk的第i比特記為則y的LLP計算如下：其中，代表第i比特為b的所有符號的集合，b∈{0,1}，σ2為噪聲n的方差。SCL解碼器根據接收到的軟信息LLP恢復原始的信息比特。SSD算法僅僅是已有MIMO系統K-best檢測器與極化碼SCL解碼器的簡單級聯，可作為本發明提出的聯合檢測解碼算法的比較基準。本發明提出一種結合極化碼的MIMO系統樹形聯合檢測解碼方法，操作步驟如下：1)初始化路徑列表及其PED列表：P0＝[0,0,...,0],PED0＝[0,0,...,0]。2)構造縮減樹結合極化碼編碼，2N個碼字中僅含有2K個有效碼字。即，理想ML檢測的搜索路徑中僅有條路徑產生於有效的碼字，稱為有效路徑。在路徑擴展過程中，僅擴展有效路徑構成的樹稱為縮減樹。3)結合縮減樹第i(i>0)層，對第i-1層中的每一條路徑擴展其有效路徑，得到更新的路徑列表並根據公式4得到更新的PED列表4)判斷是否完成檢測，若i＝2Ntn，表示到達葉子節點層，則輸出候選路徑列表及其PED列表否則，選取PED列表PEDnew中最小的Kp個值構成PEDi，其對應的Kp條路徑作為第i層的候選路徑列表Pi，令i＝i+1，返回步驟3進行下一層路徑擴展。5)進行硬輸入或者軟輸入解碼：採用硬輸入解碼時，輸出最優路徑即最後一層的路徑度量值向量中每一項的最小值對應的路徑，將其對應的路徑進行反映射得到發射碼字，輸入SSC解碼器即得解碼結果；採用軟輸入解碼時，首先結合中的Kp條路徑的PED值，根據公式5計算接收向量y的LLP，然後輸入SCL解碼器恢復信息比特。SCL解碼器工作原理如下：1)初始化路徑列表：path0＝[0,0,...,0]，度量值列表：2)逐層路徑擴展：在第i(i>0)層，對第i-1層路徑列表pathi-1＝[path(i-1),1,path(i-1),2,...,path(i-1),L](L代表每層倖存路徑數)中每一條路徑，分別添加一位「0」和「1」得到擴展路徑列表pathi＝[pathi1,pathi,2,...,pathi,2L],並根據以下迭代公式得到度量值列表{wN(2i-1)(y1N,u^12i-2|u2i-1)=max*{wN/2(i)(y1N/2,u^1,o2i-2u^1,e2i-2|u2i-1)+wN/2(i)(yN/2+1N,u^1,e2i-2|0)wN/2(i)(y1N/2,u^1,o2i-2u^1,e2i-2|u2i-1)+wN/2(i)(yN/2+1N,u^1,e2i-2|1)}wN(2i)(y1N,u^12i-1|u2i)=wN/2(i)(y1N/2,u^1,o2i-2u^1,e2i-2|u2i-1u2i)+wN/2(i)(yN/2+1N,u^1,e2i-2|u2i),---(6)]]>其中，代表解碼器接收向量，代表編碼器輸入比特，ui代表向量中的第i項，代表編碼器輸入比特的估計值，代表中奇數下標對應比特構成的向量，代表中偶數下標對應比特構成的向量，代表u2i-1的比特翻轉，代表比特異或操作，max*代表取最大值。3)解碼結束判斷及選取候選路徑：若i＝＝N，選取為最大度量路徑，即可得到解碼輸出否則，選取路徑度量值列表中最大的L個值構成候選度量值列表其對應的L條路徑作為第i層的候選路徑列表；令i＝i+1，返回步驟2)，進行下一層擴展。簡化SSC解碼考慮硬體實現和計算的魯棒性，SCL的簡化版本SC可在對數域上實施。傳輸碼字的對數似然比可通過下式迭代計算：LN(2i-1)(y1N,u^12i-2)sgn(L1)sgn(L2)min(|L1|,|L2|)---(7)]]>LN(2i)(y1N,u^12i-1)=(-1)u^2i-1L1+L2---(8)]]>其中，L1=LN/2(i)(y1N/2,u^1,o2i-2u^1,e2i-2)L2=LN/2(i)(yN/2+1N,u^1,e2i-2)---(9)]]>對於一些低複雜度和高吞吐率的應用場景，簡化的SC(SSC)解碼是一個較好的選擇。為了進一步提高硬體效率，LLR的值可以簡單地用其符號來表示，可得到二進位輸入的解碼器，稱為硬輸入解碼。式(7)中上面的式子可以簡化為：c=ab---(10)]]>其中，a,b和c分別表示L1和L2的符號比特。圖2以2×2MIMO系統為例，詳細描述了極化碼編碼的MIMO系統的聯合檢測解碼算法。其中，採用了16-QAM調製和(8,4)極化碼編碼。每4比特編碼成8比特的碼字，然後調製到16-QAM的星座點。根據公式(1)，該縮減的樹僅包含24條有效路徑。在等效實值系統中，該縮減的樹結構可表示為其中，每條路徑中各個符號的個數為偶數。在樹的每一層，有Kp＝4條倖存路徑。在第一層，4個節點都是有效的，作為倖存節點。接下來，以節點-3為例，擴展它在第2層的子節點。根據縮減的樹的表示，只有節點-3和3是有效的。另外兩個節點直接丟棄，不再計算進行PED的更新和比較。同理，可對節點-1,1和3進行子節點擴展。擴展完成後，更新有效路徑的PED並選擇具有最小PED值的4條路徑作為候選路徑。這一操作逐層執行，直到樹的葉子節點層為止。最後，採用硬輸入或軟輸入的極化碼解碼器恢復原始信息比特。仿真結果與分析：在4×4的瑞利衰落MIMO信道中，K-best檢測及SCL解碼的倖存路徑數設為4。對於檢測器解碼器簡單級聯的基本SSD算法和提出的JDD算法，檢測和解碼之間不實施迭代。對於4-QAM調製系統，採用(8,4)的極化碼，不同算法的BER性能對比如圖3所示。其中，Uncoded曲線代表無信道編碼MIMO信道中K-best檢測的BER性能。由圖3可知，本發明提出的SSC解碼的JDD算法與SCL解碼的基本SSD算法具有基本一致的BER性能。採用SCL軟輸入解碼的JDD算法BER性能優於SCL解碼的基本SSD算法，在BER＝10-4處，SNR改善2dB左右。對於16-QAM調製系統，採用(16,8)的極化碼，JDD算法與基本的SDD算法的BER性能對比如圖4所示。同理可知，軟輸入SCL解碼的性能優於SSC解碼；提出的JDD算法性能優於基本的SDD算法。因此，對於不同的MIMO系統，只要合理選取天線配置和極化碼參數，提出的JDD算法的BER性能總是優於SDD算法。假定合理選取的極化碼的碼率為1/2。檢測器與解碼器簡單級聯的基本SSD算法與本發明提出的JDD算法的運算複雜度比較如表1所示。其中，PED.SCL和PED.COM分別代表PED的計算和比較次數。相比SDD算法，JDD算法樹形搜索的複雜度降低了50％左右。對於硬輸入的極化碼解碼，只需要執行複雜度為的二進位運算，可通過高效的硬體架構實現，提高系統吞吐率。對於軟輸入的極化碼解碼，SCL解碼需要大量的算術運算，計算複雜度為同時，SCL解碼將引入較大的解碼延時。結合仿真結果可知：在相同的條件下，相比SDD算法，提出的JDD算法能夠獲得更好的BER性能，同時降低了複雜度。表1：SDD與JDD算法的複雜度比較與現有極化解碼器想比，本發明結合極化碼的編碼特性，縮小了傳統K-best檢測中路徑搜索範圍，提出了一種低複雜度的聯合檢測解碼方法，將有效的路徑構成縮減的搜索樹，降低了路徑擴展及計算的複雜度，同時改善了系統的BER性能。硬輸入SSC解碼，降低了硬體實現的複雜度，提高了系統吞吐率。對於合理選取的天線配置及碼率為1/2的極化碼，本發明提出的JDD算法的複雜度相比基本SSD算法降低了50％左右。在BER性能要求較高的實際場景中，可採用軟輸入的JDD算法。在高吞吐率和低複雜度的實際場景中，採用硬輸入的JDD算法具有良好的應用前景。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp