專利名稱：實現多天線干擾信號分離的譯碼方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種實現多天線干擾信號分離的譯碼方法及裝置。
背景技術：
Internet和移動通信的高速發(fā)展表明高速的無線數據業(yè)務存在潛在的巨大需求。多發(fā)多收的天線陣列(MIMO)能有效提高信道的頻譜利用率。但是在MIMO結構中要實現高速的數據傳輸(BLAST)就必然因為信號干擾而降低系統的可靠性，同時要實現數據傳輸的可靠性必然因為引入空時相關(STBC)而降低系統的高速有效性。因此，信道編碼和MIMO空時分層級聯的結構能從可靠性和有效性兩方面獲得好處。
現有的Turbo編碼由于其近香農限的優(yōu)異性能而被廣泛采用，而采用次優(yōu)的、迭代的軟譯碼方式不僅能有效降低復雜度，而且可以和其他技術通過軟信息級聯。
在傳統的Turbo-MIMO結構中，目前大都將接收端分為空時干擾檢測和Turbo譯碼兩個部分級聯，如圖2所示。其中，干擾檢測一般采用空時譯碼(比如STBC)或空時分層(比如BLAST)譯碼，然后正交STBC需要空間和時間兩維相關性來保證空時碼字的正交性，降低了信道利用率，而且碼率不為1的編碼造成了頻帶的浪費。
另外，BLAST分層譯碼一般采用基于ZF(迫零)或MMSE(最小均方誤差)準則實現干擾檢測，且要求接收天線數目至少和發(fā)送天線數目相同，因而約束了MIMO的特點且干擾檢測的性能不佳。因此在級聯處理的結構中，干擾檢測的性能對Turbo譯碼的性能影響很大，使接收機的性能受限于干擾檢測的性能，限制了Turbo軟信息譯碼的優(yōu)點。
因此，現有的MIMO系統中采用的譯碼方法無法保證良好的譯碼性能。

發(fā)明內容
鑒于上述現有技術所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種實現多天線干擾信號分離的譯碼方法及裝置，實現干擾信號分離和信息譯碼，從而有效提高無線通信系統的譯碼性能。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的本發(fā)明提供了一種實現多天線接收信號譯碼方法，包括A、對經由各路接收天線接收的包含干擾信號的接收信號分別經過多路迭代譯碼處理；B、分別對迭代譯碼處理后的各信息比特的似然概率比進行合并平均處理，獲得各路天線的譯碼后的信息比特的似然概率比。
所述的步驟A包括根據編碼格狀圖的分支度量值計算獲得各個信息比特的似然概率比，所述的分支度量值定義為γi(ym，k1，H，s′，s)，其中ym,k1=[ym,ksym,kp1],]]>H=[Ehm,1,kj,Ihm,2,kj,...,Ihm,N,kj](j=s,p1),]]>s′，s表示編碼格狀圖中一個分支的前后狀態(tài)；而且，γi(ym，k1，H，s′，s)中與ym，k1和H有關的因子為(sm,ks|d1,k=i,Ehm,1,ks,Ihm,1,ks,...,Ihm,N,ks)]]>==C·exp(2ym,ksN0Es(2d1,k-1))·INs(d1,k),]]>其中，C是常數，
=Σl=1D/2e-wj2Ehm,1,ks·N0cosh(2(ym,ks-Ehm,1,ks·Es(2d1,k-1))·wlEhm,1,ks·N0),]]>其中，cosh(x)＝(ex+e-x)/2。
所述的步驟A還包括A1、對迭代譯碼過程的外部信息進行合并，獲得下一次迭代譯碼過程中需要的先驗信息。
所述的步驟A1包括所述的下次迭代譯碼過程中的每根接收天線的先驗信息為Λ1,a1(dn,k)=...=ΛM,a1(dn,k)=π-1[1MΣm=1MΛm,e2(dn,k)];]]>式中，Λm，a1(dn，k)表示第m根接收天線的第1分量譯碼器的先驗信息，Λm，e2(dn，k)表示第m根接收天線的第2分量譯碼器產生的外部信息，π-1表示解交織。
所述的步驟B包括各路接收天線接收的信號譯碼處理后獲得的平均似然概率比LLRn，k為LLR‾n,k=1MΣm=1MLLRm,n,k,]]>式中，LLRm，n，k是關于系統信息dn，k的似然概率比。
本發(fā)明所述的方法還包括可以通過以下方式進行接收信號的量化處理d^n,k=1,]]>條件是LLRn，k＞0，d^n,k=0,]]>條件是LLRn，k＜0。
本發(fā)明還提供了一種實現多天線接收信號譯碼裝置，包括
一組新迭代譯碼器分別與一組接收天線連接，用于直接接收各接收天線接收的帶干擾的信號，并對各信號進行相應的迭代譯碼處理，處理結果輸出到平均處理模塊；外部信息合并選擇模塊用于對各個新迭代譯碼器譯碼過程中的外部信息進行合，并處理獲得相應的先驗信息，所述的先驗信息應用于迭代譯碼處理過程；一組平均處理模塊每個平均處理模塊分別與一組新迭代譯碼器的輸出連接，用于對各個新迭代譯碼器譯碼處理結果進行平均處理，獲得各路接收信號的LLR值。
所述的新迭代譯碼器具體包括一組新迭代譯碼算法模塊，分別用于對接收信號進行迭代譯碼處理，并分別將處理結果輸出到各個平均處理模塊。
所述的外部信息合并選擇模塊具體包括和平均處理模塊用于將各個新迭代譯碼算法模塊中第2分量譯碼器的輸出的外部信息合并后進行平均處理，相應的處理結果作為各個新迭代譯碼算法模塊中的第1分量譯碼器的先驗信息。
由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明提供的將干擾信號檢測和信道譯碼聯合處理的方法在性能上明顯優(yōu)于傳統的級聯處理方法，而且能充分利用多發(fā)送天線來提高頻譜利用率、多接收天線提供接收分集增益以及Turbo編碼提供信息的可靠性，從而保證了MIMO系統中的譯碼性能。


圖1為系統發(fā)送端結構示意圖；圖2為現有技術中接收端結構示意圖；圖3為本發(fā)明中接收端結構框圖；
圖4為Turbo編碼器結構示意圖；圖5為Turbo迭代譯碼原理示意圖；圖6為圖3中第m接收天線的新迭代譯碼器結構示意圖；圖7為圖2中外部信息沒有合并的處理過程示意圖；圖8為圖3中外部信息合并的處理過程示意圖。
具體實施例方式
在傳統的Turbo信道編碼和多天線結構相結合的系統中，通常在接收端分成多天線干擾信號檢測和Turbo信道譯碼級聯處理。
從信息理論的觀點，進入Turbo譯碼器的信息已經因為干擾信號檢測而導致部分損失，因而最終得出的譯碼結果將影響整個系統的性能。而且傳統的MIMO干擾信號檢測方法在實現上存在一些限制，比如STBC(空時分組碼)的空時碼字對發(fā)送天線數目和發(fā)送時隙數目有約束，BLAST(空時分層碼)的接收天線數目至少和發(fā)送天線數目相同，因而限制了MIMO結構的特點而顯得不夠靈活。
基于上述原因，本發(fā)明提出了在MIMO(多天線結構)中實現干擾信號分離的Turbo信道軟譯碼算法。
本發(fā)明是在MIMO結構中引入Turbo信道編碼，在接收機中將干擾信號檢測和信道譯碼聯合起來作為一個整體，同步實現有效信號的分離和信息譯碼功能，對發(fā)送天線、發(fā)送時隙以及接收天線都沒有限制要求，而且多接收天線不僅對判決似然比提供分集增益，還能夠對Turbo譯碼每次迭代的外部信息提供分集增益，進一步提高接收機性能。
實驗證明本發(fā)明提供的聯合處理方法在性能上明顯優(yōu)于傳統的級聯處理方法，而且能充分利用多發(fā)送天線來提高頻譜利用率、多接收天線提供接收分集增益以及Turbo編碼提供信息的可靠性。
也就是說，本發(fā)明提出了在Turbo-MIMO結構中聯合干擾信號分離和Turbo信道譯碼的接收機算法。該算法對MIMO結構的發(fā)送天線數目、接收天線數目以及發(fā)送時隙數目沒有限制性的約束。
具體的處理方式為根據干擾信號模型的特點，修正傳統的BCJR譯碼算法，Turbo信道譯碼的同時實現干擾信號分離。同時，這種算法能夠使多接收天線的分集增益和Turbo迭代軟信息譯碼充分接合，使每次迭代過程都能獲得分集增益的好處，進而提高接收機的整體性能。
因此，本發(fā)明提供的Turbo-MIMO結構具有靈活的設置結構，充分利用多發(fā)送天線的高頻譜利用率、多接收天線的接收分集增益以及Turbo信道編碼的編碼增益。試驗證明這種接收機算法在性能上要明顯優(yōu)于現有文獻中記錄的級聯處理方法。
為清楚表述本發(fā)明，下面將以一個Turbo幀的傳輸情況為例對本發(fā)明的具體實現方式進行說明。
首先，對本發(fā)明中涉及的一些參數進行說明，具體如下1、MIMO天線陣列有N根發(fā)送天線和M根接收天線。
2、Turbo編碼器參數，碼率為1/3，隨機交織器，并行級聯結構(PCCC)，如圖3。信息比特dn，k(n＝1，2，...，N k＝1，2，...，NI，NI表示交織長度)編碼為cn,k=cn,kscn,kp1cn,kp2,]]>其中s、p1和p2分別表示系統信息比特、第1校驗比特和第2校驗比特。
本發(fā)明中，所采用的系統發(fā)送端結構如圖1所示，本發(fā)明提供的系統接收端結構如圖3所示，圖3中的新迭代譯碼器(即Turbo的迭代譯碼)的結構如圖5所示。
在接收端，第m(1≤m≤M)根接收天線接收信號為
rm,kj=Σn=1Nhm,n,kj·xn,kj+nm,kj---(j=s,p1,p2)---(1)]]>其中，hm，n，kj表示發(fā)送天線n和接收天線m間的復衰落增益，nm，kj表示高斯分量，xn,kj=2cn,kj-1]]>(BPSK符號)；rm=[rm,1,rm,2,...,rm,NI]]]>(rm,k=rm,ksrm,kp1rm,kp2)]]>同時直接送入N個采用新迭代譯碼算法的譯碼器，如圖6所示。
下面首先對本發(fā)明所述的裝置的結構結合附圖進行描述。
如圖3所示，本發(fā)明所述的系統具體包括一組新迭代譯碼器分別與一組接收天線連接，用于直接接收各接收天線接收的帶干擾的信號，并對各信號進行相應的迭代譯碼處理，處理結果輸出到平均處理模塊；外部信息合并選擇模塊用于對各個新迭代譯碼器譯碼過程中的外部信息進行合，并處理獲得相應的先驗信息，所述的先驗信息應用于迭代譯碼處理過程一組平均處理模塊每個平均處理模塊分別與一組新迭代譯碼器的輸出連接，用于對各個新迭代譯碼器譯碼處理結果進行平均處理，獲得各路接收信號的LLR值。。
在圖3中，所述的新迭代譯碼器的結構具體包括一組新迭代譯碼算法模塊，如圖6所示，第1個新迭代譯碼算法模塊，第2個新迭代譯碼算法模塊，……，第N個新迭代譯碼算法模塊，分別用于對接收信號進行迭代譯碼處理，并分別將處理結果輸出到各個平均處理模塊。
在圖3中，所述的外部信息合并選擇模塊的具體結構如圖8所示，包括和平均處理模塊用于將各個新迭代譯碼算法模塊中第2分量譯碼器的輸出的外部信息合并后進行平均處理，相應的處理結果作為各個新迭代譯碼算法模塊中的第1分量譯碼器的先驗信息。
在圖8中，所述的第1分量譯碼器用于對接收的帶干擾的信號(包括系統信息比特的信號和第1校驗比特信號)根據先驗信息進行迭代譯碼處理，相應的處理結果經交織器交織處理后作為第2分量譯碼器的第1先驗信息；所述的第2分量譯碼器用于根據所述的第1先驗信息對帶干擾的信號(包括系統信息比特的信號和第2校驗比特信號)進行迭代譯碼處理，相應的處理結果經解交織器解交織處理后，作為判決輸入，同時，還將未進行解交織處理的外部信息輸入到和平均處理模塊，以便于處理獲得相應的先驗信息。
下面再以第1根天線d1，k的迭代軟信息譯碼過程為例對本發(fā)明所述的方法的具體實現方式進行詳細的說明。
本發(fā)明中，所述的接收機的處理具體可以分為四個步驟步驟1利用理想的信道估計，在Turbo譯碼前糾正信道引入的相位旋轉，即 =|hm,1,kj|2·x1,kj+Σn=2N(hm,1,kj)*hm,n,kj·xn,kj+(hm,1,kj)*nm,kj]]> (2)ym，kj為糾正x1，kj信道相位后的干擾信號，該信號作為直接輸入新迭代譯碼算法的參數；ym,k1=[ym,ksym,kp1]]]>來源于迭代譯碼過程中的第1分量譯碼器，第1，2分量譯碼器的輸入信號分別來源于ym，1sym，1p1ym，1p2…ym，ksym，kp1ym，kp2…ym，NIsym，NIp1ym，NIp2，其中ym，1sym，1p1…ym，ksym，kp1…ym，NIsym，NIp1作為第1分量譯碼器的輸入；ym，1sym，1p2…ym，ksym，kp2…ym，NIsym，NIp2作為第2分量譯碼器的輸入。
步驟2利用新迭代譯碼算法對包含干擾的信號進行迭代譯碼處理；
現有的迭代譯碼結構如圖4所示，且第1分量譯碼器和第2分量譯碼器完全相同。這里，以第1分量譯碼器的為例對引入干擾信號的譯碼過程進行說明。Turbo譯碼輸出信息的LLR(對數似然比值)，則第m根接收天線的第n根發(fā)送天線關于第k信息比特的LLR定義如下LLRm,n,k=logPr(dn,k=1|rn)Pr(dn,k=0|rm)---(3)]]>根據現有的LLR的計算方式可知，為獲得LLRm，n，k，本質就是求解編碼格狀圖的分支度量值，本發(fā)明中相應的分支度量值定義為γi(ym，k1，H，s′，s)，其中，ym,k1=[ym,ksym,kp1],]]>H=[Ehm,1,kj,Ihm,2,kj,...,Ihm,N,kj](j=s,p1),]]>s′，s表示編碼格狀圖中一個分支的前后狀態(tài)。
其中，γi(ym，k1，H，s′，s)中與ym，k1和H有關的因子為p(ym,k1|d1,k=i,H,Sk=s′,Sk-1=s)=]]>p(ym,ks|d1,k=i,Ehm,1,ks,Ihm,1,ks,...,Ihm,N,ks)---(4a);]]> 式中，p(·/·)表示條件概率，由于公式(4a)和(4b)的計算過程相同，所述的(4a)為p(ym,ks|d1,k=i,Ehm,1,ks,Ihm,1,ks,...,Ihm,N,ks)]]> 式中，φ()是高斯概率密度分布函數，μ=Ehm,1,ks·Es(2d1,k-1)+Σn=2NIhm,n,ks·xn,ks]]>和σ2=Ehm,1,ks·N0/2]]>分別表示均值和方差；因為 有D＝2N-1種等概狀態(tài)，則p(x2,ks,...,xN,ks)=1/D,]]>令 有w1＝-wD，w2＝-wD-1，...，wD/2＝-wD/2+1；則式(5)可以化簡為p(ym,ks|d1,k=i,Ehm,1,ks,Ihm,1,ks,...,Ihm,N,ks)]]>==C·exp(2ym,ksN0Es(2d1,k-1))·INs(d1,k)---(6)]]>其中，C是常數，第二項和BCJR基本算法是一致的，第三項就是干擾信號引入的一個修正量，有下面定義 =Σl=1D/2e-wj2Ehm,1,ks·N0cosh(2(ym,k2-Ehm,1,ks·Es(2d1,k-1))·wlEhm,1,ks·N0)---(7)]]>這里，cosh(x)＝(ex+e-x)/2；因此，經過上述的推導計算最終可以獲得本發(fā)明我的分支度量值γi(ym，k1，H，s′，s)，從而也就可以計算出相應的LLRm，n，k值。
步驟3對迭代過程的外部信息進行合并，獲得合并分集；外部信息是迭代譯碼重要的特征，在迭代過程中能提高LLRm，n，k的判決性能，所述的外部信息通過下式得到Λm，e(dn，k)＝LLRm，n，k-Λm，a(dn，k)(8)Λm，a(dn，k)是先驗概率，初始值可設為0，進行迭代譯碼后，前一次迭代產生的外部信息Λm，e(dn，k)可以作為下次迭代的先驗信息Λm，a(dn，k)。
現有Turbo-MIMO的接收端結構如圖2中，每個分支的迭代譯碼產生的外部信息如圖7所示的處理。而在本發(fā)明提出的接收端結構如圖3所示，每根接收天線的每次迭代譯碼產生的外部信息可以相互利用，達到接收分集的效果，如圖8所示，則下次迭代的每根接收天線的先驗信息為Λ1,a1(dn,k)=...=ΛM,a1(dn,k)=π-1[1MΣm=1MΛm,e2(dn,k)]---(9)]]>式中，Λm，a1(dn，k)表示第m根接收天線的第1分量譯碼器的先驗信息，Λm，e2(dn，k)表示第m根接收天線的第2分量譯碼器產生的外部信息，π-1表示解交織。
步驟4信息比特的似然概率比LLR合并平均；LLRm，n，k是第m根接收天線關于信息比特dn，k的可靠性參數，現有結構如圖2所示每個分支產生的LLRm，n，k直接量化；而本發(fā)明提出的結構如圖3所示，則可以通過多接收天線的LLRm，n，k同時對信息比特dn，k進行可靠性校正如圖3，即通過下式進一步提高dn，k的可靠性，圖3中接收信號的平均似然概率比LLRn，k的計算方式如下LLR‾n,k=1MΣm=1MLLRm,n,k---(10)]]>式中，LLRm，n，k是關于系統信息dn，k的似然概率比。本發(fā)明中，具體可以通過以下方式進行接收信號的量化處理d^n,k=1ifLLR‾n,k>0]]>d^n,k=0ifLLR‾n,k<0---(11)]]>本發(fā)明中，分集效果以及性能的提高就體現在LLRn，k的合并平均。
從算法中可以看出，系統發(fā)送端類似于BLAST分層結構，取代傳統的BLAST干擾檢測，這里采用從Turbo譯碼的角度同時實現干擾消除和信道譯碼。多接收天線不僅可以對每次迭代譯碼外部信息進行合并分集，也可以對譯碼輸出的LLR進行合并平均，達到多接收天線的接收分集效果。
綜上所述，將干擾信號檢測和信道譯碼聯合處理的方法在性能上明顯優(yōu)于傳統的級聯處理方法，而且能充分利用多發(fā)送天線來提高頻譜利用率、多接收天線提供接收分集增益以及Turbo編碼提供信息的可靠性，從而保證了MIMO系統中的譯碼性能。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種實現多天線接收信號譯碼方法，其特征在于，包括A、對經由各路接收天線接收的包含干擾信號的接收信號分別經過多路迭代譯碼處理；B、分別對迭代譯碼處理后的各信息比特的似然概率比進行合并平均處理，獲得各路天線的譯碼后的信息比特的似然概率比。
2.根據權利要求1所述的實現多天線干擾信號分離的譯碼方法，其特征在于，所述的步驟A包括根據編碼格狀圖的分支度量值計算獲得各個信息比特的似然概率比，所述的分支度量值定義為γi(ym，k1，H，s′，s)，其中ym,k1=[ym,kxym,kp1],H=[Ehm,1,kj,Ihm,2,kj,···,Ihm,N,kJ](j=s,p1),]]>s′，s表示編碼格狀圖中一個分支的前后狀態(tài)；而且，γi(ym，k1，H，s′，s)中與ym，k1和H有關的因子為p(ym,ks|d1,k=i,Ehm,1,ks,Ihm,1,ks,···,Ihm,N,ks)]]>==C·exp(2ym,ksN0Es(2d1,k-1))·INs(dl,k),]]>其中，C是常數， =Σl=1D/2e-wj2Ehm,1,kx·N0cosh2(ym,ks-Ehm,1,ksEs(2d1,k-1))·w1Ehm,1,ks·N0,]]>其中，cosh(x)＝(ex+e-x)/2。
3.根據權利要求1或2所述的實現多天線干擾信號分離的譯碼方法，其特征在于，所述的步驟A還包括A1、對迭代譯碼過程的外部信息進行合并，獲得下一次迭代譯碼過程中需要的先驗信息。
4.根據權利要求3所述的實現多天線干擾信號分離的譯碼方法，其特征在于，所述的步驟A1包括所述的下次迭代譯碼過程中的每根接收天線的先驗信息為Λ1,a1(dn,k)=···=ΛM,a1(dn,k)=π-1[1MΣm=1MΛm,e2(dn,k)];]]>式中，Λm，a1(dn，k)表示第m根接收天線的第1分量譯碼器的先驗信息，Λm，e2(dn，k)表示第m根接收天線的第2分量譯碼器產生的外部信息，π-1表示解交織。
5.根據權利要求4所述的實現多天線干擾信號分離的譯碼方法，其特征在于，所述的步驟B包括各路接收天線接收的信號譯碼處理后獲得的平均似然概率比LLRn，k為LLR‾n,k=1MΣm=1MLLRm,n,k,]]>式中，LLRm，n，k是關于系統信息dn，k的似然概率比。
6.根據權利要求5所述的實現多天線干擾信號分離的譯碼方法，其特征在于，該方法還包括可以通過以下方式進行接收信號的量化處理d^n,k=1,]]>條件是LLRn，k＞0，d^n,k=0,]]>條件是LLRn，k＜0。
7.一種實現多天線接收信號譯碼裝置，其特征在于，包括一組新迭代譯碼器分別與一組接收天線連接，用于直接接收各接收天線接收的帶干擾的信號，并對各信號進行相應的迭代譯碼處理，處理結果輸出到平均處理模塊；外部信息合并選擇模塊用于對各個新迭代譯碼器譯碼過程中的外部信息進行合，并處理獲得相應的先驗信息，所述的先驗信息應用于迭代譯碼處理過程；一組平均處理模塊每個平均處理模塊分別與一組新迭代譯碼器的輸出連接，用于對各個新迭代譯碼器譯碼處理結果進行平均處理，獲得各路接收信號的LLR值。
8.根據權利要求7所述的實現多天線接收信號譯碼裝置，其特征在于，所述的新迭代譯碼器具體包括一組新迭代譯碼算法模塊，分別用于對接收信號進行迭代譯碼處理，并分別將處理結果輸出到各個平均處理模塊。
9.根據權利要求7或8所述的實現多天線接收信號譯碼裝置，其特征在于，所述的外部信息合并選擇模塊具體包括和平均處理模塊用于將各個新迭代譯碼算法模塊中第2分量譯碼器的輸出的外部信息合并后進行平均處理，相應的處理結果作為各個新迭代譯碼算法模塊中的第1分量譯碼器的先驗信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現多天線接收信號譯碼方法及裝置。本發(fā)明的核心包括首先，對經天線接收的包含干擾信號的接收信號直接進行迭代譯碼處理；然后，對迭代譯碼處理后的各信息比特的似然概率進行合并平均處理，獲得各個天線的譯碼后的信息比特的似然概率比，而且，在迭代譯碼過程中還進行外部信息合并，以獲得下一次迭代譯碼過程中需要的先驗信息。因此，本發(fā)明提供的將干擾信號檢測和信道譯碼聯合處理的方法在性能上明顯優(yōu)于傳統的級聯處理方法，而且能充分利用多發(fā)送天線來提高頻譜利用率、多接收天線提供接收分集增益以及Turbo編碼提供信息的可靠性，從而保證了MIMO系統中的譯碼性能。
文檔編號H04L1/06GK1921343SQ20051009305
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權日2005年8月25日
發(fā)明者胡旸, 尹長川, 樂光新, 羅濤, 劉丹譜, 郝建軍, 紀紅 申請人:北京郵電大學