專利名稱：一種基于預(yù)編碼的低復(fù)雜度的turbo均衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及克服碼間干擾(ISI)的Turbo均衡技術(shù)。

背景技術(shù)：
眾所周知，為了實現(xiàn)通信系統(tǒng)的可靠傳輸，接收機(jī)必須能夠根據(jù)某些信息估計出傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這些信息包括有關(guān)信道的參數(shù)和為了保護(hù)數(shù)據(jù)加入的冗余信息(糾錯碼)。用來解決信道ISI干擾的方法，稱之為均衡或檢測，而利用前向糾錯碼(FEC)從均衡后的數(shù)據(jù)中得到傳輸數(shù)據(jù)的方法，則稱之為譯碼。上述問題一般都是分開來單獨考慮，這種將原本相互依靠、關(guān)聯(lián)的兩個單元分開來單獨考慮的方法，必定會產(chǎn)生性能上的損失。而1995年杜伊拉德(Douillard C)在他的文章《碼間干擾的迭代消除技術(shù)turbo均衡》(Iterative correctionof intersymbol interferenceTurbo-Equalization)中首次提出了Turbo均衡(TE)，其主要貢獻(xiàn)就是找到了一種合適的方法(即復(fù)雜度不是很大)來聯(lián)合的考慮上述問題，完成均衡和譯碼任務(wù)，在性能和實現(xiàn)復(fù)雜度上找到了一個非常好的折中。在頻率選擇性信道條件下，消除信道帶來的碼間干擾(ISI)很關(guān)鍵，而一般情況下是將均衡和譯碼這兩個本來相關(guān)的部分分開來單獨實現(xiàn)，必然會造成性能損失。Turbo均衡的出現(xiàn)把均衡和譯碼聯(lián)合考慮從而很好的克服碼間干擾(ISI)。
后來關(guān)于TE中不同算法的研究層出不窮，主要集中提高性能和降低復(fù)雜度的研究上。對于串行級聯(lián)的TE(S-TE)，其性能隨迭代次數(shù)增加性能一直在提高，但是在前幾次迭代得到的性能增益不及并行級聯(lián)的TE，并行級聯(lián)的TE(P-TE)具有很好的收斂性能，但是其錯誤平臺現(xiàn)象比較嚴(yán)重，即到達(dá)一定迭代次數(shù)，再增加迭代都不會有性能改善了。因此聯(lián)合考慮S-TE和P-TE均衡算法，充分利用兩種算法的優(yōu)缺點成為研究重點。
在一般的Turbo均衡中，無論迭代次數(shù)如何增加，都不可能突破無ISI時的系統(tǒng)性能下限，但是在信號進(jìn)入信道之前進(jìn)行預(yù)編碼可以使得系統(tǒng)性能超過性能下限，并且，合理選擇預(yù)編碼器的編碼矩陣可以使得系統(tǒng)復(fù)雜度沒有任何增加。所以，在通過據(jù)外部信息轉(zhuǎn)移(EXIT)圖選擇S-TE和P-TE的迭代均衡方案中，如何降低復(fù)雜度以及通過引入預(yù)編碼器使得性能突破誤比特率(BER)下限就是本發(fā)明的研究內(nèi)容。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有碼間干擾的Turbo均衡技術(shù)存在復(fù)雜度高等問題，提供一種基于預(yù)編碼的低復(fù)雜度的turbo均衡方法，旨在降低基于預(yù)編碼的據(jù)外部信息轉(zhuǎn)移(EXIT)圖自適應(yīng)地選擇P-TE和S-TE的迭代均衡系統(tǒng)的復(fù)雜度，并通過適當(dāng)選擇合適的預(yù)編碼器實現(xiàn)在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下使得其性能超過無ISI時的性能下限。
本發(fā)明提出的基于預(yù)編碼的低復(fù)雜度的turbo均衡方法是 在通信系統(tǒng)發(fā)送端，信號編碼交織調(diào)制之后，采用預(yù)編碼技術(shù)，經(jīng)過ISI信道后輸出信號表達(dá)式為其中，

為經(jīng)過預(yù)編碼器之后的符號，為了保證預(yù)編碼器不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，必須使得預(yù)編碼器長度小于等于信道記憶長度，h[n]為已知的信道狀態(tài)信息，M為信道記憶長度，w[n]表示信道噪聲；在接收端，根據(jù)均衡器與譯碼器的EXIT圖在不同信噪比和迭代次數(shù)自適應(yīng)地選擇P-TE和S-TE方案，其中，采用降低系統(tǒng)復(fù)雜度的均衡算法；在均衡器之間或者均衡器和譯碼器之間迭代傳遞外部信息，迭代過程中經(jīng)過交織器和解交織器，最后當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)要求迭代次數(shù)或者性能達(dá)到要求時，停止迭代，由譯碼器判決得到最終輸出信息序列。
所采用的降低系統(tǒng)復(fù)雜度的均衡算法是以下所述的改進(jìn)的Max-log-MAP均衡算法(I-MLM) MAP(最大后驗概率)算法是通過計算估計出信道輸入比特xn，使得錯誤概率最小，也就是(SL是x的取值空間)，其中y為接受序列，

為估計序列； 定義對數(shù)似然比其中s，s′分別為本時刻狀態(tài)和下一時刻的狀態(tài)，對前向遞歸向量，后向遞歸向量及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的定義得到其中，N為序列長度，判決規(guī)則為 在均衡器和譯碼器之間迭代信息時，將L(xn|y)分解為外部信息LE(xn|y)和先驗信息L(xn)，迭代過程中只迭代外部信息LE(xn|y)； Log-MAP算法是MAP算法的一種轉(zhuǎn)換形式，實現(xiàn)要比MAP算法簡單；為推導(dǎo)Log-MAP算法，需要把MAP算法中的變量都轉(zhuǎn)化為對數(shù)的形式，從而把乘法運算都轉(zhuǎn)化為加法運算，即并且前后向遞歸向量遞推公式變?yōu)?


其中由雅克比(Jacobian)對數(shù)等式log(ex+ey)＝max(x，y)+log(1+e-|x-y|)得到

故后驗概率L(xn|y)可表示為
而Max-Log-MAP算法是將MAP算法中雅克比對數(shù)等式中的log(1+e-|x-y|)忽略不計，即令

故Max-Log-MAP算法相對于Log-MAP算法降低了復(fù)雜度，但同時也使得性能有所損失； 改進(jìn)的Max-log-MAP均衡算法(I-MLM)是省略階數(shù)大于1的項，根據(jù)馬克勞林級數(shù)擴(kuò)展公式另外由于log(1+e-|x-y|)必定為大于零的值，所以可得

因為該算法省略的階數(shù)大于1的項的數(shù)值很小，對系統(tǒng)性能影響很小，但通過簡單的加法和比較運算就能夠?qū)崿F(xiàn)，很大程度地降低了對數(shù)指數(shù)計算帶來的復(fù)雜度。
因此改進(jìn)的Max-log-MAP均衡算法是一種可行的算法，既可以很大程度上降低Log-MAP算法中對數(shù)算式帶來的復(fù)雜度，又能得與Log-MAP算法幾乎一致的性能，但比Max-Log-MAP算法的性能提高了很多。
本發(fā)明根據(jù)EXIT圖自適應(yīng)地選擇P-TE和S-TE的迭代均衡，在此框架下降低系統(tǒng)的算法實現(xiàn)復(fù)雜度，并且通過使用不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的預(yù)編碼器打破無ISI信道條件下的BER下限?？梢越档拖到y(tǒng)的復(fù)雜度，并且其系統(tǒng)性能可以超過無ISI信道下同樣編譯碼條件的誤比特率下限。通過采用降低復(fù)雜度的均衡算法和預(yù)編碼技術(shù)，得到與最優(yōu)最大后驗概率(MAP)均衡算法基本一致的性能，在高性噪比時由于預(yù)編碼器的作用使得系統(tǒng)性能超過了在無ISI條件下的系統(tǒng)性能界，并且通過適當(dāng)?shù)剡x取預(yù)編碼器可以使得系統(tǒng)復(fù)雜度沒有任何增加。



圖1為本發(fā)明加入預(yù)編碼的基于EXIT圖的自適應(yīng)turbo均衡系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖。
圖2為預(yù)編碼器結(jié)構(gòu)圖。
圖3為P-TE和S-TE的EXIT圖。
圖4為本發(fā)明的均衡方法與現(xiàn)有方法的BER性能比較。

具體實施例方式 采用并行2路ISI信道為例說明本發(fā)明的turbo均衡方法，系統(tǒng)模型如圖1。表達(dá)式為 ① ② 其中h1[n]和h2[n]為兩路信道響應(yīng)，在仿真中采用h1[n]＝h2[n]＝
，M1和M2為對應(yīng)信道的記憶長度，

為輸入編碼數(shù)據(jù)，

為經(jīng)過交織器后的編碼數(shù)據(jù)流，假設(shè)每個信道的加性高斯白噪聲由wi[n]表示，且每個信道的噪聲是互不相關(guān)的；對于預(yù)編碼器，當(dāng)其長度小于或等于信道長度時，不會增加系統(tǒng)復(fù)雜度，因此采用的預(yù)編碼器結(jié)構(gòu)如圖2。
預(yù)編碼器的編碼結(jié)構(gòu)為cn為預(yù)編碼器的輸入數(shù)據(jù)流。該結(jié)構(gòu)不會增加系統(tǒng)復(fù)雜度，但能夠使系統(tǒng)性能超過BER下限。
采用基于EXIT圖選擇P-TE和S-TE的迭代均衡方案，例如在信噪比為4db時的EXIT圖如圖3。在不同的SNR和迭代次數(shù)的情況下，根據(jù)相應(yīng)的EXIT圖來合理的選擇不同的迭代方法(P-TE或S-TE)，以得到好的BER性能。
另外，采用前面介紹的改進(jìn)Max-log-MAP均衡算法(I-MLM)，該算法可以很大程度上地降低復(fù)雜度，但是對性能影響不大，其性能與采用log-MAP算法的最優(yōu)性能幾乎一致。
本發(fā)明的優(yōu)點是采用根據(jù)EXIT圖自適應(yīng)地選擇P-TE和S-TE的迭代均衡，在此基礎(chǔ)上降低其系統(tǒng)的算法實現(xiàn)復(fù)雜度，并且通過使用不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的預(yù)編碼器打破無ISI信道條件下的BER下限。下表中以每個符號每次迭代所需要進(jìn)行的加法、乘法等運算次數(shù)為依據(jù)比較了本發(fā)明中的自適應(yīng)迭代均衡方法中I-MLM算法與傳統(tǒng)算法(MAP和MMSE)的復(fù)雜度。

圖4中給出了本發(fā)明與不使用預(yù)編碼器的I-MLM方案以及原來MMSE方案的BER性能比較，圖中的新方案指本發(fā)明的均衡方法。由性能比較可以得出在信噪比為4.3dB之前，未使用預(yù)編碼器的自適應(yīng)迭代方案性能比使用預(yù)編碼的方案性能好，但是4.3dB之后預(yù)編碼器的作用明顯地體現(xiàn)出來，比未使用預(yù)編碼器的性能好，而且超過了無ISI時的BER下限。因此，本發(fā)明提出在此系統(tǒng)中可以使用預(yù)編碼與非預(yù)編碼的混合方案(即4.3dB前使用非預(yù)編碼的I-MLM算法，4.3dB后使用有預(yù)編碼的I-MLM算法)，使得在低信噪比和高信噪比時系統(tǒng)性能均有提高。
權(quán)利要求
1.一種基于預(yù)編碼的低復(fù)雜度的turbo均衡方法，其特征是
在通信系統(tǒng)發(fā)送端，信號編碼交織調(diào)制之后，采用預(yù)編碼技術(shù)，經(jīng)過ISI信道后輸出信號表達(dá)式為其中，
為經(jīng)過預(yù)編碼器之后的符號，為了保證預(yù)編碼器不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，必須使得預(yù)編碼器長度小于等于信道記憶長度，h[n]為已知的信道狀態(tài)信息，M為信道記憶長度，w[n]表示信道噪聲；在接收端，根據(jù)均衡器與譯碼器的EXIT圖在不同信噪比和迭代次數(shù)自適應(yīng)地選擇P-TE和S-TE方案，其中，采用降低系統(tǒng)復(fù)雜度的均衡算法；在均衡器之間或者均衡器和譯碼器之間迭代傳遞外部信息，迭代過程中經(jīng)過交織器和解交織器，最后當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)要求迭代次數(shù)或者性能達(dá)到要求時，停止迭代，由譯碼器判決得到最終輸出信息序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于預(yù)編碼的低復(fù)雜度的turbo均衡方法，其特征是所采用的降低系統(tǒng)復(fù)雜度的均衡算法是以下所述的改進(jìn)的Max-log-MAP均衡算法
MAP算法是通過計算估計出信道輸入比特xn，使得錯誤概率最小，也就是(SL是x的取值空間)，其中y為接受序列，
為估計序列；
定義對數(shù)似然比其中s，s′分別為本時刻狀態(tài)和下一時刻的狀態(tài)，對前向遞歸向量，后向遞歸向量及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的定義得到其中，N為序列長度，判決規(guī)則為
在均衡器和譯碼器之間迭代信息時，將L(xn|y)分解為外部信息LE(xn|y)和先驗信息L(xn)，迭代過程中只迭代外部信息LE(xn|y)；
Log-MAP算法是MAP算法的一種轉(zhuǎn)換形式，實現(xiàn)要比MAP算法簡單；為推導(dǎo)Log-MAP算法，需要把MAP算法中的變量都轉(zhuǎn)化為對數(shù)的形式，從而把乘法運算都轉(zhuǎn)化為加法運算，即并且前后向遞歸向量遞推公式變?yōu)?br> 其中由雅克比(Jacobian)對數(shù)等式log(ex+ey)＝max(x，y)+log(1+e-|x-y|)得到
故后驗概率L(xn|y)可表示為
Max-Log-MAP算法是將MAP算法中雅克比對數(shù)等式中的log(1+e-|x-y|)忽略不計，即令
故Max-Log-MAP算法相對于Log-MAP算法降低了復(fù)雜度，但同時也使得性能有所損失；
改進(jìn)的Max-log-MAP均衡算法是省略階數(shù)大于1的項，根據(jù)馬克勞林級數(shù)擴(kuò)展公式另外由于log(1+e-|x-y|)必定為大于零的值，所以可得
因為該算法省略的階數(shù)大于1的項的數(shù)值很小，對系統(tǒng)性能影響很小，但通過簡單的加法和比較運算就能夠?qū)崿F(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于預(yù)編碼的低復(fù)雜度的turbo均衡方法。在通信系統(tǒng)發(fā)送端，信號編碼交織調(diào)制之后，采用預(yù)編碼技術(shù)，經(jīng)過IS工信道后輸出信號表達(dá)式為y[n]=∑Mk=0h[k]c~[n-k]+w[n]；在接收端，根據(jù)均衡器與譯碼器的EXIT圖在不同信噪比和迭代次數(shù)自適應(yīng)地選擇P-TE和S-TE方案，采用降低系統(tǒng)復(fù)雜度的均衡算法；在均衡器之間或者均衡器和譯碼器之間迭代傳遞外部信息，迭代過程中經(jīng)過交織器和解交織器，最后當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)要求迭代次數(shù)或者性能達(dá)到要求時，停止迭代，由譯碼器判決得到最終輸出信息序列。本發(fā)明可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且其系統(tǒng)性能可以超過無ISI信道下同樣編譯碼條件的誤比特率下限。
文檔編號H04L25/03GK101272363SQ20081001578
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者袁東風(fēng), 韓雙雙 申請人:山東大學(xué)