Ldpc調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種LDPC調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法，屬于編碼調(diào)制【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明提出了一種基于UMP-BP算法的簡化迭代解調(diào)/解碼方案并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。發(fā)明首先根據(jù)推廣互信息最大化原則對(duì)解調(diào)器輸出的初始信道LLR進(jìn)行優(yōu)化；并且在迭代過程中，根據(jù)匹配LLR信息應(yīng)滿足的連續(xù)性條件，對(duì)LDPC碼的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)按照UMP-BP算法輸出的LLR值進(jìn)行優(yōu)化。該優(yōu)化方案使得對(duì)初始信道信息非常敏感的接收機(jī)可獲取更可靠的初始迭代信息，并且可提高校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出LLR信息的準(zhǔn)確性，從而提高LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)迭代接收機(jī)的性能。該發(fā)明為LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)提供了一種運(yùn)算復(fù)雜度較低且性能較優(yōu)的迭代接收優(yōu)化方案。
【專利說明】LDPC調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種LDPC調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法，屬于編碼調(diào)制

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 各種通信系統(tǒng)中，傳輸比特受信道隨機(jī)噪聲的影響而產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤。理論和實(shí)踐 證明，通過引入冗余度來提供傳輸可靠性的糾錯(cuò)編碼方法是一類行之有效的手段。而近年 來引入的Turbo碼和低密度校驗(yàn)（Low-Density Parity-Check, LDPC)碼是至今發(fā)現(xiàn)的糾錯(cuò) 能力最強(qiáng)的編碼方案之一。相比于Turbo碼而言，LDPC碼的設(shè)計(jì)更為靈活，LDPC碼解碼算 法的全并行結(jié)構(gòu)使得設(shè)計(jì)高吞吐率的LDPC解碼器更容易。因此，未來通信系統(tǒng)中有關(guān)信道 編碼的標(biāo)準(zhǔn)化大都選用LDPC碼。
[0003] 由于LDPC碼的靈活性和有效性，基于LDPC碼的編碼調(diào)制系統(tǒng)正成為一個(gè)重要的 研宄方向。比特交織編碼調(diào)制（BICM)通過將糾錯(cuò)編碼、比特級(jí)的交織器和高階調(diào)制串行級(jí) 聯(lián)起來，能夠有效增進(jìn)編碼調(diào)制的時(shí)間分集效果，提高通信系統(tǒng)的帶寬和功率效率，是移動(dòng) 通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0004] 為了進(jìn)一步提高BICM系統(tǒng)在AWGN和衰落信道下的性能，文獻(xiàn)[Li Xiaodong, Chindapol A. , and Ritcey J.A. . "Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding and 8PSK signaling"? IEEE Trans, on Commu. , A ug. 2002, 50 (8) : 1250-1257.]提出了 BICM系統(tǒng)的迭代解調(diào)/解碼算法，即將解調(diào)器和譯碼 器看作是兩個(gè)獨(dú)立的單元，在兩個(gè)單元之間交換軟信息進(jìn)行迭代解調(diào)/解碼。針對(duì)LDPC編 碼的BICM系統(tǒng)，Brink進(jìn)而提出了一種新的聯(lián)合迭代解調(diào)/解碼算法[Brink S. ten, Kramer G. , and Ashikhmin A. . "Design of low-density parity-check codes for modulation and detection. " IEEE Trans, on Communications, 2004, 52 (4) : 670-678]，將解調(diào)器和 LDPC碼的變量節(jié)點(diǎn)譯碼器看作一個(gè)單元，而把LDPC碼的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)譯碼器看作另一個(gè)單 元，兩者之間交換軟信息進(jìn)行迭代解調(diào)解碼。類似的LDPC-BICM系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收算 法可參見文獻(xiàn)[Nana Y, Sharon E, and Litsyn S. "Improved decoding of LDPC coded modulations. " IEEE Trans, on Communications Letters, 2006, 10 (5) : 375-377] 〇 仿真表 明，對(duì)于LDPC碼編碼調(diào)制系統(tǒng)，這種聯(lián)合解調(diào)/解碼一體化的算法不僅計(jì)算復(fù)雜度低于傳 統(tǒng)的解調(diào)/解碼算法，且性能也優(yōu)于傳統(tǒng)算法。
[0005] 在LDPC編碼的BICM系統(tǒng)的迭代解調(diào)/解碼接收機(jī)中，BP迭代對(duì)于初始信道信 息非常敏感，而實(shí)際系統(tǒng)中為了減小計(jì)算復(fù)雜度多采用次優(yōu)的解調(diào)算法，比如Max-LogMAP 解調(diào)算法，導(dǎo)致其輸出的比特LLR值不能反映出對(duì)應(yīng)比特子信道的真實(shí)條件轉(zhuǎn)移概率。文 獻(xiàn)[A. Martinez, A. G. Fabregas, G. Caire, and F. M. J. Willems, "Bit interleaved coded modulation revisited:A mismatched decoding perspective, " IEEE Trans.Inform. Theory, vol. 55, pp. 2756 - 2765, Jun. 2009]把這種軟解調(diào)器稱之為是不匹配的BICM接收 機(jī)，即其對(duì)應(yīng)輸出的LLR和比特信道轉(zhuǎn)移概率是不匹配的。如果直接將該不匹配的LLR作 為信道先驗(yàn)信息傳遞給下級(jí)信道解碼器，會(huì)造成解碼器的解碼性能劣化，尤其對(duì)于對(duì)初始 迭代信息異常敏感的BP解碼器更是如此。因此有必要對(duì)軟解調(diào)器的不匹配輸出LLR值進(jìn) 行優(yōu)化后再進(jìn)行聯(lián)合迭代解調(diào)/解碼。
[0006] 校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算是決定BP解碼計(jì)算復(fù)雜度的主要因素。為了降低運(yùn)算復(fù)雜度， 文獻(xiàn)[M.Fossorier, M. Mihaljevic ' , and H. Imai, "Reduced complexity iterative decoding of lowdensityparity check codes based on belief propagation, " IEEE Trans. Commun.，vol. 47, pp. 673 - 680, Mayl999.]針對(duì) LDPC 碼的解碼提出了 簡化的 UMP-BP算法，但性能比起B(yǎng)P算法，有一定的劣化。尤其對(duì)于列重較大的LDPC碼，性能 會(huì)差 ldB 以上。文獻(xiàn)[Jinghu Chen, M. Fossorier，"Near Optimum Universal Belief Propagation Based Decoding of Low-Density Parity Check Codes''，IEEE Trans. Commun.，vol. 50, pp. 406 - 414, March 2002.]指出，UMP-BP 的性能退化，是因?yàn)楹喕蟮?校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)計(jì)算導(dǎo)致其輸出的LLR值的準(zhǔn)確性相比于BP算法有所下降，其LLR的幅值因?yàn)楹?化運(yùn)算被放大了。因此，為了提高UMP-BP的性能，并由此提出了一種優(yōu)化UMP-BP算法，將 校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出的LLR值除以一個(gè)大于1的歸一化因子，但該因子的計(jì)算需要對(duì)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分 別按照BP算法和UMP-BP算法的輸出LLR值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到各自的均值，二者進(jìn)行相除得到 歸一化因子。該方法復(fù)雜性較高，且性能有待進(jìn)一步提高。在LDPC編碼的BICM系統(tǒng)中，本 發(fā)明提出在接收端采取的聯(lián)合迭代解調(diào)/解碼方案中，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算采用UMP-BP算法以 減小接收機(jī)的運(yùn)算復(fù)雜度，并且為了提高其性能，對(duì)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的輸出LLR值進(jìn)行優(yōu)化。
[0007] 現(xiàn)有BICM接收機(jī)的LLR值線性優(yōu)化方法主要有兩種：一種是統(tǒng)計(jì)各比特子信道 LLR，利用直方圖計(jì)算出各層比特LLR值的條件概率密度函數(shù)（pdf)，根據(jù)匹配LLR值應(yīng)滿足 的連續(xù)性條件（可參考文獻(xiàn)[J.Hagenauer，"The exit chart-introduction to extrinsic information transfer in iterative processing, ''in European Signal Processing Co nference, Vienna, Austria, Sep. 2004, pp. 1541 - 1548.])計(jì)算各層優(yōu)化因子；另一種是米 用推廣互信息（GMI)最大化原則進(jìn)行計(jì)算，即匹配的LLR擁有最大的GMI值，（可參考文 獻(xiàn)[T. T. Nguyen and L. Lampe, "Bit-interleaved coded modulation with mismatched decoding metrics, ''IEEE Trans. Commun.，vol. 59, pp. 437-447, Feb. 2011. ])〇 該方法搜索 各層優(yōu)化因子或分段線性函數(shù)，使其對(duì)應(yīng)比特子信道的互信息量達(dá)到最大值。該方法可獲 得逼近BICM容量的最佳優(yōu)化性能，但和第一種方法一樣，仍需要計(jì)算各層比特LLR值的條 件概率密度函數(shù)，因此兩種方法的計(jì)算復(fù)雜度都比較高。在實(shí)際系統(tǒng)中，有必要對(duì)其進(jìn)行簡 化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代解調(diào)/解 碼接收機(jī)的線性優(yōu)化方法，該方法能夠以相對(duì)較低的計(jì)算復(fù)雜度代價(jià)，使得對(duì)初始信道信 息非常敏感的接收機(jī)可獲取更可靠的初始迭代信息，并且可提高校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出LLR信息的 準(zhǔn)確性，從而提高LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)聯(lián)合迭代接收機(jī)的性能。
[0009] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：將解調(diào)器和LDPC碼的變量節(jié)點(diǎn) 譯碼器看作一個(gè)單元，而把LDPC碼的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)譯碼器看作另一個(gè)單元，兩者之間交換軟信 息進(jìn)行迭代譯碼。
[0010] 本發(fā)明提供一種LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代解調(diào)/解碼接收機(jī)的線性優(yōu)化方 法，所述LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)的接收端包括解調(diào)器和BP譯碼器，BP譯碼器包括變量節(jié)點(diǎn)和 校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，具體步驟如下：
[0011] 步驟1，首先，解調(diào)器對(duì)接收信道符號(hào)按照Max-LogMAP算法計(jì)算出各層子信道比 特LLR值；其次，采用推廣互信息最大化原則計(jì)算各層子信道的優(yōu)化因子，將其分別與對(duì)應(yīng) 各層子信道比特LLR值相乘，得到優(yōu)化后的各層子信道比特LLR值；最后，將優(yōu)化后的各層 子信道比特LLR值作為初始信道信息為變量節(jié)點(diǎn)賦迭代初值；
[0012] 步驟2,首先，變量節(jié)點(diǎn)將迭代初值傳遞至校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)；其次，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)根據(jù)變量節(jié) 點(diǎn)傳遞的迭代初值按照UMP-BP算法計(jì)算輸出LLR值；再次，將校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出LLR值乘以按 LLR值的連續(xù)性條件計(jì)算出的優(yōu)化因子，得到優(yōu)化后的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出信息；最后，將優(yōu)化后 的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出信息作為各層子信道的比特先驗(yàn)信息傳遞給解調(diào)器進(jìn)行逐符號(hào)解調(diào)；
[0013] 步驟3,變量節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟1中的初始信道信息、步驟2中解調(diào)器逐符號(hào)解調(diào)后的 輸出信息以及優(yōu)化后的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出信息，計(jì)算并輸出后驗(yàn)LLR值以及判決用LLR值；若判 決用LLR值的硬判結(jié)果滿足所有校驗(yàn)式，則將其作為譯碼結(jié)果，否則，若未達(dá)到最大迭代次 數(shù)則返回步驟3,若達(dá)到最大迭代次數(shù)，則譯碼失敗。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟1中采用推廣互信息最大化原則計(jì)算各層子 信道的優(yōu)化因子，具體為：將使各層子信道比特與接收的信道符號(hào)之間的推廣互信息量達(dá) 到最大值的搜索因子作為各層子信道的優(yōu)化因子。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，各層子信道比特與接收的信道符號(hào)之間的推廣互 信息量的表達(dá)式如下：

【權(quán)利要求】
1. LDPC調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法，所述LDPC調(diào)制系統(tǒng)的接收端包括 解調(diào)器和BP譯碼器，BP譯碼器包括變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，其特征在于，包括以下具體步驟： 步驟1，首先，解調(diào)器對(duì)接收信道符號(hào)按照Max-LogMP算法計(jì)算出各層子信道比特LLR值；其次，采用推廣互信息最大化原則計(jì)算各層子信道的優(yōu)化因子，將其分別與對(duì)應(yīng)各層子 信道比特LLR值相乘，得到優(yōu)化后的各層子信道比特LLR值；最后，將優(yōu)化后的各層子信道 比特LLR值作為初始信道信息為變量節(jié)點(diǎn)賦迭代初值； 步驟2,首先，變量節(jié)點(diǎn)將迭代初值傳遞至校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)；其次，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)根據(jù)變量節(jié)點(diǎn)傳 遞的迭代初值按照UMP-BP算法計(jì)算輸出LLR值；再次，將校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出LLR值乘以按LLR 值的連續(xù)性條件計(jì)算出的優(yōu)化因子，得到優(yōu)化后的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出信息；最后，將優(yōu)化后的校 驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出信息作為各層子信道的比特先驗(yàn)信息傳遞給解調(diào)器進(jìn)行逐符號(hào)解調(diào)； 步驟3,變量節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟1中的初始信道信息、步驟2中解調(diào)器逐符號(hào)解調(diào)后的輸出 信息以及優(yōu)化后的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出信息，計(jì)算并輸出后驗(yàn)LLR值以及判決用LLR值；若判決用 LLR值的硬判結(jié)果滿足所有校驗(yàn)式，則將其作為譯碼結(jié)果，否則，若未達(dá)到最大迭代次數(shù)則 返回步驟3,若達(dá)到最大迭代次數(shù)，則譯碼失敗。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LDPC調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法，其特征在 于，步驟1中采用推廣互信息最大化原則計(jì)算各層子信道的優(yōu)化因子，具體為：將使各層子 信道比特與接收的信道符號(hào)之間的推廣互信息量達(dá)到最大值的搜索因子作為各層子信道 的優(yōu)化因子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的LDPC調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法，其特征在 于，各層子信道比特與接收的信道符號(hào)之間的推廣互信息量的表達(dá)式如下： =1 -￡ \.> (l〇g2(1 +cxP(-哪汍(^))4v/0')'sO) (I) 式中，為第i層子信道比特Bi與接收的信道符號(hào)Y之間的推廣互信息量，其值與 搜索因子S有關(guān)，s> 〇 ;X為調(diào)制符號(hào)；EX，Y( ?)為數(shù)學(xué)期望；乂V)為對(duì)接收的信道符號(hào) 按照Max-LogMP算法計(jì)算出的第i層子信道比特LLR值；h⑴是匕,〇 )對(duì)應(yīng)的硬判值，若 (a./(.v )>0，bi⑴=1 ;反之MX) = 0 ;sgn( ?)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)bJX) = 1 時(shí)，SgnODi(X)) =1 也⑴=0 時(shí)，SgnODi(X)) = -1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的LDPC調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代接收機(jī)線性優(yōu)化方法，其特征在 于，對(duì)各層子信道的比特與接收符號(hào)之間的推廣互信息量的表達(dá)式進(jìn)行簡化，具體為： 將公式1中的數(shù)學(xué)期望Ex，Y(〇簡化為算術(shù)平均值，則調(diào)制符號(hào)X的第i層子信道比 特Bi與接收的信道符號(hào)Y之間的推廣互信息量..rG)的表達(dá)式簡化為：
式中，Ni為統(tǒng)計(jì)的對(duì)接收的信道符號(hào)按照Max-LogMP算法計(jì)算出的第i層子信道比特LLR值的數(shù)目。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LDPC編碼調(diào)制系統(tǒng)的聯(lián)合迭代解調(diào)/解碼接收機(jī)的線性優(yōu) 化方法，其特征在于，步驟2中按LLR值的連續(xù)性條件計(jì)算出的優(yōu)化因子a采用以下方法 離線計(jì)算得到： 在編碼調(diào)制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送試驗(yàn)序列，該試驗(yàn)序列的信息比特 為O和1的概率相同，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)按UMP-BP算法計(jì)算輸出LLR值r，并對(duì)其進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，得 到條件概率分布曲線'A戶|1)和/^〇i〇)，其中，riu是校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)輸出的第k個(gè)接收的信 道符號(hào)的第i層子信道比特LLR值，bti是調(diào)制符號(hào)Xk的第i層子信道比特，b {0, 1}， (7I1)為當(dāng)bU為1時(shí)r的條件概率分布曲線，(7'lQ)為當(dāng)bU為〇時(shí)r的條件概率
【文檔編號(hào)】H04L27/34GK104506278SQ201410834234
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】黃平, 譚國平, 李岳衡, 居美艷 申請(qǐng)人:河海大學(xué)