一種基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法
【專利摘要】本發明公開了屬于動中通衛星通信技術領域的一種基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法。本發明利用斷續信道結構信息構建斷續信道狀態轉移模型，并采用和積算法，借助因子圖結構使用信道轉移概率函數更新信道狀態變量節點消息，不斷迭代計算得到信道狀態分布和譯碼結果；使用信道轉移概率函數更新信道狀態變量節點消息，有效地減少了對信息符號長度的依賴，且在低信噪比下，對信道狀態信息有良好的檢測結果，本發明能以較高的檢測精度達到與基于信號能量的信道狀態信息檢測算法同樣的誤檢概率。本發明具有以下兩個顯著特點：檢測精度高和檢測和譯碼聯合進行。
【專利說明】
-種基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譚碼方法
技術領域
[0001] 本發明屬于動中通衛星通信技術領域，特別設及一種基于狀態轉移模型的聯合信 道狀態檢測和譯碼方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，衛星通信發展迅速，承載的業務種類也不斷增多。其中動中通(On-the- Move)是衛星通信中廣受重視，發展迅速的一個領域。動中通技術是指在車輛、船舶或者飛 行器等載體處于移動的過程中依然可W進行不間斷寬帶衛星通信的技術。載體移動過程中 不可避免的會帶來的天線指向抖動會造成隨機中斷。另外，載體在移動過程中往往會遇到 障礙物對無線信號的遮擋，如穿越樹林、樓宇會造成的隨機遮擋。在直升機機載動中通中， 由于天線安裝位置受限，信號會受到直升機旋翼葉片帶來的遮擋。因此，動中通系統中信道 斷續問題是對可靠高效通信的一大挑戰。
[0003] 針對衛星斷續信道下的通信難題，現有研究主要集中在兩個方向，一是物理層可 靠傳輸技術，二是鏈路層可靠傳輸技術。傳統的斷續信道下物理層傳輸技術，信道檢測、解 調和譯碼是單獨進行的。研究表明，將信道檢測、解調和譯碼級聯，通過聯合進行軟信息迭 代能夠獲得性能提升。傳統的信道狀態檢測方法是基于信號能量的信道狀態信息檢測算 法，在低信噪比場合，該算法無法兼顧誤檢概率和檢測精度。同時在實際應用中，接收信號 的信噪比不斷變化會導致實際性能會進一步降低。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，其 特征在于，包括如下步驟：
[0005] 步驟1，接收信號，采用LDP邱馬對發送信息比特編碼；
[0006] 步驟2，初始化，發送符號概率分布；
[0007] 步驟3，更新信道狀態分布序列；
[000引步驟4，更新信道狀態變量節點的前向及反向消息；
[0009] 步驟5,更新信道狀態變量節點、觀測函數節點及發送符號變量節點的上行消息；
[0010] 步驟6,計算對數似然比；
[0011] 步驟7，解交織并輸入譯碼器進行譯碼迭代，更新外信息序列和譯碼結果；
[0012] 步驟8，交織并更新接收符號概率分布:進入步驟9，或返回步驟3，重復上述3-8步 驟過程，直到滿足迭代次數；
[0013] 步驟9，輸出譯碼結果序列和信道狀態分布序列錢(4)。
[0014] 所述步驟2具體為將接收符號初始化:假設接收符號的個數為N，對每接收L個符號 對信道狀態進行一次檢測，則所有接收到的N個符號被分為了H = N/L組，采用QPSK(正交相 移鍵控)調制，定義觀測函數節點為f、信道狀態變量節點為A、發送符號變量節點為X、符號 映射函數節點為Φ，用表示從符號映射函數節點^到發送符號變量節點4的消息，其 余類似，其中1 = 1。巾〇 = 1。七，4表示第1組第^'個發送的符號^表示接收符號的分組個 數;初始化
[0015]
[0016] 其中A表示QPSK調制符號集合;（運里的A與信道表示的字體不一樣）
[0017] 所述步驟3具體為傳遞和更新消息，更新信道狀態分布序列：在要求的迭代次數 內，執行W下步驟：
[001引對于編號1 = 1''化'",->/表示發送符號變量節點^^.到觀測函數節點/^的消息， -4表示觀測函數節點/j到信道狀態變量節點Ai的消息，執行W下步驟更新所有與Ai連 接的觀測函數節點巧Ij信道狀態變量結點Ai的消息(-"，
[0022] 其中
，σ2為信道加入的復高斯噪聲的方差；
[0023] 所述步驟4具體包括：
[0024] 步驟4.1前向迭代，對于編號? = 1···Η，根據已有信息，執行W下步驟更新前向消息 傳遞，即從信道轉移概率函數節點A到其右側信道狀態變量節點Ai的消息八^ , (4)，
[0025]
[00%]其中Δ為信道轉移函數節點；
[0027] 步驟4.2,反向迭代，對于編號? = 1···Η，根據已有信息，執行W下步驟更新反向消 息傳遞，即從信道轉移概率函數節點A到其左側信道狀態變量節點Ai的消息八,，
[002引
[0029]所述步驟5具體為更新信道狀態變量節點、觀測函數節點及發送符號變量節點的上 行消息:對于編號? = 1···Η和^' = 1。七，/^4_^^4)表示信道狀態變量節點心到觀測函數節點/^ 的消息，戶心刮表示觀測函數節點/]:到發送符號節點4的消息，蝴表示發送符號 變量節點到調制映射函數節點//的消息，根據已有信息，執行W下步驟更新
[0033] 所述步驟6具體為計算對數似然比，對于編號i = l…H，j = l…L，q = l…Q，根據調 制映射規則，計算其對應編碼比特的對數似然比序列巧)，
[0034]
[0035] 其中Q表示符號對應的編碼比特序列的比特數，q= 1...Q，則磅表示符號4對應的 編碼比特序列中的第q個編碼比特，Αι9為調制符號集合的子集，Αι9中的每個符號滿足:對應 的第q個編碼比特取值為1，類似地(f為調制符號集合的子集中的每個符號滿足:對 應的第q個編碼比特取值為〇。義"為上一次迭代時由譯碼器輸出的外信息，并將在本次 迭代中更新；
[0036] 所述步驟7具體為將似然比序列進行解交織，輸入LDPC譯碼器進行譯碼迭代輸出 得到新的外信息序列)和譯碼結果序列；
[0037] 所述步驟8具體為將外信息序列進行交織，對于編號? = 1···Η和^' = 1··^，執行W下 步驟更新巧>
[00；3 引
[0039] 得W更新接收符號概率;之后若滿足迭代次數則執行步驟9輸出譯碼結果序列和 信道狀態分布序列否則返回步驟3,并重復步驟3至步驟8直到滿足迭代次數。
[0040] 本發明有益效果是利用斷續信道結構信息構建斷續信道狀態轉移模型，并采用和 積算法，借助因子圖結構使用信道轉移概率函數更新信道狀態變量節點消息，不斷迭代計 算得到信道狀態分布和譯碼結果;使用信道轉移概率函數更新信道狀態變量節點消息，有 效地減少了對信息符號長度的依賴，同時通過信道檢測和譯碼的聯合迭代進一步提高信道 狀態檢測的性能。對信道狀態信息有良好的檢測結果，且在低信噪比下，本發明能W較高的 檢測精度達到與基于信號能量的信道狀態信息檢測算法同樣的誤檢概率，具有W下兩個顯 著特點:檢測精度高和檢測和譯碼聯合進行。
【附圖說明】
[0041] 圖1為基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼的算法流程圖。
[0042] 圖2為基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法組成的因子圖。
[0043] 圖3為基于信道狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼算法誤檢概率曲線與基 于信號能量檢測算法對比圖，其中，仿真參數設置:P = 〇.9，L = 32。
【具體實施方式】
[0044] 本發明提出的基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，下面結合附圖 與實施例予W說明。
[0045] 如圖1所示的基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼算法流程圖。基于狀 態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法包括W下步驟：
[0046] 步驟1，接收信號，采用LDP邱馬對發送信息比特編碼；
[0047] 步驟2，初始化，發送符號概率分布；
[004引步驟3，更新信道狀態分布序列；
[0049] 步驟4,更新信道狀態變量節點的前向及反向消息；
[0050] 步驟5,更新信道狀態變量節點、觀測函數節點及發送符號變量節點的上行消息；
[0051] 步驟6，計算對數似然比
[0052] 步驟7,解交織并輸入譯碼器進行譯碼迭代，更新外信息序列和譯碼結果；
[0053] 步驟8，交織并更新接收符號概率分布:進入步驟9，或返回步驟3，重復上述3-8步 驟過程，直到滿足迭代次數。
[0化4] 步驟9輸出譯碼結果序列和信道狀態分布序列(4)。
[0化5]本方法開始時，先根據調制方式初始化符號映射函數節點^到發送符號變量節點 4的消息，同時初始化迭代次數為0。之后在設定的迭代次數之內，進行消息的傳遞、計算和 更新;滿足迭代次數之后，輸出得到譯碼結果及信道狀態分布序列。
[0056]本發明所述方法的原理及算法描述如下：
[0化7] 1 )初始化:迭代算法初始化階段，設迭代次數* = 1，并設置^，^^素示的從符號映 射函數節點終到發送符號變量節點X;的消息：
[005引2)傳遞和更新消息：
[0059] 在第t次迭代過程中，執行W下步驟：
[0060] a)對于編號? = 1···Η，執行W下步驟更新片/一4(4)，
[0064] b)對于編號? = 1···Η，執行W下步驟更新前向消息傳遞佑為），
[00 化]
[0066] C)對于編號? = 1···Η，執行W下步驟更新反向消息傳遞，
[0067]
[006引 d)對于編號? = 1···Η和j = l…L，執行W下步驟更新(4)、,"，一、0-',)和
[0072] e)對于編號i = 1 ???H，j = 1 ???L，q = 1 ···〇，計算其對應編碼比特的對數似然比序列 刪，
[0073]
[0074] 3)更新外信息和譯碼結果：
[0075] 對得到的似然比序列進行解交織，輸入譯碼器進行譯碼迭代，得到新的外信息序 列義。和譯碼結果序列；
[0076] 4)更新接收符號概率：
[0077] 將外信息序列進行交織，對于編號? = 1···Η和^' = 1。七，執行W下步驟更新' [007引
[0079] 5)重復2)至4)直到滿足迭代次數，輸出譯碼結果和信道狀態分布序列。
[0080] 實施例
[0081] 本發明W圖2所示的仿真算法為例。本仿真，信道編碼使用(2048,8192)的LDPC碼， 調制方式為QPSK調制，信道中斷時間占總時間的比例為10 %。每帖長度為8192個符號，中斷 位置為隨機設置。算法總的迭代次數設置為10,其中LDPC譯碼器部分單獨迭代次數設置為 3,信道模型參數口 = 0.9，1^ = 32。^下給出仿真流程，便于理解本發明的特征和優點。
[0082] (1)采用LDP邱馬對發送信息比特編碼；
[0083] (2)對編碼后信息比特進行交織；
[0084] (3)對交織后信息比特插入參考符號；
[0085] (4)將插入參考符號的信息進行QPSK符號映射，得到發送符號序列；
[0086] (5)發送符號序列通過斷續信道得到接收符號序列；
[0087] (6)初始化發送符號概率分布；
[0088] (7)通過傳遞和更新消息，利用信道轉移概率函數更新信道狀態變量節點消息，進 而更新信道狀態分布序列和編碼比特的對數似然比序列；
[0089] (8)對得到的似然比序列進行解交織，輸入譯碼器進行譯碼迭代，得到新的外信息 序列和譯碼結果序列；
[0090] (9)將外信息序列進行交織，更新接收符號概率；
[0091 ] (10)重復上述過程，直到滿足迭代次數。
[0092] 對上述過程進行計算機仿真測試，得出了下面的結果（如圖3所示）：圖3為基于狀 態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法和傳統基于信號功率積分的信道狀態檢測方 法誤碼率曲線比較。通過對比信道模型參數P = 0.9，L = 32時算法的檢測性能曲線和能量積 分長度L=128的基于信號能量的檢測算法性能曲線結果，可W得出，在SNR = -1地時，同樣 達到le-4的誤檢概率，提出的算法的檢測精度是基于信號能量的檢測算法的大約4倍。
[0093] 可見，采用本方法能夠W較高的檢測精度達到與基于信號能量的信道狀態信息檢 測算法同樣的誤檢概率，提高了檢測精度。
【主權項】
1. 一種基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟1，接收信號，采用LDPC碼對發送信息比特編碼； 步驟2，初始化，發送符號概率分布； 步驟3，更新信道狀態分布序列； 步驟4，更新信道狀態變量節點的前向及反向消息； 步驟5,更新信道狀態變量節點、觀測函數節點及發送符號變量節點的上行消息； 步驟6,計算對數似然比 步驟7，解交織并輸入譯碼器進行譯碼迭代，更新外信息序列和譯碼結果； 步驟8，交織并更新接收符號概率分布:進入步驟9，或返回步驟3，重復上述3-8步驟過 程，直到滿足迭代次數； 步驟9,輸出譯碼結果序列和信道狀態分布序列。2. 根據權利要求1所述基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，其特征在 于，所述步驟2具體為將接收符號初始化:假設接收符號的個數為N，對每接收L個符號就對 信道狀態進行一次檢測，則所有接收到的N個符號被分為了H = N/L組，采用QPSK調制，定義 觀測函數節點為f、信道狀態變量節點為A、發送符號變量節點為X、符號映射函數節點為Φ， 用氣+表示從符號映射函數節點#到發送符號變量節點<的消息，其余類似，其中1 = 1··· 11，」=卜1，34表示第1組第」個發送的符號，!1表示接收符號的分組個數;初始化其中A表示QPSK調制符號集合;QPSK表示正交相移鍵控。3. 根據權利要求1所述基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，其特征在 于，所述步驟3具體為傳遞和更新消息，更新信道狀態分布序列:在要求的迭代次數內，執行 以下步驟： 對于編號?···ΗΛ,ι表示發送符號變量節點$到觀測函數節點的消息，，表 示觀測函數節點到信道狀態變量節點Ai的消息，執行以下步驟更新所有與Ai連接的觀測 函數節點f到信道狀態變量結點&的消息八-u (4)，，σ2為信道加入的復高斯噪聲的方差。4. 根據權利要求1所述基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，其特征在 于，所述步驟4具體包括： 步驟4.1前向迭代，對于編號? = 1···Η，根據已有信息，執行以下步驟更新前向消息傳 遞，即從信道轉移概率函數節點Α到其右側信道狀態變量節點&的消息(4)，其中△為信道轉移函數節點； 步驟4.2,反向迭代，對于編號? = 1···Η，根據已有信息，執行以下步驟更新反向消息傳 遞，即從信道轉移概率函數節點Α到其左側信道狀態變量節點&的消息:，5. 根據權利要求1所述基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，其特征在 于，所述步驟5具體包括:更新信道狀態變量節點、觀測函數節點及發送符號變量節點的上 行消息:對于編號i = 1…Η和j = 1…L，#，: >表示信道狀態變量節點Ai到觀測函數節點 /j的消息，表示觀測函數節點到發送符號節點$的消息，(X))表示發送符 號變量節點^到調制映射函數節點$的消息，根據已有信息，執行以下步驟更新6. 根據權利要求1所述基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測和譯碼方法，其特征在 于，所述步驟6具體為計算對數似然比，對于編號i = 1 ···!!，j = l，根據調制映射 規則，計算其對應編碼比特的對數似然比序列f ，其中Q表示符號對應的編碼比特序列的比特數，q=h_Q，則表示符號 < 對應的編碼比 特序列中的第q個編碼比特，A。為調制符號集合的子集，A。中的每個符號滿足:對應的第q 個編碼比特取值為1，類似地，^f為調制符號集合的子集，中的每個符號滿足:對應的 第q個編碼比特取值為〇，f )為上一次迭代時由譯碼器輸出的外信息，并將在本次迭代 中更新。 7 .根據權利要求1所述基于狀態轉移模型的聯合信道狀態檢測方法，其特征在于，所述 步驟7具體為將似然比序列進行解交織，輸入LDPC譯碼器進行譯碼迭代輸出得到新的外信 息序列和譯碼結果序列； 所述步驟8具體為將外信息序列進行交織，對于編號? = 1···Η和」= 1···?，執行以下步驟;得以更新接收符號概率;之后若滿足迭代次數 則執行步驟9輸出譯碼結果序列和信道狀態分布序列+ 否則返回步驟3,并重復步 驟3至步驟8直到滿足迭代次數。
【文檔編號】H03M13/11GK106059594SQ201610339087
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】倪祖耀, 張晉華, 賈浩歌, 匡麟玲
【申請人】清華大學