CN115021867B - 一种基于因子图的mimo-ldpc高效检测译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于因子图的MIMO‑LDPC高效检测译码方法，包括：初始化参数；第t次迭代时，分别计算由观测节点传递给非可靠变量节点的概率估计值的均值与方差、由校验节点传递给非可靠比特节点的符号概率信息；计算所有非可靠变量节点的联合概率信息；根据联合概率信息得到当前检测译码结果；若迭代次数达到最大，输出当前检测译码结果，否则，若当前检测译码结果为正确码字，则输出当前结果，否则，判定可靠变量节点、可靠比特节点，计算可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差，计算非可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差、非可靠比特节点传递给校验节点的信息，进入下一次迭代。本发明能够在保证检测译码性能的同时，降低总体运算复杂度。

Description

一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法

技术领域

本发明涉及一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术已经在5G中得到广泛应用，该技术分别在发射机和接收机上设置多个天线同时发送、接收无线电信号，以提高信道容量、传输可靠性与频谱效率。与一般的单输入单输出***相比，MIMO技术能够有效抑制由多径效应引起的信道衰落，提升通信***的有效性与可靠性。低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check,LDPC)码作为一种纠错能力逼近香农限的长码块信道编码方案，具有纠错能力好、抗突发错误能力强等特点，且能够很好地应用在多天线、多载波的***中。MIMO技术与LDPC码的联合***有效提升了无线通信***的可靠性、吞吐量以及频谱效率，此***及其接收端检测译码算法的研究对于5G以及下一代通信技术的发展具有重大意义。

近年来，对于MIMO技术与LDPC码的联合***中检测译码算法的研究也陆续涌现。针对MIMO技术与LDPC码的联合***，T.L.Nar等人提出一种MIMO-LDPC联合检测译码方法，即将MIMO检测因子图与LDPC译码因子图联合起来，在一次迭代中，同时进行检测与译码信息的迭代更新。虽然联合检测译码方法具有优异的性能，但由于需要在一次迭代中同时执行MIMO检测与LDPC译码，因此其运算复杂度较高。X.Zhao等人提出对信道进行QR分解，以减少因子图中节点间迭代更新信息的次数，减少了方法的运算复杂度。但尽管如此，基于因子图的MIMO-LDPC联合检测译码方法仍然具有较高的运算复杂度，在保证其检测译码性能的同时如何降低运算复杂度仍然是一个未解决的问题。

发明内容

本发明提出一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，能够在保证检测译码性能的同时，降低总体运算复杂度，具有低复杂度高吞吐量的特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，因子图中具有观测节点、可靠变量节点、非可靠变量节点、可靠比特节点、非可靠比特节点和校验节点，包括如下步骤：

步骤S1、初始化检测译码参数，参数包括可靠变量节点集合

非可靠变量节点集合U＝{x₁,x₂,x₃,...,x_n}、可靠比特节点集合

非可靠比特节点集合A＝{c₁,c₂,c₃,...,c_k}、可靠度门限T_res、检测译码最大迭代次数I_MAX、迭代计数器t＝1；

步骤S2、第t次迭代时，分别计算因子图中由观测节点y_j传递给集合U中的非可靠变量节点x_l的概率估计值的均值

与方差

以及由校验节点e_v传递给集合A中的非可靠比特节点c_i的对数似然比

并将该对数似然比

转换为非可靠变量节点x_l的符号概率信息

其中，θ_r为信号调制后所有可能的取值集合s＝{θ₁,θ₂,...,θ_q}中的值；

步骤S3、根据均值

方差

以及符号概率信息

计算在第t次迭代时，集合U中所有非可靠变量节点x_l的联合概率信息

步骤S4、根据步骤S3中的联合概率信息

进行比特判决，得到当前检测译码结果；

步骤S5、判断迭代次数是否已达到最大迭代次数I_MAX，若是，输出步骤S4的当前检测译码结果，否则，进入步骤S6；

步骤S6、利用LDPC码的校验矩阵判断当前检测译码结果是否为正确码字，若是，输出输出步骤S4的当前检测译码结果，否则，进入步骤S7；

步骤S7、令t＝t+1，依据可靠度门限T_res判定集合U中的可靠变量节点、集合A中的可靠比特节点，计算可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差，并将可靠变量节点从集合U中移至集合V中、将可靠比特节点从集合A中移至集合B中，分别计算更新后的集合U中非可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差、更新后的集合A中非可靠比特节点传递给校验节点的信息，进入步骤S2。

进一步的，所述步骤S2中，根据如下公式计算所述均值

和方差

其中，j＝1,...,m，

表示接收机接收到的第j个符号，N_x(j)表示与观测节点y_j相连的变量节点的集合，N_x(j)/l表示N_x(j)中除了x_l之外的变量节点的集合，h_jl'为多径信道的衰落系数，

为集合N_x(j)/l中的非可靠变量节点x_l′传递到观测节点y_j的均值信息，

为集合N_x(j)/l中的非可靠变量节点x_l′传递到观测节点y_j的方差信息，

为接收机噪声方差；

由第v个校验节点e_v传递给集合A中的第i个非可靠比特节点c_i的对数似然比为：

c_i∈N_c(v)，其中，v＝1,...,w，N_c(v)表示与校验节点e_v相连的比特节点的集合，N_c(v)/i表示N_c(v)中除了c_i之外的比特节点的集合，

表示集合N_c(v)/i中的非可靠比特节点c_i′传递到校验节点e_v的对数似然比；

根据公式

r＝1,2,…,q将对数似然比

转换为非可靠变量节点x_l的符号概率信息

其中，N_c(l)表示与集合U中的非可靠变量节点x_l相连的比特节点的集合。

进一步的，所述步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S31、计算集合U中变量节点x_l处来自观测节点的概率估计信息

的均值

与方差

具体计算方式为：

其中，N_y(l)表示与集合U中的非可靠变量节点x_l相连的观测节点的集合；

表示信道衰落系数的复共轭；

步骤S32、根据概率信息

的均值

与方差

计算具体概率信息

步骤S33、计算在第t次迭代时，集合U中非可靠变量节点x_l的联合概率信息

其中，Z为集合s的归一化因子。

进一步的，所述步骤S4具体包括如下步骤：

步骤S41、利用所有非可靠变量节点x_l的联合概率信息

计算其对应的比特对数似然比

其中，

分别表示与变量节点x_l相连的，使比特节点c_i取值分别为1和0的

概率集合；

步骤S42、利用比特对数似然比

将进行判决：

i＝1,2,...,k，得到当前检测译码结果

进一步的，所述步骤S6中，LDPC码的校验矩阵为H^check，若

则说明当前检测译码结果为正确码字，将该当前检测译码结果输出，否则，说明当前检测译码结果为非正确码字，进入步骤S7。

进一步的，所述步骤S7中，判定可靠变量节点和可靠比特节点的过程包括：

步骤S71、根据如下公式计算集合U中非可靠变量节点x_l的均值

与方差

步骤S72、根据如下公式计算非可靠变量节点x_l的可靠性

r＝1,2,...,q；

步骤S73、对于集合s中所有θ_r，其计算出的

均大于可靠度门限T_res，则判定其不可靠；若计算出的某一

小于可靠度门限T_res，则判定该非可靠变量节点x_l为可靠变量节点，记为x_l″，与该可靠变量节点连接的非可靠比特节点c_i为可靠比特节点，记为c_i″。

进一步的，所述步骤S7中，根据如下公式计算可靠的变量节点x_l″传递给观测节点y_j的均值

与方差

y_j∈N_y(l)，

y_j∈N_y(l)。

进一步的，所述步骤S7中，根据如下公式计算在第t次迭代时，更新后的集合U中非可靠变量节点x_l传递给观测节点y_j的均值

和方差

y_j∈N_y(l)，

y_j∈N_y(l)。

进一步的，所述步骤S7中，根据如下公式计算在第t次迭代时，更新后的集合A中非可靠比特节点c_i传递给校验节点e_v的信息

e_v∈N_e(i)。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明根据非可靠变量节点的概率估计值的均值、方差、以及校验节点传递给非可靠比特节点的对数似然比，计算非可靠变量节点的联合概率信息，并根据该联合概率信息进行比特判决，得到当前译码结果，若当前译码结果不是正确码字，则在下一次迭代前，判断非可靠节点变量与非可靠比特变量的可靠性，使可靠的变量节点对观测节点传递收敛的反馈信息，并将可靠的变量节点和比特节点移至其他集合中，在下一次迭代中，不再更新可靠的变量节点和比特节点处信息，减少了检测译码的迭代次数，从而实现在保证检测译码性能的同时，降低总体运算复杂度，可靠的变量节点对观测节点传递了收敛的反馈信息，加速了检测译码的收敛，从而获得了更高的通信吞吐量。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的因子图模型图。

图3为本发明的***组成框图。

图4为本发明的性能仿真对比图。

图5为本发明的复杂度对比图。

具体实施方式

如图2所示为本实施例采用的因子图模型图，因子图中具有观测节点y_j、可靠变量节点x_l″、非可靠变量节点x_l、可靠比特节点c_i″、非可靠比特节点c_i和校验节点e_v，因子图的具体结构为现有现有技术。图3为本实施例采用的通信***，为多天线接收端，包括序号分别为1,2，...，N_R的N_R个接收天线、检测译码器与信宿，接收端接收到的符号记为

检测译码后输出符号记为

本实施例考虑一个经LDPC编码的单小区上行多用户MIMO***，该小区共有L＝3个用户，每个用户有N_t＝2根发送天线，则发送端共有N_T＝6根发送天线；基站端接收天线数为N_R＝6。考虑信道为组合衰落信道，即信道系数矩阵

G中每一项服从瑞利分布，Ξ为对角线元素为

的对角矩阵，其对角线元素

其中，

服从均值为0，方差为6的对数正态分布，三个用户与基站之间的距离分别为D₁＝1，D₂＝1.5，D₃＝2(km)，路径衰落因子v＝4。LDPC码字长度为960，码率为1/3，调制方式为QPSK，即q＝4。

如图1所示，基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法包括如下步骤：

步骤S1、初始化检测译码参数，参数包括变量节点传递到观测节点的概率

均值信息

方差信息

比特节点传递到校验节点的

可靠度门限T_res；可靠变量节点集合

非可靠变量节点集合U＝{x₁,x₂,x₃,...,x_n}；可靠比特节点集合

非可靠比特节点集合A＝{c₁,c₂,c₃,...,c_k}；检测译码最大迭代次数I_MAX＝10，迭代计数器t＝1；

其中，x_l表示因子图中第l个变量节点，l的取值范围为1,2,3,...,n,n为发送端发送符号总个数；y_j表示因子图中第j个观测节点，j的取值范围为1,2,3,...,m,m为接收端接收到的符号总个数；c_i表示因子图中第i个比特节点，i的取值范围为1,2,3,...,k,k为信源产生的比特数；e_v表示因子图中第v个校验节点，v的取值范围为1,2,3,...,w；q为信号调制后所有可能的取值集合s＝{θ₁,θ₂,...,θ_q}中元素个数，s即是变量节点的取值集合；特别地，

其中N_T为发送端天线数，此外，可靠变量节点集合V与非可靠变量节点集合U互不相交，即：

同理，可靠比特节点集合B与非可靠比特节点集合A满足

步骤S2、第t次迭代时，分别计算因子图中由观测节点y_j传递给集合U中的非可靠变量节点x_l的概率估计值的均值

与方差

以及由校验节点e_v传递给集合A中的非可靠比特节点c_i的对数似然比

并将该对数似然比

转换为非可靠变量节点x_l的符号概率信息

其中，θ_r为信号调制后所有可能的取值集合s＝{θ₁,θ₂,...,θ_q}中的值；

具体地，根据如下公式计算观测节点y_j传递给集合U中的非可靠变量节点x_l的概率估计值的均值

和方差

其中，j＝1,...,m，

表示接收机接收到的第j个符号，N_x(j)表示与观测节点y_j相连的变量节点的集合，N_x(j)/l表示N_x(j)中除了x_l之外的变量节点的集合，h_jl'为多径信道的衰落系数，

为集合N_x(j)/l中的非可靠变量节点x_l′传递到观测节点y_j的均值信息，

为集合N_x(j)/l中的非可靠变量节点x_l′传递到观测节点y_j的方差信息，

为接收机噪声方差；

由第v个校验节点e_v传递给集合A中的第i个非可靠比特节点c_i的对数似然比为：

c_i∈N_c(v)，其中，v＝1,...,w，N_c(v)表示与校验节点e_v相连的比特节点的集合，N_c(v)/i表示N_c(v)中除了c_i之外的比特节点的集合，

表示集合N_c(v)/i中的非可靠比特节点c_i′传递到校验节点e_v的对数似然比；

根据公式

r＝1,2,…,q将对数似然比

转换为非可靠变量节点x_l的符号概率信息

其中，N_c(l)表示与集合U中的非可靠变量节点x_l相连的比特节点的集合。

步骤S3、根据均值

方差

以及符号概率信息

计算在第t次迭代时，集合U中所有非可靠变量节点x_l的联合概率信息

具体包括如下步骤：

步骤S31、计算集合U中非可靠变量节点x_l处来自观测节点的概率估计信息

的均值

与方差

具体计算方式为：

其中，N_y(l)表示与集合U中的非可靠变量节点x_l相连的观测节点的集合；

表示信道衰落系数的复共轭；

步骤S32、根据概率信息

的均值

与方差

计算具体概率信息

步骤S33、计算在第t次迭代时，集合U中变量节点x_l的联合概率信息

其中，Z为集合s的归一化因子。

步骤S4、根据步骤S3中的联合概率信息

进行比特判决，得到当前检测译码结果；

具体包括如下步骤：

步骤S41、利用所有非可靠变量节点x_l的联合概率信息

计算其对应的比特对数似然比

其中，

分别表示与变量节点x_l相连的，使比特节点c_i取值分别为1和0的

概率集合；

步骤S42、利用比特对数似然比

将进行判决：

i＝1,2,...,k，得到当前检测译码结果

步骤S5、判断迭代次数是否已达到最大迭代次数I_MAX＝10，若是，输出步骤S4的当前检测译码结果，否则，进入步骤S6；

步骤S6、利用LDPC码的校验矩阵判断当前检测译码结果是否为正确码字，若是，输出输出步骤S4的当前检测译码结果，否则，进入步骤S7；

具体地，LDPC码的校验矩阵为H^check，若

则说明当前检测译码结果为正确码字，将该当前检测译码结果输出，否则，说明当前检测译码结果为非正确码字，进入步骤S7。

步骤S7、令t＝t+1，依据可靠度门限T_res判定集合U中的可靠变量节点、集合A中的可靠比特节点，计算可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差，并将可靠节点变量从集合U中移至集合V中、将可靠比特节点从集合A中移至集合B中，分别计算更新后的集合U中非可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差、更新后的集合A中非可靠比特节点传递给校验节点的对数似然比，进入步骤S2；

具体包括如下步骤：

步骤S71、根据如下公式计算集合U中非可靠变量节点x_l的均值

与方差

步骤S72、根据如下公式计算非可靠变量节点x_l的可靠性

r＝1,2,...,q；

步骤S73、对于集合s中所有θ_r，其计算出的

均大于可靠度门限T_res，则判定其不可靠；若计算出的某一

小于可靠度门限T_res，则判定该非可靠变量节点x_l为可靠变量节点，记为x_l″，与该可靠变量节点连接的非可靠比特节点c_i为可靠比特节点，记为c_i″；

步骤S74、根据如下公式计算可靠的变量节点x_l″传递给观测节点y_j的均值

与方差

y_j∈N_y(l)，

y_j∈N_y(l)；

步骤S75、根据如下公式计算在第t次迭代时，更新后的集合U中非可靠变量节点x_l传递给观测节点y_j的均值

和方差

y_j∈N_y(l)，

y_j∈N_y(l)；

步骤S76、根据如下公式计算在第t次迭代时，更新后的集合A中非可靠比特节点c_i传递给校验节点e_v的信息

如图4所示为本实施例中，随着接收信噪比变化时的误块率仿真效果图，图中横坐标为接收信噪比ρ_r，其计算公式为

其中，P_t＝1为发送端符号归一化功率；纵坐标为误块率(Block Error Ratio,BLER)。仿真实验对两种方法进行了对比分析：1)在检测译码过程中用可靠度门限T_res对节点进行判定，且设定可靠节点向观测节点传递收敛信息，即本方法；2)无可靠节点判定的MIMO-LDPC检测译码方法；此外，在仿真实验过程中，设定本方法的可靠度门限分别为T_res＝0、T_res＝1×10^-7进行仿真。

由图4可以看出当可靠节点反馈收敛信息时，检测译码的BLER性能显著提升；在T_res＝0时，本方法相比无可靠节点判定的检测译码方法有0.4dB增益；在T_res＝1×10^-7时，本方法相比无可靠节点判定的检测译码方法有1.7dB增益，有效提高了***吞吐量；同时，随着接收端SNR的增加，BLER增益也逐渐增加。

如图5所示为本方法采用不同可靠度门限与无可靠节点判定方法的复杂度对比，横坐标为不同的复杂度比较类型，纵坐标为本实施例相比无可靠节点判定的MIMO-LDPC检测译码方法在每一帧中所减少的运算次数百分比，从图5中可看出，判定可靠节点、并在后续计算中不再更新可靠节点处信息，可以有效降低检测译码方法的运算复杂度；而当可靠节点向观测节点传递收敛信息时，检测译码的总体迭代次数也会大幅减少，进一步降低检测译码方法的运算复杂度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，因子图中具有观测节点、可靠变量节点、非可靠变量节点、可靠比特节点、非可靠比特节点和校验节点，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1、初始化检测译码参数，参数包括可靠变量节点集合非可靠变量节点集合U＝{x₁,x₂,x₃,...,x_n}、可靠比特节点集合非可靠比特节点集合A＝{c₁,c₂,c₃,...,c_k}、可靠度门限T_res、检测译码最大迭代次数I_MAX、迭代计数器t＝1；

步骤S2、第t次迭代时，分别计算因子图中由观测节点y_j传递给集合U中的非可靠变量节点x_l的概率估计值的均值与方差以及由校验节点e_v传递给集合A中的非可靠比特节点c_i的对数似然比并将该对数似然比转换为非可靠变量节点x_l的符号概率信息其中，θ_r为信号调制后所有可能的取值集合s＝{θ₁,θ₂,...,θ_q}中的值；

步骤S3、根据均值方差以及符号概率信息计算在第t次迭代时，集合U中所有非可靠变量节点x_l的联合概率信息

步骤S4、根据步骤S3中的联合概率信息进行比特判决，得到当前检测译码结果；

步骤S5、判断迭代次数是否已达到最大迭代次数I_MAX，若是，输出步骤S4的当前检测译码结果，否则，进入步骤S6；

步骤S6、利用LDPC码的校验矩阵判断当前检测译码结果是否为正确码字，若是，输出步骤S4的当前检测译码结果，否则，进入步骤S7；

步骤S7、令t＝t+1，依据可靠度门限T_res判定集合U中的可靠变量节点、集合A中的可靠比特节点，计算可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差，并将可靠变量节点从集合U中移至集合V中、将可靠比特节点从集合A中移至集合B中，分别计算更新后的集合U中非可靠变量节点传递给观测节点的均值和方差、更新后的集合A中非可靠比特节点传递给校验节点的信息，进入步骤S2；

所述步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S31、计算集合U中变量节点x_l处来自观测节点的概率估计信息的均值与方差具体计算方式为：

其中，N_y(l)表示与集合U中的非可靠变量节点x_l相连的观测节点的集合；表示信道衰落系数的复共轭；

步骤S32、根据概率信息的均值与方差计算具体概率信息

步骤S33、计算在第t次迭代时，集合U中非可靠变量节点x_l的联合概率信息

其中，Z为集合s的归一化因子；

所述步骤S4具体包括如下步骤：

步骤S41、利用所有非可靠变量节点x_l的联合概率信息计算其对应的比特对数似然比

其中，分别表示与变量节点x_l相连的，使比特节点c_i取值分别为1和0的概率集合；

步骤S42、利用比特对数似然比将进行判决：

得到当前检测译码结果

所述步骤S7中，判定可靠变量节点和可靠比特节点的过程包括：

步骤S71、根据如下公式计算集合U中非可靠变量节点x_l的均值与方差

步骤S72、根据如下公式计算非可靠变量节点x_l的可靠性

步骤S73、对于集合s中所有θ_r，其计算出的均大于可靠度门限T_res，则判定其不可靠；若计算出的某一小于可靠度门限T_res，则判定该非可靠变量节点x_l为可靠变量节点，记为x_l″，与该可靠变量节点连接的非可靠比特节点c_i为可靠比特节点，记为c_i″。

2.根据权利要求1所述的一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据如下公式计算所述均值和方差

其中，j＝1,...,m，表示接收机接收到的第j个符号，N_x(j)表示与观测节点y_j相连的变量节点的集合，N_x(j)/l表示N_x(j)中除了x_l之外的变量节点的集合，h_jl'为多径信道的衰落系数，为集合N_x(j)/l中的非可靠变量节点x_l′传递到观测节点y_j的均值信息，为集合N_x(j)/l中的非可靠变量节点x_l′传递到观测节点y_j的方差信息，为接收机噪声方差；

由第v个校验节点e_v传递给集合A中的第i个非可靠比特节点c_i的对数似然比为：其中，v＝1,...,w，N_c(v)表示与校验节点e_v相连的比特节点的集合，N_c(v)/i表示N_c(v)中除了c_i之外的比特节点的集合，表示集合N_c(v)/i中的非可靠比特节点c_i′传递到校验节点e_v的对数似然比；

根据公式将对数似然比转换为非可靠变量节点x_l的符号概率信息其中，N_c(l)表示与集合U中的非可靠变量节点x_l相连的比特节点的集合。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，其特征在于：所述步骤S6中，LDPC码的校验矩阵为H^check，若则说明当前检测译码结果为正确码字，将该当前检测译码结果输出，否则，说明当前检测译码结果为非正确码字，进入步骤S7。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，其特征在于：所述步骤S7中，根据如下公式计算可靠的变量节点x_l″传递给观测节点y_j的均值与方差

5.根据权利要求1或2所述的一种基于因子图的MIMO-LDPC高效检测译码方法，其特征在于：所述步骤S7中，根据如下公式计算在第t次迭代时，更新后的集合U中非可靠变量节点x_l传递给观测节点y_j的均值和方差

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