Ldpc调制系统的联合迭代接收机线性优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种LDPC调制系统的联合迭代接收机线性优化方法，属于编码调制【技术领域】。本发明提出了一种基于UMP-BP算法的简化迭代解调/解码方案并对其进行了优化。发明首先根据推广互信息最大化原则对解调器输出的初始信道LLR进行优化；并且在迭代过程中，根据匹配LLR信息应满足的连续性条件，对LDPC码的校验节点按照UMP-BP算法输出的LLR值进行优化。该优化方案使得对初始信道信息非常敏感的接收机可获取更可靠的初始迭代信息，并且可提高校验节点输出LLR信息的准确性，从而提高LDPC编码调制系统迭代接收机的性能。该发明为LDPC编码调制系统提供了一种运算复杂度较低且性能较优的迭代接收优化方案。
【专利说明】LDPC调制系统的联合迭代接收机线性优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种LDPC调制系统的联合迭代接收机线性优化方法，属于编码调制
【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 各种通信系统中，传输比特受信道随机噪声的影响而产生随机错误。理论和实践 证明，通过引入冗余度来提供传输可靠性的纠错编码方法是一类行之有效的手段。而近年 来引入的Turbo码和低密度校验（Low-Density Parity-Check, LDPC)码是至今发现的纠错 能力最强的编码方案之一。相比于Turbo码而言，LDPC码的设计更为灵活，LDPC码解码算 法的全并行结构使得设计高吞吐率的LDPC解码器更容易。因此，未来通信系统中有关信道 编码的标准化大都选用LDPC码。
[0003] 由于LDPC码的灵活性和有效性，基于LDPC码的编码调制系统正成为一个重要的 研宄方向。比特交织编码调制（BICM)通过将纠错编码、比特级的交织器和高阶调制串行级 联起来，能够有效增进编码调制的时间分集效果，提高通信系统的带宽和功率效率，是移动 通信中的关键技术之一。
[0004] 为了进一步提高BICM系统在AWGN和衰落信道下的性能，文献[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系统的迭代解调/解码算法，即将解调器和译码 器看作是两个独立的单元，在两个单元之间交换软信息进行迭代解调/解码。针对LDPC编 码的BICM系统，Brink进而提出了一种新的联合迭代解调/解码算法[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]，将解调器和 LDPC码的变量节点译码器看作一个单元，而把LDPC码的校验节点译码器看作另一个单 元，两者之间交换软信息进行迭代解调解码。类似的LDPC-BICM系统的联合迭代接收算 法可参见文献[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，对于LDPC码编码调制系统，这种联合解调/解码一体化的算法不仅计算复杂度低于传 统的解调/解码算法，且性能也优于传统算法。
[0005] 在LDPC编码的BICM系统的迭代解调/解码接收机中，BP迭代对于初始信道信 息非常敏感，而实际系统中为了减小计算复杂度多采用次优的解调算法，比如Max-LogMAP 解调算法，导致其输出的比特LLR值不能反映出对应比特子信道的真实条件转移概率。文 献[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]把这种软解调器称之为是不匹配的BICM接收 机，即其对应输出的LLR和比特信道转移概率是不匹配的。如果直接将该不匹配的LLR作 为信道先验信息传递给下级信道解码器，会造成解码器的解码性能劣化，尤其对于对初始 迭代信息异常敏感的BP解码器更是如此。因此有必要对软解调器的不匹配输出LLR值进 行优化后再进行联合迭代解调/解码。
[0006] 校验节点的计算是决定BP解码计算复杂度的主要因素。为了降低运算复杂度， 文献[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.]针对 LDPC 码的解码提出了 简化的 UMP-BP算法，但性能比起BP算法，有一定的劣化。尤其对于列重较大的LDPC码，性能 会差 ldB 以上。文献[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，是因为简化后的 校验节点计算导致其输出的LLR值的准确性相比于BP算法有所下降，其LLR的幅值因为简 化运算被放大了。因此，为了提高UMP-BP的性能，并由此提出了一种优化UMP-BP算法，将 校验节点输出的LLR值除以一个大于1的归一化因子，但该因子的计算需要对校验节点分 别按照BP算法和UMP-BP算法的输出LLR值进行统计得到各自的均值，二者进行相除得到 归一化因子。该方法复杂性较高，且性能有待进一步提高。在LDPC编码的BICM系统中，本 发明提出在接收端采取的联合迭代解调/解码方案中，校验节点的计算采用UMP-BP算法以 减小接收机的运算复杂度，并且为了提高其性能，对校验节点的输出LLR值进行优化。
[0007] 现有BICM接收机的LLR值线性优化方法主要有两种：一种是统计各比特子信道 LLR，利用直方图计算出各层比特LLR值的条件概率密度函数（pdf)，根据匹配LLR值应满足 的连续性条件（可参考文献[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.])计算各层优化因子；另一种是米 用推广互信息（GMI)最大化原则进行计算，即匹配的LLR拥有最大的GMI值，（可参考文 献[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 该方法搜索 各层优化因子或分段线性函数，使其对应比特子信道的互信息量达到最大值。该方法可获 得逼近BICM容量的最佳优化性能，但和第一种方法一样，仍需要计算各层比特LLR值的条 件概率密度函数，因此两种方法的计算复杂度都比较高。在实际系统中，有必要对其进行简 化。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种LDPC编码调制系统的联合迭代解调/解 码接收机的线性优化方法，该方法能够以相对较低的计算复杂度代价，使得对初始信道信 息非常敏感的接收机可获取更可靠的初始迭代信息，并且可提高校验节点输出LLR信息的 准确性，从而提高LDPC编码调制系统联合迭代接收机的性能。
[0009] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：将解调器和LDPC码的变量节点 译码器看作一个单元，而把LDPC码的校验节点译码器看作另一个单元，两者之间交换软信 息进行迭代译码。
[0010] 本发明提供一种LDPC编码调制系统的联合迭代解调/解码接收机的线性优化方 法，所述LDPC编码调制系统的接收端包括解调器和BP译码器，BP译码器包括变量节点和 校验节点，具体步骤如下：
[0011] 步骤1，首先，解调器对接收信道符号按照Max-LogMAP算法计算出各层子信道比 特LLR值；其次，采用推广互信息最大化原则计算各层子信道的优化因子，将其分别与对应 各层子信道比特LLR值相乘，得到优化后的各层子信道比特LLR值；最后，将优化后的各层 子信道比特LLR值作为初始信道信息为变量节点赋迭代初值；
[0012] 步骤2,首先，变量节点将迭代初值传递至校验节点；其次，校验节点根据变量节 点传递的迭代初值按照UMP-BP算法计算输出LLR值；再次，将校验节点输出LLR值乘以按 LLR值的连续性条件计算出的优化因子，得到优化后的校验节点输出信息；最后，将优化后 的校验节点输出信息作为各层子信道的比特先验信息传递给解调器进行逐符号解调；
[0013] 步骤3,变量节点根据步骤1中的初始信道信息、步骤2中解调器逐符号解调后的 输出信息以及优化后的校验节点输出信息，计算并输出后验LLR值以及判决用LLR值；若判 决用LLR值的硬判结果满足所有校验式，则将其作为译码结果，否则，若未达到最大迭代次 数则返回步骤3,若达到最大迭代次数，则译码失败。
[0014] 作为本发明的进一步优化方案，步骤1中采用推广互信息最大化原则计算各层子 信道的优化因子，具体为：将使各层子信道比特与接收的信道符号之间的推广互信息量达 到最大值的搜索因子作为各层子信道的优化因子。
[0015] 作为本发明的进一步优化方案，各层子信道比特与接收的信道符号之间的推广互 信息量的表达式如下：
【权利要求】
1. LDPC调制系统的联合迭代接收机线性优化方法，所述LDPC调制系统的接收端包括 解调器和BP译码器，BP译码器包括变量节点和校验节点，其特征在于，包括以下具体步骤： 步骤1，首先，解调器对接收信道符号按照Max-LogMP算法计算出各层子信道比特LLR值；其次，采用推广互信息最大化原则计算各层子信道的优化因子，将其分别与对应各层子 信道比特LLR值相乘，得到优化后的各层子信道比特LLR值；最后，将优化后的各层子信道 比特LLR值作为初始信道信息为变量节点赋迭代初值； 步骤2,首先，变量节点将迭代初值传递至校验节点；其次，校验节点根据变量节点传 递的迭代初值按照UMP-BP算法计算输出LLR值；再次，将校验节点输出LLR值乘以按LLR 值的连续性条件计算出的优化因子，得到优化后的校验节点输出信息；最后，将优化后的校 验节点输出信息作为各层子信道的比特先验信息传递给解调器进行逐符号解调； 步骤3,变量节点根据步骤1中的初始信道信息、步骤2中解调器逐符号解调后的输出 信息以及优化后的校验节点输出信息，计算并输出后验LLR值以及判决用LLR值；若判决用 LLR值的硬判结果满足所有校验式，则将其作为译码结果，否则，若未达到最大迭代次数则 返回步骤3,若达到最大迭代次数，则译码失败。
2. 根据权利要求1所述的LDPC调制系统的联合迭代接收机线性优化方法，其特征在 于，步骤1中采用推广互信息最大化原则计算各层子信道的优化因子，具体为：将使各层子 信道比特与接收的信道符号之间的推广互信息量达到最大值的搜索因子作为各层子信道 的优化因子。
3. 根据权利要求2所述的LDPC调制系统的联合迭代接收机线性优化方法，其特征在 于，各层子信道比特与接收的信道符号之间的推广互信息量的表达式如下： =1 -￡ \.> (l〇g2(1 +cxP(-哪汍(^))4v/0')'sO) (I) 式中，为第i层子信道比特Bi与接收的信道符号Y之间的推广互信息量，其值与 搜索因子S有关，s> 〇 ;X为调制符号；EX，Y( ?)为数学期望；乂V)为对接收的信道符号 按照Max-LogMP算法计算出的第i层子信道比特LLR值；h⑴是匕,〇 )对应的硬判值，若 (a./(.v )>0，bi⑴=1 ;反之MX) = 0 ;sgn( ?)为符号函数，当bJX) = 1 时，SgnODi(X)) =1 也⑴=0 时，SgnODi(X)) = -1。
4. 根据权利要求3所述的LDPC调制系统的联合迭代接收机线性优化方法，其特征在 于，对各层子信道的比特与接收符号之间的推广互信息量的表达式进行简化，具体为： 将公式1中的数学期望Ex，Y(〇简化为算术平均值，则调制符号X的第i层子信道比 特Bi与接收的信道符号Y之间的推广互信息量..rG)的表达式简化为：
式中，Ni为统计的对接收的信道符号按照Max-LogMP算法计算出的第i层子信道比特LLR值的数目。
5. 根据权利要求1所述的LDPC编码调制系统的联合迭代解调/解码接收机的线性优 化方法，其特征在于，步骤2中按LLR值的连续性条件计算出的优化因子a采用以下方法 离线计算得到： 在编码调制系统的计算机模拟系统中，发送端发送试验序列，该试验序列的信息比特 为O和1的概率相同，校验节点按UMP-BP算法计算输出LLR值r，并对其进行直方图统计，得 到条件概率分布曲线'A户|1)和/^〇i〇)，其中，riu是校验节点输出的第k个接收的信 道符号的第i层子信道比特LLR值，bti是调制符号Xk的第i层子信道比特，b {0, 1}， (7I1)为当bU为1时r的条件概率分布曲线，(7'lQ)为当bU为〇时r的条件概率
【文档编号】H04L27/34GK104506278SQ201410834234
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】黄平, 谭国平, 李岳衡, 居美艳 申请人:河海大学