专利名称：：未知噪声信息的多径衰落信道软判决度量生成方法
技术领域：
：本发明属于无线通信信道解码
技术领域：
，具体涉及一种在未知噪声信息的多径衰落信道环境中软判决度量生成方法。技术背景随着现代通信技术的发展，在移动及个人通信系统中对数据传输速率的要求越来越高。在频谱资源有限的条件下，提高频谱的利用率成了无线通信系统设计一个重要的问题。一种有效的提高频谱利用率的方法是在调制时采用多元的调制方式(如64QAM)，但在发射功率一定的情况下，采用多元调制会减小调制星座点之间的欧式距离，增加系统的误码率，因此在采用多元调制的系统中，均采用了性能优异的信道编码方式(如Turbo码或LDPC码)来弥补误码率的损失。为了使这些信道解码器更好的工作，在解映射时，均采用软判决技术来代替传统的硬判决技术，以保证信道解码器获得更多的信道信息。研究结果表明[7]，在加性高斯噪声(AWGN)信道中，软判决比硬判决解码要多2dB的软解码增益，而在衰落信道中的软判决增益则超过3dB。为了得到准确的软判决度量，除了接收到的符号信息外，还需要知道信道状态信息(CSI)。信道状态信息一般包含两方面的内容，一是信道的冲击响应向量(对于多载波系统，对应为每个载波位置处的信道增益)，二是加性高斯白噪声的噪声方差。信道的冲击响应向量或每个载波位置的信道增益可以通过各种信道估计算法获得。在加性高斯信道中，估计高斯白噪声的噪声方差的算法也已经得到广泛的研究[8]。对于无线通信中广泛存在的多径衰落信道，估计噪声方差的算法在文献中很少有所提及。本发明提出一种在多径衰落信道中估计时变噪声方差的方法，并利用估计结果来生成需要的软判决度量。
发明内容本发明的目的在于提出一种性能良好的在未知噪声信息的多径衰落信道环境中软判决度量生成方法。在接收机理想同步的情况下，接收到单个符号可以表示为少=OOC+f(1)其中"为信道在符号x处的复数增益，f为加性复高斯白噪声，；c和少分别为发送和接收到的符号。符号X所对应的比特信息中第z'位6,的对数似然比(LLR)信息的表达式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中/是满足6,二0的所有星座点，V是满足6,二l的所有星座点，^是高斯白噪声的方差。由于指数运算随着自变量的增大而迅速增加，因此在指数求和运算中，自变量最大的一项将对最后的结果占主导作用，因此式(2)可以近似表示为[4]:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中z=_y/fl为经过均衡后的符号。将分子中满足最大项的Z记为《，分子中满足最大项的？记为4。式(3)可以重写为"歸Xlz乂l2-lu:卩)'斗(4)在信道增益a与噪声方差一已知的情况下，式(4)为衰落信道中的最优软判决度量[9]。但是，一般说来，信道的噪声方差^对于接收机来说也是未知的，这意味着需要对它进行估计。本发明给出一种在多径衰落信道中估计噪声方差的方法，并利用估计结果生成软判决度量，使其尽可能的逼近最优软判决度量。具体步骤如下(1)建立系统模型在理想同步的情况下，具有多经衰落信道的系统模型可以用下式来表示[2]:y=Hx+￡(5)式中y是接收到的符号序列，为一个wi向量；H是由训练序列组成的循环矩阵，为一个满秩的^^矩阵，其中〃<";x是信道的冲击响应，为一个rxl向量；s是"xl信道噪声向量，其中每个噪声分量相互独立且方差相同，满足期望E[E]=0，方差Var(s)二Z=diag(2,<7〗"<)，且a，=<722=…=ff2=ex2;(2)估计信道噪声方差根据最小二乘估计，式(5)中的x的估计值i可以表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(6)记号"H"表示矩阵或向量的共扼转置。式(6)的估计误差可以表示为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(7)矩降KeH(HHH)—'HH，I为单位矩阵；对式(7)两边向量中的每一项求模的平方，可得|^|:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(8)其中".*"表示两个向量或矩阵中的对应项分别相乘，记号"X"表示复数A的共扼，％是矩阵K中第/行、第y列上对应的值，表达式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(9)A,表示矩阵H的第z'行数据；由于。的期望为0，并且观测噪声相互独立，对式(8)求期望，可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(10)E[e,^]中第/行的表达式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>声l特殊情况处理特别地，当K是实数矩阵时，式(ll)可以简化为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(11)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(12)假设c，t^7"根据式(12)，可得:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>根据式(13)，式(12)可以重写为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>即(72=五[《]/(1—(15)用算术平均值来代替式(15)中的期望，即得信道噪声方差^的估计<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)信道噪声方差跟踪在实际的通信系统中，噪声方差是时变的，需要对其跟踪，同时为了保证估计结果的稳定，采用一阶AR模型迭代的方法对估计结果进行处理，迭代计算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(17)式中，c^W表示利用^时刻及其以前所有时刻的观测值对噪声方差所做的估计，^表示f时刻利用式(16)对噪声方差的所做估计，/7是一个大于0小于1的常数。(4)软判决度量生成用式(17)计算的结果^flf)代替式(4)中的c72，就可以得到多径衰落信道环境下的软判决度量。在具体计算中，计算步骤分为以下几步1.根据式(8)建立系统模型；2.根据式(7)、式(8)计算leJ2，Z=l,2,…，"；3.根据式(9)计算、，i=l,2,...,m4.根据式(16)、式(17)对噪声方差进行估计和跟踪，计算^(屮)；5.用式(17)计算的结果WfU)代替式(4)中的一，根据(4)式计算软判决度量。技术效果本发明为一种在未知噪声信息的多径衰落信道环境中软判决度量的生成算法。通过对多径衰落信道中噪声方差的估计，来生成软判决度量。本文提出的软判决度量生成算法可以应用于DTMB系统[1]的外接收机中。图1为DTMB系统接收机框图。图2为不同噪声方差信息对应的信道解码器误码率曲线。图中标号1为IFFT(快速傅立叶逆变换)模块，2为多径衰落信道，3为同步模块，4为信道估计，5为FFT(快速傅立叶变换)模块，6为信道均衡模块，7为软判决模块，8为FEC模块，9为噪声方差估计模块。具体实施例方式下面通过仿真计算进一步描述本发明，具体仿真步骤如下1.发射机发送的数据符号经过多径衰落信道后，与高斯白噪声叠加，进入接收机。2.假设接收机理想同步，信道噪声方差的估计基于PN保护间隔来完成，即式(6)中的H为由PN序列组成的循环矩阵，由于PN序列特殊的性质P，使得式(7)中的矩阵K为实数阵，满足式(15)的表达形式。在仿真中，式(16)中的iV取为每帧数据中有效PN序列的长度(255)。利用式(16)对当前噪声方差进行估计。3.利用式(17)对累积噪声方差进行迭代更新。根据大量的仿真结果统计，式(17)中的p取为0.3时会在收敛速度和估计稳定性之间有一个良好的折中。4.将估计出的噪声方差代入式(4)，生成软判决度量，输入信道解码器。5.DTMB系统接收机框图，以及实现本文算法的模块在接收机中的位置如图1所示。仿真结果1.仿真条件在仿真中，均使用了64-QAM调制方式，采用的LDPC码为(7493,6096)码，码率为0.8。在仿真中，PN保护间隔的长度为420,使用的多经衰落信道模型如表l所示，且为准静态信道，即在一个OFDM符号的时间内，信道不发生变化。在仿真中，均假设理想同步与信道均衡，LDPC解码算法采用了文献[6]中的算法，最大迭代次数设定为50次。2.实验结果为了评估本文提出的信道噪声估计算法对信道解码器性能的影响，作者将多种不同的噪声方差信息输入软判决模块，对误码率进行对比，如图2所示。在图2中列出了6种不同的噪声方差信息输入软判决模块后对信道解码器性能的影响。设定每种信噪比环境下，真实的噪声方差为delta,图2中分别给出了输入软判决器的噪声方差信息为delta、0.2倍delta、0.6倍delta、1.4倍delta、1.8倍delta以及利用本文算法估计出的噪声方差deltaestimation时，DTMB系统的误码率曲线。从图2中可以看出，在输入软判决模块的噪声方差信息为真实噪声方差时，产生的软判决度量最优，信道解码器的性能最好；当软判决模块采用本文算法估计出的噪声方差时，解码器的性能与理想情况几乎一致，说明本文提出的信道状态信息估计算法具有良好的性能。而其它不准确的噪声方差信息都会对信道解码器的性能造成一定的影响。表1ETSI多径信道模型<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>参考文献GB20600-2006,《地面数字电视广播传输系统帧结构、信道编码和调制技术规范》，DigitalTerrestrialMultimediaBroadcasting,2006年第8号(总第95号)中国国家标准发布公告.[2]SusanD.Horn,RogerA.Horn,DavidB.Duncan.EstimationHeteroscedasticVariancesinLinearModels[J]JournaloftheAmericanStatisticalAssociation,1975,70(6》380-385[3]BoweiSong，LinGui,YunfengGuanandWenjunZhang.OnChannelEstimationandEqualizationinTDS-OFDMbasedTerrestrialHDTVBroadcastingSystem[J].IEEETrans.onConsumerElectronics.2005,51(8):790-797[4]MichaelMaoWang,WeiminXiaoandTylerBrown.SoftDecisionMetricGenerationforQAMWithChannelEstimationError[J].IEEETrans,onCommunications,2002,50(7):1058-1061.王勇，艾渤，葛建华.数字电视地面广播COFDM传输中的软判决技术[J].通信学报，2003,24(9):73-79.Xiao-YuHu，Eleftheriou,E.ArnoldandDholakia,A.Elftheriou.EfficientImplementations9oftheS腦-ProdectAlgorithmforDecodingLDPCCodes[J].IEEEGlobalTelecommunicationsConference,2001，2(11》1036-2036E[7]JeanWQChangKH,GhoYS.AnEqualizationTechniqueforOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingSystemsinTimeVariantMulti-pathChannels[J].IEEE.Trans.OnCommunications.1999,47(1):27-32.[8]DavidR.PauluzziandNormanC.Beaulieu.AComparisonofSNREstimationTechniquesforAWGNChannel[J].IEEETranOnCommunications.2000,48(10):1681-1691.[9]MoeRahnema,YezdiAntia,HughersNetworkSystems.OptimumSoftDecisionDecodingwithChannelStateInformationinthePresenceofFading[J].IEEECommunicationsMagazine,1997,35(7):110-111.权利要求1、一种未知噪声信息的多径衰落信道软判决度量生成方法，在接收机理想同步的情况下，接收到单个符号表示为y＝ax+ε(1)其中a为信道在符号x处的复数增益，ε为加性复高斯白噪声，x和y分别为发送和接收到的符号；符号x所对应的比特信息中第i位bi的对数似然比LLR信息的表达式为全文摘要本发明属于无线通信信道解码
技术领域：
，具体为一种未知噪声信息的多径衰落信道软判决度量生成方法。信道解码中的软判决技术需要利用信道噪声方差信息来产生软判决度量，而通常情况下，这一信息是未知和/或时变的。本发明提出一种在多径衰落信道中估计噪声方差的方法，即利用每帧发送数据中的训练序列，对信道噪声方差进行估计；并利用一阶AR模型的迭代算法，对噪声方差的估计结果进行更新，然后利用该更新结果产生软判决度量。该方法在DTMB系统中的应用结果表明生成的软判决度量逼近于多径衰落信道的最优软判决度量，具有良好的性能和可实现性。文档编号H04L1/00GK101227252SQ20071017330公开日2008年7月23日申请日期2007年12月27日优先权日2007年12月27日发明者张建秋,晋赵申请人:复旦大学;上海复旦微纳电子有限公司