[发明专利]基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置与方法

摘要

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置与方法。本发明采用基于IDMA的自由空间激光通信发射与接收系统模型，信号在发射机经过前向编码器编码、交织器交织并调制后发射，在接收机中通过ESE和DEC解码器，利用最优贝叶斯多用户软检测算法，更新接收信号的先验信息，降低多用户干扰，对信号实现迭代软解调。本发明装置包括基于IDMA的自由空间激光通信发射机与接收机两部分。本发明对多用户干扰有良好的抑制效果，并在一定程度上抵抗大气湍流的影响，可广泛运用到物联网组网高速数据传输场景中。

主权项

1.一种基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测的装置，其特征在于，采用基于串行级联检测的单用户激光通信发射机与基于串行级联检测的单用户激光通信接收机；其中：所述基于串行级联检测的单用户激光通信发射机，包括前向编码器FEC、交织器Π、调制器与激光器；原始比特流经过前向编码器FEC进行前向编码，随后通过交织器Π进行信号的随机交织，接着通过调制器将交织码片序列映射为时隙序列，用于驱动激光器并通过信道形成发射信号；所述基于串行级联检测的单用户激光通信接收机，包括接收孔径、光滤波器、光子分辨率计数器PNRD以及由基本信号检测ESE、交织器/解交织器、译码器DEC组成的迭代检测译码模块；接收的信号经过接收孔径、光滤波器以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列；迭代检测译码模块中的基本信号检测ESE用于实现对接收光信号的解调，初始用户的先验信息为0，利用输入时隙光子数测量值，计算输出码片外信息；译码器DEC为基于SISO的译码器，用于实现前向编码器FEC编码的解码过程，最终输出为比特后验对数似然比；迭代检测译码模块中交织器与解交织器用于实现解调/译码的迭代过程中码片之间外信息交换，进行交织与解交织工作，进行一定迭代次数后完成用户数据检测；基本信号检测ESE中采用基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测算法；基于IDMA的自由空间激光通信发射机中，设发送端有K个用户，每个用户的发射机中交织器Π是唯一的，第k个用户的传输比特流{bk(i)；i＝1,2,...,Ibit}经过前向编码器FEC编码得{ck(i)；i＝1,2,...,Ichip}，再经过交织器Π得到码片序列{Πk(i)；i＝1,2,...,Ichip}，之后经过调制器映射为时隙序列{sk(i)；i＝1,2,...,Ichip}，时隙序列驱动激光器发送激光脉冲信号，最后经过信道HK×1发送出去；发射机支持k个用户的多通道码流合并传输，每个用户的信号基于IDMA系统进行PPM调制；基于IDMA的自由空间激光通信接收机中，根据自由空间信道模型，以Laguerre分布为信道建模；在接收机端，K个用户的激光信号经过接收孔径，光滤波器，以及光子分辨率计数器PNRD测量输出时隙光子数序列r；根据用Laguerre信道模型，光子分辨率计数器PNRD的输出光子数量满足Laguerre分布，在时隙时间(0,Tslot)内接收端的接收场包括光信号、背景辐射与高斯白噪声，这样的复合信号通过光滤波器后再通过具有量子效率为η、暗计数为υ、理想光子数分辨率的光子分辨率计数器PNRD进行光子计数；假设接收机中的光滤波器带宽为2B，时隙时间(0,Tslot)内计数的输出为r的概率密度函数为：其中，计数维数D＝2BT_slot，λ＝n_s·I·s+n_b为接收端输入信号平均光子数，I为接收光信号强度，为发送光脉冲时等效发送光子数，P_T为交织码片为“1”的信号功率，h为普朗克常数，f为光子频率，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，P_b为背景光平均功率；光子分辨率计数器PNRD输出的第m个符号的第i时隙内平均光子数为λm,i：其中，为第k个用户的第m符号的第i个发送时隙的光时隙信号值，η为量子效率，n_s为发送光脉冲时等效发送光子数，I_k为第k个用户到达接收端的信道光衰落强度，n_b＝P_bT_slot/hf为时隙时间下等效背景辐射光子数，υ为暗计数；光子分辨率计数器PNRD首先输出1×l_slot维接收光子数序列r，基本信号检测ESE根据接收光子数序列r与本次K个用户的交织比特先验软信息矩阵进行多用户检测/软解调，得到交织比特外信息矩阵后续进行的解交织器的解交织、译码器的译码以及交织器的交织过程是各自相互独立的、并行处理机制，译码器输出K个用户码片外信息，经交织器进行交织，得到下一次迭代的交织码片先验信息ESE在下一次迭代过程中利用初次数据块检测的结果r和更新的值，进行一定迭代次数后完成多用户数据接收；接收机的ESE中采用基于最优贝叶斯的多用户迭代软检测算法，具体流程如下：对应于Q‑ary PPM调制下的OB–MUD算法，第k个用户的第m个符号对应的码片集合为所以K个用户的第m个符号集合为{π_1,m,π_2,m,...,π_K,m}，第k个用户的第m符号对应的时隙集合为K个用户的第m个符号对应的时隙集合为{s_1,m,s_2,m,...,s_K,m}；假设发射光源的空间分布近似独立，各个用户的时隙之间无相关性，同样因为交织的置乱作用，各个用户的码片之间也是不相关性的，记为第m符号的第q个交织码片的K个用户码片信息组合，记第m符号的K个用户符号信息组合后续描述中下标m省略；ESE中的外软值信息为：其中，代表矢量v^q消去元素的子向量，定义相应的符号集合变为第k个用户对应码片集经Q‑ary PPM映射为Q个时隙将时隙索引1到Q对应的K个用户时隙分别以矢量进行标记，有：则式(3)变换为：这里，D₀和D₁分别表示码片与时对应的时隙值集合，和分别表示码片取1或者0的时候对应的时隙为1的位置i集合，为码片集π_k去掉的集合；根据假设传输信道为无记忆信道，以及码片之间是近似无相关性，则条件概率项写成：信道矩阵为H，根据Laguerre的PNRD的光子计数过程中的P(ri|sloti)表示为：其中，与分别表示第i个时隙时间内第k个用户的时隙信号为0和1的光子分辨率计数器PNRD输出端的平均光子数，根据Laguerre多项式的近似表达式的推导并结合先验信息的推导公式，得到更细化的ESE的外似然对数比信息表达式为：其中，根据Jacabian原理，上式简化为求最大值算法：