本發明專利技術提供一種在多波束移動衛星通信系統中利用基于因子圖的消息傳遞算法，實現分布式的多用戶下行聯合預編碼的方法。所提方案為一種混合消息傳遞算法，迭代過程中同時采用漸進消息傳遞（AMP,approximate?message?passing）算法和干擾消除置信傳播（IC?BP,interference?cancelation?belief?propagation）算法估計預編碼信號的后驗概率分布，并對兩種算法估計出的后驗概率分布進行評估，并返回質量更好的估計結果進行下一次迭代運算，最后將各波束的預編碼信號的后驗概率分布的期望作為最終的估計值，用于發送。
【技術實現步驟摘要】
多波束移動衛星通信系統多用戶下行聯合預編碼方法
本專利技術涉及一種分布式的多用戶下行聯合預編碼的方法，適用于多波束同頻組網的移動衛星通信系統。
技術介紹
多波束移動衛星通信系統中采用同頻組網可以最大化系統頻譜利用率，但是波束間干擾可能嚴重降低系統性能。為了抑制下行信號波束間的干擾，目前主要考慮采用臟紙編碼(DPC,Dirtypapercoding)和正則化破零預編碼(RZFC,Regularizedzero-forcingprecoding)技術。雖然DPC和RZFC可以有效抑制波束間干擾，發揮同頻組網頻譜利用率高的優勢；但是DPC不易實現，而RZFC需要完成矩陣求逆，運算復雜度較高，不適用于波束非常多的移動衛星通信系統。利用消息傳遞算法可以將復雜的預編碼運算轉化為大量具有相似運算過程的小型運算，并利用分布式小型運算單元完成，是一種便于實現的解決方案。所提方案為一種分布式預編碼方法，可用于波束非常多的移動衛星通信系統。
技術實現思路
本專利技術的目的是在多波束移動衛星通信系統中，實現基于消息傳遞算法的多用戶下行聯合預編碼。傳統的正則化預編碼，需要進行矩陣求逆運算，當波束非常多時難以實現。將復雜的運算拆解為大量小型運算，用分布式的小型運算單元實現，可以有效降低實現難度。所提方案，即為一種分布式的多用戶下行聯合預編碼方法。本專利技術為一種，在多波束移動衛星通信系統中，利用基于因子圖的消息傳遞算法，實現多用戶下行聯合預編碼的方法，具體為：1采用基于因子圖分析各波束預編碼信號的后驗概率分布。2在用因子圖分析各波束預編碼信號的后驗概率分布的基礎上，利用AMP算法估計各波束預編碼信號的后驗概率分布。3在用因子圖分析各波束預編碼信號的后驗概率分布的基礎上，利用IC-BP算法估計各波束預編碼信號的后驗概率分布。4采用混合算法優化各波束預編碼信號的后驗概率分布估計。5利用后驗概率分布的期望，作為各波束預編碼信號的估計值用于發送。利用因子圖可以根據用戶與波束間的相關性分析各波束預編碼信號的后驗概率分布，便于采用分布式的算法計算各波束預編碼信號的后驗概率分布。假設發送信號服從高斯分布，則各波束預編碼信號也服從高斯分布。然后利用貝葉斯公式和信道狀態信息，采用AMP算法估計各波束預編碼信號的后驗概率分布。下行鏈路中，各波束所發送信號互為干擾信號，估計波束預編碼信號后驗概率分布為一個相互矯正的過程(或者說是一個迭代消息傳遞過程)。初始化時，令各波束預編碼信號的后驗概率分布的期望為0，方差為1，然后通過AMP算法更新各波束預編碼信號的期望和方差。通過多次迭代反復更新各波束預編碼信號的后驗概率分布估計，可以使各信號的概率分布信息逐步趨于準確。另外，可以通過IC-BP算法粗略估計各波束預編碼信號的后驗概率分布。不考慮在準確獲知干擾信號的概率分布函數的基礎上，準確估計各波束預編碼信號的后驗概率分布函數。而是只考慮干擾信號的功率影響，即只考慮干擾信號的期望和方差，并在此基礎上粗略估計預編碼信號后驗概率分布。干擾消除估計預編碼后驗概率分布在低信噪比環境下可以獲得較好性能，而在高信噪比環境下則較差。為了最大化AMP算法和IC-BP算法的能力，在迭代過程中考慮同時采用兩種算法。對兩種算法得到的后驗概率分布期望進行評估，假設將該后驗概率分布的期望作為發送信號，使其通過信道并與未編碼信號進行比較。未編碼信號即為需要傳輸的信號，與未編碼信號間的均方誤差較小，則視為質量更好的輸出。選擇相應的后驗概率分布估計結果，并返回進行下一次迭代。本專利技術具有如下優點：1可分布式實現，且運算復雜度大大小于傳統正則化線性預編碼技術。2混合算法在任意信噪比環境下，都可以更加快速準確地估計出各波束預編碼信號的后驗概率分布。附圖說明圖1是多波束移動衛星通信系統下行鏈路系統框圖。圖2是各波束預編碼信號后驗概率分布的因子圖。圖3是混合算法流程圖。具體實施方法假設下行信道狀態信息已知，用矩陣Z表示。如圖1所示，令未經過預編碼信號為s，經過預編碼后信號為x，各用戶接收信號為y，則下行鏈路可表示為y＝Zx+n(1)其中n為加性高斯白噪聲。預編碼的目標是讓y盡可能接近s，在理想情況下，可以實現如下傳輸s＝Zx+n(2)在未實現預編碼之前，x可以視為隨機變量，給定s的后驗概率分布為f(x|s)。如果可以求出f(x|s)，則可以將其期望作為預編碼信號進行發送。這里用m和n分布代表用戶m和波束n。其中假設用戶m發送的信號只能被集合中的波束接收，波束n則只能接收集合中用戶的信號。圖2為預編碼信號后驗概率分布f(x|s)的因子圖。假設系統知道發送信號x的先驗概率分布f(x)和信道狀態信息f(s|x)則可利用貝葉斯公式得到x的后驗概率分布f(x|s)。假設x的先驗和后驗概率分布均服從高斯分布，則只需知道f(s)和f(s|x)的期望、方差，即可計算出f(x|s)。1、利用AMP算法估計各波束預編碼信號的后驗概率分布期望和方差在用因子圖分析各波束預編碼信號的后驗概率分布的基礎上，通過AMP算法估計各波束預編碼信號的后驗概率分布的期望和方差。用qn→m＝(μn,νn)表示圖2中波束n希望傳遞給用戶m的消息，pm→n＝(εm,χm)表示用戶m傳遞給波束n的消息。它們的初始值分別為用結合信道狀態信息更新如下式所示，其中zm,i為信道狀態矩陣Z(信道狀態信息)中的元素，為加性噪聲方差。返回更新如下式所示，其中和為，迭代檢測s后驗概率分布的過程中，首先初始化和然后利用和信道狀態信息更新并用后驗概率分布矯正先驗概率分布，即用更新如此循環，通過反復校正和可使盡量接近后驗概率分布實際的期望和方差。2、利用IC-BP算法估計各波束預編碼信號的后驗概率分布期望和方差IC-BP算法同樣在用因子圖分析各波束預編碼信號的后驗概率分布的基礎上，估計各波束預編碼信號的后驗概率分布的期望和方差。同樣令qn→m＝(μn,νn)表示圖2中波束n希望傳遞給用戶m的消息，初始值為令表示用戶m傳遞給波束n的消息，不需要定義初始值。利用更新方法為利用更新方法為同樣通過反復矯正和可使盡量接近后驗概率分布實際的期望和方差。3、混合算法估計各波束預編碼信號的后驗概率分布期望和方差。如前所述，AMP算法和IC-BP算法均通過分布式迭代運算更新μn和νn，使其趨近于f(x|s)的期望和方差。AMP算法可以準確趨近于f(x|s)的期望和方差，但是收斂速度較慢，尤其當信噪比較高時。IC-BP算法收斂較快，但收斂后不能準確趨近于f(x|s)的期望和方差。在迭代過程中混用兩種方案，則可以即快速又準確的得到f(x|s)的期望和方差。實現方法為，同時采用AMP算法和IC-BP算法完成運算，并對兩種方案輸出的u＝[μ1,...,μN]T進行評估，評估方法為計算u通過信道之后與s之間的均方誤差，計算表達式為||Zu-s||2，其中||·||2表示求2范數。選擇均方誤差較小的u和相應的v，作為代入下一次迭代。4、將混合算法所估計的各波束預編碼信號的后驗概率分布的期望u，作為最終的估計值發送。本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種多波束移動衛星通信系統多用戶下行聯合預編碼方法，所述方法利用基于因子圖的消息傳遞方法，具體步驟為：A.采用基于因子圖的漸進消息傳遞(AMP,approximate?message?passing)算法，迭代估計預編碼信號的后驗概率分布；B.采用基于因子圖的干擾消除置信傳播(IC?BP,interference?cancelation?belief?propagation)算法，迭代估計預編碼信號的后驗概率分布；C.在迭代過程中同時采用AMP算法和IC?BP算法估計預編碼信號的后驗概率分布，并對兩種算法的估計結果進行評估，將質量較好的估計結果代入下一次迭代。通過混合迭代運算，優化后驗概率分布估計；D.將預編碼信號的后驗概率分布的期望作為最終的估計值。
【技術特征摘要】
1.一種多波束移動衛星通信系統多用戶下行聯合預編碼方法，所述方法利用基于因子圖的消息傳遞方法，具體步驟為：A.采用基于因子圖的漸進消息傳遞算法AMP，迭代估計預編碼信號的后驗概率分布；B.采用基于因子圖的干擾消除置信傳播算法IC-BP，迭代估計預編碼信號的后驗概率分布；C.在迭代過程中同時采用AMP算法和IC-BP算法估計預編碼信號的后驗概率分布，并對兩種算法的估計結果進行評估，將質量較好的估計結果代入下一次迭代；通過混合迭代運算，優化后驗概率分布估計；D.將預編碼信號的后驗概率分布的期望作為最終的估計值。2.根據權利要求1所述的下行聯合預編碼方法，所述步驟A中AMP算法迭代估計預編碼信號后驗概率分布的方法，具體為：AMP算法利用因子圖分析各波束所發送預編碼信號與干擾信號的關系，并根據干擾信號的概率分布函數和信道狀態信息估計相應預編碼信號的后驗概率分布；估計各波束預編碼信號的后驗概率分布時，需要傳遞干擾信號的概率分布函數，然后通過求邊緣概率分布函數估計預編碼信號的后驗概率分布；所述過程需要返回所估計預編碼信號的后驗概率分布，是一個迭代過程，迭代次數越多則估計越準確。3.根據權利要求1所述的下行...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高西奇，楊楊，江彬，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32
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