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一種基于近似消息傳遞的信道容量逼近方法
2019/05/09 | 作者:海洋声学技术中心 李栋 | 【 【打印】【關閉】

  對通信系統而言,信號從發射端經過多個路徑抵達接收端的傳播現象稱爲多徑效應。多徑效應會導致順序發送的多個調制符號在接收端産生重疊,引起符號間幹擾,從而給通信信號檢測與符號恢複帶來較大的困難。

  为有效对抗恶劣信道的多径干扰并逼近信道容量,声学所海洋声学技术中心博士生李栋与其导师朱敏研究员、武岩波研究员,联合东南大学陶俊教授共同提出了一種基于近似消息傳遞的信道容量逼近方法,完成了编码、调制、均衡各部分之间的联合优化与迭代处理,极大地缩小了与信道容量的差距。

  相關成果近期發表于國際學術期刊 IEEE Access

  科研人員通常采用Turbo均衡來對抗符號間幹擾。它主要通過外部信息在譯碼器與均衡器之間的叠代交互,實現符號與比特的准確恢複。經典的Turbo均衡方案中,通常選用固定的卷積碼、Turbo碼或LDPC碼等作爲信道編碼,不能很好地匹配信道;均衡器多選用基于最小均方誤差准則優化的線性均衡器、判決反饋類均衡器等。綜合來說,在惡劣信道下,這種叠代接收方案的性能與信道容量有較大差距。

  研究人員提出一種由半自適應阻尼(SAD, semi-adaptive damping)調節的向量近似消息傳遞頻域軟均衡器(VAMP-SFDE, vector approximate message passing-based soft frequency-domain equalizers),在低信噪比情況下,該均衡器可基于一定先驗信息利用快速傅裏葉變換以准線性複雜度完全消除符號間幹擾。之後,研究人員基于均衡器的外部互信息轉移(EXIT, extrinsic information transfer)曲線進行了內碼與外碼的設計與優化。內碼引入單位速率碼(URC, unity-rate code)形成有記憶映射以消除叠代譯碼的錯誤平層;外碼設計爲不規則卷積碼(IrCC, irregular convolutional code),通過多分量碼加權組合來匹配均衡器與內碼級聯的EXIT曲線,有效降低了叠代信噪比門限。最終,在接收端實現SAD-VAMP-SFDEURC譯碼器、IrCC譯碼器的三階turbo叠代處理。

  研究結果顯示,在6徑最小距離惡劣信道下,系統性能與最大可實現速率信噪比差距僅爲1.3 dB

  

  逼近容量收發機系統框圖(圖/中科院聲學所)

  

  逼近容量收發機接收端三階turbo叠代接收處理(左)外部互信息轉移圖與(右)誤比特率性能曲線(圖/中科院聲學所)

  對實際水聲通信信道來說,其惡劣程度通常低于仿真所用的最差6徑信道*,但其多徑時延擴展更長。而所提出方法的複雜度低且不受信道多徑長度的影響,因此該方法在水聲通信系統中具有良好的應用前景。下一步研究人員將驗證該方法在實際水聲通信系統中的優勢,進一步提升惡劣水聲信道下水聲通信系統的通信速率與性能並降低系統功耗。

  本研究得到國家自然科學基金(No. 61471351, 61871114)與國家重點研發計劃(No. 2016YFC0300300)資助。

  * 該信道下,信號的有效傳輸帶寬僅爲信號設計帶寬的40%

  關鍵詞:

  頻域Turbo均衡;向量近似消息傳遞;容量逼近方法

  參考文獻:

  LI Dong, WU Yanbo, TAO Jun, ZHU Min. Performance Analysis and Improvement for VAMP Soft Frequency-Domain Equalizers. IEEE Access. 2019, 7: 42495-42506. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2907326.

  論文鏈接:

  https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2907326

 
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