科學家提出一種基於近似消息傳遞的信道容量逼近方法

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為多徑效應。多徑效應會導致順序發送的多個調製符號在接收端產生重疊，引起符號間干擾，從而給通信信號檢測與符號恢復帶來較大的困難。

為有效對抗惡劣信道的多徑干擾並逼近信道容量，中國科學院聲學研究所海洋聲學技術中心博士生李棟與其導師朱敏、武岩波，聯合東南大學教授陶俊共同提出了一種基於近似消息傳遞的信道容量逼近方法，完成了編碼、調製、均衡各部分之間的聯合優化與迭代處理，極大地縮小了與信道容量的差距。

相關成果近期發表於國際學術期刊IEEE Access。

科研人員通常採用Turbo均衡來對抗符號間干擾。它主要通過外部信息在解碼器與均衡器之間的迭代交互，實現符號與比特的準確恢復。經典的Turbo均衡方案中，通常選用固定的卷積碼、Turbo碼或LDPC碼等作為信道編碼，不能很好地匹配信道；均衡器多選用基於最小均方誤差準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，這種迭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，該均衡器可基於一定先驗信息利用快速傅里葉變換以準線性複雜度完全消除符號間干擾。之後，研究人員基於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迭代解碼的錯誤平層；外碼設計為不規則卷積碼（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，有效降低了迭代信噪比門限。最終，在接收端實現SAD-VAMP-SFDE、URC解碼器、IrCC解碼器的三階turbo迭代處理。

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為1.3 dB。

對實際水聲通信信道來說，其惡劣程度通常低於模擬所用的最差6徑信道（該信道下，信號的有效傳輸帶寬僅為信號設計帶寬的40%），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。

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迭代接收處理（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）

來源：中國科學院聲學研究所

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