欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

MIMO检测2-基于马尔科夫随机场的置信传播算法-LLR形式

2022-09-24 23:28 作者:乐吧的数学  | 我要投稿


我看到的参考文献和书籍,基本上都是用上面这套公式的。在实践中,经常需要对数似然比的数据,给都下游环节做例如信道解码等工作。用对数似然比的公式,可以简化其中的一些步骤(例如归一化等),减少乘法的使用。

下面,我们从公式 (8) 出发,推导一个基于对数似然比的公式,这是很多教材和论文中没有的。

%5Cbegin%7Baligned%7D%0ALLR(b_i(x_i))%20%26%3D%20ln%20%5Cfrac%7Bb_i(x_i%3D1)%7D%7Bb_i(x_i%3D-1)%7D%20%3D%20ln%20%5Cfrac%7B%20%5Cphi_i(x_i%3D1)%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%7D%20m_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%20%20%20%7B%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%7D%20m_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%20%7D%20%20%5C%5C%0A%26%3D%20ln%20%5Cfrac%7B%20%5Cphi_i(x_i%3D1)%20%20%7D%7B%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%7D%20%20%20%20%2B%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%7D%20ln%20%5Cfrac%7Bm_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%7D%7Bm_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%20%5C%5C%0A%26%3D%20LLR(%5Cphi_i(x_i))%20%2B%20%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%7D%20LLR(m_%7Bk-%3Ei%7D(x_i))%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%5Cquad%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(9)%0A%5Cend%7Baligned%7D
我们继续来推导公式 (9) 中 LLR(m_%7Bk-%3Ei%7D(x_i)%20) 这个似然比。注意下面的公式中把 k->i 换成了 i->j,没有实质影响,只是看的时候注意下标,表示的是从哪个节点到哪个节点的消息。

%0A%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26LLR(m_%7Bi-%3Ej%7D(x_j))%20%3D%20%20%5C%5C%0A%26ln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%0A%20%20%20%20%20%20%2B%20%20%0A%20%20%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D-1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%20%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D-1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%0A%20%20%20%20%20%20%2B%0A%20%20%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D-1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D-1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%20%20%20%20%0A%7D%20%5C%5C%0A%26%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(10)%0A%5Cend%7Baligned%7D
上面公式 (10),上下同时除以 %20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)  有:
%0A%5Cbegin%7Baligned%7D%0ALLR(m_%7Bi-%3Ej%7D(x_j)%20%EF%BC%89%20%26%3D%20%20%0Aln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D-1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D1%7D)%20%20%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D-1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D-1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D-1%7D)%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%5C%5C%0A%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(11)%0A%5Cend%7Baligned%7D
公式 (11) 中 ln 里面的分子和分母,同时除以 %5Cphi_i(x_i%3D-1)
%0A%5Cbegin%7Baligned%7D%0ALLR(m_%7Bi-%3Ej%7D(x_j)%20%EF%BC%89%20%26%3D%20%20%0Aln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20%5Cfrac%7B%5Cphi_i(x_i%3D1)%7D%7B%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%7D%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D-1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D1%7D)%20%20%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20%5Cfrac%7B%5Cphi_i(x_i%3D1)%7D%7B%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%7D%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D-1%7D)%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20%20%5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%3D-1%2C%5Ccolor%7Bred%7D%7Bx_j%3D-1%7D)%20%20%20%20%0A%7D%20%20%20%5C%5C%0A%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(12)%0A%5Cend%7Baligned%7D
根据 %5Cphi_i(x_i) 的定义,我们可以得到:

%5Cfrac%7B%5Cphi_i(x_i%3D1)%7D%7B%20%5Cphi_i(x_i%3D-1)%20%7D%20%20%3D%20%5Cfrac%7Be%5E%7B(%2B1)%20%5CRe(z_i)%20%7Dp(x_i%3D%2B1)%7D%7Be%5E%7B(-1)%20%5CRe(z_i)%20%7Dp(x_i%3D-1)%7D%0A%3De%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%7D%20%20%20%20%20%5Cfrac%7Bp(x_i%3D%2B1)%7D%7Bp(x_i%3D-1)%7D%20%3D%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%7D%20%20%5Cquad%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(13)


公式 (13) 的推导中,假定了 p(x_i%3D%2B1)%20%3D%20p(x_i%3D-1)%20%3D%200.5
再把 %5Cpsi_%7Bi%2Cj%7D(x_i%2Cx_j) 的定义以及公式 (13) 代入公式(12) 有:

%0A%5Cbegin%7Baligned%7D%0ALLR(m_%7Bi-%3Ej%7D(x_j)%20%EF%BC%89%20%26%3D%20%20%0Aln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%7D%20e%5E%7B-(%2B1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(%2B1)%20%7D%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-(-1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(%2B1)%20%7D%20%20%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%7D%20e%5E%7B-(%2B1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(-1)%20%7D%20%20%20%5Cprod_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-(-1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(-1)%20%7D%20%20%0A%7D%20%20%20%5C%5C%20%20%20%20%5C%5C%0A%26%3D%0Aln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%7D%20e%5E%7B-(%2B1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(%2B1)%20%7D%20%20%20e%5E%7B%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%20ln%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%20%7D%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-(-1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(%2B1)%20%7D%20%20%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%7D%20e%5E%7B-(%2B1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(-1)%20%7D%20%20%20e%5E%7B%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20ln%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%20%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-(-1)%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20(-1)%20%7D%20%20%0A%7D%20%20%20%5C%5C%0A%5C%5C%0A%26%3D%0Aln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)-%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%2B%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%20ln%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%20%7D%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20%7D%20%20%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%2B%5CRe(R_%7Bij%7D)%2B%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20ln%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%20%7D%0A%20%20%20%20%20%5Cquad%20%2B%20%20%5Cquad%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20%7D%20%20%0A%7D%20%20%20%5C%5C%0A%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(14)%0A%5Cend%7Baligned%7D
取公式(12) ln 里面分子部分的 2%20%5CRe(z_i)-%5CRe(R_%7Bij%7D)%20 和 %5CRe(R_%7Bij%7D)%20 中最大的那个,记为 u  ( 意思是:max of numerator , 或者理解为 up);
取公式(12) ln 里面分母部分的 2%20%5CRe(z_i)%2B%5CRe(R_%7Bij%7D)%20 和 -%5CRe(R_%7Bij%7D) 中最大的那个,记为  d( 意思是 max of denominator, 或者理解为 down)
%0A%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26LLR(m_%7Bi-%3Ej%7D(x_j)%20%EF%BC%89%20%3D%5C%5C%0A%26ln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)-%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20-u%2B%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%20ln%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%20%7D%7D%0A%20%20%20%20%20%20%2B%20%20%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20%20-u%7D%20%20%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%2B%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20-%20d%2B%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20ln%20%5Cfrac%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D1)%20%7D%7Bm%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i%3D-1)%7D%20%7D%0A%20%20%20%20%20%2B%20%20%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-%20d%20%7D%20%20%0A%7D%20%20%0A%2B%0A%20ln%0A%5Cfrac%7Be%5Eu%7D%7Be%5Ed%7D%20%20%5C%5C%0A%26%3D%0Aln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%20-%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-u%20%20%2B%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%20LLR(m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i))%7D%0A%20%20%20%20%20%2B%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20%20-u%7D%20%20%20%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%20%2B%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-%20d%20%20%20%2B%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7DLLR(m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i))%7D%0A%20%20%20%20%20%20%2B%20%20%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-%20d%20%7D%0A%7D%20%2B%20u-d%0A%0A%20%5C%5C%0A%20%26---%E5%85%AC%E5%BC%8F(15)%0A%5Cend%7Baligned%7D


把公式 (15) 最终的消息更新机制的公式,列在下面:

%0A%5Cbegin%7Baligned%7D%0ALLR%5Et(m_%7Bi-%3Ej%7D(x_j)%20%EF%BC%89%20%26%3D%0Aln%0A%5Cfrac%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%20-%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-u%20%20%2B%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7D%20%20LLR(m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i))%7D%0A%20%20%20%20%20%2B%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-u%7D%0A%7D%0A%7B%20%20%20%20e%5E%7B2%20%5CRe(z_i)%20%2B1%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-%20d%20%20%20%2B%20%5Csum_%7Bk%5Cin%20N(i)%20%5Csetminus%20j%7DLLR(m%5E%7Bt-1%7D_%7Bk-%3Ei%7D(x_i))%7D%0A%20%20%20%20%20%20%2B%20%20%0A%20%20%20%20%20e%5E%7B-%20%5CRe(R_%7Bij%7D)%20%20-%20d%20%7D%0A%7D%20%20%0A%0A%2Bu-d%0A%0A%20%5C%5C%0A%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(15)%0A%5Cend%7Baligned%7D


这就是 LLR 形式的消息更新公式了。


Matlab 代码 (LLR 形式的)




附录二  LLR 形式下的 damping 公式



在非 LLR 形式下,消息 m_%7Bij%7D 的 damping 非常直观:

m%5Et_%7Bij%7D%20%3D%20%5Calpha%20m_%7Bij%7D%5E%7Bold%7D%20%2B%20(1-%5Calpha)%20m_%7Bij%7D%5E%7Bnew%7D


那对于 LLR 模式,因为 m_%7Bij%7D 公式为:
LLR(m_%7Bi-%3Ej%7D(x_j))%20%20%3D%20%20ln%20%5Cfrac%7Bm_%7Bi-%3Ej%7D(x_j%3D1)%7D%7Bm_%7Bi-%3Ej%7D(x_j%3D-1)%7D


则(做了一些简写,应该是很直观可以明白的):

LLRm_%7Bij%7D%20%3D%20ln%20%5Cfrac%7Bm_%7Bij%7D(x_j%3D1)%7D%7B%201-%20m_%7Bij%7D(x_j%3D1)%7D


则:
m_%7Bij%7D(x_j%3D1)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7Be%5E%7B-LLRm_%7Bij%7D%7D%20%2B%201%7D%20%20%5Cquad%20---%E5%85%AC%E5%BC%8F(a)所以:
%5Cbegin%7Baligned%7D%0ALLRm%5Et_%7Bij%7D%20%26%3D%20log%5Cfrac%7B%5Calpha%20m%5E%7Bold%7D%20%2B%20(1-%5Calpha)%20m%5E%7Bnew%7D%7D%0A%7B%5Calpha%20(1-m%5E%7Bold%7D)%20%2B%20(1-%5Calpha)%20m%5E%7Bnew%7D%7D%20%20%5C%5C%20%5Cquad%20%5C%5C%0A%20%26%3D%20%20log(%5Calpha%20m%5E%7Bold%7D%20%2B%20(1-%5Calpha)%20m%5E%7Bnew%7D)%20%20-%20log(%5Calpha%20(1-m%5E%7Bold%7D)%20%2B%20(1-%5Calpha)%20m%5E%7Bnew%7D)%0A%5Cend%7Baligned%7D

将公式(a)  代入上式后即可。

MIMO检测2-基于马尔科夫随机场的置信传播算法-LLR形式的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律