面向無人機(jī)電網(wǎng)巡檢的聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼算法

摘 要：無人機(jī)在電網(wǎng)巡檢過程中需要傳輸大量數(shù)據(jù)，稀疏碼多址技術(shù)與極化碼的聯(lián)合系統(tǒng)擁有更好的整體性能，可作為無人機(jī)巡檢的通信方案。為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提出一種基于部分消息傳遞策略的聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼方案。該方案能夠減少迭代過程中的計(jì)算量，降低計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)，提出一種消息阻尼機(jī)制，以確保實(shí)現(xiàn)理想的誤碼率（BER）性能。仿真結(jié)果表明：與原始算法相比，所提算法在降低復(fù)雜度的同時(shí)能夠保證理想的誤碼率性能。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)巡檢；稀疏碼多址；極化碼；聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼；消息傳遞算法；消息阻尼機(jī)制

中圖分類號(hào)：TP39；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）07-00-05

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為智能電網(wǎng)建設(shè)提供了技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)據(jù)信息收集分析等方面具備優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升智能電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和管理水平，滿足智能化供電需求[1]。在智能電網(wǎng)的配電網(wǎng)巡檢環(huán)節(jié)，無人機(jī)巡檢正在取代效率低下且危險(xiǎn)的人工巡檢，目前已有較多應(yīng)用[2-5]。巡檢時(shí)需要實(shí)時(shí)回傳大量數(shù)據(jù)，而這一過程容易受到外部環(huán)境干擾，傳統(tǒng)通信方式難以滿足要求。所以，把高可靠、大帶寬的新一代通信方案應(yīng)用到無人機(jī)巡檢工作中，對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)而言非常重要。

近年來，以5G為代表的新一代多址通信技術(shù)快速發(fā)展。稀疏碼多址接入（Sparse Code Multiple Access， SCMA）[6]作為新型多址技術(shù)中的一種，能夠利用有限的頻譜資源，實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸。在接收端可以通過消息傳遞算法（MPA）及其改進(jìn)算法進(jìn)行多用戶檢測(cè)[7-10]。極化碼是唯一被證實(shí)可達(dá)香農(nóng)極限的信道編碼方案[11]，在5G標(biāo)準(zhǔn)中極化碼被用作eMBB（enhanced Mobile Broadband）場(chǎng)景控制信道編碼方案。將極化碼與SCMA系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)而成的Polar-SCMA聯(lián)合系統(tǒng)，可以顯著增加無線通信系統(tǒng)的容量和提高頻譜利用效率，改善通信質(zhì)量。然而，簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)的方案在接收端分別檢測(cè)譯碼時(shí)無法充分利用中間消息，這會(huì)導(dǎo)致誤碼率性能不理想[12]。因此，采用聯(lián)合譯碼方案可最大程度地減少中間消息的丟失，保證理想的誤碼率性能。

文獻(xiàn)[13]研究了短碼的Polar-SCMA系統(tǒng)，提出了一種基于擴(kuò)展稀疏因子圖的迭代檢測(cè)譯碼接收機(jī)；通過仿真證明，該方案在低信噪比條件下性能優(yōu)于傳統(tǒng)的接收機(jī)。文獻(xiàn)[14]提出了一種MPA算法和SC譯碼器的聯(lián)合算法，該算法雖提高了系統(tǒng)性能，但增加了聯(lián)合算法的延遲。文獻(xiàn)[15]提出了一種針對(duì)軟消息的聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼（Joint Iterative Detection and Decoding， JIDD）算法，其中極化碼譯碼器采用了SCAN算法。文獻(xiàn)[16]證明了使用SCAN算法設(shè)計(jì)的聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼方案性能更好且復(fù)雜度更低。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于剪枝譯碼樹的SSCAN算法，簡(jiǎn)化了極化碼譯碼的信息更新過程，并應(yīng)用于JIDD算法，從而降低了計(jì)算復(fù)雜度。文獻(xiàn)[18]提出了一種用戶順序更新的JIDD算法，將JIDD算法與MPA算法中順序消息更新的思想相結(jié)合，提高了收斂速率。文獻(xiàn)[19]提出了基于簡(jiǎn)化軟消除列表譯碼器的循環(huán)冗余校驗(yàn)輔助的JIDD方案，降低了譯碼算法的計(jì)算復(fù)雜度。以上研究證明了將SCMA技術(shù)與極化碼聯(lián)合設(shè)計(jì)的實(shí)用性與合理性。然而，Polar-SCMA系統(tǒng)的聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼技術(shù)仍有較大的優(yōu)化空間。本文基于Polar-SCMA系統(tǒng)，根據(jù)迭代過程中的消息更新特點(diǎn)，提出基于部分信息邊緣化的聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼（PM-JIDD）算法。在迭代過程中通過兩個(gè)用戶自定義參數(shù)，選擇部分用戶進(jìn)行更新，以減少計(jì)算量。此外，在聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼過程加入一種消息阻尼機(jī)制來保證誤碼率。最后，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證所提出的算法相對(duì)于原始算法在誤碼率性能和復(fù)雜度方面的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)模型

此消息傳遞過程為PM-JIDD算法在當(dāng)前迭代次數(shù)i小于n時(shí)，一次完整迭代中的最后一個(gè)過程。完成本次迭代后輸出的每一個(gè)用戶各自的碼字概率消息會(huì)繼續(xù)進(jìn)行迭代。

（2）當(dāng)前的迭代次數(shù)i等于n時(shí)，選取t個(gè)用戶進(jìn)行邊緣化，選中的用戶的碼字概率消息會(huì)被直接計(jì)算成對(duì)數(shù)似然比值進(jìn)行判決輸出，后續(xù)的迭代過程將不再對(duì)這些用戶進(jìn)行運(yùn)算。

（3）當(dāng)前迭代次數(shù)i大于n時(shí)，對(duì)剩余的J-t個(gè)用戶進(jìn)行迭代直至達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)。完成所有迭代后，輸出剩余用戶的碼字概率消息，并計(jì)算為對(duì)數(shù)似然比值進(jìn)行判決輸出。

2.2 消息阻尼機(jī)制

為了防止極化碼譯碼器輸出的錯(cuò)誤譯碼信息在聯(lián)合因子圖中反復(fù)傳遞，導(dǎo)致檢測(cè)準(zhǔn)確度降低，在極化碼譯碼器輸出的譯碼結(jié)果反饋回SCMA多用戶檢測(cè)器之前，設(shè)置一個(gè)阻尼系數(shù)來適當(dāng)壓縮極化碼譯碼器的輸出結(jié)果，從而提高系統(tǒng)誤碼率性能。此時(shí)SCMA多用戶檢測(cè)器的先驗(yàn)信息可表示為：

3.1 復(fù)雜度分析

JIDD算法復(fù)雜度主要來自信號(hào)疊加度，在運(yùn)算中要遍歷所有碼字的計(jì)算概率密度。而PM-JIDD在進(jìn)行多用戶檢測(cè)時(shí)，會(huì)減少特定用戶節(jié)點(diǎn)和與之連接的資源節(jié)點(diǎn)之間的迭代計(jì)算次數(shù)，使需要遍歷的碼字計(jì)算概率密度降低，從而降低復(fù)雜度。JIDD算法的復(fù)雜度可表示為：

為了能夠直觀體現(xiàn)復(fù)雜度減少的程度，對(duì)兩種算法的復(fù)雜度比例進(jìn)行仿真來驗(yàn)證PM-JIDD算法的效果。原始JIDD算法的復(fù)雜度均為單位1，復(fù)雜度比例越小，說明算法在當(dāng)前迭代次數(shù)下的復(fù)雜度越低。圖3為不同參數(shù)條件下PM-JIDD算法與JIDD算法的復(fù)雜度比例曲線。隨著迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定的n次后，復(fù)雜度較原始算法開始下降。當(dāng)參數(shù)n相同時(shí)，Rs越大則復(fù)雜度越低，這說明被邊緣化的用戶越多，那么后續(xù)迭代過程中的計(jì)算量越小。當(dāng)參數(shù)Rs相同時(shí)，n越小則復(fù)雜度越低，這說明越早對(duì)部分用戶終止迭代，計(jì)算量越小。

3.2 誤碼率分析

圖4為在用戶自定義參數(shù)分別?。╪=4，Rs=2）（n=4，Rs=4）和（n=3，Rs=2）三種情況下PM-JIDD算法與原始算法的誤碼率對(duì)比。從圖4中可以看出，PM-JIDD算法的誤碼率性能較原始算法有所損失，這是因?yàn)樵诘^程中停止更新了部分用戶節(jié)點(diǎn)，使得譯碼過程中迭代不充分。PM-JIDD算法的兩個(gè)用戶自定義參數(shù)n和Rs的選擇都會(huì)影響算法的誤碼率性能。當(dāng)n相同時(shí)，Rs越小則誤碼率性能越好；當(dāng)Rs相同時(shí)，n越大則誤碼率性能越好。隨著信噪比增大，誤碼率性能的差距越來越小。在5 dB時(shí)，自定義參數(shù)（n=4，Rs=2）和（n=4，Rs=4），此時(shí)PM-JIDD算法的誤碼率與原始算法幾乎相同。說明PM-JIDD算法在選擇合適的自定義參數(shù)下，誤碼率性能損失極小，并且隨著信噪比的增大，與原始算法的誤碼率性能差異能達(dá)到可忽略的水平。

3.3 不同阻尼系數(shù)下的誤碼率

阻尼系數(shù)β的取值不同會(huì)影響系統(tǒng)的誤碼率性能。圖5反映了在信噪比為4 dB時(shí)不同阻尼系數(shù)的取值對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)β的取值對(duì)系統(tǒng)誤碼率有明顯影響；取值為0.3時(shí)，誤碼率達(dá)到最低。

考慮到自定義參數(shù)n=4，Rs=4時(shí)PM-JIDD算法能夠在誤碼率性能和復(fù)雜度之間取得較好的平衡，因此在此參數(shù)條件下取最優(yōu)阻尼系數(shù)為0.3，以進(jìn)行誤碼率對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。PM-JIDD算法以損失誤碼率性能為代價(jià)來降低復(fù)雜度，在沒有增加阻尼機(jī)制前，誤碼率性能低于原始算法；而增加阻尼機(jī)制后，其誤碼率性能優(yōu)于原始算法。結(jié)果表明，所提出的阻尼機(jī)制對(duì)提高檢測(cè)準(zhǔn)確度具有一定作用。

3.4 不同碼本下的誤碼率

為了驗(yàn)證所提方案的適用性，系統(tǒng)除使用華為碼本外，另外選取3種碼本[20-22]對(duì)原始算法和所提算法在自定義參數(shù)n=4，Rs=4，阻尼系數(shù)β=0.3時(shí)進(jìn)行仿真。從圖7可以看出，對(duì)于不同的碼本，所提出的算法誤碼率均低于原始算法。仿真結(jié)果證明，所提方案在不同碼本下都是可行的，具有一定的適用性。

4 結(jié) 語

本文將Polar-SCMA技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)無人機(jī)巡檢場(chǎng)景，針對(duì)Polar-SCMA系統(tǒng)中具有較高應(yīng)用前景的JIDD算法，提出了基于部分信息邊緣化的聯(lián)合迭代檢測(cè)譯碼（PM-JIDD）算法，增加了阻尼機(jī)制。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，選擇合適的用戶自定義參數(shù)以及阻尼系數(shù)時(shí)，計(jì)算復(fù)雜度和誤碼率較原始算法均有降低，在不同碼本的系統(tǒng)下也具有適用性。本文提出的PM-JIDD算法對(duì)提高無人機(jī)巡檢時(shí)的檢測(cè)準(zhǔn)確度以及降低系統(tǒng)時(shí)延具有一定價(jià)值。

注：本文通訊作者為庫爾班·吾布力。

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收稿日期：2024-05-22 修回日期：2024-06-25

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2022D01C426）