用於mimo系統的低複雜度的信號檢測方法和檢測裝置的製作方法

2023-06-15 08:55:16

專利名稱：：用於mimo系統的低複雜度的信號檢測方法和檢測裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及MIMO系統中的信號檢測技術，更具體地說，涉及一種用於MIMO系統的低複雜度的信號檢測方法和檢測裝置，其通過將線性檢測和最大似然檢測原理相結合，降低了計算的複雜度，同時實現了良好的性能。
背景技術：
：作為滿足未來無線通信系統的高容量需求的方案，MIMO(多輸入多輸出)系統受到了較多關注。在MIMO系統中，發送端利用多根天線進行信號的發送，接收端利用多根天線進行信號的接收。研究表明，相比於傳統的單天線傳輸方法，MIMO系統可以顯著地提高信道容量，從而提高信息傳輸速率。另外，MIMO系統採用的發送和接收天線數越多，其可提供的信息傳輸速率就越高。相比於時頻資源，空間的天線資源幾乎是無限可利用的，因此MIMO技術有效地突破了傳統研究中的瓶頸，成為了下一代無線通信系統的核心技術之一。在MIMO系統中，一個可能的傳輸方案是同時並行地傳送多個不同的數據流(空間復用或垂直分層空時碼(VBLAST))([非專利文獻l])。在此情況下，所有傳送的數據流都將經歷不同的信道參數，並且在接收天線處被交疊接收。另一方面，對於更高比特率的持續增長的需求導致多載波傳輸技術的出現，多載波傳輸技術可以通過用於寬帶通信的OFDM(正交頻分復用)來實現。OFDM調製技術將總的可用帶寬分成多個等間距的頻帶。通過施加合適的循環前綴，可以使單個子信道呈現平衰落信道特性。將MIMO技術和OFDM技術相結合，使得可以在頻率選擇信道中採用BLAST。因此，基於BLAST檢測算法的MIMO-OFDM系統有望成為未來移動無線系統的備選方案。作為MIMO系統中的信號檢測方案，已經提出了各種檢測方法，如迫零檢測法(ZF:ZeroForcing)、最小均方誤差檢測法(MMSE)、VBLAST檢測法以及最大似然度檢測法(MLD)。ZF和MMSE是線性檢測方法，它們的複雜度低，但是性能也差。VBLAST是將線性檢測與連續的信號幹擾消除相結合的方法，而且與線性檢測方法相比具有更好的性能。MLD檢測法計算按所有可能發送碼元組合得到的接收信號與實際接收信號之間的距離，並檢測與最小距離所對應的發送碼元組合，作為最可能的發送碼元組合。MLD相比於MMSE和VBLAST具有優異的特性，但是其計算複雜度隨星座數量和發送器天線的數量而呈指數式增長。為克服此缺點，己提出了許多次優的非線性檢測方法，如迭代BLAST([非專利文獻2])、球解碼(SD)([非專利文獻3])以及QRM-MLD([非專利文獻4])等，這些方法可以大大減小計算工作量，但也造成了相當大的性能損失。而用於MIMO和MIMO-OFDM系統的新的檢測方法仍然在研究中。在大多數實際的無線系統中，應用了信道編碼以進一步增強系統性能。在編碼的MIMO系統中，MLD是最佳的，但複雜度也最高。具有硬判決的非線性檢測器，如BLAST和球解碼等，性能要比線性檢測器好。對於軟比特輸出信息檢測器，MMSE檢測相比於VBLAST檢測具有更好的性能，因為VBLAST檢測會受判決反饋過程中的誤差傳播影響。鑑於上述問題，仍然需要用於MIMO系統的在軟比特輸出MMSE檢測器與MLD之間的折衷方案。希望發現其它性能接近於ML解碼器且複雜度較低的檢測器。為了全面利用編碼增益，針對解碼器的合適軟信息計算方法對於無線信道是關鍵的。以下列出本發明的參考文獻，通過引用將它們併入於此，如同在本說明書中作了詳盡描述。1、[專禾ll文獻l]:LoveDavidJ.etal.,Low-complexityhierarchicaldecodingforcommunicationssystemsusingmultidimensionalQAMsignaling(US0052317Al)2、[專禾U文獻2]:NiuHuaning,etal.，MethodofsoftbitmetriccalculationwithdirectmatrixinversionMIMOdetection(US0227903Al)3、[專利文獻3]:HosurSrinath，etal"MIMODecoding(US0265465Al)4、[非專禾lj文獻l]:G.J.Foschini，"Layeredspace-timearchitectureforwirelesscommunicationinafadingenvironmentwhenusingmultielementantennas",BellLabsTech.J.pp.41-59,Autmnn19965、[非專利文獻2]:X.Li，H.Huang,G.Foschini，andR.A.Valenzuela,"EffectsofIterativeDetectionandDecodingonthePerformanceofBLAST",inProc.IEEEGLOBECOM，OO,pp.1061-1066，20006、[非專利文獻3]:E.ViterboandJ.Boutros，"AUniversalLatticeCodeDecoderforFadingChannels",IEEETransactionsonInformationTheory,vol.45,no.5,pp.1639-1642,July19997、[非專利文獻4]:H.Kawai,K.Higuchi,N.Maeda,M.Sawahashi,T.Ito,Y.Kakura,A.Ushirokawa，andH.Seki,"LikelihoodflmctionforQRM-MLDsuitableforsoft-decisionturbodecodinganditsperformanceforOFCDMMIMOmultiplexinginmultipathfadingchannel",IEICETrans.Co醒un.，vol.E88-B,no.1，pp.47-57，Jan.200
發明內容本發明的目的是挖掘軟輸出MMSE檢測器與ML檢測器之間的潛在性能改進。通過選擇較小的候選QAM星座子集，降低了LLR計算的計算複雜度。根據本發明的第一方面，提供了一種用於無線通信系統的接收機中的信號檢測方法，其根據接收機接收到的信號進行信道估計，根據該信道估計的結果來對接收信號進行檢測，從而輸出接收信號的軟比特測度信息，該信號檢測方法包括以下步驟基於信道估計的結果，使用線性檢測器來對接收信號進行檢測，以獲得初始估計信號；基於所述初始估計信號，從原始星座集中生成針對各發送碼元的候選星座子集；以及根據所述候選星座子集中的候選星座，計算針對各發送碼元的軟比特測度。在上述信號檢測方法中，所述線性檢測器包括迫零檢測器和最小均方誤差檢測器。在上述信號檢測方法中，基於所述初始估計信號與原始星座集中的星座之間的距離來選擇候選星座。在上述信號檢測方法中，所述候選星座子集中的候選星座的個數根據信道信息和信噪比值可以是固定的或可變的。在上述信號檢測方法中，通過最大後驗概率(或簡化的最大後驗概率)處理模塊計算各發送碼元的軟比特測度。根據本發明的另一方面，提供了一種用於無線通信系統的接收機中的檢測裝置，其根據信道估計的結果對接收信號進行檢測，從而輸出接收信號的軟比特測度信息，所述信號檢測裝置包括線性檢測部，其基於所述信道估計的結果，來對接收信號進行檢測，以獲得初始估計信號；星座選擇部，其基於所述初始估計信號，從原始星座集中生成針對各發送碼元的候選星座子集；以及軟比特測度計算部，其根據所述候選星座子集中的候選星座，計算針對各發送碼元的軟比特測度。在上述信號檢測裝置中，所述線性檢測部包括迫零檢測器和最小均方誤差檢測器。在上述信號檢測裝置中，所述星座選擇部基於所述初始估計信號與原始星座集中的星座之間的距離來選擇候選星座。在上述信號檢測裝置中，所述候選星座子集中的候選星座的個數根據信道信息和信噪比值可以是固定的或可變的。在上述信號檢測裝置中，所述軟比特測度計算部通過最大後驗概率(或簡化的最大後驗概率)處理模塊計算各發送碼元的軟比特測度。在上述信號檢測方法和信號檢測裝置中，所述原始星座集可以是QAM星座集或BPSK星座集。上述信號檢測方法和信號檢測裝置可以應用於MIMO、MIMO-OFDM、WiMAX或其它無線通信系統。根據本發明的又一方面，還提供了一種電腦程式，該電腦程式包括用於在計算機上運行以使該計算機執行以下操作的指令基於信道估計的結果，使用線性檢測器來對接收信號進行檢測，以獲得初始估計信號；基於所述初始估計信號，從原始星座集中生成針對各發送碼元的候選星座子集；以及根據所述候選星座子集中的候選星座，計算針對各發送碼元的軟比特測度。在上述電腦程式中，所述線性檢測器包括迫零檢測器和最小均方誤差檢測器。在上述電腦程式中，基於所述初始估計信號與原始星座集中的星座之間的距離來選擇候選星座。在上述電腦程式中，所述候選星座子集中的候選星座的個數根據信道信息和信噪比值可以是固定的或可變的。在上述電腦程式中，通過最大後驗概率(或簡化的最大後驗概率)處理模塊計算各發送碼元的軟比特測度。在上述電腦程式中，所述原始星座集可以是QAM星座集或BPSK星座集。上述電腦程式可以應用於MIMO、MIMO-OFDM、WiMAX或其它無線通信系統。根據本發明的再一方面，還提供了一種包含上述電腦程式的可讀記錄介質，該可讀記錄介質可由計算機讀取以將所述電腦程式加載到計算機中並由所述計算機執行所述電腦程式。與現有技術相比，本發明的信號檢測方法和信號檢測裝置可以在降低計算複雜度的同時，實現優於線性檢測器的性能。附圖示出了本發明的優選實施例，構成了說明書的一部分，用於與文字說明一起進一步詳細地闡釋本發明的原理。其中圖1示出了MIMO無線通信系統的接收機的示意結構；圖2示出了根據本發明的MIMO檢測器的示意結構；圖3示出了在16QAM調製的2X2MIMO系統中針對固定的候選星座數量k「kf4的情況的選擇過程；圖4示出了在2X2MIMO系統中自適應選擇候選星座的流程圖5示出了根據本發明的自適應選擇候選星座的過程；圖6示出了根據本發明的檢測方法在候選星座數量固定情況下與MMSE、MLD檢測方法之間的性能比較；以及圖7示出了根據本發明的檢測方法在自適應選擇候選星座情況下與MMSE、MLD檢測方法之間的性能比較。具體實施例方式下面以MIMO通信系統為例，參照附圖來對本發明的信號檢測方法和檢測設備進行說明。但本領域技術人員應當明白，本發明並非只可應用於MIMO通信系統，同樣也可以應用於MIMO-OFDM、WiMAX或其它無線通信系統。在MIMO通信系統中，當同時並行傳送多個不同的數據流時，所有傳送的數據流經歷了不同的信道參數。具有Nt個發送天線和Nr個接收天線的典型MIMO系統可以建模為y=Hs+n(1)其中，n是噪聲向量，其方差為是發送向量和接收向量，H是l^XNt維的信道傳輸特性矩陣。接收向量的具體實現的概率由以下多維高斯分布給出formulaseeoriginaldocumentpage9(2)其中，l.l為向量模數。對於編碼傳輸，檢測器必須提供軟比特輸出，即，給定接收信號情況下關於各發送比特的後驗概率(APP)。這些可表示為對數似然比(LLR)，如下式所示formulaseeoriginaldocumentpage9其中，兩個"和"分別表示/7^)在^,±1=^|、=±1}上的期望值，、表示發送天線i的第j比特，5,，,±1=^>,7.=±1}是6,,=±1時的星座集。該最優方案使得能夠以計算複雜度隨星座數量和發送天線數量呈指數式增長為代價，來進行最大似然度比特測度檢測。下面，參照附圖來說明本發明的MIMO檢測器及其檢測方法。圖1示出了MIMO無線通信系統的接收機的結構。該接收機包括Nr個RJF部100、Nr個ADC部101、Nr個FFT部102、一個同步和信道估計部103、一個MIMO檢測器104以及一個信道解碼器105。RF部100和ADC部101將射頻信號轉換成基帶信號。該基帶信號被輸入至FFT部102，並由FFT部102轉換成頻域信號。經FFT部102轉換後的接收信號向量y被輸入至MIMO檢測器104，以重構發送碼元。接著信道解碼器105對由MIMO檢測器104重構的發送碼元進行處理，以恢復初始比特信息。同步和信道估計部103用於對多個信道進行同步，例如根據接收信號中的導頻信號或採用其它方法來進行信道估計，以估計出當前的信道傳輸特性矩陣h。圖2進一步示出了根據本發明的MIMO檢測器104的具體結構。如圖2所示，MIMO檢測器104包括線性檢測部200、星座選擇部201、軟比特測度計算部202。下面參照圖2，對本發明的檢測方法進行說明。首先，線性檢測部200基於同步和信道估計部103估計出的信道傳輸特性矩陣h和接收向量y來獲得發送信號的估計。在此，線性檢測部200可以是ZF檢測器或MMSE檢測器。兩種檢測器的估計結果分別如下所示formulaseeoriginaldocumentpage10其中，公式(4)表示釆用ZF檢測器的估計結果，而(5)表示採用MMSE檢測器的估計結果，s是估計信號向量，hh是h的共軛轉置矩陣，^是大小為N的單位矩陣。接著，星座選擇部201根據上面的估計結果，來確定針對各發送維度的縮小的候選星座子集而非全部QAM星座。選擇的準則基於估計碼元&到QAM星座的距離。針對第i個發送天線的大小為k的候選星座子集表示為(6)formulaseeoriginaldocumentpage11其中，是第i個估計數據^的第j個候選星座，C是調製符號的BPSK或者QAM星座集。候選星座數量k對於不同的天線可以是固定的或者變化的。圖3示出了16QAM調製的2X2MIMO系統中針對固定的候選星座點數k產k產4的情況的選擇過程。兩個接收天線數據的線性估計為A和^，其在原始星座圖中的位置用"X"表示。原始星座點用"〇"表示。對每一個估計符號，根據公式(6)在原始星座圖中依次搜索與其距離最小的星座點，搜到的4個候選星座點在圖中已分別標出。圖3中虛線圓表示搜索的最大半徑。還可以根據各接收天線的信噪比差異採用自適應星座點的選擇方法，對於不同的天線選擇不同數量的候選星座點數。對於自適應選擇方法，針對不同天線的候選星座數量k依賴於信道信息和SNR值。圖4示出了2X2MIMO系統中的自適應選擇方法的流程圖。具體描述如下參照公式(1)，2X2的MIMO系統信號模型可表示為力其中，噪聲向量，formulaseeoriginaldocumentpage11(7)分別表示發送信號向量、接收信號向量以及表示信道傳輸特性矩陣。formulaseeoriginaldocumentpage11首先計算各天線支路的信幹噪比(SINR)k、^若採用MMSE檢測器，則估計信號可以表示為formulaseeoriginaldocumentpage11其中，G-fl^H+^I2)H\估計信號的SINR分別為formulaseeoriginaldocumentpage12(10)formulaseeoriginaldocumentpage12(11)ZF檢測的SINR計算方法和MMSE檢測相同。其後，判斷/,/^是否大於預定閾值p(pM)。若^~2大於P，則使針對第一天線支路的初始候選星座數量、遞增A(A是整數值)，並使針對第二天線支路的初始候選星座數量k2遞減A，然後進行星座選擇。若;Vh不大於P，則接著判斷^"是否大於P。若^M大於P，則使針對第一天線支路的初始候選星座數量kt遞減A，並使針對第二天線支路的初始候選星座數量k2遞增A，然後進行星座選擇。若h&不大於P，則直接進行星座選擇。由上可見，各天線支路的子集大小ki取決於y,、72和厶。自適應選擇候選數量個候選星座，可以提高利用信道信息的檢測方法的性能。例如，在2X2MIMO系統中，3X5的計算複雜度小於4X4的計算複雜度。圖5示出了該自適應選擇候選星座的過程，其中，針對天線1和2的候選星座的數量分別是3和5(初始參數k產kf4，A^)。此外，對於自適應選擇候選星座，還有其它的選擇準則。例如，一個可能的方法是，與圖4中的方法方向相反地調節kj，接著使用改進的LLR計算公式。在通過星座選擇部201選擇了候選星座子集後，通過軟比特信息計算部202來計算軟比特信息。、的LLR為:formulaseeoriginaldocumentpage12(12)其中，8,.,,±,={8》,，=±1}是、=±1時發送天線i的選定星座子集。關於比特軟信息計算，除了公式(12)的經典方法外，還有很多簡化算法，如MaxLogMAP等([非專利文獻4])。圖6示出了根據本發明的檢測方法在候選星座數量固定情況下與線性MMSE和最優MLD檢測方法之間的性能比較。圖7給出了根據本發明的檢測方法在自適應選擇候選星座情況下與MMSE、MLD檢測方法之間的性能比較。其中橫坐標為接收端信噪比，縱坐標為誤碼率，星座圖是16QAM調製。上述結果表明，本發明的檢測方法在性能上優於線性MMSE檢測方法。就計算複雜度而言，線性檢測器(ZF或者MMSE)最簡單,MLD檢測隨著天線數和星座點數的增長呈指數增長，複雜度大大增加。本發明的計算複雜度高於線性檢測器，但遠低於MLD檢測方法。需要說明的是，本發明的範圍還包括用於執行上述信號檢測方法的電腦程式以及記錄有該程序的計算機可讀記錄介質。作為記錄介質，這裡可以使用計算機可讀的軟盤、硬碟、半導體存儲器、CD-ROM、DVD、磁光碟(MO)以及其它介質。儘管以上僅選擇了優選實施例來例示本發明，但是本領域技術人員根據這裡公開的內容，很容易在不脫離由所附權利要求限定的發明範圍的情況下進行各種變化和修改。上述實施例的說明僅是例示性的，而不構成對由所附權利要求及其等同物所限定的發明的限制。權利要求1、一種用於無線通信系統的接收機中的信號檢測方法，其根據接收機接收到的信號進行信道估計，根據該信道估計的結果來對接收信號進行檢測，從而輸出接收信號的軟比特測度信息，該信號檢測方法包括以下步驟基於信道估計的結果，使用線性檢測器來對接收信號進行檢測，以獲得初始估計信號；基於所述初始估計信號，從原始星座集中生成針對各發送碼元的候選星座子集；以及根據所述候選星座子集中的候選星座，計算針對各發送碼元的軟比特測度。2.根據權利要求1所述的信號檢測方法，其中，所述線性檢測器包括迫零檢測器和最小均方誤差檢測器。3、根據權利要求1所述的信號檢測方法，其中，基於所述初始估計信號與原始星座集中的星座之間的距離來選擇候選星座。4、根據權利要求1所述的信號檢測方法，其中，所述候選星座子集中的候選星座的個數根據信道信息和信噪比值可以是固定的或可變的。5、根據權利要求1所述的信號檢測方法，其中，通過最大後驗概率或簡化的最大後驗概率處理模塊來計算各發送碼元的軟比特測度。6、一種用於無線通信系統的接收機中的信號檢測裝置，其根據信道估計的結果對接收信號進行檢測，從而輸出接收信號的軟比特測度信息，所述信號檢測裝置包括線性檢測部，其基於所述信道估計的結果，來對接收信號進行檢測，以獲得初始估計信號；星座選擇部，其基於所述初始估計信號，從原始星座集中生成針對各發送碼元的候選星座子集；以及軟比特測度計算部，其根據所述候選星座子集中的候選星座，計算針對各發送碼元的軟比特測度。7、根據權利要求6所述的信號檢測裝置，其中，所述線性檢測部包括迫零檢測器和最小均方誤差檢測器。8、根據權利要求6所述的信號檢測裝置，其中，所述星座選擇部基於所述初始估計信號與原始星座集中的星座之間的距離來選擇候選星座。9.根據權利要求6所述的信號檢測裝置，其中，所述候選星座子集中的候選星座的個數根據信道信息和信噪比值可以是固定的或可變的。10、根據權利要求6所述的信號檢測裝置，其中，所述軟比特測度計算部通過最大後驗概率或簡化的最大後驗概率處理模塊來計算各發送碼元的軟比特測度。全文摘要本發明提供用於MIMO系統的低複雜度的信號檢測方法和檢測裝置。信號檢測裝置根據信道估計的結果對接收信號進行檢測，從而輸出接收信號的軟比特測度信息。信號檢測裝置包括線性檢測部，其基於所述信道估計的結果，來對接收信號進行檢測，以獲得初始估計信號；星座選擇部，其基於所述初始估計信號，從原始星座集中生成針對各發送碼元的候選星座子集；以及軟比特測度計算部，其根據所述候選星座子集中的候選星座，計算針對各發送碼元的軟比特測度。本發明的信號檢測方法和信號檢測裝置可以在降低計算複雜度的同時，實現優於線性檢測器的性能。文檔編號H04B1/707GK101383797SQ20071014789公開日2009年3月11日申請日期2007年9月3日優先權日2007年9月3日發明者凱徐,林宏行,軍田,薛金銀申請人:富士通株式會社