基於空域預白化合併的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法
2023-06-18 07:02:31 3
專利名稱：基於空域預白化合併的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法
技術領域：
本發明是一種多天線無線通信系統中的基於空域預白化合併的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法，屬於高速無線傳輸和接收的技術領域。
背景技術：
在無線通信系統中使用多天線發送和多天線接收，在理論上能夠成倍地提高通信系統的傳輸能力。然而在多天線無線通信系統的接收端，存在著空間域，即天線間的信號幹擾。在使用寬帶的單載波或寬子帶的多載波傳輸時，每個載波的無線信道成為頻率選擇性信道，即存在著不同時刻上的符號間幹擾。因此，在頻率選擇性信道的環境下，多天線系統的接收端既存在著不同天線之間的信號幹擾，又存在著不同時刻的信號幹擾，同時還存在著加性高斯白噪聲。因此在接收端，需要抑制空間域和時間域兩個維度上的幹擾信號及加性噪聲，獲得發送信號的估計，在軟判解碼的差錯控制編碼系統中通過軟解調得到軟信息，送入解碼器。
在既存在天線間符號幹擾又存在不同時刻符號幹擾的環境下的檢測方法主要有基於最大後驗概率(MAP)準則算法和基於最小均方誤差(MMSE)準則等線性濾波加幹擾消除方法的檢測器。MAP檢測性能最優，但是複雜度最高，在天線數或多徑數較多的情況下具有不可實現的複雜度。在空間相關性較小的瑞利衰落信道環境中，MMSE準則的檢測器也能夠獲得接近MAP檢測的性能，但是在信道的空間相關性很大的環境中，MMSE同MAP檢測性能差距較大。利用頻率選擇性MIMO信道空域和時域不同的相關特性的特點，可以採用空時分離檢測器，對不同時刻的幹擾信號和同一時刻不同天線的信號做不同的處理，對於不同時刻的幹擾信號進行軟幹擾消除，而對同一時刻不同天線上信號進行基於MAP或MMSE等性能較高的檢測，該類檢測器具有高性能低複雜度的特點。
通常在進行空時分離檢測之前，在接收端首先對接收信號進行空時匹配合併。而在空時匹配合併過程往往會丟失部分信息量，尤其在MIMO信道空域相關因子很大的情況下不能獲得理想的性能。設計在各種信道環境中，尤其在空域相關因子很大且/或存在嚴重直達徑分量的信道環境中，都能逼近基於MAP準則的軟輸入軟輸出檢測器，而保持相對低的複雜度的檢測方法，是決定多天線技術是否能夠被最終應用於實際系統的一個關鍵問題。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供在多天線無線通信系統中一類基於空域預白化的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法，具有性能魯棒複雜度低的特點，以滿足無線通信系統接收機對高性能以及低處理複雜度的要求。
技術方案本發明給出的基於空域預白化匹配合併的空時分離檢測方法，是針對編碼的MIMO傳輸系統在頻率選擇性信道下的迭代接收方法所設計的軟輸入軟輸出檢測方法。
該檢測方法以衰落塊為單位進行檢測，並且分為以下兩個步驟1.)基於空域預白化空時匹配合併，該步驟分為三個如下子步驟，1.1)根據接收信號和由先驗信息構建的信號方差計算L徑空域幹擾噪聲方差陣l=p=0L-1H~pVH~pH-H~lVH~lH+z2I,]]>1.2)計算空域預白化空時匹配合併的輸出xkxk=l=0L-1H~lHl-1rk+l,]]>1.3)計算等效信道矩陣G0，幹擾係數矩陣 和等效噪聲方差陣∑；2)軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟該步驟根據步驟1.)中得到的合併後的k時刻所有天線上的信號xk，等效信道矩陣G0，幹擾係數矩陣 和等效噪聲方差陣∑，進行空時分離檢測，即對不同時刻的幹擾信號進行軟幹擾消除，而對同一時刻不同天線上的信號採用其它方法進行處理。
軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟採用空域濾波的空時分離檢測方法，即在軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟中，對不同時刻的幹擾信號進行軟幹擾消除，而對同一時刻不同天線上的信號採用最小均方誤差準則的線性濾波。
軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟採用空域最大後驗概率的空時分離檢測方法，即在軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟中，對不同時刻的幹擾信號進行軟幹擾消除，而對同一時刻不同天線上的信號採用最大後驗概率準則的檢測方法。
有益效果本發明給出的一種頻率選擇性信道下多天線無線通信系統的基於空域預白化的空時分離的檢測方法。其中基於空域預白化匹配合併的空域MMSE濾波的空時分離檢測方法能夠在各類信道中逼近空時MMSE檢測方法的性能，而複雜度遠低於後者。基於空域預白化匹配合併的空域MAP的空時分離檢測方法能夠在各類信道中逼近空時MAP檢測方法的性能，其複雜度也遠低於空時MAP檢測方法。
圖1為編碼的多天線通信系統及基於空域預白化匹配合併的空時分離檢測方法的迭代接收機框圖。
圖2為軟輸入軟輸出基於空域預白化合併的空時分離檢測方法示意圖。
具體實施例方式本發明提供了一種基於空域預白化匹配合併的空時分離檢測方法，該檢測方法適用於多天線系統在頻率選擇性信道下的迭代檢測/解碼接收機。具有複雜度低性能魯棒的特點。
具體實施方式
如下1)根據系統要求明確接收機的參數，例如發送天線數，接收天線數，信道的最大多徑數目，差錯控制編碼方式等。在實施例中，選擇發送天線數為4，接收天線數為4，信道的多徑數目為6，差錯控制編碼方式是碼率為1/2的Turbo碼。
2)根據接收端對複雜度和性能的要求確定空時分離檢測方法採用的準則，在實施例中採用空域MMSE檢測器。定檢測器同解碼器之間的迭代次數，檢測器也可以在內部進行自身的迭代。在實例中，初次檢測解碼迭代時檢測器自身的迭代次數為2次。檢測器同解碼器之間的迭代次數為3次。
3)根據技術方案設計基於空域預白化匹配合併的空時分離軟輸入軟輸出檢測器，該檢測器的工作以塊為單位，具體步驟如下。
3.1)將基帶接收信號按照技術方案1所描述的方法完成基於空域預白化的空時匹配合併步驟。
3.2)針對每個時刻k，按照技術方案2所描述的方法完成對k時刻所有天線上發送信號空域MMSE的空時分離檢測，得到輸出結果。
3.3)如果檢測器進行自身的迭代，那麼將輸出結果重建信號的期望和方差，重複3.1)和3.2)步驟；如果檢測器同解碼器進行迭代，則將輸出結果輸出至解碼器，在解碼器完成解碼時重複3.1)和3.2)步驟或輸出接收機最終結果。
設發送天線數為N，接收天線數為M，信道徑數為L。在頻率選擇性信道中，設k時刻，第n根發送天線上的發送信號為sn，k，而第m根接收天線上的接收信號為rm，k，從第n根發送天線到第m根接收天線在第l徑的信道響應為hm，n，l，則無線傳輸經過MIMO信道的基帶信號可以用[公式1]來表達。
rm,k=l=1Ln=1Nhmn,lsn,k+zm,k]]>[公式1]其中zm，k為k時刻第m根接收天線上的加性高斯噪聲。寫成矩陣和向量的表達式rk=l=0L-1H~lsk-l+zk]]>[公式2]其中rk＝[r1，k，r2，k，…，rM，k]T，sk＝[s1，k，s2，k，…，sN，k]T，zk＝[z1，k，z2，k，…，zM，k]T， 用於多天線無線通信系統的基於空域預白化的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法，其特徵在於該檢測方法以衰落塊為單位進行檢測，設塊長為K，檢測器分為基於空域預白化空時匹配合併步驟和軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟。下面我們就這兩個步驟作詳細介紹。
1、基於空域預白化空時匹配合併步驟該步驟將接收信號首先根據幹擾信號和加性白噪聲的方差陣，對接收信號經過空域預白化，然後將預白化後的接收信號進行空時匹配合併，同時計算等效的信道矩陣，幹擾信號的係數矩陣及等效噪聲方差陣。具體可以分為以下三個子步驟(1.1)空域幹擾噪聲方差陣計算在這個子步驟中，根據接收信號和先驗軟信息計算L徑空域幹擾噪聲方差陣。設σs，n，k2為先驗信息重建的信號sn，k的方差，令-s,n2=1Kk=1Ks,n,k2]]>和V=diag{-s,12,-s,22,,-s,N2},]]>diag{·}表示將括號內的元素排成一對角陣的操作。然後計算l=p=0L-1H~pVH~pH-H~lVH~lH+z2I,l=0L-1]]>[公式3](1.2)計算空域預白化空時合併步驟的輸出xk，k＝1，…，K。
xk=l=0L-1H~lHl-1rk+l]]>[公式4](1.3)計算等效信道矩陣G0，幹擾係數矩陣 和等效噪聲方差陣∑。
令 G=H^H-1H=[G-L+1G0GL-1],]]> 為G去除G0後的矩陣。由此基於空域預白化匹配合併後輸出xk和k時刻發送信號矢量sk及其它時刻發送信號矢量 之間的關係為xk=G0sk+G~u~k+H~H-1z-k]]>[公式5]2、軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟在軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟，首先在檢測k時刻各個天線上的發送信號時將其它時刻的幹擾信號作軟幹擾消除。幹擾消除時需要用到利用先驗信息重建的信號期望E[sn，k]和方差σs，n，k2，幹擾消除後的結果 與發送信號矢量sk之間的關係如[公式6]所示。
x~k=xk-G~E[u~k]=G0sk+zk]]>[公式6]並且計算等效噪聲方差矩陣cov[zk]=Gcov[uk]GH+z2H^H-1-1H^]]>[公式7]在完成幹擾消除之後，根據[公式6]所表示的k時刻發送信號矢量同k時刻幹擾抵消後結果 之間的關係，及[公式7]表示的等效噪聲方差矩陣，可以對發送信號矢量進行不同準則的檢測，比如MMSE準則的檢測和MAP準則的檢測。
3、檢測方法工作原理在迭代檢測解碼接收機中，基於空域預白化匹配合併的空時檢測方法可以將解碼器反饋的信息重建幹擾信號的期望和方差，同解碼器之間進行迭代，也可以根據檢測器自身獲得的輸出結果重建信號的期望和方差，在檢測器內部進行迭代。
權利要求
1.一種基於空域預白化合併的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法，其特徵在於該檢測方法以衰落塊為單位進行檢測，並且分為以下兩個步驟1.)基於空域預白化空時匹配合併，該步驟分為三個如下子步驟，1.1)根據接收信號和由先驗信息構建的信號方差計算L徑空域幹擾噪聲方差陣l=p=0L-1H~pVH~pH-H~lVH~lH+z2I,]]>1.2)計算空域預白化空時匹配合併的輸出xkxk=l=0L-1H~lHl-1rk+l,]]>1.3)計算等效信道矩陣G0，幹擾係數矩陣 和等效噪聲方差陣∑；2)軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟該步驟根據步驟1.)中得到的合併後的k時刻所有天線上的信號xk，等效信道矩陣G0，幹擾係數矩陣 和等效噪聲方差陣∑，進行空時分離檢測，即對不同時刻的幹擾信號進行軟幹擾消除，而對同一時刻不同天線上的信號採用其它方法進行處理。
2.根據權利要求1所述的基於空域預白化的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法，其特徵在於軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟採用空域濾波的空時分離檢測方法，即在軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟中，對不同時刻的幹擾信號進行軟幹擾消除，而對同一時刻不同天線上的信號採用最小均方誤差準則的線性濾波。
3.根據權利要求1所述的基於空域預白化的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法，其特徵在於軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟採用空域最大後驗概率的空時分離檢測方法，即在軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟中，對不同時刻的幹擾信號進行軟幹擾消除，而對同一時刻不同天線上的信號採用最大後驗概率準則的檢測方法。
全文摘要
基於空域預白化合併的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法是一種多天線無線通信系統中的基於空域預白化合併的空時分離軟輸入軟輸出檢測方法，屬於高速無線傳輸和接收的技術領域。該檢測方法以衰落塊為單位進行檢測，並且分為以下兩個步驟1)基於空域預白化空時匹配合併，2)軟輸入軟輸出空時分離檢測步驟該步驟根據步驟1)中得到的合併後的k時刻所有天線上的信號x
文檔編號H04L1/06GK1812312SQ20061003845
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月20日 優先權日2006年2月20日
發明者高西奇, 王聞今, 尤肖虎 申請人:東南大學