一種用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法
2023-10-05 02:46:14
專利名稱：一種用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法
技術領域：
本發明涉及一種多輸入多輸出無線通訊系統分層解調中的信號估計方法，特別涉及的是多輸入多輸出無線通訊系統V-BLAST(Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time，垂直-貝爾實驗室分層空時)分層解調算法中的信號估計方法。
背景技術：
多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技術是無線移動通信領域智能天線技術的重大突破，它通過在不同天線上同時發射相互獨立的信號，即空間復用技術，充分利用空間信道的彌散特性，既可在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。
多輸入多輸出技術由來已久，在70年代就有人提出將多輸入多輸出技術用於通信系統，但是對無線移動通信系統的多入多出技術產生巨大推動的奠基工作是90年代由ATT Bell實驗室學者完成的。1995年Teladar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出了一種多輸入多輸出處理算法——對角-貝爾實驗室分層空時(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用於多輸入多輸出的空時碼；1998年Wolniansky等人採用垂直-貝爾實驗室分(V-BLAST)算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統中極難實現。這些工作受到各國學者的極大注意，並使得多輸入多輸出的研究工作得到了迅速發展。
分層解調算法，特別是V-BLAST算法在多輸入多輸出信號處理算法中佔有重要地位。V-BLAST算法中接收機從混合接收信號中按一定次序依次分離一個獨立信道的信號，然後從混合接收信號中將這個獨立信道的理想信號刪除，實現分層解調。
這部分內容可見諸於「Layered Space-time Architecture for Wireless Communication inFading Environment When Using Multiple Antennas」，Foschini G.J，Bell Labs TechnicalJournal，1996，Autumn，pp 41-59，或者「V-BLASTan architecture for realizing very high data ratesover the rich-scattering wireless channel」，WOLNIANSKY P W，FOSCHINI G.J，GOLDEN G D，etal.Proc IEEE ISSSE′98[C].Pisa，Italy，1998.295-300。對V-BLAST算法性能的分析已有多篇論文公布，例如「Performance Analysis of the V-BLAST AlgorithmAn Analytical Approach」，SergeyLoyka，Francois Gagnon，IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS，VOL.3，NO.4，JULY 2004 。
下面以V-BLAST算法為例對分層解調算法進行較為詳細的介紹設多輸入多輸出系統發射方的天線數為M，接收方的天線數為N；發射方到接收方的信道傳輸矩陣為H，維數等於N×M，並且滿足2≤M≤N，其元素hij是從發射天線j到接收天線i的傳輸因子；接收機接收到的混合信號為r。
則V-BLAST算法可用下面幾個步驟表述初始化H1＝H (1)For m＝1∶M(2)計算Gm=Hm+=(HmHHm)-1HmH]]>(3)進行排序操作km=argminj{k1,k2,,k(j-1)}||(Gm)j||2]]>(4)選取wkmT=(Gm)km]]>(5)單通道信號分離ykm=wkmTr]]>(6)對分離信號量化得到估計信號d^=Q(ykm)]]>(7)從接收信號中消去估計信號r=r-[Hm]kmd^]]>(8)Hm+1＝刪除第km列的Hm(9)Next m(10)其中，(Gm)j表示矩陣Gm的第j個行矢量，‖(Gm)j‖2表示其模平方；[Hm]km表示矩陣Hm的第km列；在上述經典文獻中，第(7)步驟d^=Q(ykm)]]>稱作「重構當前層信號ykm的估計信號 」或者「量化(限幅)操作，以得到適於應用的星座」。
以上所述分層解調算法特別是V-BLAST算法的原理、步驟已經公開，而且為從事相關領域工作的學者所熟知，但對於分層解調算法的重要步驟之一——特別是V-BLAST算法的第(7)步驟d^=Q(ykm)]]>採用何種具體方法實現，目前還未找到公開的具體實現方法。
發明內容
本發明的目的在於公開一種用於多輸入多輸出無線通訊系統分層解調算法——特別是V-BLAST算法中由當前層信號ykm得到估計信號 的方法，即d^=Q(ykm)]]>中操作符「Q(·)」的一種實現方法，該方法實現簡單，具有較高的性能，且適用於當前層信號ykm中存在頻率偏移的情況，因此非常適合實際工程應用。
為達到以上發明目的，本發明具體是這樣實現的一種用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，包括如下步驟步驟1、初始化確定幅度因子；根據當前層信號第一個符號確定估計信號的第一個符號；將相位誤差統計量復位；步驟2、對當前符號進行解調；步驟3、由解調結果對當前估計信號符號進行再調製，獲得新的估計信號符號；步驟4、計算新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差；步驟5、將相位誤差低通濾波，更新相位誤差統計量；步驟6、從新的估計信號符號中消除經過低通濾波更新的相位誤差統計量；步驟7、判斷是否當前層信號的符號處理完畢，如果處理完畢則方法結束；否則到步驟2。
所述步驟1的初始化通過當前層信號，信道傳輸矢量以及權值矢量和理想信號的關係，獲得估計信號的幅度信息，即為幅度因子；幅度因子用來確定估計信號的幅度大小；相位誤差統計量復位，通常令其取值為0。
所述步驟1中，根據當前層信號第一個符號確定估計信號的第一個符號，具體可以這樣實現將幅度因子與當前層第一個符號的乘積除以當前層第一個符號的模，即得到估計信號的第一個符號。
所述步驟2中，依據系統採用的調製方式，使用已有的估計信號符號和(或)當前層信號符號對當前符號進行解調。
所述步驟3中，根據解調結果對當前估計信號符號進行再調製，獲得新的估計信號符號，同時在獲得新的估值信號符號時需要控制符號的幅度，使其幅度始終等於幅度因子。
所述步驟4中，獲得新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差，具體是這樣實現的ErrCrt=angle{d^kyk/|yk|},]]>其中angle{}表示求一個複數的復角， 表示新的估計信號符號，yk表示相應的當前層信號符號。
所述步驟5中，低通濾波具體可以這樣實現Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，
其中，Err為相位誤差統計量，ErrCrt為新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差，ρ的取值範圍為(0，1)。
所述步驟6中，從新的估計信號符號中消除相位誤差統計量，具體是這樣實現的d^k=d^ke-jErr,]]> 為新的估計信號符號，其幅度等於幅度因子，Err為相位誤差統計量。
本發明所提供的一種用於分層解調算法——特別是V-BLAST算法中由當前層信號得到估計信號的方法，由於採用了幅度控制、相位誤差低通消除的方法，因此得到的估計信號可直接用於分層解調算法，同時具有計算簡單，估計準確，允許當前層信號中含有頻率偏移的明顯優點。
本發明所公開的一種用於分層解調算法——特別是V-BLAST算法中由當前層信號得到估計信號的方法，具有以下優點第一，由於採用了幅度控制、相位誤差低通消除的方法，因此得到的估計信號可直接用於分層解調算法。
第二，由於採用了幅度控制、相位誤差低通消除的方法，因此使用本發明方法允許當前層信號中含有頻率偏移。
總之，採用本發明提供的方法實現分層解調算法中的信號估計，具有計算簡單，估計準確的顯著優點。
圖1為本發明方法的流程示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖，將對本發明的較佳實施例進行較為詳細的說明。
本發明所述方法包括第一步，初始化確定幅度因子；根據當前層信號第一個符號確定估計信號的第一個符號；將相位誤差統計量復位；第二步，由已有的估計信號符號(和當前層信號符號)對當前符號進行解調；第三步，由解調結果對當前估計信號符號進行再調製，獲得新的估計信號符號；第四步，計算新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差；第五步，將相位誤差低通濾波，更新相位誤差統計量；第六步，從新的估計信號符號中消除經過低通濾波更新的相位誤差統計量；第七步，判斷當前層信號的符號是否處理完畢，如果處理完畢則方法結束；否則到第二步。
在本發明所述方法中，設當前層信號為y，且y＝{y1，y2，....，yn}，其中y每一元素的下標表示符號的時間順序；設估計信號為 且d^={d^1,d^2,...,d^n},]]>其中 每一元素的下標表示符號的時間順序；設多輸入多輸出系統的信道傳輸矩陣為H，對於M×N多輸入多輸出系統(具有M個發射天線，N個接收天線)，H的維數等於N×M，可以表示為H＝[h1，h2，...，hM]，其中hk，k＝1，2，...，M表示H的第k個列矢量，即多輸入多輸出系統發射機第k個發射天線到接收機N個接收天線的信道傳輸矢量。
所述第一步的初始化工作，首先確定幅度因子A，幅度因子A用來確定估計信號為 的幅度大小。
設多輸入多輸出接收機獲得的當前層信號y＝{y1，y2，...，yn}是發射機第k(k∈{1，2，...，M})發射天線發射的理想信號s＝{s1，s2，...，sn}經信道傳輸矢量hk(k∈{1，2，...，M})，被接收機N個接收天線接收，並通過權值矢量wT合併後的接收信號矢量，即y＝wT·(hk·s)，這個關係很容易為從事相關領域的人員所理解。
本發明方法要獲得理想信號s的估計信號 即期望估計信號 儘量逼近理想信號s，則 需要在幅度、相位上均逼近理想信號s，而對於接收機而言當前層接收信號y、權值wT、信道傳輸矢量hk均為已知量，因此可以通過已知的關係式y＝wT·(hk·s)＝(wT·hk)·s獲得理想信號s的幅度信息，s的幅度信息等於y的幅度除以(wT·hk)，這個幅度信息即等於幅度因子A。
在本發明方法的操作過程中，只要保證估計信號 的幅度大小始終等於幅度因子A，即保證了估計信號 的幅度等於理想信號s的幅度，這是「估計信號 儘量逼近理想信號s」的必要條件之一。
所述第一步，根據當前層信號第一個符號y1確定估計信號的第一個符號 確定的方法可以是，但不限於d^1=Ay1/|y1|.]]>所述第一步將誤差統計量Err復位，通常令Err＝0。
所述第二步中由已有的估計信號符號(和當前層信號符號)對當前符號進行解調。根據不同的調製方式，解調所需的輸入信號有所差異，部分調製方式僅使用已有的估計信號符號即可對當前符號進行解調，例如QPSK調製方式；還有一些調製方式需同時使用已有的估計信號符號和當前層信號符號對當前符號進行解調，例如DQPSK調製方式，類似的還有Pi/4DQPSK調製方式等。。
所述第三步中由解調結果對當前估計信號符號 進行調製，獲得新的估計信號符號 同時在獲得新的估值信號符號時需要控制符號 的幅度，使其幅度始終等於幅度因子A。
通過第二步和第三步，接收機可以獲得理想發送符號sk的一個近似值 估計值 的幅度等於理想發送符號sk，但在估計值 在還存在相位噪聲，需通過第四步、第五步和第六步減小相位噪聲的影響。
所述第四步中獲得新的估計信號符號 與相應的當前層信號符號yk之間的相位誤差，其方法可以是，但不限於ErrCrt=angle{d^kyk/|yk|},]]>其中angle{}表示求一個複數的復角。
所述第五步中將相位誤差低通濾波，更新相位誤差統計量。低通濾波的方法有很多種，可以是，但不限於Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，其中ρ為低通濾波器係數，可能的取值範圍為(0，1)，典型取值為0.8。
所述第六步中從新的估計信號符號 中消除相位誤差統計量Err，方法為d^k=d^ke-jErr,]]>此時估計值 的幅度等於幅度因子A，且相位經過低通濾波向理想符號sk逼近。
所述第七步中判斷是否當前層信號的符號處理完畢，如果處理完畢則方法結束；否則到所述第二步。
本發明的較佳實施例採用π/4DQPSK調製方式，設當前層信號為y，且y＝{y1，y2，...，yn}，其中y每一元素的下標表示符號的時間順序；估計信號為 且d^={d^1,d^2,...,d^n},]]>其中 每一元素的下標表示符號的時間順序。
在上述第一步中，確定幅度因子A等於1；並根據當前層信號第一個符號y1確定估計信號的第一個符號 確定的方法為d^1=Ay1/|y1|;]]>同時將相位誤差統計量Err復位，即Err＝0。
在上述第二步中，由已有的估計信號符號和當前層信號符號對當前符號進行差分解調，計算z=ykd^k-1.]]>在上述第三步中，依據π/4DQPSK調製方式，由解調結果對當前估計信號符號 進行調製，獲得新的估計信號符號 同時在獲得新的估值信號符號時控制符號 的幅度，使其始終等於幅度因子1，具體方法為d^k=d^k-1ej,]]>其中z的復角分別位於1、2、3、4象限時，ejδ分別等於ejπ/4、ej3π/4、e-j3π/4、e-jπ/4。
在上述第四步中，獲得新的估計信號符號 與相應的當前層信號符號yk之間的誤差，其方法為ErrCrt=angle{d^kyk/|yk|}.]]>在上述第五步中，將相位誤差低通濾波，更新誤差統計量。低通濾波的方法為Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，其中ρ取值為0.8。
在上述第六步中，從新的估計信號符號 中消除相位誤差統計量Err，方法為d^k=d^ke-jErr.]]>在上述第七步中，判斷是否當前層信號的符號處理完畢，如果處理完畢則方法結束；否則到所述第二步中。
本發明的較佳實施例中，以上所述的處理過程可以用下面統一表示d^1=Ay1/|y1|]]>Err＝0for k＝2∶nz=ykd^k-1]]>d^k=d^k-1ej]]>ErrCrt=angle{d^kyk/|yk|}]]>Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrtd^k=d^ke-jErr]]>end依據π/4DQPSK調製方式，z的復角分別位於1、2、3、4象限時，ejδ分別等於ejπ/4、ej3π/4、e-j3π/4、e-jπ/4；ρ取0.8。
應當理解的是，本發明保護範圍闡明於所附權利要求書中，而不能以說明書的上述描述做為限制，凡是在本發明的宗旨之內的顯而易見的修改亦應歸於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1、初始化確定幅度因子；根據當前層信號第一個符號確定估計信號的第一個符號；將相位誤差統計量復位；步驟2、對當前符號進行解調；步驟3、由解調結果對當前估計信號符號進行再調製，獲得新的估計信號符號；步驟4、計算新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差；步驟5、將相位誤差低通濾波，更新相位誤差統計量；步驟6、從新的估計信號符號中消除經過低通濾波更新的相位誤差統計量；步驟7、判斷當前層信號的符號是否處理完畢，如果處理完畢則方法結束；否則轉到步驟2。
2.如權利要求1所述用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於所述步驟1的初始化通過當前層信號，信道傳輸矢量以及權值矢量和理想信號的關係，獲得估計信號的幅度信息，即為幅度因子；幅度因子用來確定估計信號的幅度大小；相位誤差統計量復位。
3.如權利要求2所述用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於所述步驟1中，根據當前層信號第一個符號確定估計信號的第一個符號，具體可以這樣實現將幅度因子與當前層第一個符號的乘積除以當前層第一個符號的模，即得到估計信號的第一個符號。
4.如權利要求1所述用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於所述步驟2中，依據系統採用的調製方式，使用已有的估計信號符號和(或)當前層信號符號對當前符號進行解調。
5.如權利要求1所述用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於所述步驟3中，根據解調結果對當前估計信號符號進行再調製，獲得新的估計信號符號，同時在獲得新的估值信號符號時需要控制符號的幅度，使其幅度始終等於幅度因子。
6.如權利要求1所述用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於所述步驟4中，獲得新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差，具體是這樣實現的ErrCrt=angle{d^kyk/|yk|},]]>其中angle{}表示求一個複數的復角， 表示新的估計信號符號，yk表示相應的當前層信號符號。
7.如權利要求l所述用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於所述步驟5中，低通濾波具體可以這樣實現Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，其中，Err為相位誤差統計量，ErrCrt為新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差，ρ的取值範圍為(0，1)。
8.如權利要求1所述用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，其特徵在於所述步驟6中，從新的估計信號符號中消除相位誤差統計量，具體是這樣實現的d^k=d^ke-jErr,]]> 為新的估計信號符號，其幅度等於幅度因子，Err為相位誤差統計量。
全文摘要
本發明公開了一種用於多輸入多輸出系統分層解調中的信號估計方法，包括1.確定幅度因子；根據當前層信號第一個符號確定估計信號的第一個符號；將相位誤差統計量復位；2.對當前符號進行解調；3.對當前估計信號符號進行再調製，獲得新的估計信號符號；4.計算新的估計信號符號與相應的當前層信號符號之間的相位誤差；5.將相位誤差低通濾波，更新相位誤差統計量；6.從新的估計信號符號中消除經過低通濾波更新的相位誤差統計量；7.判斷當前層信號的符號是否處理完畢，如果處理完畢則方法結束，否則到步驟2。採用本發明得到的估計信號可直接用於分層解調算法，同時具有計算簡單，估計準確，允許當前層信號中含有頻率偏移的明顯優點。
文檔編號H04L27/26GK101087278SQ20061008311
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月5日 優先權日2006年6月5日
發明者王劍, 王文杰, 辛勝利 申請人:中興通訊股份有限公司