多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的方法及多天線檢測器的製作方法

2023-06-05 11:18:51 1

專利名稱：：多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的方法及多天線檢測器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及多輸入多輸出(MIMO)系統
技術領域：
，特別是指一種多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的方法及多天線檢測器。
背景技術：
：MIMO系統在提高頻譜利用率方面有巨大潛力，而且理論上可以獲得與發射天線數成正比的系統容量。圖1所示為基於空時比特交織編碼調製(ST-BICM)的收發機原理框圖。在發送數據時，待發送數據經turbo編碼器的turbo編碼後，再經交織器和調製、串並轉換處理後，通過天線發送出去。接收數據時，多天線檢測器或稱MIMO檢測器從天線接收數據，對接收到的數據進行檢測，並將檢測出的軟信息傳送給turbo軟入軟出編碼器進行後續處理，同時多天線檢測器還接收來自turbo軟入軟出編碼器的先驗信息LA1，應用在後續的迭代檢測中，以保證檢測的準確性。下面首先對軟信息做一簡介。考慮系統中有nT個發送天線和nR個接收天線。原始數據經過編碼和交織，作為整個編碼序列的一部分，得到一個1×McnT的二進位的行向量x=(x1,,xnT),]]>其中xi=(xi1,,xiMc),]]>Mc表示調製階數。然後x被映射成一個復向量並轉換成一個列向量s=(s1,,snT)T]]>傳輸出去。經歷衰落信道後，在接收端的接收矢量為y＝Hs+n(1)其中H是一個nR×nT的信道矩陣(nT≤nR)，它的每一個元素都是獨立的歸一化的復高斯隨機變量。而n則是一個零均值，協方差矩陣為σ2InR的復高斯白噪聲向量，其中的InR為nR×nR的單位矩陣。因此，以發射矢量為條件的接收矢量服從多維高斯分布。假設完全掌握了信道信息，那麼就可以構造出一個包含MIMO檢測器和軟輸入軟輸出(SISO)解碼器的迭代系統。在一次迭代中，MIMO檢測器會生成關於第i根天線上第j個傳輸比特(xij)的後驗似然信息(APP)。通過一系列公式變形及計算，可以得到MIMO檢測器輸出的第i根天線上第j個傳輸比特(ij)的後驗軟信息為LD(xij|y)maxXij,+1i=1nTi-maxXij,-1i=1nTi---(2)]]>其中，為搜索樹上每個節點的權值。通常，將後驗軟信息簡稱為軟信息。參見圖2，其是nT＝2，Mc＝2時所用的搜索樹。該搜索樹第一層(即搜索樹的上面一層)表示有四種可能性的路徑，圖2中的Λ2表示這一層的權值，第二層內的節點表示基於第一層不同的選擇之後所有可能存在的路徑，圖2中的Λ1表示這一層的權值。參見圖3，該圖中的每一個圓圈代表搜索樹中的一個節點，每個圓圈內的數字表示該節點的權值大小，這個權值所表示的含義為——衡量了候選節點到接收矢量的距離。目前有很多種方法來搜索多個帶權值的倖存路徑，可以大致將這些方法分為兩類。第一類方法是能夠保證所搜索到的倖存路徑集合的權值肯定是最小的，即處於這個集合之外的其他路徑的權值肯定大於此集合中每個路徑的權值，諸如多個倖存路徑的最短路徑搜索(SPM，ShortestPathwithMultiplesurvivedpaths)、列表球形解碼(ListSphereDecoding)和列表序列檢測(List-SequentialDetector)等。第二類方法找到的倖存路徑集合內各路徑的權值只能是相對較小的，由於其搜索策略的影響，只能保證這一集合內各路徑的權值有很大的概率是所有路徑中最小的，諸如迭代的樹搜索(IterativeTreeSearch)、QRM(QRdecompositionwithMalgorithm)、BNB-SS(BranchandBoundwithSphereSearching)等。第一類方法的性能都會優於第二類方法，但第二類方法的優勢在於它們的複雜度往往較低。其中，有關上述ListSphereDecoding的描述已在BertrandM.HochwaldandStephantenBrink，「Achievingnear-capacityonamultiple-antennachannel」，IEEETrans.OnCommunications，Vol.51，No.3，2003，pp389-399；和Y.Hong，J.Choi，J.YuanandP.Rapajic，「AnewapproachforiterativedecodingoncodedMIMOchannelsviaspheredecoding」，ISSSTA2004，pp520-524中給出。有關上述List-SequentialDetector的描述已在S.Baro，J.HagenauerandM.Witzke，「IterativedetectionofMIMOtransmissionusingalist-sequentialdetector」，ICC2003，pp2653-2657中給出。有關IterativeTreeSearch的描述已在DeJong，Y.L.C.，Willink，T.J.，「IterativetreesearchdetectionforMIMOwirelesssystems」，IEEE56thVehicularTechnologyConference，2002-Fall.Vol2，Sep.2002，pp1041-1045中給出。有關QRM的描述已在HiroyukiKawaietc.，「LikelihoodfunctionforQRM-MLDsuitableforsoft-decisionturbodecodinganditsperformanceforOFCDMMIMOmultiplexinginmultipathfadingchannel」，IEICETrans.Commun.，vol.E88-B，No.1，Jan.，2005，pp47-56中給出。有關BNB-SS的描述已在JosephBoutros，NicolasGressetetc.「Soft-inputsoft-outputlatticespheredecoderforlinearchannels」，GLOBECOM，2003，pp583-1587中給出。參見圖6(a)，現有的多天線檢測器中僅包括一類檢測模塊，該檢測模塊可以是第一類檢測模塊也可以是第二類檢測模塊，其用於接收來自天線的信息，獲取倖存路徑集合，並根據該集合計算出軟信息發送給解碼器做後續處理。當然，在一次處理後，該檢測模塊在後續的迭代處理中還會接收解碼器反饋的先驗信息，根據該先驗信息以及從天線接收到的信息，重新計算所有節點的權值，獲取倖存路徑集合，並根據該集合計算出軟信息發送給解碼器做後續處理。如此反覆，直到本次信息接收處理完畢。現有的迭代檢測方法主要包括以下步驟在一次接收過程中，1)多天線檢測器第一次從接收天線接收到信號時，根據接收到的信號根據一定搜索策略找出搜索樹上每層的候選節點，並得到帶有權值的倖存路徑集合，根據該倖存路徑集合應用式(2)計算出軟信息，之後將計算出的軟信息發送給解碼器。2)多天線檢測器非第一次從接收天線接收到信號時，根據接收到的信號以及來自解碼器的先驗信息，根據一定搜索策略找出搜索樹上每層的候選節點，並得到帶有權值的倖存路徑集合，根據該倖存路徑集合應用式(2)計算出軟信息，之後將計算出的軟信息發送給解碼器。重複執行步驟2)，直到本次數據全部接收完畢。在上述過程中，多天線檢測器自始至終都使用同一方法獲取倖存路徑的，當然，該獲取方法可以是前面提到的也即現有幾種方法中的任何一種方法。如果選用第二類檢測方法獲取倖存路徑，雖然其複雜度相對較低，但由於算法本身的限制，通常不能保證系統整體的性能，因而，在實際應用中更多的會選用第一類檢測方法來獲取倖存路徑。但是，可以理解，在第一次迭代後，先驗信息的絕對值可靠度增加了，這樣樹中每個節點的權值也會增加。權值其實也表徵了星座矢量之間的距離，參見圖4中灰色的點到黑色點的距離。因此，當灰色點距離中心即黑色點的距離增加時，落入確定初始半徑的球中的點會變少，如圖4所示。圖4中的黑色點代表接收矢量，灰色點表示搜索樹中的節點。由於第一類檢測方法本身的特點，會使迭代檢測的複雜度大幅度上升。可見，如何在保證系統整體性能的基礎上降低迭代檢測方法的複雜度，是個有待解決的問題。
發明內容有鑑於此，本發明的一個目的在於提供一種多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的方法，本發明的另一目的在於提供一種基於多輸入多輸出系統的多天線檢測器，以使得在保證系統整體性能的基礎上降低迭代檢測的複雜度。為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種在多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的方法，該方法包括以下步驟a、多輸入多輸出MIMO系統中的多天線檢測器從接收天線接收信息並保存；b、根據已保存的接收到的信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器；c、多天線檢測器接收解碼器反饋的先驗信息，計算先驗信息均值，判斷該先驗信息均值是否大於等於預設的閾值，若是則執行步驟d，否則根據已保存的接收信息和當前接收到的先驗信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器，之後重複執行本步驟；d、所述多天線檢測器根據已保存的接收信息和當前接收到的先驗信息應用第二類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器；之後，所述多天線檢測器繼續應用第二類檢測方法獲取倖存路徑集合，計算出軟信息，直到達到預設的最大的迭代次數，完成迭代檢測為止。較佳地，步驟c所述閾值是根據經驗值預先設定的。較佳地，所述第一類檢測方法包括但不限於SPM、ListSphereDecoding、或List-SequentialDetector。較佳地，所述第二類檢測方法包括但不限於IterativeTreeSearch、QRM或BNB-SS。一種在多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的多天線檢測器，用於從接收天線接收信息，並對接收到的信息進行檢測，將檢測出的軟信息傳送給解碼器，所述多天線檢測器包括判斷切換模塊、第一類檢測模塊和第二類檢測模塊，所述判斷切換模塊，用於從接收天線接收信息並保存，將已保存的接收信息傳送給第一類檢測模塊，接收來自解碼器反饋的先驗信息；或者，計算所述先驗信息平均值，如果該平均值大於等於預設的閾值，則將已保存的接收信息和先驗信息傳送給第二類檢測模塊；如果該平均值小於預設的閾值，則將已保存的線接收信息和先驗信息傳送給第一類檢測模塊；且當判斷切換模塊將已保存的接收信息和先驗信息傳送給第二類檢測模塊之後，後續將已保存的接收信息和新的先驗信息全部傳送給第二類檢測模塊，直到達到預設的最大的迭代次數，完成迭代檢測為止；所述第一類檢測模塊，用於根據接收到的已保存的接收信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器；或者，根據接收到的已保存的接收信息和先驗信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器；所述第二類檢測模塊，用於根據接收到的已保存的接收信息和先驗信息應用第二類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器。較佳地，所述第一類檢測模塊包括但不限於SPM模塊、ListSphereDecoding模塊、或List-SequentialDetector模塊。較佳地，所述第二類檢測模塊包括但不限於IterativeTreeSearch模塊、QRM模塊或BNB-SS模塊。較佳地，所述閾值是根據經驗值預先設定的。本發明的關鍵是，在前幾次迭代過程中，使用性能較好的第一類檢測方法來計算軟信息；在後幾次迭代過程中，使用複雜度較低的第二類檢測方法來計算軟信息。這樣，實現了在保證系統整體性能的基礎上降低迭代檢測的複雜度這個目的。應用本發明，通過仿真測試結果可知，系統的整體性能得到了有效的保證，且複雜度大大降低。本發明應用簡單，對現有系統改動很小，與現有系統有很好的兼容性。圖1是基於空時比特交織編碼調製(ST-BICM)的收發機原理框圖；圖2是nT＝2，Mc＝2時所用的搜索樹；圖3是的節點帶有權值的搜索樹的一實施例；圖4是前後兩次迭代後搜索樹上的節點距離中心點的距離的變化；圖5是應用本發明的實現迭代檢測的流程示意圖；圖6(a)是現有技術的天線檢測模塊的結構示意圖；圖6(b)是本發明的天線檢測模塊的結構示意圖；圖7是單純SPM的IDD方案與本發明的一個實施例在不同迭代次數的複雜度對比示意圖；圖8是表示本發明的一個實施例每次迭代的誤碼率性能對比示意圖；圖9是表示兩種單純的IDD方案與本發明的一個實施例的性能和複雜度綜合對比示意圖。具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例，對本發明再做進一步的詳細說明。本發明的思路是在一次迭代檢測後，由於候選節點的減少，考慮使用一種更簡單的方法來獲取倖存路徑集合，計算軟信息。具體的，在前幾次迭代過程中，使用性能較好的第一類檢測方法來計算軟信息；在後幾次迭代過程中，使用複雜度較低的第二類檢測方法來計算軟信息。這樣，可以在保證系統整體性能的基礎上降低實現的複雜度。在此，將本發明的這種應用兩種檢測方法來獲取倖存路徑集合，計算軟信息的迭代檢測方法稱為混合迭代的檢測與解碼(hybridIDD)。圖5所示為應用本發明的實現迭代檢測的流程示意圖。步驟501，MIMO系統中的多天線檢測器從接收天線接收信息並保存。步驟502，多天線檢測器根據已保存的接收信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器。步驟503，多天線檢測器接收解碼器反饋的先驗信息，計算所述先驗信息均值，判斷該先驗信息均值是否大於等於預設的閾值，若是，則執行步驟504，否則執行步驟505。所述閾值是根據經驗值預先設定的。步驟504，多天線檢測器根據已保存的接收信息和當前接收到的先驗信息應用第二類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器；之後，所述多天線檢測器將從接收天線接到信息，全部應用第二類檢測方法獲取倖存路徑集合，計算出軟信息，直到達到預設的最大的迭代次數，完成迭代檢測為止。步驟505，多天線檢測器根據已保存的接收信息和當前接收到的先驗信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器，之後，返回步驟503。上述計算軟信息的大體過程是，找出搜索樹上每層的候選節點並獲取帶有權值的倖存路徑集合，之後根據該倖存路徑集合計算出軟信息。總之，與具體採用的檢測方法相關，且具體的計算方法均為現有技術相同，此處不再贅述。上述第一類檢測方法包括但不限於SPM、ListSphereDecoding、或List-SequentialDetector。上述第二類檢測方法包括但不限於IterativeTreeSearch、QRM或BNB-SS。圖6所示為天線檢測模塊的結構示意圖。其中，圖6(a)顯示的是現有的天線檢測模塊的結構示意圖，圖6(b)顯示的是本發明的天線檢測模塊的結構示意圖。本發明中的多天線檢測器，用於從接收天線接收信息，並對接收到的信息進行檢測，將檢測出的軟信息傳送給解碼器，該多天線檢測器包括判斷切換模塊、第一類檢測模塊和第二類檢測模塊。判斷切換模塊用於從接收天線接收信息並保存，將已保存的接收信息傳送給第一類檢測模塊，接收來自解碼器反饋的先驗信息；或者，計算所述先驗信息平均值，如果該平均值大於等於預設的閾值，則將已保存的接收信息和先驗信息傳送給第二類檢測模塊；如果該平均值小於預設的閾值，則將已保存的線接收信息和先驗信息傳送給第一類檢測模塊；且當判斷切換模塊將已保存的接收信息和先驗信息傳送給第二類檢測模塊之後，後續將已保存的接收信息和新的先驗信息全部傳送給第二類檢測模塊，直到達到預設的最大的迭代次數，完成迭代檢測為止。上述閾值是根據經驗值預先設定的。第一類檢測模塊用於根據接收到的已保存的接收信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器；或者，根據接收到的已保存的接收信息和先驗信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器。第二類檢測模塊用於根據接收到的已保存的接收信息和先驗信息應用第二類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器。上述第一類檢測模塊包括但不限於SPM模塊、ListSphereDecoding模塊、或List-SequentialDetector模塊。上述第二類檢測模塊包括但不限於IterativeTreeSearch模塊、QRM模塊或BNB-SS模塊。下面通過仿真結果來說明本發明的優勢。系統模型如圖1所示，二進位序列長636比特，1/2碼率的Turbo編碼，隨機交織，調製方式為16QAM，假設天線配置為4×4。算法複雜度是通過MATLAB統計出的平均浮點運算次數(FLOPS)來衡量，這裡包括了算法中所用到的浮點加減乘除操作。本次仿真測試中，在本發明的HybridIDD方案中只在第一次迭代過程中用了第一類檢測模塊，從第二次迭代起都使用了第二類檢測模塊，且使用SPM作為第一類檢測方法，使用BNB-SS作為第二類檢測方法。首先，圖7中列出了hybridIDD方案和單一SPM迭代檢測在不同迭代次數的複雜度。圖7中的橫坐標表示迭代次數，縱坐標表示複雜度，且黑色方框表示在hybridIDD方案下R2＝20的情形，灰色方框表示在hybridIDD方案下R2＝28的情形，白色方框表示在SPM方案下M為64的情形。R2是以BNB解為中心的球體的半徑，M是所保留倖存路徑的個數。這樣三種方案第一次迭代的複雜度是相同的。而SPM在後續的迭代中，平均FLOPS相比於第一次明顯增加，這是因為隨著先驗信息幅值的增大，球內星座矢量的個數減少，要搜索到足夠多的倖存路徑，就需要擴大球半徑，增加搜索的複雜度。而hybridIDD方案在後幾次迭代中，採用了BNB-SS檢測方法的做法，因而隨著球內星座矢量的減少，需要計算權值的路徑也越少，雖然這會影響檢測的性能，但這已經是在SPM一次迭代基礎之上了，這時已經性能有了保證，受影響也不大。隨著BNB-SS定義半徑的不同，球裡面的路徑數也會有所不同，所以如果想進一步降低複雜度，可以根據BNB-SS本身的特性，調整hybridIDD中BNB-SS的球搜索的半徑。然後，對hybridIDD的性能進行了仿真。圖8中，橫坐標表示接收信噪比(Eb/N0)，縱坐標表示統計誤比特率(BER)，且圖中帶有黑方塊、白圓圈、黑上三角和白下三角的四條細實線分別代表第1～4次的迭代曲線。第1次迭代的曲線就是SPM檢測的性能。隨著迭代次數的增加，誤碼率性能不斷改善。這意味著低複雜度檢測器在迭代接收中也能改善性能。但是，改善幅度也在逐步減小。因此沒有必進行太多次數的迭代，一般來說，4次迭代就足夠了。最後，圖9給出了兩種單一迭代檢測和hybridIDD方案的綜合比較，圖9中橫坐標表示FLOPS而縱坐標表示誤碼率(BER)。這樣落在左下角的點表示了具有低複雜度且性能較好的算法。靠近每個符號的數字表示了控制參數，如SPM中的M是保留倖存路徑的個數和BNB-SS中的R2是以BNB解為中心的球體的半徑，這裡的參數都應該隨著Eb/N0而變化，仿真取的是經驗值。隨著M和R2的增加，相應的誤碼率降低，伴隨的代價是FLOPS一定程度的增加。HybridIDD方案位於兩條虛線的左下側，說明了它的性能和複雜度優勢。在Eb/N0＝10dB時，R2＝20的hybridIDD所需要的FLOPS只是M＝32的SPM的一半，而同時能保證性能基本相同的性能。應用本發明雖然需要在多天線檢測器中保留兩種檢測算法模塊，但檢測算法模塊本身不會很大，一般一個檢測模塊中的代碼行數不會很大，因而只需要多佔用一點存儲空間而已，所以本發明是可行的。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍內。權利要求1.一種在多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟a、多輸入多輸出MIMO系統中的多天線檢測器從接收天線接收信息並保存；b、根據已保存的接收到的信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器；c、多天線檢測器接收解碼器反饋的先驗信息，計算先驗信息均值，判斷該先驗信息均值是否大於等於預設的閾值，若是則執行步驟d，否則根據已保存的接收信息和當前接收到的先驗信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器，之後重複執行本步驟；d、所述多天線檢測器根據已保存的接收信息和當前接收到的先驗信息應用第二類檢測方法計算出軟信息，傳送給解碼器；之後，所述多天線檢測器繼續應用第二類檢測方法獲取倖存路徑集合，計算出軟信息，直到達到預設的最大的迭代次數，完成迭代檢測為止。2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟c所述閾值是根據經驗值預先設定的。3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一類檢測方法包括但不限於SPM、ListSphereDecoding、或List-SequentialDetector。4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第二類檢測方法包括但不限於IterativeTreeSearch、QRM或BNB-SS。5.一種在多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的多天線檢測器，用於從接收天線接收信息，並對接收到的信息進行檢測，將檢測出的軟信息傳送給解碼器，其特徵在於，所述多天線檢測器包括判斷切換模塊、第一類檢測模塊和第二類檢測模塊，所述判斷切換模塊，用於從接收天線接收信息並保存，將已保存的接收信息傳送給第一類檢測模塊，接收來自解碼器反饋的先驗信息；或者，計算所述先驗信息平均值，如果該平均值大於等於預設的閾值，則將已保存的接收信息和先驗信息傳送給第二類檢測模塊；如果該平均值小於預設的閾值，則將已保存的線接收信息和先驗信息傳送給第一類檢測模塊；且當判斷切換模塊將已保存的接收信息和先驗信息傳送給第二類檢測模塊之後，後續將已保存的接收信息和新的先驗信息全部傳送給第二類檢測模塊，直到達到預設的最大的迭代次數，完成迭代檢測為止；所述第一類檢測模塊，用於根據接收到的已保存的接收信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器；或者，根據接收到的已保存的接收信息和先驗信息應用第一類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器；所述第二類檢測模塊，用於根據接收到的已保存的接收信息和先驗信息應用第二類檢測方法計算出軟信息，傳遞給解碼器。6.根據權利要求5所述的多天線檢測器，其特徵在於，所述第一類檢測模塊包括但不限於SPM模塊、ListSphereDecoding模塊、或List-SequentialDetector模塊。7.根據權利要求5所述的多天線檢測器，其特徵在於，所述第二類檢測模塊包括但不限於IterativeTreeSearch模塊、QRM模塊或BNB-SS模塊。8.根據權利要求5所述的多天線檢測器，其特徵在於，所述閾值是根據經驗值預先設定的。全文摘要本發明公開了一種多輸入多輸出系統中實現迭代檢測的方法及多天線檢測器，其關鍵是，在前幾次迭代過程中，使用性能較好的第一類檢測方法來計算軟信息；在後幾次迭代過程中，使用複雜度較低的第二類檢測方法來計算軟信息。這樣，實現了在保證系統整體性能的基礎上降低迭代檢測的複雜度這個目的。應用本發明，通過仿真測試結果可知，系統的整體性能得到了有效的保證，且複雜度大大降低。本發明應用簡單，對現有系統改動很小，與現有系統有很好的兼容性。文檔編號G01R29/10GK101059544SQ200610076720公開日2007年10月24日申請日期2006年4月18日優先權日2006年4月18日發明者趙慧,龍航,鄭侃,王文博申請人:大唐移動通信設備有限公司