專利名稱：一種低復(fù)雜度的最小均方誤差串行干擾刪除檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于多入多出(MIMO)系統(tǒng)的檢測(cè)器，同時(shí)這種檢測(cè)器也適用于其它可建模成MIMO系統(tǒng)的通信系統(tǒng)，例如碼分多址(CDMA)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著蜂窩移動(dòng)通信、多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)無(wú)線通信的容量需求在迅速增長(zhǎng)，而可利用的無(wú)線頻率資源卻十分有限，如何在有限的頻帶內(nèi)提供更大的信道容量成為未來(lái)高速無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。MIMO系統(tǒng)是一種利用多根發(fā)射天線和多根接收天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信系統(tǒng)，可以提供非常大的信道容量，在理想傳播條件下其頻譜利用率與天線數(shù)目呈線性關(guān)系。由于MIMO系統(tǒng)具有極高的頻譜利用率，因此被認(rèn)為是未來(lái)高速無(wú)線通信系統(tǒng)的主要物理層技術(shù)之一。
最小均方誤差串行干擾刪除(MMSE-SIC)檢測(cè)器是適用于MIMO系統(tǒng)的一種有效的檢測(cè)器，它根據(jù)最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則從多個(gè)接收數(shù)據(jù)流中依次檢測(cè)出發(fā)送的數(shù)據(jù)符號(hào)，當(dāng)檢測(cè)出某一發(fā)送符號(hào)后，將此符號(hào)所引起的干擾從接收信號(hào)中刪除掉，然后再檢測(cè)下一個(gè)發(fā)送符號(hào)。其檢測(cè)順序可以根據(jù)一定的排序準(zhǔn)則(如最小均方誤差排序準(zhǔn)則、最大信干噪比排序準(zhǔn)則等)來(lái)確定。在傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測(cè)器中，由于計(jì)算MMSE矩陣時(shí)要多次進(jìn)行復(fù)雜的矩陣求逆和排序運(yùn)算，當(dāng)收發(fā)天線數(shù)目較多時(shí)，其計(jì)算復(fù)雜度非常高。
如何在保證性能不下降的前提下，降低檢測(cè)器的運(yùn)算復(fù)雜度是此檢測(cè)器進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種MMSE-SIC檢測(cè)器，它在保證檢測(cè)性能不變的前提下，大幅度降低運(yùn)算復(fù)雜度。
本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測(cè)器的技術(shù)方案為在同一發(fā)送時(shí)隙內(nèi)該檢測(cè)器包含連續(xù)N次檢測(cè)(N表示發(fā)射天線數(shù)目)，在第i次檢測(cè)時(shí)，由擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi獲得用于本次檢測(cè)的加權(quán)向量ωi和其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線序號(hào)ki，然后對(duì)發(fā)射符號(hào)xki進(jìn)行檢測(cè)得到其判決值ki，并從接收信號(hào)中刪除ki對(duì)其它未檢測(cè)信號(hào)的干擾。其關(guān)鍵點(diǎn)在于擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi采用遞推計(jì)算的方法得到，加權(quán)向量ωi和其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線序號(hào)ki可從Wi中直接獲取。
Wi的遞推算法如下1、計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩陣W1＝RN，RN可由R1，R2，…，RN-1逐步遞推得到當(dāng)j＝1時(shí)，計(jì)算Rj=(||h1||2+σ2)-1h1Hσ.]]>這里，hj表示信道矩陣H的第j列；σ表示噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置；‖·‖表示Frobenius范數(shù)。
當(dāng)2≤j≤N時(shí)，Rj=Rj-1-Gj-βjdjgjHβj.]]>這里，dj=R~j-1hj,]]> 表示由Rj-1的前M列構(gòu)成的矩陣；M表示接收天線數(shù)目；βj＝σαj，αj＝(σ2+‖fj‖2+σ2‖dj‖2)-1，fj＝hj-Hj-1dj，Hj-1表示信道矩陣H的前j-1列構(gòu)成的矩陣；gj=[αjfjT-βjdjT]T,]]>(·)T表示轉(zhuǎn)置；Gj=djgjH.]]>2、計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩 Wi(i＝2，3，…，N)。
W-i=Vi-1-||pi-1||-2Λi-1pi-1Hqi-1]]>這里，Λi-1表示刪除Wi-1的第li-1行后得到的矩陣；Vi-1表示刪除Λi-1的第M+li-1列后得到的矩陣；pi-1表示W(wǎng)i-1的第li-1行；qi-1表示刪除pi-1的第M+li-1個(gè)元素后得到的向量。
獲取ωi和ki的方法如下1、抽取擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi的前M列得到MMSE加權(quán)矩陣Wi，抽取擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi的后N-i+1列得到排序矩陣Gi。
2、取出Gi最小對(duì)角線元素對(duì)應(yīng)的行序號(hào)li，從Wi抽取第li行得到1×M維的加權(quán)向量ωi，ωi所對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線序號(hào)即為ki。
實(shí)施本發(fā)明的有益效果在于與傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測(cè)器相比，本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測(cè)器采用了一種簡(jiǎn)單、高效的遞推算法計(jì)算每一次檢測(cè)所需的MMSE加權(quán)向量，在遞推計(jì)算的同時(shí)直接提供基于MMSE排序準(zhǔn)則的排序方案，這種處理方法極大地降低了檢測(cè)器的運(yùn)算復(fù)雜度，同時(shí)保證了檢測(cè)器的性能沒(méi)有受到任何損失。
圖1是MIMO系統(tǒng)的基本原理框圖。
圖2是MMSE-SIC檢測(cè)器第i次檢測(cè)的流程圖。這里，i＝1，2，…，N。
圖3是計(jì)算加權(quán)向量ωi和其對(duì)應(yīng)發(fā)射天線序號(hào)ki的流程圖。這里，i＝1，2，…，N。
圖4是計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩陣W1的流程圖。
圖5是計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi的流程圖。這里，i＝2，3，…，N。
圖6是本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測(cè)器與傳統(tǒng)MMSE-SIC檢測(cè)器的性能比較圖(QPSK)。
圖7是本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測(cè)器與傳統(tǒng)MMSE-SIC檢測(cè)器的性能比較圖(16QAM)。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。
本發(fā)明提供的檢測(cè)器適用于MIMO系統(tǒng)，或是能夠建模為MIMO系統(tǒng)的其它通信系統(tǒng)。例如，本發(fā)明可直接用作CDMA系統(tǒng)的多用戶檢測(cè)器。下面以MIMO系統(tǒng)為例進(jìn)行描述。
圖1是MIMO系統(tǒng)的基本原理框圖。在發(fā)射端，數(shù)據(jù)比特首先被映射成為信號(hào)星座中的信號(hào)，經(jīng)過(guò)串并變換后形成多個(gè)并行的基帶信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)調(diào)制后分別從多個(gè)不同的天線同時(shí)發(fā)射出去；經(jīng)過(guò)無(wú)線信道衰落后，來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào)與噪聲疊加后被多個(gè)天線同時(shí)接收，經(jīng)過(guò)解調(diào)后生成多個(gè)并行基帶信號(hào)，MIMO檢測(cè)器利用信道估計(jì)器產(chǎn)生的信道狀態(tài)信息從基帶信號(hào)中恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。實(shí)際系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)比特在映射之前可以先經(jīng)過(guò)編碼和交織，相應(yīng)的在接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)之前要經(jīng)過(guò)解交織和譯碼。該系統(tǒng)基帶信號(hào)輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為y＝Hx+ε(1)上式中，x＝[x1x2… xN]T表示發(fā)射信號(hào)向量，N表示發(fā)射天線數(shù)目，(·)T表示轉(zhuǎn)置，xn表示從第n根發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)；ε＝[ε1ε2…εM]T表示噪聲向量，M表示接收天線數(shù)目，εm表示第m根接收天線接收到的噪聲；y＝[y1y2… yM]T表示接收信號(hào)向量，ym表示第m根接收天線接收到的信號(hào)；H是M×N維的矩陣，表示MIMO系統(tǒng)的等效基帶信道矩陣；在進(jìn)行MIMO檢測(cè)處理之前，首先要通過(guò)信道估計(jì)器獲得信道矩陣的估計(jì)值，這里假設(shè)接收機(jī)可以無(wú)誤差的估計(jì)出信道矩陣，為了方便描述，文中把信道矩陣的估計(jì)值仍記為H。
圖2是MMSE-SIC檢測(cè)器第f次檢測(cè)的流程圖(i＝1，2，…，N)。該流程的步驟如下步驟l計(jì)算加權(quán)向量ωi和其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線序號(hào)ki(具體方法見(jiàn)圖3)。
步驟2計(jì)算xki的判決值x^ki=Q(ωiyi)]]>。這里，符號(hào)Q(·)表示硬判決；當(dāng)i＝1時(shí)，y1＝y(tǒng)，當(dāng)2≤i≤N時(shí)，yi由第i-1次檢測(cè)的步驟3得到。
步驟3如果i＜N，將信號(hào)ki的干擾從接收信號(hào)yi中刪除得到y(tǒng)i+1，即yi+1=yi-hkix^ki]]>；否則，輸出判決值，結(jié)束算法。這里，hki表示信道矩陣H的第ki列。
圖3是計(jì)算加權(quán)向量ωi和其對(duì)應(yīng)發(fā)射天線序號(hào)ki的流程圖(i＝1，2，…，N)。該流程的步驟如下步驟1令i＝1，遞推計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩陣W1(具體方法見(jiàn)圖4)。
步驟2抽取擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi的前M列得到加權(quán)矩陣Wi，抽取擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi的后N-i+1列得到排序矩陣Gi。
步驟3取出Gi的最小對(duì)角線元素對(duì)應(yīng)的行序號(hào)li，從Wi中抽取第li行得到第i次檢測(cè)的1×M維的加權(quán)向量ωi，其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線序號(hào)ki為向量Li中第li個(gè)元素的值。這里，Li表示刪除向量[1 2 … N]中值等于k1，k2，…，ki-1的元素后得到的向量。
步驟4令i＝i+1，如果i≤N，由Wi-1遞推計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi(具體方法見(jiàn)圖5)，轉(zhuǎn)向步驟2；否則，結(jié)束算法。
注第N次檢測(cè)的加權(quán)向量ωN的計(jì)算可由如下的簡(jiǎn)化算法得到ωN=(||hkN||2+σ2)-1hkNH]]>這里，σ表示噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置；‖·‖表示Frobenius范數(shù)。
圖4是計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩陣W1的流程圖。該流程的步驟如下步驟1令j＝1，計(jì)算Rj=(||h1||2+σ2)-1h1Hσ.]]>步驟2令j＝j(luò)+1，取出Rj-1的前M列構(gòu)成矩陣 計(jì)算dj=R~j-1hj,]]>fj＝hj-Hj-1dj，αj＝(σ2+‖fj‖2+σ2‖dj‖2)-1，βj＝σαj，gj=[αjfjT-βjdjT]T,]]>Gj=djgjH.]]>這里，Hj-1表示信道矩陣H的前j-1列構(gòu)成的矩陣。
步驟3計(jì)算Rj=Rj-1-Gj-βjdjgjHβj.]]>步驟4當(dāng)j＜N時(shí)，返回步驟2；當(dāng)j＝N時(shí)，令W1＝RN，結(jié)束算法。圖5是計(jì)算擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi(i＝2，3，…，N)的流程圖。該流程的步驟如下步驟1將Wi-1按行拆分為向量pi-1和矩陣Λi-1。其中，pi-1為Wi-1的第li-1行，Λi-1為刪除Wi-1的第li-1行后得到的矩陣。
步驟2刪除Ai-1的第M+li-1列得到矩陣Vi-1。
步驟3刪除pi-1的第M+li-1個(gè)元素得到向量qi-1。
步驟4計(jì)算W-i=Vi-1-||pi-1||-2Λi-1pi-1Hqi-1,]]>結(jié)束算法。
圖6和圖7示出了本發(fā)明提供的檢測(cè)器與傳統(tǒng)MMSE-SIC檢測(cè)器的兩組性能比較結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)表示的是發(fā)射數(shù)據(jù)的每比特能量與噪聲功率譜密度的比值(Eb/N0)，縱坐標(biāo)表示的是誤比特率(BER)。系統(tǒng)的收發(fā)天線數(shù)目均為4，信道是獨(dú)立同分布的MIMO平坦瑞利衰落信道，并假設(shè)接收機(jī)可以無(wú)誤差的估計(jì)出信道，檢測(cè)器采用基于最小均方誤差排序準(zhǔn)則的排序方案。圖6所仿真的系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制，頻譜效率為8bit/s/Hz；圖7所仿真的系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制，頻譜效率為16bit/s/Hz。從圖中可看出本發(fā)明提供的檢測(cè)器性能與傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測(cè)器性能完全一致。
下面分析本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測(cè)器的運(yùn)算復(fù)雜度。這里以一次復(fù)數(shù)乘法的運(yùn)算量為算法復(fù)雜度的單位，忽略加減法、比較、選擇等相對(duì)簡(jiǎn)單的處理，只計(jì)算乘除法的復(fù)雜度。以發(fā)射天線數(shù)目N和接收天線數(shù)目M相等時(shí)為例，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，本發(fā)明提供的檢測(cè)器的復(fù)雜度大致為N3的水平，而傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測(cè)器的復(fù)雜度則達(dá)到N4的水平。
綜上所述，本發(fā)明提供的檢測(cè)器在不損失性能的前提下大幅度降低了運(yùn)算復(fù)雜度。
權(quán)利要求
1.一種適用于多入多出(MIMO)系統(tǒng)的低復(fù)雜度最小均方誤差串行干擾刪除(MMSE-SIC)檢測(cè)器，在同一發(fā)送時(shí)隙內(nèi)該檢測(cè)器包含連續(xù)N次檢測(cè)(N表示發(fā)射天線數(shù)目)，其特征在于所述檢測(cè)器的第i次檢測(cè)包含如下步驟計(jì)算第i次檢測(cè)的擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi。根據(jù)Wi得到第i次檢測(cè)的最小均方誤差(MMSE)加權(quán)矩陣Wi和排序矩陣Gi。取出Gi最小對(duì)角線元素對(duì)應(yīng)的行序號(hào)li，取出Wi的第li行得到第i次檢測(cè)的1×M維的加權(quán)向量ωi。這里，M表示接收天線數(shù)目。利用加權(quán)向量ωi恢復(fù)與其對(duì)應(yīng)的第ki根發(fā)射天線發(fā)送的數(shù)據(jù)符號(hào)ki，如果i≤N-1，則從接收數(shù)據(jù)中刪除ki對(duì)其它未檢測(cè)信號(hào)的干擾。這里，ki為ωi所對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線序號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器，其特征在于，第1次檢測(cè)的擴(kuò)展加權(quán)矩陣W1＝RN，RN可由R1，R2，…，RN-1逐步遞推得到，其中當(dāng)j＝1時(shí)，Rj=(||h1||2+σ2)-1h1Hσ.]]>這里，hj表示信道矩陣H的第j列；σ表示噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；‖·‖表示Frobenius范數(shù)；(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置。當(dāng)2≤j≤N時(shí)，Rj=Rj-1-Gj-βjdjgjHβj.]]>這里，dj=R~j-1hj,]]> 表示由Rj-1的前M列構(gòu)成的矩陣，M表示接收天線數(shù)目；βj＝σαj，αj＝(σ2+‖fj‖2+σ2‖dj‖2)-1，fj＝hj-Hj-1dj，Hj-1表示信道矩陣H的前j-1列構(gòu)成的矩陣；gj=αjfjT-βjdjTT,]]>(·)T表示轉(zhuǎn)置；Gj=djgjH.]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器，其特征在于，當(dāng)i＝2，3，…，N時(shí)，Wi的遞推算法為將Wi-1按行拆分為向量pi-1和矩陣Λi-1。其中，pi-1為Wi-1的第li-1行，Λi-1為刪除Wi-1的第li-1行后得到的矩陣。刪除Λi-1的第M+li-1列得到矩陣Vi-1。刪除pi-1的第M+li-1個(gè)元素得到向量qi-1。計(jì)算W‾i=Vi-1-||pi-1||-2Λi-1pi-1Hqi-1.]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器，其特征在于，擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi的前M列即為第i次檢測(cè)的MMSE加權(quán)矩陣Wi。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器，其特征在于，擴(kuò)展加權(quán)矩陣Wi的后N-i+1列即為第i次檢測(cè)的排序矩陣Gi。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器，其特征在于，加權(quán)向量ωN的計(jì)算公式為ωN=(||hkN||2+σ2)-1hkNH.]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器，其特征在于，該檢測(cè)器能夠根據(jù)其它排序準(zhǔn)則進(jìn)行排序。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器，其特征在于，該檢測(cè)算法適用于任意可建模成MIMO系統(tǒng)的通信系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種適用于多入多出(MIMO)系統(tǒng)的最小均方誤差串行干擾刪除(MMSE－SIC)檢測(cè)器，其主要特點(diǎn)為用于每一次檢測(cè)的最小均方誤差(MMSE)加權(quán)向量可以通過(guò)簡(jiǎn)單的遞推方法得到，在遞推計(jì)算的同時(shí)直接提供基于MMSE排序準(zhǔn)則的排序方案。與傳統(tǒng)的MMSE－SIC檢測(cè)器相比，本發(fā)明提供的檢測(cè)器大幅度地降低了計(jì)算復(fù)雜度，而且沒(méi)有帶來(lái)任何性能損失。另外，本發(fā)明也適用于其它可建模成MIMO系統(tǒng)的通信系統(tǒng)，例如碼分多址(CDMA)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H04L25/02GK1697430SQ20051008011
公開(kāi)日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者羅振東, 劉思楊, 劉元安, 趙明 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)