大規模mimo全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法
【專利摘要】本發明公開了一種大規模MIMO全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法。小區基站發送的信號是由低維空時編碼經過全向預編碼擴展生成的全向信號。接收端在預編碼域對來自目標小區和干擾小區的全向信號同時進行軟輸入軟輸出檢測和譯碼，通過在檢測器與譯碼器之間迭代地交換編碼比特的外信息，提升干擾信號重構的準確性，更好地消除小區間干擾的影響。本發明能夠解決大規模MIMO系統中小區間強干擾影響全向信號接收可靠性的問題。通過使用低復雜度的軟輸入軟輸出檢測器和譯碼器，在保證有效抑制小區間干擾的同時，降低接收機的實現復雜度。
【專利說明】
大規模ΜI MO全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種在基站側使用大規模天線陣列的蜂窩移動通信系統，具體涉及一 種大規模Μ頂0全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，一種在基站端配置大量天線的Μηω(大規模Μπω)無線通信系統獲得了學 術界與工業界的廣泛關注。在大規模ΜΜ0系統中，基站端一般配置數十個以上天線單元(如 128或256個），且同時服務數十個用戶（如40個）。基站端的大量天線單元可以較大幅度地提 升無線通信空間自由度，大幅提升傳輸速率、頻譜效率和功率效率。在大規模Μ頂0無線通信 系統中，數據業務信號一般采用定向波束進行傳輸，而廣播信號、控制信號、小區參考信號 等則需要實現全向傳輸。全向預編碼傳輸方法可以實現大規模ΜΜ0系統中信號的全向分集 傳輸，該方法通過對低維預編碼域的空時編碼信號進行全向預編碼信號擴展，生成大規模 天線陣列發送的數字基帶信號。全向預編碼傳輸方法不僅可以有效降低導頻開銷以及系統 實現復雜度，還可以利用預編碼域的空時編碼獲得分集增益，提高信號傳輸的可靠性。所 以，全向預編碼傳輸方法特別適用于控制信號、廣播信號等在大規模ΜΙΜΟ無線通信系統中 的傳輸。
[0003] 為了提升頻率資源利用率，相鄰的蜂窩小區通常使用相同的頻譜資源。由于全向 信號的傳輸特性，處在小區邊緣的用戶設備接收全向信號時必然會受到相鄰小區信號的強 干擾。傳統的小區間干擾抑制技術是采用小區間特定加擾或交織技術使干擾隨機化，在進 行信號檢測時，將干擾信號視為加性高斯白噪聲進行處理。但是，干擾隨機化技術并不能從 根本上消除小區間干擾的影響，信號的接收信噪比仍然難以得到保證。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種大規模ΜΜ0全向預編碼傳輸下的 迭代軟干擾消除接收方法，該接收方法能夠以低的實現復雜度，消除小區間干擾對全向信 號接收的影響，提高信息獲取的正確性。
[0005] 本發明采用的技術方案為:一種大規模ΜΜ0全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除 接收方法，包括以下步驟：
[0006] 1)小區基站發送的信號是由低維空時編碼信號經過全向預編碼擴展生成的全向 信號；
[0007] 2)接收端在預編碼域采用迭代技術對來自目標小區和干擾小區的全向信號均進 行軟輸入軟輸出檢測、譯碼；
[0008] 3)接收機由軟輸入軟輸出檢測器與Κ個并行的軟輸入軟輸出譯碼器構成，Κ個譯碼 器分別用于目標小區和Κ-1個干擾小區編碼比特的譯碼軟判決;兩部分之間由各小區特定 的加擾、解擾模塊或交織、解交織模塊分開，加擾或交織模塊是為了使小區間干擾隨機化；
[0009] 4)軟輸入軟輸出檢測器利用軟輸入軟輸出譯碼器反饋的編碼比特先驗對數似然 比信息重構干擾信號的均值和方差，從而將干擾信號從接收信號中消除，提升檢測精度;軟 輸入軟輸出檢測器與軟輸入軟輸出譯碼器之間迭代交換編碼比特外信息，使接收機取得漸 近最優的性能；
[0010] 5)當達到規定的迭代次數后，信息序列由目標小區對應的譯碼器通過硬判決輸 出。
[0011] 作為優選，所述步驟1)中小區基站的數據信號首先經過低維空時編碼生成N維預 編碼域信號;接著，對預編碼域的信號矢量進行全向預編碼信號擴展處理，即對每個信號矢 量左乘ΝτΧΝ的全向預編碼矩陣W，生成Ντ維全向信號矢量，用作基站天線陣列發送的數字基 帶信號。
[0012] 作為優選，所述步驟2)中接收端對全向信號的檢測在低維預編碼域進行;接收端 已知其與各小區基站之間的預編碼域等效信道狀態信息，包括其與各小區基站之間的預編 碼域等效信道矩陣H k，k=l，2,…，Κ以及接收信號中的噪聲功率of，以上的信道狀態信息均 可利用預編碼域導頻信號通過信道估計的方法獲取。
[0013] 作為優選，所述步驟4)中軟輸入軟輸出檢測器對軟輸入軟輸出譯碼器反饋的編碼 比特外信息進行加擾或交織，得到軟輸入軟輸出檢測器中編碼比特的先驗信息；軟輸入軟 輸出檢測器利用軟調制得到干擾信號的先驗均值與方差，將干擾信號從接收信號中消除； 在低計算復雜度前提下，對干擾消除后的接收信號進行信道均衡得到發送符號的估計值和 估計方差，通過軟解調得到編碼比特的后驗?目息;將后驗?目息減去先驗?目息得到反饋給軟 輸入軟輸出譯碼器的編碼比特外信息。
[0014] 軟輸入軟輸出譯碼器對軟輸入軟輸出檢測器反饋的編碼比特外信息進行解擾或 解交織，得到軟輸入軟輸出譯碼器中編碼比特的先驗信息;在軟輸入軟輸出譯碼器中，采用 基于最大后驗概率準則的譯碼算法得到信息比特和編碼比特的后驗信息;將編碼比特的后 驗信息減去先驗信息得到反饋給軟輸入軟輸出檢測器的外信息。
[0015] 作為優選，所述步驟5)中在達到規定的迭代次數后，目標小區的信息比特由目標 小區對應的譯碼器輸出，將最后一次譯碼得到的信息比特的后驗信息進行硬判決，得到信 息比特序列。
[0016] 本發明的有益效果：
[0017] 1、利用譯碼器反饋的外信息重構小區間干擾信號，將干擾信號從接收信號中消 除，有效抑制小區間干擾對全向信號檢測的影響；
[0018] 2、通過在軟輸入軟輸出檢測器與譯碼器之間迭代地交換編碼比特外信息，使接收 機能夠取得漸近最優的性能；
[0019] 3、采用低復雜度的軟輸入軟輸出檢測器和譯碼器，在保證傳輸可靠性的前提下， 降低接收機的實現復雜度。
【附圖說明】
[0020] 圖1為多小區環境下大規模MBTO無線通信系統示意圖。
[0021 ]圖2為全向預編碼發送流程示意圖。
[0022] 圖3為迭代軟干擾消除接收流程示意圖。
[0023] 圖4為軟輸入軟輸出檢測器結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0025] 1、系統構成與傳輸方案
[0026]圖1為多小區環境下大規模Μπω無線通信系統示意圖。在此實施例中，僅考慮離散 時間域窄帶信道，在所考慮的窄帶信道中只有單個復合徑，所考慮的窄帶信道可以看作是 常規寬帶0FDM系統中的子載波信道，相應地，所涉及的數字基帶發送和接收信號為寬帶 0FDM系統時頻資源上的信號。此外，不失一般性，僅考慮單個用戶設備的接收，用戶設備的 接收天線數為Nr，共接收到K個小區基站發送的全向信號，其中K-1個小區信號為干擾信號。
[0027] 圖2為信號全向預編碼發送流程圖。在本實施例中，每個小區基站的發送天線數為 Ντ，需要發送P比特的信息序列；采用卷積編碼作為信道編碼方式，生成Μ個編碼比特;經過 QPSK調制，生成Μ/2個QPSK符號；在預編碼域采用Alamouti空時編碼，生成Μ/4個空時碼塊； 經過全向預編碼信號擴展，小區基站k在第m個碼塊的發送信號矩陣可以表示為
[0028]
[0029]其中，m=l，2,…，M/4，W為全向預編碼矩陣，上標$表示取共輒。第m個碼塊的預編 碼域等效信號傳輸可以表示為
[0030](2) Λ =1
[0031] 其中
為接收信號矢 量，xk(m) = [xk(2m-l)，xk(2m)]T為小區基站k發送的信號矢量，z(m)為噪聲矢量。Hk為小區基 站k與用戶設備間的預編碼域等效信道矩陣，其表示為
[0032]
(.3)
[0033] 其中，表示小區基站k的第p根等效發送天線到第q根接收天線的信道增益， (· )T表示矩陣的轉置。
[0034]圖3給出了迭代軟干擾消除接收方法的流程圖。為便于區分，分別用L( ·)和λ( ·) 表示檢測器與譯碼器中的對數似然比信息。迭代軟干擾消除接收方法包括：
[0035] 步驟1:譯碼器反饋的編碼比特外信息為AE(b1, k)，k=l，2r"，K，i = l，2，'"，M，g 過小區基站k對應的加擾，得到檢測器中編碼比特的先驗信息LA(b1>k)。在初次迭代時，假設 LA(bi,k)均為 0。
[0036] 步驟2:檢測器利用先驗信息LA(b1>k)重構每個小區基站發送符號向量的均值1?與 方差^^，利用重構的均值向量進行干擾信號消除;結合等效信道矩陣H k與噪聲方差< ,對干 擾消除后的接收矢量進行信道均衡，得到發送符號向量的估計值先，進而得出％的條件均 值匕和方差1;將&的條件概率分布近似為高斯分布，得到編碼比特的后驗信息L D(b1>k); 將后驗信息LD(b1>k)減去先驗信息L A(b1>k)，得到反饋給譯碼器的外信息LE(b1>k)，即
[0037] LE(bi,k)=LD(bi,k)-LA(bi,k) (4)
[0038] 步驟3:對檢測器反饋的編碼比特外信息LE(b1>k)進行小區基站k對應的解擾，得到 譯碼器中編碼比特的先驗信息A A(b1>k)。
[0039] 步驟4:譯碼器利用編碼比特先驗信息XA(b1>k)進行軟輸入軟輸出譯碼，得到編碼 比特的后驗信息A D(bi,k)以及信息比特的后驗信息(dP,k)，p = 1，2，…，P;將后驗信息λ0 (b1>k)減去先驗信息XA(b1>k)，得到反饋給檢測器的編碼比特外信息X E(b1>k)，即
[0040] AE(bi，k) =^D(bi，k)-XA(bi，k) (5)
[0041] 步驟5:由步驟1到4即完成了編碼比特外信息的一次迭代，通過檢測器與譯碼器間 編碼比特外信息的多次迭代，同時提升目標信號和干擾信號檢測、譯碼的準確性，進而更好 地消除干擾信號的影響。
[0042]步驟6:當達到規定的迭代次數后（一般迭代3次即可取得較為理想的結果），由目 標小區的譯碼器輸出信息比特最終的硬判決結果。若k=l表示目標小區，硬判決過程表示 為
[0043]
(6)
[0044]其中，sgn( ·)為取符號函數，輸入正數時輸出為1，否則輸出為0。
[0045] 2、軟輸入軟輸出檢測器
[0046] 圖4給出了迭代軟干擾消除接收方法中軟輸入軟輸出檢測器的結構示意圖。為了 降低接收機的實現復雜度，本發明公開一種基于空時解碼的軟干擾消除檢測方法。
[0047]檢測器在預編碼域對各個空時碼塊進行相互獨立的檢測，可以忽略碼塊編號m，則 公式(2)可表示為
[0048] y = Hx+z (7)
[0049] 其中，H=[Hi，H2，···，HK] = [hi，h2，···，h2K-i，h2K]為預編碼域等效信道矩陣，χ=[χι, X2,…，Χ2Κ-1,Χ2Κ]為發送符號矢量。
[0050] 用欠表示QPSK符號χη的第j個編碼比特，其中，j = l，2，n=l，2,…，2Κ。利用 L」x") = 重構發送符號xn的先驗均值μη及方差vn為
[0051 ]
C8；
[0052] 其中，X表示QPSK調制符號集，P( ·)為概率質量函數，P(xn = x|LA(xn))的計算方 法如下
[0053]
(9)
[0054] 其中，b1表示符號X對應的第1比特，Π 為連乘符號。
[0055]利用重構的均值向量^=[^^2，"_#21(]進行干擾小區信號消除。同小區發送符號 間的干擾可以利用空時編碼的正交性消除，所以只需要消除干擾小區信號。對應于小區基 站k的消除干擾后接收信號為
[0056] yk = y_H(yx-y2k-ie2k-i_y2ke2k) (10)
[0057] 其中，ek為第k個元素為1的單位矢量。對yk進行空時解碼，得到xnm的估計值為
[0058]
(11)
[0059] 其中，I I · I 12表示向量的2-范數。與的條件均值和方差為
[0060] v J
/
[0061] 對K個小區基站的發送信號均采用上述方法進行軟干擾消除檢測，得到發送符號 矢量的條件均值1?和方差心。將條件概率分布lx」近似為高斯分布，則編碼比特€的 后驗信息為
[0062]
<e-,i l*i
[0063] 其中，X丨與X丨分別表示=〇}和P:TeX;/y =]}人叱)表示反饋給譯碼 器的編碼比特外信息。采用Max-Log算法可以進一步降低檢測器的計算復雜度，用于迭代的 編碼比特外信息表示為
[0064]
[0065] 本發明給出的軟輸入軟輸出檢測器在計算編碼比特外信息時，不涉及矩陣求逆、 分解等復雜運算，具有較低的計算復雜度。
[0066] 3、軟輸入軟輸出譯碼器
[0067] 在此實施例中，小區基站采用卷積編碼作為信息序列的信道編碼方式。所以，接收 機中的軟輸入軟輸出譯碼器可以采用BCJR譯碼算法。BCJR算法將卷積編碼過程看作一個 Markov鏈，利用編碼比特的先驗信息λΑ( bi, k)計算Markov鏈上的狀態轉移概率，進而得到信 息比特和編碼比特的后驗信息。BCJR算法的實現方法本申請就不再具體給出，同樣可以 Max-Log算法簡化BCJR算法的實現復雜度。
[0068] 應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下， 還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。本實施例中未 明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
【主權項】
1. 一種大規模ΜΙΜΟ全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法，其特征在于:包括 以下步驟： 1) 小區基站發送的信號是由低維空時編碼信號經過全向預編碼擴展生成的全向信號； 2) 接收端在預編碼域采用迭代技術對來自目標小區和干擾小區的全向信號均進行軟 輸入軟輸出檢測、譯碼； 3) 接收機由軟輸入軟輸出檢測器與K個并行的軟輸入軟輸出譯碼器構成，K個譯碼器分 別用于目標小區和K-I個干擾小區編碼比特的譯碼軟判決;兩部分之間由各小區特定的加 擾、解擾模塊或交織、解交織模塊分開，加擾或交織模塊是為了使小區間干擾隨機化； 4) 軟輸入軟輸出檢測器利用軟輸入軟輸出譯碼器反饋的編碼比特先驗對數似然比信 息重構干擾信號的均值和方差，從而將干擾信號從接收信號中消除，提升檢測精度;軟輸入 軟輸出檢測器與軟輸入軟輸出譯碼器之間迭代交換編碼比特外信息，使接收機取得漸近最 優的性能； 5) 當達到規定的迭代次數后，信息序列由目標小區對應的譯碼器通過硬判決輸出。2. 根據權利要求1所述的大規模MMO全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法， 其特征在于:所述步驟1)中小區基站的數據信號首先經過低維空時編碼生成N維預編碼域 信號;接著，對預編碼域的信號矢量進行全向預編碼信號擴展處理，即對每個信號矢量左乘 NtXN的全向預編碼矩陣W，生成Nt維全向信號矢量，用作基站天線陣列發送的數字基帶信 號。3. 根據權利要求1所述的大規模MMO全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法， 其特征在于:所述步驟2)中接收端對全向信號的檢測在低維預編碼域進行;接收端已知其 與各小區基站之間的預編碼域等效信道狀態信息，包括其與各小區基站之間的預編碼域等 效信道矩陣H k，k=l，2,…，K以及接收信號中的噪聲功率CTz2，以上的信道狀態信息均可利用 預編碼域導頻信號通過信道估計的方法獲取。4. 根據權利要求1所述的大規模MMO全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法， 其特征在于:所述步驟4)中軟輸入軟輸出檢測器對軟輸入軟輸出譯碼器反饋的編碼比特外 信息進行加擾或交織，得到軟輸入軟輸出檢測器中編碼比特的先驗信息；軟輸入軟輸出檢 測器利用軟調制得到干擾信號的先驗均值與方差，將干擾信號從接收信號中消除;在低計 算復雜度前提下，對干擾消除后的接收信號進行信道均衡得到發送符號的估計值和估計方 差，通過軟解調得到編碼比特的后驗?目息；將后驗?目息減去先驗?目息得到反饋給軟輸入軟 輸出譯碼器的編碼比特外信息。 軟輸入軟輸出譯碼器對軟輸入軟輸出檢測器反饋的編碼比特外信息進行解擾或解交 織，得到軟輸入軟輸出譯碼器中編碼比特的先驗信息;在軟輸入軟輸出譯碼器中，采用基于 最大后驗概率準則的譯碼算法得到信息比特和編碼比特的后驗信息;將編碼比特的后驗信 息減去先驗信息得到反饋給軟輸入軟輸出檢測器的外信息。5. 根據權利要求1所述的大規模MMO全向預編碼傳輸下的迭代軟干擾消除接收方法， 其特征在于:所述步驟5)中在達到規定的迭代次數后，目標小區的信息比特由目標小區對 應的譯碼器輸出，將最后一次譯碼得到的信息比特的后驗信息進行硬判決，得到信息比特 序列。
【文檔編號】H04L1/00GK105897627SQ201610225710
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月12日
【發明人】高西奇, 林宇, 孟鑫
【申請人】東南大學