專利名稱：一種低復雜度的最小均方誤差串行干擾刪除檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及一種應用于多入多出(MIMO)系統(tǒng)的檢測器，同時這種檢測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：
隨著蜂窩移動通信、多媒體業(yè)務的發(fā)展，世界范圍內無線通信的容量需求在迅速增長，而可利用的無線頻率資源卻十分有限，如何在有限的頻帶內提供更大的信道容量成為未來高速無線通信系統(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行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o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)目呈線性關系。由于MIMO系統(tǒng)具有極高的頻譜利用率，因此被認為是未來高速無線通信系統(tǒng)的主要物理層技術之一。
最小均方誤差串行干擾刪除(MMSE-SIC)檢測器是適用于MIMO系統(tǒng)的一種有效的檢測器，它根據(jù)最小均方誤差(MMSE)準則從多個接收數(shù)據(jù)流中依次檢測出發(fā)送的數(shù)據(jù)符號，當檢測出某一發(fā)送符號后，將此符號所引起的干擾從接收信號中刪除掉，然后再檢測下一個發(fā)送符號。其檢測順序可以根據(jù)一定的排序準則(如最小均方誤差排序準則、最大信干噪比排序準則等)來確定。在傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測器中，由于計算MMSE矩陣時要多次進行復雜的矩陣求逆和排序運算，當收發(fā)天線數(shù)目較多時，其計算復雜度非常高。
如何在保證性能不下降的前提下，降低檢測器的運算復雜度是此檢測器進行實際應用的關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種MMSE-SIC檢測器，它在保證檢測性能不變的前提下，大幅度降低運算復雜度。
本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測器的技術方案為在同一發(fā)送時隙內該檢測器包含連續(xù)N次檢測(N表示發(fā)射天線數(shù)目)，在第i次檢測時，由擴展加權矩陣Wi獲得用于本次檢測的加權向量ωi和其對應的發(fā)射天線序號ki，然后對發(fā)射符號xki進行檢測得到其判決值ki，并從接收信號中刪除ki對其它未檢測信號的干擾。其關鍵點在于擴展加權矩陣Wi采用遞推計算的方法得到，加權向量ωi和其對應的發(fā)射天線序號ki可從Wi中直接獲取。
Wi的遞推算法如下1、計算擴展加權矩陣W1＝RN，RN可由R1，R2，…，RN-1逐步遞推得到當j＝1時，計算Rj=(||h1||2+σ2)-1h1Hσ.]]>這里，hj表示信道矩陣H的第j列；σ表示噪聲的標準差；(·)H表示共軛轉置；‖·‖表示Frobenius范數(shù)。
當2≤j≤N時，Rj=Rj-1-Gj-βjdjgjHβj.]]>這里，dj=R~j-1hj,]]> 表示由Rj-1的前M列構成的矩陣；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列構成的矩陣；gj=[αjfjT-βjdjT]T,]]>(·)T表示轉置；Gj=djgjH.]]>2、計算擴展加權矩 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個元素后得到的向量。
獲取ωi和ki的方法如下1、抽取擴展加權矩陣Wi的前M列得到MMSE加權矩陣Wi，抽取擴展加權矩陣Wi的后N-i+1列得到排序矩陣Gi。
2、取出Gi最小對角線元素對應的行序號li，從Wi抽取第li行得到1×M維的加權向量ωi，ωi所對應的發(fā)射天線序號即為ki。
實施本發(fā)明的有益效果在于與傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測器相比，本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測器采用了一種簡單、高效的遞推算法計算每一次檢測所需的MMSE加權向量，在遞推計算的同時直接提供基于MMSE排序準則的排序方案，這種處理方法極大地降低了檢測器的運算復雜度，同時保證了檢測器的性能沒有受到任何損失。


圖1是MIMO系統(tǒng)的基本原理框圖。
圖2是MMSE-SIC檢測器第i次檢測的流程圖。這里，i＝1，2，…，N。
圖3是計算加權向量ωi和其對應發(fā)射天線序號ki的流程圖。這里，i＝1，2，…，N。
圖4是計算擴展加權矩陣W1的流程圖。
圖5是計算擴展加權矩陣Wi的流程圖。這里，i＝2，3，…，N。
圖6是本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測器與傳統(tǒng)MMSE-SIC檢測器的性能比較圖(QPSK)。
圖7是本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測器與傳統(tǒng)MMSE-SIC檢測器的性能比較圖(16QAM)。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細闡述。
本發(fā)明提供的檢測器適用于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)的多用戶檢測器。下面以MIMO系統(tǒng)為例進行描述。
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星座中的信號，經(jīng)過串并變換后形成多個并行的基帶信號，然后經(jīng)過調制后分別從多個不同的天線同時發(fā)射出去；經(jīng)過無線信道衰落后，來自不同發(fā)射天線的信號與噪聲疊加后被多個天線同時接收，經(jīng)過解調后生成多個并行基帶信號，MIMO檢測器利用信道估計器產(chǎn)生的信道狀態(tài)信息從基帶信號中恢復出原始數(shù)據(jù)。實際系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)比特在映射之前可以先經(jīng)過編碼和交織，相應的在接收機輸出數(shù)據(jù)之前要經(jīng)過解交織和譯碼。該系統(tǒng)基帶信號輸入輸出關系的數(shù)學表達式可以表示為y＝Hx+ε(1)上式中，x＝[x1x2… xN]T表示發(fā)射信號向量，N表示發(fā)射天線數(shù)目，(·)T表示轉置，xn表示從第n根發(fā)射天線發(fā)射的信號；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表示接收信號向量，ym表示第m根接收天線接收到的信號；H是M×N維的矩陣，表示MIMO系統(tǒng)的等效基帶信道矩陣；在進行MIMO檢測處理之前，首先要通過信道估計器獲得信道矩陣的估計值，這里假設接收機可以無誤差的估計出信道矩陣，為了方便描述，文中把信道矩陣的估計值仍記為H。
圖2是MMSE-SIC檢測器第f次檢測的流程圖(i＝1，2，…，N)。該流程的步驟如下步驟l計算加權向量ωi和其對應的發(fā)射天線序號ki(具體方法見圖3)。
步驟2計算xki的判決值x^ki=Q(ωiyi)]]>。這里，符號Q(·)表示硬判決；當i＝1時，y1＝y(tǒng)，當2≤i≤N時，yi由第i-1次檢測的步驟3得到。
步驟3如果i＜N，將信號ki的干擾從接收信號yi中刪除得到y(tǒng)i+1，即yi+1=yi-hkix^ki]]>；否則，輸出判決值，結束算法。這里，hki表示信道矩陣H的第ki列。
圖3是計算加權向量ωi和其對應發(fā)射天線序號ki的流程圖(i＝1，2，…，N)。該流程的步驟如下步驟1令i＝1，遞推計算擴展加權矩陣W1(具體方法見圖4)。
步驟2抽取擴展加權矩陣Wi的前M列得到加權矩陣Wi，抽取擴展加權矩陣Wi的后N-i+1列得到排序矩陣Gi。
步驟3取出Gi的最小對角線元素對應的行序號li，從Wi中抽取第li行得到第i次檢測的1×M維的加權向量ωi，其對應的發(fā)射天線序號ki為向量Li中第li個元素的值。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遞推計算擴展加權矩陣Wi(具體方法見圖5)，轉向步驟2；否則，結束算法。
注第N次檢測的加權向量ωN的計算可由如下的簡化算法得到ωN=(||hkN||2+σ2)-1hkNH]]>這里，σ表示噪聲的標準差；(·)H表示共軛轉置；‖·‖表示Frobenius范數(shù)。
圖4是計算擴展加權矩陣W1的流程圖。該流程的步驟如下步驟1令j＝1，計算Rj=(||h1||2+σ2)-1h1Hσ.]]>步驟2令j＝j+1，取出Rj-1的前M列構成矩陣 計算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列構成的矩陣。
步驟3計算Rj=Rj-1-Gj-βjdjgjHβj.]]>步驟4當j＜N時，返回步驟2；當j＝N時，令W1＝RN，結束算法。圖5是計算擴展加權矩陣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個元素得到向量qi-1。
步驟4計算W-i=Vi-1-||pi-1||-2Λi-1pi-1Hqi-1,]]>結束算法。
圖6和圖7示出了本發(fā)明提供的檢測器與傳統(tǒng)MMSE-SIC檢測器的兩組性能比較結果。圖中橫坐標表示的是發(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，信道是獨立同分布的MIMO平坦瑞利衰落信道，并假設接收機可以無誤差的估計出信道，檢測器采用基于最小均方誤差排序準則的排序方案。圖6所仿真的系統(tǒng)采用QPSK調制，頻譜效率為8bit/s/Hz；圖7所仿真的系統(tǒng)采用16QAM調制，頻譜效率為16bit/s/Hz。從圖中可看出本發(fā)明提供的檢測器性能與傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測器性能完全一致。
下面分析本發(fā)明提供的MMSE-SIC檢測器的運算復雜度。這里以一次復數(shù)乘法的運算量為算法復雜度的單位，忽略加減法、比較、選擇等相對簡單的處理，只計算乘除法的復雜度。以發(fā)射天線數(shù)目N和接收天線數(shù)目M相等時為例，經(jīng)過計算可知，本發(fā)明提供的檢測器的復雜度大致為N3的水平，而傳統(tǒng)的MMSE-SIC檢測器的復雜度則達到N4的水平。
綜上所述，本發(fā)明提供的檢測器在不損失性能的前提下大幅度降低了運算復雜度。
權利要求
1.一種適用于多入多出(MIMO)系統(tǒng)的低復雜度最小均方誤差串行干擾刪除(MMSE-SIC)檢測器，在同一發(fā)送時隙內該檢測器包含連續(xù)N次檢測(N表示發(fā)射天線數(shù)目)，其特征在于所述檢測器的第i次檢測包含如下步驟計算第i次檢測的擴展加權矩陣Wi。根據(jù)Wi得到第i次檢測的最小均方誤差(MMSE)加權矩陣Wi和排序矩陣Gi。取出Gi最小對角線元素對應的行序號li，取出Wi的第li行得到第i次檢測的1×M維的加權向量ωi。這里，M表示接收天線數(shù)目。利用加權向量ωi恢復與其對應的第ki根發(fā)射天線發(fā)送的數(shù)據(jù)符號ki，如果i≤N-1，則從接收數(shù)據(jù)中刪除ki對其它未檢測信號的干擾。這里，ki為ωi所對應的發(fā)射天線序號。
2.根據(jù)權利要求1所述的檢測器，其特征在于，第1次檢測的擴展加權矩陣W1＝RN，RN可由R1，R2，…，RN-1逐步遞推得到，其中當j＝1時，Rj=(||h1||2+σ2)-1h1Hσ.]]>這里，hj表示信道矩陣H的第j列；σ表示噪聲的標準差；‖·‖表示Frobenius范數(shù)；(·)H表示共軛轉置。當2≤j≤N時，Rj=Rj-1-Gj-βjdjgjHβj.]]>這里，dj=R~j-1hj,]]> 表示由Rj-1的前M列構成的矩陣，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列構成的矩陣；gj=αjfjT-βjdjTT,]]>(·)T表示轉置；Gj=djgjH.]]>
3.根據(jù)權利要求1所述的檢測器，其特征在于，當i＝2，3，…，N時，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個元素得到向量qi-1。計算W‾i=Vi-1-||pi-1||-2Λi-1pi-1Hqi-1.]]>
4.根據(jù)權利要求1所述的檢測器，其特征在于，擴展加權矩陣Wi的前M列即為第i次檢測的MMSE加權矩陣Wi。
5.根據(jù)權利要求1所述的檢測器，其特征在于，擴展加權矩陣Wi的后N-i+1列即為第i次檢測的排序矩陣Gi。
6.根據(jù)權利要求1所述的檢測器，其特征在于，加權向量ωN的計算公式為ωN=(||hkN||2+σ2)-1hkNH.]]>
7.根據(jù)權利要求1所述的檢測器，其特征在于，該檢測器能夠根據(jù)其它排序準則進行排序。
8.根據(jù)權利要求1所述的檢測器，其特征在于，該檢測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)檢測器，其主要特點為用于每一次檢測的最小均方誤差(MMSE)加權向量可以通過簡單的遞推方法得到，在遞推計算的同時直接提供基于MMSE排序準則的排序方案。與傳統(tǒng)的MMSE－SIC檢測器相比，本發(fā)明提供的檢測器大幅度地降低了計算復雜度，而且沒有帶來任何性能損失。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H04L25/02GK1697430SQ20051008011
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權日2005年6月30日
發(fā)明者羅振東, 劉思楊, 劉元安, 趙明 申請人:北京郵電大學