CN100518039C - 一种分层空时检测方法及其接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层空时检测方法及其接收生机，该方法包括：步骤一、首先在接收端对接收信号进行粗解调；步骤二、计算解调信号的信噪比，并依次对要解调信号按从大到小的顺序排序；步骤三、然后依照所排的顺序重新调整信道传输矩阵，并对新得到的信道传输矩阵进行部分QR分解；及步骤四、最后对部分信号进行最大似然检测，并对剩余的信号按照QR分解方法进行解调。采用该方法的接收机可以解决现有技术中系统检测中的误差传播问题。

Description

一种分层空时检测方法及其接收机

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，特别是涉及多输入多输出系统、分层空时码-正交频分复用系统或类似系统中的信号分层空时检测系统及其检测方法。

背景技术

近年来，随着用户规模扩大和业务种类多样化，无线运营商对无线系统语音和高速数据提供能力的要求也相应提高了许多，这就需要能够提供给运营商更多的无线资源。可是无线资源通常来说是有限的，不能无限制的占用，因而如何在有限的资源下实现尽可能高的传输速率，以最大程度地提高现有带宽内的容量，提高频谱利用率已成为一个普遍关心的问题。

正是在这种情况下，贝尔实验室提出了分层空时编码传输方案(BLAST，Bell Labs Layered Space-Time)。与传统的通信手段相比较，BLAST技术在发射端和接收端均使用多天线系统，在不增加现有系统资源的前提下能极大的提高系统的传输效率。实验室结果表明，应用BLAST技术的通信系统可以完成20～40bps/Hz，而这是其它通信系统所不能胜任的。

在无线通信系统中，从发射天线传到接收天线的信号都要经历不同程度的多径信道的影响。对于传统通信手段，当发射端发送的信号经过多径传播到达接收端时将会在接收端产生多个副本，这些信号副本的到达时间通常有一定的差异，从而会在接收端造成一定的符号串扰，降低系统性能，因而可以说多径效应对于传统的通信方式来说是有害的。可是与传统的通信手段不同，BLAST能够有效的利用这些多径，将传播环境中的散射多径看作多个并行独立的子信道，从而增强而不是降低传输的准确性。理论研究表明，在系统功率保持不变的前提下，在独立的雷利(Rayleigh)散射环境中，BLAST的系统容量将会随着天线数的增加而线性增长。

在BLAST系统中，要实现好的传输效果并且最大限度利用BLAST技术带来的优势，就必须要有恰当的信号检测方法，不同的检测方法将对信号检测效果造成不同的影响，如何设计并选择性能优异的信号检测方法将是设计BLAST接收装置的。

目前已有许多文献讨论了BLAST的检测方法，现有技术中有关BLAST检测的方法如下：一、作者G.D.Golden，C.J.Foschini，R.A.Valenzuela和P.W.Wolniansky在文献“Detection algorithm and initial laboratory results usingV-BLAST space-time communication architecture”ELECTRONICS LETTERS7th January 1999 Vol.35 No.1中给出了BLAST信号检测方法。这一方法首先通过后验信噪比的计算确定要解调的信号的顺序，然后依据最小均方误差准则解调不同层的信号。二、在文献“Combined ML and DFE decoding for theV-BLAST system”ICC 2000-IEEE International Conference on Communications，no.1，June 2000 pp.1243-1248中Won-Joon Choi等人给出了一种简化的基于最大似然的BLAST检测方法。这种方法首先对部分层的信号进行最大似然检测，然后再对剩余的未检测信号依照QR(正交-三角)分解的方法进行检测。

上面两种技术尽管都可以得到比较好的结果，但是他们都有一定的缺陷。在现有技术一中，系统对于最先要解调的信号的准确度要求很高，尽管这一方法已经考虑到了误差传播的问题，并按照后验信噪比的大小顺序依次检测信号，但是如果第一个检测值的估计有很大误差，则对整个发送符号的检测将依然是致命性的。在现有技术二中，首先利用最大似然检测方法对任选的前p个子信道的信号进行联合检测，然后再对剩余的信号按照判决反馈均衡的过程解调。对于这种方法，当所选的前p个子信道的信号的信噪比较小时，将依然会遇到与现有技术一相似的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种接收机的分层空时检测方法及其接收机，用以解决现有技术中系统检测中的误差传播问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种分层空时检测方法，用以有效减少系统检测中的误差传播，以得到性能优良的接收机，其特征在于，包括：步骤一、在接收端首先对接收信号进行粗解调；步骤二、计算解调信号的信噪比，并依次对要解调信号按信噪比从大到小的顺序排序；步骤三、然后依照所排的顺序重新调整信道传输矩阵，并对新得到的信道传输矩阵进行部分QR分解；及步骤四、最后对接收信号中的部分信号进行最大似然检测，并对接收信号中剩余的信号按照QR分解方法进行解调。

上述的分层空时检测方法，其中，所述方法具体包括：步骤一具体包括：步骤1，获取接收信号矢量；步骤2，通过信道传输矩阵计算抑制矩阵；步骤3，通过抑制矩阵得到抑制矢量；步骤4，利用抑制矢量和接收矢量得到接收信号的粗解调值；步骤二具体包括：步骤5，根据接收信号的粗解调值计算接收信号的信噪比；步骤6，根据信噪比对信号进行排序；步骤三具体包括：步骤7，依据排序结果重新调整信道传输矩阵；步骤8，对新的信道传输矩阵进行部分QR分解；步骤四具体包括：步骤9，对接收信号中的部分信号进行最大似然检测，对接收信号中的剩余的信号进行干扰抵消检测。

上述的分层空时检测方法，其中，根据最小均方误差准则对所述接收信号进行粗解调。

上述的分层空时检测方法，其中，根据接收信号的信噪比从大到小的顺序，对所述接收信号中的部分信号进行最大似然检测和对接收信号中的剩余信号利用QR分解方法进行检测。

上述的分层空时检测方法，其中，所述接收信号的信噪比决定进行最大似然检测的信号。

上述的分层空时检测方法，其中，所述信噪比为后验信噪比。

为了实现上述目的，本发明提供了一种采用分层空时码检测方法的接收机，包括一编码器，其特征在于，所述编码器在接收端对接收信号进行粗解调；计算解调信号的信噪比，并依次对要解调信号按信噪比从大到小的顺序排序；依照所排的顺序重新调整信道传输矩阵，并对新得到的信道传输矩阵进行部分QR分解；及对接收信号中的部分信号进行最大似然检测，并对接收信号中剩余的信号按照QR分解方法进行解调。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为分层空时系统框图；

图2为本发明检测方法的流程图。

具体实施方式

图1所示为BLAST系统框图；其中，将输入数据11输入到分层空时编码器(BLAST Encoder)110；发射天线130个数为M，接收天线140个数为N(M≤N)，发送端发送的M维列矢量为 $\stackrel{\→}{x}={\{x_1,x_2...,x_M\}}^T;$ 发射端120到接收端150的信道传输矩阵为H_M×N＝(h₁，h₂，…，h_M)，其中的元素h_ij是指从发射天线j到接收天线i的传输函数；接收端150收到的列矢量为 $\stackrel{\→}{y}={\{y_1,y_2...,y_N\}}^T,$ 加性噪声为 $\stackrel{\→}{n}={\{n_1,n_2...,n_N\}}^T,$ 其方差为σ_n ²；接收端150的信号经过分层空时检测器(BLASTDetection)160处理后，得到输出数据12。

本发明提出的方案，适用于基于分层空时码及其相关技术的系统，以及基于BLAST与正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术相结合的应用系统。其特点是在接收端依据接收信号的信噪比，对不同层的信号进行比较排序，在此基础上运用有限的最大似然检测方法(ML，Maximum Likelihood)及迭代干扰抵消方法对接收信号进行检测，从而有效地克服传统的BLAST检测方法中的误差传播问题，其主要方法是：在接收端首先根据最小均方误差准则对接收信号进行粗解调，在此基础上计算解调信号的后验信噪比并依次对要解调信号按信噪比从大到小的顺序排序；然后依照所排的顺序重新调整信道矩阵并对新得到的信道矩阵进行部分QR分解，最后对接收信号中的部分信号进行最大似然检测而对接收信号中的剩余的信号按照常规的QR分解方法进行解调。本发明的一个特点就是结合了排序法和最大似然检测法两种方法的优点，从而减少了检测中的误差传播问题。

图2所示为本发明检测方法的流程图，该流程包括如下几个步骤：步骤201，通过接收前端150获得接收矢量 $\stackrel{\→}{y}=H_{M\×N}\stackrel{\→}{x}+\stackrel{\→}{n};$ 步骤202，通过信道传输矩阵利用最小均方误差方法求出抑制矩阵 $G={(H^{H}H+\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{\σ}}_d^2}I)}^{-1}{H}^H,$ 其中(g)^H表示共轭转置，σ_d ²/σ_n ²为信噪比，I为单位矩阵；步骤203，计算抑制矢量 $w_i={\left(G\right)}_i^H,$ 这里(G)_i表示矩阵G的第i列；步骤204，对接收到的各层信号x_i进行初步的估计得到 ${\tilde{x}}_i=\mathrm{desion}\left(w_i^T\stackrel{\→}{y}\right);$ 步骤205，根据wi及

计算各层的后验信噪比 ${\mathrm{SNR}}_i={\left|{\tilde{x}}_i\right|}^2/{\left|\right|w_i\left|\right|}^2,$ 按照SNRi从小到大的顺序排列得到序列U＝(u₁，u₂，…，u_M)，其中u_k，(k＝1，2，…M)表示发送信号

的后验信噪比在整个发送信号的后验信噪比中依从小到大顺序排第k位；步骤206，在此基础上对原来的信道传输矩阵按列重新进行组合得到新的传输矩阵H′_N×M＝(h′₁，h′₂，…，h′_M)，其中 ${\stackrel{\‾}{h}}_k^{\′}={\stackrel{\‾}{h}}_{u_k}.$ 令 ${\stackrel{\→}{x}}^{\′}={(x_{u_1},x_{u_2},...,x_{u_M})}^T,$ 这时接收矢量

可以表示成式(1)：

$\stackrel{\→}{y}=H_{N\×M}^{\′}{\stackrel{\→}{x}}^{\′}+\stackrel{\→}{n}---\left(1\right)$

经过这样处理后就可以确保当按照后续步骤进行解调时可以始终先检测出信号质量最好的信号；步骤207，对上述得到的矩阵H′_N×M进行部分QR分解得到式(2)：

$H_{N\×M}^{\′}=Q\left(\begin{array}{cc}R& H_a\\ 0& H_b\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中Q为N×N正交酉阵，R为(N-p)×(M-p)上三角矩阵，Hb为p×p矩阵；步骤208，对(1)式两端乘以QH可以得到式(3)：

$Q^H\stackrel{\→}{y}=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{y}}_a\\ {\stackrel{\→}{y}}_b\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}R& H_a\\ 0& H_b\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{x}}_a^{\′}\\ {\stackrel{\→}{x}}_b^{\′}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{n}}_a\\ {\stackrel{\→}{n}}_b\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中 ${\stackrel{\→}{x}}_a^{\′}={(x_{u_{M-p+1}},x_{u_2},...,x_{u_M})}^T,$ ${\stackrel{\→}{x}}_b^{\′}={(x_{u_1},x_{u_2},...,x_{u_{M-p}})}^T,$ 根据上式可以得到：

${\stackrel{\→}{y}}_b=H_b{\stackrel{\→}{x}}_b^{\′}+{\stackrel{\→}{n}}_b---\left(4\right)$

${\stackrel{\→}{y}}_a-H_a{\stackrel{\→}{x}}_b^{\′}=R{\stackrel{\→}{x}}_b^{\′}+{\stackrel{\→}{n}}_a---\left(5\right)$

针对(4)式，应用最大似然准则可以对

进行联合检测，在此基础上根据(5)式解调出剩余的未检测信号矢量

在上述的检测步骤202中所用的部分QR分解方法为：H′_N×M＝(h′₁，h′₂，…，h′_M)

首先对于信道传输矩阵H′_N×M的列向量组(h′₁，h′₂，…，h′_M-p)，根据通常使用的施密特正交法则进行传统的QR分解得到式(6)：

(h′₁，h′₂，…，h′_M-p)＝Q_aR    (6)

通过Q_a可以找到与之正交的归一化矩阵Q_b，使得 $Q_b^H{Q}_b=I,$ $Q_b^H{Q}_a=0.$ 定义Q＝(Q_a Q_b)，则通过下式(7)可以求得H_a，H_b：

$\left(\begin{array}{c}{H}_a\\ H_b\end{array}\right)=Q^H({\stackrel{\‾}{h}}_{M-p+1}^{\′},{\stackrel{\‾}{h}}_2^{\′},...,{\stackrel{\‾}{h}}_M^{\′})---\left(7\right)$

这样本发明就实现了对信道传输矩阵的不完全QR分解。本发明提出的检测方法，充分结合了排序法和部分最大似然检测方法的优点，给出了一种性能优良的接收机系统分层空时检测方法，尽可能地克服了迭代检测中出现的误差传播问题，使得接收端能够更加准确的检测出发射端发送的信号。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1、一种用于接收机的分层空时检测方法，其特征在于，包括：

步骤一、在接收端首先对接收信号进行粗解调；

步骤二、计算解调信号的信噪比，并依次对要解调信号按信噪比从大到小的顺序排序；

步骤三、然后依照所排的顺序重新调整信道传输矩阵，并对新得到的信道传输矩阵进行部分QR分解；及

步骤四、最后对接收信号中的部分信号进行最大似然检测，并对接收信号中剩余的信号按照QR分解方法进行解调。

2、根据权利要求1所述的分层空时检测方法，其特征在于，

所述步骤一具体包括：

步骤1，获取接收信号矢量；

步骤2，通过信道传输矩阵计算抑制矩阵；

步骤3，通过抑制矩阵得到抑制矢量；

步骤4，利用抑制矢量和接收信号矢量得到接收信号的粗解调值；

所述步骤二具体包括：

步骤5，根据接收信号的粗解调值计算接收信号的信噪比；

步骤6，根据信噪比对接收信号进行排序；

所述步骤三具体包括：

步骤7，依据排序结果重新调整信道传输矩阵；

步骤8，对新的信道传输矩阵进行部分QR分解。

3、根据权利要求1或2所述的分层空时检测方法，其特征在于，根据最小均方误差准则对所述接收信号进行粗解调。

4、根据权利要求2所述的分层空时检测方法，其特征在于，根据接收信号的信噪比从大到小的顺序，对所述接收信号中的部分信号进行最大似然检测和对接收信号中的剩余信号利用QR分解方法进行检测。

5、根据权利要求1、2或4所述的分层空时检测方法，其特征在于，所述接收信号的信噪比决定进行最大似然检测的信号。

6、根据权利要求1、2或4所述的分层空时检测方法，其特征在于，所述信噪比为后验信噪比。

7、一种采用分层空时码检测方法的接收机，包括一编码器，其特征在于，所述编码器在接收端对接收信号进行粗解调；计算解调信号的信噪比，并依次对要解调信号按信噪比从大到小的顺序排序；依照所排的顺序重新调整信道传输矩阵，并对新得到的信道传输矩阵进行部分QR分解；及对接收信号中的部分信号进行最大似然检测，并对接收信号中的剩余的信号按照QR分解方法进行解调。

8、根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，根据最小均方误差准则对所述接收信号进行粗解调。

9、根据权利要求7所述的接收机，其特征在于，根据接收信号的信噪比从大到小的顺序，对所述接收信号中的部分信号进行最大似然检测和对接收信号中的剩余信号利用QR分解方法进行检测。

Images