CN101098160B - 一种基于可靠性准则的混合接收机及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可靠性准则的混合接收机及其检测方法，其中所述的检测方法包括如下步骤：步骤1、简单接收机接收信号并检测获得发送信号的初始估计值

；步骤2、设定一个判决门限Th，如果所述初始估计值满足

，其中y、H、σ²分别为接收信号、信道矩阵和接收端噪声能量，则将该初始估计值作为发射信号的最终估计值并输出；步骤3、如果初始估计值不满足

，则接收信号再输入到复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出。本发明可以在MIMO系统中使用，并在不损失性能，或性能损失不大的情况下，使用简单接收机代替复杂接收机来检测部分发送信号，有效的降低了接收机复杂度。

Description

一种基于可靠性准则的混合接收机及其检测方法

技术领域

本发明涉及多天线系统中的一种接收机及其检测方法。

背景技术

在无线通信系统中，为越来越多的移动用户提供高速率数据和多媒体业务已经日益迫切，设计能够逼近信道容量的有效方法的信号处理方法已经成为一种挑战。最优的极大似然检测(ML)由于它极高的复杂度阻止它在实际中的应用，Wolniansky P W提出了MIMO系统中的基于最小均方误差(MMSE)方法的连续干扰抵消方法(OSIC)，根据最大后检信噪比(post-detection SNR)逐一的对发送信号进行估计和干扰抵消，该方法性能优于MMSE方法，并且复杂度增加不大，但离最优性能还有较大的差距；为了接近ML的性能，人们提出了很多复杂接收机技术，其中一种有效的方法是基于QR分解的M算法(QRD/M)，采用树搜索的方法，当搜索径数增加时，能迅速的逼近ML的性能。但复杂接收机的检测算法复杂度高。

简单接收机，比如OSIC接收机，检测算法复杂度低，但性能相对于复杂接收机有较大的差距。

现有技术一般要么采用简单接收机，要么采用复杂接收机，但二者均存在缺陷：简单接收机性能相比复杂接收机有较大的损失；复杂接收机算法复杂度过高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于可靠性准则的混合接收机及其检测方法，其通过可靠性准则来判定简单接收机的估计值的准确性，在判定不可靠时才使用复杂接收机，从而在保证检测性能的同时，有效的降低了接收机算法的复杂度。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：

本发明的基于可靠性准则的混合接收机包括：

简单接收机，用于接收信号并检测获得发送信号的初始估计值

；

复杂接收机，用于接收信号并检测获得发送信号的最终估计值；

可靠性判决模块，其连接于简单接收机与复杂接收机之间，用于设定一个判决门限Th，如果初始估计值满足其中y、H、σ²分别为接收信号、信道矩阵和接收端噪声能量，则将该初始估计值作为发射信号的最终估计值并输出，否则，接收信号再输入到复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出。

本发明的一种检测方法，包括如下步骤：

步骤1、简单接收机接收信号并检测获得发送信号的初始估计值

步骤2、设定一个判决门限，如果所述初始估计值满足

则将该初始估计值作为发射信号的最终估计值并输出；

步骤3、如果初始估计值不满足

则接收信号再输入到复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出。

进一步地，所述的判决门限Th可以通过如下几种方法获得，当使用理想可靠性准则时，该判决门限的计算方法包括如下步骤：

步骤1、计算γ的所有可能值，得到其最小值min(γ)，其中

γ为非中心参数，为发送信号的初始估计值，x为N_t×1的向量，H为N_r×N_t的信道矩阵，σ²为接收端噪声能量；

步骤2、计算

使之满足

其中，

为中心卡方分布，

为非中心卡方分布，

为中心卡方分布

和非中心卡方分布

的交点对应的横坐标。

当使用简单可靠性准则时，所述的判决门限Th等于接收天线数N_r。

优选地，本发明还可通过仿真方式或实践测试来调整判决门限Th的值，以取得混合接收机性能/复杂度的折衷。

本发明可以在MIMO系统中使用，通过使用可靠性判决准则，可以在不损失性能，或性能损失不大的情况下，使用简单接收机代替复杂接收机来检测部分发送信号，有效的降低了接收机复杂度。

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步的阐述，以使进一步了解本发明的目的、效果及技术方案。

附图说明

图1是本发明的混合接收机的结构示意图。

图2是自由度为4的中心卡方分布和不同非中心参数的非中心卡方分布概率密度。

图3是自由度为6的中心卡方分布和不则非中心参数的非中心卡方分布概率密度。

图4是OISC接收机，QRD/M接收机和不同门限值的混合接收机(CD)BER性能。

图5是OISC接收机，QRD/M接收机和不同门限值的混合接收机(CD)复数乘法的平均数目。

具体实施方式

如图1所示：本发明的基于可靠性准则的混合接收机包括：

简单接收机，用于接收信号并检测获得发送信号的初始估计值

复杂接收机，用于接收信号并检测获得发送信号的最终估计值；

可靠性判决模块，其连接于简单接收机与复杂接收机之间，用于设定一个判决门限Th，如果初始估计值满足

其中y、H、σ²分别为接收信号、信道矩阵和接收端噪声能量，则将该初始估计值作为发射信号的最终估计值并输出，否则，接收信号再输入到复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出。

下面结合一个具体实施例详细说明本发明的判决门限的选择：

考虑平坦瑞利信道下的N_t个发送天线N_r个接收天线的多天线系统，采用贝尔实验室分层结构(BLAST)发送技术，其接收端信号可以表示为：

y＝Hx+n(1)

其中H为N_r×N_t的信道矩阵，每个元素为独立同分布的复高斯变量，方差为1；x为N_t×1的向量，代表发送信号；n是空间复高斯噪声，方差为σ²。

表示发送信号的初始估计为

定义

$\mathrm{\α}={\left|\right|y-H\tilde{x}\left|\right|}^2/{\mathrm{\σ}}^2$

如果

为发送信号的正确估计，那么α服从自由度为N_r的中心卡方分布，均值为N_r，α的密度方程(PDF)可表示为：

$f_{{\mathrm{\χ}}^2\left(N_r\right)}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2^{\frac{N_r}{2}}\mathrm{\Γ}(N_r/2)}{e}^{-\frac{x}{2}}{x}^{\frac{N_r}{2}-1},& x>0\\ 0,& x\≤0\end{array}\right.$

如果为发送信号的错误估计，那么α服从自由度为N_r，非中心参数为γ的非中心卡方分布，均值为N_r+γ，其中

$\mathrm{\γ}={\left|\right|H(\tilde{x}-x)\left|\right|}^2/{\mathrm{\σ}}^2$

α的PDF表示为

$f_{{\mathrm{\χ}}^2(N_r,\mathrm{\γ})}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)}^k}{k!\mathrm{\Γ}(\frac{N_r}{2}+k)}\frac{x^{\frac{N_r}{2}+k-1}}{2^{\frac{N_r}{2}+k}}{e}^{-\frac{\mathrm{\γ}+x}{2}},& x>0\\ 0,& x\≤0\end{array}\right.$

由上可知，只要α服从中心卡方分布的概率密度大于非中心卡方分布的概率密度，可认为，

为发送信号的正确估计。因此，理想的可靠性判决准则可表示为：

$f_{{\mathrm{\χ}}^2\left(N_r\right)}\left(\mathrm{\α}\right)>\max \left(f_{{\mathrm{\χ}}^2(N_r,\mathrm{\γ})}\left(\mathrm{\α}\right)\right)$

如果中心卡方分布的概率密度大于所有的非中心卡方分布概率密度，

被判定为发送信号的正确估计；否则，初始估计被判定为不可靠，需要经过复杂接收机得到更为准确的估计。

图2和图3为自由度等于4和6时，中心卡方分布和不同非中心参数的非中心卡方分布概率密度曲线，将中心卡方分布

和非中心卡方分布

的交点对应的横坐标表示为

从图2和图3中，可以发现

和

满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{cc}{f}_{{\mathrm{\&chi;}}^2\left(N_r\right)}\left(x\right)\&GreaterEqual;f_{{\mathrm{\&chi;}}^2(N_r,\mathrm{\&gamma;})}\left(x\right)& 0<x\&le;\stackrel{\&OverBar;}{x}(N_r,\mathrm{\&gamma;})\\ f_{{\mathrm{\&chi;}}^2\left(N_r\right)}\left(x\right)<f_{{\mathrm{\&chi;}}^2(N_r,\mathrm{\&gamma;})}\left(x\right)& x>\stackrel{\&OverBar;}{x}(N_r,\mathrm{\&gamma;})\end{array}\right.$

且有

$\stackrel{\&OverBar;}{x}(N_r,{\mathrm{\&gamma;}}_1)>\stackrel{\&OverBar;}{x}(N_r,{\mathrm{\&gamma;}}_2)$ if γ₁＞γ₂

因此，理想可靠性判决准则表示为：

$\mathrm{\&alpha;}<\stackrel{\&OverBar;}{x}(N_r,\min \left(\mathrm{\&gamma;}\right))---\left(2\right)$

将(2)右边的量成为判决准则的门限，表示为Th。如果则将该初始估计值作为发射信号的最终估计值并输出，否则，接收信号再输入到复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出。

可见，该理想可靠性判决准则的门限值为

其计算方法包括如下步骤：

步骤1、计算γ的所有可能值，得到其最小值min(γ)，其中

γ为非中心参数，

为发送信号的初始估计值，x为N_t×1的向量，H为N_r×N_t的信道矩阵，σ²为接收端噪声能量；

步骤2、计算

使之满足

其中，

为中心卡方分布，

为非中心卡方分布，

为中心卡方分布

和非中心卡方分布

的交点对应的横坐标。

从使用理想可靠性判决准则的步骤可以看出，计算min(γ)的算法复杂度很高，为了计算所有的γ值，需要遍历所有的可能发送信号组合，复杂度和ML检测相同。只有在缓慢变化的信道中，理想可靠性判决准则才可用，因为在连续的几个符号周期内，min(γ)只需要计算一次；然而，在快速变化的信道中，理想可靠性判决准则因为其过高的复杂度而不可用。

从图2和图3中，我们可以发现

$\&ForAll;\mathrm{\&gamma;}>0,$ $N_r\&le;\stackrel{\&OverBar;}{x}(N_r,\mathrm{\&gamma;})$

由此可以看出，只要选择Th＝N_r，其中N_r为接收天线数，就可以保证满足可靠性判决准则的估计值是可靠的。所以，我们可以得到一个简化的可靠性判决准则，

${\left|\right|y-H\tilde{x}\left|\right|}^2/{\mathrm{\&sigma;}}^2<N_r---\left(3\right)$

由于不需要计算Th，所以简单可靠性判决准则的算法开销非常小。

综上所述，本发明还提供一种基于所述可靠性准则的混合接收机的检测方法，包括如下步骤：

步骤1、简单接收机接收信号并检测获得发送信号的初始估计值所述简单接收机可以是MMSE-OSIC接收机，MMSE-OSIC接收机使用MMSE接收和连续干扰抵消得到发送信号的估计值，其工作过程如下：

计算MMSE矩阵

$G={(H^{H}H+{\mathrm{\&sigma;}}^2{I}_{N_r})}^{-1}{H}^H$

根据后检测信噪比排序

$k=\underset{j}{\arg \min }{\left|\right|G(k,:)\left|\right|}^2;$

w_k＝G(k，：)

干扰抵消

${\hat{x}}_k=Q(w_k*y);$

$y=y-H(:,k)*{\hat{x}}_k;$

H(：，k)＝0；

其中Q(.)表示硬判决操作。

重复1)-3)，直到所有的发送符号均被检测出。

步骤2：判决初始估计是否可靠。

使用式(3)判决

是否可靠。(注意Th＝N_r并不是最优值，而只是由卡方分布和非中心卡方分布性质得到的一个次优值；门限值可以调整，从而取得性能和复杂度的折衷。)如果式(3)满足，则输出

为最终估计值，否则，到步骤3。

步骤3：复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出，所述复杂接收机可以是QRD/M接收机。QRD/M接收机的译码过程如下：

首先，将H进行QR分解：其中Q为N_r×N_r的酉矩阵，且

其中R是一个N_t×N_t的上三角矩阵，为(N_r-N_t)×N_t的零矩阵。

在(1)两边乘Q^H，可得

其次，进行M算法检测

对于i＝1

对于

的所有可能值(星座点大小记为C，计算如下的度量

${|{\tilde{y}}_{N_t}-r(N_t,N_t)x|}^2$

其中r(N_t，N_t)为R的(N_t，N_t)个元素。通过选取最小的度量，保留M种可能，作为M支发送信号。

对于i＝2：N_t

将每一个支路延伸到C种可能的节点，计算新的路径度量

${|{\tilde{y}}_{N_t-i+1}-r(N_t-i+1,(N_t-i+1):N_t{)x}_i|}^2$

其中x_i为每一个支路对应的长度为i的向量。通过选取最小的度量，保留M种可能，作为M支发送信号。

最后，输出结果。

在通过M算法得到的M个可能的指路中，选择路径度量最小的支路，输出作为最终的发送符号估计值。

以上仅公开了本发明的一个较佳实施例，本领域内技术人员根据本发明的启示所做出的改动均落在本发明的保护范围内，比如简单接收机还可以采用不同的接收技术，如线性MMSE方法，ZF方法；复杂接收机也可采用不同的接收方法，比方球形译码方法(SD)等等。还可以通过仿真或实践测试来调整判决门限Th的值，来取得混合接收机性能/复杂度的折衷。

下面结合复杂度分析和仿真结果详细说明本发明的效果：

为了简便起见，我们考虑N＝N_t＝N_r的MIMO系统，简单接收机采用OSIC接收机，复杂接收机采用QRD/M接收机，并假设信道为准静态的，设定：

P：在混合接收机中QRD/M接收机工作的百分比，M：M算法中保留路径的数目，C：星座图大小。

OSIC接收机的算法复杂度：

OSIC接收机排序和计算矩阵广义逆的算法复杂度为O(N⁴)。因为在准静态瑞利信道中，我们仅仅需要做一次排序过程(在整个信号块时间内，信道矩阵保持不变)，所以，我们忽略了这部分计算开销。

MMSE估计的算法复杂度：

复数乘法：N*N

复数加法：N*(N-1)

干扰抵消的算法复杂度：

复数乘法：N*N

复数加法：N*N

QRD/M接收机的算法复杂度：

QR分解的算法复杂度为O(N³)。因为在准静态瑞利信道中，我们仅仅需要做一次QR分解(在整个信号块时间内，信道矩阵保持不变)，所以，我们忽略了这部分计算开销。

计算y′的算法复杂度：

复数乘法：(N*N*N)

复数加法：N*N*(N-1)

M算法的算法复杂度：

复数乘法： $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\min (M,C)*i$

复数加法： $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\min (M,C^j)$

实数乘法： $2*\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\min (M,C^i)$

实数加法： $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\min (M,C^i)$

混合接收机的算法复杂度：

门限值为Th的可靠性判决准则算法复杂度：

复数乘法：N*N

复数加法：N*N

实数乘法：2N

实数加法：2N-1

混合接收机的其它部分算法复杂度可以用OSIC接收机和QRD/M接收机以及P来表示。

从以上分析，可以得到各种接收机的算法复杂度，如表1所示：

表1.接收机算法复杂度

从表1可知，混合接收机的算法复杂度取决于P的大小。

接下来我们给出计算机仿真的结果，仿真条件如表2所示。

表2

天线配置	4×4
		映射方法	16QAM
信道模型	准静态平坦瑞利衰落信道
		每个编码块的符号个数	120
每一个SNR下仿真的帧数目	5000
		信道编码	未编码

图4为OSIC接收机，QRD/M接收机和不同门限值的混合接收机的误比特率(BER)曲线。可以看出，当Th≤(N_r＝4)时，混合接收机和QRD/M接收机性能几乎一样，符合我们对简化的可靠性准则的分析。但增加门限值到6时，性能损失很小，因为理想可靠性判决准则的门限值大于4，因为计算复杂度很高，而难以计算。当门限值继续增加到8时，相比QRD/M接收机，出现了一定的性能损失。

表3给出了仿真中在不同信噪比条件下选择不同门限值时混合接收机中QRD/M接收机工作的百分比。当使用简化的可靠性判决准则时，即Th＝4，运行QRD/M的概率为40％或更低。当Th＝6时，这个比率降低为18％或更低。从图4可知，此时混合接收机依然能取得和QRD/M接收机几乎相同的性能。如果门限值继续增加到8，混合接收机中运行QRD/M接收机的概率大约为8％或更低，显著的降低了算法复杂度。然后，同时我们也损失了一些接收机性能。图5为各种接收机算法复数乘法的平均数目。当Th＝6时，混合接收机的复数乘法数目约为QRD/M接收机的35％，当Th为8时，这个比值降低为28％。从OSIC接收机，QRD/M接收机和混合接收机的BER性能及算法复杂度来看，使用简化的可靠性判决准则的混合接收机能取得逼近QRD/M接收机的性能。如果增加门限值到一定范围，即低于理想可靠性判决准则的门限，混合接收机的复杂度能进一步降低，并且几乎没有性能损失。当门限值继续增加时，混合接收机复杂度能继续降低，但是同时也出现了性能损失。因此，我们认为混合接收机比QRD/M接收机更加有效，并且能通过调整可靠性准则的门限值来取得性能和复杂度的折衷。

表3

SNR(dB)	5	10	15	20	25
						Th＝3	0.2547	0.3666	0.6215	0.6563	0.6493
Th＝4	0.1057	0.1669	0.3853	0.4182	0.4098

SNR(dB)	5	10	15	20	25
						Th＝5	0.0487	0.0857	0.2526	0.2896	0.2713
Th＝6	0.0209	0.0428	0.1547	0.1832	0.1594
						Th＝8	0.0034	0.0130	0.0649	0.0514	0.0802

Claims (5)

1.一种基于可靠性准则的混合接收机，其特征在于，包括：

简单接收机，用于接收信号并检测获得发送信号的初始估计值

复杂接收机，用于接收信号并检测获得发送信号的最终估计值；

可靠性判决模块，其连接于简单接收机与复杂接收机之间，用于设定一个判决门限Th，如果初始估计值满足其中y、H、σ²分别为接收信号、N_r×N_t的信道矩阵、接收端噪声能量，则将该初始估计值作为发送信号的最终估计值并输出，否则，接收信号再输入到复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出；其中，N_r为接收天线数，N_t为发送天线数；

所述的判决门限Th依据理想可靠性原则来设定，判决门限Th的计算方法包括如下步骤：

步骤A、计算γ的所有可能值，得到其最小值min(γ)，其中

γ为非中心参数，

为发送信号的初始估计值，x为N_t×1的所有可能发送向量，H为N_r×N_t的信道矩阵；

步骤B、计算

使之满足

其中，为自由度N_r的中心卡方分布，

为自由度N_r、非中心参数为γ的非中心卡方分布，

为中心卡方分布

和非中心卡方分布

的交点对应的横坐标；判决门限

2.一种权利要求1所述的混合接收机所采用的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、简单接收机接收信号并检测获得发送信号的初始估计值

步骤2、根据可靠性原则设定一个判决门限Th，如果所述初始估计值满足

则将该初始估计值作为发送信号的最终估计值并输出；所述可靠性原则为理想可靠性原则或简单可靠性原则；依据简单可靠性原则来设定判决门限Th的方法为：所述的判决门限Th等于接收天线数；

步骤3、如果初始估计值不满足

则接收信号再输入到复杂接收机进行检测，得到最终估计值并输出；

依据理想可靠性原则来设定判决门限Th的方法包括如下步骤：

步骤A、计算γ的所有可能值，得到其最小值min(γ)，其中γ为非中心参数，

为发送信号的初始估计值，x为N_t×1的所有可能发送向量，H为N_r×N_t的信道矩阵，σ²为接收端噪声能量，N_r为接收天线数，N_t为发送天线数；

步骤B、计算

使之满足

其中，

为自由度N_r的中心卡方分布，

为自由度N_r、非中心参数为γ的非中心卡方分布，

为中心卡方分布

和非中心卡方分布

的交点对应的横坐标；判决门限

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述的判决门限根据仿真方式或实践测试来调整。

4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述简单接收机为最小均方误差连续干扰抵消MMSE-OSIC接收机。

5.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述复杂接收机是QR分解-M算法QRD/M接收机。

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