CN101213804A

CN101213804A - 无线通信设备

Info

Publication number: CN101213804A
Application number: CNA2007800000635A
Authority: CN
Inventors: A·G·利利; D·P·麦克纳马拉; M·S·T·桑德尔
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-07-02
Also published as: GB2438663B; WO2007139237A1; US20080019262A1; JP2009507400A; GB2438663A; EP1863243A1; GB0610847D0

Abstract

本发明涉及用于在多输入多输出正交频分复用(MIMO－OFDM)通信系统中进行信号检测的方法、设备和处理器控制代码。一种用于根据基于格基归约辅助接收机的多载波无线通信系统中的接收信号来确定输出的方法，所述多载波无线通信系统具有划分为多个副载波集合的多个副载波，所述方法包括对每个所述集合执行检测方法，所述检测方法包括将格基归约应用于所述副载波集合从而产生缩减基信道响应的步骤。

Description

无线通信设备

技术领域

本发明涉及用于在多输入多输出(MIMO)通信系统中进行信号检测的方法、设备以及处理器控制代码。更具体地，本发明涉及在MIMO正交频分复用(MIMO-OFDM)通信系统中进行信号检测。

背景技术

传统的通信系统在数学上可以表示为：

y＝Hx+v

其中，对于MIMO通信系统，y是表示接收到的信号的n×1矢量，H是模拟通信信道的传输特性的n×m信道矩阵，x是表示传输符号的m×1矢量，v是n×1噪声矢量，并且其中，m和n分别表示发射天线和接收天线的数量。

近来的出版物已经表明使用称为格基归约(Lattice Reduction)的技术如何能够改进MIMO检测方法的性能。

例如，“Lattice-Reduction-Aided Detectors for MIMOCommunication Systems”(H.Yao and G.W.Wornell，Proc.IEEEGlobecom，Nov 2002，pp.424-428)描述了格基归约(LR)技术用于提高多输入多输出(MIMO)数字通信系统的性能。

此外，“MMSE-Based Lattice-Reduction for Near-ML Detection ofMIMO Systems”(D.Wubben，R.Bohnke，V.Kuhn and K.Kammeyer，in Proc.ITG Workshop on Smart Antennas，Jul 2004，pp.106-113，在下文中称之为“Wubben et al.”)对MMSE标准采用了格基归约辅助方案。

“From lattice-reduction-aided detection towards maximum-likelihood detection in MIMO systems”，(C.Windpassinger，L.H.-J.Lampe andR.F.H.Fischer，in Wireless and Optical Communications，WOC 2003)通过使用众所周知的LLL算法扩展了在Wubben et al.中描述的格基归约辅助检测方案，其能够应用到具有任意维数的MIMO系统。

此外，“Lattice reduction aided pre-coding”(C.Windpassinger，R.F.H.Fischer and J.B.Huber，in IEEE Transactions onCommunications，Dec 2004，vol.52，issue 12.pp.2057-2060)显示了格基归约的使用对MIMO预编码的应用。

上述的出版物中使用的技术采用了这一概念：即数学上信道矩阵H的列可被看作是描述了晶格基。因此，能够计算该晶格的等同描述(所谓的“缩减基”)，以便基矢量接近正交。MIMO接收机或者预编码器能够使用该缩减基以均衡信道，这比非晶格辅助线性检测器或者预编码器获得了较大的性能优势。

正交频分复用(OFDM)是已知的用于传输高比特速率数字数据信号的技术。与其用高速数据来调制单一载波，不如将数据划分到若干较低数据速率信道中，每个信道在分离的副载波上传输。基于MIMO-OFDM的系统可能形成诸如IEEE 802.11n WLAN标准的将来无线通信标准的核心。

例如，“Lattice-Reduction-Aided Receivers for MIMO-OFDM inSpatial Multiplexing Systems”(I.Berenguer，J.Adeane，I.Wassell and X.Wang，in Proc.Int.Symp.on Personal Indoor and Mobile RadioCommunications，Sept 2004，PP.1517-1521，在下文中称之为“Berenguer et al.”)描述了格基归约技术能够应用于基于MIMO-OFDM的系统并且与其它降低复杂度的检测技术相比能够获得很大的性能优势(例如在Berenguer et al.中的图6-9所显示的)。

“Improved detection methods for MIMO-OFDM-CDMcommunication systems”(J.Adeane，M.R.D.Rodrigues，I.Berenguer，and I.J.Wassell，in Proc.IEEE Vehicular Technology Conference(VTC2004)，Sep 2004，pp.1604-1608，在下文中称之为“Adeane et al.”)将基于格基归约、部分判决反馈(PDF，Partial Decision Feedback)以及BLAST排序技术的MIMO检测方法应用到MIMO-OFDM-CDM系统。

Berenguer et al.和Adeane et al.使用了基于每个副载波的最普通的格基归约算法：在“Factoring Polynomials with Rational Coefficients”，(A.Lenstra，H.Lenstra and L.Lovasz，Math Ann.Vol.261，pp.515-534，1982，在下文中称之为“Lenstra et al.”)中公开的Lenstra-Lenstra-Lovasz(LLL)算法。然而，上面的文献中没有一个讨论了将LLL算法或者任何其它格基归约算法应用到副载波组的原理。

图3显示了采用基于每个副载波的格基归约200的MIMO检测器。在图3的步骤S1-2中，获得了用于副载波k的信道矩阵H_k。

根据步骤S1-4，用于副载波k的信道矩阵H_k利用标准QR分解或它的任何变形而被分解为：

H_k＝Q_kR_k。

LLL算法或者更一般地任何合适的格基归约算法S1-6因而可被应用于Q_k和R_k：

[T_k，Q_k，R_k]＝LLL(Q_k，R_k，P)

其中，P是置换矩阵S1-8，其在该配置中通常被初始化为具有同样维数H的单位矩阵。LLL算法产生：

H_{k} T_{k} = {\tilde{Q}}_{k} {\tilde{R}}_{k}

其描述了针对副载波k的减少的晶格。该处理对于所有N个副载波单独地重复S1-10。如图3所示，这个每副载波格基归约处理对每个副载波需要QR分解S1-4和格基归约S1-6。

应当指出，标准形式的LLL算法使用迭代技术，其中在算法收敛前将进行多少次迭代不是先验已知的。这意味着算法的复杂度是变化的并且取决于要缩减的矩阵。

在上面参考文献中描述的用于MIMO-OFDM系统的格基归约检测器均假定基于每个副载波而应用LLL算法(尽管可采用任何其它格基归约算法)。该每副载波格基归约代表了总的检测器复杂度的一大部分。因此，期望降低这个检测器算法阶段的复杂度。

例如，在Berenguer et al.中考虑了具有16个承载信息的副载波的MIMO-OFDM系统。如上所述，在该方法中，将LLL算法单独地应用到用于每个独立副载波的信道矩阵。对于每个接收的OFDM分组必须采取该处理。在将来的MIMO-OFDM WLAN系统中，例如IEEE802.11n，期望采用52个或者更多的承载信息的副载波。在这个技术同样适用的将来的蜂窝系统中，可能存在几百个激活的副载波，每个都需要格基归约。

发明内容

因此，需要降低用于多载波系统的每个副载波信道矩阵的格基归约(basis reduction)的复杂度。

本发明的实施例包括用于根据基于格基归约辅助接收机的多载波无线通信系统中的接收信号来确定输出的设备和方法。

在本发明的第一方面中，提供了一种用于根据基于格基归约辅助接收机的多载波无线通信系统中的接收信号来确定输出的方法，所述多载波无线通信系统具有划分为多个副载波集合的多个副载波，所述方法包括：执行用于每个所述集合的检测方法，所述检测方法包括将格基归约应用于所述副载波集合从而产生缩减基信道响应的步骤。

在本发明的一个实施例中，所述方法进一步包括根据信道响应矩阵集合来确定单一值信道响应矩阵的步骤。

确定所述单一值信道响应的所述步骤可以通过以下任一值来实现：

I)所述信道响应矩阵的平均值；以及

II)所述信道响应矩阵的中值。

在本发明的另一个实施例中，所述方法进一步包括处理所述单一值信道响应矩阵从而产生酉矩阵和三角矩阵的步骤。

处理所述单一值信道响应矩阵的步骤可以是所述单一值信道响应矩阵的QR分解。

优选地，将所述格基归约应用于所述多个副载波的步骤包括将所述格基归约应用于所述酉矩阵和所述三角矩阵的步骤。

在本发明的另一个实施例中，所述方法进一步包括根据所述缩减基信道响应来确定副载波的缩减基的步骤。

在本发明的另一个实施例中，所述方法进一步包括确定用于所述副载波的酉矩阵和三角矩阵的步骤。

确定用于所述副载波的酉矩阵和三角矩阵的所述步骤可以通过以下任一方法来实现：

I)QR分解；以及

II)内插法。

优选地，格基归约是按照LLL算法的。

优选地，LLL算法提供了以下的关系式：

[\overset{&OverBar;}{T}, {\tilde{Q}}_{k}, {\tilde{R}}_{k}] = LLL (\overset{&OverBar;}{Q_{k}}, \overset{&OverBar;}{R_{k}}, P)

其中，P是置换矩阵。

优选地，所述置换矩阵包括单位矩阵。

在本发明的另一个实施例中，所述方法进一步包括将格基归约应用于所述酉矩阵的步骤，所述三角矩阵与所述副载波符合以下关系式：

[T_{k}, {\tilde{Q}}_{k}, {\tilde{R}}_{k}] = LLL ({\tilde{Q}}_{k}, {\tilde{R}}_{k}, \overset{&OverBar;}{T})

其中，T是置换矩阵。

在本发明的另一方面，提供了一种用于根据基于格基归约辅助接收机的多载波无线通信系统中的接收信号来确定输出的设备，所述系统具有划分成多个副载波集合的多个副载波，所述设备包括：用于对每个所述集合执行检测的检测装置，所述检测装置包括用于将格基归约应用于所述集合中的所述副载波从而产生缩减基信道响应的装置。

本发明进一步提供了一种包括如上所述的设备的接收机。

本领域的技术人员应当认识到，上述设备和方法可以利用处理器控制代码来实现和/或嵌入处理器控制代码中。因此，在本发明的另一方面中，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的实施例可以在DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)或者FPGA(现场可编程门阵列)上实现。因此，所述代码可以包括传统的程序代码或微码或者例如用于建立或控制ASIC或FPGA的代码。在一些实施例中，所述代码可以包括用于诸如Verilog(商标)、VHDL(甚高速集成电路硬件描述语言)或SystemC的硬件描述语言的代码。如本领域技术人员应当认识到的，用于本发明实施例的处理器控制代码可以分布在多个相互通信的耦合的部件之间。

附图说明

图1概略地示出了包括发射机和接收机的MIMO系统；

图2示出了图1中的接收机的进一步的细节；

图3示出了传统的每副载波格基归约处理；

图4示出了根据本发明第一实施例的用于多载波通信系统的协作式格基归约处理；

图5示出了根据本发明第二实施例的用于多载波通信系统的组格基归约处理；以及

图6示出了根据本发明实施例的与每副载波方法相比较的基副载波分组方法的性能。

具体实施方式

现在将结合附图更详细地描述本发明。

图1示出了这样的系统，其包括具有公知的结构的MIMO数据通信系统10。从下面的描述中，根据本发明指定实施例的新的部件将变得显而易见。

通信系统10包括发送设备12和接收设备14。应当认识到，在很多情况下无线通信装置具有结合发射机和接收机的设备，但是在该实例中，为了简单起见，该装置被示为单向通信装置。

发送设备12包括数据源16，其将数据(包括信息比特)提供给基带映射单元20，该基带映射单元可选地提供前向纠错编码和信道交织并输出调制的符号。调制的符号被提供给多路复用器22，该多路复用器将该调制的符号与来自导频符号产生器18的导频符号合并，该导频符号产生器提供了用于接收机中的频率同步和相干检测的参考幅度和相位以及用于信道估计的已知的(导频和前同步码)数据。复用的符号被提供给解析器24，该解析器创建了多个并行的空间流。块26、28和30的结合将来自解析器24的串行空间数据流转换为多个并行的缩减数据速率流、对这些数据流执行IFFT以提供OFDM符号，并且然后将该OFDM符号的多个副载波转换为单一串行数据流。对于每个空间流并行执行处理26、28和30。空间时间编码器32编码输入符号或者作为多个码符号(codesymbol)的符号以从包括多个发射天线的发射机天线阵列34同时传输。在该说明性实例中，提供了两个发射天线，尽管实际实现可以根据应用而包括更多的天线。

编码的发射信号通过MIMO信道36传播，该信道限定在发射天线阵列34与相应的接收设备14的接收天线阵列38之间。接收天线阵列38包括多个接收天线，它们对一组并行的块40、42和44提供了多个输入，其对于每个所接收的流单独地执行串行到并行的转换FFT和并行到串行的再转换，这将输出提供给格基归约辅助解码器46。在该指定实施例中，接收天线阵列38包括两个接收天线。

格基归约辅助解码器46的任务是消除MIMO信道36的影响。格基归约辅助解码器46的输出包括多个信号流，一个用于每个发射天线，每个都承载了关于具有特定值的发射比特的概率的所谓的软数据或似然数据。该数据被提供给去解析器(de-parser)48，其与解析器24的作用相反，并且由该去解析器48输出的被去解析的比特因而被提供给解复用器50，该解复用器将导频符号信号54从数据符号中分离出来。因此，数据符号被基带解映射单元52解调制并解映射以提供检测的数据输出56。宽泛地说，接收机14是发射机12的镜像。发射机和接收机可以被合并以形成OFDM收发信机。

将在下文描述格基归约辅助解码器46的指定功能。

图2概略示出了(借助于指定了软件或应用的硬件部件)有效配置成接收设备14的硬件。接收设备14包括处理器110用于执行存储在工作存储器112中的和/或可从海量存储设备116获取的机器代码指令。通过通用总线114，用户可操作的输入设备118能够与处理器110通信。在该实例中，用户可操作的输入设备118包括键盘和鼠标，尽管应当认识到也可以或可选地提供任何其它输入设备，例如另一种定位设备、手写板、语音识别装置或者用户输入动作可通过其而被解释并转换为数据信号的任何其它装置。

一种可选的实现也可以包括没有预定义用户接口的收发信机。

音频/视频输出硬件设备120还与通用总线114连接，以对用户输出信息。音频/视频输出硬件设备120可以包括视觉显示单元、扬声器或能够呈现信息给用户的任何其它设备。

与通用总线114连接的通信硬件设备122连接到接收天线26。在图2的说明性实施例中，工作存储器112存储了用户应用130，该用户应用在被处理器110执行时促使用户接口的建立，以实现去往和来自用户的数据通信。该实施例中的应用建立了通用或者专用计算机实现的用途，其能够被用户日常地使用。

根据指定实施例的通信工具132也存储在工作存储器112中用于建立通信协议，以使在执行应用130之一时所产生的数据能够被处理并且然后被传递到通信硬件设备122用于传输和与另一通信设备通信。应当理解，定义应用130和通信工具132的软件为了便利而可以部分存储在工作存储器112和海量存储设备116中。可选地可以提供存储器管理器以使得上述操作可被有效地管理，从而考虑访问存储在工作存储器112和海量存储设备116中的数据的可能的不同速度。

在由处理器110执行与通信工具132相对应的处理器可执行指令时，根据已识别的通信协议，处理器110可用于建立与另一个设备的通信。

在本实施例中，在处理阶段之前，假定副载波已经被分组为多个集合。这些集合不需要统一的大小。集合的大小取决于信道频率选择性，即在信道具有低频率选择性情况下，相邻副载波是高度相关的，并且因此可以采用较大的集合。在遭遇高频率选择性信道的情况下，所述集合可以仅包含少量的副载波。副载波至集合的分配可以根据信道条件来动态地完成，或者它可以是固定的。

实现所述分组的方式是不重要的：可以使用任何合适的副载波分组技术。

在下面的描述中，不失一般性地，为每个集合分配k个副载波。针对单一集合而描述了格基归约，而对于剩下的集合同样重复该方法。

参见图4，针对每个集合执行下面的五个阶段：

1.首先，在步骤S2-2，对于从信道矩阵导出的集合初始化所述处理。如图4中的步骤S2-4中所指出的，并且称作是“CSI处理”，从H_k的集合计算单一值H以输入给格基归约算法。采用若干不同的矩阵来实现上述操作是可能的。在该实施例中，如下导出平均值：

\overset{&OverBar;}{H} = \frac{1}{K} Σ_{k = 0}^{K - 1} H_{k}

可以采用其它矩阵来作为H的基础，例如最常见的值或中值，或单个H_k中的一个。

2.如在步骤S2-6中所确认的，将QR或者分类QR分解应用于矩阵H以得到Q和R。

3.S2-8利用LLL算法来将格基归约应用到Q和R。在步骤S2-10，该步骤同样要求置换矩阵P的初始化，以便它在该方法中是具有适当维数的单位矩阵。LLL函数将产生用于平均信道传输函数的T、

和以便

\overset{&OverBar;}{H} \overset{&OverBar;}{T} = \tilde{Q} \tilde{R} .

应当认识到，也可以使用任何其它合适的格基归约算法。

4.在步骤S2-12，计算用于每个副载波的缩减基H_kT。

5.最后，在步骤S2-14，对于每个副载波的缩减基(QR或者分类QR)被分解以产生Q_k和R_k。有可能在该阶段采用内插技术，而不是基于每个副载波明确地计算每个QR分解。

如关于步骤S2-16所指示的，对于集合中的每个副载波，重复步骤S-12和S-14。

因此，所述方法产生了基于每个副载波的输出Q_k和R_k和共用于副载波集合的T。与每副载波格基归约方法的输出相同，可以在格基归约辅助检测器(或预编码器)的后续阶段中使用这些输出。因此，该方法是次优的，因为共用的T用于所述集合，然而在每副载波处理算法中对于每个副载波而获得最优的T_k。

该方法的复杂度降低是由于仅存在对于每K个分组副载波的K+1个QR分解和单一LLL函数这一事实，然而在每副载波的情况下，需要K个LLL函数和_K个QR分解。为此，为了达到显著的复杂度降低，QR分解必须比LLL函数具有低得多的复杂度，因为所需要的QR分解数目对于每个集合增加1。LLL函数的复杂度是变化的，但是一般而言，LLL函数比QR分解具有更高的复杂度。

现在，将参考图5描述本发明另一实施例，其中步骤S3-2到S3-12直接与如前所述的步骤S2-2到S2-12相对应。通过在分组方法中的每副载波QR分解S3-14之后使用附加的格基归约阶段S3-16(采用在步骤S3-20中确定的置换矩阵T)，所描述的方法提供了额外的复杂度节约。这些附加的格基归约阶段的目的是将由分组技术产生的共用T提炼为每副载波(或更小的集合)格基归约。通过使用缩减能够得到单独的格基归约：

[T_{k}, {\tilde{Q}}_{k}, {\tilde{R}}_{k}] = LLL ({\tilde{Q}}_{k}, {\tilde{R}}_{k}, \overset{&OverBar;}{T})

应当指出，输入到LLL缩减的置换矩阵在该情况下没有被初始化为单位矩阵，而是被初始化为T。

这种提炼对每副载波方法增加了额外的复杂度，但是将带来更准确的格基归约。假定共用T是对T_k的良好近似，则在提炼LLL中涉及的额外复杂度应该是最小的。

图6示出了与每副载波方法相比较的基本副载波分组技术的性能。结果用于具有有限的延迟扩展(以及因此的频率选择性)的信道上的802.11n MIMO-OFDM系统。该信道是对普通室内操作环境的良好模拟，并且因而代表了真实世界的场景。针对两个调制和编码方案(MCS)值而显示了四个和八个副载波分组的集合大小。这些结果显示，对于该操作环境，通过造成显著的复杂度降低的分组大小，仅观察到最小的性能降级。例如，对于MCS值11，与每副载波处理相比较，在与使用集合大小为8相关的分组出错率(PER)为1％情况下的降级仅为1dB。

本领域技术人员应当认识到，上面的描述也可以应用于MIMO预编码器。

应当认识到，前述内容提供了本发明指定实施例的描述，并且本发明的保护范围不限于此。本发明的保护范围由权利要求来限定，说明书和附图可以解释权利要求，但是不能用来限定保护范围。

Claims

1.一种用于根据基于格基归约辅助接收机的多载波无线通信系统中的接收信号来确定输出的方法，所述多载波无线通信系统具有划分为多个副载波集合的多个副载波，所述方法包括对每个所述集合执行检测方法，所述检测方法包括将格基归约应用于所述副载波集合从而产生缩减基信道响应的步骤。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括从信道响应矩阵集合中确定单一值信道响应矩阵的步骤。

3.根据权利要求2的方法，其中，确定所述单一值信道响应的步骤通过以下任一值来实现：

I)所述信道响应矩阵的平均值；以及

II)所述信道响应矩阵的中值。

4.根据权利要求1到3中任一个的方法，进一步包括处理所述单一值信道响应矩阵从而产生酉矩阵和三角矩阵的步骤。

5.根据权利要求4的方法，其中，处理所述单一值信道响应矩阵的所述步骤是对所述单一值信道响应矩阵的QR分解。

6.根据权利要求4或5的方法，其中，将所述格基归约应用于所述多个副载波的所述步骤包括将所述格基归约应用于所述酉矩阵和所述三角矩阵。

7.根据权利要求1到6中任一个的方法，进一步包括根据所述缩减基信道响应来确定副载波的缩减基的步骤。

8.根据权利要求7的方法，进一步包括确定对于所述副载波的酉矩阵和三角矩阵的步骤。

9.根据权利要求8的方法，其中，确定对于所述副载波的酉矩阵和三角矩阵的所述步骤通过以下任一方式来实现：

I)QR分解；以及

II)内插法。

10.根据权利要求1到9中任一个的方法，其中，所述格基归约符合LLL算法。

11.根根据权利要求7到10中任一个的方法，进一步包括将格基归约应用于所述酉矩阵的步骤，并且所述三角矩阵与所述副载波具有以下关系式：

[T_{k}, {\tilde{Q}}_{k}, {\tilde{R}}_{k}] = LLL ({\tilde{Q}}_{k}, {\tilde{R}}_{k}, \overset{&OverBar;}{T})

其中，T是置换矩阵。

12.一种用于根据基于格基归约辅助接收机的多载波无线通信系统中的接收信号来确定输出的设备，所述多载波无线通信系统具有划分为多个副载波集合的多个副载波，所述设备包括用于对每个所述集合执行检测的检测装置，所述检测装置包括用于将格基归约应用于所述集合中的所述副载波从而产生缩减基信道响应的装置。

13.根据权利要求12的设备，进一步包括用于从信道响应矩阵集合中确定单一值信道响应矩阵的装置。

14.根据权利要求13的设备，其中，用于确定所述单一值信道响应的所述装置用于确定以下任一值：

I)所述信道响应矩阵的平均值；以及

II)所述信道响应矩阵的中值。

15.根据权利要求12到14中任一个的设备，进一步包括用于处理所述单一值信道响应矩阵以产生酉矩阵和三角矩阵的装置。

16.根据权利要求15的设备，其中，所述处理装置用于执行对所述单一值信道响应矩阵的QR分解。

17.一种包括检测器的MIMO-OFDM无线通信设备，包括根据权利要求12到16中任一个的设备。

18.一种计算机程序产品，其包括计算机可执行指令，当在通用计算机控制的通信设备上执行所述指令时，该指令致使所述设备被配置为执行根据权利要求1到11中任一个的方法。

19.一种存储计算机可执行指令的存储介质，当在通用计算机控制的通信设备上执行所述指令时，该指令致使所述设备被配置为执行根据权利要求1到11中任一个的方法。

20.一种承载计算机可接收信息的信号，所述信息定义了计算机可执行指令，当在通用计算机控制的通信设备上执行所述指令时，该指令致使所述设备被配置为执行根据权利要求1到11中任一个的方法。