CN101227254B - 一种在多入多出系统中v-blast的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在多入多出系统中V-BLAST检测方法，其中，引入最大后验概率准则，按照每层符号的概率由大到小的顺序检测，将先检测到的符号作为干扰从接收到的信号中消除，然后检测剩余各层符号中概率最大的层的符号，依次类推，直到检测出所有的符号。依照本发明的在多入多出系统中V-BLAST检测方法，降低了复杂度，提高了性能。

Description

一种在多入多出系统中V-BLAST的检测方法

技术领域

本发明涉及数字通信领域，尤其涉及一种在多入多出系统中垂直-贝尔实验室分层空时（Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time，V-BLAST）检测方法。

背景技术

无线通信受到诸如频谱资源、传输功率以及多径衰落等多种因素的制约，直接关系到无线通信系统容量的频谱利用率。研究表明在无线通信系统中，发送端或接收端多天线的系统比传统的单天线系统提供更高的数据传输速率，信息论技术证明这种多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术的信道容量随着发射天线与接收天线数的较小者线性增长。为了充分利用MIMO的系统容量，产生了各种空分复用（Spatial-Multiplex，SM）技术。V-BLAST就是其中一种。其编码算法很简单，如图1所示，通过分解MIMO系统的信道空间，将多路不同的数据流在若干个空间子信道上并行传输，极大的提高了系统的数据传输速率，因此其主要复杂度是在解码（或检测）上。由于V-BLAST码是以部分分集增益为代价来换取高频带利用率的，因此，接收端在检测信号时选用的检测方法对提高整个系统的性能至关重要。

使用MIMO的最终目标是通过在多个发射天线（TX）上发射信号和在多个接收天线（RX）上接收信号，实际上是信号经过合理组合（Combined），这种组合既有人为组合，如对各天线加权，也有自然组合，如空间信道的作用，使每个MIMO用户的性能得到提高。如何由各天线上接收到的信号得到发送信号即为MIMO检测的过程。

假设发送的信号向量为a＝(a₁,a₂,…a_M)^T（M，发射天线的个数），接收到的信号向量为r＝(r₁,r₂…r_N)^T（N，接收天线的个数），接收信号和发送信号间的关系为

r＝Ha+V                        (1)

H为N×M的矩阵，h_ij表示发送天线j和接收天线i间的信道。v为独立的高斯随机变量。因此V-BLAST检测过程就是由上述方程得到发送信号向量a的过程。

常用的V-BLAST的检测方法有迫零(Zero-Forcing，ZF)、最小均方误差(Minimum Mean-Squared Error，MMSE)和最大似然法(Maximum Likelihood，ML)，以及在此基础上改进的迫零串行干扰删除(Zero-Forcing Symbolcancellation and combination nulling，ZF-SIC)和最小均方误差串行干扰消除(Minimum Mean-Squared Error Symbol Cancellation and Combination Nulling，MMSE-SIC)，还有复杂度更高的球形译码算法(此算法因其复杂度太高，不适用于实际系统中)。这些方法各有优缺点，ZF算法复杂度最低，但是性能最差；ML性能好，但是复杂度太高，不能用于实现；改进的ZF-SIC和MMSE-SIC性能有所提高。由于误差传播的影响，基于连续干扰抵消算法的ZF-SIC和MMSE-SIC的性能受到最先检测得几路数据流的译码性能的限制，因此改善前几路的检测分集增益就显得非常重要。

基于改进检测顺序的方法，专利

CN200410017647

提供了利用SIC依次检测发射符号向量的各个检测分量，并将最先检测出的检测分量作为第一参考分量；将具有最高空间分集阶数的信号作为已知信号从接收符号向量中抵消掉，并以上述检测顺序的逆序检测其他新检测分量，将最后检测出的新检测分量作为第二参考分量；比较第一参考分量是否等于第二参考分量，将最后检测出的新检测分量作为第二参考分量，当两者相等时，输出逆序检测的新检测分量作为最终的检测结果，否则将第二参考分量作为新的第一参考分量，重复以上步骤。这种方法可以提高V-BLAST的检测性能，但是复杂度却提高了一倍，不实用。

专利

CN200710098506

提供了一种基于迫零串行干扰删除(ZF-SIC)的检测方式，接收端充分利用同一数据帧前若干次失败传输所经历的信道信息与当前传输的信息来动态得到当前传输接收端的天线检测顺序，对接收的所有信息使用加权合并方式来进行检测。这种方法结合了多次重传信道信息来决定当前传输的天线检测顺序，使得检测顺序优于传统的MIMO检测，有利于减小串行干扰消除中错误传播的可能性，但同样，反馈会增加系统的复杂度，且引入了延时，增加了系统的实时性。

总的来说，上述两个专利都是以增加系统的复杂度为代价来提高系统的检测性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种在多入多出系统中V-BLAST检测方法，在不增加系统复杂度的情况下，改进MIMO检测天线的检测顺序，提高检测性能。

本发明的在多入多出系统中V-BLAST检测方法，包括下列步骤：

步骤A1：计算接收信号的权值矩阵W_i，并初始化迭代标志i＝1：其中，i表示迭代的次数，取值为1到M，M表示发射天线的个数或者用户个数；

步骤A2：由权值矩阵W_i和接收信号r_i＝r相乘，得到判决估计值Y′_i：

Y′_i＝(y′_i1，y′_i2，...y′_iM)^T

Y′_i＝W_ir_i；

步骤B：依照预定的量化判断条件对各层得到的判决估计值在调制星座内进行量化判决，计算每层符号的概率p_ij；其中，每层符号的概率p_ij通过表示第i次迭代过程中得到的第j层的判决估计值少y_ij取值为表示第i次迭代过程中量化得到的第j层的值s_ij的概率和取星座内其他点的概率和的比值求得：

$p_{\mathrm{ij}}=\frac{f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})}{\underset{x\∈X}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|x)}$

其中，

X为原发射符号所在的调制星座集合，x为调制星座内的星座点；

步骤C：根据步骤B中得到的各层符号的概率比值，求得符号概率比值的最大值，以得到发射信号的第一检测分量，检测出该层符号；

步骤D：将步骤C中检测出的符号作为干扰信号，从接收信号中消除；

步骤E：更新权值矩阵，并返回步骤A，依次检测出其余符号。

其中，所述步骤A中，所述权值矩阵W_i通过对信道矩阵H求伪逆得到。

其中，所述步骤A中，通过对信道矩阵做

计算得到所述权值矩阵W_i，其中

表示噪声方差，

良示信号能量，I为单位矩阵。

其中，所述步骤B中，所述量化判决为量化为最近的星座点的值，由权值向量W_i和接收信号向量r_i的乘积计算得到判决估计值Y′_i；

S_i＝Q(Y′_i)  S_i＝(s_i1，S_i2，…，s_iM)^T

其中，Q(·)表示量化判决，量化为最近的星座点的值，判决后得到的值为调制星座集合内的某个点的值。

其中， $f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})=\frac{1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_j^2}\exp \{-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_j^2}{\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-s_{\mathrm{ij}}\left|\right|}^2\},$ 其中， ${\mathrm{\σ}}_j^2=N_0{\left|\right|{\left(W_i\right)}_j\left|\right|}^2.$

另外，所述步骤B中，通过对每层符号的概率求对数，即 $\log p_{\mathrm{ij}}=\log f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})-\log \underset{x\∈X}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|x),$ 再由公式 $\log \left({\mathrm{\Σ}}_j\exp (-x_j)\right)\≈-{\min }_j{x}_j,$ 将所述公式进一步简化为：

$\log p_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_j^2}({\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-s_{\mathrm{ij}}\left|\right|}^2+\underset{x\∈X}{\min }{\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-x\left|\right|}^2).$

此外，所述步骤B中，对每层得到的判决估计值乘以权值矩阵的二阶范数后进行量化，即分别乘以权值矩阵每行的范数，得到新的判决估计值Y_i，Y_i＝(y_i1，y_i2，…y_iM)^T，其中，j表示层号。

所述步骤D中，通过下述公式将先检测到的符号的作为干扰从接收到的信号中消除：

其中，

为信道矩阵H的第k_i列。

本发明引入了最大后验概率准则(Maximum A Posterioti Probability，MAP)准则，通常认为MAP准则为译码错误最低准则，但纯粹的MAP准则复杂度太高，将V-BLAST的分层结构的优势和MAP的最小错误概率结合降低了复杂度，提高了性能。

本发明的有益效果：依照本发明的在多入多出系统中V-BLAST检测方法，通过根据接收符号的后验概率从大到小的顺序对上述检测方法进行改进，即首先检测后验概率较大的符号，能够更好地抑制V-BLAST的层间差错传播，因而能够较大地改善V-BLAST的误码性能，并且在保证检测性能的前提下，大大降低了计算复杂度。

附图说明

图1为V-BLAST系统的示意图；

图2为基于符号的检测方法流程图；

图3为检测方法的流程图。

具体实施方式

以下，结合附图1~3对本发明的在多入多出系统中V-BLAST检测方法进行详细描述。

本发明的核心思想是：基于V-BLAST的符号检测方法，利用V-BLAST的分层结构，采用干扰抑制-干扰抵消技术逐层检测每层的符号。由于接收端的不同天线上的各层符号的检测顺序是影响系统性能的关键，因此，通过改进检测符号的排序准则来提高系统的性能。

如图1所示，为V-BLAST系统的示意图。在发射端调制符号流被分成互相独立的M路，并送至各自对应的天线上进行发射，发射信号向量a＝(a₁,a₂,…a_M)^T，其中，M为发射天线的个数或用户个数。发射信号经过MIMO信道多径传播，到达各个接收天线。接收端利用多根接收天线从接收信号中提取出发射信号，接收端接收到的信号为N维列向量（N为接收天线的个数），r＝Ha+v，其中，H是M×N信道矩阵，v是N维的列向量，表示噪声，σ²为噪声方差，其协方差矩阵为

E{vv^H}＝σ²I                          (2)

噪声服从独立的复高斯分布，单边功率谱密度为N₀＝σ²/2。

如图2所示，为本发明的基于符号的检测方法的示意图，基于符号进行检测，其中，a为调制后的符号，为经过V-BLAST检测得到的符号。设检测顺序为：

S≡{k₁,k₂,...k_M-1,k_M}

其中，k₁,k₂,...k_M-1，k_M为第M、M-1，……，1个发射天线或用户的某种排列，即不同用户的数据被检测出的顺序。

具体的实施步骤如下：

步骤100：计算权值矩阵W_i(例如对信道矩阵H求伪逆得到，与ZF算法中的计算相同，也可以通过如计算得到，其中

表示噪声方差，

表示信号能量，I为单位矩阵)，并初始化i＝1，i表示迭代的次数，取值为1到M；

步骤200：由权值矩阵W_i和接收信号r_i＝r相乘，得到判决估计值Y′_i，其中：

Y′_i＝(y′_i1，y′_i2，...y′_iM)^T

Y′_i＝W_ir_i                     (3a)

此外，由于利用归零处理技术检测一个符号，然后将检测出的符号做为干扰从接收的信号消除，再检测下一个符号，仍将检测出的符号做为干扰从接收信号中消除，依次类推，直到检测出所有的符号。采用这种处理技术会导致噪声的增强，噪声增强的程度和归零向量的二阶范数成正比，即判决变量ym的瞬时信噪比和

成正比，因此，本发明可对检测出的符号进行修正，以消除这部分影响，即在步骤200中，对判决估计值进行修正，即分别乘以权值矩阵每行的范数，得到新的判决估计值Y_i，Y_i＝(y_i1，y_i2，…y_iM)^T，

$y_{\mathrm{ij}}=y_{\mathrm{ij}}^{\′}{\left|\right|w_{\mathrm{ij}}^T\left|\right|}^2$ j表示层号                         (3b)

步骤300：根据下述公式对每层的符号进行量化判决，计算每层符号的概率p_ij。

S_i＝Q(Y_i)  S_i＝(s_i1，s_i2，…s_iM)^T    (3c)

其中，Q(·)表示量化判决，量化为最近的星座点的值，判决后得到的值为调制星座集合内的某个点的值。

$p_{\mathrm{ij}}=\frac{f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})}{\underset{x\∈X}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|x)}$ $j\∉\{k_1,...k_{i-1}\}$ (3d)

其中，X为原发射符号所在的调制星座集合，x为调制星座内的星座点。

此外，在公式(3d)中， $f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})=\frac{1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_j^2}\exp \{-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_j^2}{\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-s_{\mathrm{ij}}\left|\right|}^2\},$ ${\mathrm{\σ}}_j^2=N_0{\left|\right|{\left(W_i\right)}_j\left|\right|}^2,$

表达式f(y|x)表示已知x的情况下y的概率，p_ij表示y_ij取值为s_ij的概率和取星座内其他点的概率和的比值。

步骤400：求符号概率比值的最大值，得到发射信号的第一检测分量，检测出该层符号：

$k_i=\underset{j\∉\{k_1,...k_{i-1}\}}{\arg \max }\left\{p_{\mathrm{ij}}\right\}---\left(3e\right)$

其中，k_i即为待检测的层号，则可得k_i层检测出的符号值为

即下面公式所示：

${\hat{a}}_{k_i}=s_{{\mathrm{ik}}_i}---\left(3f\right)$

其中，

为检测出的第k_i层符号的值。

步骤500：将检测到的符号作为干扰，从接收信号中消除：

$r_{i+1}=r_i-{\hat{a}}_{k_i}*{\left(H\right)}_{k_i}---\left(3g\right)$

其中，为信道矩阵H的第k_i列。

步骤600：更新权值矩阵，继续剩余符号的检测：

$W_{i+1}=W_{{\stackrel{\‾}{K}}_i}---\left(3h\right)$

i＝i+1                  (3i)

回到步骤200，直到检测出所有的符号，如图3所示。

公式(3h)中表示矩阵W的第

列置为0，(k₁，…k_i，…k_M)表示多个发射天线或多个用户符号检测的顺序。

上述方法中根据权值变量的选取，可以得到改进的ZF-SIC和改进的MMSE-SIC，并对其性能进行了比较，与现有的检测方法相比，根据本发明的MIMO检测方法能够更好地抑制V-BLAST的层间差错传播，因而能够较大地改善V-BLAST的误码性能，这可以在计算机仿真中得到验证。同时，根据本发明的检测方法的运算复杂度比ML算法低，但误码性能却和ML算法相当。在仿真中采用4发8收的V-BLAST，MIMO信道是平坦的独立瑞利衰落信道，星座调制种类为QPSK，在仿真中没有采用信道编码，比较的是误符号率。当选择MIMO信道时，性能的提高会更多。

本方法和原有方法相比，在步骤300中，由于公式(3c)中分母的计算提高了计算的复杂度，因此可以通过求对数对其简化，得到：

$\log p_{\mathrm{ij}}=\log f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})-\log \underset{x\∈X}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|x)---\left(4\right)$

再由公式log(∑_jexp(-x_j))≈-min_jx_j，将公式(4)进一步简化为：

$\log p_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_j^2}({\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-s_{\mathrm{ij}}\left|\right|}^2+\underset{x\∈X}{\min }{\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-x\left|\right|}^2)---\left(5\right)$

通过以上的简化可以大大降低本方法的复杂度，且不会影响其性能。改进后的方法性能和复杂最高的ML算法相近，复杂度远低于ML算法，可以应用于实际的MIMO系统中。

综上所述，依照本发明的在多入多出系统中V-BLAST的检测方法，引入了最大后验概率准则（Maximum A Posterioti Probability，MAP）准则，通常认为MAP准则为译码错误最低准则，但纯粹的MAP准则复杂度太高，将V-BLAST的分层结构的优势和MAP的最小错误概率结合降低了复杂度，提高了性能，并且在保证检测性能的前提下，可以进一步降低了计算复杂度。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种在多入多出系统中V-BLAST检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤A1：计算接收信号的权值矩阵W_i，并初始化迭代标志i＝1；其中，i表示迭代的次数，取值为1到M，M表示发射天线的个数或者用户个数；

步骤A2：由权值矩阵W_i和接收信号r_i＝r相乘，得到判决估计值

$Y_i^{\′}={(y_{i1}^{\′},y_{i2}^{\′},...y_{\mathrm{iM}}^{\′})}^T$

$Y_i^{\′}=W_i{r}_i;$

步骤B：依照预定的量化判断条件对各层得到的判决估计值在调制星座内进行量化判决，计算每层符号的概率p_ij；其中，每层符号的概率p_ij通过表示第i次迭代过程中得到的第j层的判决估计值y_ij取值为表示第i次迭代过程中量化得到的第j层的值s_ij的概率和取星座内其他点的概率和的比值求得：

$p_{\mathrm{ij}}=\frac{f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})}{\underset{x\∈X}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|x)}$

其中， $j\∉\{k_1,\·\·\·k_{i-1}\},$ k_i为待检测的层号， $k_i=\underset{j\∉\{k_1,\·\·\·k_{i-1}\}}{\arg \max }{\{p}_{\mathrm{ij}}\};$

X为原发射符号所在的调制星座集合，x为调制星座内的星座点；

步骤C：根据步骤B中得到的各层符号的概率比值，求得符号概率比值的最大值，以得到发射信号的第一检测分量，检测出该层符号；

步骤D：将步骤C中检测出的符号作为干扰信号，从接收信号中消除；

步骤E：更新权值矩阵，并返回步骤A2，依次检测出其余符号。

2.如权利要求1所述的V-BLAST检测方法，其特征在于，所述步骤A中，所述权值矩阵W_i通过对信道矩阵H求伪逆得到。

3.如权利要求1所述的V-BLAST检测方法，其特征在于，所述步骤A中，通过对信道矩阵做

计算得到所述权值矩阵W_i，其中表示噪声方差，

表示信号能量，I为单位矩阵。

4.如权利要求1所述的V-BLAST检测方法，其特征在于，所述步骤B中，所述量化判决为量化为最近的星座点的值，

判决估计值由权值向量W_i和接收信号向量r_i的乘积计算得到；

$S_i=Q\left(Y_i^{\′}\right)$ $S_i={(s_{i1},s_{i2},\·\·\·,s_{\mathrm{iM}})}^T$

其中，Q(·)表示量化判决，量化为最近的星座点的值，判决后得到的值为调制星座集合内的某个点的值。

5.如权利要求1所述的V-BLAST检测方法，其特征在于，

$f_{\mathrm{ij}}\left(y_{\mathrm{ij}}\right|s_{\mathrm{ij}})=\frac{1}{{\mathrm{\π\σ}}_j^2}\exp \{-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_j^2}{\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-s_{\mathrm{ij}}\left|\right|}^2\},$ 其中， ${\mathrm{\σ}}_j^2=N_0{\left|\right|{\left(W_i\right)}_j\left|\right|}^2.$

6.如权利要求1所述的V-BLAST检测方法，其特征在于，所述步骤B中，通过对每层符号的概率求对数，即

再由公式log(∑_jexp(-x_j))≈-min_jx_j，将所述公式进一步简化为：

$\log p_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_j^2}({\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-s_{\mathrm{ij}}\left|\right|}^2+\underset{x\∈X}{\min }{\left|\right|y_{\mathrm{ij}}-x\left|\right|}^2).$

7.如权利要求1所述的V-BLAST检测方法，其特征在于，所述步骤B中，对每层的得到的判决估计值乘以权值矩阵的二阶范数后进行量化，即分别乘以权值矩阵每行的范数，得到新的判决估计值Y_i，Y_i=(y_i1，y_i2,...y_iM)^T，其中，

j表示层号；

为归零向量的二阶范数，

是

的二阶范数。

8.如权利要求1所述的V-BLAST检测方法，其特征在于，所述步骤D中，通过下述公式将先检测到的符号的作为干扰从接收到的信号中消除：

其中，

为信道矩阵H的第k_i列；其中，

为经过V-BLAST检测得到的符号。

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