CN101282195B - 应用于mimo无线通信系统的检测方法及检测器 - Google Patents

Abstract

一种无线通信领域的应用于MIMO无线通信系统的检测方法及检测器，检测器包括预处理模块、第一检测模块、干扰消除模块、第二检测模块，检测方法具体为：预处理模块将接收信号矩阵分解成两个子接收信号矩阵，将信道矩阵分解成四个子信道矩阵，利用子接收信号矩阵和子信道矩阵，生成STBC编码信号的等效接收信号向量和等效信道向量，产生STBC编码信号的判决输出向量，干扰消除模块从接收信号矩阵中消除判决输出向量的干扰，生成非STBC编码信号的等效接收信号矩阵和等效信道矩阵，第二检测模块产生非STBC编码信号的判决输出矩阵。本发明的复杂度低于迫零和检测器和最小均方检测器，提高了检测的性能。

Description

应用于MIMO无线通信系统的检测方法及检测器

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域的方法和器件，具体是一种应用于MIMO无线通信系统的检测方法及检测器。

背景技术

多输入多输出(MIMO)技术是上世纪末到本世纪初无线通信领域中一项突破性技术。MIMO无线通信系统在收发两侧同时配置多个天线，通过充分利用信道的空间特性，在不增加频谱和发送功率的条件下，显著地提高系统容量及通信质量，已经吸引了通信业界广泛的兴趣。在MIMO技术提出后的短短几年时间内，随着垂直贝尔实验室分层空时(V-BLAST)技术MIMO系统的演示成功，及MIMO技术在各种无线通信国际标准中不断崭露头角，通信业界普遍认为，该技术将成为下一代无线通信系统中的一项关键技术。

为了充分利用MIMO系统的信道容量，必须使用具体的MIMO传输方案。其中具有代表性的有：追求数据速率最大化的空分复用(SM)传输方案；追求分集增益最大化的空时格码(STTC)方案、空时块码(STBC)方案；以及综合考虑分集增益与数据速率最大化的分组空时块码(G-STBC)方案、空时格码与空分复用的混合传输方案(Hybrid STBC/SM)。Hybrid STBC/SM传输方案相对发端统一编码的STBC传输方案可以获得更高的传输速率，相对具有同等传输速率的V-BLAST传输方案可以提供更高的分集增益、获得更强的抗衰落性能；并可以在系统中接收天线数少于发射天线数的情况下，通过具有较低复杂度的子最优检测器完成检测。正是由于具有高速率、高性能、可在接收天线数少于发射天线数的情况下通过具有较低复杂度的子最优检测方法完成检测等一系列特点，Hybrid STBC/SM传输方案尤其适用无线通信系统中的下行链路传输。

采用Hybrid STBC/SM技术的MIMO系统发射机结构简单、易于实现，但接收机(尤其实检测部分)通常具有较高的复杂度。MIMO检测器的功能是在根据接收信号和信道估计器给出的信道矩阵估计值，对发射信号进行估计。在基本的MIMO检测器中，性能最优的是最大似然(ML)检测，但是它具有指数级别的复杂度，在实际的通信系统中通常难以实现。常用的低复杂度次优MIMO检测方法有迫零(ZF)检测、最小均方误差(MMSE)检测等，然而这些次优方法的性能较差。在Hybrid STBC/SM检测过程中有效利用STBC码的结构，以较低的复杂度获得较好的检测性能，是检测器设计中的一个重要课题。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为200510002254.8，公告号为CN1633051，专利名称为“一种接近最大似然检测性能的低复杂度MIMO检测器”，该专利自述为：将信道矩阵H按列分解成为子信道矩阵H₁和H₂；从基带接收信号y中分别删除所有可能来自子信道H₁的干扰，生成矩阵X₁和Y₂；以H₂为信道、Y₂为接收信号进行检测，产生判决输出矩阵Z₂；对Z₂进行分组验证，输出索引u和向量x₂；将X₁的第u列x₁与x₂合并形成最终的输出向量x。该专利其不足之处在于，具有指数级别的复杂度，在实际的通信系统中通常难以实现。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种应用于MIMO无线通信系统的检测方法及检测器，使其利用Hybrid STBC/SM方案中STBC码的结构，对HybridSTBC/SM方案中的经过STBC编码的信号和未经STBC编码信号独立检测，从而能够利用STBC的ML检测器完成STBC编码信号的检测，以较低的复杂度达到较好的检测性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明涉及一种应用于MIMO无线通信系统的检测方法，包括如下步骤：

步骤一，获取接收信号矩阵和信道矩阵；

步骤二，预处理模块将接收信号矩阵按行分解为两个子接收信号矩阵，将信道矩阵按行分解成四个子信道矩阵，根据子接收信号矩阵和子信道矩阵得到STBC编码信号的等效接收信号向量和等效信道向量，等效接收信号向量和等效信道向量传递给第一检测模块；

步骤三，第一检测模块以等效接收信号向量为接收信号向量、等效信道向量为信道向量，使用STBC码的ML检测器进行检测，产生STBC编码信号的判决输出向量，判决输出向量传输给干扰消除模块；

步骤四，干扰消除模块采用与步骤二相同的方法将信道矩阵H分解成四个子信道矩阵，随后从接收信号矩阵中消除来自步骤三产生的判决输出向量的干扰，生成非STBC编码信号的等效接收信号矩阵和非STBC编码信号的等效信道矩阵，并将结果传递给第二检测模块；

步骤五，第二检测模块以非STBC编码信号的等效接收信号矩阵为接收信号向量、非STBC编码信号的等效信道矩阵为信道向量，使用任意的MIMO检测方法(如ZF、MMSE检测等)进行信号检测，产生非STBC编码信号的判决输出矩阵；

步骤六，合并STBC编码信号的判决输出向量和非STBC编码信号的判决输出矩阵，得到最终判决输出矩阵。

所述将接收信号矩阵按行分解为两个子接收信号矩阵，具体为：将接收信号矩阵y的第1行组成子矩阵y₁，接收信号矩阵y的第2行到N_R行组成子矩阵y₂。

所述将信道矩阵按行分解成四个子信道矩阵，具体为：将信道矩阵H的第1行、第1列到第2列组成子矩阵H₁₁，将H的第1行、第3到第N_T列组成子矩阵H₁₂，将H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成子矩阵H₂₁，将H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成子矩阵H₂₂。

所述根据子接收信号矩阵和子信道矩阵得到STBC编码信号的等效接收信号向量，具体为： $z_1=y_1-H_{12}{H}_{22}^{-1}{y}_2,$ 其中：z₁为等效接收信号向量，y₁为接收信号矩阵y的第1行组成的子矩阵，y₂为接收信号矩阵y的第2行到N_R行组成的子矩阵，H₁₂为H的第1行、第3到第N_T列组成的子矩阵，H₂₁为H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₂₂为H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成的子矩阵。

所述根据子接收信号矩阵和子信道矩阵得到等效信道向量，具体为： $A_1=(H_{11}-H_{12}{H}_{22}^{-1}{H}_{21}),$ 其中：A₁为等效信道向量，H₁₁为H的第1行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₁₂为H的第1行、第3到第N_T列组成的子矩阵，H₂₁为H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₂₂为H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成的子矩阵。

所述非STBC编码信号的等效接收信号矩阵，具体为： $z_2=y-\left[\begin{array}{c}{H}_{11}\\ H_{21}\end{array}\right]{\hat{x}}_1,$ 其中：y为接收信号矩阵，H₁₁为H的第1行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₂₁为H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成的子矩阵。

所述非STBC编码信号的等效信道矩阵，具体为： $A_2=\left[\begin{array}{c}{H}_{12}\\ H_{22}\end{array}\right],$ 其中：H₁₂为H的第1行、第3到第N_T列组成的子矩阵，H₂₂为H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成的子矩阵。

本发明所涉及的一种应用于MIMO无线通信系统的检测器，包括：预处理模块、第一检测模块、干扰消除模块、第二检测模块，其中：

预处理模块将接收信号矩阵y分解成两个子接收信号矩阵y₁、y₂，将信道矩阵H分解成四个子信道矩阵H₁₁、H₁₂、H₂₁、H₂₂，利用子接收信号矩阵和子信道矩阵，生成STBC编码信号的等效接收信号向量z₁和等效信道向量A₁；

第一检测模块以z₁为接收信号向量、A₁为信道向量，进行STBC码的ML检测，产生STBC编码信号的判决输出向量

并将

传输给干扰消除模块；

干扰消除模块从接收信号矩阵y中消除来自

的干扰，生成等效接收信号矩阵z₂和等效信道矩阵A₂，并将z₂和A₂传输给第二检测模块；

第二检测模块以z₂为接收信号矩阵、A₂为信道矩阵产生非STBC编码信号的判决输出矩阵

和

构成检测器的最终输出结果

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明对Hybrid STBC/SM方案中经过STBC编码的信号和未经STBC编码的信号分别进行检测，从而避免了ZF和MMSE检测中的大规模矩阵乘法和求逆运算，降低了检测器的硬件复杂度；

2.本发明对STBC编码部分信号进行单独检测，从而可以利用现有的STBCML检测器模块，在保持STBC编码部分信号性能的前提下进一步降低硬件复杂度；

3.本发明使用STBC编码部分信号的检测结果进行干扰消除，提高了非STBC编码信号的检测性能。

附图说明

图1是本发明的实施例中使用Hybrid STBC/SM方案的MIMO系统原理图；

图2是本发明所提出的MIMO检测器结构框图；

图3是本发明产生STBC编码信号的等效接收信号向量和等效信道向量工作流程图；

图4是本发明产生非STBC编码信号等效接收信号矩阵和等效信道矩阵的工作流程图；

图5是本发明所提出的检测器与几种常用的检测器性能比较图(N_T＝3)；

图6是本发明所提出的检测器与几种常用的检测器性能比较图(N_T＝4)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例适用于平坦衰落信道下的MIMO系统，或是能够建模为MIMO平坦衰落信道的系统，比如，本实施例可以直接用在多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)系统的任意一个子载波上。

如图1所示，以N_T＝4，N_R＝3的系统为例，给出了基于Hybrid STBC/SM方案的MIMO系统框图。在发射端，数据比特首先被映射成为信号星座中的信号，然后经过串并变换后形成N_S路并行的基带信号。其中，第一路基带信号经过Alamouti(阿拉莫提)空时格码编码器编码成两路信号，而其他各路不通过STBC编码。最后，N_T＝N_S+1路信号经过调制后从多个不同的天线上同时发射出去。在接收端，来自不同发射天线的信号经信道衰落后又与噪声叠加，被多个天线同时接收，经过解调后生成N_R＝N_T-1路并行基带信号，MIMO检测器利用信道估计器产生的信道状态信息从基带信号中恢复出原始数据。该系统的基带信号输入输出关系可以表示为

              y＝Hx+w                     (1)

上式中，x是N_T×2维的复矩阵，表示发射信号矩阵，其第m行第n列的元素表示第m个发射天线在第n个时刻发射的复信号；y是N_R×2维的复矩阵，表示接收信号矩阵，其第m行第n列的元素y_mn表示第m个接收天线在第n个时刻接收到的复信号；w是N_R×2维的复矩阵，表示噪声矩阵，其第m行第n列的元素w_mn表示第m个接收天线在第n个时刻接收到的复信号；H是N_R×N_T维的复矩阵，表示MIMO系统的等效基带信道矩阵，其第m行第n列的元素h_mn表示从第n个发射天线到第m个接收天线的等效基带信道衰减因子。

例如N_T＝4时x的具体表达式为

$x=\left[\begin{array}{cc}{x}_1& {-x}_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\\ x_3& x_4\\ x_5& x_6\end{array}\right]---\left(2\right)$

在以上式子中，x_i(i＝1，2，...)表示不同的复信号，(□)^*表示信号的共轭。x矩阵中的第1、2行为经过STBC编码的信号x₁，其他部分为未经STBC编码的信号x₂。本实施例涉及该系统中的MIMO检测器部分。

本实施例提供了一种MIMO检测方法，包括如下步骤：

步骤一，获取接收信号矩阵y和信道矩阵H。

步骤二，如图3所示，预处理模块产生STBC编码信号的等效接收信号向量和等效信道向量，包括如下具体步骤：

a.将接收信号矩阵y按行分解为子接收信号矩阵y₁、y₂，其中，y₁为y的第1行组成的子矩阵；y₂为y的第2到N_R行组成的子矩阵，N_T＝4时，y₁和y₂的具体形式为：

y₁＝[y₁₁，y₁₂]， $y_2=\left[\begin{array}{cc}{y}_{21}& y_{22}\\ y_{31}& y_{32}\end{array}\right]---\left(3\right)$

b.将信道矩阵H分解成子信道矩阵H₁₁、H₁₂、H₂₁、H₂₂，其中，H₁₁为H的第1行、第1到第2列组成的子矩阵；H₁₂为H的第1行、第3到第N_T列组成的子矩阵；H₂₁为H的第2到第N_R行、第1到第2列组成的子矩阵；H₂₂为H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成的子矩阵。例如N_T＝4时，H₁₁、H₁₂、H₂₁、H₂₂的具体形为

H₁₁＝[h₁₁ h₁₂]，H₁₂＝[h₁₃ h₁₄]， $H_{21}=\left[\begin{array}{cc}{h}_{21}& h_{22}\\ h_{31}& h_{32}\end{array}\right],$ $H_{22}=\left[\begin{array}{cc}{h}_{23}& h_{24}\\ h_{33}& h_{34}\end{array}\right]---\left(4\right)$

c.生成STBC编码信号的等效接收信号向量z₁，具体为：

$z_1=y_1-H_{12}{H}_{22}^{-1}{y}_2---\left(5\right)$

其中(□)^-1表示矩阵求逆。

d.生成STBC编码信号的等效信道向量A₁，具体为：

$A_1=(H_{11}-H_{12}{H}_{22}^{-1}{H}_{21})---\left(6\right)$

步骤三，第一检测模块以z₁为接收信号向量、A₁为信道向量，对经过STBC编码的信号x₁使用一般STBC码的ML检测器进行检测，判决输出向量为

步骤四，如图4所示，干扰消除模块产生非STBC编码信号等效接收信号矩阵和等效信道矩阵，具体如下：

a.将信道矩阵H分解成子信道矩阵H₁₁、H₁₂、H₂₁、H₂₂，具体分解方法与步骤二中相同；

b.生成非STBC编码信号的等效接收信号矩阵z₂，具体为：

$z_1=y-\left[\begin{array}{c}{H}_{11}\\ H_{21}\end{array}\right]{\hat{x}}_1---\left(7\right)$

c.生成非STBC编码信号的等效信道矩阵A₂，具体为：

$A_2=\left[\begin{array}{c}{H}_{12}\\ H_{22}\end{array}\right]---\left(8\right)$

步骤五，第二检测模块以z₂为接收信号矩阵、A₂为信道矩阵，对未经过STBC编码的信号x₂使用一般MIMO检测器(如ZF、MMSE、ML检测器等)进行检测，判决输出矩阵为

步骤六，合并STBC编码信号的判决输出向量

和非STBC编码信号的判决输出矩阵

得到最终判决输出矩阵 $\hat{x}=\left[\begin{array}{c}{\hat{x}}_1\\ {\hat{x}}_2\end{array}\right].$

如图2所示，本实施例还提供了一种MIMO检测器，包括：预处理模块、第一检测模块、干扰消除模块、第二检测模块，其中：

预处理模块将接收信号矩阵y按行分解成子接收信号矩阵y₁、y₂，将信道矩阵H分解成子信道矩阵H₁₁、H₁₂、H₂₁、H₂₂，利用子接收信号矩阵和子信道矩阵，生成STBC编码信号的等效接收信号向量z₁和等效信道向量A₁，并将结果传递给第一检测模块。

第一检测模块以z₁为接收信号向量、A₁为信道向量，进行STBC码的ML检测，产生STBC编码信号的判决输出向量

干扰消除模块从接收信号矩阵y中消除来自的干扰，生成非STBC编码信号的等效接收信号矩阵z₂和等效信道矩阵A₂，并将结果传递给第二检测模块。

第二检测模块以z₂为接收信号向量、A₂为信道向量产生非STBC编码信号的判决输出矩阵

和

构成检测器的最终输出结果

如图5和图6所示，为采用本实施例MIMO-OFDM系统性能的两组仿真结果，图中的横坐标为接收信号的信噪比，纵坐标为系统的包差错率(每包数据长度为1000字节)。仿真中使用的信道是MIMO平坦衰落信道，OFDM子载波数为52，其中，第二检测模块使用的MMSE检测方法实现。图5中的系统使用3个发射天线、2个接收天线(N_T＝3，N_R＝2)，星座映射为QPSK，系统使用3/4码率的卷积码进行信道编译码。图6中的系统使用4个发射天线、3个接收天线(N_T＝4，N_R＝3)，星座映射为16-QAM，系统使用1/2码率的卷积码进行信道编译码。为了进行性能比较，图中也给出了相应的ZF检测器、MMSE检测器的性能曲线。由图5和图6的结果可以看到，本实施例在两种系统下的性能都优于ZF、MMSE检测器。以图5为例，本实施例检测器在10^-2包差错率下所需信噪比相比MMSE检测器低约3分贝。

下面将本实施例方法的运算复杂度，并与ZF、MMSE检测器进行比较，其中第二检测模块使用的MMSE检测方法实现。检测过程中的运算可以分成两类，第一类运算与接收信号矩阵y无关，只涉及信道矩阵H，因此这类运算只需要在每次H值更新时进行，这部分的运算需要的实数乘法、加/减法、除法次数总结于下表中：

另外一类运算与接收信号矩阵y相关，这类运算需要对每组接收信号矩阵重复进行，这类运算需要的实数乘法、加/减法、除法次数总结于下表中：

3发射天线、2接收天线

4发射天线、3接收天线

检测器	ZF	MMSE	本发明	ZF	MMSE	本发明
							乘法	64	64	60	144	144	128
加/减法	59	59	57	137	137	121

可以看到，本实施例所需的第一类运算次数明显少于ZF检测器和MMSE检测器，第二类运算次数与两者相当。

综上所述，本实施例不但性能优于传统的迫零检测器和最小均方误差检测器，而且复杂度低于这两种检测器。在具体实现过程中，本实施例所述检测器的第一、第二检测模块可以共用系统中已有的通用检测模块，从而进一步降低了检测器的硬件复杂度。

Claims (2)

1.一种应用于MIMO无线通信系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，获取接收信号矩阵和信道矩阵；

步骤二，预处理模块将接收信号矩阵按行分解为两个子接收信号矩阵，将信道矩阵按行分解成四个子信道矩阵，根据子接收信号矩阵和子信道矩阵得到STBC编码信号的等效接收信号向量和等效信道向量，等效接收信号向量和等效信道向量传递给第一检测模块；

步骤三，第一检测模块以等效接收信号向量为接收信号向量、等效信道向量为信道向量，使用STBC码的ML检测器进行检测，产生STBC编码信号的判决输出向量，判决输出向量传输给干扰消除模块；

步骤四，干扰消除模块采用与步骤二相同的方法将信道矩阵H分解成四个子信道矩阵，随后从接收信号矩阵中消除来自步骤三产生的判决输出向量的干扰，生成非STBC编码信号的等效接收信号矩阵和非STBC编码信号的等效信道矩阵，并将结果传递给第二检测模块；

步骤五，第二检测模块以非STBC编码信号的等效接收信号矩阵为接收信号向量、非STBC编码信号的等效信道矩阵为信道向量，任意选用MIMO检测方法进行信号检测，产生非STBC编码信号的判决输出矩阵；

步骤六，合并STBC编码信号的判决输出向量和非STBC编码信号的判决输出矩阵，得到最终判决输出矩阵；

所述将接收信号矩阵按行分解为两个子接收信号矩阵，具体为：将接收信号矩阵y的第1行组成子矩阵y₁，接收信号矩阵y的第2行到N_R行组成子矩阵y₂；

所述将信道矩阵按行分解成四个子信道矩阵，具体为：将信道矩阵H的第1行、第1列到第2列组成子矩阵H₁₁，将H的第1行、第3到第N_T列组成子矩阵H₁₂，将H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成子矩阵H₂₁，将H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成子矩阵H₂₂；

所述根据子接收信号矩阵和子信道矩阵得到STBC编码信号的等效接收信号向量，具体为：

其中：z₁为等效接收信号向量，y₁为接收信号矩阵y的第1行组成的子矩阵，y₂为接收信号矩阵y的第2行到N_R行组成的子矩阵，H₁₂为H的第1行、第3到第N_T列组成的子矩阵，H₂₁为H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₂₂为H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成的子矩阵；

所述根据子接收信号矩阵和子信道矩阵得到等效信道向量，具体为：

其中：A₁为等效信道向量，H₁₁为H的第1行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₁₂为H的第1行、第3到第N_T列组成的子矩阵，H₂₁为H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₂₂为H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成的子矩阵；

所述非STBC编码信号的等效接收信号矩阵，具体为：

其中：y为接收信号矩阵，H₁₁为H的第1行、第1列到第2列组成的子矩阵，H₂₁为H的第2到第N_R行、第1列到第2列组成的子矩阵；

所述非STBC编码信号的等效信道矩阵，具体为：

其中：H₁₂为H的第1行、第3到第N_T列组成的子矩阵，H₂₂为H的第2到第N_R行、第3到第N_T列组成的子矩阵。

2.一种根据权利要求1所述的应用于MIMO无线通信系统的检测方法的实现装置，其特征在于，包括：预处理模块、第一检测模块、干扰消除模块、第二检测模块，其中：

预处理模块将接收信号矩阵y分解成两个子接收信号矩阵y₁、y₂，将信道矩阵H分解成四个子信道矩阵H₁₁、H₁₂、H₂₁、H₂₂，利用子接收信号矩阵和子信道矩阵，生成STBC编码信号的等效接收信号向量z₁和等效信道向量A₁；

第一检测模块以z₁为接收信号向量、A₁为信道向量，进行STBC码的ML检测，产生STBC编码信号的判决输出向量

并将传输给干扰消除模块；

干扰消除模块从接收信号矩阵y中消除来自

的干扰，生成等效接收信号矩阵z₂和等效信道矩阵A₂，并将z₂和A₂传输给第二检测模块；

第二检测模块以z₂为接收信号矩阵、A₂为信道矩阵产生非STBC编码信号的判决输出矩阵

和

构成检测器的最终输出结果

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