CN101286814A - 多天线通信系统顺序干扰抵消检测器 - Google Patents

Abstract

一种多天线通信系统顺序干扰抵消检测器，包括：信号形式变换模块(201)，用于对接收的复值信号进行形式变换；检测顺序确定模块(202)，用于确定各信号分量的检测顺序；信号分量检测模块(203)，用于对当前信道条件下历经信道分量最优的两个信号分量进行检测；信号分量判决模块(204)，用于对已检测信号分量进行信号分量判决；干扰抵消模块(205)，用于将已检测信号分量导致的干扰从接收信号中抵消掉；信号形式反变换模块(206)，用于将已检测信号分量恢复为复值信号形式。本发明将BLAST SIC中每次检测的对象由复信号细分为信号的实部与虚部分量，并保证每次检测的信号分量所历经的信道分量在当前信道中是最优的，从而实现系统性能的有效提升。

Description

多天线通信系统顺序干扰抵消检测器

技术领域

本发明涉及多天线通信系统中的信息传输领域，特别涉及多天线通信系统顺序干扰抵消检测器。

背景技术

利用多天线空间复用BLAST技术，可以在有限的频谱资源条件下，有效提升数据传输速率。

现有BLAST检测算法分为线性检测(包括迫零检测ZF、最小均方误差检测MMSE等)与非线性检测(包括迫零加干扰抵消检测ZF-SIC、最小均方误差加干扰抵消检测MMSE-SIC等)。相比于线性检测，非线性检测算法以运算复杂度的增加为代价，可有效提升系统性能。

以下对线性与非线性BLAST检测算法做简要说明。

线性检测算法

设接收信号为

r＝Hs+n，

其中，H为N×M信道矩阵，s为M维发送信号矢量，r为N维接收信号矢量，n为N维独立高斯白噪声矢量，M与N分别为系统发送与接收天线数目。

对于ZF迫零检测算法，

${\hat{s}}_{\mathrm{ZF}}={\left(H^{H}H\right)}^{-1}{H}^{H}r=s+{\left(H^{H}H\right)}^{-1}{H}^{H}n.$

对于MMSE最小均方误差检测算法，

${\hat{s}}_{\mathrm{MMSE}}={(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{H}r=s+{(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{H}n.$

其中，

与

分别为不同算法下已检测信号的M维矢量。

非线性检测算法

相比于线性检测，非线性技术以运算复杂度的增加为代价，可有效提升系统性能。

以下简要说明BLAST非线性检测算法中的顺序干扰抵消算法。该算法的基本原理是在检测当前信号的过程中将来自于已检测成分的干扰去掉，从而减小干扰对较小信噪比数据的影响，该原理类似于判决反馈均衡。

图1描述了BLAST系统中顺序干扰抵消的基本原理。

以下说明检测过程：

对于ZF-SIC检测器，定义

对于MMSE-SIC检测器，定义

进行以下过程一，可以得到一个判决信号：

过程一： $k_i=\arg \min {\left|\right|{\left(G_i\right)}_j\left|\right|}^2\⇒w_{k_i}={\left(G_i\right)}_{k_i}\⇒y_{k_i}=w_{k_i}^T{r}_i\⇒{\hat{a}}_{k_i}=Q\left(y_{k_i}\right)$

其中，k₁，k₂，…，k_M为检测过程中对发送天线的排序。

然后，进行以下过程二，将已检测信号的影响从接收信号中减去，并确定新的伪逆阵，确定新的判决顺序。

过程二：

这样形成了一个循环过程，循环进行过程一及过程二，直到i＝M。至此，所有信号均判决完毕，循环过程结束。

在目前BLAST SIC的每次检测过程中，均同时检测出某一发送信号的实部与虚部分量。因此，目前方法的出发点是在每次检测过程中，寻找某一复值发送信号，要求该信号所历经复值信道的实部与虚部综合条件在当前信道中最优。最优信道的选择过程，即k_i＝arg min‖(G_i)_j‖²，实际是选择实部与虚部综合条件最优的信道的过程。然而，在该过程中选择的最优的复值信道，并不能保证其的实部与虚部分量在当前所有信道中同时是最优的。换而言之，目前方法并不能保证在该过程中检测的信号所历经信道的实部与虚部在当前所有信道中均是最优的。

发明内容

本发明的目的是提供一种多天线通信系统顺序干扰抵消检测器。

为实现上述目的，一种多天线通信系统顺序干扰抵消检测器，包括：

信号形式变换模块，用于对接收的复值信号进行形式变换；

检测顺序确定模块，用于确定各信号分量的检测顺序；

信号分量检测模块，用于对当前信道条件下历经信道分量最优的两个信号分量进行检测；

信号分量判决模块，用于对已检测信号分量进行信号分量判决；

干扰抵消模块，用于将已检测信号分量导致的干扰从接收信号中抵消掉；

信号形式反变换模块，用于将已检测信号分量恢复为复值信号形式。

本发明将BLAST SIC中每次检测的对象由复信号细分为信号的实部与虚部分量，并保证每次检测的信号分量所历经的信道分量在当前信道中是最优的，从而实现系统性能的有效提升。

附图说明

图1是目前采用顺序干扰抵消检测的BLAST系统检测器原理图；

图2是本发明提出检测器的系统架构与信号流程；

图3是改进方案与未改进方案的误比特率性能比较。

具体实施方式

本发明提出一种适用于BLAST系统的增强顺序干扰抵消检测器。该检测器基于BLAST系统复值信号的等价表示形式，将每次检测的对象由复值信号细分为信号的实部与虚部分量，并依次检测当前信道条件下历经信道分量最优的信号分量。基于系统复杂度的考虑，该检测器在每次检测过程中，均同时检测出2个信号分量，这2个信号分量可能属于同一发送复信号，也可能属于不同发送复信号，但这2个信号分量所历经的信道分量在当前信道中一定是最优的。

本发明提出检测器的系统架构与信号流程如图2所示。

在BLAST系统中，设接收信号为

r＝Hs+n，(1)

其中，H为N×M信道矩阵，s为M维发送信号矢量，r为N维接收信号矢量，n为N维独立高斯白噪声矢量，M与N分别为系统发送与接收天线数目。

首先给出式(1)的等价形式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(r\right)\\ \mathrm{Im}\left(r\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Re}\left(H\right)& -\mathrm{Im}\left(H\right)\\ \mathrm{Im}\left(H\right)& \mathrm{Re}\left(H\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(s\right)\\ \mathrm{Im}\left(s\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(n\right)\\ \mathrm{Im}\left(n\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

在式(2)中，Re表示取复信号实部操作，Im表示取复信号虚部操作。定义 $\tilde{r}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(r\right)\\ \mathrm{Im}\left(r\right)\end{array}\right]$ 为2N×1维矢量， $\tilde{H}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Re}\left(H\right)& -\mathrm{Im}\left(H\right)\\ \mathrm{Im}\left(H\right)& \mathrm{Re}\left(H\right)\end{array}\right]$ 为2N×2M维矩阵， $\tilde{s}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(s\right)\\ \mathrm{Im}\left(s\right)\end{array}\right]$ 为2M×1维矢量。

以下给出该检测器的检测过程：

对于ZF-SIC检测器，定义

对于MMSE-SIC检测器，定义

进行以下过程一，可以得到两个信号分量：

过程一：设k_i ¹与k_i ²为当前伪逆矩阵

中模方和最小的两行，定义 ${\tilde{w}}_{k_i^1}={\left({\tilde{G}}_i\right)}_{k_i^1},$ ${\tilde{w}}_{k_i^2}={\left({\tilde{G}}_I\right)}_{k_i^2}.$ 则 ${\tilde{y}}_{k_i^1}={\tilde{w}}_{k_i^1}^T{\tilde{r}}_i,$ ${\tilde{y}}_{k_i^2}={\tilde{w}}_{k_i^2}^T{\tilde{r}}_i.$ 根据与

得到信号

与

的相应分量。

然后进行以下过程二，将已检测信号分量的影响从接收信号中减去，并确定新的伪逆阵，确定新的判决顺序。

过程二：

这样形成了一个循环过程，循环进行过程一及过程二，直到i＝M。至此，所有信号分量

均判决完毕。将已检测信号分量恢复为复信号形式，检测过程结束。

由以上检测过程，相比于传统顺序干扰抵消过程，本发明提出检测器将每次检测的对象由复值信号细分为信号的实部与虚部分量，这就保证了每次检测的信号分量所历经的信道分量在当前信道中是最优的，从而实现系统性能的有效提升。同时，该检测器的干扰抵消迭代次数与传统方法相同，从而使该检测器的运算复杂度维持在了合理水平。

本发明的检测器基于多天线通信系统复值信号等价形式，将每次检测的对象由复值信号细分为信号的实部与虚部分量，并依次检测当前信道条件下历经信道分量最优的信号分量。从而实现系统性能的有效提升。同时，该检测器的干扰抵消迭代次数与传统检测器相同，从而使该检测器的运算复杂度维持在合理水平。

如图2所示，多天线通信系统顺序干扰抵消检测器有下列模块构成：

信号形式变换模块：该模块对接收的复值信号进行形式变换，即：

$H\⇒\tilde{H}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Re}\left(H\right)& -\mathrm{Im}\left(H\right)\\ \mathrm{Im}\left(H\right)& \mathrm{Re}\left(H\right)\end{array}\right],$ $r\⇒\tilde{r}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(r\right)\\ \mathrm{Im}\left(r\right)\end{array}\right].$

检测顺序确定模块：该模块确定各信号分量的检测顺序。在该模块中，确定当前伪逆矩阵

中模方和最小的两行，设为k_i ¹与k_i ²。

信号分量检测模块：该模块对当前信道条件下历经信道分量最优的两个信号分量进行检测，即 ${\tilde{w}}_{k_i^1}={\left({\tilde{G}}_i\right)}_{k_i^1},$ ${\tilde{w}}_{k_i^1}={\left({\tilde{G}}_i\right)}_{k_i^1}\⇒{\tilde{y}}_{k_i^1}={\tilde{w}}_{k_i^1}^T{\tilde{r}}_i,{\tilde{y}}_{k_i^2}={\tilde{w}}_{k_i^2}^T{\tilde{r}}_i.$

信号分量判决模块：该模块对已检测信号分量进行信号分量判决，即 ${\tilde{y}}_{k_i^1}\⇒{\tilde{s}}_{k_i^1},$ ${\tilde{y}}_{k_i^2}\⇒{\tilde{s}}_{k_i^2}.$

干扰抵消模块：该模块将已检测信号分量导致的干扰从接收信号中抵消掉，即 ${\tilde{r}}_{i+1}={\tilde{r}}_i-{\tilde{s}}_{k_i^1}{\left(\tilde{H}\right)}_{k_i^1}-{\tilde{s}}_{k_i^2}{\left(\tilde{H}\right)}_{k_i^2}.$

信号形式反变换模块：该模块将已检测信号分量恢复为复值信号形式，即 $s={\tilde{s}}^{*}+j{\tilde{s}}^{**},$ 其中为已检测信号

的1□M行组成的矩阵，

为已检测信号

的(M+1)□2M行组成的矩阵。

本实施例分别采用了4发4收以及8发8收天线组成的多天线BLAST通信系统。信道为准静态平坦瑞利衰落信道。采用QPSK调制。

仿真结果如图3所示。图中横坐标为系统发送端总功率与接收端噪声的E_b/N₀值，纵坐标为系统误比特率(BER)指标。

由图3，相比于未改进方案，改进方案的BER性能在Eb/N₀＝[0-20dB]范围内有1-2dB的性能增益，且随着Eb/N₀的增加，BER性能增益尤为明显。

Claims (8)

1.一种多天线通信系统顺序干扰抵消检测器，包括：

信号形式变换模块(201)，用于对接收的复值信号进行形式变换；

检测顺序确定模块(202)，用于确定各信号分量的检测顺序；

信号分量检测模块(203)，用于对当前信道条件下历经信道分量最优的两个信号分量进行检测；

信号分量判决模块(204)，用于对已检测信号分量进行信号分量判决；

干扰抵消模块(205)，用于将已检测信号分量导致的干扰从接收信号中抵消掉；

信号形式反变换模块(206)，用于将已检测信号分量恢复为复值信号形式。

2.按权利要求1所述的检测器，其特征在于所述天线为多发多收天线。

3.按权利要求1所述的检测器，其特征在于所述信号形式变换模块对接收的复值信号按下述方式进行形式变换：

$H\⇒\tilde{H}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Re}\left(H\right)& -\mathrm{Im}\left(H\right)\\ \mathrm{Im}\left(H\right)& \mathrm{Re}\left(H\right)\end{array}\right],$ $r\⇒\tilde{r}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(r\right)\\ \mathrm{Im}\left(r\right)\end{array}\right].$

4.按权利要求1所述的检测器，其特征在于检测顺序确定模块通过确定当前伪逆矩阵

中模方和最小的两行来确定当前需要检测的两个信号分量，设选定的两行为k_i ¹与k_i ²。

5.按权利要求1所述的检测器，其特征在于信号分量检测模块以如下方式对当前信道条件下历经信道分量最优的两个信号分量进行检测：

${\tilde{w}}_{k_i^1}={\left({\tilde{G}}_i\right)}_{k_i^1},$ ${\tilde{w}}_{k_i^1}={\left({\tilde{G}}_i\right)}_{k_i^1}\⇒{\tilde{y}}_{k_i^1}={\tilde{w}}_{k_i^1}^T{\tilde{r}}_i,{\tilde{y}}_{k_i^2}={\tilde{w}}_{k_i^2}^T{\tilde{r}}_i.$

6.按权利要求1所述的检测器，其特征在于信号分量判决模块按下式对已检测信号分量进行信号分量判决：

${\tilde{y}}_{k_i^1}\⇒{\tilde{s}}_{k_i^1},$ ${\tilde{y}}_{k_i^2}\⇒{\tilde{s}}_{k_i^2}.$

7.按权利要求1所述的检测器，其特征在于干扰抵消模块按下式将已检测信号分量导致的干扰从接收信号中抵消掉：

${\tilde{r}}_{i+1}={\tilde{r}}_i-{\tilde{s}}_{k_i^1}{\left(\tilde{H}\right)}_{k_i^1}-{\tilde{s}}_{k_i^2}{\left(\tilde{H}\right)}_{k_i^2}.$

8.按权利要求1所述的检测器，其特征在于信号形式反变换模块按下式将已检测信号分量恢复为复值信号形式： $s={\tilde{s}}^{*}+j{\tilde{s}}^{**},$ 其中

为已检测信号

的1□M行组成的矩阵，

为已检测信号

的(M+1)□2M行组成的矩阵。

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