CN101331701A - 具有较不复杂的ml检测的mimo接收器 - Google Patents

Abstract

在一个MIMO接收器中，使用次优解码算法来确定用于在一给定时间(100)从多个发射天线中的每一个发送的符号的初始解。初始解(s_init1，...，s_initNt)被硬映射到最近可能的发送符号(s_est1，...，s_estNt)中。对于每个最近可能符号，在构象平面中定义一个围绕该符号的限制区域。然后确定一列候选符号矢量(列表)，其只包括位于构象平面的限制区域内的符号。最后，执行一种联合解码技术例如ML技术来确定候选符号矢量中的最好者。计算的数量可被大大减少，而不会对符号误码率产生过分损伤效应。

Description

具有较不复杂的ML检测的MIMO接收器

技术领域

本发明涉及一种多输入多输出通信系统，以及供这种系统使用的接收器和符号检测方法。

背景技术

多输入多输出(MIMO)通信系统利用空间多路复用来增加无线带宽和范围。具体地，MIMO发射器使用两个或更多天线发送信息，并且信息也是通过多个天线接收的。MIMO系统使用额外的路径发送更多的信息，然后在接收端重新组合信号。MIMO系统相对于传统的单天线系统能够提供显著的容量增益，以及更可靠的通信。基于MIMO的收发器可例如用于WLAN 802.11n，WiMax和蜂窝式通信系统中。

然而，容量的增加会使计算复杂性增加。在接收器中利用最佳联合解码技术分出从每一个发送天线发送的符号是一项不平凡的任务，最佳联合解码技术需要执行大量计算以获得解。在发射器和接收器之间进行传送期间主要在接收器前端放大器中被加到每个信号上的噪音进一步使事情变复杂，也就是意味着次优的但是更快速的符号检测技术具有较大的符号误码率。

数字通信系统常常使用信号空间图来表示信号，例如从发射器发送的信号。例如，在使用正交调幅(QAM)的系统中，一个信号的同相和正交分量表示正被发送的数据。每个点表示一个符号，即向接收器传输一个或者多个用户比特的调制方案的唯一信号状态。显示所有可能发送符号的信号空间图被称为一个构象(constellation)。

在MIMO系统中，每个发射天线发送一种符号，而且该组发送符号在任何时候都会形成一个符号矢量。

MIMO接收器的任务是使用所检测到的符号确定在每个时间段中的发送符号矢量。

文献US 2004/0066866披露了一种对从多个发射天线发送的时空编码信号进行解码的方法。首先，使用一种单独的检测技术来确定初始解码方案，初始解码方案对应于在一给定时间从多个发射天线中的每一个发送的符号。对于每个初始解，定义一个有关初始解的限制区域。每一个限制区域将与包括接近初始解的构象点的区域对应。初始解用于定义一个有限、多维空间。最后，在有限空间内执行联合解码技术以找出最终的解。

然而，由这些初始解定义的多维空间仍然是相对较大的，这意味着在联合解码步骤中需要执行相对大量的计算。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在解码步骤中需要较小计算数量的符号检测方法。

本发明提供一种作为通信系统的一部分的识别发送符号矢量的方法，其中多个发射天线每个在一个时间段期间发射一个各自的符号，每个符号是从多个可能的发送符号中选择的，并且多个可能的发送符号由一个构象平面表示，其中由多个发射天线发送的多个符号形成一个发送符号矢量，并且其中所述方法包括：通过源自多个发射天线的一个信道接收信号；对接收的信号应用第一算法以获得发送符号矢量的初始解，该发送符号矢量包括所发送符号的多个初始值；在构象平面中将每一个所述初始值硬解映射成所述可能的发送符号中的一个，以便形成各个估计的发送符号，该组估计的发送符号构成一个估计发送符号矢量；在构象平面中围绕每个估计的发送符号定义一个选择区域；产生一个候选符号矢量列表，每个候选符号矢量包括处在围绕每个估计发送符号的各个选择区域内部的符号，并且每个候选符号矢量只在符号的一个子集上不同于估计发送符号矢量；以及对候选符号矢量列表应用一种解码技术。

这样做的优点是解码步骤需要较少数量的计算，因为搜索空间的大小被减小了。此外，虽然解码步骤需要较少数量的计算，但是接收器的解码性能不会被严重不利地影响。

根据本发明的第二方面，提供一种根据本发明的第一方面的方法操作的接收器。

根据本发明的第三方面，提供一种通信系统，其中接收器根据本发明的第一方面的方法操作。

具体地，通过将搜索空间限制为只包括在有限数量的符号上与发送符号矢量的初始估计值不同的矢量，可以大大减少计算的数量，而不会对符号误码率产生过分破坏作用。

本发明的这些和其它方面通过之后的实施例将是显而易见的并将参照这样的实施例对其进行说明。

附图说明

图1为根据本发明一个方面的通信系统的示意框图。

图2为根据本发明一个方面的MIMO接收器中的符号检测器的示意框图。

图3为表示根据本发明一个方面的符号检测方法的流程图。

图4为表示图3的方法中的一个步骤的构象示图。

图5为表示图3的方法中的另一个步骤的构象示图。

图6为图2的符号检测器中的最近矢量搜索块的示意框图。

具体实施方式

图1为根据本发明一个方面的多输入多输出(MIMO)通信系统10的框图。通信系统10包括发射系统12和接收系统14。在本发明的该图示的实施例中，通信系统10是一个OFDM系统，其中数据被调制到不同频率下的多个子载波上。然而对于本领域技术人员显而易见本发明同样可应用于其它系统。

发射系统12包括第一发射器电路16，其通过第一RF电路18与第一发射天线20连接。发射系统12还包括第二发射器电路22，其通过第二RF电路24与第二发射天线26连接。发射系统12一般是惯用的，在此处将不对其进行进一步说明。虽然图1示出了两个单独的发射器电路块16、22和两个单独的RF电路块18、24，但应该意识到这些部件根据需要可以共享。

还应该意识到，虽然图1示出了两个发射天线20、26，但发射系统12可以包括任何期望数量的发射天线。

来自发射系统12的信号经过无线接口被从天线20、26发送给接收系统14。

接收系统14包括两个接收天线28、30。同样，虽然在图1中仅示出了两个接收天线，但应该意识到接收系统14可以包括任何期望数量的接收天线。

第一接收天线28与第一RF接收器电路32连接，而第一RF接收器电路32的输出端与第一取样块34连接，用于形成在第一接收天线28处接收的信号的数字样本。数字样本被传送给第一FFT块36，用于变换成频率域。如上所述，在该图示的实施例中，本发明被用于OFDM系统，所以需要这种到频率域的变换。然而，本发明同样可应用于其它通信系统。

第一FFT块36的输出被传递给符号/比特检测块38。输出的解映射符号被传递给去交错器和解码器块40，用于形成被解码的输出信号。

第二接收天线30与第二RF接收器电路42连接，而第二RF接收器电路42的输出端与第二采样块44连接，用于形成在第二接收天线30处接收的信号的数字样本。数字样本被传递给第二FFT块46，而第二FFT块46的输出被传递给符号/比特检测块38。输出的解映射符号被传递给去交错器和解码器块40。

图2为根据本发明一个方面的MIMO接收器系统14中的符号/比特检测块38的示意框图。

符号/比特检测块38包括一个迫零检测器块100。迫零检测器块100接收N_r个输入，r₁，...，r_Nr(其中N_r是接收天线的数量)，并产生N_t个输出，s_init1，...，s_initNt(其中N_t是发射天线的数量)。应该意识到虽然在图2中示出了迫零技术，但是同样可应用其它技术，例如最小均方差。迫零检测器块100的每个输出与一个单独的硬解映射器102₁，...，102_Nt连接，但是应该意识到对于所有N_t个输出还可以只有单个硬解映射单元。每个硬解映射器102₁，...，102_Nt产生一个输出s_est1，...，s_estNt，其与一个附近符号列表产生器104连接。附近符号列表产生器104产生一个单个输出，即一个列表，其与一个最近矢量搜索块106连接。最近矢量搜索块106对于发送的符号矢量输出一个最终解，并输出其距离接收矢量的相应的欧几里德距离。

下面将参照图3进一步更详细地说明符号/比特检测块38中的每个块的操作。

经过N_t×N_rMIMO信道(具有N_t个发射天线，Nr个接收天线)进行无线通信的模型可以用下式表示：

r＝H*s+n

其中r是接收的矢量，H是具有N_r行和N_t列的信道矩阵，s是发送的矢量，n是噪音。

最简单的符号检测技术使用迫零(ZF)算法。该方法对接收的矢量r应用信道矩阵H的逆矩阵以便获得一个输出s_ZF：

s_ZF＝H^-1*r＝s+H^-1*n

迫零的问题是信道矩阵的逆矩阵平均起来将会对接收器处的噪音放大，由此使符号检测更加错误。迫零，虽然执行简单，但会给出接收的符号矢量的噪音估计，因此是一个次优算法。

最佳符号检测技术是最大似然检测(MLD)，但是按照常规使用的，它在计算上是昂贵的。该技术通过计算接收的矢量r和信道矩阵和可能发送的矢量s_i的乘积之间的欧几里德距离来操作：

$d_i^2={\left|\right|r-H*s_i\left|\right|}^2$

然而，常规方法用于确定在对所有M^Nt个可能发送的矢量执行这种计算之后的解，其中M是构象尺寸，即用于每个发送符号的可能值的数量。因此，对于甚至16个QAM构象(即对于每个发送符号具有16个可能的值)和2个发射天线，搜索空间是256个矢量，其中每个矢量需要许多复杂的操作。

下面说明用于执行本发明方法的流程。

首先，使用一个单独的检测技术(例如迫零或最小均方差)来确定与在一给定时间从多个发射天线中的每一个发送的符号对应的初始解s_init1，..，s_initNt，其中N_t是发射天线的数量。整组符号对应于一个符号矢量(s_init1，s_init2，..，s_initNt)。

然后将每个初始解硬解映射成最近可能的发送符号的近似解，从而产生一个估计的发送符号矢量，s_est＝(s_est1，s_est2，...，s_estNt)。在本发明的一个实施例中，初始解被硬-解映射到最近可能的发送符号上。

然后围绕每一个符号估计定义构象平面中的一个选择区域，该区域除了符号估计本身之外还包含附近可能的发送符号。

然后产生可能的发送符号矢量的列表，其包括估计的发送符号矢量本身，和仅在某些符号上与那个矢量不同并且使得所述不同符号处在上面定义的选择区域范围之内的所有符号矢量。

最后，对列表中的矢量应用一种联合检测技术(例如最大似然检测(MLD))以找到最终解。因此，初始解用于定义用于随后联合检测技术的有限搜索空间，这大大减小了实行复杂性。

在图3中说明了本发明方法的一个优选实施例，其中利用的检测技术是ZF和MLD，选择区域仅包含估计的发送符号和其四个最近邻值，并且包括在列表中的符号矢量仅在一个符号上不同于估计的发送符号。

因此，首先确定MIMO信道矩阵H(步骤S2)。应当注意，虽然这里我们假定H将是精确的，但是这是一项不平凡的任务并且通常H将是一个估计。然而，本领域技术人员将知道许多用于确定H的信道估计技术，所以将不对该步骤做进一步的说明。如上所述，信道矩阵H是一个N_t×N_r矩阵，其中N_t是发射天线的数量，而N_r是接收天线的数量。

接着，计算MIMO信道矩阵的逆(步骤S4)。优选的，对于具有不同数量的发送与接收天线的MIMO系统，将使用如下面定义的伪逆pseudoinv：

pseudoinv(H)＝(H^*×H)^-1×H^*

然后根据ZF方案将信道矩阵的逆矩阵应用于接收的矢量r：

s_init＝H^-1*r＝s+H^-1*n

以便获得一个初始ZF解符号矢量s_init，其中s是实际发送的符号矢量，n是噪音(步骤S6)。

然后将初始解的每个符号硬解映射成在构象平面中与它最近的可能发送符号(步骤S8)，从而定义一个估计的发送符号(参见图4)。所有估计的发送符号的集合定义了估计的发送符号矢量。

图4给出了其中有两个发射天线的示例。因此，图4(a)表示从第一发射天线发送的信号，而图4(b)表示从第二发射天线发送的信号。因此示出了两个16QAM信号构象，其中可能从发射天线发送的所有可能符号表示为点。在每种情况下，水平和垂直轴表示映射到复数平面中的发送信号的同相和正交分量。每个点的位置表示可能符号之一的同相和正交分量的幅度，并由此表示其幅度和相位。

在图3所示的处理的步骤S6中，如上所述的通过施加迫零算法获得一个初始符号矢量s_init。初始符号矢量s_init由分别用于从第一和第二发射天线发送的符号的初始解s_init1、s_init2形成的。

用于从第一发射天线发送的符号的初始解s_init1的值在图4(a)中被表示为十字形150₁，而用于从第二发射天线发送的符号的初始解s_init2在图4(b)被表示为十字形150₂。

在图3所示的处理的步骤S8中的硬解映射器的动作是将每一个初始解150₁、150₂映射成可能发送符号152₁，152₂的最接近值，每个可能发送的符号在图4(a)和4(b)中分别由圈中点表示。然后最近的可能发送符号152₁、152₂成为估计的发送符号s_est1、s_est2，它们共同定义估计的发送符号矢量s_est。

回到图3，然后在步骤S10围绕每个估计的发送符号定义一个选择区域。在该图示的实施例中，选择区域包括估计的发送符号本身和其四个最邻近符号，即在构象平面中在估计的发送符号的上面、下面、左边和右边的符号。

图5继续示出了其中有两个发射天线的示例。因此，图5(a)表示从第一发射天线发送的信号，而图5(b)表示从第二发射天线发送的信号。同样，示出了两个16QAM信号构象，其中从发射天线发送的所有可能符号表示为点。如图5所示，每个点在构象平面中与每个邻接点分开一个距离e，如在复数平面中所表示的。

估计的发送符号s_est1和s_est2被表示为圈中点152₁和152₂。通过图3的步骤S10定义的区域中包括的四个符号被表示为方块中的点154。

在本发明的一个实施例中，如果s_est在构象平面的一个角处，那么只有两个邻近符号被认为是在选择区域中，而如果s_est在构象平面的边缘，那么只有三个邻近符号被认为在选择区域中。然而，存在其它可能性。例如，其它符号可被包括在选择区域中使得选择区域包含相同数量的符号，而与s_est在构象平面内部的位置无关。

回到图3，然后在步骤S12在附近符号列表产生器(图2中的块104)中产生一个候选发送符号矢量的列表。在本实施例中，从其中选择发送符号矢量的输出值的候选发送符号矢量的列表包含估计的发送符号矢量本身，并且包含仅在一个符号上不同于估计的发送符号矢量的其它符号矢量。此外，在一个符号不同于估计的发送符号矢量中的符号的情况下，如上面定义的，假定所述正确的符号是与错误估计的符号相邻的四个符号之一。这样，候选发送符号矢量的列表仅仅包含总共M^Nt个可能发送矢量中的4N_t+1个矢量，其中M是构象尺寸。

因此，对于具有两个发射天线的图示示例，其中估计的发送符号s_est1和s_est2由s_j和s_k代表，候选发送符号矢量的列表如下：(s_j，s_k)，(s_j+e，s_k)，(s_j-e，s_k)，(s_j+e.i，s_k)，(s_j-e.i，s_k)，(s_j，s_k+e)，(s_j，s_k-e)，(sj，s_k+e.i)，(s_j，s_k-e.i)，其中i＝√-1，使得加或减e都涉及在复数平面中的水平方向中移动一个距离e，而加或减e.i都涉及在复数平面中的垂直方向上移动一个距离e。

在图3所示的处理的步骤S14中，对上面定义的候选发送符号矢量列表应用一个联合解码过程，在此情况中为最大似然检测(MLD)解码，以便根据下式找出接收的矢量r和每个候选发送符号矢量Si之间的欧几里德距离di：

$d_i^2={\left|\right|r-H*s_i\left|\right|}^2$

因此，在附近符号列表产生器(图2中的块104)中产生的候选发送符号矢量的列表被传递给最近矢量搜索块(图2中的块106)。图6为表示用于执行最大似然检测(MLD)解码的硬件实施方案的示意框图。应该意识到解码能够以硬件或软件的形式进行，并且能够如图6所示并行地或串行地执行计算。具体地，一起形成第一候选符号矢量的两个符号s_j和s_k被输入给一个计算块160₁。第一候选符号矢量在乘法器162₁中与估计的信道矩阵H进行乘法操作。然后在加法器164₁中将从该步骤的输出与接收的矢量r相减。然后将通过该减法操作的输出与其自己的复共轭(由星号*指示)相乘以获得用于第一候选符号矢量的欧几里德距离d²的范数。

类似地，一起形成第二候选符号矢量的符号s_j和s_k+e被输入给第二计算块160₂，诸如此类，其中一起形成第n个候选符号矢量的符号s_j-e.i和s_k被输入第n个计算块160_n。如图6所示，计算块160₂、...、160_n对应于第一计算块160₁。

在图3中所示的处理的步骤S16中通过从候选发送符号矢量列表中选择具有最小欧几里德距离d的可能发送符号矢量来找到最终解。因此，回到图6，每个计算块160₁，...，160_n的输出被输入到一个比较器树170中，比较器树170将每个结果进行比较并输出符号矢量-最短距离对(即具有最小d²的候选符号矢量和d本身的值)。

如上所述，步骤S14和S16找出具有已经是发送的符号的最大似然的符号。因此，上述的技术可以被认为是最大似然符号检测。

作为一个选择，能够如下所述执行最大似然比特检测技术。具体地，符号/比特检测器38根据在图3的处理的步骤S12中获得的候选矢量列表向去交错器和解码器40传送一组比特-量度。

在本发明的一个实施例中，比特-量度可以从用于符号的每个比特的对数似然比(LLR)中获得。

因此，对于符号矢量中的一个比特位置，相对于发送的符号在该比特位置包含一个“0”的似然性，形成了发送的符号在该比特位置包含一个“1”的似然性的量度。所述LLR中，L是发送比特b_k是“0”(给定接收的符号矢量，r)的概率和它是“1”(也给定接收的符号矢量，r)的概率的商的对数。也就是：

$L\left(b_k\right|r)=\log \left(\frac{P(b_k=0|r)}{P(b_k=1|r)}\right)$

在本发明的这一实施例中，通过只考虑在图3的处理的步骤S12中所识别的候选矢量组之内的那些可能被发送的符号矢量而使计算简化。然后我们将候选的可能被发送的符号矢量的集合X划分成两个子集：即在给定位置具有0-比特的所有候选符号矢量的集合X0和在给定位置具有1-比特的所有候选符号矢量的集合X1。

每个符号矢量的后验概率与esp(-||r-Hs||²成比例。所以发送的比特是“0”的总概率等于该后验概率的X0中的所有矢量的和，而发送的比特是“1”的总概率等于该后验概率的X1的所有矢量的和。也就是：

$L\left(b_k\right|r)=\log \frac{\underset{s\∈X0}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{esp}\left(\frac{{-\left|\right|r-\mathrm{Hs}\left|\right|}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}\right)}{\underset{s\∈X1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{esp}\left(\frac{{-\left|\right|r-\mathrm{Hs}\left|\right|}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}\right)}$

同样，通过如上所述产生候选矢量的列表来减小搜索空间的大小能够大大减小这些计算的复杂性，并且不会对结果产生相应不利影响。

由此说明了用于在MIMO接收器中对接受信号进行解码的方法和装置。虽然能够看出本发明的方法和装置在联合解码步骤中所需的计算的数量和以硬件装置执行系统方面是高度有效的，但它们能够实现与通过最佳MLD符号检测器实现的符号误码率十分接近的符号误码率。

Claims (20)

1.一种作为通信系统一部分的识别发送符号矢量的方法，其中多个发射天线每个在一个时间段期间发射一个各自的符号，每个符号是从多个可能的发送符号中选择出来的，并且多个可能的发送符号由一个构象平面表示，其中由所述多个发射天线发送的多个符号形成一个发送符号矢量，其中所述方法包括：

a)通过源自多个发射天线的信道接收信号；

b)对接收的信号应用第一算法以获得所述发送符号矢量的初始解，所述发送符号矢量包括发送符号的多个初始值；

c)在构象平面中将每一个所述初始值硬解映射成所述可能的发送符号中的一个，以便形成各个估计的发送符号，该组估计的发送符号构成一个估计发送符号矢量；

d)在构象平面中围绕每个估计的发送符号定义一个选择区域；

e)产生一个候选符号矢量列表，每个候选符号矢量包括处在围绕每个估计发送符号周围的各个选择区域内部的符号，并且每个候选符号矢量只在符号的一个子集上不同于估计发送符号矢量；和

f)对候选符号矢量列表应用一种解码技术。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一算法是迫零。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一算法是最小均方差解码。

4.如前述任何一个权利要求所述的方法，其中所述第一算法使用所述信道的估计。

5.如前述任何一个权利要求所述的方法，其中所述解码技术是最大似然解码。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述解码技术包括最大似然符号检测，用于从所述候选符号矢量列表识别一个符号矢量作为发送符号矢量的解。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述解码技术包括基于所述候选符号矢量列表的最大似然比特检测，用于形成识别发送符号矢量的每个比特采用特定值的似然性的比特-量度。

8.如前述任何一个权利要求所述的方法，其中每个所述选择区域包含在构象平面中与估计的发送符号相邻的四个符号中的最大者以及该估计的发送符号本身。

9.如前述任何一个权利要求所述的方法，其中在产生的列表中的候选符号矢量包括估计的发送符号矢量和多个仅在一个符号上与估计的发送符号矢量不同的符号矢量。

10.如前述任何一个权利要求所述的方法，其中将每个所述初始值硬解映射成构象平面中的所述可能的发送符号之一的步骤包括将每个所述初始值硬解映射为构象平面中的所述可能的发送符号中的最近的符号。

11.一种作为通信系统的一部分的用于接收信号的装置，包括：

a)适于接收和解调信号的接收电路；和

b)解码器，其适合于：

i)对接收信号应用一种算法以便获得从每个发射天线发送的信号的初始解；

ii)将每个初始解映射为一个可能的发送符号，从而产生一个估计的发送符号矢量；

iii)围绕每个估计的发送符号在构象平面中定义一个选择区域；

iv)产生一个具有处在围绕每个估计的发送符号的选择区域内但是仅在某些符号上与所述估计的发送符号矢量不同的符号的候选符号矢量列表；和

v)对该候选符号矢量列表应用一种解码技术。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述算法是迫零。

13.如权利要求11所述的装置，其中所述算法是最小均方差解码。

14.如权利要求11-13中的任何一个所述的装置，其中所述解码技术包括最大似然符号检测。

15.如权利要求11-13中的任何一个所述的装置，其中所述解码技术包括最大似然比特检测。

16.如权利要求11-15中的任何一个所述的装置，其中所述选择区域包含在构象平面中与估计的发送符号相邻的四个符号中的最大者以及该估计的发送符号本身。

17.如权利要求11-16中的任何一个所述的装置，其中候选符号矢量仅在一个符号上不同于估计的发送符号矢量，或者就是估计的发送符号矢量本身。

18.一种通信系统，包括：

a)发射器；

b)多个发射天线；

c)多个接收天线；

d)采样器；

e)符号检测器，包括：

i)检测器，用于对接收信号应用一种算法以便获得从每个发射天线发送的信号的初始解；

ii)硬解映射器，用于将每个初始解映射为一个可能的发送符号，从而产生一个估计的发送符号矢量；

iii)候选符号列表产生器，用于产生一个候选符号矢量列表，每个候选符号矢量包括处在构象平面中在围绕每个估计的发送符号的选择区域内但是仅在某些符号上与估计的发送符号矢量不同的符号；和

f)解码器，用于对候选符号列表应用一种解码技术以便获得发送的符号矢量的最终估计解。

19.如权利要求18所述的通信系统，其中所述通信系统是OFDM系统。

20.如权利要求19所述的通信系统，包括一个FFT处理器，用于对接收的信号进行解调。

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