CN101388868A - 一种多输入多输出正交频分复用系统的接收方法及接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多输入多输出正交频分复用系统的接收方法及接收机；方法包括：正交频分复用信号检测模块用接收到的第i个正交频分复用信号左乘对应的线性离散编码矩阵G，得到第i个正交频分复用符号级的信号S_LD ⁽ⁱ⁾；线性离散码变换模块将S_LD ⁽ⁱ⁾变换成线性离散编码的向量，第k个码字的向量为vec(S_LD ^(k))；并将所有得到的线性离散编码的向量表达式vec(S_LD ^(k))进行组合后形成一个K维的线性离散编码阵的码字集；线性离散码块解调模块根据所述码字进行信号估计和检测，得到s ^(k)为：

；并对s^(k)进行解调和译码，还原出发送信号。接收机包括信道估计模块、检测矩阵估计模块、正交频分复用信号检测模块、线性离散码变换模块及线性离散码块解调模块。本发明抑制了信道估计误差的传播。

Description

一种多输入多输出正交频分复用系统的接收方法及接收机

技术领域

本发明涉及移动通信领域的空时处理技术，尤其涉及一种多输入多输出正交频分复用系统的接收方法及接收机。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统与传统的SISO(Single-InputSingle-Output)系统相比，可以提供极大的容量增益。假设只有接收端已知信道状态信息的条件下，实际的MIMO调制方法一般分为两种：分集与复用。考虑到空时分组码虽然达到了最大分集增益，但却不能提供MIMO信道的全系统容量，Hassibi提出了基于互信息量最大化设计的线性离散码(LinearDispersion Codes，LDC)。Robert W.Heath随后提出了基于分集增益的线性离散码设计准则，在容量最大化的的前提下，也能保证较大的分集增益，使得系统性能得到一定的提高。

现有技术的缺陷：不能适用于任何天线数目，主要是很难适应于天线数为2的非幂次的情况。当前的系统一般仅考虑分集或复用这两种形式的一种，这样要么是追求可靠性(分集)，要么是考虑容量或速率(复用)，很少两者兼顾考虑在当前情况下保证容量最大。另外，现有技术的检测一般采用一级检测的方法，往往会由于信道估计的误差而会直接影响到检测的精度，而且无法应用于任意天线数目的情况，灵活性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种一种多输入多输出正交频分复用系统的接收方法及接收机，本发明基于LDC编码思想，消除了信道估计误差对检测精度的影响。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多输入多输出正交频分复用系统的接收方法，其特征在于，包括：

A、正交频分复用信号检测模块用接收到的第i个正交频分复用信号左乘对应的线性离散编码矩阵G，得到第i个正交频分复用符号级的信号

B、线性离散码变换模块将

变换成线性离散编码的向量，第k个码字的向量为

并将所有得到的线性离散编码的向量表达式

进行组合后形成一个K维的线性离散编码阵的码字集；

C、线性离散码块解调模块根据所述码字进行信号估计和检测，得到S^(k)为： $s^{\left(k\right)}\widehat{=}{\left[G\right]}^{+}\mathrm{vec}\left(\widehat{S_{\mathrm{LD}}^k}\right);$ 并对S^(k)进行解调和译码，还原出发送信号。

进一步的，所述步骤A前还包括：

21、信道估计模块估计出当前时刻对应的信道矩阵

22、检测矩阵估计模块根据

求出每个正交频分复用资源块对应的线性离散编码矩阵G。

进一步的，所述步骤B中，线性离散码变换模块按照下式将

变换成线性离散编码的向量：

$\mathrm{vec}\left(S_{\mathrm{LD}}\right)=[\mathrm{vec}\left(A_1\right),\·\·\·,\mathrm{vec}\left(A_Q\right)]\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_Q\end{array}\right];$ 其中，A_q为空时编码矩阵系数，Q为不等于0的正整数。

进一步的，所述步骤22中：检测矩阵估计模块采用迫零或最小均方误差检测算法求得对应的线性离散编码矩阵G；采用迫零检测算法时， $G=F_N{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^{+};$ 采用最小均方误差检测算法时， $G=F_N{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^H{({\mathrm{\σ}}_n^2{I}_P+H_0^{\left(i\right)}{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^H)}^{-1};$ 其中，F_N为正交频分复用解调过程，

为噪声功率，I_P为单位矩阵。

本发明还提供了一种多输入多输出正交频分复用系统的接收机，包括信道估计模块，用于估计出当前时刻对应的信道矩阵

及检测矩阵估计模块，与正交频分复用解调模块和信道估计模块相连，用于求出每个正交频分复用资源块对应的线性离散编码矩阵G；其特征在于，还包括：

正交频分复用信号检测模块，与检测矩阵估计模块相连，用于用接收到的第i个正交频分复用信号左乘对应的线性离散编码矩阵G得到第i个正交频分复用符号级的信号

线性离散码变换模块，与正交频分复用信号检测模块相连，用于将变

变换成线性离散编码的向量，第k个码字的向量为还用于将所有得到的线性离散编码的向量表达式

进行组合后形成一个K维的线性离散编码阵的码字集，送入线性离散码块解调模块；

线性离散码块解调模块，用于根据所述码字集得到信号S^(k)， $s^{\left(k\right)}\widehat{=}{\left[G\right]}^{+}\mathrm{vec}\left(\widehat{S_{\mathrm{LD}}^k}\right),$ 并对S^(k)进行解调和译码，还原出发送信号。

进一步的，所述线性离散码变换模块根据下式将

变换成线性离散编码的向量：

$\mathrm{vec}\left(S_{\mathrm{LD}}\right)=[\mathrm{vec}\left(A_1\right),\·\·\·,\mathrm{vec}\left(A_Q\right)]\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_Q\end{array}\right];$ 其中，A_q为空时编码矩阵系数，Q为不等于0的正整数。

本发明的技术方案采用了分级进行检测的方法，第一级首先对OFDM块进行检测，然后在线性空时编码内部进行线性离散码的译码，这样在降低接收机复杂度的同时也抑制了信道估计误差的传播；并且，其优化方案联合使用多天线空间复用和分集的技术，从而可以适用于任意天线数目的情况。

附图说明

图1 为本发明的MIMO-OFDM系统中的接收机的具体实施框图；

图2为本发明应用实例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

本发明的目的是提供一种MIMO-OFDM系统中基于LDC编码思想的接收方法及接收机，线性离散码最早是以收发两端互信息量最大化为设计准则而提出的。LDC(线性离散码)编码器采用一系列基矩阵的线性组合来构造空时码字。这些码字是从特定星座图中选择出的待发射的标量符号集合，并且基矩阵集合存储于收发两端。

本发明的接收方法采用了分级进行检测的方法，第一级首先对OFDM块进行检测，然后在线性空时编码内部不借助信道信息(第一级信道估计的结果)对信号进行第二级估计和检测，然后再进行解调和译码以还原出发送信号。这样就会避免因为第一级信道估计误差的传播，并且降低了接收机的复杂度。

下面对接收机的过程进行详细描述，为描述方便，定义T为发射天线数，R为接收天线数，N为码字流的个数。

第一步：信道估计模块估计出当前时刻对应的信道矩阵

检测矩阵估计模块在每个OFDM资源块上采用迫零(ZF)或最小均方误差(MMSE)检测算法求得第i个OFDM块对应的线性离散编码矩阵G⁽ⁱ⁾；

具体检测方法同现有技术，如下所示：

ZF： $G_{\mathrm{ZF}}^{\left(i\right)}=F_N{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^{+}---\left(1\right)$

MMSE： $G_{\mathrm{MMSE}}^{\left(i\right)}=F_N{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^H{({\mathrm{\σ}}_n^2{I}_P+H_0^{\left(i\right)}{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^H)}^{-1}---\left(2\right)$

式中

为当前第i个OFDM块对应的信道矩阵，F_N为OFDM解调过程，通常为FFT(傅立叶)变换过程，

为噪声功率，I_P为单位矩阵。

第二步：OFDM信号检测模块根据第一步得到的G⁽ⁱ⁾矩阵，估算对应的第i个OFDM资源块符号级的信号

具体方法采用下式：

$S_{\mathrm{LD}}^{\left(i\right)}=G^{\left(i\right)}{x}_{\mathrm{OFDM}}^{\left(i\right)}---\left(3\right)$

其中i表示第i个OFDM块，

是接收到的第i个OFDM信号。

至此，完成了对OFDM块的检测，即完成了第一级检测。

第三步：LDC变换模块将

变换成线性离散编码的向量，第k个码字的向量为(该向量遍历所有的OFDM符号)；设LDC矩阵的码字共有K个，则第k个LDC矩阵的码字 $S_{\mathrm{LD}}^{\left(k\right)}\∈C^{T\×R_k},$ k＝1，...，K；本步骤可以按现有技术实现。

第四步：LDC变换模块将所有得到的线性离散编码的向量表达式

进行组合后形成一个K维的线性离散编码阵的码字集，送入LDC块解调模块；

第五步：LDC块解调模块进行第二次信号估计和检测，得到S^(k)；估计的方法如下式：

其中G^(k)，k＝1，…，K为第k个码字所对应的G⁽ⁱ⁾矩阵，为一酉矩阵。

至此，完成了第二级估计和检测。

第六步：按现有技术对S^(k)进行解调和信道译码，还原出发送信号。

本发明还提供了一种多输入多输出正交频分复用系统的接收机，如图1所示，包括：

信道估计模块，用于估计出当前时刻对应的信道矩阵

检测矩阵估计模块，与信道估计模块相连，用于在某一OFDM块上采用迫零(ZF)或最小均方误差(MMSE)检测算法求得对应的线性离散编码矩阵G；具体检测的实现同现有技术，如式(1)、(2)所示。

OFDM信号检测模块，与检测矩阵估计模块相连，用于估算对应的OFDM块上的信号

具体实现按照式(3)。

LDC变换模块，与OFDM信号检测模块相连，用于将

变换成线性离散编码的向量，第k个码字的向量为

(该向量遍历所有的OFDM符号)；设LDC矩阵的码字共有K个，则第k个LDC矩阵的码字 $S_{\mathrm{LD}}^{\left(k\right)}\∈C^{T\×R_k},$ k＝1，...，K。还用于将所有得到的线性离散编码的向量表达式

进行组合后形成一个K维的线性离散编码阵的码字集，送入LDC块解调模块；

LDC块解调模块，用于根据所述码字集进行第二次信号估计和检测，得到信号S^(k)；具体实现如式(4)；然后对S^(k)进行解调和译码还原出发送信号。

下面用一应用实例详细描述本发明的技术方案及优化方案。

本发明的优化方案引入一个表示分集和复用的联合程度的系数Q，从而使本发明的接收方法能够适用于任意天线数目的情况；所述Q值可以但不限于按下面的方式获取：

根据信道信息按现有技术计算信道的相关条件数k_n：

$k_n=\frac{{\mathrm{\λ}}_n\left({\mathrm{HH}}^H\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\max }\left({\mathrm{HH}}^H\right)}$

其中，λ是HH^H的特征值，λ_n是当前HH^H最小特征值。

根据仿真来确定该条件数的下限Th_min和上限Th_max；这个是根据具体仿真来确定，在本应用实例中，取 ${\mathrm{Th}}_{\min }=\frac{1}{2^{\frac{M}{2}}\×10},$ ${\mathrm{Th}}_{\max }=\frac{1}{2^{\frac{M}{2}}},$ 其中M＝min(T，R)。

根据所述条件数以及预置的条件数的上下限Th_min和Th_max来确定Q的值，具体方法如下：

1)k_n<<Th_min时，具体操作时可以界定为 $k_n<\frac{{\mathrm{Th}}_{\min }}{10},$ 采用分集方式，令Q＝Q₁；在本应用实例中，取Q₁＝T；实际应用时，也可以令Q₁＝R或Q₁＝min(T，R)；

2)k_n>>Th_max时，具体操作时可以界定为k_n>10Th_max，采用复用方式，令Q＝RT，即Q为接收天线和发射天线的数目的乘积；

3) $\frac{{\mathrm{Th}}_{\min }}{10}\&le;k_n\&le;10{\mathrm{Th}}_{\max }$ 时，适合采用分集和复用联合的方式，令Q₁<Q<RT，并且Q为整数；比如当取Q₁＝T时，就取T<Q<RT。

Q可以由接收机来确定，并通知发射机，也可以由发射机确定后通知接收机。

在实际应用中，如果不需要分集和复用联合使用，则也可以将Q取为任意不为0的正整数。

为了方便后文的叙述，先介绍一下引入Q后的发送流程，发送信号的表达式可写为：

$S=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}(S_q{C}_q+S_q^{*}{D}_q)$

其中S₁，...S_Q为复数标量，C_q和D_q为一固定的T×R矩阵。这样线性离散码主要取决于基于{C_q，D_q}的离散阵，不妨令S_q＝α_q+jβ_q，q＝1，…，Q。则

$S=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&alpha;}}_q{A}_q+{\mathrm{j\&beta;}}_q{B}_q),$ 式中A_q＝C_q+D_q，B_q＝C_q-D_q。

空时编码矩阵系数A_q和B_q系数矩阵根据Q的取值不同，分别按下列方式得到：

一、Q＝Q₁时，采用分集方式发送，即根据下式得到A_q和B_q系数矩阵：

$A_{R(k-1)+m}=B_{R(k-1)+m}=\frac{1}{\sqrt{R}}\left[D^{k-1}{\mathrm{\&pi;}}^{m-1}\right],k=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,R,m=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,R$

其中

本情况中采用正交矩阵是为了保证得到空时分组编码的空间分集增益。

二、Q＝RT时采用复用方式发送，即根据下式得到A_q和B_q系数矩阵：

$A_{R(k-1)+r}=B_{R(k-1)+r}=p_t{\mathrm{\&eta;}}_r^{\&prime;},t=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,T,r=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,R$

其中p_t为T维向量的第t个元素，η_r为R维向量的第r个元素。在这种情况下，实际上是取得空间复用的增益。

三、Q₁<Q<T*R时，用下式得到A_q和B_q系数矩阵：

$A_{R(k-1)+r}=B_{R(k-1)+r}=p_t{\mathrm{\&eta;}}_r^{\&prime;}+\frac{1}{\sqrt{R-M}}{D}^{k-1}{\mathrm{\&pi;}}^{m-1}$      t＝1，…，T；

其中r＝1，…，R，k＝1，…，K；m＝1，…，M；K≤T，M≤R

如果Q不作为分集和复用的联合程度的系数，则A_q和B_q根据发送时是采用分集技术还是复用技术来按现有技术确定。

发送端由A_q和B_q得到C_q和D_q，然后根据式(1)得到空时编码矩阵，并采用该矩阵按现有技术对信号进行空时编码并发送。

由上可知，在接收端接收到的信号Y为：

$Y=\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}}{M}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&alpha;}}_q{A}_q+{\mathrm{j\&beta;}}_q{B}_q)H+V---\left(6\right)$

其中

为信噪比系数，H为R×T维信道矩阵，V为R×T维的噪声矩阵。

在发射机中，一般令A_q＝B_q，其中q＝1，…，Q，则接收信号可以写为：

$Y=\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}}{M}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(S_q{A}_q\right)H+V---\left(7\right)$

如图2所示，本应用实例包括以下步骤：

S203：信道估计模块估计出当前时刻对应的信道矩阵检测矩阵估计模块在每个OFDM资源块上采用迫零(ZF)或最小均方误差(MMSE)检测算法求得第i个OFDM块对应的线性离散编码矩阵G⁽ⁱ⁾；

具体检测方法同前文的式(1)、式(2)。

S204：OFDM信号检测模块根据S203计算出编码矩阵系数的的向量集G(i)利用式(3)得到第i个的OFDM符号级的信号

至此，第一级检测，即OFDM级检测完成，将所述接收信号Y恢复成如下信号：

$S_{\mathrm{LD}}^{\left(i\right)}=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_q{A}_q---\left(8\right)$

S205：LDC变换模块对

重新排序，按下式将每一个A_q矩阵变成Q×1的向量，从而得到线性离散编码的编码矩阵第k个码字的向量表达式

$\mathrm{vec}\left(S_{\mathrm{LD}}^{\left(k\right)}\right)=[\mathrm{vec}\left(A_1\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\mathrm{vec}\left(A_Q\right)]\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ S_Q\end{array}\right]---\left(9\right)$

S206：LDC变换模块计算出所有的K个

构造LDC编码矩阵码字集；

S207：LDC块解调模块利用式(4)对S206码字集中的所有元素进行并行处理，得到S^(k)。其中，令G＝[vec(A₁)，…，vec(A_Q)]，如果G满秩，则可以用下式来得到G的伪逆矩阵：

G⁺＝(G^HG)^-1G^H   (10)

S208：根据S207的结果进行解调和信道译码，还原出的发送信号，从而得到S_q，q＝1，…，Q的唯一解。

综上所述，本发明的技术方案采用了两级检测的方法，在抑制信道估计误差的同时降低了接收机的复杂度，同时这种思想不局限于分集或者复用的发送形式，发送从空间编码阵的解调入手，给出了在复用和分集联合使用或二者单独使用时的一种解决方案，有着较为广泛的适用性。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1、一种多输入多输出正交频分复用系统的接收方法，其特征在于，包括：

A、正交频分复用信号检测模块用接收到的第i个正交频分复用信号左乘对应的线性离散编码矩阵G，得到第i个正交频分复用符号级的信号

B、线性离散码变换模块将

变换成线性离散编码的向量，第k个码字的向量为；并将所有得到的线性离散编码的向量表达式

进行组合后形成一个K维的线性离散编码阵的码字集；

C、线性离散码块解调模块根据所述码字进行信号估计和检测，得到s^(k)为： $s^{\left(k\right)}\widehat{=}{\left[G\right]}^{+}\mathrm{vec}\left(\widehat{S_{\mathrm{LD}}^k}\right)$ ；并对s^(k)进行解调和译码，还原出发送信号。

2、如权利要求1所述的接收方法，其特征在于，所述步骤A前还包括：21、信道估计模块估计出当前时刻对应的信道矩阵

22、检测矩阵估计模块根据

求出每个正交频分复用资源块对应的线性离散编码矩阵G。

3、如权利要求1所述的接收方法，其特征在于，所述步骤B中，线性离散码变换模块按照下式将

变换成线性离散编码的向量：

$\mathrm{vec}\left(S_{\mathrm{LD}}\right)=[\mathrm{vec}\left(A_1\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\mathrm{vec}\left(A_Q\right)]\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ S_Q\end{array}\right];$ 其中，A_q为空时编码矩阵系数，Q为不等于0的正整数。

4、如权利要求2所述的接收方法，其特征在于，所述步骤22中：检测矩阵估计模块采用迫零或最小均方误差检测算法求得对应的线性离散编码矩阵G；采用迫零检测算法时， $G=F_N{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^{+}$ ；采用最小均方误差检测算法时， $G=F_N{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^H{({\mathrm{\&sigma;}}_n^2{I}_P+H_0^{\left(i\right)}{\left(H_0^{\left(i\right)}\right)}^H)}^{-1};$ 其中，F_N为正交频分复用解调过程，

为噪声功率，I_P为单位矩阵。

5、一种多输入多输出正交频分复用系统的接收机，包括信道估计模块，用于估计出当前时刻对应的信道矩阵；及检测矩阵估计模块，与正交频分复用解调模块和信道估计模块相连，用于求出每个正交频分复用资源块对应的线性离散编码矩阵G；其特征在于，还包括：

正交频分复用信号检测模块，与检测矩阵估计模块相连，用于用接收到的第i个正交频分复用信号左乘对应的线性离散编码矩阵G得到第i个正交频分复用符号级的信号

线性离散码变换模块，与正交频分复用信号检测模块相连，用于将

变换成线性离散编码的向量，第k个码字的向量为

；还用于将所有得到的线性离散编码的向量表达式

进行组合后形成一个K维的线性离散编码阵的码字集，送入线性离散码块解调模块；

线性离散码块解调模块，用于根据所述码字集得到信号s^(k)， $s^{\left(k\right)}\widehat{=}{\left[G\right]}^{+}\mathrm{vec}\left(\widehat{S_{\mathrm{LD}}^k}\right),$ 并对s^(k)进行解调和译码，还原出发送信号。

6、如权利要求5所述的接收机，其特征在于，所述线性离散码变换模块根据下式将

变换成线性离散编码的向量：

$\mathrm{vec}\left(S_{\mathrm{LD}}\right)=[\mathrm{vec}\left(A_1\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\mathrm{vec}\left(A_Q\right)]\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ S_Q\end{array}\right];$ 其中，A_q为空时编码矩阵系数，Q为不等于0的正整数。

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