CN101582743A - 一种用于迭代接收机的mimo检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于迭代接收机的MIMO检测方法及系统，其中一次接收过程包括先进行的第一预定次数的迭代处理和后进行的第二预定次数的迭代处理，涉及无线通信领域。MIMO检测方法包括：第一预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第一预定次数的迭代处理应用第一类MIMO检测算法，第一类MIMO检测算法相对第二类MIMO检测算法能够使输出外信息更快的增长；第二预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第二预定次数的迭代处理应用第二类MIMO检测算法，第二类MIMO检测算法相对第一类MIMO检测算法能够使迭代接收机获得更好的收敛性能。利用两种类型的MIMO检测算法可以在检测复杂度不显著增加的前提下，有效提高接收机的性能。

Description

一种用于迭代接收机的MIMO检测方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种多入多出检测方法及系统。

背景技术

近年来，随着无线通信网络和技术的不断发展，人们对高速率、高质量的业务需求与日俱增，利用有限的频谱资源提供尽可能高的数据传输速率一直是无线通信领域研究的重点。MIMO(multiple inputmultiple output，多入多出)作为一种充分利用空域资源的技术，以其有效提高系统数据传输速率和频谱效率、改善通信质量等特点而成为无线通信系统中被广泛关注和采用的技术。同时，BICM(bit interleavedcoded modulation，比特交织编码调制)也是一种带宽有效的技术。它把前向纠错编码和高阶调制通过比特交织器连接起来，分集阶数可以增加至码字的二进制汉明距离。MIMO传输与BICM技术相结合，能够充分利用MIMO和调制技术的高频谱效率以及编码技术较强的纠错能力。

目前的研究认为，对于BICM MIMO系统，迭代接收机是逼近MIMO信道容量的有效途径。在迭代接收机中，MIMO检测器应当实现软输入软输出(SISO，soft input soft output)。误码率性能最优意义下的软入软出MIMO检测器是最大似然(ML，maximum likelihood)检测器，但其复杂度随着天线数目和调制星座图的大小成指数增长，无法实际应用。

另外，迭代接收机中，比特的对数似然比(即软信息)在软入软出MIMO检测器和软入软出信道译码器之间循环传递，先验概率得以连续修正。迭代处理在提高系统性能的同时，也给其性能的理论分析带来了困难。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于迭代接收机的MIMO检测方法和系统，为迭代接收机提供高性能、低复杂度的MIMO检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于迭代接收机的MIMO检测方法，其中迭代接收机的一次接收过程包括先进行的第一预定次数的迭代处理和后进行的第二预定次数的迭代处理，MIMO检测方法包括：第一预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第一预定次数的迭代处理都应用第一类MIMO检测算法，第一类MIMO检测算法相对于第二类MIMO检测算法能够使输出外信息更快的增长；第二预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第二预定次数的迭代处理都应用第二类MIMO检测算法，第二类MIMO检测算法相对于第一类MIMO检测算法能够使迭代接收机获得更好的收敛性能。

在一个实施例中，在所述迭代处理前还包括：利用收敛性分析工具分别做出至少两种MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图；选定所述外信息转移特性曲线出现交点的所述至少两种MIMO检测算法；将所述交点前外信息转移特性曲线坡度相对小的所述MIMO检测算法选定为所述第一类MIMO检测算法；和将所述交点后外信息转移特性曲线坡度相对大的所述MIMO检测算法选定为所述第二类MIMO检测算法。

进一步的，还包括在所述MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图的所述交点之前，确定所述迭代处理的第一预定次数；和在所述MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图的所述交点之后，确定所述迭代处理的第二预定次数。

在一个实施例中，在所述接收过程中自适应的调整所述迭代处理的第一预定次数和第二预定次数。

在一个实施例中，所述第一类MIMO检测算法和第二类MIMO检测算法是基于相同的原理并利用相同的资源和处理流程实现的，或者是基于不同的原理并利用不同的资源和处理流程实现的。

进一步的，每一次所述迭代处理包括：MIMO检测器利用天线接收到的信号、上一次迭代处理得到的第一比特先验信息和信道衰落矩阵，通过所述第一类MIMO检测算法或所述第二类MIMO检测算法计算得到第一编码比特外信息；所述第一编码比特外信息经比特解交织生成信道译码器的输入先验信息；所述信道译码器根据所述输入先验信息和编码结构，计算得到第二编码比特外信息；和所述第二编码比特外信息经比特交织后生成第二比特先验信息用于所述迭代接收机下一次的迭代处理。

为实现上述目的，本发明还提供了一种用于迭代接收机的MIMO检测系统，其中所述迭代接收机的一次接收过程包括先进行的第一预定次数的迭代处理和后进行的第二预定次数的迭代处理，包括：第一类检测装置，用于在所述第一预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次所述第一预定次数的迭代处理都应用第一类MIMO检测算法，所述第一类MIMO检测算法相对于第二类MIMO检测算法能够使输出外信息更快的增长；和第二类检测装置，用于在所述第二预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次所述第二预定次数的迭代处理都应用所述第二类MIMO检测算法，所述第二类MIMO检测算法相对于所述第一类MIMO检测算法能够使所述迭代接收机获得更好的收敛性能。

进一步的，所述MIMO检测系统还包括：MIMO算法确定装置，用于利用收敛性分析工具分别做出至少两种MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图，选定所述外信息转移特性曲线出现交点的所述至少两种MIMO检测算法，将所述交点前外信息转移特性曲线坡度相对小的所述MIMO检测算法选定为所述第一类MIMO检测算法，和将所述交点后外信息转移特性曲线坡度相对大的所述MIMO检测算法选定为所述第二类MIMO检测算法。

基于上述技术方案，本发明利用两种类型的MIMO检测算法可以在迭代检测复杂度不显著增加的前提下，加快迭代接收机的收敛，并有效提高接收机的性能。而两种类型的MIMO检测算法，以及采用两类检测算法的迭代处理次数，均可借助EXIT图等收敛性分析工具进行设计。应用本发明，通过仿真分析可知，系统的整体性能得到了有效改善，而复杂度未显著增加。本发明应用简单，对现有系统改动很小，与现有系统有较好的兼容性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步解释，构成本发明的一部分。本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明实施例的BICM MIMO系统结构示意图。

图2为根据本发明实施例的MIMO检测方法的流程图。

图3为根据本发明另一实施例的MIMO检测方法的流程图。

图4为根据本发明进一步实施例的MIMO检测方法的流程图。

图5为根据本发明实施例的MIMO检测方法的设计方法的流程图。

图6为根据本发明实施例的用于迭代接收机的MIMO检测系统的示意图。

图7为根据本发明另一实施例的用于迭代接收机的MIMO检测系统的示意图。

图8为根据本发明实施例的采用S-GPDA和P-GPDA MIMO检测算法的迭代接收机EXIT图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更详细的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

图1为根据本发明实施例的BICM MIMO系统100的结构示意图。BICM MIMO系统100包括软入软出MIMO检测器102、信道估计103、比特解交织104、信道译码器106和比特交织108。

软入软出MIMO检测器102可以利用接收天线接收到的信号

、上一次迭代处理中软入软出信道译码器106计算并通过比特交织108所得的比特先验信息λ₂[b_π(i)](第一次迭代处理中，此信息为0)以及信道估计103得到的信道衰落矩阵H，通过能够使输出外信息较快增长的第一类MIMO检测算法或者能够使输出外信息较好收敛的第二类MIMO检测算法，计算编码比特的外信息λ₁[b_π(i)]，该信息经比特解交织104生成λ₁[b_i]，作为软入软出信道译码器106的输入先验信息。

软入软出信道译码器106根据先验信息λ₁[b_i]和编码结构计算得到的编码比特外信息λ₂[b_i]，经比特交织108后生成λ₂[b_π(i)]，作为先验信息用于迭代接收机下一次的迭代处理。

图2为根据本发明实施例的MIMO检测方法200的流程图。其中迭代接收机的一次接收过程包括先进行的第一预定次数的迭代处理和后进行的第二预定次数的迭代处理。

在步骤202，第一预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第一预定次数的迭代处理都应用第一类MIMO检测算法，第一类MIMO检测算法相对于第二类MIMO检测算法能够使输出外信息更快的增长。

在步骤204，第二预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第二预定次数的迭代处理都应用第二类MIMO检测算法，第二类MIMO检测算法相对于第一类MIMO检测算法能够使迭代接收机获得更好的收敛性能。

在一个实施例中，在迭代接收机的接收过程中，可以自适应的调整迭代处理的第一预定次数和第二预定次数。

第一类和第二类MIMO检测算法可以基于相同的原理，也可以基于不同的原理。若两种算法基于相同的原理，则二者能够通过相同的资源及处理流程加以实现；而若二者基于不同的原理，则需要增加资源及处理流程来实现完全不同的算法。

图3为根据本发明另一实施例的MIMO检测方法300的流程图。迭代接收机的一次接收过程包括如MIMO检测方法200中的先进行的第一预定次数(N1)的迭代处理和后进行的第二预定次数(N2)的迭代处理。

对于前N1次的迭代处理，在步骤302中，MIMO检测器利用天线接收到的信号、上一次迭代处理得到的第一比特先验信息和信道衰落矩阵，通过第一类MIMO检测算法计算得到第一编码比特外信息。其中，第一比特先验信息是上一次软入软出信道译码器计算并通过比特交织所得到的。在第一次迭代中第一比特先验信息为0。根据MIMO检测算法的外信息转移特性，所选定的第一类MIMO检测算法能够使输出外信息相对第二类MIMO检测算法增长更快。

在步骤304中，第一编码比特外信息经比特解交织生成信道译码器的输入先验信息。

在步骤306中，信道译码器根据输入先验信息和编码结构，计算得到第二编码比特外信息。

在步骤308中，第二编码比特外信息经比特交织后生成第二比特先验信息用于迭代接收机下一次的迭代处理

在前N1次的迭代处理中重复步骤302、304、306和308N1次。

对于后N2次的迭代处理，在步骤303中，MIMO检测器利用天线接收到的信号、上一次迭代处理得到的第一比特先验信息和信道衰落矩阵，通过第二类MIMO检测算法计算得到第一编码比特外信息。根据MIMO检测算法的外信息转移特性，所选定的第二类MIMO检测算法相对于第一类MIMO检测算法能够使迭代接收机获得更好的收敛性能。

在后N2次的迭代处理中重复步骤303、304、306和308N2次。

图4为根据本发明进一步实施例的MIMO检测方法400的流程图。如MIMO检测方法200和300中提到的第一类和第二类MIMO算法，可以利用方法400在迭代处理之前进行确定。

在步骤402中，利用收敛性分析工具分别做出至少两种MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图。

在步骤404中，选定外信息转移特性曲线出现交点的至少两种MIMO检测算法。

在步骤406中，将交点前外信息转移特性曲线坡度相对小的MIMO检测算法选定为第一类MIMO检测算法。同时，在MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图的交点之前，可以确定迭代处理的第一预定次数。

在步骤408中，将交点后外信息转移特性曲线坡度相对大的MIMO检测算法选定为第二类MIMO检测算法。在MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图的交点之后，可以确定迭代处理的第二预定次数。

图5为根据本发明进一步实施例的MIMO检测方法500的流程图。如MIMO检测方法200和300中提到的第一类和第二类MIMO算法，还可以利用方法500在迭代处理之前进行确定。

在步骤502中，确定至少两种软入软出MIMO检测算法作为备选。比如，在一个实施例中，以MIMO检测算法S-GPDA(serialgeneralized probabilistic data association，串行通用概率数据互联)和P-GPDA(parallel generalized probabilistic data association，并行通用概率数据互联)为例。这两种算法均基于GPDA原理。GPDA本身是一种迭代检测的算法，其用于软入软出的MIMO检测已在D.Pham，K.R.Pattipati，P.K.Willett，et al.A Generalized Probabilistic DataAssociation Detector for Multiple Antenna Systems，IEEECommunication Letters，Apr.2004，8：205-207中给出。而GPDA用于MIMO检测的两种形式P-GPDA和S-GPDA存在以下两点区别：

(1)S-GPDA在对发送符号向量中的各元素进行估计前，先根据一定的准则对估计顺序进行排序；而P-GPDA不进行排序，对各天线的发送符号顺次进行检测。

(2)S-GPDA与P-GPDA两种算法，在检测器内部第i次迭代中，计算待估计符号的均值和方差所用的参数有所不同。以估计符号sk时，等效噪声中符号s_j的均值计算为例(方差计算的情况类似)：

P-GPDA中：

$E_i\left[s_j\right]=\underset{S_j\∈{\mathrm{\Ω}}_S}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{p}_i\left(S_j\right),j\≠k---\left(1\right)$

S-GPDA中：

$E_i\left[s_j\right]=\left\{\begin{array}{cc}\underset{S_j\≠{\mathrm{\Ω}}_S}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{p}_i\left(S_j\right|r)& j=1,\·\·\·,k-1\\ \underset{S_j\∈{\mathrm{\Ω}}_S}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{p}_i\left(S_j\right)& j=k+1,\·\·\·,N_t\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，S_l∈Ω_S为标准星座点；而p_i(S_j|r)，p_i(S_j)均为GPDA MIMO检测过程中所计算的中间结果。通过上述分析可知，S-GPDA和P-GPDA算法可以方便地使用同一套资源及处理流程加以实现，不会增加额外的复杂度。

在步骤504中，利用收敛性分析工具分别做出两种MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图，并考察曲线是否有交点。借助收敛性分析工具，比如EXIT(extrinsic information transfer，外信息转移)图、密度进化、高斯近似、SNR(signal to noise，信噪比)进化等对MIMO检测算法进行辅助设计。其中，EXIT图是S T Brink等人在Convergence behaviour of iteratively decoded parallel concatenatedcodes，IEEE Trans.Communications，2001，49(10)：1727-1736中提出的一种直观的可视化收敛性分析工具。这种分析工具将Turbo码的系统比特和分量码译码器输出外信息之间的互信息作为分析迭代译码器收敛性的一种新的度量，并利用曲线跟踪迭代译码的互信息轨迹，直观地表示译码器的迭代过程和收敛性。迭代接收机与迭代译码器之间有着天然的联系和相似性，因此，EXIT图也可用于分析迭代接收机的性能。

图8为根据本发明实施例的采用S-GPDA和P-GPDA MIMO检测算法的迭代接收机EXIT图。其中Turbo码生成多项式、内交织及打孔方式参照3GPP规范3GPP TS 25.222，Multiplexing and ChannelCoding(TDD)，2004，编码块长为4400，译码器采用MAX-LOG-MAP算法，译码迭代次数为8次。图中考察了不同编码调制方案及不同SNR条件下的情况。由图8可知，在所考察的两种系统配置下，P-GPDA和S-GPDA MIMO检测算法的外信息转移特性曲线均相交，则进入步骤506。如果曲线没有出现交点，则返回步骤502。

在步骤506中，选定外信息转移特性曲线出现交点的MIMO检测算法作为第一类MIMO检测算法和第二类MIMO检测算法。将外信息转移特性曲线坡度相对小的MIMO检测算法选定为第一类MIMO检测算法；将外信息转移特性曲线坡度相对大的MIMO检测算法选定为第二类MIMO检测算法。其中，两类MIMO检测算法外信息转移特性曲线交点之前的迭代次数为第一预定次数(N1)，交点之后直至收敛的迭代次数为第二预定次数(N2)，且N1+N2≤N，N为总迭代次数。如图8所示，在MIMO检测算法的输出外信息达到交点所对应的值之前，即迭代接收机的前N1次迭代中，采用曲线坡度相对小的S-GPDA MIMO检测算法，能够使输出外信息较快增长；而在MIMO检测算法的输出外信息大于交点所对应的值之后，即后N2次迭代中，采用曲线坡度相对大的P-GPDA MIMO检测算法，能够使迭代接收机获得较好的收敛性能。

在步骤508中，确定采用两类检测算法的迭代次数。在一个实施例中，结合外信息转移特性曲线，同时考虑总迭代次数N，可以在EXIT图中确定一次接收过程中采用两类MIMO检测算法的迭代次数N1和N2。例如，设总迭代次数N为4。由一系列EXIT图(包括图8及其它未示出的EXIT图)可知，QPSK(quadrature phase shift keying，正交相移键控)，1/2编码的系统，当SNR＝7dB时，N1＝N2＝2；16QAM(quadrature amplitude modulation，正交幅度调制)，3/4编码的系统，当SNR＝25dB时，N1＝3，N2＝1。利用EXIT图可以确定各种系统配置及SNR条件下的N1，N2值。

在另一个实施例中，也可以通过仿真、借助经验等，预先确定某一参数的门限，根据迭代过程得到的该参数的中间结果，依据一定的准则自适应地确定N1和N2。例如，根据经验预先确定平均外信息的门限值，若软入软出译码器输出的平均外信息达到该门限值，则下次迭代处理中采用第二类MIMO检测算法。

另外，总迭代次数N可以综合考虑系统时延、功耗、迭代接收机收敛特性等因素预先设定，也可以在迭代接收过程中依据一定的准则自适应调整。

图6为根据本发明实施例的用于迭代接收机的MIMO检测系统600的示意图。其中迭代接收机的一次接收过程包括先进行的第一预定次数的迭代处理和后进行的第二预定次数的迭代处理。MIMO检测系统600包括第一类检测装置602和第二类检测装置604。

第一类检测装置602用于在第一预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第一预定次数的迭代处理都应用第一类MIMO检测算法，第一类MIMO检测算法相对于第二类MIMO检测算法能够使输出外信息更快的增长。

第二类检测装置604用于在第二预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次第二预定次数的迭代处理都应用第二类MIMO检测算法，第二类MIMO检测算法相对于第一类MIMO检测算法能够使迭代接收机获得更好的收敛性能。

图7为根据本发明另一实施例的用于迭代接收机的MIMO检测系统700的示意图。MIMO检测系统700除了包括第一类检测装置602和第二类检测装置604以外，还包括MIMO算法确定装置702，用于利用收敛性分析工具分别做出至少两种MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图，选定外信息转移特性曲线出现交点的至少两种MIMO检测算法，将交点前外信息转移特性曲线坡度相对小的MIMO检测算法选定为第一类MIMO检测算法，和将交点后外信息转移特性曲线坡度相对大的MIMO检测算法选定为第二类MIMO检测算法。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种用于迭代接收机的MIMO检测方法，其中所述迭代接收机的一次接收过程包括先进行的第一预定次数的迭代处理和后进行的第二预定次数的迭代处理，其特征在于，包括：

在所述第一预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次所述第一预定次数的迭代处理都应用第一类MIMO检测算法，所述第一类MIMO检测算法相对于第二类MIMO检测算法能够使输出外信息更快的增长；和

在所述第二预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次所述第二预定次数的迭代处理都应用所述第二类MIMO检测算法，所述第二类MIMO检测算法相对于所述第一类MIMO检测算法能够使所述迭代接收机获得更好的收敛性能。

2.根据权利要求1所述的MIMO检测方法，其特征在于，在所述迭代处理前还包括：

利用收敛性分析工具分别做出至少两种MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图；

选定所述外信息转移特性曲线出现交点的所述至少两种MIMO检测算法；

将所述交点前外信息转移特性曲线坡度相对小的所述MIMO检测算法选定为所述第一类MIMO检测算法；和

将所述交点后外信息转移特性曲线坡度相对大的所述MIMO检测算法选定为所述第二类MIMO检测算法。

3.根据权利要求2所述的MIMO检测方法，其特征在于，还包括：

在所述MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图的所述交点之前，确定所述迭代处理的第一预定次数；和

在所述MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图的所述交点之后，确定所述迭代处理的第二预定次数。

4.根据权利要求1所述的MIMO检测方法，其特征在于，还包括：

在所述接收过程中自适应的调整所述迭代处理的第一预定次数和第二预定次数。

5.根据权利要求1所述的MIMO检测方法，其特征在于，所述第一类MIMO检测算法和第二类MIMO检测算法是基于相同的原理并利用相同的资源和处理流程实现的，或者是基于不同的原理并利用不同的资源和处理流程实现的。

6.根据权利要求1所述的MIMO检测方法，其特征在于，每一次所述迭代处理包括：

MIMO检测器利用天线接收到的信号、上一次迭代处理得到的第一比特先验信息和信道衰落矩阵，通过所述第一类MIMO检测算法或所述第二类MIMO检测算法计算得到第一编码比特外信息；

所述第一编码比特外信息经比特解交织生成信道译码器的输入先验信息；

所述信道译码器根据所述输入先验信息和编码结构，计算得到第二编码比特外信息；和

所述第二编码比特外信息经比特交织后生成第二比特先验信息用于所述迭代接收机下一次的迭代处理。

7.一种用于迭代接收机的MIMO检测系统，其中所述迭代接收机的一次接收过程包括先进行的第一预定次数的迭代处理和后进行的第二预定次数的迭代处理，其特征在于，包括：

第一类检测装置，用于在所述第一预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次所述第一预定次数的迭代处理都应用第一类MIMO检测算法，所述第一类MIMO检测算法相对于第二类MIMO检测算法能够使输出外信息更快的增长；和

第二类检测装置，用于在所述第二预定次数的迭代处理中，根据MIMO检测算法的外信息转移特性，每一次所述第二预定次数的迭代处理都应用所述第二类MIMO检测算法，所述第二类MIMO检测算法相对于所述第一类MIMO检测算法能够使所述迭代接收机获得更好的收敛性能。

8.根据权利要求7所述的MIMO检测系统，其特征在于，还包括：

MIMO算法确定装置，用于利用收敛性分析工具分别做出至少两种MIMO检测算法的外信息转移特性曲线图，选定所述外信息转移特性曲线出现交点的所述至少两种MIMO检测算法，将所述交点前外信息转移特性曲线坡度相对小的所述MIMO检测算法选定为所述第一类MIMO检测算法，和将所述交点后外信息转移特性曲线坡度相对大的所述MIMO检测算法选定为所述第二类MIMO检测算法。

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