CN101588335B - 利用信道相关性的mimo检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种OFDM符号检测的方法，包括步骤：接收通过多个发射天线发送的OFDM调制符号；接收相干时间信息和/或相干带宽信息；对来自所述多个发射天线的信道进行信道估计后，利用所述相干时间和/或相干带宽对每个信道估计进行平滑处理，得到对应多个信道估计的平均值；利用对所述多个信道的信道估计平均值，对接收到的OFDM符号进行信号检测。本发明的方法能够同时考虑到信道的时间相关性与频率相关性。

Description

利用信道相关性的MIMO检测方法及系统

技术领域

本发明涉及MIMO(多输入多输出)通信系统，具体地，涉及一种MIMO系统中接收机端的检测方法，用于已有和将来出现的信息传输系统中的MIMO检测。

背景技术

根据现有技术的方法，当在MIMO系统的接收端检测到发射自发射端的信号时，首先对信道进行估计。根据估计后的信道，利用MMSE-OSIC(最小均方误差-串行干扰抵消)或者MMSE-OSIC²(最小均方误差-串行干扰抵消-多候选)方法对接收到的数据的检测是独立进行的，即，认为信道间的是独立不相关的。

以2×4MIMO检测为例，需要检测发送的数据x1与x2。利用现有技术的检测方法，首先需要检测出x1，然后根据x1的结果估计出x2，从而完成对x1与x2的检测。MMSE-OSIC与MMSE-OSIC²的区别在于MMSE-OSIC在检测x1时只判决一种可能性，而MMSE-OSIC²在检测x1时判决多个候选(candidate)，判决的性能随着candidate数目的增加而增加，但复杂度随之增加。当candidate数目等于1时，两个算法完全相同。

本文中提到的相干时间是指一特定时间范围，在该范围内，两个到达信号有很强的幅度相关性；相干带宽是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。

现有技术存在的问题在于：

1.由于现有的方法对接收到的数据的检测是独立进行的，没有利用到信道的相关性。在存在突发噪声存在的环境下，信道就会随机出现比较大的突发的估计偏差。此时，如果根据该存在较大偏差的信道来检测信号，就会出现比较大的偏差或者增加信号判决的BER。

2.为了达到特定的BER，MMSE-OSIC²增加了译码算法需要的硬件资源，硬件资源增加是与candidate的数目成正比的。

发明内容

本发明提供了一种OFDM符号检测的方法，包括步骤：

接收通过多个发射天线发送的OFDM调制符号；

接收相干时间信息和/或相干带宽信息；

对来自所述多个发射天线的信道进行信道估计后，利用所述相干时间和/或相干带宽对每个信道估计进行平滑处理，得到对应多个信道的信道估计平均值；

利用对所述多个信道的信道估计平均值，对接收到的OFDM符号进行信号检测。

根据本发明的另一方面，一种OFDM通信系统，包括：

发送端，所述发送端包括多个天线，用于向接收端发送OFDM调制符号以及相干时间信息和/或相干带宽信息；和

接收端，所述接收端包括：

多个接收天线，用于接收来自发送端的OFDM调制符号以及相关子载波数目和相关OFDM符号数目；

平滑滤波器，对来自所述多个发射天线的信道进行信道估计后，利用所述相干时间和/或相干带宽对每个信道估计进行平滑处理，得到对应多个信道的信道估计平均值；和

信号检测模块，利用对所述多个信道的信道估计平均值，对接收到的OFDM符号进行信号检测。

本发明的方法能够同时考虑到信道的时间相关性与频率相关性，从而实现如下目的：

1.在类似复杂度的情况下，性能优于MMSE-OSIC算法；

2.在减少硬件资源占用的情况下，性能迫近于MMSE-OSIC²算法。

附图说明

图1是示出了MIMO操作环境的示意图；

图2示出了MIMO发送流程的示例；

图3示出了根据本发明的MIMO接收端示意图；

图4示出了根据本发明的MIMO检测部分的方框图；

图5示出了根据本发明的MIMO信号检测方法的流程图；

图6示出了根据本发明的平滑平均滤波器的示意图；

图7示意性地示出了理想Rayleigh信道；

图8示意性地示出了存在干扰的Rayleigh信道；

图9示出了平均误差错概率仿真结果；以及

图10示出了平均误差错概率仿真结果。

具体实施方式

为了清楚地说明新的发明，首先对现有技术的MMSE-OSIC²方法进行介绍，然后据此来描述本发明的检测方法。

假设N_T×N_R的MIMO系统可以表达为：

y＝Hx+z                   (1)

其中 $y={[y_1{y}_2...y_{N_R}]}^T$ ，是(N_R×1)维的接收信号向量；N_T为发送天线数目，N_R为接收天线数目。

是MIMO信道响应； $x={[x_1{x}_2...x_{N_T}]}^T$ 是(N_T×1)维的接收信号向量； $z={[z_1{z}_2...z_{N_R}]}^T$ 是噪声向量，属于循环对称白噪声，服从的分布为：z_i～CN(0，σ_z ²)，i＝1，2，…，N_R。

在本实施例中，发送信号x_i，i＝1，2，…，N_T是|C|-QAM是调制符号，其中C为星座图中点的集合，而|C|为星座图上星座点的个数。假设H的列向量为：h_k，k＝1，2，…，N_T。部分信道的MMSE加权矩阵为：

G⁽¹⁾＝(H₁ ^HH₁+σ²I)^-1H₁ ^H，H₁＝[h₂h₃h₄]    (3)

G⁽²⁾＝(H₂ ^HH₂+σ²I)^-1H₂ ^H，H₂＝[h₃h₄]      (4)

G⁽³⁾＝(H₃ ^HH₃+σ²I)^-1H₃ ^H，H₃＝[h₄]        (5)

假设{G⁽ⁱ⁾}₁为矩阵G⁽ⁱ⁾的第一行。

下面，以4×4 MIMO为例，对现有技术的MMSE-OSIC²算法进行描述：

步骤1：对1，2，…，N_T(在4×4 MIMO中，N_T等于4)个信道进行排序(因为信道为复信道，且为向量格式，取其范数，并比较大小以进行排序)，得到序列h₁，h₂，......h₄。其中利用h₁来表示排序后4个信道中的最大值，利用h_NT来表示排序后4个信道中的最小值。

步骤2：从x1的可能集合中选择M个候选符号。该步骤可以表示为表1中所描述的过程。表1中的h₁就是从步骤1中得到的h₁。

步骤3：从x1，x2的可能集合中选择M个候选符号。该步骤可以表示为表2中所描述的过程。

步骤4：从x1，x2，x3的可能集合中选择M个候选符号。该步骤可以表示为表3中所描述的过程。

步骤5：从x1，x2，x3，x4的可能集合中选择M个候选符号。该步骤可以表示为表4中所描述的过程。

以下表中的slicer过程是指从调制的星座图所代表的符号中判决输出最接近的星座点，例如：如果调制方式是16QAM，则需要从16QAM所包括的16个电平符号中判决输出最接近的星座点。如果调制方式是64QAM，则需要从64QAM所包括的64个电平符号中判决输出最接近的星座点。以下表中sorted过程是将|C|个距离按照从小到大的顺序进行整理；如果调制方式是16QAM，|C|是16；如果调制方式是64QAM，|C|是64。

表1 MMSE-OSIC²  步骤2

表2 MMSE-OSIC²  步骤3

表3 MMSE-OSIC² 步骤4

表4 MMSE-OSIC² 步骤5

下面将参考图3-6来描述根据本发明的接收端信号检测方法。图3示出了根据本发明的MIMO接收端示意图。图4示出了根据本发明的MIMO信号检测部分的方框图。图5示出了根据本发明的MIMO信号检测方法的流程图。图6示出了根据本发明的滑动平均滤波器的示意图。

本发明主要在于对上述步骤1的操作进行改进。

如图3所示，根据本发明的接收端300可以包括MIMO接收部分301，用于接收来自发射端的通过多天线发送的OFDM符号数据及相关信息；MMSE-OSIC信号检测部分303，用于利用接收到的相关信息，从接收到的数据信号中检测出来自的发射端的信号；QAM解调部分，用于对检测出的信号进行解调，从而得到来自对应发射端的解调数据。

主要在信号检测部分303中实现根据本发明的MIMO信号检测方法。如图4所示，信号检测部分303可以包括滑动平均滤波器3031；信道干扰自适应消除器3033以及检测部分3035。下面将结合图5和图6来描述根据本发明的信号检测方法。

首先，在步骤501，接收端300的接收部分301接收来自发射端的OFDM符号以及相关信息。这里，相关信息可以包括例如相干子载波数目m的相干时间信息与例如相干带宽信息的相干OFDM符号数目。本文中提到的相干时间是指一特定时间范围，在该范围内，两个到达信号有很强的幅度相关性；相干带宽是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。

之后，信号检测部分303利用接收到的所述相关子载波数目m和相关OFDM符号数目n对来自不同接收天线的信道强弱进行判断。信道强弱的判断方法是：先分别求出h₁、h₂、h₃与h₄四个信道(它们是列向量)的范数，然后比较四个范数的大小，若某个列向量的范数大，则判断其信道强，反之则判断其信道弱。接收端利用信道判断的结果对接收到的信号进行处理。

具体地，在步骤502，在判断接收到的信道强弱时，滑动平均滤波器3031对利用接收到的相干子载波数目m与相干OFDM符号的数目n，对接收到的信道进行滑动平均。滑动平均滤波器本质上是一种有限冲击响应滤波器，起平滑滤波作用。这里，(m＊n)是抽头系数个数，由信道相关性决定。经过平滑后的信道，可以消除因大的瞬时干扰对接收机造成的影响，将大干扰信号自动加以抑制。滑动平均滤波器的示意图如图6所示。

在图6中，(m＊n)是滑动滤波器的抽头系数个数，也就是滤波器的长度，D是移位寄存器，滑动平均的输入是信道，在时钟的上升沿，移入一个信道范数，每个信道冲击响应值乘以系数1，前后(m＊n)个信道相加，然后除以(m＊n)，作为滑动平均滤波器的输出。也就是把(m＊n)个信道作平均运算，滑动平均后的输出的信道中抑制了大的干扰成分。值得注意的是：当m＝1时，滑动平均的长度为n，相当于只在相关时间以内做滑动平均；当n＝1时，滑动平均的长度为m，相当于只在相干带宽内做滑动平均；当m，n均大于1时，相当于在相干时间与相干带宽内的m＊n个信道做滑动平均。

对滑动平均后的信道与未作滑动平均的信道作自适应选择，h_1avg表示滑动平均后信道矩阵的第一列，h_2avg表示滑动平均后信道矩阵的第二列，h1，h2是未经滑动平均的信道矩阵的第1列和第2列。这里进行自适应选择的目的在于：判决信道中是否有大干扰，如果有大干扰，则进行滑动平均干扰消除，如果没有干扰，则选择没有干扰的正常信道。

这里，滑动滤波器可以采取时间上滑动平均或者频率上滑动平均，或者两者兼而有之。其中，滑动平均滤波器3031采用自适应可调整窗口的滤波方案，根据信道衰落快慢，自适应调整滑动窗口的长短。当信道是快变信道时，滑动窗口要调短。反之，当信道是慢变信道时，滑动窗口要变长。在信道强弱判断中，考虑了相干时间内1～n个OFDM符号内的信道，而不是仅仅考虑当前OFDM符号内的信道。同时，考虑了相干带宽内1～m个OFDM子载波内的信道，而不是仅仅考虑当前OFDM子载波上的信道。

之后，对做过滑动平均处理后的信道值，进行自适应信道干扰消除。具体地，在步骤503，对h_1avg与h_2avg进行比较，如果h_1avg大于h_2avg，则执行步骤504，对h₁和h₂进行比较。如果h₁大于h₂，执行步骤507，h₁和h₂保持不变，继续进行后续步骤的运算(即，表1-表4中所列的运算)。相反，若h₁不大于h₂，则执行步骤506，以h_2avg的值替代h₂，h₁保持不变，继续进行后续步骤的运算。

在若h_1avg不大于h_2avg的情况下，在步骤505判断h₁大于h₂的情况下，执行步骤509，以h_1avg的值替代h₁，h₂保持不变，继续后续步骤的运算(即，表1-表4中所列的运算)。相反，若h₁不大于h₂，执行步骤508，h₁和h₂保持不变，继续进行后续步骤的运算。

表5中给出了根据本发明优选实施例的系统参数示例。

表5

系统参数	取值
		载频	3.775GHz
采样频率	40MHz
		检测算法	改进的MMSE-OSIC
MIMO配置	2×4
		信道模型	Rayleigh衰落信道，多普勒频移为30Hz
数字调制方式	16QAM

为了证明本发明所取得的性能增益，本发明提供了计算机仿真结果，仿真信道为独立同分布的Rayleigh衰落信道模型，多普勒频移为30Hz，可以相应换算成移动速度，仿真结果如图9和10所示。

从图9和图10可以看出，相比于传统MIMO的发送和接收方法，本发明提出的MIMO的发送和接收方法具有明显的性能增益。在低信噪比条件下，大约有1dB的性能改善，这对提高MIMO接收机的性能无疑是很有意义。

Claims (11)

1.一种OFDM符号检测的方法，包括步骤：

接收通过多个发射天线发送的OFDM调制符号；

接收相干时间信息和/或相干带宽信息；

对来自所述多个发射天线的信道进行信道估计后，利用所述相干时间和/或相干带宽对每个信道估计进行平滑处理，得到对应多个信道的信道估计平均值；

利用对所述多个信道的信道估计平均值，对接收到的OFDM符号进行信号检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相干时间信息包括相干时间内OFDM符号的个数，所述相干带宽信息包括表示相干带宽内OFDM子载波的个数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在进行平滑处理时，对多个信道的值进行时间上滑动平均和/或频率上滑动平均，得到多个信道估计平均值，其中信道的个数为：相关子载波数目乘以相关OFDM符号数目。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，自适应地调整滑动滤波窗口的大小，其中，当信道是快变信道时，滑动窗口变短，当信道是慢变信道时，滑动窗口变长。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于经过滑动平均处理的信道估计平均值，进行自适应信道干扰消除。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，比较经过滑动平均得到的第一平均信道相关值h_1avg和第二平均信道相关值h_2avg的大小，以及比较当前信道的第一信道相关值h₁与第二信道相关值h₂的大小，并根据比较结果来进行接收到的OFDM符号的处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果h_1avg大于h_2avg且h₁大于h₂，则将h₁和h₂用于对接收到的OFDM符号的处理。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果h_1avg大于h_2avg且h₁不大于h₂，则h₁和h_2avg用于对接收到的OFDM符号的处理。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果h_1avg不大于h_2avg，且h₁大于h₂，则将h_1avg和h₂用于对接收到的OFDM符号的处理。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果h_1avg不大于h_2avg，且h₁不大于h₂，则将h₁和h₂用于对接收到的OFDM符号的处理。

11.一种OFDM通信系统，包括：

发送端，所述发送端包括多个天线，用于向接收端发送OFDM调制符号以及相干时间信息和/或相干带宽信息；和

接收端，所述接收端包括：

多个接收天线，用于接收来自发送端的OFDM调制符号以及相关子载波数目和相关OFDM符号数目；

平滑滤波器，对来自所述发送端的多个天线的信道进行信道估计后，利用所述相干时间和/或相干带宽对每个信道估计进行平滑处理，得到对应多个信道的信道估计平均值；和

信号检测模块，利用对所述多个信道的信道估计平均值，对接收到的OFDM符号进行信号检测。

Images