CN101662341A - 一种多输入多输出信号检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MIMO信号检测方法和装置，应用在接收天线为两根的系统中。该方法包括：预先存储所述系统采用的调制方式对应的所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系；对信道矩阵进行排序的QR分解，根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点；根据第一层信号点采用的调制方式对应的所述欧氏距离大小关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最小的K个第一层星座点；对于查找出的每个第一层星座点，以该第一层星座点为基础搜索第二层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径，根据选出的K条搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。应用本发明能够在保证信号检测性能的同时，降低MIMO信号检测的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信系统中的信号处理技术领域，尤其涉及一种多输入多输出(MIMO)信号检测方法和装置。
背景技术
在目前的无线通信标准及其演进过程中，多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，MIMO)天线技术已经被广泛采用，例如3GPP长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统以及采用802.16系列技术演进版本的系统都采用了MIMO技术。采用MIMO技术的系统(下文简称MIMO系统)的接收信号(下文简称MIMO信号)在时域与频域均相互重叠，因此进行MIMO信号检测的复杂度较大。
理论上，可以通过最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测方法检测MIMO信号，但是由于ML检测方法需要遍历搜索MIMO信号对应的星座图上的所有星座点，因此其运算量较大，检测速度较慢。并且，由于星座点数与发射天线数和调制方式的自由度成指数级增长，因此，在发射天线数和高阶调制的情况下，由于ML检测方法的运算复杂度较大，其也无法在实际的MIMO系统中实现。
鉴于ML检测方法的运算复杂度，需要寻找性能接近ML检测方法，但是运算复杂度得以大大降低，从而提高信号检测速度的信号检测方法。目前常用的信号检测方法为球形译码方法。
球形译码方法实质上是将MIMO信号检测问题构建为在一棵源信号星座点树上搜索一条最佳路径的问题，并在搜索过程中不断地强化约束条件。球形译码的工作原理是：先在接收信号空间中预设一个以接收信号点为圆心的球，再把该球映射为发射信号空间中的一个椭球，并在该椭球内搜索可能的发射信号点，一旦找到一个发射信号点，即以该发射信号点的映射点与接收信号的距离为半径收缩预设的球，从而使之后的搜索得以在更小的范围内进行。
图1是目前接收天线为两根的系统中对MIMO信号球形译码方法的搜索路径示意图。
球星译码的搜索路径分为不同的层，具体在图1中，搜索路径共分为两层，其中第一层搜索路径用于搜索第一根天线发射的信号对应的星座点(下文简称第一层星座点)，第二层搜索路径用于搜索第二根天线发射的信号对应的星座点(下文简称第二层星座点)。
目前常用的球形译码方法包括深度优先的球形译码方法和宽度优先的球形译码方法。
深度优先的球形译码方法，对于每一条搜索路径，先将该搜索路径下的各层搜索路径搜索完毕后，再根据搜索结果判断是否继续搜索，如果是，则再次从第一层搜索路径开始逐层向下搜索，直至搜索到满足性能要求的星座点。深度优先的球形译码方法实际的搜索次数取决于信道条件，不同的信道条件下深度优先的球形译码方法的搜索次数不同，导致计算量不同，甚至有可能导致计算量达到或者超过ML信号检测算法的水平。
宽度优先的球形译码方法，先搜索同一层的搜索路径，然后再搜索下一层的搜索路径，对于每层的所有搜索路径，只搜索其中的一部分，对于其他的搜索路径则丢弃，其中各层的搜索路径个数预先通过仿真得到。宽度优先的球形译码方法能够控制搜索次数，从而控制计算量，但是由于其丢弃了部分搜索路径，因此会导致信号检测的性能下降。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种MIMO信号检测方法和系统，以在保证信号检测性能的同时，降低MIMO信号检测的复杂度。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案具体是这样实现的：
一种MIMO信号检测方法，应用在接收天线为两根的系统中，该方法包括：
预先存储所述系统采用的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系；
对信道矩阵进行排序的QR分解，根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点；
确定第一层信号点采用的调制方式，根据确定出的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最小的K个第一层星座点；
对于查找出的每个第一层星座点，以该第一层星座点为基础搜索第二层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径，根据选出的K条搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
一种MIMO信号检测装置，应用在接收天线为两根的系统中，该装置包括存储模块和检测模块；
所述存储模块，存储所述系统采用的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系；
所述检测模块，对信道矩阵进行排序的QR分解，根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点；确定第一层信号点采用的调制方式，根据确定出的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最小的K个第一层星座点；对于查找出的每个第一层星座点，以该第一层星座点为基础搜索第二层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径，根据选出的K条搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
由上述技术方案可见，本发明首先对信道矩阵进行排序的QR分解，然后根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点，根据第一层信号点在星座图上的位置选择出与该位置的欧式距离最近的K个第一层星座点，然后根据每个所述第一层星座点对应的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
其中，本发明首先对信道矩阵进行了排序的QR分解，并根据QR分解结果解调出第一层信号点后，选择出与该第一层信号点在星座图上的位置的欧氏距离最近的K个第一层星座点，与目前的最大似然检测方法相比，相当于从所有可能的第一层搜索路径中选择最优的K个第一层搜索路径，而将其他的第一层搜索路径舍弃；本发明然后对所述K个第一层星座点下的所有第二层星座点进行搜索，选择出每个所述第一层星座点下的所有搜索路径中欧氏距离最小的搜索路径，根据选出的搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定信号检测结果，与目前的最大似然检测方法相比，相当于对所述K个第一层搜索路径下的所有第二层搜索路径进行搜索，即对所述K个第一层搜索路径下的所有第二层星座点进行最大似然信号检测。总的来说，本发明相当于首先从所有第一层搜索路径中选择较优的第一层搜索路径，然后对选出的第一层搜索路径进行最大似然信号检测，这种局部的最大似然信号检测方法与目前的最大似然信号检测方法相比，由于舍弃了性能较差的第一层搜索路径及其所有第二层搜索路径，因此降低了进行信号检测的计算量，从而提高了进行MIMO信号检测的速度，并且由于在保留的较优第一层搜索路径下进行了局部的最大似然信号检测，因此能够保证信号检测性能。
并且，由于本发明预先存储系统采用的每种调制方式对应的所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离关系，相当于预先对搜索路径按照欧氏距离进行了排序，通过查找预先存储的欧氏距离关系选择性能较优的搜索路径，能够进一步加快信号检测速度。
附图说明
图1是目前接收天线为两根的系统中对MIMO信号球形译码方法的搜索路径示意图。
图2是本发明提供的MIMO信号检测方法流程图。
图3是采用图2所示方法进行MIMO信号检测的检索树示意图。
图4是本发明提供的对QPSK调制方式下的所有星座点进行排序的示意图。
图5是本发明提供的MIMO信号检测装置结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
图2是本发明提供的MIMO信号检测方法流程图。
图3是采用图2所示方法进行MIMO信号检测的检索树示意图。
图2所示的方法适用于接收天线为两根的系统，如图2所示，该方法包括：
步骤201，预先存储所述系统采用的每种调制方式对应的所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离关系。
本步骤中，对于每种调制方式，根据该调制方式对应的所有星座点在星座图上的位置，将星座图划分成不同的区域，按照所有星座点与每个区域的欧氏距离对所有星座点进行排序，得到各个区域分别对应的星座点排序列表，存储所述星座点排序列表。其中的星座点排序列表能够表示该种调制方式对应的所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离关系。
下面以四相相移键控调制(QPSK)为例，说明所述星座点排序列表的获得方法，具体请参见图3。
图4是本发明提供的对QPSK调制方式下的所有星座点进行排序的示意图。
如图4所示，QPSK调制方式下的星座点1～星座点4分别分布在星座图上的第一至第四象限，从星座图中划分出区域A～区域D，区域A～区域D是分别包含星座点1～星座点4的矩形。由图3可见，星座点1～4按照与区域A中的点的欧氏距离由小到大依次排序为A、B、C、D，以此类推，可以得到各个区域分布对应的星座点排序列表，具体请参见表一。
| A | 1 | 2 | 3 | 4 |
| B | 2 | 3 | 4 | 1 |
| C | 3 | 4 | 1 | 2 |
| D | 4 | 1 | 2 | 3 |
表一
在表一中，与各个区域的欧氏距离最小的星座点的选取方法是准确的，其余的星座点顺序存在一定的误差，但是能够反映各个星座点与相应区域的欧氏距离的整体趋势。
步骤202，对信道矩阵进行排序的QR分解，根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点。
本步骤中，对信道矩阵进行排序的QR分解可以采用现有的排序的QR分解方法实现。根据排序的QR分解得到的R矩阵的右下角元素，采用迫零算法解调出第一层信号点S’，请参见图3。
其中，现有的排序的QR分解具体包括：对信道矩阵进行各种可能的QR分解，对分解出的R矩阵的对角线元素进行归一化，比较各种QR分解结果，选择出归一化后的各个R矩阵中右下角元素值最大的R矩阵，该R矩阵即为排序的QR分解结果。
步骤203，根据第一层信号点采用的调制方式对应的所述欧氏距离关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最近的K个第一层星座点。
当采用表一所示星座点排序列表形式存储所述欧氏距离关系时，本步骤中，首先确定出第一层信号点S’在星座图上的位置所在的区域，然后从该区域对应的星座点排序列表中查找出与该区域欧式距离最近的K个第一层星座点。其中的K是自然数，具体根据信号检测的性能要求确定，对信号检测的性能要求越高，K的取值越大。
比如，参见图4，信号点S’落入区域A，K的取值是3，则查找出的第一层星座点为星座点1、2和3。
步骤204，选择每个所述第一层星座点对应的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径。
本步骤选择欧氏距离最小的搜索路径的方法有两种：
方法一，根据所述QR分解结果，从接收信号解调出所述K个第一层星座点中的每个星座点Si对应的第二层信号点，根据所述第二层信号点采用的调制方式对应的所述欧氏距离关系，查找出与所述第二层信号点在星座图上的位置的欧氏距离最近的第二层星座点Sij，将Sij所在的搜索路径选定为第一层星座点Si所在的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径，其中的i和j是自然数。
方法二，计算K个所述第一层星座点中的每个星座点所在的所有搜索路径的欧氏距离，对于每个第一层星座点，根据计算结果从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧式距离最小的搜索路径。
仍以图3为例，星座点1～3各自分别对应了多条第二层搜索路径，本步骤需要从星座点1～3各自对应的多条第二层搜索路径中分别选择欧式距离最小的第二层搜索路径，一共选择出三条最小的第二层搜索路径。
当采用方法一选择欧式距离最小的第二层搜索路径时，首先根据排序的QR分解得到的R矩阵和接收信号，采用迫零算法解调出第一层星座点1～3分别对应的第二层信号点S’(1)、S’(2)和S’(3)，根据所述第二层信号点采用的调制方式对应的欧氏距离关系，查找出分别与S’(1)、S’(2)和S’(3)在星座图上的位置的欧氏距离最近的第二层星座点S11、S21和S31，则由S1和S11构成的搜索路径、由S2和S21构成的搜索路径以及由S3和S31构成的搜索路径即为选出的欧氏距离最小的第二层搜索路径。
当采用方法二选择欧氏距离最小的第二层搜索路径时，根据排序的QR分解得到的R矩阵和接收信号，直接计算各个第二层星座点与第一层星座点1所在的整条搜索路径的欧式距离，比较各条搜索路径的欧氏距离，选择出星座点1对应的欧氏距离最小的第二层搜索路径，以此类推，再分别选择出星座点2和3对应的欧氏距离最小的第二层搜索路径。
步骤205，根据选出的所有搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
本步骤中，可以采用现有的硬判决方式确定信号检测结果，即比较步骤204中选择出的所有搜索路径的欧氏距离，从中进一步选择出欧氏距离最小的搜索路径，将该路径上的第一层星座点和第二层星座点确定为信号检测结果。
本步骤还可以采用现有的软判决方式确定信号检测结果，即根据步骤204中选择出的所有搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点，以及第一层信号点和第二层信号点的调制方式，确定软比特输出，将该软比特输出确定为信号检测结果。
其中，第一层信号点的调制方式和第二层信号点的调制方式可以相同，也可以不同，当调制方式相同时，在检索第一层星座点和检索第二层星座点时，可以通过查找同一个星座点排序列表得到需要检索的第一层星座点和第二层星座点，这样可以节省存储星座点排序列表的空间。
通过本发明，可以在保持信号检测性能的同时，很好地控制算法的复杂度，便于在大规模集成电路(VLSI)上实现。
本发明还提供了进行MIMO信号检测的装置实施例。
图5是本发明提供的MIMO信号检测装置结构图，该装置应用在接收天线为两根的系统中，如图5所示，该装置包括存储模块501和检测模块502。
存储模块501，存储所述系统采用的每种调制方式对应的所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离关系。
检测模块502，对信道矩阵进行排序的QR分解，根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点；根据第一层信号点采用的调制方式对应的所述欧氏距离关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最近的K个第一层星座点；选择每个所述第一层星座点对应的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径，根据选出的所有搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
存储模块501中存储的欧式距离关系为从星座图上划分出的各个区域对应的星座点排序列表。
其中，对于每种调制方式，根据该调制方式对应的所有星座点在星座图上的位置，将星座图划分成不同的区域，按照所有星座点与每个区域的欧氏距离对所有星座点进行排序，得到各个区域分别对应的星座点排序列表。
检测模块502可以包括第一层信号点解调模块、第一层星座点查找模块、第二层信号点解调模块、第二层星座点查找模块、搜索路径选择模块和检测结果确定模块。
所述第一层信号点解调模块，对信道矩阵进行排序的QR分解，并根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点。
所述第一层星座点查找模块，根据存储模块中的所述欧氏距离关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最近的K个第一层星座点。
所述第二层信号点解调模块，根据所述QR分解结果，从接收信号解调出所述K个第一层星座点中的每个星座点Ki对应的第二层信号点。
所述第二层星座点查找模块，根据第二层信号点采用的调制方式对应的存储在存储模块中的欧氏距离关系，查找出与所述第二层信号点在星座图上的位置的欧氏距离最近的第二层星座点Kij。
所述搜索路径选择模块，选择每个所述第一层星座点对应的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径。
所述检测结果确定模块，根据所述搜索路径选择模块选出的所有搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
所述搜索路径选择模块，可以根据所述QR分解结果，从接收信号解调出所述K个第一层星座点中的每个星座点Si对应的第二层信号点，根据所述第二层信号点采用的调制方式对应的在存储模块中的欧氏距离关系，查找出与所述第二层信号点在星座图上的位置的欧氏距离最近的第二层星座点Sij，将Sij所在的搜索路径选定为第一层星座点Si所在的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径。
所述搜索路径选择模块，还可以计算K个所述第一层星座点中的每个星座点所在的所有搜索路径的欧氏距离，对于每个第一层星座点，根据计算结果从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧式距离最小的搜索路径。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1、一种多输入多输出MIMO信号检测方法，应用在接收天线为两根的系统中，其特征在于，该方法包括：
预先存储所述系统采用的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系；
对信道矩阵进行排序的QR分解，根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点；
确定第一层信号点采用的调制方式，根据确定出的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最小的K个第一层星座点；
对于查找出的每个第一层星座点，以该第一层星座点为基础搜索第二层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径，根据选出的K条搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预先存储所述系统采用的调制方式对应的所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系包括：
对于每种调制方式，根据该调制方式对应的所有星座点在星座图上的位置，将星座图划分成不同的区域，按照所有星座点与每个区域的欧氏距离对所有星座点进行排序，得到各个区域分别对应的星座点排序列表，存储所述星座点排序列表；
所述根据第一层信号点采用的调制方式对应的所述欧氏距离关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最近的K个第一层星座点包括：
确定所述第一层信号点在星座图上的位置所在的区域，从该区域对应的星座点排序列表中查找出与该区域欧式距离最近的K个第一层星座点。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以该第一层星座点为基础搜索第二层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径包括：
根据排序的QR分解结果，从接收信号解调出所述K个第一层星座点中的每个星座点Si对应的第二层信号点，
根据所述第二层信号点采用的调制方式对应的所述欧氏距离关系，查找出与所述第二层信号点在星座图上的位置的欧氏距离最近的第二层星座点Sij；
将Sij所在的搜索路径选定为第一层星座点Si所在的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径，其中的i和j是自然数。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以该第一层星座点为基础搜索第二层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径包括：
计算所述K个第一层星座点中的每个第一层星座点与各个第二层星座点所在的整条搜索路径的欧氏距离，根据计算结果从所述K个第一层星座点的每个第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧式距离最小的搜索路径。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定出信号检测结果包括：
采用硬判决方式或者软判决方式确定出信号检测结果。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一层信号点采用的调制方式与第二层信号点采用的调制方式相同。
7、一种MIMO信号检测装置，应用在接收天线为两根的系统中，其特征在于，该装置包括存储模块和检测模块；
所述存储模块，存储所述系统采用的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系；
所述检测模块，对信道矩阵进行排序的QR分解，根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点；确定第一层信号点采用的调制方式，根据确定出的调制方式对应的该调制方式下所有星座点分别与星座图上的位置的欧氏距离大小关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最小的K个第一层星座点；对于查找出的每个第一层星座点，以该第一层星座点为基础搜索第二层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径，根据选出的K条搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述存储模块中存储的欧式距离关系为从星座图上划分出的各个区域对应的星座点排序列表；
其中，对于每种调制方式，根据该调制方式对应的所有星座点在星座图上的位置，将星座图划分成不同的区域，按照所有星座点与每个区域的欧氏距离对所有星座点进行排序，得到各个区域分别对应的星座点排序列表。
9、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述检测模块包括第一层信号点解调模块、第一层星座点查找模块、第二层信号点解调模块、第二层星座点查找模块、搜索路径选择模块和检测结果确定模块；
所述第一层信号点解调模块，对信道矩阵进行排序的QR分解，并根据R矩阵右下角元素从接收信号解调出第一层信号点；
所述第一层星座点查找模块，根据存储模块中的所述欧氏距离大小关系，查找出与所述第一层信号点在星座图上的位置的欧式距离最近的K个第一层星座点；
所述第二层信号点解调模块，根据所述QR分解结果，从接收信号解调出所述K个第一层星座点中的每个星座点Si对应的第二层信号点；
所述第二层星座点查找模块，根据第二层信号点采用的调制方式对应的存储在存储模块中的欧氏距离大小关系，查找出与所述第二层信号点在星座图上的位置的欧氏距离最近的第二层星座点Sij，其中的i和j是自然数；
所述搜索路径选择模块，对于所述K个第一层星座点中的每个第一层星座点，从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧氏距离最小的搜索路径；
所述检测结果确定模块，根据所述搜索路径选择模块选出的K条搜索路径上的第一层星座点和第二层星座点确定出信号检测结果。
10、如权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述搜索路径选择模块，根据所述QR分解结果，从接收信号解调出所述K个第一层星座点中的每个星座点Si对应的第二层信号点，根据所述第二层信号点采用的调制方式对应的在存储模块中的欧氏距离大小关系，查找出与所述第二层信号点在星座图上的位置的欧氏距离最近的第二层星座点Sij，将Sij所在的搜索路径选定为第一层星座点Si所在的所有搜索路径中欧式距离最小的搜索路径。
11、如权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述搜索路径选择模块，计算K个所述第一层星座点中的每个星座点所在的所有搜索路径的欧氏距离，对于每个第一层星座点，根据计算结果从该第一层星座点所在的所有搜索路径中选择欧式距离最小的搜索路径。
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