CN101729216A - 多天线空间复用最优探测 - Google Patents

Abstract

本发明的多天线空间复用最优探测能降低找出软比特输出的计算复杂度。探测过程包括QR分解；将距离计算分拆成两组；使用一个最后交叉星座集(LCCS)查找进行子集查找；最小距离查找和软比特输出计算。通过将距离计算分成第一组和第二组，第一组有一个使用普通方形星座图调制方式进行发射的天线，第二组包括所有其它天线星座图，这样可以使用LCCS查找过程，大大降低探测过程里的计算量。此外，在2x2天线的特别例子里，通过应用一个缩放Givens旋转到信道矩阵，进行QR分解。应用缩放Givens旋转算子可以消除标准QR分解里进行的任何平方根运算。

Description

多天线空间复用最优探测

技术领域

本发明通常涉及无线通信，特别涉及多输入多输出(MIMO)系统里软比特(soft bit)输出的多天线空间复用最优探测(MASMOD)。

发明背景

随着无线通信的发展，对增加带宽和增加功能的需求也日益强烈。随着每一代无线系统，其速度、带宽和可靠性都会有增强。其中一种受欢迎的能够提高无线系统整体性能的技术就是使用多天线。多输入多输出(MIMO)系统提供多个天线给每个发射机和接收机。例如，接收机有两个或多个接收天线，而发射机有两个或多个发射天线。这种MIMO系统应用在各种数字通信模块方案中，如正交频分多址(OFDMA)、码分多址(CDMA)等。此外，这种系统为新一代无线局域网如Wi-Fi技术、和宽带无线接入系统如全球微波互联接入(WiMAX)技术、以及由第三代合作伙伴计划(3GPP)定义的长期演进技术(LTE)提供了基础。

一个用于MIMO系统的最普遍和最有希望的传输机制是空间复用(spatial multiplexing)。空间复用是一种传输技术，其能够独立和单独地从每个发射天线发射编码数据信号，称为“信号流”。所以，传输信道空间被重复使用或多路复用。空间复用的最大阶数受限于发射或接收天线的最小数目。因此，当有三个接收天线和四个发射天线连接时，空间复用的阶数为3，反过来，当有四个接收天线和三个发射天线连接时，空间复用的阶数也是3。这种复用阶数(multiplexing order)是指信号流可以并行传输的倍数等于复用阶数，从而极大地提高频谱效率(即每秒可以在无线信道上传输的比特数，赫兹(Hz))。

图1是使用空间复用的典型MIMO无线系统10的模块示意图。发射机100包括处理模块101，其将输入I_n处理成比特b₁，b₂，...b_n，以便传输到接收机102。正交调制器mod₁，mod₂，...mod_n将比特b₁，b₂，...b_n调制成调制符号x₁，x₂，...x_n，通过天线a_t1，a_t2，...a_tn组成的发射天线阵发射出去。正交调制器mod₁，mod₂，...mod_n进行符号调制，使每个星座点的同相/正交(I/Q)部分与两个相位差为90度的载波信号进行调制。正交调制方案的例子有正交幅度调制(QAM)、正交相移键控(QPSK)、正交幅移键控(QASK)等。

由于调制符号x₁是通过天线a_t1进行发射，接收天线阵的每个天线a_r1，a_r2，...a_rn通过天线之间的特别信道接收到接收信号y₁。特别信道被表示为信道矩阵h₁₁，h₁₂，...h_1n，其中信道矩阵h_ij是指发射机天线a_tj和接收机天线a_ri之间的信道响应。接收信号y₁，y₂，...y_n由数学关系式表达如下： $\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ ...\\ y_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ...& h_{1n}\\ h_{21}& h_{22}& ...& h_{2n}\\ ...& ...& ...& ...\\ h_{n1}& h_{n2}& ...& h_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ ...\\ x_n\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\\ ...\\ n_n\end{array}\right)---\left(1\right)$ 其中n₁，n₂，...n_n是由接收机天线阵的天线a_r1，a_r2，...a_rn附加的加性高斯白噪声(AWGN)值。

在接收机102，在一些类型的接收机，从接收信号y₁，y₂，...y_n中取回发射比特b₁，b₂，...b_n的第一步就是通过MIMO探测单元103获得软比特输出。MIMO探测产生软比特输出，即该比特的对数似然比(LLR)。因此，MIMO探测单元103产生软比特输出LLR(b₁)，LLR(b₂)，...LLR(b_n)。LLR软比特输出的产生能够提供最优探测结果用于接收机102的下一个解码阶段。解码器104进行解码，并在软比特输出上执行前向纠错(FEC)以取回比特b₁，b₂，...b_n，其后，循环冗余校验(CRC)105执行误差校验，然后，在处理阶段106上产生输出O。但是，这是在MIMO探测单元103上的MIMO探测过程，其通常会给任何MIMO系统带来极大的复杂度。

目前，有一些方法被用来在空间复用MIMO系统里执行MIMO探测。在MIMO系统里解码或探测符号的接收机可以被看作是最优的或次优的。一个最优接收机能够保证探测到两个距离变量用来计算软比特输出，即比特的LLR。任何给定比特b_i的软比特输出由以下等式确定： $\mathrm{LLR}\left(b_i\right)=\underset{x}{\max }\left(\log \left(\mathrm{Prob}\left(y\right|x,b_i=0)\right)\right)-\underset{x}{\max }\left(\log \left(\mathrm{Prob}\left(y\right|x,b_i=1)\right)\right)---\left(2\right)$ 其中x是一个尺寸等于发射天线数目的矢量，y是一个尺寸等于接收天线数目的矢量。如等式(2)所示，两个项，每一项找出一个具有固定值b_i的x的所有可能组合的最大值，被用来准确地计算软比特输出。其中一项是计算当b_i＝0时，而另一项是计算当b_i＝1时。两个最大值项通常是使用y和Hx之间的两个最小距离值来计算的，其中y是接收信号，H是信道矩阵，而x是发射信号，其由一个星座点表示。而次优接收机，至多保证仅能够探测或确定两个所需距离变量中的一个距离变量。这些次优技术通常根据确定的第一距离来估计和计算第二距离。一个最优接收机通常检查发射时使用的调制方案的每个星座集合里的所有可能的符号组合。通过检查所有这些可能的组合，能够保证得到两个最小距离变量，并使用这两个变量，可以导出最优软比特输出。但是，如上所述，检查如此大量的可能组合，特别是在高阶数的调制率里，这增加了接收机的计算复杂度。一个最优接收机的例子是接收机使用最大对数似然比(MLLR)方法执行MIMO探测。MLLR检查所有可能的接收符号组合，正如所料，最优解决方案的代价是高计算复杂度。

许多现有的探测技术考虑到实际应用都是次优的，因为它们并不能保证探测到两个所需的距离变量，从而不能每次产生一个最优方案。在这许多现有的探测技术之间的差异仅仅是如何进行次优探测过程。如果平均起来可靠性水平能够提供足够准确的结果来满足无线通信质量标准，那么这些次优接收机可以用于各种无线网络。例如，通过检查一个可变数量的符号组合(其仅保证两个所需距离变量中的一个距离变量)，一个使用列举球面解码器(LSD)方法的接收机产生一个次优结果。而第二所需变量，只能根据一个概率来选择，这意味着并不能保证找到，只有一定概率能找到，或可以基于确定的第一距离使用一个或多个估计算法进行估计。在任何一个方法里，都不能保证第二距离变量。结果减少所需检查的组合将极大地简化计算要求，但这是以探测质量为代价。但是，如上所述，LSD技术检查一个可变数量的符号组合。在同样的探测质量要求下，SNR越差(越低)，LSD需要检查的组合越多。最差的状况，LSD要检查所有的x组合，如在MLLR过程里一样。检查的组合数目同样受特别的QR分解和树解析/裁剪算法(tree parsing/pruning algorithms)如何适合时变信道特征影响。

在LSD探测方法里的计算复杂度的另一个方面是使用树结构来表示星座信号。LSD在树结构里表示星座点以充分利用已知树搜索算法来计算距离度量。但是，仅用来解析这些树结构的过程就势给接收机增添了大量额外的复杂度。

处于最优MLLR和次优LSD之间的是Sequans Communications的美国专利申请2007/0268813(’813申请)里描述的次优MIMO探测过程，在此通过引用结合到本发明。在’813申请里描述的过程是次优的，因为其不检查所有可能的组合。它没有MLLR的所有计算复杂度，但它能够根据MLLR产生一个最优结果。但是，为了减少计算复杂度，’813申请的所述过程无可否认地牺牲了一些最优性。

发明概述

本发明的实施例涉及探测MIMO通信的方法。本方法包括：对应在接收机上接收到的一个MIMO信号，从发射该接收MIMO信号的多个天线中选择一个天线作为第一组，其中选择的天线使用一个普通方形形状的第一星座图表示的调制方式进行发射。本方法也包括：指定第二组包括一个或多个表示剩余天线的其他星座图，并在接收MIMO信号和相应发射符号之间估计一组距离。该估计包括：对第二组里的每个星座点计算第二组里的每个星座点和接收MIMO信号之间的第一部分距离，并计算第二组里的每个星座点和第一组里一组选择星座点的每个点之间的第二部分距离。该组选择的星座点包括一个最小距离星座点和m个额外星座点，这m个额外星座点交叉排列围住星座图里的最小距离点，其中m是调制方式的调制阶数。该方法也包括：基于第一和第二部分距离里的相应距离的总和来计算距离集合，并基于距离集合查找出两个最小距离。

其他代表性的实施例涉及无线接收机，其包括一个主处理器、连接到主处理器的存储器、连接到主处理器的接收机电路、有多个天线的天线阵，该天线阵连接到接收机电路，还有一个在接收机电路里的一个MIMO探测器。MIMO探测器被设置以形成第一组，其包括普通方形形状的第一星座图。该第一星座组表示多个天线中的一个天线的调制方式。MIMO探测器也被设置以形成第二组，其包括表示剩余天线调制方式的一个或多个其他星座图。对第二组里的每个星座点，MIMO探测器还被设置成：基于第二组里的每个星座点计算第一部分欧式距离(PED₂)，在第一组里选择一个最小距离点，从存储在存储器里的一个查找表格找出m个额外点，其中m是第一组天线的调制阶数，计算在第二组里的每个星座点和每个最小距离点以及m个额外点之间的第二部分欧式距离(PED₁)，并将PED₂和PED₁汇总成一个距离。这m个额外点是根据最小距离点进行索引的，并交叉围住最小距离点。接着，MIMO探测器被设置以基于该距离确定软比特输出。

本发明的另一个代表性实施例涉及在一个2x2空间复用MIMO无线网络里探测MIMO信号的方法。本方法包括：在接收机上接收一个MIMO信号，利用一个缩放Givens算子分解一个信道矩阵，插入多个0到该信道矩阵内，将两个发射天线分拆成两组，其中第一组包括一个普通方形形状的星座图，其表示两个天线中的第一发射天线，而第二组包括另一个星座图，其表示其它的发射天线。本发明还包括：将接收MIMO信号和分解的信道矩阵混合，在分解的接收MIMO信号和第一和第二组的多个星座点之间估计一组距离，并基于第一和第二部分距离中的相应距离的总和计算距离集合。该估计包括：对第二组里的每个星座点，计算在第二阻力的每个星座点和分解的接收MIMO信号之间的第一部分距离，并计算在第二组里的每个星座点和第一组里的一组选择的星座点中的每个星座点之间的第二部分距离。该组选择的星座点包括一个最小距离点和m个额外星座点，其中m是第一发射天线使用的调制方式的调制阶数。

前述已经相当广泛地阐述了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解以下的发明详述。本发明的额外特征和优势将在其后描述，其构成权利要求的一部分。本领域技术人员应该理解，披露的概念和具体实施例可以被容易利用作为一个基础，用来修改或涉及其它结构以执行本发明相同目的。本领域技术人员还应该认识到，这种等同的构造没有脱离在附加权利要求里所阐述的本发明精神和范围。在此被看作技术特性的新颖性特征，与其组织和运行方法一样，连同其它目的和优势将通过以下结合附图的描述被更好地理解。但是，应该深刻地认识到，提供的每个特征仅是用作描述用途，并不是意在作为限制本发明的定义。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现结合附图参照以下的描述，其中：

图1是一个使用空间复用的典型MIMO无线系统的模块示意图；

图2是本发明一个实施例的一个空间复用MIMO无线系统的模块示意图；

图3是本发明一个实施例的一个增强MIMO探测器详细的模块示意图；

图4A是本发明一个实施例的MIMO探测期间在一个LCCS过程里使用的16-QAM星座图；

图4B是实施与图4A所述星座图有关的MIMO探测过程的示范步骤流程图；

图5是本发明一个实施例的一个增强MIMO探测器详细的模块示意图；

图6是本发明一个实施例的一个移动设备的模块示意图；

图7是本发明一个实施例的一个基站的模块示意图；

图8是本发明一个实施例的一个MIMO OFDMA无线网络的模块示意图；和

图9是本发明一个实施例的一个2x2MIMO系统运行的示范步骤流程图。

发明详述

图2是依照本发明一个实施例的空间复用MIMO无线系统20的模块示意图。发射机200和接收机201各被设置有一个天线阵，每个天线阵由两个天线组成，发射机200有两个天线a_t1和a_t2，接收机201有两个天线a_r1和a_r2。发射机200的天线阵和发射性能，分开为两个独立装置，发射机200-1和发射机200-2，其中天线a_t1位于发射机200-1上，而天线a_t2位于发射机200-2上。这个2x2天线阵构造提供了一个特别例子MIMO设置，运行所述MASMOD实施例，即一个双天线空间复用最优探测(DASMOD)系统。2x2构造的发射机200和接收机201的的运行类似于图1发射机100和接收机102的运行方式，除了天线数目不同之外。数据比特b₁和b₂，在调制器mod₁和mod₂上被调制，产生调制符号x₁和x₂。mod₁和mod₂中的至少一个被设置以使用正交调制方式，其有一个通常看上去是正方形的星座示意图。这个正方形星座调制方式的例子是QAM，一些低阶QPSK方式等。然后，调制符号x₁和x₂通过天线a_t1和a_t2在频道上传输。接收机201接收到传输信号，作为接收信号y₁和y₂。增强MIMO探测器202将接收信号y₁和y₂处理成软比特输出LLR(b₁)和LLR(b₂)，以便最终能够将传输符号解码。增强MIMO探测器202采用的MIMO探测方法检查一个固定数目的可能组合，并产生一个和MLLR方法所获结果不分上下的最优结果，但没有检查所有可能组合或解析大树结构的计算复杂度。

图3是依照本发明一个实施例的增强MIMO探测器202的详细模块示意图。增强MIMO探测器202，其在接收机201(图2)的处理器30的控制下运行，首先处理接收信号y_i，进行信道矩阵H的QR分解。信道矩阵是一个模拟信道(调制符号在其上传输)的表达式。它代表发射机天线阵和接收机天线阵之间的信道增益。信道矩阵的QR分解通常产生一个单位正交矩阵Q(unitary orthogonal matrix)，和一个上三角矩阵R，使得信道矩阵可以依照以下等式设定：H＝Q*R             (3)

在许多现有的次优MIMO探测技术里，QR分解变得非常复杂，因为在高带宽的移动系统里，如WiMAX，信道矩阵H的变化率几乎与接收信号y₁的变化率相同。另外，这种等式的分解通常涉及平方根算子，其比较复杂且耗时处理。LSD方法和在’813申请里描述方法的某些实施例处理这些平方根运算，在其MIMO探测过程里对H矩阵进行QR分解，因此，需要较高的计算复杂度。

在增强MIMO探测器202的所述过程里，不执行典型的QR分解，增强MIMO探测器202在信道矩阵H上执行一个缩放吉文斯旋转(Givens rotation)，产生上三角形矩阵R。Givens旋转通常用于数值线性代数里以产生零向量或矩阵。但是，标准的Givens旋转也要处理平方根和除法算子。相反，一个缩放Givens旋转将向量或矩阵里的元素置零，但不需要平方根和除法算子。所以，运用缩放Givens旋转算子(SG)到信道矩阵H将产生上三角形矩阵SR，但没有标准Givens旋转或标准QR分解过程的计算复杂度。而且，SG乘以H会产生一个上三角形矩阵SR，在SR里只有一个元素(SR₁₁)是实数，如等式(9)和(10)所述。这可以根据以下公式显示，由接收信号y_i的基本等式开始： $\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right)---\left(4\right)$ 考虑到： $\mathrm{SG}=\left(\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{h_{11}}& \stackrel{\‾}{h_{21}}\\ -h_{21}& h_{11}\end{array}\right)---\left(5\right)$ 在两边乘以缩放Givens旋转算子SG，得到： $\mathrm{SG}\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right)=\mathrm{SG}\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right)+\mathrm{SG}\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right)---\left(6\right)$ 考虑到：Y_i＝SG*y_i；和         (7)SR＝SG*H              (8)让 $\left(\begin{array}{c}{\mathrm{SR}}_{12}\\ {\mathrm{SR}}_{22}\end{array}\right)=\mathrm{SG}\left(\begin{array}{c}{h}_{12}\\ h_{22}\end{array}\right)---\left(9\right)$ 和SR₁₁＝|h₁₁|²+|h₂₁|²                (10)使用等式(7)、(9)和(10)里建立的关系重写等式(6)，得到： $\left(\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{SR}}_{11}& {\mathrm{SR}}_{12}\\ 0& {\mathrm{SR}}_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right)+\mathrm{SG}\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right)---\left(11\right)$ 如上所述，SR₁₁是一个实数，其使结果缩放变得更加简单，如等式(17)所示。

对任何信息比特b_i，需要确定所有接收机天线(y₁，y₂，...y_n)的接收信号和所有发射机天线(x₁，x₂，...x_n)的发射调制符号之间的距离。这个“确定”通常是使用一些距离度量，如欧氏距离(ED)、曼哈顿距离(MD)、车贝雪夫距离(CD)、MD-CD等。距离度量的计算通常是找出或估计接收信号y_i和发射调制符号x_i之间的距离或误差量或噪声量，对特别的调制方式，其本身是使用星座点s_i进行估计。在确定ED之后，ED²被用于找到正确点的概率计算，使得找到一个最小ED等同于最大可能地找到X。

应该注意到，ED可能是用于MIMO探测计算的最常见的距离度量。但是，虽然ED确定通常导致较准确的结果，但应该注意到，在此所述的本发明实施例不受限于仅使用ED。另外和/或其它实施例可以通过MD、CD、MD-CD度量/计算等，来确定距离。

不同于MLLR探测方法，MLLR对所有符号组合直接计算ED，以极大的计算复杂度为代价，增强MIMO探测器202采用的方法将距离计算分成独立两组天线，对其中一个部分组，使用一个最后交叉星座集(LCCS，last cross constellation set)查找，进行部分ED计算(partial EDcalculation)。分开ED子集查找使得该方法更容易适应于(be scaled to)较多数量的天线。而且，通过将天线组分成第一组的有方形形状的调制星座的发射天线和第二组的其余天线，可以从之前单输入单输出(SISO)系统里的可行技术，导出一些有用的计算。

为了直接解出MLLR探测方法里的ED，对每个期望的星座点组合，解出以下等式： $\mathrm{ED}={\left|\right|\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right)-\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right)\left|\right|}^2={\left|\right|\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right)\left|\right|}^2---\left(12\right)$ 在一个2x216-QAM的通信链接里，每个星座有16个星座点，其需要求解上述等式256次(即16x16)。在一个具有64个星座点的64-QAM 2x2链接里，通过MLLR方法，等式(12)将被求解4096次(即64x64)。但是，当ED计算被分拆到两个天线组里时，其中至少一个天线产生一个通常是正方形的调制星座集合，如在QAM调制里，使用一种SISO子集查找技术，在计算部分ED时可以节省计算。

运行时，选择一个天线作为第一组C_-last。通常，最好是选择具有最高调制阶数的天线。具有最高调制阶数的天线a_-last，通常有最多的星座点，因此，在MIMO探测方法诸如MLLR里，就要考虑最大数目的点组合。a_-last也将使用一个有方形星座集的调制方式，如QAM的星座集。所有其它天线，无论它们是否以QAM、QPSK等传输，都被放在组C_-rest里。在一个2x2结构里，C_-rest仅由一个天线组成，但对其他的有超过两个天线的结构，C_-rest将包括除了a_-last的所有天线。

返回到图3，SGR QR分解模块300将缩放Givens旋转算子SG乘以信道矩阵H而产生一个上三角形矩阵SR。它也产生正交矩阵Q^-1，即正交矩阵Q的逆，通常在QR分解期间产生。考虑在等式(3)和(8)中定义的H、Q、SR和SG之间的关系，Q^-1实际上等于SG，即缩放Givens旋转算子。所以，接收信号y_i在乘法器301上与SG混合，即来自SGR QR分解模块300的正交矩阵Q^-1。这个乘法是遵循等式(7)的关系以产生Y_i。基于这些关系，接收信号现在由等式(11)表示，如下： $\left(\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{SR}}_{11}& {\mathrm{SR}}_{12}\\ 0& {\mathrm{SR}}_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right)+\mathrm{SG}\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right)---\left(11\right)$ 为了开始确定部分ED，等式(11)的第二行重写为：Y₂-SR₂₂x₂＝SG₂₁*n₁+SG₂₂*n₂          (13)将等式(13)两边取绝对平方值，并让结果右侧作为第一部分ED(PED₂)，PED₂将依照以下等式被计算出来：PED₂＝|Y₂-SR₂₂x₂|²                 (14)如等式(14)所示，PED₂仅依赖于x₂。

继续计算第二部分ED(PED₁)，类似地，等式(11)的第一行重写为：Y₁-SR₁₁x₁-SR₁₂x₂＝SG₁₁*n₁+SG₁₂*n₂              (15)再次对等式(15)两边取绝对平方值，并让等式右侧作为PED₁，PED₁依照以下等式被计算出来：PED₁＝|(Y₁-SR₁₂x₂)-SR₁₁x₁|²                 (16)其中x₂是C_-rest的星座图内的星座点。如等式(16)所示，PED₁依赖于x₁和x₂，但是，为了找出有关x₂＝s₂时的所有PED₁，PED₁就只依赖于x₁。然后，合并距离ED就等于PED₂和PED₁之和除以SR₁₁：ED＝(PED₁+PED₂)/SR₁₁            (17)PED₁和PED₂之和除以SR₁₁，是因为在SGR QR分解300上产生的Q^-1矩阵是正交矩阵，而不是单位矩阵。但是，实际上，当以下接收机阶段如FEC阶段是线性的，并且SR₁₁是不变的，如果SR₁₁几乎是恒定的，那么可以不需要除以SR₁₁。

当计算ED的最优结果时，在C_-rest星座里的每个星座点组合将被用于计算部分距离PED₂，与C_-last里点无关，如公式(14)所示。但是，在计算PED₁时，就没必要计算C_-last的所有星座点，因为其通常是方形的几何形状。因为这种方形几何图形，只要对一个条件最小距离中心点周围的限定的星座点进行计算，就能保证LCCS方法找到必然满足等式(2)的两个最小距离计算。有了两个保证的最小ED度量，就可以导出一个最优最大LLR(M-LLR)结果。

请注意，一个类似的方法，交叉星座集(CCS)查找，之前已经用于SISO系统。但是，由于MIMO系统里有多个天线，直到披露了本发明其才能实际应用到MIMO系统里。因为分拆ED计算允许C_-last组仅考虑一个天线的星座对应C_-rest组的每个星座点，SISO技术可以适用到一个MIMO应用里。

图4A是依照本发明一个实施例的用于16-QAM x 16-QAMMIMO探测过程里的16-QAM星座图400和402。图4B是描述实施有关图4A里星座图400和401的MIMO探测过程的示例步骤流程图。在步骤409，接收机分配有方形星座图的发射天线a_t1到第一组C_-last。在步骤410，其余的发射天线a_t2被接收机分配到第二组C_-rest。星座图400表示at2的星座，而星座图401表示a_t1的星座。在步骤411，从星座图400选择出星座点s₂。在步骤412，依照等式(14)计算PED₂(s₂)。在步骤413，依照以下等式计算一个条件最小距离点tmpY₁：tmpY₁＝(Y₁-SR₁₂x₂)               (18)在步骤414，在星座图401里选择一个接近tmpY₁的点P_m404。一旦选择了P_m404，接着在步骤415，通过查找一个查找表格里的子集，确定星座图401里的相关点的子集P_nm(b_1i)。由于星座图401里有有限数目的星座点，并且由于星座图401是一个普通方形形状，可以提前产生一个相关点的查找表格，这可以提高进行MIMO探测过程的速度和效率。

在步骤416，从点子集和P_m 404选择一个点。在步骤417，依照以下等式计算PED₁(x₁|x₂)：PED₁(x₁|x₂)＝|tmpY₁-SR₁₁x₁|²  (19)对任何固定的x₂，如以上有关等式(16)所示，PED₁计算仅取决于x₁。所以，对一个固定的x₂，相应的PED₁计算可以使用同一tmpY₁，这有助于简化PED₁计算。此外，如上所示，数值SR₁₁是一个实数，这也有助于简化PED₁计算。在计算PED₁之后，在步骤418，依照等式(17)，将PED₂和PED₁的结果加总，是否将加总除以SR₁₁取决于下一阶段的线性关系和SR₁₁的变化率，来计算整个ED。在步骤419，确定在点子集或P_m是否还有剩下其他点以选择。如果有点剩下，重复从步骤416开始的过程。如果没有点剩下，则在步骤420确定在第二组里是否还有任何其他点需要考虑。如果有，则再次重复从步骤411开始的过程。否则，过程在步骤421终止。接着，对b_i＝1和b_i＝0计算最小ED距离，以便能够最优地计算软比特输出。

应该注意到，依照本发明特别实施例的移动通信系统，所需点的查找表格可以通过各种方法提前产生。例如，考虑图4A里的元素个数，对P_m 404的每个比特b_1i，选择星座图401的点，使得点P_nm(b_1i)的比特b_1i不等于P_m404的对应比特。例如，P_m404的比特是b₁₃，b₁₂，b₁₁，b₁₀＝1010。所以，点P_nm(b_1i)的至少一个比特b_1i与P_m的不匹配(如P_nm(b_1i)的至少一个比特b_1i是b₁₃＝0，b₁₂＝1，b₁₁＝0，和b₁₀＝1)。如图4A所示，条件最小距离点P_m404的比特图是1010。因此，从查找表格预先选择出来的四个其他星座点，和比特图1010相比，总会有一个反比特，并和点P_m最靠近。P_m404和其他m个相关点的比特图之间的关系如以下表格1所示。

最接近Pm的星座点的实际比特图	反比特图(x＝无所谓)
		1110(406)	x1xx
1000(407)	xx0x
		1011(405)	xxx1
0010(408)	0xxx

表格1

以上表1可以直接用做其他m个P_nm点。最小距离的其他星座点的这个特别选择取决于天线a_-last的调制阶数。大多数无线网络调制率通常是2次方，如4-QAM，16-QAM，64-QAM，8-QPSK等。调制阶数m等于调制率的指数，即2^m调制类型。例如，图4A所述的16-QAM系统的调制阶数是4，即2⁴＝16。因此，将被选择的星座图401的其他星座点P_nm的数目是4(其中P_nm的’m’不同于调制阶数’m’)。

至于对图4A星座图401产生查找表格，将选择两个(m/2)星座点，点406和408，与最小距离点P_m404在同一行。另外两个(m/2)星座点，点405和407，被选择与P_m404在同一列。然后，这些星座点405-408然后被保存在查找表格里，由条件最小距离点P_m404索引。P_m404查找表格的这些m个其他星座点的选择过程将保证用于计算LLR(bi)等式(19)的两个最小距离值包含在利用这四个星座点405-408加上条件最小距离星座点P_m404计算出的两个组合内。然后，对在星座图401上的每个点重复相同过程以完成查找表格。因此，不管星座图401上的哪个点被确定为条件最小距离星座点P_m，将有m个合适的其他点，其保证能够获得两个最小距离值。

再次参照图4B，一旦已经选择了星座图401上的5个点，就进行PED₁计算，如图4B的步骤417所示。对每个点组合，s₂403和条件最小距离点P_m404，s₂403和星座点405，s₂404和星座点406，s₂404和星座点407，以及s₂404和星座点408，都进行PED₁计算。然后选择星座点400的下一个点，并再次在这下一个点和星座图401的每个点404-408之间进行PED₁计算。此过程继续进行直到星座图400里的每个点和星座图401里的每个星座点404-408之间都进行了PED₁计算。因此，总体上，对于一个相似的16-QAM 2x2应用，在计算PED₁时，一个MLLR过程将检查256个星座对，而所述示例实施例仅检查80个星座对，这两个过程都是为了找出相同的四个软比特输出。

SISO CCS过程还没有用于MIMO应用，因为当比较对应不同星座点组合的ED时，所有天线及其星座图都需要考虑。在CCS里的SISO交叉查找情况仅涉及一个天线。所以，将它应用到一个MIMO通常不是那么容易。但是，由于ED计算被分成两组，其中一组计算仅有一个天线，只要该组里的一个天线使用方形星座图(如QAM)的调制方式，LCCS查找过程现在就可以实施到MIMO应用里。

在完成LCCS过程之后，增强MIMO探测器202(图2)对每个比特b_i执行最小ED值查找。依照以下公式，这些最小的ED值被用来确定比特b_i的LLR：LLR(b_i)＝min(ED(b_i＝1))-min(ED(b_i＝0))        (20)如公式(20)所示，两个独立的最小ED值被用来确定一个最优LLR：当b_i＝1时的最小ED，和当b_i＝0时的最小ED。没有这两个最小ED值，仅能够确定次优LLR结果，这会导致更高的误差率和更低的可靠性。不同于增强MIMO探测器202(图2)采用的过程，LSD MIMO探测过程仅找到一个保证的最小ED值。在LSD，会少一个最小ED，或者是b_i＝0的或者是b_i＝1的。那么，缺少的这个最小值将根据那个最优结果来估计。因此，LSD过程产生的是次优的LLR结果。

在‘813申请里所述的MIMO探测过程也是产生一个次优结果，因为其仅计算一个距离值，然后使用该距离值去估计第二距离值。所述过程从一个星座图选择一组可能符号值，类似于LSD方法，在某个半径范围内选择那些点。对每个选择的符号，使用第一可能符号的数值，估计第二符号值。然后，通过计算在接收信号和一个虚拟接收信号之间的距离，产生一个ED。虚拟接收信号分别是由第一和第二符号的选择值和估计值确定。接着，基于那个ED选择最小的ED，其后，通过将第一和第二符号解码成一个最小ED的函数，选择硬输出第一和第二符号。

运行时，所述过程从接收信号减去第一选择符号的贡献，并用第二符号来表达结果信号。然后，根据这个用第二符号表达的信号，计算出一个中间信号。然后，中间信号被一个阈值探测器、符号探测器、阈值比较器等处理。这种由阈值探测器提供的解决方法或探测是第二符号的估计值，其然后被用于计算ED。因此，所述过程产生的最终结果是次优的。

关于在图3和4里的一个2x2 MIMO实施，虽然已经披露了所述的特征和优势，但本发明的原理可以适用于其他MIMO实施。

图5是本发明一个实施例的增强MIMO探测器51详细模块示意图。增强MIMO探测器51以类似于增强MIMO探测器202(图2-4)的方式运行，除了其在多于两个天线上运行之外。为了便于实施本范例，增强MIMO探测器51在处理器50的控制下，运行在一个三天线的应用里。增强MIMO探测器51接收来自其接收机天线阵的接收信号y_i。信道矩阵H在调制器500上被QR分解成正交矩阵Q和上三角形矩阵R。Q矩阵与接收信号y_i混在一起形成Y_i。然后，分解的信道矩阵在单元502上与接收向量信号Y_i混合，其中进行ED计算。在2x2的应用里，ED计算被分成两组。第一组包括第一发射天线方形形状的星座集的，而第二组包括所有其它发射天线的星座集合，而不管其星座形状。在2x2的应用里，计算PED₂和PED₁，LCCS查找过程被用来找出合适的ED值，其可以被用来保证找出用于LLR计算的两个最优最小值ED度量。和2x2应用一样，在3x3应用里的LCCS也要求使用不超过固定数目的星座点，这些星座点交叉位于最小PED星座点的周围。最后，在单元503，执行最小ED查找以进行软比特结果LLR(b_i)的计算。

增强MIMO探测器51(图5)和增强MIMO探测器202(图2&3)运行之间的差异在于QR分解。由于天线数目增加，增强MIMO探测器51不能通过执行缩放Givens旋转次序来简化QR分解。然而，QR分解可以通过任何已知方法进行，包括那些使用平方根算子的方法，这会比特别的2x2 MIMO应用增加计算复杂度。但是，即使增加了计算复杂度，整体计算仍然比MLLR、LSD和‘813申请里的过程要简单，并且过程仍然能够提供两个保证最小的ED，又提供最优的软比特结果。无论是LSD还是在‘813申请的过程都不能够提供这种最优结果。

应该注意到，处理器30(图3)和处理器50(图5)可以被设置成数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、微控制器等。

图6是本发明一个实施例的移动设备60的模块示意图。移动设备60是一个MIMO装置，其有由天线601-1-601-n组成的天线阵600。天线阵600提供发射/接收机制给无线射频(RF)收发器601。天线阵600接收的信号通过接收机处理电路603进行处理。本发明的各个提供增强MIMO探测的实施例，都包含在接收机处理电路603内。例如，接收机处理电路603包括MIMO探测器606，如图2、3和5例所述的那些MIMO探测器，解码器607和CRC单元608。接收机处理电路603提供的不同功能阶段结合DSP/FPGA 605一起运行，DSP/FPGA 605可以包含一个或多个单个DSP/FPGAs 605-1-605-N作为单个处理器，或被集成到具有多个处理芯的单芯片DSP/FPGA内，和主处理器604。

主处理器604也控制和管理移动设备60的用户界面功能部件如键盘609、显示器610、麦克风612和扬声器613和移动装置60的其它功能部件之间的运作。移动设备60通过主处理器604进行运作是与存储在存储器614上的应用程序和信息通信一起被驱动的。存储器614存储诸如基本操作系统(O/S)615、查找表格614和应用程序617。通过由主处理器604和/或DSP/FPGA 605所控制的实施，查找表格616里的一个或多个查找表格或在应用程序617下的应用程序可以补充或设定接收机处理电路603的运作。

主处理器604和DSP/FPGA 605也运行处理来自任何用户输入装置如键盘609、显示器610、和麦克风612或内部系统输入/输出(I/O)611的输入信息，其提供结果由移动装置60上运行的应用程序617局部处理。接着，这种处理输入可以被传输到发射机处理电路602以准备发出数据和信息，通过RF收发器601和天线阵600进行发射。

将会注意到，本披露不受限于移动设备60的结构。能执行有关增强MIMO探测所述功能的任何硬件和软件的组合都可以被用来实施本发明的实施例。

图7是本发明一个实施例的基站70的模块示意图。仅仅作为一个移动端，如移动设备60(图6)，可以配置具有如本发明在此所述的增强MIMO探测，基站也可以配置具有增强MIMO探测。基站70包括主处理器700，其控制其计算机驱动功能的运算和处理。具有天线701-1-701-n的天线阵700发射并接收信号，构成通信网络，基站70只是其一部分。RF收发器702运行以发送信号到天线阵700，并从天线阵700接收信号。将被传输的信号由主处理器700和DSP/FPGA组件706的一个或多个DSP/FPGA芯706-1-706-n处理或控制，并通过发射电路703，然后由RF收发器702准备给天线阵701。这些发射信号是通过存储在存储器707里的硬件、固件和软件进行处理。

从天线阵701由RF收发器702接收的信号被包括增强MIMO探测器705的接收机电路704处理。增强MIMO探测器705的运行与图3和5示例所述的方法和运算一致。然后，被探测到的和被解码的信号被主处理器700和一个或多个DSP/FPGA芯706-1-706-n使用硬件、固件和/或存储在存储器707的软件处理或控制。在如此处理之后，信号进一步通过发射电路703、RF收发器702和天线阵701从基站70进行发射。但是，如之前所述，增强MIMO探测器705的运作仍然与在此所述的各种实施例一致。

图8是本发明一个实施例的MIMO OFDMA无线网络的模块示意图。图8描述形成MIMO OFDMA无线网络80的多个基站(图中未显示)中的一个基站800。基站800通过天线阵801发射空间复用MIMO信号到移动单元MU 802-805和从移动单元MU 802-805接收空间复用MIMO信号。基站800和MU 802-805各自都包括一个增强MIMO探测器，其被设置以依照有关图3和5所提供的操作描述进行运作。MIMO OFDMA无线网络80将提供有效可靠的通信，因为每个增强MIMO探测器将提供符号探测的最优结果，并具有最小的计算复杂度。

图9是本发明实施例2x2 MIMO系统里运行的示例步骤流程图。在步骤900，一个MIMO信号在接收机上被接收。在步骤901，通过应用一个缩放Givens旋转算子(SG)，信道矩阵被分解成一个上三角形矩阵(R)和一个正交矩阵(Q)的逆(Q^-1)。在步骤902，两个发射MIMO信号的发射天线中的一个发射天线被选择作为接收机上的第一组，其中选择的天线是使用方形形状的第一星座图的调制方式进行发射。在步骤903，在接收机上建立第二组，其包括表示其它发射天线的星座图。在步骤904，对第二组上的每个星座点，依照等式(14)计算第一部分距离(PED₂)。而且，在步骤905，对第二组里的每个星座点，依照等式(18)计算一个条件最小距离点。在步骤906，在第一组里选择一个最小距离点，其最靠近条件最小距离点。在步骤907，基于选择的最小距离点使用一个查找表格，选择第一组里的其他星座点。在步骤908，在第二组里的每个星座点和选择的每个其他星座点加上最小距离点之间计算第二部分距离(PED₁)。在步骤909，基于相应的第一和第二部分距离的总和，计算一组距离。在步骤910，根据这组距离，查找出两个最小距离，其中一个是在b_i＝0，另一个是在b_i＝1。在步骤911，依照等式(19)计算软比特输出。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但应理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的条件下可以做出各种改变，替换和变化。此外，本申请的范围不限定到此处说明书中描述的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤等的特定实施例。从说明书的披露，本领域技术人员将容易理解，可以利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的目前已有的或者将来会开发出的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤。因此，所附的权利要求书旨在包括这些处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法或步骤在其范围内。

Claims (20)

1.一种探测多输入多输出(MIMO)通信的方法，本方法包括：

对应在接收机上接收的一个MIMO信号，从多个发射所述接收MIMO信号的天线中选择一个天线作为第一组，其中所述选择的一个天线使用一个由普通方形形状的第一星座图表示的调制方式进行发射；

指定第二组，其包括表示所述多个天线中的其余天线的一个或多个其他星座图；

估计一组所述接收MIMO信号和一个相应发射符号之间的距离，其中对所述第二组里的每个星座点，所述估计包括：

计算所述第二组里的所述每个星座点和所述接收MIMO信号之间的第一部分距离；和

计算所述第二组里的所述每个星座点和所述第一组里的一组选择的星座点里的每个星座点之间的第二部分距离，其中所述一组选择的星座点包括一个最小距离星座点和m个其他星座点，这m个其他星座点交叉排列在所述星座图里的所述最小距离点的周围，其中m是所述调制方式的调制阶数；

基于所述第一和第二部分距离的相应距离总和，计算所述距离集合；和

基于所述距离集合，查找两个最小距离。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将一个信道矩阵分解成一个上三角形(R)矩阵和一个正交矩阵(Q)的逆矩阵(Q^-1)，其中所述分解包括应用一个缩放Givens旋转算子到所述信道矩阵以建立所述R和Q^-1矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于由所述缩放Givens旋转算子旋转所述接收MIMO信号和所述R矩阵，计算一个条件最小距离点；和

通过在所述第一星座图里选择出最靠近所述计算出的条件最小距离点的多个点中的一个点，选择所述最小距离星座点。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

从所述两个最小距离计算一个最优的软比特结果。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收机被安置在：

一个移动站；或

一个基站。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述m个其他星座点是从一个查找表格里选择出来的，所述查找表格由所述最小距离星座点索引。

7.一个无线接收机，包括：

一个主处理器；

存储器，其被连接到所述主处理器；

接收机电路，其被连接到所述主处理器；

一个天线阵，其有多个天线，所述天线阵被连接到所述接收机电路；

在所述接收机电路里的一个多输入多输出(MIMO)探测器，所述MIMO探测器被设置成：

形成第一组，其包括具有普通方形形状的第一星座图，所述第一星座组表示所述多个天线中的一个天线的调制方式；

形成第二组，其包括一个或多个其他的星座图，表示所述多个天线中的剩余天线的所述调制方式；

对所述第二组里的每个星座点，所述MIMO探测器还被设置成：

基于所述第二组里的所述每个星座点，计算第一部分欧式距离(PED₂)；

在所述第一组里选择一个最小距离点；

从存储在存储器里的一个查找表格导出m个额外点，所述m个额外点是根据所述最小距离点进行索引的，其中所述m个额外点交叉围住所述最小距离点，并且m是所述第一组多个天线中的所述一个天线的调制阶数；

对所述第二组的所述每个星座点，和所述最小距离点以及每个所述m个额外点之间，计算第二部分欧式距离(PED₁)；和

将所述PED₂和所述PED₁汇总成一个距离；和

基于所述距离确定软比特输出。

8.根据权利要求7所述的无线接收机，其中所述无线接收机是一个2x2的接收机-发射机方式，所述MIMO探测器还包括：

一个分解部分，其被设置成应用一个缩放Givens算子到一个信道矩阵，该信道矩阵表示一个信道，在该信道上所述接收MIMO信号由所述天线阵接收，其中应用所述缩放Givens旋转算子将产生一个上三角形(R)矩阵和所述信道矩阵的一个正交矩阵(Q)的逆正交矩阵(Q^-1)。

9.根据权利要求7所述的无线接收机，其中所述MIMO探测器还被设置成：

基于所述R矩阵和由所述缩放Givens算子旋转的所述接收MIMO信号，计算一个条件最小距离点；和

通过在所述第一星座图里多个点中选择最靠近所述计算出的条件最小距离点的一个点，选择出所述最小距离点。

10.根据权利要求7所述的无线接收机，其中所述MIMO探测器还被设置成：

基于所述距离查找出两个最小距离，其中所述两个最小距离中的一个最小距离表示当b_i＝1时的值，而所述两个最小距离中的另一个表示当b_i＝0时的值；和

基于所述两个最小距离计算一个最小似然比(LLR)，其中所述LLR包括所述软比特输出。

11.根据权利要求7所述的无线接收机，其中所述MIMO探测器还被设置成：

探测出发射所述接收MIMO信号的所述多个天线的调制方式。

12.根据权利要求7所述的无线接收机，其中所述无线接收机提供接收功能给以下：

一个移动单元；和

一个基站。

13.根据权利要求7所述的无线接收机，还包括：

一个或多个附加处理器，其被连接到所述主处理器，其中所述主处理器附件使用所述一个或多个附加处理器补充控制所述MIMO探测器。

14.根据权利要求13所述的无线接收机，其中所述一个或多个附加处理器包括以下一个：

数字信号处理器(DSP)；或

现场可编程门阵列(FPGA)。

15.一个在2x2空间复用MIMO无线网络里探测多输入多输出(MIMO)信号的方法，所述方法包括：

在接收机上接收一个MIMO信号；

通过利用一个缩放Givens算子以分解一个信道矩阵，插入多个0到所述信道矩阵内；

将两个发射天线分拆成两组，其中第一组包括一个普通方形的星座图，其表示所述两个发射天线中的第一发射天线，而第二组包括另一个星座图，其表示所述两个发射天线中的另一个发射天线；

将所述接收的MIMO信号与所述分解的信道矩阵混合；

在所述分解的接收MIMO信号和所述第一和第二组的多个星座点之间，估计一组距离，其中对所述第二组里的每个星座点，所述估计包括：

在所述第二组里的所述每个星座点和所述分解的接收MIMO信号之间，计算第一部分距离；和

在所述第二组里的所述每个星座点和所述第一组里的一组选择的星座点中的每个星座点之间，计算第二部分距离，其中所述一组选择的星座点包括一个最小距离点和m个额外星座点，其中m是所述第一发射天线使用的调制方式的调制阶数；和

基于所述第一和第二部分距离中的相应距离的总和，计算所述距离集合。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

基于所述分解的信道矩阵和所述缩放Givens旋转算子旋转的所述接收MIMO信号，计算一个条件最小距离点；和

通过在所述第一组的所述普通方形星座图里多个点中选择最靠近所述计算的条件最小距离点的一个点，选择出所述最小距离点。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述m个额外星座点是使用所述最小距离点从一个查找表格里选择。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括：

对于在所述第二组里的每个星座点，根据所述距离集合查找出两个最小距离，其中所述两个最小距离中的一个最小距离表示当b_i＝1时的值，另一个表示当b_i＝0时的值。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括：

由所述两个最小距离计算出一个最优的软比特结果。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述接收机被配置在：

一个移动站；或

一个基站。

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