CN101753508B - 多入多出无线通信数据检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多入多出无线通信数据检测方法，包括：对信道系数矩阵实施QR分解，使之三角化；在每一层的数据检测过程中，通过计算部分欧式距离，在备选路径中，经过排序，选取最短的K条存活路径；在任何一层的数据检测过程中，引入最优分支和次优分支的概念，不需计算其所有可能子节点的累加欧式距离，只计算最优分支和次优分支的累加欧式距离，并从中选出本层的K条最优存活路径；根据最后选出的K条最优存活路径的累加欧式距离，选取最短的一条作为最优路径。本发明在保证检测性能的条件下，降低了多入多出无线通信数据检测器的计算复杂度，使其更适合于VLSI硬件实现。

Description

多入多出无线通信数据检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种多入多出(Multiple-inputMultiple-output，MIMO)无线通信系统通过空间复用(Spatial Multiplexing，SM)技术实现分层高速数据传输的高效数据检测方法。

背景技术

随着信息技术的发展，“移动宽带化、宽带移动化”的趋势愈加明显，无线通信系统需要实现更高稳定性和更高数据传输速率，以满足从语音到多媒体的多种综合业务需求。然而当前的无线通信技术正在面临着一些限制，如有限的带宽与发射功率、干扰、信号衰减以及多径效应(造成干扰的回波与反射)等。采用多入多出的MIMO技术可以利用分别安装在发射端和接收端的多天线，分层传输独立的数据流，从而实现无线通信的更高稳定性和更高数据传输速率。因此，MIMO技术被广泛应用于IEEE802.11n等技术标准中。

当无线通信系统利用MIMO技术实现分层数据的高速传输时，面临的一大挑战就是如何设计简单高效的数据检测器。在MIMO系统中，Ntx路信号通过不同的发射天线同时发射，每一路发射信号通过无线信道到达Nrx个接收机中的每一个。因而，在每个接收机端，来自不同发射天线的数据流线性迭加在一起，并且受到了环境噪声的污染和信道衰落，使原有的接收端检测器无法有效检出正确的数据。

MIMO数据检测方法主要分为线形和非线性两类方法，迫零(ZeroForce，ZF)，最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)等线性方法误码率性能较差，尤其是在恶劣信道的情况下，由于环境噪声的干扰，更使得系统性能大大下降。非线性检测方法中的最大似然检测方法(Maximum Likelihood Detection，MLD)具有最佳检测性能，但是计算复杂度很高，并且随着发射天线数和数据映射方式的不同呈指数增长，无法在现实系统中应用。K-Best检测方法，可以在一定的计算复杂度条件下，实现接近于MLD方法的误码率性能，并且能够保证不依赖于信噪比(Signal Noise Rate，SNR)条件的固定数据传输速率，因而在近年来得到了广泛研究与关注。

本发明设计的K-best数据检测方法，充分利用树搜索中不同备选节点与接收的真实信号点地距离差异，大量减少可能性较低的备选分支路径，从而在保证检测性能的条件下，极大降低了MIMO数据检测器的计算复杂度，使其更适合于超大规模集成电路(Very Large Scale Integration，VLSI)的实现。

K-best MIMO数据检测器中不同路径的距离累加与排序是是影响检测器复杂度的关键因素。本发明采用了新型的排序方法，对同一个父节点得所有子节点引入优先级的概念，采用重点考察高优先级的子节点的方法，减少需计算累加距离的节点数，从而降低检测器运算量。

一个N_tx发射N_rx接收的MIMO无线通信系统可以表述为：

Y＝HS+V，Y表示在N_rx根接收端天线上收到的信号，S表示N_tx层发射数据向量，H表示N_rx×N_tx维信道参数矩阵：

V是环境产生的噪声向量。

MLD最大似然检测方法就是寻找使得欧式(Euclidean)距离‖y-Hs‖最小的码字：

$\hat{s}=\arg \underset{s\∈{\mathrm{\Ω}}^N}{\min }{\left|\right|y-\mathrm{Hs}\left|\right|}^2$

接收MLD方法在整个码字空间中采用穷尽搜索的方法找出能使上式成立的发射信号向量，因此性能上能够达到最优，但是计算复杂度太高，以至于在目前的条件下无法在实际系统中实现。K-Best方法的基本原则是，在每一层的搜索中，通过排序的方法选出K条累加距离最小的备选信号路径，而丢弃其他的分支，因此可以大大降低计算复杂度，同时又能够实现接近于MLD的检测性能。对于采用M-QAM方式调制的数据流，采用K-best算法，在每一层数据检测中，需要计算累加距离的路径数为KM。

为了便于计算，针对复数信道系数矩阵，通常先进行实数值分解(RealValue Decomposition，RVD)，将Y＝HS+V扩展为以下形式：

在上式中，

和

分别表示复变量的实部和需部，矩阵的维数增加了一倍，

因此，如果使用RVD分解，则K-best数据检测在每一层只需要计算

条备选路径，但是搜索的层数需要加倍。在本说明书的以下内容中，如无特殊说明，均指在使用了RVD的情况下，需搜索的层数为2N_tx，本发明的方法同样适用于未使用RVD进行实数值分解的情况。

常规K-best检测方法一般可以描述为以下步骤：

1)首先搜索第2N_tx层数据，计算

个备选节点的部分欧式距离(Partial Euclidean Distance，PED)，并排序选出距离最短的K个节点，作为K条存活路径的起始点。

2)从第2N_tx-1层到最上面的第一层逐层搜索K条最优的存活路径，在其中任何一层K_i的搜索中，基于K_i+1层选出的K个节点，计算

个子节点的累积PED，并进行排序，选出其中K条具有最短累加PED距离的路径作为存活路径传递到K_i-1层。

3)在最上面的第一层，选出具有最短累加PED的路径为最优路径，并可据此检出正确的数据。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多入多出无线通信数据检测方法，在保证检测性能的条件下，降低K-best MIMO数据检测器的计算复杂度，使其更适合于VLSI硬件实现。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种多入多出无线通信数据检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：对实数值分解后的信道系数矩阵实施QR分解，使之三角化；

步骤2：在开始的第2N_tx层，通过计算

个备选节点的|e_i(Sⁱ)|²，经过排序，选取其中最短的K条，作为存活路径，将其传递到第2N_tx-1层；

步骤3：在第2N_tx-1层到第2层，循环执行以下步骤4至步骤8：

步骤4：在第i层，以来自i+1层的K条路径[N_i+1(1)，...N_i+1(j)，...N_i+1(K)]为基础，对其中的任意一条路径N_i+1(j)，计算其所有子节点的|e_i(Sⁱ)|²，并选出其中最短的分支，记为最优分支First_Branch(j)；再对K条路径中排在前面的M＝K/2条路径，选出其次短的分支，记为次优分支Next_Branch(j)，此处如果K/2不为整数，可进行取整操作，选取第一个大于K/2的整数作为选取路径的条数M＝min{Z＞K/2，Z为整数}；

步骤5：计算K条First_Branch分支的累加欧式距离，并从中选出最短的一条，作为第i层第一条存活路径N_i(1)；

步骤6：将First_Branch分支中已选出的最优存活路径，用Next_Branch中排在最前面的一条路径进行替换，并计算其累加欧式距离，然后再从First_Branch分支中选出一条存活N_i(2)，First_Branch中的每一条分支只能用于一次替换，用完为止；

步骤7：循环执行步骤6，以选出第i层的M条存活路径[N_i(1)，...N_i(M)]；

步骤8：在完成最后一次替换后的First_Branch分支中再选出累加欧式距离最短的(K-M)条存活路径，从而得到第i层的K条存活路径；

步骤9：重复执行步骤4到步骤8，得到最终的K条存活路径；

步骤10：在最上面的第一层，基于倒数第二层的K条存活路径，计算其最优分支，并从中选出具有最短累加欧式距离的一条路径，作为最优路径，据此检出MIMO分层数据。

上述方案中，该方法在每一层数据检测的过程中，对从上一层检测中存活下来的K条路径的所有可能备选分支，通过计算其与接收符号的距离，从中选出K条路径各自的最优分支。

上述方案中，该方法在每一层数据检测的过程中，对从上一层检测中存活下来的K条路径中最短的M＝min{Z≥K/2，Z为整数}备选路径，通过计算其与接收符号的距离，从中选出M条路径各自的次优分支。

上述方案中，该方法在每一层数据检测的过程中，通过计算K条路径各自的最优分支和M条次优分支的累加欧式距离，并从中选出本层K条最优存活路径。

上述方案中，该方法在每一层数据检测的过程中，通过计算K条路径各自的最优分支和M条次优分支的累加欧式距离，并从中选出本层K条最优存活路径时，首先在K条最优分支路径中选出一条最短的，然后用次优分支路径中排在最前面的一条路径进行替换，并计算其累加欧式距离，然后再从最优分支路径中选出下一条最短的，每一条次优分支路径只用用于一次替换，用完为止。

上述方案中，该方法根据最后选出的K条最优存活路径的累加欧式距离，选取最短的一条作为最优路径。

(三)有益效果

本发明提供的多入多出无线通信数据检测方法，与现有技术相比，具有以下特点：

1、K等同的条件下，误码率性能与常规K-Best检测方法相当；

2、显著降低了每层需计算累加PED距离的分支路径数常规的K-Best方法，在每一层需要计算累加距离的路径数为KM，如果使用RVD分解，需要计算

条，采用本方法只需要计算

条路径的累加PED距离；

3、显著降低了路径排序的复杂度和运算量；

4、显著降低了MIMO分层数据检测器的计算复杂度；

5、结构简单，更适合于VLSI硬件实现；

6、尤其适合于采用高阶M-QAM调制的MIMO高速数据传输模式。

7、本发明提供的多入多出无线通信数据检测方法，可以应用在多类需要利用MIMO技术进行高速无线通信的场合，例如符合IEEE802.11n标准的无线局域网(Wireless Local Area Lan，WLAN)、WiMax等，以及基于多天线技术和空间复用进行高速数据传输的其他无线通信系统。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明方法针对采用16QAM调制方式的2发2收MIMO系统分层数据在第3层数据检测中的示意图(K＝4)。

图2为本发明方法针对采用16QAM调制方式的2发2收MIMO系统数据检测的路径搜索图，采用了RVD分解，因此，需要进行4层路径搜索(K＝4)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的K-best检测算法，在每一层的搜索中，仅需要计算

条路径的累加距离，但其性能依然接近于常规的K-best数据检测器。

本发明的K-best检测算法主要基于以下原理：

在任何一层的搜索排序中，各条路径的累积PED为：

T_i(Sⁱ)＝T_i+1(Sⁱ⁺¹)+|e_i(Sⁱ)|²

$e_i\left(S^i\right)=z_i-\underset{j=i}{\overset{2N_{\mathrm{ts}}}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{ij}}{s}_j$

其中，Sⁱ表示个备选子节点，由不同子节点得出的|e_i(Sⁱ)|²值不同，可以用来表征与实际接收符号之间的欧式距离，对累积PED的大小具有显著的意义。因此，我们可以只选择|e_i(Sⁱ)|²值较小的少数路径进行计算并排序，以选出本层最好的K条存活路径，而不用计算所有

条备选路径的累加PED，从而可以大大降低数据检测器的计算复杂度。

请参阅图1、图2所示，本发明提供的多入多出无线通信数据检测方法其步骤包括：

步骤1：对实数值分解后的信道系数矩阵实施QR分解，使之三角化；步骤2：在开始的第2N_tx层，通过计算

个备选节点的|e_i(Sⁱ)|²，经过排序，选取其中最短的K条，作为存活路径，将其传递到第2N_tx-1层；

步骤3：在第2N_tx-1层到第2层，循环执行以下步骤4至步骤8：

步骤4：在第i层，以来自i+1层的K条路径[N_i+1(1)，...N_i+1(j)，...N_i+1(K)]为基础，对其中的任意一条路径N_i+1(j)，计算其所有子节点的|e_i(Sⁱ)|²，并选出其中最短的分支，记为First_Branch(j)；再对K条路径中排在前面的M＝K/2条路径，选出其次短的分支，记为Next_Branch(j)，此处如果K/2不为整数，可进行取整操作，选取第一个大于K/2的整数作为选取路径的条数M＝min{Z＞K/2，Z为整数}；

步骤5：计算K条First_Branch分支的累加PED距离，并从中选出最短的一条，作为第i层第一条存活路径N_i(1)；

步骤6：将First_Branch分支中已选出的最优存活路径，用Next_Branch中排在最前面的一条路径进行替换，并计算其累加PED距离，然后再从First_Branch分支中选出一条存活N_i(2)，First_Branch中的每一条分支只能用于一次替换，用完为止；

步骤7：循环进行步骤6，直到选出第i层的M条存活路径[N_i(1)，...N_i(M)]；

步骤8：在完成最后一次替换后的First_Branch路径中再选出累加PED距离最短的(K-M)条存活路径，从而得到第i层的K条存活路径；

步骤9：重复进行步骤4到步骤8，得到最终的K条存活路径；

步骤10：在最上面的第一层，基于倒数第二层的K条存活路径，计算其最优分支First_Branch，并从中选出具有最短累加PED距离的一条路径，作为最优路径，据此检出MIMO分层数据。

下面结合实施例和附图进一步阐述本发明：

请再参阅图1，图2所示，举例说明本发明一种多入多出无线通信数据检测方法的具体实施。本例采用2发2收的天线结构，数据采用16QAM调制方式(M＝16)，在进行了RVD分解的条件下，设K＝4，使用本发明方法进行MIMO数据检测的步骤包括：

步骤1：在开始的第4层，通过计算 $\sqrt{M}=4$ 个备选节点的|e₄(S⁴)|²，按照从小到大排序，将对应的四个节点作为存活路径的起始节点，传递到第3层；

步骤2：在第3层，对来自第4层的4个节点作为所有备选路径的父节点[N_i+1(1)，...N_i+1(j)，...N_i+1(4)]＝[1，3，-1，-3]，对其中的任意一条路径N_i+1(j)，计算其所有子节点的|e_i(Sⁱ)|²，并选出其中最短的分支，记为First_Branch(j)；再对4条路径中排在前面的K/2＝2条路径，选出其次短的分支，记为Next_Branch(j)。如无特别说明，本说明书中路径和节点的表示均采用从第一层数据到最后一层的顺序，即{1，2，...，2N_tx}。通过计算得到First_Branch(K₃，K₄)＝{{1，1}，{1，3}，{1，-1}，{1，-3}}，Next_Branch(K₃，K₄)＝{{-1，1}，{-1，3}}；

步骤3：计算4条First_Branch路径的累加PED距离，并从中选出最短的一条：PED_1，1，得出第i层第一条存活路径N₃(1)＝{1，1}；

步骤4：将First_Branch路径中已选出的存活路径的累加距离PED_1，1，用Next_Branch中排在最前面的一条路径的累加距离PED_1，2进行替换，然后再从First_Branch路径中选出一条累加距离最短的作为存活路径N₃(2)＝{1，3}，其累加距离为PED_2，1；用PED_2，2替换PED_2，1，然后再从First_Branch路径中选出一条最短的作为存活路径N₃(3)＝{-1，1}，其累加距离为PED₁，₂；此时Next_Branch中的路径已经用完，不再进行替换。

步骤5：在First_Branch剩余的3条备选路径中选出1条最短累加PED的路径，作为存活路径N₃(4)＝{1，-1}，其累加距离为PED_3，1；至此，第3层的4条最优的存活路径已经选出：N₃(1，2，3，4)＝{{1，1}，{1，3}，{-1，1}，{1，-1}}，并将其传递到第2层。

步骤6：在第2层，重复进行步骤2到步骤5的操作，得到最终的4条存活路径N₂(1，2，3，4)＝{{1，1，1}，{1，1，3}，{-1，1，1}，{-1，1，3}}，并将其传递到第一层；

步骤7：在第一层，对来自第二层的其中的任意一条路径N₂(j)，计算最优分支First_Branch(j)，并从中选出具有最短累加PED距离的一条路径{K₁，K₂，K₃，K₄}＝{-3，1，1，1}，作为最优路径，据此检出硬判决的MIMO分层数据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (6)

1.一种多入多出无线通信数据检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：对实数值分解后的信道系数矩阵实施QR分解，使之三角化；

步骤2：在开始的第2N_tx层，通过计算各个备选节点与接收端数据实向量的距离|e_i(Sⁱ)|²，经过排序，选取其中具有最短距离的K条路径，作为存活路径，将其传递到第2N_tx-1层，其中N_tx是发射数据的层数；

步骤3：从第2N_tx-1层到第2层，循环执行以下步骤a至步骤e，得到最终的K条存活路径：

步骤a：在第i层，以来自i+1层的K条路径[N_i+1(1)，...N_i+1(j)，...N_i+1(K)]为基础，对其中的任意一条路径N_i+1(j)，计算其所有子节点与接收端数据实向量的距离|e_i(Sⁱ)|²，并选出其中具有最短距离的分支，记为最优分支First_Branch(j)；再对K条路径中排在前面的M＝K/2条路径，选出其次短的分支，记为次优分支Next_Branch(j)，此处如果K/2不为整数，可进行取整操作，选取第一个大于K/2的整数作为选取路径的条数M＝min{Z＞K/2，Z为整数}，即M为选取路径的条数；

步骤b：计算K条最优分支的累加欧式距离，并从中选出最短的一条，作为第i层第一条存活路径N_i(1)；

步骤c：将最优分支中已选出的最优存活路径，用次优分支中排在最前面的一条路径进行替换，并计算其累加欧式距离，然后再从最优分支中选出一条存活路径N_i(2)，次优分支中的每一条分支只能用于一次替换，用完为止；

步骤d：循环执行步骤c，以选出第i层的M条存活路径[N_i(1)，...N_i(M)]；

步骤e：在完成最后一次替换后的最优分支中再选出累加欧式距离最短的(K-M)条存活路径，从而得到第i层的K条存活路径；

步骤4：在最上面的第一层，基于倒数第二层的K条存活路径，计算其最优分支，并从中选出具有最短累加欧式距离的一条路径，作为最优路径，据此检出MIMO分层数据。

2.根据权利要求1所述的多入多出无线通信数据检测方法，其特征在于，该方法在每一层数据检测的过程中，对从上一层检测中存活下来的K条路径的所有可能备选分支，通过计算其与接收符号的距离，从中选出K条路径各自的最优分支。

3.根据权利要求1所述的多入多出无线通信数据检测方法，其特征在于，该方法在每一层数据检测的过程中，对从上一层检测中存活下来的K条路径中最短的M＝min{Z≥K/2，Z为整数}备选路径，通过计算其与接收符号的距离，从中选出M条路径各自的次优分支。

4.根据权利要求1所述的多入多出无线通信数据检测方法，其特征在于，该方法在每一层数据检测的过程中，通过计算K条路径各自的最优分支和M条次优分支的累加欧式距离，并从中选出本层K条最优存活路径。

5.根据权利要求4所述的多入多出无线通信数据检测方法，其特征在于，该方法在每一层数据检测的过程中，通过计算K条路径各自的最优分支和M条次优分支的累加欧式距离，并从中选出本层K条最优存活路径时，首先在K条最优分支路径中选出一条最短的，然后用次优分支路径中排在最前面的一条路径进行替换，并计算其累加欧式距离，然后再从最优分支路径中选出下一条最短的，每一条次优分支路径只用用于一次替换，用完为止。

6.根据权利要求1所述的多入多出无线通信数据检测方法，其特征在于，该方法根据最后选出的K条最优存活路径的累加欧式距离，选取最短的一条作为最优路径。

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