CN101771634B - 一种子载波分组的mimo-ofdm检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种子载波分组的MIMO-OFDM检测方法，采用MIMO-OFDM技术的宽带无线通信系统，特别涉及到系统中的MIMO-OFDM检测算法。本发明通过在设计MIMO-OFDM检测器阶段，采用计算机仿真的方法离线优化，建立典型频率选择性信道的频域跨零率范围-子载波组间隔表；而在MIMO-OFDM在线检测时，根据信道估计系数实时统计出频域跨零率，通过查表获得相应的子载波组间隔，并按组间隔进行MIMO均衡处理。本发明大大降低了检测算法的计算量，解决了现有MIMO-OFDM检测算法运算量较大的问题。

Description

一种子载波分组的MIMO-OFDM检测方法

技术领域

本发明为一种基于子载波分组的MIMO-OFDM检测方法。适用于采用MIMO-OFDM技术的均衡器。本发明属于通信与信息技术中的MIMO-OFDM检测的技术领域。

背景技术

MIMO-OFDM技术概述：多入多出-正交频分(MIMO-OFDM)，无线通信行业正在从当前的单天线、单载波系统向多天线、多载波系统过渡。无线信道的多径时延扩展引起无线信号的频率选择性衰落。为了抑制频率选择性引起的码间干扰，OFDM调制技术将一个宽带的频率选择性信道转化为多个并行的平坦衰落的窄带信道，提高了空中接口的可靠性。1996年，Foschini等提出的MIMO技术，即在发射和接收两侧采用多个天线，利用无线信道的丰富多径散射特点，可以实现数据流的多路复用，在不增加系统带宽的前提下，大大提高了系统容量。

目前出现的无线通信系统，例如802.11n、802.16e以及LTE系统等，大都基于MIMO-OFDM技术。但是，与窄带系统相比，MIMO系统的性能改善要求较高的信号处理复杂度，因此，低复杂度的MIMO-OFDM检测算法是该类系统实现的关键。

如图1所示，现有的MIMO-OFDM检测方法：

MIMO-OFDM系统可以建模成多个频率平坦衰落MIMO系统模型：

y_i＝H_is_i+n_i

其中，子载波总数为N，1≤i≤N。

表示第i个子载波的MIMO信道矩阵

表示第i个子载波的接收信号矢量

表示第i个子载波的发射信号矢量

表示第i个子载波的接收端噪声矢量

MIMO检测的目的是估计每个子载波的发送符号矢量s_i。

MIMO检测算法主要分为两类：非线性检测和线性检测。非线性检测方法主要是ML类的算法，运算量较大，一般不适合运用于具有多码流或高阶调制的系统。线性检测算法主要基于迫零和MMSE准则，与非线性检测算法相比，其运算量较低。因此实际系统中通常采用线性检测算法。

最简单的线性检测算法是做迫零检测，获得的分集度为N_r-N_t+1。迫零检测的空域均衡矩阵为：

$G_{\mathrm{ZF}}^i={\left(H_i{H}_i^H\right)}^{-1}{H}_i^H$

而基于最小均方误差(LMMSE)准则的检测算法以最小化估计信号与实际发送的信号之间的均方误差为优化目标，即：

$G_{\mathrm{LMMSE}}^i=\underset{G}{\arg }\left\{\min \left({\left|\right|G_i{y}_i-s_i\left|\right|}^2\right)\right\}$

可得LMMSE检测的空域均衡矩阵：

$G_{\mathrm{LMMSE}}^i={(H_i^H{H}_i+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}_i^H$

MMSE检测的分集度与ZF检测一致。在低信噪比区域，LMMSE算法总是优于ZF算法，而在高信噪比区域，LMMSE算法性能则趋近于ZF算法。

对于MIMO-OFDM系统，通常的MIMO检测在每个子载波(per-tone)上进行，即每个子载波上进行上述的迫零或LMMSE检测，检测器的运算量和子载波的数目成正比。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于子载波分组的MIMO-OFDM检测方法，该方法仅需增加运算量极小的信道频域跨零率估计模块，就使得MIMO-OFDM检测器的总运算量大大低于现有按子载波检测的方法，解决了现有检测器运算量巨大的问题。

技术方案：

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种子载波分组的MIMO-OFDM检测方法，首先采用计算机离线估计各典型频率选择性信道的不同频域跨零率参数得到信道系数估计值，从而采用所述频域跨零率参数表征信道的频率选择性；其次，通过计算机仿真，获得在不同的典型频率选择性信道条件下采用不同子载波分组间隔时的误块率或通过率指标，建立信道频域跨零率-子载波分组间隔表；最后根据所述信道频域跨零率-子载波分组间隔表按该子载波分组间隔进行MIMO检测。

建立信道频域跨零率或子载波分组间隔表是在可接受的性能损失前提即通过率性能损失小于0.2～0.4dB下建立的。

所述建立信道频域跨零率-子载波分组间隔表的步骤如下：

步骤一、将信道系数估计值通过如下高通滤波器，滤除低频噪声的影响：Δ_i＝||H_i||-||H_i-1||，其中H_i是第i个子载波上的信道系数1≤i≤N，N为子载波总数为自然数，Δ_i是相邻信道系数模值的差，相邻Δ_i的符号发生变化一次则计为频域跨零一次；

步骤二、统计单个OFDM符号时间内Δ_i的频域跨零率ZCR，统计出该类信道的ZCR分布直方图Hist(ZCR)，使用平均频域跨零率

范围来表征各典型信道；

步骤三、采用计算机仿真寻找各典型信道下合适的子载波分组间隔，即通过比较各种典型信道条件下采用不同子载波分组间隔时的MIMO-OFDM检测器性能，找到性能下降微小时的子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}；

步骤四、建立各种典型信道平均频域跨零率

-子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}的映射表即信道频域跨零率-子载波分组间隔表。

所述根据信道频域跨零率-子载波分组间隔表按该子载波分组间隔进行MIMO检测的方法如下：

第一步、将信道系数估计值通过如下高通滤波器，滤除低频噪声的影响：Δ_i＝||H_i||-||H_i-1||，其中H_i是第i个子载波上的信道系数1≤i≤N，N为子载波总数为自然数，Δ_i是相邻信道系数模值的差，相邻Δ_i的符号发生变化一次则计为频域跨零一次；

第二步、统计单个OFDM符号时间内的信道系数的频域跨零率，并对K个OFDM符号的频域跨零率做平均，得到平均的频域跨零率

第三步、以第二步所述的频域跨零率

为索引，在信道频域跨零率-子载波分组间隔表中检索到相应的子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}。

第四步、按第三步所述的子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}进行子载波分组MIMO-OFDM检测。

有益效果：本发明的有益效果主要体现在以下方面：

1、本发明较现有的检测方法仅需增加频域跨零率估计模块。该模块与检测模块本身相比实现复杂度极低。

2、本发明的总体运算量远小于按子载波进行MIMO-OFDM检测的现有方法。

附图说明

图1是一般MIMO-OFDM检测算法的处理流程图。

图2是本发明的处理流程图。

图3是EPA、EVA、ETU信道条件下的信道系数频域跨零率的概率分布图。图中，横坐标表示频域跨零率，单位为次/10MHz；纵坐标是累积分布概率。EPA表示扩展步行A模型；EVA表示扩展车载A模型；ETU表示扩展典型城市模型。

图4、5、6分别表示在EPA、EVA、ETU信道条件下，本发明与按子载波检测的系统通过率性能比较。图中，横坐标SNR是符号信噪比，单位为dB；纵坐标是“Throughput”，也即单位时间内正确接收的信息帧数与满速率传输的总信息帧数的比例。“-1”、“-2”、“-3”、“-6”、“-12”表示本发明方法处理子载波间隔分别为1、2、3、6、12时的通过率性能。“-1”也就是一般按子载波进行MIMO-OFDM检测的算法性能。

具体实施方式

如图2所示，本发明首先采用计算机离线统计，获得各典型频率选择性信道的不同频域跨零率参数，从而采用信道频域跨零率参数表征信道的频率选择性；其次，通过计算机仿真，统计出系统在不同的典型频率选择性信道条件下采用不同子载波分组间隔时的误块率或通过率等性能指标，并在可接受的性能损失前提下，如0.2～0.4dB，建立信道频域跨零率/子载波分组间隔表；本发明通过在线处理来自信道估计模块给出的信道系数估值，实时计算出信道系数估值的频域跨零率参数，并以该参数为索引查找离线得到的频域跨零率/子载波分组间隔表获得子载波分组间隔，最后按该间隔分组进行MIMO检测。

不同的无线移动通信系统根据应用场景不同，在标准中都会定义多种典型的频率选择性信道，此时频域跨零率的统计长度K的值会有所不同。如3GPP LTE系统的标准定义了三种典型的频率选择性信道，分别是扩展步行A模型(EPA)、扩展车载A模型(EVA)和扩展典型城市模型(ETU)信道，此时K取为14。下面以3GPP LTE(Long Term Evolution)标准为例，比较本发明和按子载波进行MIMO检测的方法在计算量和性能的不同。

首先，进行离线处理，步骤如下：

1、用计算机离线分析LTE的各种典型频率选择性信道，如EPA、EVA和ETU模型。将来自信道估计模块的各子载波信道系数估计值通过如下高通滤波器，滤除低频噪声的影响。

Δ_i＝||H_i||-||H_i-1||

其中H_i是第i(1≤i≤N，N为子载波总数)个子载波上的信道系数，Δ_i(2≤i≤N，N为子载波总数)是相邻信道系数模值的差，相邻的Δ_i的符号发生变化则计为频域跨零一次。

2、统计单个OFDM符号时间内Δ_i的频域跨零率ZCR，统计出该类信道的ZCR分布直方图Hist(ZCR)，如图3所示。分析该直方图可使用平均频域跨零率

范围来表征EPA、EVA和ETU信道，如下表1所示。

3、用计算机仿真技术寻找各典型信道下合适的子载波分组间隔，即通过比较各种典型信道条件下采用不同子载波分组间隔时的MIMO-OFDM检测器性能，找到性能下降微小(如通过率性能损失小于0.2～0.4dB)时的子载波分组间隔N_{subcarrier_group}。

4、建立各种典型信道频域跨零率

于载波分组间隔N_{subcarrier_group}的映射表1。

表1

其次，本发明进行在线信号处理，过程如下：

1、将来自信道估计模块的各子载波信道系数估计值通过如下高通滤波器，滤除低频噪声的影响。

Δ_i＝||H_i||-||H_i-1||

其中H_i是第i个子载波上的信道系数，Δ_i是相邻信道系数模值的差，相邻的Δ_i的符号发生变化则计为频域跨零一次。

2、统计单个OFDM符号时间内的信道系数的频域跨零率，并对14个OFDM符号的频域跨零率做平均，得到平均的频域跨零率参数

3、以该频域跨零率

为索引，在频域跨零率

范围/子载波分组间隔N_{subcarrier_group}的映射表中检索到相应的子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}。

4、按该分组间隔数N_{subcarrier_group}进行子载波分组MIMO-OFDM检测。检测算法与一般按子载波检测的算法相同，如LMMSE算法，其均衡矩阵

其中，k为子载波分组序号，k＝0，1，......，N_f/N_{subcarrier_group}，每个子载波组内的信道系数取相同值。

下面通过计算机仿真的方法比较本发明方法和按子载波检测方法的性能差异，仿真条件如下：

1)LTE下行链路，天线配置为2发2收。

2)信号带宽为10MHz，子载波数为600，调制为16QAM，码率为1/2。

3)HARQ使用增量冗余合并，进程数为8，最大重传次数为4。

4)检测算法采用LMMSE线性均衡器。

5)图中每个点的仿真帧数为一万帧，或错误帧达到一百帧。

由图4、5、6可见，与现有按子载波检测方法相比，本发明方法在符号信噪比为8dB至16dB的区间内EPA、EVA信道条件下性能劣化约0.1dB，ETU约为0.4dB。

在运算量方面，本发明与按子载波检测的方法相比明显降低。对于EPA信道，分组间隔取12个子载波，总运算量约降低为按子载波检测方法的1/12；对于EVA信道，分组间隔取3个子载波，总运算量降低为约1/3；对于ETU信道，分组间隔取3个子载波，总运算量降低为约1/3。

Claims (2)

1.一种子载波分组的MIMO-OFDM检测方法，其特征在于：首先采用计算机离线估计各典型频率选择性信道的不同频域跨零率参数得到信道系数估计值，从而采用所述频域跨零率参数表征信道的频率选择性；其次，通过计算机仿真，获得在不同的典型频率选择性信道条件下采用不同子载波分组间隔时的误块率或通过率指标，建立信道频域跨零率-子载波分组间隔表；最后根据上述信道频域跨零率-子载波分组间隔表按该子载波分组间隔进行MIMO检测，其中

所述建立信道频域跨零率-子载波分组间隔表的步骤如下：

步骤一、将信道系数估计值通过如下高通滤波器，滤除低频噪声的影响：Δ_i＝||H_i||-||H_i-1||，其中H_i是第i个子载波上的信道系数1≤i≤N，N为子载波总数为自然数，Δ_i是相邻信道系数模值的差，相邻Δ_i的符号发生变化一次则计为频域跨零一次；

步骤二、统计单个OFDM符号时间内Δ_i的频域跨零率ZCR，统计出该类信道的ZCR分布直方图Hist(ZCR)，使用平均频域跨零率范围来表征各典型信道；

步骤三、采用计算机仿真寻找各典型信道下合适的子载波分组间隔，即通过比较各种典型信道条件下采用不同子载波分组间隔时的MIMO-OFDM检测器性能，找到性能下降小于0.4dB时的子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}；

步骤四、建立各种典型信道平均频域跨零率

-子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}的映射表即信道频域跨零率-子载波分组间隔表；

所述根据信道频域跨零率-子载波分组间隔表按该子载波分组间隔进行MIMO检测的方法如下：

步骤A、将信道系数估计值通过如下高通滤波器，滤除低频噪声的影响：Δ_i＝||H_i||-||H_i-1||，其中H_i是第i个子载波上的信道系数1≤i≤N，N为子载波总数为自然数，Δ_i是相邻信道系数模值的差，相邻Δ_i的符号发生变化一次则计为频域跨零一次；

步骤B、统计单个OFDM符号时间内的信道系数的频域跨零率，并对不少于12个OFDM符号的频域跨零率做平均，得到平均的频域跨零率

步骤C、以步骤B所述的频域跨零率

为索引，在信道频域跨零率-子载波分组间隔表中检索到相应的子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}；

步骤D、按步骤C所述的子载波分组间隔数N_{subcarrier_group}进行子载波分组MIMO-OFDM检测。

2.如权利要求1所述的一种子载波分组的MIMO-OFDM检测方法，其特征在于：建立信道频域跨零率-子载波分组间隔表是在可接受的性能损失前提即通过率性能损失小于0.4dB下建立的。

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