CN101902302B - 针对分组码的复杂度固定的联合列表检测译码方法 - Google Patents

Abstract

一种采用分组码的MIMO无线通信系统的复杂度固定的联合列表检测译码方法，是使用列表生成器，从MIMO检测器的候选列表中产生信道译码器的候选输入码字列表，以避免传统的检测译码算法的迭代处理；并采用硬译码代替软译码，降低接收端的工作复杂度；然后列表生成器与译码器的联合处理，在MIMO信号空间和码字空间联合约束下实现统一候选符号序列空间构造，从而提高系统性能。本发明是针对MIMO系统中信道编码方案采用分组码而设计的新的接收端的联合检测和译码处理的技术方案，该方法降低了计算复杂度，同时提高了检测性能。

Description

针对分组码的复杂度固定的联合列表检测译码方法

技术领域

本发明涉及一种针对分组码的复杂度固定的联合列表检测译码方法，属于MIMO系统的无线通信技术领域。

背景技术

由于移动通信的爆炸式发展，无线通信系统面临着不断增长的无线链路传输速率与稀缺的频谱资源等挑战。多输入多输出（MIMO）技术是利用多个发射天线和多个接收天线进行无线传输，在不增加发射功率与频谱资源的基础上，就能成倍地提升系统容量和频谱效率，因而成为未来无线通信的关键技术之一。

MIMO检测算法在很大程度上决定了MIMO系统的性能，为获得MIMO方案的满分集和/或满复用增益，通常采用具有最佳性能的最大似然检测算法。将MIMO最优检测和信道译码基于turbo原理进行迭代处理的迭代检测译码IDD（Iterative Detection and Decoding）技术，能够获得更多的编码增益，因而引起业内广泛关注；即借助Turbo译码的原理，将信道码作为“外码”，而经空时编码调制作为“内码”，两者交织后共同组成发送端的串行级联结构。在接收端，采用软输入软输出（SISO）检测器与SISO信道译码器共同组成迭代检测译码结构，通过在检测器与信道译码器之间不断地更新外信息，从而获得整体的最优性能。基于Turbo原理的迭代MIMO检测与信道译码相比较，串行处理能获得更优异的性能，然而，其算法复杂度高。为此，本发明提出改进的降低复杂度并提高检测性能的联合检测译码JDD（Joint Detection and Decoding）的新方法。

目前，现有技术方案均是在MIMO系统的接收端采用迭代检测译码方案，如文献《Achieving near-capacity on a multiple-antenna channel》（刊于IEEE Trans.Commun.,vol.51,no.3,pp.389-399,Mar.2003.）。现有的迭代检测译码方案的操作方法可归纳为下列步骤：

（1）接收信号输入至检测器，经过多天线检测后，检测器输出多个候选符号序列，通过比较候选符号序列与接收信号的欧氏距离，得到一个最优的检测序列的对数似然比（LLR）形式的后验信息与外信息（即L-信息）。

（2）将最优检测序列的L-信息输入至解交织器，输出的解交织后的L-信息作为译码器的先验信息。

（3）译码器译码得到一个最优的译码序列的后验信息与外信息（L-信息）。以分组码的译码器为例：采用设定的译码算法可以得到多个候选码字序列。再通过比较候选码字序列与先验信息序列之间的欧氏距离，得到一个最优的译码序列的后验信息与L-信息。

（4）将最优译码序列的L-信息输入至交织器，交织后的L-信息作为下一次迭代处理时检测器的先验信息。

（5）采用上述方式，进行多次迭代（通常的迭代次数为4次），对译码器最终输出的后验信息进行硬判决，得到最终的译码结果。

上述现有技术存在下述三个缺点：

第一，针对于MIMO系统中分组码的现有技术采用的SISO检测器和译码器都是基于候选列表方式。但是，二者的候选列表是各自独立选取的，增加了系统处理的复杂度。

第二，现有技术的译码器是根据检测器输出的一个最优检测序列来进行译码，从而得到最终结果；然而，尽管送入译码器的码字序列是检测空间中的最优序列，但是，其可能不是码字空间中的最优序列；因此只对检测输出的一个最优检测序列进行译码，在迭代次数较少时会降低系统性能。

第三，现有技术通过在检测器和译码器之间的迭代更新并交换外信息来改善检测和译码的结果，从而提高系统性能；但是，检测和译码的多次迭代操作自然会使系统的计算复杂度很高。

发明内容

有鉴于现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种在MIMO无线系统中针对信道编码为分组码的复杂度固定的联合列表检测译码（JDD）方法。本发明针对MIMO系统中信道编码方案采用分组码，设计了一种新的接收端的联合检测和译码处理的技术方案，该方法降低了计算复杂度，同时提高了检测性能。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种MIMO无线通信系统采用分组码的复杂度固定的联合列表检测译码方法，其特征在于：使用列表生成器，从MIMO检测器的候选列表中产生信道译码器的候选输入码字列表，以避免传统的检测译码算法的迭代处理；并采用硬译码代替软译码，降低接收端的工作复杂度；然后列表生成器与译码器的联合处理，在MIMO信号空间和码字空间联合约束下实现统一候选符号序列空间构造，从而提高系统性能；所述方法包括下列操作步骤：

（1）在无线通信网络中采用多输入多输出技术，即发送端和接收端分别配置多根天线；

（2）发送端将原始比特序列送入线性分组码编码器得到一个码字，再对其进行交织和编码调制后，得到一个符号序列，并映射到多根天线上；然后利用多个时隙将该符号序列发送出去；

（3）接收端对接收到的各个时隙发送的部分符号序列分别进行MIMO检测，得到相应的部分候选检测列表，又用列表生成器将该多个时隙输出的部分候选检测列表合并为整体的检测列表；再将进行比较、排序操作后，输出的整体的候选检测列表送到解调器处理，得到候选待解交织列表；然后，将该候选待解交织列表经由解交织器处理得到的候选译码输入列表，送入线性分组码译码器进行译码；并从符合码字空间约束的译码结果中，挑选与整体接收符号序列的欧氏距离最近的一个码字作为联合处理的结果并输出；该步骤包括下列操作内容：

（31）接收端的MIMO检测器对每个时隙的接收信号进行MIMO检测后，输出该时隙的包含有k₀个序列的部分候选检测列表；并在完成每帧数据的接收与检测后，将该每帧时长内的所有n个部分候选检测列表送入列表生成器，其中，k₀是由系统性能需求设定的自然数，n是发射每帧信号所需的时隙数；

（32）列表生成器将该n个部分候选检测列表进行全排列，得到(k₀)ⁿ个整体的检测序列，从中选择与整个接收符号序列的欧氏距离最小的k₁组检测序列作为整体候选检测列表，其中，k₁是根据系统性能需求设定的小于或等于(k₀)ⁿ的自然数；

（33）列表生成器将所述包含K₁个序列的整体候选检测列表送至解调器进行映射后，生成数量为K₁个序列的候选待解交织列表；

（34）再把所述包含k₁个序列的候选待解交织的列表送入解交织器进行解交织处理，得到一个包含有K₁个序列的候选译码输入列表；

（35）该候选译码输入列表被送入分组码译码器进行硬判决译码操作，分组码译码器输出其中能够成功译码的码字序列作为候选码字，且该候选码字能够同时满足MIMO信号空间和码字空间联合约束的要求；

（36）比较该联合约束空间中的候选码字所对应的候选符号序列与整体接收符号序列的欧氏距离，选择其中欧氏距离最小的一个候选符号序列所对应的候选码字作为最优的联合处理输出。

所述步骤（2）进一步包括下列操作内容：

（21）将一组待发送的原始信息比特输入分组码编码器，经过信道编码后输出相应的一个码字序列；

（22）将该码字序列输入交织器，得到交织后的码字序列；

（23）将交织后的码字序列输入调制器，得到一个调制符号序列；

（24）将该调制符号序列通过空时映射至各个发射天线上，利用n个时隙分别发送出去，其中，n是发射每帧信号所需的时隙数。

所述步骤（34）中的解交织器用于完成交织的逆过程，即解交织过程是在交织序列的基础上，将交织序列的各个比特恢复原有顺序，从而恢复原始比特序列。

本发明是一组在MIMO无线通信系统中针对信道编码为分组码的复杂度固定的高效的联合列表检测译码方法，该方法的优点是：采用三项关键技术较好地解决了现有技术存在的上述三个缺陷。下面分别介绍之：

为了解决现有技术第一个缺陷，本发明利用列表生成器对MIMO检测器输出的候选检测序列进行合并、比较和排序等操作，从中挑选出一组具有最优可靠度的码字序列作为译码器的候选译码输入序列，实现MIMO检测与信道译码的联合处理，从而降低了MIMO系统的接收信号处理的复杂度。

为了解决现有技术第二个缺陷，本发明在完成每帧接收符号序列的检测后，对每帧时间段内的多次检测（因每帧符号要进行多次发送）所得到的最优序列集合进行全排列，得到整体的检测序列集合；再分别计算其与每帧接收符号序列的欧氏距离，选择其中欧氏距离最小的多个序列，组成候选待交织序列的列表。再经过解交织处理后，分别输入至译码器进行译码。最后，译码得到多个能够成功译码的候选码字，分别计算该候选码字对应的整个候选符号序列与接收符号序列的欧氏距离，选择其中欧氏距离最小的码字为最优译码结果。因将列表生成器生成的多个整体最优候选码字序列集合作为MIMO检测器与信道译码器的公共码字候选集合，大大降低检测输出序列不在码字空间的概率，提高了检测和译码联合处理的可靠性，也提高了系统性能。

为了解决现有技术第三个缺陷，本发明不采用迭代处理方式，而是在列表生成器中增加候选列表的大小，并从中选择最优的检测译码结果，以便在保证系统性能前提下，降低系统处理复杂度。

总之，本发明不仅降低了MIMO系统的接收信号处理的复杂度，不采用迭代计算，大大提升了系统处理效率；还经过译码挑选出最优译码结果，从而提高检测和译码联合处理的可靠性，提高系统性能，且误码性能远低于传统的迭代检测译码方法。因此，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明的系统结构模型及其接收信号的处理流程示意图。

图2是本发明采用分组码的复杂度固定的联合列表检测译码方法流程图。

图3是不同编码速率下，本发明联合列表检测译码方法与传统的迭代检测译码方法的实施例误码性能比较图。

图4是固定编码速率，采用不同译码次数下的本发明联合列表检测译码方法的实施例误码性能比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和特点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍应用本发明针对分组码的复杂度固定的联合列表检测译码方法的无线通信系统的结构组成及其接收信号的处理流程。本发明以下行链路为例进行描述，该方法用于分别配置多根天线的基站与用户之间的通信，其中，基站为发送端，用户为接收端。

假设发送端的发射天线数为Nt，接收端的接收天线数为Nr，发送端到接收端的信道为准静态瑞利衰落信道，且接收端可以获知精确的信道状态信息（CSIR）。发送端的信道编码方案为分组码。为简单起见，实施例采用扩展BCH码（eBCH），且Nt＝Nr。需要说明的是，本发明方法同样适用于收发两端的多个天线数目不相等的情况。

信道编码器输入的原始信息序列B的长度为k，编码输出的码字序列C的长度为m。码字序列C经过伪随机交织器后，输入至MIMO调制器，其调制方式为q-QAM，其中，log₂q为调制阶数，S为输出的符号序列，符号序列长度为

符号序列经过空时映射至Nt根发射天线。发送该符号序列所需要的时隙数为n，且 $n=\frac{m}{\mathrm{Nt}\×{\log }_{2}q}.$

接收端在t时刻接收到的信号矢量Y_t可表示为：Y_t=HX_t+Z_t；式中，1≤t≤n；Y_t表示Nr×1的接收信号矢量；H是Nr×Nt维信道响应矩阵；X_t是Nt×1的发送信号矢量；Z_t是Nr×1的AWGN噪声矢量，其每个分量都是均值为零、方差为σ²的独立同分布的复高斯随机变量。接收信号矢量Y_t是所有发送天线信号的叠加，因此，每个接收天线接收到的都是有用信号与干扰信号的混合叠加。

参见图2，介绍接收端的信号处理流程的具体操作内容：

（1）接收端对t时刻收到的信号矢量Y_t进行多天线检测：

检测算法采用SISO的ML/MAP算法，例如采用QRD-M或SD（如参考文献：K.J.Kim,J.Yue,R.A.Iltis and J.D.Gibson,“A QRD-M/Kalman Filter BasedDetection and Channel Estimation Algorithm for MIMO-OFDM Systems,”刊于IEEE Trans.on Wireless Commun.,3(2):710-721,2005.）。检测器输出k₀个部分候选检测序列，每个部分候选检测序列为Nr×1维矢量。在每帧时长内，接收端总共进行了n次检测,输出了n个部分候选检测列表，每个列表包含有k₀个序列，并送入列表生成器。其中，k₀是由系统性能需求设定的自然数。

（2）列表生成器对输入的n个部分候选检测列表进行处理，输出整体候选检测列表：列表生成器先将输入的n个部分候选检测列表按照检测的先后顺序进行全排列，得到包含有

个序列整体的检测列表。需要指出的是：进行全排列的复杂度与k₀的大小有关。为了保证复杂度在可以接受的范围内，k₀的选择要适中。然后，计算该整体的检测列表的每个序列与整体接收符号序列之间的欧氏距离，输出其中欧氏距离最小的k₁个，作为整体候选检测列表，并送入解调器。其中，k₁是根据系统性能需求设定的小于或等于(k₀)ⁿ的自然数。

（3）解调器对输入的、包含有k₁个序列的整体候选检测列表进行解调，得到数量为k₁的候选待解交织列表，并送入解交织器。

（4）解交织器对输入的数量为k₁的候选待解交织列表进行解交织，得到数量为k₁的候选译码输入列表，并送入分组码译码器。

（5）分组码译码器分别对接收到的数量为k₁的候选译码输入列表进行译码：此时可以利用传统的分组码的代数译码方案，例如Berlekamp-Massey(BM)方案（参考文献J.L.Massey,“Shift-register synthesis and BCH decoding,”刊于IEEE Trans.Inform.Theory,vol.IT-15,pp.122-127,Jan.1969.）。译码器输出可以成功译码的码字，其个数为k₂，且k₂≤k₁。

（6）对成功译码的k₂个码字进行q-QAM调制，分别计算其调制符号序列与接收符号序列的欧氏距离，再将欧氏距离最小的一组码字序列判决为最优码字并输出。

以上操作就是本发明联合列表检测译码过程的全部操作内容。

本发明已由申请人进行了仿真实施试验，下面简要说明实施例的试验情况：

仿真试验的系统基本参数为：发送端和接收端均配置4根天线，调制方式采用QPSK。收发天线之间的无线信道服从准静态瑞利衰落信道，即信道衰落系数在一帧时长内保持不变，帧间的衰落系数相互独立。信道编码方案为eBCH，仿真试验在三种编码速率下的性能，即：eBCH（32,16），eBCH（32,21）和eBCH（32,26）。MIMO检测器采用QRD-M检测算法，令其最大枚举次数为16次，即k₀=16。令k₁=8，k₂=32，即eBCH译码次数为32次。

在对比方案中，接收端采用传统的迭代检测和译码技术方案。其中，设置迭代次数为4次；eBCH软输入软输出译码器采用Chase-2译码算法（参考文献D.Chase,“Class of algorithms for decoding block codes with channel measurementinformation,”刊于IEEE Trans.Info.Theory,vol.18,pp.170-182,Jan.1972.），令其译码次数为16次，则4次迭代过程总共需要64次译码。

通过实施例的数值仿真，对比了在不同编码速率下（即码率为0.5的eBCH（32,16），码率为0.65625的eBCH（32,21）和码率为0.8125的eBCH（32,26）），本发明联合列表检测译码方法与迭代检测译码方法的误码率（BER）性能。其仿真结果参见图3所示。由图3可知，在不同编码速率下，本发明实施例的误码性能都要优于对比方案中采用4次迭代下的误码性能，且编码速率越高，二者的性能差距也越大。

在固定编码速率条件下，即采用编码速率为1/2的eBCH（32,16）编码方式时，对比本发明的联合列表检测译码方法中采用不同译码次数时的误码（BER）性能，译码次数设置为1、8、16、32、64，其仿真结果参见图4所示。由图4可以看到本发明实施例在不同译码次数下的误码性能表现。随着译码次数的增加，误码性能逐渐提升。但是，复杂度随之加大。因此需要综合考虑复杂度与误码率性能等因素，选择合适的候选列表长度（即需要硬译码的次数），本发明实施例中，考虑候选列表长度为32。

为了进一步说明本发明在处理效率上的优势，现在分析本发明方法与传统的迭代检测译码方法的复杂度。进行对比的是采用4次迭代的传统迭代检测译码方法与本发明序列长度为32的联合列表检测译码方法的复杂度。迭代检测译码需要进行4次检测和4次软译码，且在该对比方案中，每次软译码等效于16次硬译码，所以传统的迭代检测译码方案共计需要4次检测，64次硬译码。本发明列表检测译码方案只需要进行1次检测和32次硬译码。因此，相比于迭代检测译码方案，采用联合列表检测译码方案的复杂度大大降低，同时获得误码性能的增益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种采用分组码的MIMO无线通信系统的复杂度固定的联合列表检测译码方法；其特征在于：使用列表生成器，从MIMO检测器的候选列表中产生信道译码器的候选输入码字列表，以避免传统的检测译码算法的迭代处理；并采用硬译码代替软译码，降低接收端的工作复杂度；然后列表生成器与译码器的联合处理，在MIMO信号空间和码字空间联合约束下实现统一候选符号序列空间构造，从而提高系统性能；所述方法包括下列操作步骤：

（1）在无线通信网络中采用多输入多输出技术，即发送端和接收端分别配置多根天线；

（2）发送端将原始比特序列送入线性分组码编码器得到一个码字，再对其进行交织和编码调制后，得到一个符号序列，并映射到多根天线上；然后利用多个时隙将该符号序列发送出去；

（3）接收端对接收到的各个时隙发送的部分符号序列分别进行MIMO检测，得到相应的部分候选检测列表，又用列表生成器将该多个时隙输出的部分候选检测列表合并为整体的检测列表；再将进行比较、排序操作后，输出的整体的候选检测列表送到解调器处理，得到候选待解交织列表；然后，将该候选待解交织列表经由解交织器处理得到的候选译码输入列表，送入线性分组码译码器进行译码；并从符合码字空间约束的译码结果中，挑选与整体接收符号序列的欧氏距离最近的一个码字作为联合处理的结果并输出；该步骤包括下列操作内容：

（31）接收端的MIMO检测器对每个时隙的接收信号进行MIMO检测后，输出该时隙的包含有k₀个序列的部分候选检测列表；并在完成每帧数据的接收与检测后，将该每帧时长内的所有n个部分候选检测列表送入列表生成器，其中，k₀是由系统性能需求设定的自然数，n是发射每帧信号所需的时隙数；

（32）列表生成器将该n个部分候选检测列表进行全排列，得到(k₀)ⁿ个整体的检测序列，从中选择与整个接收符号序列的欧氏距离最小的k₁组检测序列作为整体候选检测列表，其中，k₁是根据系统性能需求设定的小于或等于(k₀)ⁿ的自然数；

（33）列表生成器将所述包含k₁个序列的整体候选检测列表送至解调器进行映射后，生成数量为k₁个序列的候选待解交织列表；

（34）再把所述包含k₁个序列的候选待解交织的列表送入解交织器进行解交织处理，得到一个包含有k₁个序列的候选译码输入列表；

（35）该候选译码输入列表被送入分组码译码器进行硬判决译码操作，分组码译码器输出其中能够成功译码的码字序列作为候选码字，且该候选码字能够同时满足MIMO信号空间和码字空间联合约束的要求；

（36）比较该联合约束空间中的候选码字所对应的候选符号序列与整体接收符号序列的欧氏距离，选择其中欧氏距离最小的一个候选符号序列所对应的候选码字作为最优的联合处理输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）进一步包括下列操作内容：

（21）将一组待发送的原始信息比特输入分组码编码器，经过信道编码后输出相应的一个码字序列；

（22）将该码字序列输入交织器，得到交织后的码字序列；

（23）将交织后的码字序列输入调制器，得到一个调制符号序列；

（24）将该调制符号序列通过空时映射至各个发射天线上，利用n个时隙分别发送出去，其中，n是发射每帧信号所需的时隙数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（34）中的解交织器用于完成交织的逆过程，即解交织过程是在交织序列的基础上，将交织序列的各个比特恢复原有顺序，从而恢复原始比特序列。

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