CN101977088A - 多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球型检测方法。本方法主要是在MIMO-OFDM系统的检测机端引入了一种改进的球型译码算法。此算法是在传统球型译码选择半径问题上改进，通过对信号进行QR检测预处理，以处理后结果和原信号之间的欧式距离作为初始半径进行检测。此算法应用在MIMO-OFDM系统中，在得到较好误码性能的前提下有效地降低了系统的复杂度。

Description

多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体的，涉及一种多输入多输出-正交频分复用MIMO-OFDM(Multiple Input and Multiple Output，MIMO-Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)系统的球型检测方法。

背景技术

多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)技术作为未来宽带无线通信的关键技术，它充分利用空间资源以提高频谱效率，在不需要损失频带和发射功率资源的前提下，能有效的提高系统能量。但它却无法克制多径衰落现象。正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)技术通过把高速数据分配至多个相互正交的子载波上进行传输，把频率选择性衰落信道变成了平坦衰落信道，可以有效地对抗多径衰落。MIMO-OFDM系统将两者的优势集合，有着更高的实用意义。传统的MIMO-OFDM系统的检测算法有迫零检测(ZF)，最小均方误差检测(MMSE)，最大似然检测(ML)等。其中ML可以得到最好的误码性能，但其复杂度也是非常高，往往难以应用；基于树搜索的球型算法可以逼近ML的误码性能，且复杂度与ML算法相比显著降低。球型算法主要解决两个问题(1)半径的选取(2)判断某一星座点是否在搜索范围内。其中半径的选取直接影响到算法的性能，如果半径选取过大会导致搜索范围过大，复杂度会接近ML的指数级增长，如果半径选取过小可能导致搜索失败，重新搜索。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种多输入多输出-正交频分复用无线通信系统检测方法，提高系统的运算性能，大为减少系统运算时间，在得到较好误码性能的前提下有效地降低系统的复杂度。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球型检测算法，其特征在于首先对信号进行QR预处理，并以预处理结果和原信号之间的欧式距离作为初始半径，具体操作步骤如下：

(1)输入发射信号、信道、噪声；

(2)对信号进行OFDM处理；

(3))将处理后的信号进行QR检测得次优解

(4)选取初始半径C₀：将判决结果

与原信号y之间的欧式距离作为球型算法的初始半径C₀；

(5)进行球型译码检测，得到最终结果，其步骤如下：

(5.1)令初始半径为C₀，设信号向量

搜索首先从最后一层第M层开始，以C₀为半径确定第M层搜索范围；

(5.2)在椭球内搜索发射信号的星座点；

(5.3)当搜到一个星座点s，那么

且以此信号与原信号的欧式距离作为新的半径，回到步骤5.2，继续搜索发射信号的星座点；

(5.4)否则，转到下一层重复搜索，

(5.5)直到第一层将已搜索到的

作为搜索结果经星座图逆映射并串转换后输出。

在步骤(2)中，OFDM处理分为以下几个步骤：首先将发射信号串并转换为M层并行数据流，在每个子载波上通过星座图映射后；再经傅里叶反变换将信号从频域调制到时域，为防止符号间干扰在信号前加循环前缀CP；最后在接收端经过信道衰落和噪声影响后的信号，首先去循环前缀CP，再对信号进行傅里叶变换解调后输出。

在步骤(3)中，将处理后的信号进行检测得次优解是：将OFDM处理后的信号，在每个子载波上进行QR检测，根据QR检测原理：

对于MIMO-OFDM系统中有：

y_K＝H_KS_K+n_K，K＝0，1，...N-1，                        (1)

式中S_K，y_K，n_K，H_K分别表示发射天线向量S_n，接收向量y_n，加性白噪声n_n，信道矩阵脉冲响应H_n的FFT变换，K为第k个子载波数。

对信道矩阵进行QR分解：

其中Q是一个M×N的酉矩阵，满足Q^HQ＝I_M，Q^H是Q矩阵的共轭转置，I_M是M×M的单位矩阵，而R是一个N×N阶上三角矩阵，对(1)式左乘Q^H可得：

上式中y′＝Q^Hy，N＝Q^Hn，从第N层开始检测。

则得到第i层判决结果为 $s_i=Q\left[\frac{{y^{\′}}_i-\underset{j=i+1}{\overset{\mathrm{nt}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{s}_j}{r_{\mathrm{ii}}}\right]$

其中Q[·]函数是表示根据星座图对检测信号的硬件判决解调，r_ii为R矩阵的元素。在以上步骤中，步骤(4)是此发明的重点，他将信号进行QR检测得到的结果作为预判结果与原信号之间的欧式距离作为球型译码的初始半径。则初始半径

y为原接收信号，y_QR为经QR检测后所得信号。

在步骤(5)中，以C₀为初始半径进行球型译码，球型译码算法原理如下：

若球型算法是在半径为C的球内搜索，则需满足：

C²≥||y-HS||                                (4)

那么球型算法就要解决以下两个问题：(1)C的选择；(2)判断任意格点是否在以y为圆心，C为半径的圆内。显然半径的选择直接影响系统复杂度，半径太大可能导致过多信号落入球内，因而可能产生较高复杂度。而半径太小可能导致球内无信号，以至于搜索失败。

将上式的H进行QR分解可得

$H=Q\left[\begin{array}{c}R\\ 0_{(N-M),M}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中R是一个M×M上三角矩阵；Q＝[Q₁，Q₂]是N×N的酉矩阵，矩阵Q₁和Q₂分别由矩阵Q的前M列和后N-M列组成。

将(2)式代入(1)式可得

$C^2\≥||\begin{array}{c}y-[Q_1,Q_2]\left[\begin{array}{c}R\\ 0\end{array}\right]\end{array}S||=||\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{Q}_1^H\\ Q_2^T\end{array}\right]y-\left[\begin{array}{c}R\\ 0\end{array}\right]\end{array}S||={\left|\right|Q_1^{H}y-\mathrm{RS}\left|\right|}^2+{\left|\right|Q_2^{H}y\left|\right|}^2$

${\left|\right|Q_1^{H}y-\mathrm{RS}\left|\right|}^2\≤C^2-{\left|\right|Q_2^{H}y\left|\right|}^2$

$\left|\right|y^{\′}-\mathrm{RS}\left|\right|\≤C^{\′2}---\left(6\right)$

其中

由于R为上三角矩阵则有：

$\underset{l=i}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{y^{\′}}_j-\underset{z=j}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{j,l}{S}_l\left|\right|}^2={\left|\right|{y^{\′}}_M-R_{M,M}{S}_M\left|\right|}^2+---\left(7\right)$

${\left|\right|{y^{\′}}_{M-1}-R_{M-1,M}{S}_{M-1}-R_{M-1,M-1}{S}_{M-1}\left|\right|}^2+...\≤C^{\′2},i=\mathrm{1,2},...M$

S_i为第i层上的星座点。

由此可得S_M的取值范围为：

在式(8)的椭球内，在每个子载波上，首先搜索出第M层的星座点s_M，那么信号向量

令

可以得到新的半径，重复(搜索)，若搜索为空则转入下一层更新搜索范围继续搜索，直到第一层搜索完将所得信号

进行星座图逆映射、并串转换后输出。

本发明的与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：(1)由于在进行球型算法之前，已经完成了一次QR求解过程，而球型算法采用的初始半径为QR所得解和原信号之间的欧式距离，故在球型算法搜索星座点过程中，至少搜索到一个解，不存在搜索失败，大大提升了算法性能。(2)球型算法本身需要做一次QR分解，而之前的QR预处理已经完成此运算，故在球型算法过程中可省略QR分解步骤，大大减小系统运算时间。此算法应用于MIMO-OFDM系统中有着较优的性能，在得到较好的误码性能的前提下有效地降低了系统的复杂性。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图

图2为MIMO-OFDM系统框图

图3为本发明用于MIMO-OFDM系统中，经matlab仿真后，不同检测算法得到的误码率输出曲线。

图4为本发明系统中基于QR球型译码与基于ZF球型译码在MIMO-OFDM系统中，经matlab仿真后，仿真时间曲线。

具体实施方式

本多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法，其特征在于首先对信号进行QR预处理，并以预处理的结果和原信号之间的欧式距离作为初始半径。下面将参考附图详细说明本实施例的实施过程：

如图1所示，表示了本实施例的球型算法在MIMO-OFDM系统中经过matlab仿真的流程图。流程图的左半边为OFDM的处理部分，发送天线数为nt，接收天线数为nr，令nt＝nr＝M。在每个子载波上，输入数据流串并转复用为M层，然后经星座图映射进行IFFT变换，为了抑制符号间干扰ISI，每个数据快前加循环前缀CP。在接收端经过信道衰落后，去除循环前缀CP再进行FFT后解调。这样N个相互正交的子载波的信号模型在频域上等价为N个平行的平坦衰落信道，输入输出关系式如下：

y_K＝H_KS_K+n_K，K＝0，1，...N-1，        (9)

式中S_K，y_K，n_K，H_K分别表示发射天线向量S_n，接收向量y_n，加性白噪声n_n，信道矩阵脉冲响应H_n的FFT变换，K为第k个子载波数。

H_i，j，K表示发射天线i和接收天线j之间在第K个子载波上信道脉冲响应的傅里叶变换。

$y_k=H_{i,K}{S}_{i,K}+\underset{j\≠i}{\overset{\mathrm{nr}}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{j,K}{S}_{j,K}+n_K,K=\mathrm{0,1},...N-1,---\left(11\right)$

由式(11)可看出，接收信号是所有发射天线发射信号和噪声的叠加。

流程图的右半边为本发明中球型算法原理，它分为以下几个步骤：

步骤1：对发射信号在每个子载波上进行QR检测得到判决结果s_i，求出次优解y_QR。

步骤2：设球型译码初始半径为C₀则 $C_0=\left|\right|y-{\hat{y}}_{\mathrm{QR}}\left|\right|.$

步骤3：以C₀为初始半径在由式(7)确定的椭球内(UB(K)为上界，LB(k)为下界)从第M层搜索星座点，当搜索到星座点后，以此星座点与原信号的欧式距离作为新的半径，重新更新搜索范围，继续搜索发射信号的星座点。

步骤4：如果在椭球内没有搜索到星座点，转入上一层直到第一层将搜索到的信号集

作为结果，经过星座图逆映射以及并串转换后输出。

如图3所示，本实施例是在matlab仿真中采用4发4收天线的MIMO-OFDM系统，16子载波和4采样点的循环前缀，经串并转换后产生4路的独立数据流，发射信号未编码，采用4QAM调制，噪声是均值为0、方差为σ²＝1的复高斯随机变量，信道矩阵H中的元素均为零均值对称的独立同分布的复高斯随机变量。进行50次仿真取平均值，最终得到基于QR的球型译码检测方法与ZF检测和串行干扰抵消(OSIC)检测在MIMO-OFDM系统中信噪比(SNR)-误码率(BER)曲线比较图。由于本发明方法是在指定半径内搜索星座点，所以算法上大大优于ZF和OSIC检测，其误码性能也有较大提高。

如图4所示，matlab仿真条件与图2完全相同，在MIMO-OFDM系统中经过ZF预处理的球型译码算法时间要多于本实施例方法，因为本实施例方法在进行预处理时已经对信号进行QR分解，而在球型译码过程中本身也需要进行QR分解，故本发明方法只需要进行一次QR分解，从而复杂度有了降低。所以在时间曲线上基于QR的球型译码要优于基于ZF的球型译码。

Claims (5)

1.一种多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法，其特征在于首先对信号进行QR预处理，并以预处理的结果和原信号之间的欧式距离作为初始半径。具体步骤如下：

(1)输入发射信号、信道、噪声；

(2)对信号进行OFDM处理；

(3)将处理后的信号进行QR检测得次优解

(4)选取初始半径C₀：将判决结果

与原信号y之间的欧式距离作为球型算法的初始半径C₀；

(5)进行球型译码检测，其步骤如下：

(5.1)令初始半径为C₀，设信号向量

以C₀为半径，从最后一层开始确定搜索范围；

(5.2)在一个椭球内搜索发射信号的星座点；

(5.3)当搜到一个星座点s，那么

且以此信号与原信号的欧式距离作为新的半径，回到步骤5.2，继续搜索发射信号的星座点；

(5.4)否则，转到上一层更新搜索范围重新搜索，

(5.5)直到第一层将已搜索到的

作为搜索结果经星座图逆映射后输出。

2.如权利要求1所述的多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法，其特征是所述的步骤(2)中，对信号进行OFDM处理的步骤是：首先，将发射信号串并转换为M层并行数据流，在每个子载波上通过星座图映射后；其次，通过傅里叶反变换将信号从频域调制到时域，为防止符号间干扰在信号前加循环前缀CP；最后，在接收端经过信道衰落和噪声影响后的信号，首先去循环前缀CP，再对信号进行傅里叶变换解调后输出。

3.如权利要求1所述的多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法，其特征是所述的步骤(3)中，将处理后的信号进行QR检测得次优解

是：对所得信号在每个子载波上进行QR检测，得到QR检测的次优解。

4.如权利要求1所述的多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法，其特征是所述的步骤(4)中，选取初始半径C₀是：将初始半径C₀选取为QR检测所得次优解与原信号之间的欧式距离，即为

5.如权利要求1所述的多输入多输出-正交频分复用无线通信系统的球形检测方法，其特征是所述的步骤(5)中，进行球型译码检测是：以步骤(4)所得的C₀为初始半径，从第M层开始，令i＝M代入下式

$\underset{l=i}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{y^{\′}}_i-\underset{z=i}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i{S}_l\left|\right|}^2={\left|\right|{y^{\′}}_M-R_{M,M}{S}_M\left|\right|}^2+$

${\left|\right|{y^{\′}}_{M-1}-R_{M-1,M}{S}_{M-1}-R_{M-1,M-1}{S}_{M-1}\left|\right|}^2+...\≤C^{\′2},i=\mathrm{1,2},...M$

其中M为发射信号层数，y′＝Q^Hy，

y为原信号，Q、R为信道矩阵QR分解所得；得搜索范围在椭球范围内搜索星座点，每次搜索到信号星座点后，用所得信号计算出新的半径，更新搜索范围重新搜索。如果在椭球内没有搜索到星座点，转入上一层更新范围重新搜索，直到第一层，因为初始半径选取是以QR所得解与原信号之间的欧式距离，故在椭球范围内至少存在一个星座点就是原QR所得解，不存在搜索失败增加半径的情况，所以直接将所得信号集

经星座图逆映射、并串转换后输出。

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