CN102006251B - 一种MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法，包括以下步骤(1)缓存基带信号r，从缓存中取出基带信号r并对其进行线性均衡，对均衡后的各层基带信号进行判决，并由各层判决结果进一步得到各层发射符号的估计值

N_T表示MIMO无线通信系统的发射天线数；(2)对各层发射符号的估计值进行Turbo增强。本发明仅仅增加很少的复杂性，基本保持了原来解相关接收机的结构简单易实现的优点，同时可以使这种解相关接收机的性能得到显著提升，在复杂性和计算量没有很大增加的情况下，可以明显提高MIMO无线通信接收机的性能。

Description

一种MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法

技术领域

本发明涉及一种多天线无线通信传输方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着网络技术的发展，人们对接入网络的要求也不断提高，随时随地高速接入因特网已经成为越来越多的人们的重要需求，无线通信技术是可以满足人们上述需求的主要支撑技术，因此近年来宽带无线通信技术获得了迅猛发展。频谱效率一直是无线通信技术的研究重点，近年来基于收发两端采用多天线技术的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，以下简称MIMO)技术以其传统单天线技术所无法达到的频谱效率而受到广泛关注。MIMO和基于循环前缀(Cyclic Prefix，CP)技术的正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)以及单载波频域均衡(Single Carrier with Frequency DomainEqualization，SC-FDE)技术结合出现的MIMO-OFDM和MIMO-SCFDE成为未来宽带无线通信物理层传输的主要支撑技术。

MIMO利用丰富多径的无线传播环境中不同天线之间信道增益的不相关特性，获得高信道容量，从而提高整个系统的频谱利用率和可靠性。

图1给出了一个N_T×N_R的窄带MIMO无线通信系统示意图，这里N_T≤N_R，是一个空分复用无线通信系统，其中各模块的作用如下：

MIMO发射端处理模块1：产生要传输的信息比特，进行符号映射，射频、中频调制及基带处理。符号映射是将信源产生的信息比特根据所采用的符号映射方式映射到星座图对应点上。射频、中频调制及基带处理，是将信号调制到中频上进行中频放大，再做射频调制，最后将已调信号由天线发射。

射频、中频解调及基带处理模块2：将接收天线接收信号的频谱从射频或者中频上搬移到低频。在解调之前需要用频率同步数据纠正信号传输过程中引起的频偏。

线性均衡模块3：用均衡矩阵进行均衡。均衡方式可以选择以下两种均衡方式之一：迫零(Zero Forcing，ZF)均衡、最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)均衡。

判决输出模块4：根据系统所采用的判决方式，完成信号的判决并输出。

图1中N_T表示发射天线数，N_R表示接收天线数，这里只讨论MIMO系统的基带信号处理过程。在发端，

表示符号映射后的一维原始信号，(·)^T表示矩阵或向量的转置，典型的符号映射方式是各种进制数的QAM和PSK调制，这N_T个调制符号分别由N_T根发射天线发送，第i根发射天线发送的符号是s_i，i＝1，2，…，N_T；在MIMO通信系统中，习惯上称一根发射天线发射的信号为一层，不同发射天线对应不同层的发射信号，第i根发射天线发送的信号称为第i层；在发射端，由于在载波调制之前各层数据是离散的，习惯上称为符号或信息比特，载波调制后由于各层数据变成连续的波形，习惯上称为信号；在接收端，由于判决之前的各层数据是连续的波形，习惯上称为信号，由于判决的之后的各层数据变为离散的，习惯上称为符号或信息比特。设H为MIMO系统的信道矩阵，表示为

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& \·\·\·& h_{1N_T}\\ h_{21}& h_{22}& \·\·\·& h_{2N_T}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ h_{N_{R}1}& h_{N_{R}2}& \·\·\·& h_{N_R{N}_T}\end{array}\right]$

其中，Hⁱ表示矩阵的第i个行向量，H_i表示矩阵的第i个列向量。

发射信号s过MIMO信道，经过处理后N_R根接收天线接收到的等效基带信号为

                        r＝Hs+w

其中

r_l表示第l根接收天线接收到的信号，l＝1，2，…，N_R，

为接收端噪声向量， 为噪声方差。r为N_R×1维矩阵，w为N_R×1维矩阵。

采用线性均衡方式的MIMO接收机又称为去相关或解相关接收机(Decorrelator)，这种接收机用一个均衡矩阵D去乘以接收信号向量r完成对接收信号的解相关或均衡：

r_e＝Dr＝DHs+Dw

均衡后得到的不同层的信号可以直接进行判决，得到相应各层的信息比特，对判决后的信息比特按发射端符号映射方式重新进行符号映射，得到各相应层发射符号的估计值

当没有判决误码时，

常用的线性均衡方式有两种，即迫零(Zero Forcing，ZF)均衡和最小均方误差(MinimumMean Square Error，MMSE)均衡，这两种均衡方式的均衡矩阵不同，其中ZF均衡的均衡矩阵是信道矩阵H的广义逆(即M-P逆)H⁺

D_ZF＝H⁺

MMSE均衡的均衡矩阵是

$D_{\mathrm{MMSE}}={(H^{H}H+\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2}{E_s}{I}_{N_T})}^{-1}{H}^H$

其中，为噪声方差，

E_s表示每个发射符号的平均发射功率，(·)^H表示共轭转置。

采用上述线性均衡方式的MIMO-SCFDE解相关接收机结构简单易实现，但其性能往往较差。采用MMSE均衡方式的解相关接收机性能一般要比采用ZF均衡的解相关接收机性能好一些，但也经常不能满足实际需求，往往要结合纠错能力很强的纠错码系统，才可以实际应用。尽管如此，由于其简单性，3GPP LTE(Long Term Evolution)下行的MIMO-OFDM系统一般还是采用线性均衡(一般是MMSE均衡)方式进行接收端的处理，这可以大大节省接收机的制造成本。

基于顺序干扰抑制(Successive Inference Cancelation，SIC)的接收机，由于采用了很好的干扰抑制技术，使得不同层间的干扰大大减轻，性能一般显著优于仅基于线性均衡的解相关接收机。基于SIC的MIMO接收机的典型代表是Bell实验室G Foschini提出的BLAST(Bell Laboratories Layered Space-Time Architecture)接收机，其V-BLAST虽然受到学术界的广泛追崇，但由于复杂性过高以及对信道测量误差的敏感性，至今尚没有被工业界广泛接收。

基于线性均衡的解相关接收机虽然结构简单，被工业界广泛接受，但性能较差。

发明内容

本发明针对现有线性均衡接收机存在的性能较差的问题，提供一种既能保持解相关接收机结构简单易实现的优点，又能使其性能得到显著提升的MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法。必须指出，本发明的Turbo增强方法和纠错码中的Turbo码没有直接关系，本发明不依赖于任何一种纠错码。

本发明的MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法，包括以下步骤：

(1)缓存MIMO无线通信接收机接收到的基带信号r，从缓存中取出基带信号r并对其进行线性均衡，对均衡后的各层基带信号进行判决，并由各层判决结果进一步得到各层发射符号的估计值

N_T表示MIMO无线通信系统的发射天线数；

(2)对各层发射符号的估计值进行Turbo增强，对各层发射符号的估计值都进行一次增强称为一轮Turbo增强，根据对MIMO无线通信接收机性能和复杂性方面的要求，至少进行一轮Turbo增强。

上述各步骤的具体实现方法如下：

步骤(1)中，对缓存的基带信号r进行线性均衡可以采用ZF均衡或MMSE均衡；对均衡后的各层基带信号进行判决，得到各层的判决信息比特，将均衡后的基带信号进行判决的方法与普通MIMO无线通信接收机的方法相同；由各层判决信息比特得到各层发射符号估计值的方法是：根据各层判决得到的信息比特，采用与发射端相同的符号映射方式进行符号映射，得到各层发射符号的估计值

步骤(2)中，对各层发射符号的估计值进行一轮Turbo增强的具体方法如下：

是(1，…，N_T)的任意一个排列；根据步骤(1)得到的发射符号估计值

从

中取出第k₁层以外的其他各层发射符号的估计值，重构MIMO接收机接收到的第k₁层以外的其他各层发射信号；具体方法是，

k₁∈{1，2，…，N_T}是对MIMO接收机接收到的第k₁层发射信号的重构信号；

k₁∈{1，2，…，N_T}；n＝1，2，…，N_T是对MIMO接收机接收到的除第k₁层以外的N_T-1层发射信号的重构信号；再取出缓存的实际接收到的基带信号r，从r中减去第k₁层以外所有N_T-1层重构后的接收基带信号的和，即

n＝1，2，…N_T，将得到的基带信号z左乘

得到

然后对该层基带信号Z进行重新判决，得到第k₁层基带信号的新的判决符号，用第k₁层新的判决符号更新原第k₁层判决符号；再将第k₁层新的判决符号按发射端的符号映射方式进行符号映射，更新

中的

用相同的方法处理第k₂层基带信号，直至

层基带信号；每次重构接收机接收到的当前层以外的其他各层发射信号时，用最新更新过的

进行重构。采用不同的Turbo增强次序对性能有所影响。ZF均衡和MMSE均衡的Turbo增强方法相同。

可以按以下步骤具体实现各层基带信号的一轮Turbo增强：

①for 

② $z=r-\underset{n\≠i}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{s}}_n{H}_n,n=1,\·\·\·N_T$

③Z＝(H_i)⁺z

④c_i＝D(Z)

⑤ ${\hat{s}}_i=Q\left(c_i\right)$

⑥End

其中，Q(·)表示符号映射，D(·)表示判决，(·)_i表示矩阵的第i个列向量或行向量的第i个分量，(·)ⁱ表示矩阵的第i个行向量或列向量的第i个分量；步骤④中c为N_T×1维判决输出向量，c_i为c的第i个分量；步骤⑤中的

值更新，用于第一轮后面其它层的Turbo增强。

对各层发射符号的估计值进行多轮Turbo增强的具体方法如下：

设置最大Turbo增强的轮数T，2≤T≤N_T+2×log₂(M)，这里N_T表示MIMO无线通信系统的发射天线数，M是符号映射进制数(也称为调制进制数)；一轮Turbo增强后，比较Turbo增强前结果与Turbo增强后结果是否相同，若不相同，进行下一轮Turbo增强，直至前一轮Turbo增强结果与当前Turbo增强结果相同或到达Turbo增强的最大设置轮数T，多轮Turbo增强结束。多轮Turbo增强的每一轮的Turbo增强顺序可以不同。

本发明对线性均衡器输出的信号进行进一步的处理，仅仅增加很少的复杂性，基本保持了原来解相关接收机的结构简单易实现的优点，同时可以使这种解相关接收机的性能得到显著提升。在复杂性和计算量没有很大增加的情况下，可以明显提高MIMO无线通信接收机的性能。

附图说明

图1是MIMO无线通信系统的基本框图。

图2是实现本发明MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法的框图。

图3是本发明提出的MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法采用ZF均衡时的误比特曲线图。

图4是本发明提出的MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法采用MMSE均衡时的误比特曲线图。

图中：1、MIMO发射端处理模块，2、射频、中频解调及基带处理模块，3、线性均衡模块，4、判决输出模块，5、Turbo增强模块，6、输出模块。

具体实施方式

实施例给出的是本发明MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法采用MMSE均衡和ZF均衡的仿真结果，采用随机信道。采用不同的Turbo增强次序对性能有所影响，本实施例中采用的一轮和多轮Turbo增强的每一轮Turbo增强次序都是(k₁，k₂，k₃，k₄)＝(1，2，3，4)。

图2给出了实现本发明MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法的框图，本发明是针对图1所示空分复用系统的接收机进行改进，在图1给出的N_T×N_R的窄带MIMO无线通信系统的基础上增加了Turbo增强模块5和输出模块6，这两个模块的作用如下：

Turbo增强模块5：完成本发明所描述的排序和Turbo增强方法。

输出模块6：输出信号。

该实施例仿真参数：

仿真环境：MATLAB R2010a

信道矩阵：

是高斯随机信道矩阵的一个样本；高斯随机信道矩阵的每一个元素都是独立同分布的0均值Gaussian复随机变量。

发射天线数：4

接收天线数：4

调制方式：4QAM

纠错码：未采用

最大Turbo增强的轮数：T＝4

仿真的平均接收信噪比范围：SNR＝4～20(dB)

仿真中没有考虑信道估计误差和同步误差(包括载波同步误差、抽样率同步误差和帧定时同步误差)对系统的影响，即假设所有同步参数的误差都为0；没有考虑其他非理想因素的影响(例如器件的非线性等)。

仿真结果：

图3和图4是采用上述给出的高斯随机信道矩阵得到的仿真结果，采用的一轮和多轮Turbo增强的每一轮Turbo增强次序都是(k₁，k₂，k₃，k₄)＝(1，2，3，4)。

图3给出了本发明的方法采用ZF均衡的误比特曲线，并与没有进行Turbo增强的现有MIMO系统中的普通ZF均衡误比特能进行了比较。

图4给出了本发明的方法采用MMSE均衡的误比特曲线，与没有进行Turbo增强的现有MIMO系统中的普通MMSE均衡的误比特能进行了比较。

由图3和图4可以看出，本发明提出的MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法比普通的没有进行Turbo增强的MIMO无线通信接收机的性能得到很大改善。ZF均衡时，在10^-1到10^-2的范围内，本发明提出的MIMO无线通信接收机的一轮和多轮Turbo增强方法比普通的MIMO无线通信接收机的性能改善大约4dB到6dB。MMSE均衡时，在5×10^-2到5×10^-3的范围内，本发明提出的MIMO无线通信接收机的一轮和多轮Turbo增强方法比普通的MIMO无线通信接收机的性能改善大约2到6dB。

Claims (2)

1.一种MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）缓存MIMO无线通信接收机接收到的基带信号r，从缓存中取出基带信号r并对其进行线性均衡，对均衡后的各层基带信号进行判决，并由各层判决结果进一步得到各层发射符号的估计值

N_T表示MIMO无线通信系统的发射天线数；

（2）对各层发射符号的估计值进行Turbo增强，对各层发射符号的估计值都进行一次增强称为一轮Turbo增强，根据对MIMO无线通信接收机性能和复杂性方面的要求，至少进行一轮Turbo增强；

所述步骤（1）中对均衡后的各层基带信号进行判决，得到各层的判决信息比特；由各层判决信息比特得到各层发射符号估计值的方法是：根据各层判决得到的信息比特，采用与发射端相同的符号映射方式进行符号映射，得到各层发射符号的估计值 $\hat{s}={({\hat{s}}_1,...,{\hat{s}}_{N_T})}^T;$

所述步骤（2）中，对各层发射符号的估计值进行一轮Turbo增强的具体方法如下：

是(1,…,N_T)的任意一个排列；根据步骤（1）得到的发射符号估计值从

中取出第k₁层以外的其他各层发射符号的估计值，重构MIMO接收机接收到的第k₁层以外的其他各层发射信号；具体方法是，是对MIMO接收机接收到的第i层发射信号的重构信号，其中i∈{1,2,…,N_T}；

是对MIMO接收机接收到的除第k₁层以外的N_T-1层发射信号的重构信号，其中k₁∈{1,2,…,N_T};n＝1,2,…,N_T；再取出缓存的实际接收到的基带信号r，从r中减去第k₁层以外所有N_T-1层重构后的接收基带信号的和，即n＝1,2,…N_T，将得到的基带信号z左乘得到

然后对该层基带信号Z进行重新判决，得到第k₁层基带信号的新的判决符号，用第k₁层新的判决符号更新原第k₁层判决符号；再将第k₁层新的判决符号按发射端的符号映射方式进行符号映射，更新中的

用相同的方法处理第k₂层基带信号，直至

层基带信号；每次重构接收机接收到的当前层以外的其他各层发射信号时，用最新更新过的

进行重构。

2.根据权利要求1所述MIMO无线通信接收机的Turbo增强方法，其特征是：所述步骤（2）中对各层发射符号的估计值进行多轮Turbo增强的具体方法如下：

设置最大Turbo增强的轮数T，2≤T≤N_T+2×log₂(M)；一轮Turbo增强后，比较Turbo增强前结果与Turbo增强后结果是否相同，若不相同，进行下一轮Turbo增强，直至前一轮Turbo增强结果与当前Turbo增强结果相同或到达Turbo增强的最大设置轮数T，多轮Turbo增强结束，多轮Turbo增强的每一轮的Turbo增强顺序可以不同；所述最大Turbo增强的轮数T为2≤T≤N_T+2×log₂(M)，这里N_T表示MIMO无线通信系统的发射天线数，M是符号映射进制数。

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