CN102055566A - 基于信道分析的动态mimo检测算法与检测器结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速无线通信集成电路技术领域，具体为一种应用于MIMO无线通信系统中的动态信号检测算法与检测器结构。该检测算法在MIMO中根据各层的信道增益选择每层所需扩展的子节点数，信道增益大，则扩展节点数少，信道增益小，则扩展节点数多。根据MIMO系统中各层的信道增益选择每层所需扩展的子节点数，并用动态流水线的结构进行实现。它相比于传统的MIMO检测算法K-Best可节省30%～50%的节点扩展，硬件实现面积和功耗得到优化，更适用于移动无线通信。

Description

基于信道分析的动态MIMO检测算法与检测器结构

技术领域

本发明属于高速无线通信集成电路技术领域，具体涉及一种应用于多输入多输出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）无线通信系统中的动态信号检测算法与检测器结构。

背景技术

随着频谱资源的日趋紧张，为了满足人们对高速数据传输率的需求，MIMO技术被广泛应用于新型无线通信系统中（如IEEE802.11n、IEEE802.16e/m）。MIMO技术的引入，虽然带来了高速数据传输的益处，但是它也使得系统接收机变得非常复杂，这对集成电路小面积、低功耗的设计和实现更形成巨大的挑战。MIMO信号检测器是接收机中最为复杂的模块之一，对MIMO信号检测器的优化设计可以大大降低接收机的复杂度，因此以较低复杂度、较小的硬件开销和功耗实现高速、高质量的信号检测器是近年来的研究热点。

MIMO检测器的优化可以分为两个层次：一是对MIMO检测算法的设计优化；二是对MIMO检测器硬件实现的设计优化。

近年来对MIMO检测算法的研究取得了较大的成果，常用的MIMO检测算法包括迫零算法、最小均方误差算法、线性干扰抵消算法、K-Best算法、球形译码算法、最大似然算法。各检测算法在计算复杂度和检测误码率上各有不同，其中最大似然算法复杂度最高，检测无码率最小，而迫零算法复杂度最低，检测误码率最高。

对于MIMO检测器的电路设计，研究的重点在于结合实际检测算法提出合理的硬件框架，使得硬件设计能够利用流水线结构提高工作的时钟频率，且设计出的芯片面积最小。

从当前的研究现状可以看到， K-Best算法及其改进型算法以接近最大似然算法的高检测性能、固定复杂度以及单向搜索的特性，被广泛应用于基于并行流水线结构的高速超大规模集成电路（VLSI）实现中。为了进一步降低K-Best算法的硬件实现复杂度，不少研究者对K-Best算法进行改进，包括在K-Best算法中利用Schnorr-Euchner搜索策略、通过分组方式或预删除技术减少每层扩展的子节点数目等。然而这些都只针对信号检测本身进行简化和改进，忽略了信道信息对MIMO信号检测性能的影响，从而引入大量的冗余计算。为此，本发明在MIMO信号检测时利用信道信息简化算法，并设计出动态MIMO检测器结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高速数据传输的低复杂度、低功耗的MIMO检测算法与检测器结构。

本发明利用接收机中信道估计的信息，对MIMO信号检测中的K-Best算法进行简化。K-Best检测算法基于分层检测的原理，在每一层信号检测时，保留累积欧式距离最小的K个节点传递到下一层，直到所有层检测完毕，再选择最终欧式距离最小的路径作为检测结果输出。K-Best算法中如果每层保留的节点数K越小，那么正确路径被删除的概率就越大，相应地，如果每层保留的节点数K越大，那么检测正确的概率越高，但是需要存储的节点越多，需要扩展计算的节点也越多，检测器的实现就越复杂。

本发明提出的根据信道信息进行节点扩展的MIMO检测算法，是在MIMO中根据各层的信道增益选择每层所需扩展的子节点数，信道增益大，则扩展节点数少，信道增益小，则扩展节点数多。 

具体步骤为：

第一步，标记1~(2N-1)层中信道增益最大的n层；

第二步，检测j=2N层，扩展所有节点并计算欧式距离；

第三步，检测第j-1层：如果本层有标记，则每个父节点只扩展1个子节点，否则每个父节点扩展所有可能的子节点，然后每层最多保留累积欧式距离最优的K个子节点；

第四步，如果本层不是最后一层，继续第三步，否则选择累积欧式距离最小的路径作为检测结果。

对K-Best的每一层检测进行分解，如果每一层检测都保留了正确节点，那么最终肯定能够选择到正确路径。基于此，K-Best检测的性能可分解为每层的检测性能的交集。通过分析，每一层的检测性能除了与K值有关以外，还与该层的信噪比成正相关。所谓每一层的信噪比，可以由MIMO信道分解后的R阵对角元素来代表。在R阵中，对角线元素的绝对值大小代表了各层的信道增益，信道增益越大，该层的等效接收信噪比越高，则该层保留正确节点的概率越高。理论上推导为：

在N根发射天线和N根接收天线组成的MIMO系统中，接收信号y={y_i, i=1,…,N}表示为：

                                    (1)

其中，H={h_i,j, i=1,…,N, j=1,…,N}为信道矩阵，其元素被建模为相互独立的高斯变量；s={s_i, i=1,…,N}表示发射的符号向量，si代表星座映射点；n={n_i, i=1,…,N}表示加性高斯白噪声。MIMO信号检测即是在接收机中已知y和H，检测出发射信号向量s。

首先对式（1）进行实数分解，然后对H矩阵进行QR分解，其中Q为U阵，R为上三角阵。在式（1）的两边分别乘以Q矩阵的共轭，可得到：

                                (2)

其中，

。

以N=2为例，式（2）的矩阵形式如式（3）所示（由于实数分解，接收信号的宽度变为天线数的两倍）：

                  (3)

对于式（3），从第4层到第1层的分层检测中，可以得到每一层发射信号的估计值为：

      (4)

从式（4）中可以看到，噪声

对信号检测的影响因子为式中的第二项，

越大，那么噪声对于

的影响越小，因此信号检测越可靠。本发明基于这样的分析和仿真（如图1所示），利用预先获得的信道信息，将K-Best算法改进为：每层扩展的节点数根据增益信息动态变化，对于增益大的层次扩展较少的节点，对于增益小的层次扩展较多的节点，在保证检测正确路径的前提下减少不必要的节点扩展计算，简化整个检测器。

本发明设计了一种动态的MIMO检测器结构。对于无线移动通信来说，由于移动性，发射机和接收机之间的信道总是变化的。当信道变化之后，K-Best算法中的各层增益就会发生变化，从而使得MIMO检测器对每层扩展的节点数进行改变。这就要求MIMO检测器有动态适应的功能。如果利用传统的K-Best算法进行设计，只是在每层动态控制是否扩展节点，虽然能够节省功耗，但是在硬件面积上没有任何改进。本发明设计的动态MIMO检测器，根据算法要求确定出整体扩展的最少的节点数，然后根据每层信道增益进行动态重构，调用需要扩展的节点数。

本发明设计的动态MIMO检测器结构，其特征在于：对于简化的层扩展一个节点，对于不简化的层扩展所有节点；采用流水线的结构对每一层进行检测，以达到高速数据传输的要求；接收信号y在减去所有已检测层的信号干扰后，由动态可重构模块根据信道信息R决定需要扩展的节点数，并选择相应的节点扩展模块进行检测，检测结果也通过动态可重构模块传送给下一检测层进行干扰抵消；当信号通过整个流水线以后，则检测完所有的层，通过排序模块对累积欧式距离进行排序，最终检测出信号输出。

动态MIMO检测器的结构的一个例子如图4所示（以4×4的MIMO系统为例），包含的模块有：第2N层检测模块、干扰抵消模块、动态可重构模块、一个节点扩展模块、所有节点扩展模块、排序模块。在4×4的MIMO系统中共有8层需要检测，通过仿真确定扩展的节点数为：首先检测的一层扩展并保留所有节点（为了防止错误传播），对于在其它层中R对角元素最大的四层，每个父节点扩展一个子节点，余下的三层每个父节点扩展所有节点。检测过程如下：经过预处理的接收信号y首先检测第2N层的信号，保留所有子节点；然后通过干扰抵消模块消去第2N层的信号对下一层的影响；动态可重构模块根据信道信息确定下一层需要扩展的节点数，如果下一层应扩展一个子节点，则将待检测信号送入一个节点扩展模块中，如果下一层应扩展所有子节点，则将待检测信号送入所以节点扩展模块中。在节点扩展的同时，需计算出达到该节点处的累积欧式距离。当节点扩展完成后，动态可重构模块将扩展的节点和累积欧式距离送给下一层干扰抵消模块，进行下一层的检测。动态可重构模块是动态流水线的核心部分，如图5所示，其实现过程为：比较R阵的对角元素的大小，标记7位的指示信号SIG，SIG的每一位代表每一层所需选择的节点扩展模块，如果SIG的相应位为’1’，表示这一层的每个父节点需扩展所有子节点，如果SIG的相应位为’0’，表示这一层的每个父节点需扩展一个子节点。通过对SIG信号的译码操作，由译码结果控制并行多路选择器，实现干扰抵消模块与不同节点扩展模块间的动态连接。当信号通过整个流水线以后，则检测完所有的层，通过排序模块对累积欧式距离进行排序，选择累积欧式距离最小的路径最终检测信号输出。

本发明中的检测器在硬件实现上没有任何冗余的节点扩展，使得设计的面积大大降低，而且由于计算复杂度降低，功耗随之减少。此检测器在性能上相较于传统K-Best检测器没有明显差异。

附图说明

图1 分层检测的性能与信道增益的关系。

图2 本发明中的节点扩展算法流程图。

图3 本发明中的检测算法误码率仿真图。

图4 本发明的动态MIMO检测器结构。

图5 本发明中的动态控制模块。

具体实施方式

当扩展的子节点数目不同时，本发明对各层信号检测错误率与信道增益的关系进行仿真，验证检测错误率与信道增益成负相关关系，也即信道增益越大，检测错误率越低。仿真结果如图1所示，其中abs(R(i,i))表示R阵的第i个对角元素的绝对值，即第i层的信道增益。仿真结果表明，在信道增益（右轴）较大的层，无论扩展子节点数目的多少，检测错误的概率（左轴）非常接近，如第1、4、8层；而在信道增益较小的层，扩展子节点数目少的算法的检测错误概率比扩展子节点数目多的算法大得多，如第5、7层。

图2为本发明的信号检测算法流程图。该算法可描述为：第一步，标记1~(2N-1)层中信道增益最大的n层；第二步，检测j=2N层，扩展所有节点并计算欧式距离；第三步，检测第j-1层：如果本层有标记，则每个父节点只扩展1个子节点，否则每个父节点扩展所有可能的子节点，然后每层最多保留累积欧式距离最优的K个子节点；第四步，如果本层不是最后一层，继续步骤三，否则选择累积欧式距离最小的路径作为检测结果。在天线阵列为4×4的MIMO系统中，分别用QPSK、16QAM调制对这种算法进行了性能仿真，结果如图3所示。可见，这种算法的性能与传统算法相比几乎保持不变，而扩展的节点数可节省30%～50%。

本发明所设计的动态MIMO检测器的结构如图4所示，以4×4的MIMO系统为例，简化的层扩展一个节点，不简化的层扩展所有节点。此检测器采用流水线的结构对每一层进行检测，可达到高速数据传输的要求。接收信号y在减去所有已检测层的信号干扰后，由动态可重构模块根据信道信息R决定需要扩展的节点数，并选择相应的节点扩展模块进行检测，检测结果也通过动态可重构模块传送给下一检测层进行干扰抵消。当信号通过整个流水线以后，则检测完所有的层，通过排序模块对累积欧式距离进行排序，最终检测出信号输出。

动态可重构的流水线结构由动态可重构模块实现，其结构如图5所示。其实现过程为：比较R阵的对角元素的大小，标记7位的指示信号SIG。通过对SIG信号的译码操作，由译码结果控制检测输入动态连接模块将7层待检测信号通过并行多路选择器连接到相应的检测模块，而另一组译码结果控制干扰抵消动态连接模块将本层的保留节点通过并行多路选择器连接到下一层的干扰抵消模块。第一层的保留节点和累积欧氏距离送到后一个模块，以便选择距离最小的路径作为检测输出。

Claims (4)

1.一种根据信道信息进行节点扩展的MIMO检测算法，其特征在于：在MIMO中根据各层的信道增益选择每层所需扩展的子节点数，信道增益大，则扩展节点数少，信道增益小，则扩展节点数多。

2.根据权利要求1所述的MIMO检测算法，其特征在于具体步骤为：

第一步，标记1~(2N-1)层中信道增益最大的n层；

第二步，检测j=2N层，扩展所有节点并计算欧式距离；

第三步，检测第j-1层：如果本层有标记，则每个父节点只扩展1个子节点，否则每个父节点扩展所有可能的子节点，然后每层最多保留累积欧式距离最优的K个子节点；

第四步，如果本层不是最后一层，继续步骤三，否则选择累积欧式距离最小的路径作为检测结果。

3.根据权利要求1或2所述的检测算法设计的动态MIMO检测器，其特征在于：采用动态流水线的结构，根据信道增益信息动态选择每层的节点扩展模块，从而构成MIMO检测器。

4.根据权利要求3所述的动态MIMO检测器，其特征在于：对于简化的层扩展一个节点，对于不简化的层扩展所有节点；采用流水线的结构对每一层进行检测，以达到高速数据传输的要求；接收信号y在减去所有已检测层的信号干扰后，由动态可重构模块根据信道信息R决定需要扩展的节点数，并选择相应的节点扩展模块进行检测，检测结果也通过动态可重构模块传送给下一检测层进行干扰抵消；当信号通过整个流水线以后，则检测完所有的层，通过排序模块对累积欧式距离进行排序，最终检测出信号输出。

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