CN102201895B - 多入多出解调的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多入多出解调的方法和装置，属于移动通信领域。该方法包括：接收载波信号，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，并记录所述载波估计信号中各载波估计值相对所述接收载波信号的放大倍数；获取最小放大倍数，以该最小放大倍数为标准，将所述各载波估计值统一到该标准上，得到统一定标的载波信号；对所述统一定标的载波信号进行解调，输出软信息；根据预设的量化步长对软信息进行量化，输出量化软信息。该装置包括：解多入多出单元、统一定标单元、解调单元和量化单元。本发明的技术方案可以省了算法时间和内存资源，提高了系统的性能。

Description

多入多出解调的方法和装置

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及一种低复杂度的多入多出MIMO(MultiInput and Multi Output)解调的方法和装置。

背景技术

多入多出是指在发射机和接收机分别使用多个发射天线和接收天线，信号经过合理组合，这种组合既有人为组合(如对各天线加权)，也有自然组合(如空间信道的作用)，使每个MIMO用户的性能得到提高。图1所示为两发两收的MIMO系统的一个示例。MIMO系统的一个主要特征就是把在传统意义上认为有害的信号多径传播转变为有利因素。它充分利用了通道随时间随机衰落以及多径延迟扩展来成倍地提高传输速度，同时并不需要增加系统的带宽。

目前，MIMO系统在接收机的检测算法主要有迫零算法(ZF，Zero-Forcing)，最小均方误差算法(MMSE，Minimum Mean Squared Error)，判决回馈译码算法(DFD，Decision-Feedback Decoder)，最大似然译码算法(MLD，Maximum Likelihood Decoding)，最大后验概率(MAP，Maximum aPosteriori estimation)算法，贝尔实验室分层空时处理算法(BLAST，BellLaboratory Layered Space-time)。在这些方法的基础上，结合算法复杂度和性能特点，还有迭代MMSE，迭代VBLAST，球型解码(Spherical Decoding)等MIMO解调方法。

ZF算法是复杂度最低的算法，但其未考虑信道噪声影响，解调性能差，在真正的通信系统中，容错性能低。MLD、MAP以及BLAST算法都是性能较好的解MIMO方法，但是其算法复杂度与发送天线个数成指数级增长，不适用于处理性能复杂度受限的系统。迭代MMSE，迭代VBLAST，球型解调方法较MLD、MAP和BLAST是损失性能获取了复杂度的降低。

发明内容

本发明主要目的是提供一种多入多出解调的方法和系统，以解决现有技术中解MIMO复杂度高的缺点，技术方案如下：

一种多入多出解调的方法，包括：

接收载波信号，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，并记录所述载波估计信号中各载波估计值相对所述接收载波信号的放大倍数；

获取最小放大倍数，以该最小放大倍数为标准，将所述各载波估计值统一到该标准上，得到统一定标的载波信号；

对所述统一定标的载波信号进行解调，输出软信息；

根据预设的量化步长对软信息进行量化，输出量化软信息。

进一步地，所述根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，包括：

当接收机和发射机具有相同的天线数量，且通道矩阵H为满秩时，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用直接求伪逆法得到载波估计信号；或

根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用QR分解方式发射载波信号的载波估计信号。

进一步地，对所述统一定标的载波信号进行解调，输出软信息，包括：

从统一定标的载波信号中选取幅度最大的信号的无效符号位个数a，将统一定标的载波信号统一放大2的a次方，然后按载波进行循环，其中，a为自然数；

根据载波调制方式输出所述软信息。

进一步地，将所述软信息按照预设的量化步长输出量化软信息，包括：

确定量化区间；

根据软件信息采用的长度确定量化步长；

判断所述软信息是否在所述量化区间内，如果不是，则将软信息限制在所述量化区间范围，将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息；如果是，则将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息。

一种多入多出解调的装置，包括：

解多入多出单元，用于接收载波信号，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，并记录所述载波估计信号中各载波估计值相对所述载波信号的放大倍数；

统一定标单元，用于获取最小放大倍数，以该最小放大倍数为标准，将所述各载波估计值统一到该标准上，得到统一定标的载波信号；

解调单元，用于对所述统一定标的载波信号进行解调，输出软信息；

量化单元，用于根据预设的量化步长对软信息进行量化，输出量化软信息。

进一步地，所述解多入多出单元根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，包括：

当接收机和发射机具有相同的天线数量，且通道矩阵H为满秩时，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用直接求伪逆法得到载波估计信号；或

根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用QR分解方式发射载波信号的载波估计信号。

进一步地，所述解调单元，具体用于从统一定标的载波信号中选取幅度最大的信号的无效符号位个数a，将统一定标的载波信号统一放大2的a次方，其中，a为自然数，然后按载波进行循环；根据载波调制方式输出所述软信息。

进一步地，所述量化单元，具体用于确定量化区间；根据软件信息采用的长度确定量化步长；判断所述软信息是否在所述量化区间内，如果不是，则将软信息限制在所述量化区间范围，将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息；如果是，则将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息。

在本发明实施例中，通过分别求出发射载波信号的载波估计信号，记录载波估计信号的各载波估计值的不同放大倍数，以最小放大倍数为标准，将各载波估计值统一到该标准，然后解调过程中对输出的软信息进行量化，最终输出量化软信息，克服了现有技术中的解MIMO复杂度高的缺点，节省了算法时间和内存资源，提高了系统的性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的两发两收的MIMO系统示意图；

图2是本发明实施例提供的多入多出解调的方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的多入多出解调的方法的详细流程图；

图4是本发明实施例提供的解MIMO单元获取载波估计值的流程图；

图5是本发明实施例提供的解调单元进行解调的流程图；

图6是本发明实施例提供的量化单元进行解调的流程图；

图7是本发明实施例提供的一种入多出解调的装置的结构图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：通过求出发射载波信号的载波估计信号，记录载波估计信号的各载波估计值的不同放大倍数，以最小放大倍数为标准，将各载波估计值统一到该标准，然后解调过程中对输出的软信息进行量化，最终输出量化软信息，克服了现有技术中的解MIMO复杂度高的缺点，节省了算法时间和内存资源，提高了系统的性能。

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明实施例提供了一种多入多出解调的方法，如图2所示，包括：

步骤21，接收载波信号，根据该接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，并记录载波估计信号中各载波估计值相对该接收载波信号的放大倍数；

步骤22，获取最小放大倍数，以该最小放大倍数为标准，将该各载波估计值统一缩小到该标准上，得到统一定标的载波信号；

步骤23，对该统一定标的载波信号进行解调，输出软信息；

步骤24，根据预设的量化步长对软信息进行量化，输出量化软信息。

进一步地，该根据该接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，MMSE算法检测表达式为 $\stackrel{\mathrm{\Λ}}{s}={(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{H}r,$ 其中，σ²为噪声功率，可由噪声n得到，I为单位矩阵，通道矩阵H由发射机采用的编码矩阵A和信道估计矩阵H_tmp相乘得到，包括：

当接收机和发射机具有相同的天线数量，且通道矩阵H为满秩时，可以采用直接求伪逆法得到载波估计信号：

计算G＝H^HH+σ²I；

对矩阵G求逆得到G′，设矩阵1/|G|＝b*2^expn，记录b和expn的值，其中，expn为负的整数，它与除法的精度有关，该值的绝对值越大，精度高。例如，当数据位数确定为16位时，expn＝-16，1/|G|＝b*2^-16，此时得到乘系数b的值；当数据位数确定为32位时，expn＝-32，1/|G|＝b*2^-32，此时也会得到乘系数b的值；但expn＝-32与其获得的b所表示的1/|G|精度会高于expn＝-16。

计算E＝G′*H^H，截位得到E′；

计算F＝E′*b，截位得到F′；

计算 $\hat{s}=F^{\′}*r,$ 截位得到发射载波信号的载波估计信号，其中，r为接收载波信号。

进一步地，该根据该接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，包括：

采用QR分解方式对通道矩阵H进行如下分解：

构造矩阵 $\stackrel{\‾}{H}=\left[\begin{array}{c}H\\ \mathrm{\σI}\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{r}=\left[\begin{array}{c}r\\ 0\end{array}\right],$ 则

${\stackrel{\‾}{H}}^H\·\stackrel{\‾}{H}=\left[\begin{array}{cc}{H}^H& \mathrm{\σI}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}H\\ \mathrm{\σI}\end{array}\right]=H^H\·H+{\mathrm{\σ}}^{2}I$

${\stackrel{\‾}{H}}^H\·\stackrel{\‾}{r}=\left[\begin{array}{cc}{H}^H& \mathrm{\σI}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}r\\ 0\end{array}\right]=H^H\·r$

其中，r为接收载波信号；

对H做QR分解，令 $\stackrel{\‾}{H}=\stackrel{\‾}{Q}\·\stackrel{\‾}{R},$ 则Q为正交矩阵，R为上三角矩阵；

因此有

$\hat{s}={({\stackrel{\‾}{H}}^H\·\stackrel{\‾}{H})}^{-1}\·{\stackrel{\‾}{H}}^H\·\stackrel{\‾}{r}={({(\stackrel{\‾}{Q}\·\stackrel{\‾}{R})}^H\·\stackrel{\‾}{Q}\·\stackrel{\‾}{R})}^{-1}{(\stackrel{\‾}{Q}\·\stackrel{\‾}{R})}^H\·\stackrel{\‾}{r}$

根据该式可以获得QR分解下的发射载波信号的载波估计值。

进一步地，该统一定标的载波信号进行解调，输出软信息，包括：

从统一定标的载波信号中选取幅度最大的信号的无效符号位个数a，将统一定标的载波信号统一放大2的a次方，然后按载波进行循环，其中，a为自然数；

根据载波调制方式输出该软信息。

进一步地，将该软信息按照预设的量化步长输出量化软信息，包括：

确定量化区间；

根据软件信息采用的长度确定量化步长；

判断该软信息是否在该量化区间内，如果不是，则将软信息限制在该量化区间范围，将该软信息除以该量化步长，得到输出的该量化软信息；如果是，则将该软信息除以该量化步长，得到输出的该量化软信息。

下面以如图1所示的两发两收的MIMO系统为例进行详细的描述，其中，发射机装置按照当前的协议标准(如LTE、Wimax等)将比特流调制为可以映射到天线上的载波信号s0和s1，并将载波信号s0和s1通过发射天线发送出去，这些载波信号经过通信信道后达到接收机装置的接收天线。

接收机装置通过接收天线接收到发射机装置发送过来的载波信号，该载波信号包含两路载波r0和r1，然后对载波信号r0和r1进行解调处理，如图3所示。下文以MMSE算法为基础算法，但对于其他输出为载波信号的解MIMO装置，同样可以采用其它方法，如ZF算法等。具体步骤如下：

步骤31，接收机装置的解MIMO单元根据接收的载波信号以及通道矩阵H，得到s0和s1两路载波信号的载波估计信号

和

并记录载波估计信号中各载波估计值相对于接收载波信号r0和r1的放大倍数(Scale)。

具体地，采用直接求伪逆法获取载波估计信号，具体如下：

令r＝Hs+n，其中s为n_T*1信源信号，r为n_R*1接收载波信号，Hn_R*T通道矩阵，n为n_R*1噪声，下标T代表发射天线数，R代表接收天线数，后面公式中为了描述方便省略掉下标。直接求伪逆法的算法表达式为：

$\stackrel{\mathrm{\Λ}}{s}={(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{H}r$

其中σ²为噪声功率，可由n得到，I为单位矩阵；

根据上式计算出s的估计值，在计算过程中，对于信号会有放大放小的处理，记录Scale值。

图4所示为如何利用直接求伪逆算法求载波估计信号的过程，包括：

步骤40：设发射机装置发送到接收天线前的载波信号采用编码矩阵A进行加权。

步骤41：根据接收载波信号以及本地参考信号估计信道估计矩阵H_tmp。

步骤42：将信道估计矩阵H_tmp与A矩阵相乘生成通道矩阵H。

步骤43：按载波进行循环，并判断循环是否完成，如果未完成，则转入步骤44，如果完成，则将结束。

步骤44：计算G＝H^HH+σ²I。

步骤45：对矩阵G求逆得到G′，设矩阵1/|G|＝b*2^expn，记录b和expn的值。

在两发两收的天线配置下，矩阵求逆过程较为简单，即将主对角线元素互换副对角线元素取反，然后再除以矩阵的行列式就得到矩阵的逆矩阵G′。

步骤46：计算E＝G′*H^H，截位得到E′。

步骤47：计算F＝E′*b，截位得到F′。

步骤48：计算 $\hat{s}=F^{\′}*r,$ 截位得到输出信号，即发射载波信号的载波估计信号。

该过程中，步骤44，46，47，48存在对信号放大截位，分别记录为Scale0，Scale1，Scale2，Scale3，以及步骤45除法转化，记录为-expn，都可能存在对信号放大或缩小，最终信号放大的倍数Scale记录为Scale＝Scale0+Scalel+Scale2+Scale3-expn。

接收机装置的解MIMO单元在对载波估计信号和

进行计算时会记录相对于接收载波信号r0和r1的不同的放大倍数值。

步骤32，接收机装置的统一定标单元将每一路载波信号中的载波估计值调整到同一标准。

在解MIMO单元中，各步操作采用了不同的移位和截位操作，使得进入解MIMO单元的比特流在输出载波的时候不在同一量化级上。统一定标单元提取解MIMO单元记录载波估计信号中载波估计值最小的放大倍数，以该最小的放大倍数为标准，将载波估计值统一缩小到该标准上，得到统一定标的载波信号，该单元保证所有送入后续单元的载波在同一量化标准上，记录载波增益为2^Scale。

步骤33，接收机装置的解调单元将统一定标的载波信号统一放大到满量程后，按载波进行循环，输出解调软信息。

所述将统一定标的载波信号统一放大到满量程是指，输入到解调单元幅值最大的信号的无效符号位个数a，将所有信号统一放大2的a次方，其中，a为自然数。

如图5所示为解调单元对统一定标的载波信号进行处理，输出软信息的流程图，包括：

步骤50，输入的载波为X+jY，其中X代表载波实部，Y代表载波虚部。

步骤51：判断输入载波的调制方式，如果属于QPSK，进入步骤52；属于16QAM，进入步骤53；属于64QAM，进入步骤54。

具体地，以长期演进(LTE，Long Term Evolution)系统下行为例，MIMO可以采用以下三种调制方式：

正交相移键控调制(QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)

16阶正交幅度调制(16QAM，16 Quadrature Amplitude Modulation)

64阶正交幅度调制(64QAM，64Quadrature Amplitude Modulation)

其中，QPSK一个符号位输出两个软信息，16QAM一个符号位输出四个软信息，64QAM一个符号位输出六个软信息。

步骤52：直接取载波的实部X和虚部Y，截位为输出软信息。

步骤53：用2倍的门限值(2*Th)分别减去X和Y的绝对值(abs)得到XX和YY，分别对X、Y、XX、YY截位输出软信息。

步骤54：用2倍的门限值(2*Th)分别减去X和Y的绝对值得到XX和YY，再用门限值Th分别减去XX和YY的绝对值得到XXX和YYY，分别对X、Y、XX、YY、XXX、YYY截位输出软信息。

载波循环结束，解调单元完成。

步骤34，接收机装置的量化单元将软信息按照一定的量化步长，输出量化软信息。

如图6所示为接收机装置的量化单元得到量化软信息的具体步骤，包括：

步骤60，确定量化区间。

所述量化区间是指有限比特数所能表示的最大值和最小值的范围。

假设输入量化单元的信号取值范围为[-2^SF，2^SF]，其中SF为有效数据占用的位数。例如，采用16bit表示有符号数据，根据系统处理情况，可以选择SF＝15、14等，采用的SF越大，精度越高，但在处理过程中就需要注意数据溢出问题，需要根据实际系统来把握。

对于QPSK：

所有比特的量化区间为

对于16QAM：

比特0和比特1量化区间为

比特2和比特3量化区间为

对于64QAM：

比特0和比特1量化区间为

比特2和比特3量化区间为

比特4和比特5量化区间为

步骤61：计算量化步长。

所述量化步长是指量化结果的精度。

根据软信息需要采用的长度确定量化步长。假设软信息采用8bit表示有符号数，则可以表示的数据范围为[-2⁸，2⁷]。以64QAM比特0和比特1为例，则量化步长为其他的依次类推。

步骤62：按照软信息的个数进行循环，判断循环是否完成，如果未完成，则转入63；如果完成，则结束。

步骤63：对于解调单元输出的软信息，首先判断是否在量化区间内，如果不是，则进入步骤64，否则，直接进入步骤65。

步骤64：将软信息限制在量化区间范围，即小于量化区间最小值的，取最小值；大于量化区间最大值的，取最大值，并进入步骤65。

步骤65：将软信息除以量化步长，得到输出的量化软信息。具体的除法可根据不同的实现平台确定。

软信息循环结束，量化单元完成。

在量化单元中，为了节约计算时间，对于固定的硬件平台，解调单元中软信息表示位数是有限的，步骤60中的量化区间的最大最小值，以及步骤61中的量化步长都是可以预先计算好。

本发明实施例提供了一种多入多出解调的装置，如图7所示，包括：

解多入多出单元，用于接收载波信号，根据该接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，并记录载波估计信号中各载波估计值相对该接收载波信号的放大倍数；

统一定标单元，用于获取最小放大倍数，以该最小放大倍数为标准，将该各载波估计值统一到该标准上，得到统一定标的载波信号；

解调单元，用于对该统一定标的载波信号进行解调，输出软信息；

量化单元，用于根据预设的量化步长对软信息进行量化，输出量化软信息。

进一步地，该解多入多出单元根据该接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计值，包括：

当接收机和发射机具有相同的天线数量，且通道矩阵H为满秩时，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用直接求伪逆法得到载波估计信号；或

根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用QR分解方式发射载波信号的载波估计信号。

进一步地，该解调单元，具体用于从统一定标的载波信号中选取幅度最大的信号的无效符号位个数a，将统一定标的载波信号统一放大2的a次方，其中a为自然数，然后按载波进行循环；根据载波调制方式输出该软信息。

进一步地，该量化单元，具体用于确定量化区间；根据软件信息采用的长度确定量化步长；判断该软信息是否在该量化区间内，如果不是，则将软信息限制在该量化区间范围，将该软信息除以该量化步长，得到输出的该量化软信息；如果是，则将该软信息除以该量化步长，得到输出的该量化软信息。

在本发明的技术方案中，通过分别求出发射载波信号的载波估计信号，记录载波估计信号的各载波估计值的不同放大倍数，以最小放大倍数为标准，将各载波估计值统一到该标准，然后解调过程中对输出的软信息进行量化，最终输出量化软信息，克服了现有技术中的解MIMO复杂度高的缺点，节省了算法时间和内存资源，提高了系统的性能。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、更改或者等同替换，而不脱离本发明和权利要求的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多入多出解调的方法，其特征在于，包括：

接收载波信号，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，并记录所述载波估计信号中各载波估计值相对所述接收载波信号的放大倍数；

获取最小放大倍数，以该最小放大倍数为标准，将所述各载波估计值统一到该标准上，得到统一定标的载波信号；

对所述统一定标的载波信号进行解调，输出软信息；

根据预设的量化步长对软信息进行量化，输出量化软信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，包括两种方式：

方式一、当接收机和发射机具有相同的天线数量，且通道矩阵H为满秩时，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用直接求伪逆法得到载波估计信号；或

方式二、根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用QR分解方式得到发射载波信号的载波估计信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述统一定标的载波信号进行解调，输出软信息，包括：

从统一定标的载波信号中选取幅度最大的信号的无效符号位个数a，将统一定标的载波信号统一放大2的a次方，然后按载波进行循环，其中，a为自然数；

根据载波调制方式输出所述软信息。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述软信息按照预设的量化步长输出量化软信息，包括：

确定量化区间；

根据软件信息采用的长度确定量化步长；

判断所述软信息是否在所述量化区间内，如果不是，则将软信息限制在所述量化区间范围，将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息；如果是，则将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息。

5.一种多入多出解调的装置，其特征在于，包括：

解多入多出单元，用于接收载波信号，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，并记录所述载波估计信号中各载波估计值相对所述载波信号的放大倍数；

统一定标单元，用于获取最小放大倍数，以该最小放大倍数为标准，将所述各载波估计值统一到该标准上，得到统一定标的载波信号；

解调单元，用于对所述统一定标的载波信号进行解调，输出软信息；

量化单元，用于根据预设的量化步长对软信息进行量化，输出量化软信息。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述解多入多出单元根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，包括两种方式：

方式一、当接收机和发射机具有相同的天线数量，且通道矩阵H为满秩时，根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用直接求伪逆法得到载波估计信号；或

方式二、根据所述接收载波信号以及通道矩阵获取发射载波信号的载波估计信号，采用QR分解方式得到发射载波信号的载波估计信号。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述解调单元，具体用于从统一定标的载波信号中选取幅度最大的信号的无效符号位个数a，将统一定标的载波信号统一放大2的a次方，其中，a为自然数，然后按载波进行循环；根据载波调制方式输出所述软信息。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述量化单元，具体用于确定量化区间；根据软件信息采用的长度确定量化步长；判断所述软信息是否在所述量化区间内，如果不是，则将软信息限制在所述量化区间范围，将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息；如果是，则将所述软信息除以所述量化步长，得到输出的所述量化软信息。

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