CN102347784B - 联合检测方法及联合检测接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种联合检测方法及联合检测接收机，其中方法包括：获取噪声空间协方差矩阵；根据所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理，生成重构信号；对所述重构信号进行联合检测。本发明在进行联合检测时考虑了噪声协方差矩阵的空域特征而忽略了其时域特性，既能够降低计算量，从而降低接收机的复杂度；又能够有效地抑制TD-SCDMA系统中的邻小区干扰，从而大大提高接收机的接收性能。

Description

联合检测方法及联合检测接收机

技术领域

本发明涉及时分同步码分多址(Time Division-Synchronous CodeDivision Multiple Access，简称：TD-SCDMA)技术领域，尤其涉及一种联合检测方法及联合检测接收机。

背景技术

TD-SCDMA技术是第三代(3^rd Generation，简称：3G)移动通信技术中的三大标准之一，其关键技术包括智能天线技术和联合检测技术。其中，联合检测技术是指充分利用多址干扰(Multiple Access Interference，简称：MAI)中的先验信息(如：确知的用户信道码及各用户的信道估计等)将所有用户信号的分离看作一个统一的过程，采用一步处理过程即将所有用户的信号都分离开来的一种信号分离技术，以降低(Multi UsersInterference，简称：MUI)。

在现有TD-SCDMA系统的联合检测应用中，假设节点B(NodeB)端有Ka个通道，则NodeB的接收信号可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=A_{1}x+n_1\\ r_2=A_{2}x+n_2\\ .\\ .\\ .\\ r_{\mathrm{Ka}}=A_{\mathrm{Ka}}x+n_{\mathrm{Ka}}\end{array}\right.$

其中：

r_i为在第i个通道上接收到的信号列矢量；

A_i为在第i个通道上的信道矩阵；

n_i为在第i个通道上的噪声列矢量；

i＝1，2…，Ka，Ka为智能天线的通道数。

进一步地，上述接收信号的表达式可以进一步简化表示为：r＝Ax+n

其中： $r=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ .\\ .\\ .\\ r_{\mathrm{Ka}}\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ .\\ .\\ .\\ A_{\mathrm{Ka}}\end{array}\right],$ $n=\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\\ .\\ .\\ .\\ n_{\mathrm{Ka}}\end{array}\right]$

假设噪声n的噪声协方差矩阵为R_n，包括时域与空域，当采用则最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，简称：MMSE)联合检测时，则检测结果可以表示为：

噪声协方差矩阵R_n包含了时域特性与空域特性，由于现有R_n的维度通常为(Ka*352)*(Ka*352)，因此计算量很大，难以对R_n进行逆运算，所以在现有的实际实现过程中，一般将噪声协方差矩阵R_n当成对角阵来处理，即假设噪声为白噪声，不考虑噪声的时域及空域特性。此时MMSE联合检测结果的表达式为：

从上述分析可以看出，现有联合检测技术中存在的技术问题是：如果完全考虑噪声协方差矩阵R_n的时域特性及空域特征，则计算量过大，接收机过于复杂，不可实现；如果完全忽略噪声协方差矩阵R_n的时域特性及空域特征，虽然可以简化接收机，但当实际的噪声无法等同于白噪声时，接收机的性能会大大降低。

发明内容

本发明提供一种联合检测方法及联合检测接收机，能够既降低接收的复杂度又保证优良的接收性能。

本发明一方面提供一种联合检测方法，其中包括：

获取噪声空间协方差矩阵；

根据所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理，生成重构信号；

对所述重构信号进行联合检测。

本发明另一方面提供一种联合检测接收机，其中包括：

获取模块，用于获取噪声空间协方差矩阵；

滤波模块，根据获取模块获取的所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理，生成重构信号；

检测模块，用于对滤波模块生成的所述重构信号进行联合检测。

本发明在进行联合检测时考虑了噪声协方差矩阵的空域特征而忽略了其时域特性，既能够降低计算量，从而降低接收机的复杂度；又能够有效地抑制TD-SCDMA系统中的邻小区干扰，从而大大提高接收机的接收性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述联合检测方法实施例的流程图；

图2为本发明所述噪声空间协方差矩阵获取方式一的流程图；

图3为本发明所述噪声空间协方差矩阵获取方式二的流程图；

图4为不同接收机接收性能的仿真结构对比图；

图5A为现有的传统JD的接收星座图；

图5B为采用本发明实施例所述空间白化滤波与传统JD相结合的方案后的接收星座图；

图6A为八通道智能天线下，干扰用户数从1至8个时的接收性能的仿真结果对比图；

图6B为二通道智能天线下，干扰用户数从1至4个时的接收性能的仿真结果对比图；

图7为本发明所述联合检测接收机实施例的结构示意图；

图8A为图7所示获取模块的一种结构示意图；

图8B为图7所示获取模块的另一种结构示意图；

图9为图7所示滤波模块的结构示意图；

图10为本发明所述联合检测接收机的实际可选电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明所述联合检测方法实施例的流程图，如图所示，该方法包括如下步骤：

步骤101，获取噪声空间协方差矩阵。

对于TD-SCDMA系统，由于使用了智能天线，因此含有多个通道，其中的噪声可以分为邻小区干扰和热噪声两个部分。一般情况下，可以认为热噪声为白噪声；当邻区的干扰用户较少时，其干扰特性将呈现空间有色性，因此邻小区干扰则通常可以认为是有色干扰。本实施例所述噪声空间协方差矩阵R_n是在忽略了干扰的时域有色特性的基础上得到的能够体现空间有色特性的矩阵。

具体地，可以采用获取方式一：先通过总信号减去有用信号得到噪声信号，然后对噪声信号求噪声空间协方差矩阵；以及获取方式二：直接求解法，即根据信道估计结果，对每个干扰源及热噪声分别估计空间协方差矩阵，再将其累加得到总的噪声空间协方差矩阵，这两种方式来获取所述噪声空间协方差矩阵。这两种获取方式将在以下内容中进行详细说明。

步骤102，根据所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理，生成重构信号。

其中，经过本步骤中的白化处理，使得接收信号中的有色干扰转化为重构信号中的白噪声信号。具体地，可以先根据所述空间协方差矩阵R_n构建空间白化滤波器，该空间白化滤波器的等效特征矩阵为

然后将所述接收信号通过所述空间白化滤波器；由所述空间白化滤波器对通过的所述接收信号进行白化滤波处理。

步骤103，对所述重构信号进行联合检测。

具体地，可以对所述重构信号进行MMSE联合检测。

以下通过两种方法证明采用本实施例所述的空间白化滤波器可以将有色干扰转变为白噪声信号。

证明方法一：奇异式分解法

由于噪声空间协方差矩阵R_n是埃米特(Hermite)矩阵，具有共轭对称的方阵特性，因此对其进行奇异式分解可以得到：R_n＝UDU^H

其中：U为单位正交矩阵，U^HU＝I；

为对角线矩阵，对角线元素λ₁，λ₂，…，λ_Ka为空间协方差矩阵R_n的特征值。

此时，可以得到空间白化滤波器的等效特征矩阵为：

其中：

接收信号r＝Ax+n经过空间白化滤波器的白化滤波处理后变为：

$R^{-\frac{1}{2}}r=R^{-\frac{1}{2}}\mathrm{Ax}+R^{-\frac{1}{2}}n$

因此，经白化滤波处理后的噪声项

的空间协方差为：

$R_{n^{\′}}=E\left(n^{\′}{n}^{\′H}\right)=R^{-\frac{1}{2}}E\left({\mathrm{nn}}^H\right){\left[R^{-\frac{1}{2}}\right]}^H=D^{-\frac{1}{2}}{U}^H{R}_n{\mathrm{UD}}^{-\frac{1}{2}}$

$=D^{-\frac{1}{2}}{U}^H\left({\mathrm{UDU}}^H\right){\mathrm{UD}}^{-\frac{1}{2}}=I$

从上式可以看出，有色干扰噪声被白化。

证明方法二：乔利斯基(Chole sky)分解法

由于噪声空间协方差矩阵R_n具有埃米特特性，因此对其进行乔利斯基分解可以得到：R_n＝H^HH，其中：H为上三角矩阵。

此时，可以得到空间白化滤波器的等效特征矩阵为：

接收信号r＝Ax+n经过空间白化滤波器后变为：

经白化滤波处理后的噪声项

的空间协方差为：

$R_{n^{\′}}=E\left(n^{\′}{n}^{\′H}\right)=R^{-\frac{1}{2}}E\left({\mathrm{nn}}^H\right){\left[R^{-\frac{1}{2}}\right]}^H={\left(H^H\right)}^{-1}{R}_n{H}^{-1}={\left(H^H\right)}^{-1}\left(H^{H}H\right)H^{-1}=I$

从上式可以看出，有色干扰噪声被白化。

以下详细说明步骤101中提到的获取噪声空间协方差矩阵的两种方式。

获取方式一：首先根据信道估计结果重构有用信号，用接收到的总信号减去有用信号得到噪声信号，然后对噪声信号求噪声空间协方差矩阵。如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤111，根据公式一：

获取训练序列接收信号，其中：E_m为训练序列接收信号，。

其中，所述训练序列通常可以采用中间(Midamble)码，该中间码是TD-SCDMA系统物理信道突发结构中的一种训练序列。在同一小区内，同一时隙内的不同用户所采用的中间码由一个基本的中间码经循环移位后而产生。所述训练序列接收信号是指接收机对发送方发送的训练序列进行接收后得到的实际接收信号。

步骤112，根据公式二：

重构有用信号。

对于第km个用户，其在第ka个通道上的信道冲激响应为：

其中W为信道估计窗口。此时该用户在该通道上的信号可以重构为：

$e_s^{(\mathrm{km},\mathrm{ka})}=c^{\left(\mathrm{km}\right)}\⊗h^{(\mathrm{km},\mathrm{ka})}$

所有纳入联合检测的用户有用信号被重构为：

$e_s^{\left(\mathrm{ka}\right)}=\underset{\mathrm{Km}=1}{\overset{\mathrm{Km}}{\mathrm{\Σ}}}{e}_s^{(\mathrm{km},\mathrm{ka})}$

其中，Km为纳入联合检测的总用户数，即有用信号的用户数。

另外，由于TD-SCDMA使用的Midamble具有循环移位特性，上述的信号重构可以进行简化。得到每个有用信号的信道冲激响应后，可以由h^(km，ka)，km＝1，2，…，Km得到P(＝128)位信道冲激响应h^(ka)，对于没有用户的窗口，信道冲激响应置零。

此时有用信号可以表示为：

$e_s^{\left(\mathrm{ka}\right)}=c\⊗h^{\left(\mathrm{ka}\right)}$

其中c为Midamble码。具体地，根据Midamlbe循环移位特性，可以根据公式求取

步骤113，根据公式三：计算噪声空间协方差矩阵：可以通过下式得到噪声信号：

E_n＝E_m-E_s

其中，

为有用信号，为总接收信号。至此，可以得到噪声空间协方差矩阵：

$R_n=\frac{1}{P}{E}_n{E}_n^H$

获取方式二：直接求解法，如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤121，通过多小区联合信道估计获取邻区中每个干扰用户的空间相关矩阵R_xx，i。

步骤122，根据公式四：

计算所述噪声空间协方差矩阵，其中，σ²为白噪声功率。

由于NodeB的接收信号还可以表示为：因此，本步骤的R_n可以相应表示为

其中，N表示干扰用户数。

本实施例所述方法在进行联合检测时考虑了噪声协方差矩阵的空域特征而忽略了其时域特性，既能够降低计算量，从而降低接收机的复杂度；又能够有效地抑制TD-SCDMA系统中的邻小区干扰，从而大大提高接收机的接收性能。

对于TD-SCDMA技术而言，由于其采用智能天线技术，因此，通道数较多，邻小区干扰将呈现明显的有色化，采用本实施例所述方法能够提高接收性能；而对于高速上行链路分组接入(High Speed Uplink Packet Access，简称：HSUPA)技术而言，由于其干扰源较少，通过采用本实施例所述方法进行白化联合检测则可以得到更大的接收增益。

以下通仿真结果说明本发明实施例的技术效果。

图4为不同接收机接收性能的仿真结构对比图。该仿真实验的条件为：两个用户、单径衰落信道、八个天线通道、理想信道估计以及干扰用户功率与有用信号功率相同。

如图所示，纵轴表示误比特率(Bit Error Rate，简称：BER)，横轴表示载噪比(C/N)，虚线表示采用传统的联合检测(Joint Detection，简称：JD)方案，点划线表示采用本发明实施例所述空间白化滤波与传统JD相结合的方案，实线表示单用户检测方案。从图中可以看出，应用本实施例所述方法可以明显地抑制干扰。

图5A为现有的传统JD的接收星座图，图5B为采用本发明实施例所述空间白化滤波与传统JD相结合的方案后的接收星座图，均采用16QAM调制方式。从图中可以看出，对于传统JD，接收星座图很混乱，表明其干扰影响很大，难以进行正确解调；而应用本实施例所述方法后，其接收星座图收敛于16个点，表明白化JD有很好的干扰消除效果，因此可以正确解调。图6A为八通道智能天线下，干扰用户数从1至8个时的接收性能的仿真结果对比图，该仿真实验的条件为：干扰用户从1至8个、八个天线通道以及采用16正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，简称：QAM)调制方式。图6B为二通道智能天线下，干扰用户数从1至4个时的接收性能的仿真结果对比图。

如图所示，纵轴表示BER，横轴表示C/N，虚线表示采用传统的JD方案，点划线表示采用本发明实施例所述空间白化滤波与传统JD相结合的方案，实线表示单用户检测方案。从图中可以看出，应用本实施例所述方法可以获得非常好的性能，而且天线的通道数越多，增益越明显，同时可以消除的干扰源越多。

图7为本发明所述联合检测接收机实施例的结构示意图，如图所示，该联合检测接收机10包括：获取模块20、滤波模块30及检测模块40，其工作原理如下：

联合检测接收机10中的获取模块20获取噪声空间协方差矩阵；如前所述，本实施例所述噪声空间协方差矩阵R_n是在忽略了干扰的时域有色特性的基础上得到的能够体现空间有色特性的矩阵。具体的获取方式有如下两种：

获取方式一：如图8A所示，所述获取模块20包括：第一计算单元21及第二计算单元22，其中，第一计算单元21用总信号减去有用信号得到噪声信号；第二计算单元22对第一计算单元21得到的所述噪声信号求噪声空间协方差矩阵。具体的计算过程可参见上述步骤111～113的相关说明，此处不再赘述。

获取方式二：直接求解法，如图8B所示，所述获取模块20包括：估计单元23和第三计算单元24，其中，估计单元23通过多小区联合信道估计获取邻区中每个干扰用户的空间相关矩阵R_xx，i；第三计算单元24根据公式四：

计算所述噪声空间协方差矩阵，其中，σ²为白噪声功率。具体计算过程的相关说明可参见上述步骤122的相关说明，此处不再赘述。

此后，滤波模块30根据获取模块20获取的所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理，生成重构信号；具体地，如图9所示，该滤波模块30包括：构建单元31及传输单元32，其中，构建单元31根据获取模块20获取的所述空间协方差矩阵构建空间白化滤波器，该空间白化滤波器的等效特征矩阵可以为

其中，R_n为所述噪声空间协方差矩阵；传输单元32将所述接收信号通过构建单元31构建的所述空间白化滤波器，使所述空间白化滤波器对通过的所述接收信号进行白化滤波处理。具体可以采用两种方法证明采用本实施例所述的空间白化滤波器可以将有色干扰转变为白噪声信号，证明方法一为奇异式分解法；证明方法二为乔利斯基分解法，具体说明可参见上述方法实施例的相关内容，此处不再赘述。

此后，由检测模块40对滤波模块30生成的所述重构信号进行联合检测。具体地，可以对所述重构信号进行MMSE联合检测。

本实施例所述接收机在进行联合检测时考虑了噪声协方差矩阵的空域特征而忽略了其时域特性，既能够降低计算量，从而降低接收机的复杂度；又能够有效地抑制TD-SCDMA系统中的邻小区干扰，从而大大提高接收机的接收性能。具体的仿真结果，可参见图4～图6B及相关说明，此处不再赘述。

对于TD-SCDMA技术而言，由于其采用智能天线技术，因此，通道数较多，邻小区干扰将呈现明显的有色化，采用本实施例所述接收机能够提高接收性能；而对于高速上行链路分组接入(High Speed Uplink Packet Access，简称：HSUPA)技术而言，由于其干扰源较少，通过采用本实施例所述接收机进行白化联合检测则可以得到更大的接收增益。

以下通过图10举例说明应用本发明所述联合检测接收机的实际可选电路结构示意图。如图所示，该接收主要包括空间白化滤波器和MMSE联合检测器构成。其中，噪声空间协方差矩阵R_n为Ka*Ka维，空间白化滤波器的等效特征矩阵可以为

MMSE联合检测器采用最小均方误差准则进行联合检测。

其中，NodeB的接收信号可以表示为经空间白化滤波器处理后的重构信号可以表示为：

最后经过MMSE联合检测器的解调后输出解调后的信号为

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种联合检测方法，其特征在于，包括：

获取噪声空间协方差矩阵；

根据所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理，生成重构信号；

对所述重构信号进行联合检测；

其中，所述获取噪声空间协方差矩阵包括：

根据公式一：

获取训练序列接收信号，其中，P＝128，Ka表示通道数，

为总接收信号；根据公式二：

重构所述有用信号，其中，Km表示有用信号的用户数，km表示第km个用户，ka表示第ka个通道；根据公式三：

计算所述噪声空间协方差矩阵，其中，

为有用信号，E_n为噪声信号；

或者，

通过多小区联合信道估计获取邻区中每个干扰用户的空间相关矩阵R_xx,i；根据公式四：

计算所述噪声空间协方差矩阵，其中，σ²表示白噪声功率，其中，N表示干扰用户数，I表示单位矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于根据所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理包括：

根据所述空间协方差矩阵构建空间白化滤波器；

将所述接收信号通过所述空间白化滤波器；

由所述空间白化滤波器对通过的所述接收信号进行白化滤波处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于空间白化滤波器的等效特1征矩阵为

其中，R_n为所述噪声空间协方差矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述重构信号进行联合检测包括：对所述重构信号进行最小均方误差联合检测。

5.一种联合检测接收机，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取噪声空间协方差矩阵；

滤波模块，根据获取模块获取的所述空间协方差矩阵对接收信号进行白化滤波处理，生成重构信号；

检测模块，用于对滤波模块生成的所述重构信号进行联合检测；

其中，所述获取模块具体用于根据公式一：获取训练序列接收信号，其中，P＝128，Ka表示通道数，

为总接收信号；根据公式二：

重构所述有用信号，其中，Km表示有用信号的用户数，km表示第km个用户，ka表示第ka个通道；根据公式三：

计算所述噪声空间协方差矩阵，其中，

为有用信号，E_n为噪声信号；

或者，所述获取模块包括：估计单元，用于通过多小区联合信道估计获取邻区中每个干扰用户的空间相关矩阵R_xx,i；第三计算单元，用于根据公式四：计算所述噪声空间协方差矩阵，其中，σ²为白噪声功率。

6.根据权利要求5所述的联合检测接收机，其特征在于所述滤波模块包括：

构建单元，用于根据获取模块获取的所述空间协方差矩阵构建空间白化滤波器；

传输单元，用于将所述接收信号通过构建单元构建的所述空间白化滤波器，使所述空间白化滤波器对通过的所述接收信号进行白化滤波处理。

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