CN102832986B - 一种多天线分集合并接收方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线分集合并接收方法及设备，将分集合并步骤提前到联合检测中，即在联合检测过程中，当完成各天线数据的匹配滤波、并求得各天线对应的信道相关矩阵后，先进行分集合并，根据合并后的信道相关矩阵和合并后的匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号，从而无需根据各天线的匹配滤波结果和信道相关矩阵分别为每根天线单独进行分解和线性方程求解操作。相比于单天线接收，本实施方式具有较好的分集增益；相比于现有的分集合并接收系统，本实施方式在分集增益性能相当的同时，显著地减少了系统的计算量和实现复杂度。

Description

一种多天线分集合并接收方法及设备

技术领域

本发明涉及一种数据接收技术，尤其涉及一种多天线分集合并接收技术。

背景技术

随着无线通信技术的发展和3G在全球范围内的兴起。对于3G主流标准之一的时分同步码分多址(TimeDivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess，简称“TD-SCDMA”)系统，随着用户数的不断增加，小区内负荷上升，导致用户之间干扰加剧，对于终端的接收性能提出了更高的要求。同时，随着TD-SCDMA标准的不断演进，引入了16正交调幅(QuadratureAmplitudeModulation，简称“QAM”)和64QAM等高阶调制技术，以提高数据的传输速率。然而，随着高阶调制的引入，对于终端接收机的性能要求更高。

目前支持TD-SCDMA系统的终端大多采用单天线接收系统，抗衰落和抗干扰能力不足，在干扰严重的情况下，解调性能较差。而且，单天线接收机性能也无法满足高阶调制(如64QAM)的解调要求。在实际应用中，即使在系统中引入64QAM高阶调制，由于接收机性能限制，对数据吞吐量的提升产生限制，无法达到预期的效果。

现有常规的分集合并系统，通常是在对N(N为分集的路数)路信号解调完成之后，再进行合并。以双天线为例，其实现框图如图1所示。合并之前，N路数据独立处理，分别进行信道估计、联合检测(匹配滤波、生成信道相关矩阵、Cholesky分解、线性方程求解)、和解调，计算量和复杂度是单天线系统的N倍，所带来计算量和复杂度的增量巨大。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种多天线分集合并接收方法及设备，使得在不影响分集增益性能的同时，减少系统的计算量和实现复杂度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多天线分集合并接收方法，包含以下步骤：

分别生成各根天线的信道系统矩阵，利用各天线的信道系统矩阵对该天线的待解调数据进行匹配滤波，并生成该天线的信道相关矩阵；

对各天线匹配滤波的结果进行合并，并对各天线的信道相关矩阵进行合并，产生合并后的匹配滤波结果和信道相关矩阵；

根据合并后的信道相关矩阵和匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号，对待解调符号进行解调和译码，得到实际接收的数据。

作为上述方案的改进，上述分别生成各根天线的信道系统矩阵的步骤之前，还包含以下步骤：

从至少两根天线接收数据，将各根天线的数据分离为训练序列和待解调数据。

作为上述方案的改进，上述分别生成各根天线的信道系统矩阵的步骤中，包含以下子步骤：

利用各根天线的分离出的训练序列分别进行每根天线的信道估计；

利用各根天线的信道估计进行码道激活检测，根据统一的码道激活信息分别生成各根天线的信道系统矩阵。

作为上述方案的改进，上述根据合并后的信道相关矩阵和匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号的步骤中，包含以下子步骤：

对合并后的信道相关矩阵进行三角化分解；

利用合并后的匹配滤波结果和三角化分解结果，进行线性方程求解，得到待解调的符号。

本发明还提供了一种多天线分集合并接收设备，包含与天线数量相对应的匹配滤波单元、相关矩阵生成单元，和一系统矩阵生成单元、一合并单元、一分解和求解单元、一解调和译码单元；每根天线对应一独立的匹配滤波单元和相关矩阵生成单元：

系统矩阵生成单元，用于分别生成各天线的信道系统矩阵；

匹配滤波单元，用于利用对应天线的信道系统矩阵对该天线的待解调数据进行匹配滤波；

相关矩阵生成单元，用于利用对应天线的信道系统矩阵为该天线生成其信道相关矩阵；

合并单元，用于对各天线的匹配滤波的结果进行合并，并对各天线的信道相关矩阵进行合并，产生合并后的匹配滤波结果和信道相关矩阵。

分解和求解单元，用于根据合并后的信道相关矩阵和匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号；

解调和译码单元，用于对待解调符号进行解调和译码，得到实际接收的数据。

作为上述方案的改进，该设备还包含：与天线数量相对应的射频单元和数据分离单元，每根天线对应一独立的射频单元和数据分离单元：

射频单元，用于从对应天线接收数据；

数据分离单元，用于将对应天线的数据分离为训练序列和待解调数据。

作为上述方案的改进，该系统矩阵生成单元中，进一步包含以下单元：

与天线数量相对应的信道估计单元，分别对应各天线，用于利用数据分离单元分离出的训练序列进行对应天线的信道估计；

一信道估计后处理单元，用于利用各根天线的信道估计进行码道激活检测，根据统一的码道激活信息分别生成各根天线的信道系统矩阵。

作为上述方案的改进，该分解和求解单元进一步包含以下单元：

三角化分解单元，用于对合并后的信道相关矩阵进行三角化分解；

线性方程求解单元，用于利用合并后的匹配滤波结果和三角化分解结果，进行线性方程求解，得到待解调的符号。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：将分集合并步骤提前到联合检测中，即在联合检测过程中，当完成各天线数据的匹配滤波、并求得各天线对应的信道相关矩阵后，先进行分集合并，根据合并后的信道相关矩阵和合并后的匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号，从而无需根据各天线的匹配滤波结果和信道相关矩阵分别为每根天线单独进行分解和线性方程求解操作。相比于单天线接收，本实施方式具有较好的分集增益；相比于现有的分集合并接收系统，本实施方式在分集增益性能相当的同时，显著地减少了系统的计算量和实现复杂度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术中的分集合并系统结构示意图；

图2是现有技术中的双天线接收基带模型示意图；

图3是本发明第一实施方式的多天线分集合并接收方法流程图；

图4是本发明第二实施方式的多天线分集合并接收设备结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种多天线分集合并接收方法，将分集合并步骤提前到联合检测中。具体地说，即在联合检测过程中，当完成各天线数据的匹配滤波、并求得各天线对应的信道相关矩阵后，先进行分集合并，根据合并后的信道相关矩阵和合并后的匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号，从而无需根据各天线的匹配滤波结果和信道相关矩阵分别为每根天线单独进行分解和线性方程求解操作。相比于单天线接收，本实施方式具有较好的分集增益；相比于现有的分集合并接收系统，本实施方式在分集增益性能相当的同时，显著地减少了系统的计算量和实现复杂度。

本实施方式适用于各种多天线通信系统，为了简化描述，下文以TD-SCDMA无线通信系统为例，对双天线的分集合并接收进行具体说明。首先验证分集合并的先后对联合检测的影响。

TD-SCDMA系统基带模型如图2所示，其中，e₁和e₂分别为两根天线接收的待解调数据。A⁽¹⁾和A⁽²⁾分别为两根天线上的信道系统矩阵。其中子块中的表示第j根天线上第i个码道的信道向量。表示第i个码道上的第j个符号。n₁和n₂分别表示接收信号中包含的高斯白噪声，n_i是方差为σ²且服从正态分布N(0,σ²)的高斯白噪声。

在TD-SCDMA无线通信系统中，接收信号通常可以定义为：

e＝A·d+n(1)

多天线分集接收中信道估计方法与单天线的原理类似，可以采用MMSE估计方法，有用信号d的最小均方差(MMSE)估计为：

${\hat{d}}_{MMSE-BLE}={(A^H{R_n}^{-1}A+{R_d}^{-1})}^{-1}{A}^H{R_n}^{-1}e---\left(2\right)$

此时，信道系统矩阵为双天线组合后的矩阵： $A=\left[\begin{array}{c}{A}^{\left(1\right)}\\ A^{\left(2\right)}\end{array}\right].$ 两根天线组合后的数据为 $\left[\begin{array}{c}{e}^{\left(1\right)}\\ e^{\left(2\right)}\end{array}\right].$ 噪声相关矩阵是一个对角阵，如式(3)所示，分别为两根天线上的噪声方差。

假设用户数据d的协方差矩阵R_d＝I，I为单位矩阵，将式(3)代入式(2)，可得：

$\begin{array}{c}{\hat{d}}_{MMSE-BLE}={\left(A^H{R_n}^{-1}A+{R_d}^{-1}\right)}^{-1}{A}^H{R_n}^{-1}e\\ ={(\left[\begin{array}{cc}{A}^{{\left(1\right)}^H}& A^{{\left(2\right)}^H}\end{array}\right]\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_1^2}\left[\begin{array}{cc}{I}^{\′}& \\ & \frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{I}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}^{\left(1\right)}\\ A^{\left(2\right)}\end{array}\right]+{R_d}^{-1})}^{-1}\left[\begin{array}{cc}{A}^{{\left(1\right)}^H}& A^{{\left(2\right)}^H}\end{array}\right]\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_1^2}\left[\begin{array}{cc}{I}^{\′}& \\ & \frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{I}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}^{\left(1\right)}\\ e^{\left(2\right)}\end{array}\right]\\ ={(\left[\begin{array}{cc}{A}^{{\left(1\right)}^H}& A^{{\left(2\right)}^H}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}^{\left(1\right)}\\ \frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{A}^{\left(2\right)}\end{array}\right]+{\mathrm{\σ}}_1^{2}I)}^{-1}\left[\begin{array}{cc}{A}^{{\left(1\right)}^H}& A^{{\left(2\right)}^H}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}^{\left(1\right)}\\ \frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{e}^{\left(2\right)}\end{array}\right]\\ ={(A^{{\left(1\right)}^H}{A}^{\left(1\right)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{A}^{{\left(2\right)}^H}{A}^{\left(2\right)}+{\mathrm{\σ}}_1^{2}I)}^{-1}(A^{{\left(1\right)}^H}{e}^{\left(1\right)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{A}^{{\left(2\right)}^H}{e}^{\left(2\right)})\end{array}$

即 ${\hat{d}}_{MMSE-BLE}={\left(A^{{\left(1\right)}^H}{A}^{\left(1\right)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{A}^{{\left(2\right)}^H}{A}^{\left(2\right)}+{\mathrm{\σ}}_1^{2}I\right)}^{-1}\left(A^{{\left(1\right)}^H}{e}^{\left(1\right)}+\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_2^2}{A}^{{\left(2\right)}^H}{e}^{\left(2\right)}\right)---\left(4\right)$

由上式可知，双天线分集合并是在信道相关矩阵和匹配滤波后的结果，分集合并可以在联合检测内部实现，即在匹配滤波、信道相关矩阵计算完成后，分别对其进行合并，根据合并后的信道相关矩阵和匹配滤波结果进行统一的分解和求解。相比于现有的分集合并，本实施方式节省了多个计算单元，包括分解、线性方程求解和解调等。

上述验证过程是以MMSE估计为例进行说明的，但在实际应用中，信道估计并不限于MMSE估计，天线数量也不限于两根，可适用于需要进行联合检测的各种系统和设备。

具体的多天线分集合并接收方法流程如图3所示。

步骤301中，从多根天线接收数据。

步骤302中，分别对各天线的射频单元接收下来的数据进行分离，分离出训练序列和待解调数据。

步骤303中，利用分离出的训练序列分别进行各天线的信道估计。

步骤304中，利用各根天线的信道估计进行码道激活检测，得到统一的码道激活信息，根据统一的码道激活信息分别生成各天线的信道系统矩阵。

步骤305中，分别对各天线接收的待解调数据进行匹配滤波。即利用该天线的信道系统矩阵对从该天线接收待解调数据进行匹配滤波。

步骤306中，为各天线生成信道相关矩阵。即利用该天线的信道系统矩阵生成信道相关矩阵。

步骤307中，对各天线的匹配滤波结果进行合并，并且对各天线的信道相关矩阵进行合并，产生合并后的匹配滤波结果和信道相关矩阵。

步骤308中，对合并后的信道相关矩阵进行三角化分解，一般可以采用Cholesky分解或LU分解。

步骤309中，利用合并后的匹配滤波结果和三角化分解得到的下三角矩阵，进行线性方程求解，得到待解调的符号。

步骤310中，对待解调的符号进行解调和译码，得到所需数据。

本实施方式中，通过将分集合并操作提前到三角化分解(Cholesky分解)和线性方程求解之前，将各天线独立的分解、方程求解、和解调操作，合并为统一操作，相对于现有的多天线分集合并技术，在不影响分集增益性能的同时，能显著地节省计算量和实现复杂度。

本发明第二实施方式涉及一种多天线分集合并接收设备，包含与天线数量相对应的射频单元，数据分离单元、信道估计单元、匹配滤波单元、相关矩阵生成单元，和一信道估计后处理单元、一合并单元、一三角化分解单元、一线性方程求解单元、一解调和译码单元；每根天线对应一独立射频单元，数据分离单元、信道估计单元、匹配滤波单元和相关矩阵生成单元。图4以双天线为例，示出了该分集合并接收设备的结构图。

其中，射频单元，用于从对应天线接收数据。数据分离单元，用于将对应天线的数据分离为训练序列和待解调数据。信道估计单元，用于利用数据分离单元分离出的训练序列进行对应天线的信道估计。信道估计后处理单元，用于利用各根天线的信道估计进行码道激活检测，根据统一的码道激活信息分别生成各根天线的信道系统矩阵。匹配滤波单元，用于利用对应天线的信道系统矩阵对该天线的待解调数据进行匹配滤波。相关矩阵生成单元，用于利用对应天线的信道系统矩阵为该天线生成其信道相关矩阵。合并单元，用于对各天线的匹配滤波的结果进行合并，并对各天线的信道相关矩阵进行合并，产生合并后的匹配滤波结果和信道相关矩阵。三角化分解单元，用于对合并后的信道相关矩阵进行三角化分解。线性方程求解单元，用于利用合并后的匹配滤波结果和三角化分解结果，进行线性方程求解，得到待解调的符号。解调和译码单元，用于对待解调符号进行解调和译码，得到实际接收的数据。

相比于现有的分集合并，本实施方式节省了多个计算单元，包括三角化分解单元、线性方程求解单元和解调单元等。在不影响分集增益性能的同时，能显著地节省计算量和实现复杂度。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种多天线分集合并接收方法，其特征在于，包含以下步骤：

利用各根天线的分离出的训练序列分别进行每根天线的信道估计；

利用各根天线的信道估计进行码道激活检测，根据统一的码道激活信息分别生成各根天线的信道系统矩阵；

分别生成各根天线的信道系统矩阵，利用各天线的信道系统矩阵对该天线的待解调数据进行匹配滤波，并生成该天线的信道相关矩阵；

对各天线匹配滤波的结果进行合并，并对各天线的信道相关矩阵进行合并，产生合并后的匹配滤波结果和信道相关矩阵；

根据合并后的信道相关矩阵和匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号，对待解调符号进行解调和译码，得到实际接收的数据。

2.根据权利要求1所述的多天线分集合并接收方法，其特征在于，所述根据合并后的信道相关矩阵和匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号的步骤中，包含以下子步骤：

对合并后的信道相关矩阵进行三角化分解；

利用合并后的匹配滤波结果和三角化分解结果，进行线性方程求解，得到待解调的符号。

3.一种多天线分集合并接收设备，其特征在于，包含与天线数量相对应的匹配滤波单元、相关矩阵生成单元，和一系统矩阵生成单元、一合并单元、一分解和求解单元、一解调和译码单元；每根天线对应一独立的匹配滤波单元和相关矩阵生成单元：

系统矩阵生成单元，用于分别生成各天线的信道系统矩阵；

匹配滤波单元，用于利用对应天线的信道系统矩阵对该天线的待解调数据进行匹配滤波；

相关矩阵生成单元，用于利用对应天线的信道系统矩阵为该天线生成其信道相关矩阵；

合并单元，用于对各天线的匹配滤波的结果进行合并，并对各天线的信道相关矩阵进行合并，产生合并后的匹配滤波结果和信道相关矩阵；

其中，所述系统矩阵生成单元包括：

与天线数量相对应的信道估计单元，分别对应各天线，用于利用数据分离单元分离出的训练序列进行对应天线的信道估计；

信道估计后处理单元，用于利用各根天线的信道估计进行码道激活检测，根据统一的码道激活信息分别生成各根天线的信道系统矩阵；

分解和求解单元，用于根据合并后的信道相关矩阵和匹配滤波结果进行分解和线性方程求解，得到待解调的符号；

解调和译码单元，用于对待解调符号进行解调和译码，得到实际接收的数据。

4.根据权利要求3所述的多天线分集合并接收设备，其特征在于，还包含：与天线数量相对应的射频单元和数据分离单元，每根天线对应一独立的射频单元和数据分离单元：

射频单元，用于从对应天线接收数据；

数据分离单元，用于将对应天线的数据分离为训练序列和待解调数据。

5.根据权利要求3所述的多天线分集合并接收设备，其特征在于，所述分解和求解单元进一步包含以下单元：

三角化分解单元，用于对合并后的信道相关矩阵进行三角化分解；

线性方程求解单元，用于利用合并后的匹配滤波结果和三角化分解结果，进行线性方程求解，得到待解调的符号。