CN103929381A - 一种基于mimo的信号检测方法及检测平台 - Google Patents
一种基于mimo的信号检测方法及检测平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于MIMO的信号检测方法,包括:检测平台通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用单指令多数据流SIMD指令集进行并行计算,获取UE发送序列。本发明还相应地公开了一种基于MIMO的信号检测平台。本发明采用SIMD指令实现MIMO检测的并行化处理,因此,能够避免高复杂度的矩阵求逆、向量相乘等运算,减少检测时延,并且,本发明基于通用处理器(GPP)实现,因此通用性较好,能够节省人力资源。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测领域,尤其涉及一种基于多输入多输出(Multi-Input-Multi-Output,MIMO)的信号检测方法及检测平台。
背景技术
无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号,每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出(single input single output,SISO)一次只能发送或接收一个空间流;MIMO则允许多个天线同时发送和接收多个空间流,即允许天线的同时传送和接收;显然,MIMO能够增加无线范围并提高性能。
作为一种重要的MIMO检测方法,垂直结构的分层空时码(V-BLAST)一般包含三种译码方法:迫零算法、QR分解算法和MMSE算法,这三种算法都涉及到矩阵求逆、向量相乘等处理;而一般而言,采用串行计算方式时,随着收发天线数目的增多,矩阵求逆复杂度呈立次方增长,向量相乘的复杂度也急剧增长,从而会导致接收端进行信号检测的时延大大增长。
另外,现有技术主要基于数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)处理平台、或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)处理平台进行信号检测,而不同处理平台之间通用性差,从而开发人员的工作量较大、整个系统的开发时间较长。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种基于MIMO的信号检测方法及检测平台,能够减少检测时延、节省人力资源。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种基于MIMO的信号检测方法,检测平台基于通用处理器实现,该方法包括:
检测平台通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;
所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用单指令多数据SIMD指令集进行并行计算,获取UE发送序列。
所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列为:
a、利用SIMD指令集求(HHH)-1HH得到系数矩阵;
b、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到,具体的,式中为系数矩阵中的列;
c、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤d;否则,转到步骤e;
d、根据 进行排序;
e、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
f、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤a;否则,流程结束。
所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列为:
g、对信道估计矩阵H进行QR分解得到酉矩阵Q和nT*nT的上三角矩阵R,所述nT为发送天线个数;
h、对接收矢量r左乘QH得到检测矢量y,y中的每个元素其中,Rij为分解矩阵R中的元素,vi为白噪声矢量n经过正交变换后的噪声矢量,xj为发送信号矢量,i表示检测符号的标号;
i、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤j;否则,转到步骤k;
j、按照通过列调整对R进行排序;
k、首先计算而后迭代计算X的后续元素
l、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,i=i-1,返回步骤h;否则,流程结束。
所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列为:
m、利用SIMD指令集求得到所需系数矩阵的列其中,σ2为噪声方差,为nT*nT的单位阵,所述nT为发送天线个数;
n、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,
o、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤p;否则,转到步骤q;
p、按照 进行排序;
q、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
r、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤m;否则,流程结束。
一种基于MIMO的信号检测平台,包括:接收模块、并行处理模块,其中,
所述接收模块,用于通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;
所述并行处理模块,用于根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列。
所述并行处理模块,具体用于执行:
a、利用SIMD指令集求(HHH)-1HH得到系数矩阵;
b、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,式中为系数矩阵中的列;
c、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤d;否则,转到步骤e;
d、根据进行排序,为系数矩阵的列;
e、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
f、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤a;否则,流程结束。
所述并行处理模块,具体用于执行:
g、对信道估计矩阵H进行QR分解得到酉矩阵Q和nT*nT的上三角矩阵R,所述nT为发送天线个数;
h、对接收矢量r左乘QH得到检测矢量y,y中的每个元素其中,Rij为分解矩阵R中的元素,vi为白噪声矢量n经过正交变换后的噪声矢量,xj为发送信号矢量,i表示检测符号的标号;
i、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤j;否则,转到步骤k;
j、按照通过列调整对R进行排序;
k、首先计算而后迭代计算X的后续元素
l、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,i=i-1,返回步骤h;否则,流程结束。
所述并行处理模块,具体用于执行:
m、利用SIMD指令集求得到所需系数矩阵的列其中,σ2为噪声方差,为nT*nT的单位阵,所述nT为发送天线个数;
n、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,
o、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤p;否则,转到步骤q;
p、按照 进行排序;
q、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
r、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤m;否则,流程结束。
本发明基于MIMO的信号检测方法及检测平台,检测平台通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用单指令多数据(SIMD)指令集进行并行计算,获取UE发送序列。本发明采用SIMD指令实现MIMO检测的并行化处理,因此,能够避免高复杂度的矩阵求逆、向量相乘等运算,减少检测时延;并且,本发明基于通用处理器(GPP)实现,因此通用性较好,能够节省人力资源。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于MIMO的信号检测方法流程示意图;
图2为采用迫零算法时,检测平台获取UE发送序列的流程示意图;
图3为迫零算法SIMD指令优化示意图;
图4为采用QR分解算法时,检测平台获取UE发送序列的流程示意图;
图5为QR分解算法SIMD指令优化示意图;
图6为采用MMSE算法时,检测平台获取UE发送序列的流程示意图;
图7为MMSE算法SIMD指令优化示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是:检测平台通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列。
由于DSP和FPGA不具备通用处理器(GPP)的广泛适应性、优良的可移植性、以及较短的开发周期,故基于GPP对发送端和接收端的信号进行处理不失为一种较好的解决现有问题的方法;通过采用SIMD指令对MIMO检测进行并行化的处理是本发明提出的重要技术。
本发明实施例提出一种基于MIMO的信号检测方法,如图1所示,该方法包括:
步骤101:检测平台通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;
步骤102:所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列。
需要说明的是,本发明中所述的检测平台基于GPP实现。
可选的,译码算法采用迫零算法时,可分为无干扰抵消、不排序的干扰抵消和排序的干扰抵消三种方法,其检测符号均为:式中为信道估计矩阵Moore-Penrose广义逆矩阵即(HHH)-1HH中的某一列,HH为信道估计矩阵H的共轭转置矩阵,为接收符号,nT为发送天线数。
图2为采用迫零算法时,检测平台获取UE发送序列的流程示意图,如图2所示,检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列包括:
步骤201:利用SIMD指令集求(HHH)-1HH得到所需系数矩阵的列
步骤202:利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,式中为系数矩阵中的列。
步骤203:判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤204;否则,转到步骤205。
步骤204:根据 进行排序。
步骤205:通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量。
需要说明的是,硬判决是即:在调制的星座图中,获取距离接收信号表征点最近的星座点的数值。
步骤206:判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤201;否则,流程结束。
从图2可以看出,如果加入干扰抵消,则接收信号做如下变化:式中为信道估计矩阵H第si行的共轭转置,为对进行硬判决之后得到的信号矢量,之后利用得到的ri+1继续进行计算;其中r1=r。
如果对进行排序迭代,则需在迭代过程中加入如下排序过程:
式中即为信道估计矩阵中某一行的范数。
图3为迫零算法SIMD指令优化示意图,如图3所示,将信道估计矩阵H的行向量和列向量分别存储在连续的内存上。首先,采用SIMD指令同时进行n个向量元素的相乘运算,并存储在连续的内存上;经过相乘运算得到后,再次采用SIMD指令便可以同时进行n个接受符号向量元素和n个检测因子向量元素的相乘运算;如果加入干扰抵消,每个接受符号上计算处理是相同的,采用SIMD指令可以同时进行n个向量元素的相乘或相减。因此,利用SIMD指令在每个处理时间单位内可执行n个数据的并行乘(加)运算,快速得出计算结果。
假设,处理平台处理位宽为W,采用SIMD指令可以同时处理n(W/D)个数据位宽为D的数据,直观上数据处理的速度提高为原来的n倍,涉及到实际编程中的效率以及一些存取操作,实际速度增益最优可以逼近这个值。
可选的,译码算法采用QR分解算法时,可分为无干扰抵消、不排序的干扰抵消和排序的干扰抵消三种方法。图4为采用QR分解算法时,检测平台获取UE发送序列的流程示意图,如图4所示,检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列包括:
步骤401:对信道估计矩阵H进行QR分解得到酉矩阵Q和nT*nT的上三角矩阵R,所述nT为发送天线个数。
步骤402:对接收矢量r左乘QH得到检测矢量y,y中的每个元素其中,Rij为分解矩阵R中的元素,vi为白噪声矢量n经过正交变换后的噪声矢量,xj为发送信号矢量,i表示检测符号的标号。
基于QR分解算法,对信道矩阵进行QR分解有H=QR,其中Q为酉矩阵,R为上三角阵。对上述接收矢量r左乘QH得到检测矢量y可以表示为:
y=QHr=QH(Hx+n)=Rx+v,即检测矢量y中的每个元素式中Rij为分解矩阵R中的元素,vi为白噪声矢量n经过正交变换后的噪声矢量,xj为发送信号矢量,i表示检测符号的标号。
步骤403:判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤404;否则,转到步骤405。
步骤404:按照通过列调整对R进行排序。
步骤405:首先计算而后迭代计算X的后续元素
检测之后进行判决的矢量均为:j=i+1,其中i为符号下标,且1≤i≤nT,Rij为分解的上三角矩阵中第i行j列的元素值,且
步骤406:判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,i=i-1,返回步骤402;否则,流程结束。
如果进行排序干扰抵消,则需要基于信号功率先对R进行排序。即对R进行列调整,使得R的对角线元素随着下角标呈增大趋势。
图5为QR分解算法SIMD指令优化示意图,如图5所示,信道估计矩阵经过QR分解后,接收矢量分量和判决是通过矩阵与矢量的乘加运算实现的。首先,将需要进行计算的分解矩阵R和发送信号矢量X分别存储在连续的内存上,通过SIMD指令可以同时进行n个分解矩阵元素与n个发送信号元素相乘;在判决时,通过SIMD指令首先可以同时进行n个对应元素相减,并将结果存储在连续的内存上,最后通过SIMD指令可以同时进行n个对应元素相除。因此,利用SIMD指令在每个处理时间单位内可执行n个数据的并行相同运算,如乘、减、除等,从而快速得出计算结果。
可选的,译码算法采用最小均方误差(MMSE)算法时,可分为无干扰抵消、不排序的干扰抵消和排序的干扰抵消三种方法。其检测符号为:式中是中的某一列,HH为信道估计矩阵H和的共轭转置矩阵,为接收符号,σ2为噪声方差,为nT×nT的单位阵,(.)-1表示对矩阵求逆。
图6为采用MMSE算法时,检测平台获取UE发送序列的流程示意图,如图6所示,检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列包括:
步骤601:利用SIMD指令集求得到所需系数矩阵的列其中,σ2为噪声方差,为nT*nT的单位阵,所述nT为发送天线个数。
步骤602:利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,
步骤603:判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤604;否则,转到步骤605。
步骤604:按照 进行排序。
步骤605:通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量。
步骤606:判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤601;否则,流程结束。
MMSE的运算流程与迫零算法流程基本相同,其循环为递减循环。图7为MMSE算法SIMD指令优化示意图,如图7所示,将信道估计矩阵H的行向量和列向量分别存储在连续的内存上。首先,采用SIMD指令同时进行n个向量元素的相乘运算,并存储在连续的内存上。然后与连续内存存储的噪声方差值进行相加,采用SIMD指令优化后,可以同时计算得到n个矩阵HHH的元素与噪声方差之和;经过相乘运算得到后,再次采用SIMD指令便可以同时进行n个接受符号向量元素和n个检测因子向量元素的相乘运算;如果加入干扰抵消,每个接受符号上计算处理是相同的,采用SIMD指令可以同时进行n个向量元素的相乘或相减。所以,采用SIMD指令优化后,提高了MIMO检测矩阵相乘和相加运算的并行度,同时可以进行n个元素的相同计算处理,大幅地减少了MIMO检测时延。
本发明实施例还相应地提出了一种基于MIMO的信号检测平台,该基于MIMO的信号检测平台包括:接收模块、并行处理模块,其中,
所述接收模块,用于通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;
所述并行处理模块,用于根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列。
可选的,所述并行处理模块,具体用于:
a、利用SIMD指令集求(HHH)-1HH得到系数矩阵;
b、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,式中为系数矩阵中的列;
c、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤d;否则,转到步骤e;
d、根据进行排序,为系数矩阵的列;
e、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
f、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤a;否则,流程结束。
可选的,所述并行处理模块,具体用于执行:
g、对信道估计矩阵H进行QR分解得到酉矩阵Q和nT*nT的上三角矩阵R,所述nT为发送天线个数;
h、对接收矢量r左乘QH得到检测矢量y,y中的每个元素其中,Rij为分解矩阵R中的元素,vi为白噪声矢量n经过正交变换后的噪声矢量,xj为发送信号矢量,i表示检测符号的标号;
i、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤j;否则,转到步骤k;
j、按照通过列调整对R进行排序;
k、首先计算而后迭代计算X的后续元素
1、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,i=i-1,返回步骤h;否则,流程结束。
可选的,所述并行处理模块,具体用于执行:
m、利用SIMD指令集求得到所需系数矩阵的列其中,σ2为噪声方差,为nT*nT的单位阵,所述nT为发送天线个数;
n、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,
o、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤p;否则,转到步骤q;
p、按照 进行排序;
q、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
r、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤m;否则,流程结束。
总而言之,现有的V-BLAST的三种译码算法在实现过程中都是按照串行的方法逐步进行处理,大大增加了信号处理时延,影响了信号接收端的实时性。而本发明是基于通用多核处理器,从V-BLAST三种译码算法的开端开始,逐步采用SIMD指令对迫零算法、QR分解和MMSE算法进行并行优化,并最终在维持性能的前提下大大降低处理时延。
相比现有技术而言,本发明的优点具体包括:
1、基于通用多核处理器对信号进行处理。通用多核处理器的广泛适用性、优良的可移植性和较短的开发周期使得开发人员的培训周期大大缩短,工作量大大减少,并大大简化了以后平台的更新升级和移植过程。
2、基于SIMD指令集对所提到的算法进行并行优化,从信号处理流程开始,通过对接收数据的提取、重排和对齐,对所提到的算法的计算和循环迭代过程进行SIMD指令并行处理,使得计算时延与其所并行倍数成反比降低,从而大大减少处理时延以满足接收端信号处理的实时性要求。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于MIMO的信号检测方法,其特征在于,检测平台基于通用处理器实现,该方法包括:
检测平台通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;
所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用单指令多数据SIMD指令集进行并行计算,获取UE发送序列。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列为:
a、利用SIMD指令集求(HHH)-1HH得到系数矩阵;
b、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,式中为系数矩阵中的列;
c、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤d;否则,转到步骤e;
d、根据 进行排序;
e、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
f、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤a;否则,流程结束。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列为:
g、对信道估计矩阵H进行QR分解得到酉矩阵Q和nT*nT的上三角矩阵R,所述nT为发送天线个数;
h、对接收矢量r左乘QH得到检测矢量y,y中的每个元素其中,Rij为分解矩阵R中的元素,vi为白噪声矢量n经过正交变换后的噪声矢量,xj为发送信号矢量,i表示检测符号的标号;
i、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤j;否则,转到步骤k;
j、按照通过列调整对R进行排序;
k、首先计算而后迭代计算X的后续元素
l、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,i=i-1,返回步骤h;否则,流程结束。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述检测平台根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列为:
m、利用SIMD指令集求得到所需系数矩阵的列其中,σ2为噪声方差,为nT*nT的单位阵,所述nT为发送天线个数;
n、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,
o、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤p;否则,转到步骤q;
p、按照 进行排序;
q、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
r、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤m;否则,流程结束。
5.一种基于MIMO的信号检测平台,其特征在于,该基于MIMO的信号检测平台包括:接收模块、并行处理模块,其中,
所述接收模块,用于通过多天线接收信号r和信道估计矩阵H;
所述并行处理模块,用于根据所述接收的信号r和信道估计矩阵H,采用SIMD指令进行并行计算,获取UE发送序列。
6.根据权利要求5所述的基于MIMO的信号检测平台,其特征在于,所述并行处理模块,具体用于执行:
a、利用SIMD指令集求(HHH)-1HH得到系数矩阵;
b、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,式中为系数矩阵中的列;
c、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤d;否则,转到步骤e;
d、根据进行排序,为系数矩阵的列;
e、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
f、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤a;否则,流程结束。
7.根据权利要求5所述的基于MIMO的信号检测平台,其特征在于,所述并行处理模块,具体用于执行:
g、对信道估计矩阵H进行QR分解得到酉矩阵Q和nT*nT的上三角矩阵R,所述nT为发送天线个数;
h、对接收矢量r左乘QH得到检测矢量y,y中的每个元素其中,Rij为分解矩阵R中的元素,vi为白噪声矢量n经过正交变换后的噪声矢量,xj为发送信号矢量,i表示检测符号的标号;
i、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤j;否则,转到步骤k;
j、按照通过列调整对R进行排序;
k、首先计算而后迭代计算X的后续元素
l、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,i=i-1,返回步骤h;否则,流程结束。
8.根据权利要求5所述的基于MIMO的信号检测平台,其特征在于,所述并行处理模块,具体用于执行:
m、利用SIMD指令集求得到所需系数矩阵的列其中,σ2为噪声方差,为nT*nT的单位阵,所述nT为发送天线个数;
n、利用SIMD指令集将系数矩阵与接收信号相乘,得到具体的,
o、判断是否需要进行排序,如果是,转到步骤p;否则,转到步骤q;
p、按照 进行排序;
q、通过硬判决过程,得到为对进行硬判决之后得到的信号矢量;
r、判断是否进行干扰抵消迭代,如果是,返回步骤m;否则,流程结束。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140716 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |