CN104038265A - 检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种检测方法及装置，包括：通过从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。从而可以极大地降低发射信号向量的检测复杂度，并且可以将复杂度降低到与ZF方法同一个数量级，而且性能比ZF有很大改进。

Description

检测方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种检测方法及装置。

背景技术

多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是无线通信领域目前研究的热点，各种新型移动通信系统中都采用MIMO技术来提高系统的频谱效率。MIMO技术可以增加数据复用的空间维度，使多份数据空间复用到相同的时频资源，也可以用多个天线上发送同样的数据和/或用多个接收天线接收同样的数据，获得空间分集增益。典型的空间分集技术包括Alamouti空时分组码（Space Time Block Coding，STBC），而典型的空间复用技术包括贝尔实验室垂直分层空时技术（Vertical Bell Labs Layered Space Time，V-BLAST）。

图1为MIMO检测应用场景示意图，如图1所示，发射端将发射信号通过发射天下发射出去，接收端通过接收天线接收该信号，并通过MIMO技术检测出发射信号，发射信号可以用发射信号向量表示。即MIMO技术的基本特征是多个发射天线和多个接收天线，假设发射天线数为MT，接收天线数为MR，则可将MIMO传输模型表示为：

或者简记为Y＝Hs+n。其中y_i为第i个接收天线上收到的信号，Y为由接收到的信号组成的接收信号向量，h_ij为第i个接收天线与第j个发射天线之间的信道响应，H为信道矩阵，s_j为第j个发射天线上发送的数据符号，s为由发射天线上发送的数据符号组成的发射信号向量，n_i为第i个接收天线上收到的噪声，n为噪声矩阵。通过MIMO检测可以检测出发射信号向量s。当接收天线数不少于发射符号数时，接收端能够通过一定的MIMO均衡算法尽可能消除或抑制多个发射符号之间的干扰，从而恢复出M_T个发射符号，常见的线性MIMO均衡算法有线性最小均方误差（Linear Minimum Mean Square Error，LMMSE）和迫零（Zero Forcing，ZF）等；另外接收端也可以将所有MT个发射符号当成一个完整码字使用最大似然检测（Maximum Likelihood Detection，MLD）方法进行检测，从而估计出M_T个发射符号。也可以使用MIMO均衡算法结合串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）进行接收，即首先使用线性MIMO均衡方法估计其中一个发射符号，然后将其作为已知干扰进行消除后再使用线性MIMO均衡方法估计另外一个发射符号，然后依次迭代，直到所有发射符号都检测接收完毕。

在MIMO的所有检测算法中，ZF复杂度最低，但其性能较差。

发明内容

本发明实施例提供了一种检测方法及装置，既可以降低检测复杂度，又可以提高性能。

在第一方面，本发明实施例提供了一种检测方法，包括：

从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；

计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；

将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；

根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量具体为：对所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵采用最大似然检测MLD方法检测出所述发射信号向量。

结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，对所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵进行奇异值分解，获得所述第一矩阵。

结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵之前还包括：将所述原始信道矩阵按列分组，每个列向量组包含一个以上的列向量。

结合第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述每个列向量组包含相同数量的列向量。

在第二方面，本发明实施例提供了一种检测装置，包括：

生成单元，从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；

计算单元，用于计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；

处理单元，用于将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；

检测单元，用于根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。

结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述检测单元具体用于，对所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵采用最大似然检测MLD方法检测出所述发射信号向量。

结合第二方面，在第二种可能的实现方式中，所述计算单元对所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵进行奇异值分解，获得所述第一矩阵。

结合第二方面，在第三种可能的实现方式中，所述生成单元还用，将所述原始信道矩阵按列分组，每个列向量组包含一个以上的列向量。

结合第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述生成单元中，所述每个列向量组包含相同数量的列向量。

本发明实施例中，通过从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。从而可以极大地降低发射信号向量的检测复杂度。

附图说明

图1为MIMO检测应用场景示意图；

图2为本发明实施例一提供的检测方法流程图；

图3为本发明实施例一提供的不同算法所需的浮点操作数对比图；

图4为本发明实施例一提供的不同算法的性能对比图；

图5为本发明实施例二提供的检测装置示意图。

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，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。

针对现有技术的缺陷，本发明实施例提出一种检测方法及装置，通过将原始信道矩阵分组，在零空间进行求解检测出发射信号向量，可以将检测复杂度降低到与ZF方法同一个数量级，而且性能比ZF有很大改进。

下述实施例描述的为一种检测方法。图2为本发明实施例一提供的检测方法流程图。如图2所示，所述方法包括：

S201，从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应。

具体地，可以从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，该一组列向量包括一个以上的列向量。

为操作方便，在该步骤之前还可以先将所述原始信道矩阵按列分组，然后去掉其中的一个列向量组。每个列向量组包含的列向量数量可以相同也可以不同。具体为，根据公式（1）所示的MIMO传输模型，可以将原始信道矩阵H用N个列向量组来表示：

每个列向量组包含所述一个以上的列向量。从原始信道矩阵中去除一组列向量后可以生成第一信道矩阵，所述第一信道矩阵可以表示为：

${\tilde{H}}_i=\left[\begin{array}{cc}{H}_1...H_{i-1}& H_{i+1}...H_N\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，1≤i≤M_T，即表示从H去掉了第i个列向量组H_i，M_T为发射天线数，即H所包含的列向量数量，M_R为接收天线数，即H所包含的行向量数量。

S202，计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量。

具体地，可以采用奇异值分解的方法求出第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的向量所组成的第一矩阵，也可以采用其他方法获得第一矩阵。奇异值分解是一种已知的矩阵分解方法，在此不详细阐述，只做简要介绍：可以将矩阵进行奇异值分解为：

${\tilde{H}}_i^H=U_i\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σi}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{V}_i^1& V_i^0\end{array}\right]}^H---\left(4\right)$

其中为的0奇异值对应的矩阵，这里称为第一矩阵。并且根据线性理论中的奇异值分解特点，可知：

${\tilde{H}}_i^H{V}_i^0=0---\left(5\right)$

为表述方便，可令则有

${\tilde{H}}_i^H{W}_i=0---\left(6\right)$

将公式（6）取共轭可得：

$H_i^H{\tilde{H}}_i=0---\left(7\right)$

S203，将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵。

具体地，将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与接收信号向量相乘为：

$W_i^{H}Y=r_i---\left(8\right)$

其中，Y为接收信号对应的接收信号向量，r_i为等效接收信号向量。

将第一矩阵的共轭转置矩阵与原始信道矩阵相乘为：

$W_i^H\left[\begin{array}{ccc}{H}_1...H_{i-1}& H_i& H_{i+1}...H_N\end{array}\right]$

$=W_i^H{H}_i---\left(9\right)$

${\hat{H}}_i$

其中，称为等效信道矩阵。

S204，根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。

将如公式（1）所表示的MIMO传输模型两边同时乘以上述矩阵可得：

$W_i^{H}Y=W_i^H(\mathrm{Hs}+n)---\left(10\right)$

$=W_i^H(\left[\begin{array}{ccc}{H}_1...H_{i-1}& H_i& H_{i+1}...H_N\end{array}\right]s+n)$ 其中，将接收信号向量s按照与原始信道矩阵H一样的分组方法，将其分为如下形式：s＝[S₁...S_i...S_N]^T，S_i为行向量组，每个行向量组S_i包含的元素个数与原始信道矩阵H中的每个列向量组H_i包含的元素个数相同。

需要说明的是，原始信道矩阵H与接收信号向量s是相对应的，因此，这里对接收信号向量s分组时，也应该采用与对原始信号矩阵一样的分组方法，使其分组后的对应关系保持不变。

则将公式（8）和公式（9）带入公式（10）中可得：

$r_i=W_i^H{H}_i{S}_i+W_i^{H}n---\left(11\right)$

$={\hat{H}}_i{S}_i+\hat{n}$

其中，为等效噪声向量。

从公式（12）可以看出，对公式（1）的求解，可以转化为对下面N个独立的方程的求解：

$r_i={\hat{H}}_i{S}_i+\hat{n},i=\mathrm{1,2},...,N---\left(12\right)$

优选地，可以对上述方程组采用MLD方法检测出所述发射信号向量，MLD算法为：

${\hat{S}}_i=\underset{s_i\∈\mathrm{\Ω}}{\arg \min }\left(\right||r_i-{\hat{H}}_i\·S_i|{|}^2),i=\mathrm{1,2},...,N---\left(13\right)$

其中，上述公式求出的为使取最小值时的S_i，为S_i的估计值，或者说检测值，Ω为星座空间的星座点集合，不同的星座调制方式，其大小不一样，比如采用正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）调制，有4个星座点，16相正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)有16个星座点，64QAM有64个星座点。MLD检测算法的复杂度公式为Qa，Q为对所述发射信号向量对应的发射信号进行调制所用的星座点个数,a为Si所包含的元素个数。通过公式（13）进行N此检测后，可以获得发射信号向量s的检测值 $\hat{s}=[{\hat{S}}_1...{\hat{S}}_i...{\hat{S}}_N{]}^T.$

当对原始信道矩阵H分组时，如果每个列向量组包含相等数量的列向量，采用MLD方法检测时，由于因此，矩阵的规模为（行数X列数），而中一个行向量包含的元素个数与s_i的列向量包含的元素个数是相等的，由此可知s_i中元素个数为因此，对s_i检测的复杂度为由于有N个方程，因此，总的复杂度为N为所述原始信道矩阵包含的列向量组数量。如果采用现有的MLD方法进行检测，则将公式（1）带入检测公式为：

$\hat{s}=\underset{s\∈\mathrm{\Ω}}{\arg \min }\left(\right||r-\hat{H}\·s|{|}^2)---\left(14\right)$

可以看出，检测复杂度为因此，本发明实施例提供的方法相对于原有的MLD检测算法来说，复杂度得到了极大的降低。

具体地，对于本发明实施例提供的检测方法，如果采用64QAM星座调制,8发射天线，将原始信道矩阵H分块分为2个列块时，复杂度为2*64^(8/2)=3.3554432e+07，如果采用64QAM星座调制,8发射天线，将原始信道矩阵H分块分为2个列块时，复杂度为4*64^(8/4)=1.6384e+04，而原有的MLD检测算法在64QAM，8发射天线时复杂度为2.8147e+014，可以看出，复杂度大大降低。

需要说明的是，也可以采用其它方法求解上述方程组，来检测获得发射信号向量。

图3为本发明实施例一提供的不同算法所需的浮点操作数对比图。图3所示的为本申请的方案、ZF方法和现有MLD检测算法所需的浮点操作数(Floating point operation，Flops)的仿真对比图，浮点数越多说明计算复杂度越高。图3的仿真条件为：8发射天线，8接收天线，将信道矩阵H分为2个列向量组。图3中“1”表示ZF所需的flops，其大小为1.6e05，“2”表示本发明方案所需的flops，其大小为2.2e05，“3”表示现有MLD方法所需的flops其大小为4.2e7。由此可知，本发明的方案将MIMO检测算法复杂度降低到了与ZF同一数量级，而且性能比ZF有很大改进。

图4为本发明实施例一提供的不同算法的性能对比图。仿真条件与图3中的条件相同，纵轴表示比特误码率（Bit error ratio,BER）,横轴表示信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）,同一SNR对应的BER越大说明性能越差，从中可以看出，本发明方案相对于ZF来说有将近5dB的增益，因此，性能较之ZF有很大改进。

上述实施例描述的为，通过从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。从而可以极大地降低发射信号向量的检测复杂度，并且可以将复杂度降低到与ZF方法同一个数量级，而且性能比ZF有很大改进。

相应地，本发明实施例提供了一种与上述检测方法对应的检测装置。图5为本发明实施例二提供的检测装置示意图。如图5所示，所述装置包括：生成单元501、计算单元502、处理单元503和检测单元504。

生成单元501，用于从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应。

计算单元502，用于计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量。

处理单元503，用于将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵。

检测单元504，用于根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。

其中，所述生成单元501还用于，将所述原始信道矩阵按列分组，每个列向量组包含一个以上的列向量。

如果每个列向量组包含相同数量的列向量，则所述检测单元504采用MLD装置检测的复杂度为N为所述原始信道矩阵包含的列向量组数量，MT为所述原始信道矩阵包含的列向量个数，Q为对所述发射信号向量对应的发射信号进行调制所用的星座点个数。

所述计算单元503对所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵进行奇异值分解，获得所述第一矩阵。

所述检测单元504具体用于，对所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵采用最大似然检测MLD方法检测出所述发射信号向量。

需要说明的是，本发明实施例提供的检测装置植入了实施例一提供的检测方法，因此，所述检测装置中各个单元的具体工作过程在此不再赘述。

上述实施例描述的为，通过生成单元从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；计算单元计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；处理单元将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；检测单元根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。从而可以极大地降低发射信号向量的检测复杂度，并且可以将复杂度降低到与ZF方法同一个数量级，而且性能比ZF有很大改进。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测方法，其特征在于，所述方法包括:

从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；

计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；

将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；

根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量具体为：对所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵采用最大似然检测MLD方法检测出所述发射信号向量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵进行奇异值分解，获得所述第一矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵之前还包括：将所述原始信道矩阵按列分组，每个列向量组包含一个以上的列向量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述每个列向量组包含相同数量的列向量。

6.一种检测装置，其特征在于，所述装置包括:

生成单元，从原始信道矩阵中去除一组列向量生成第一信道矩阵，所述原始信道矩阵与接收信号相对应；

计算单元，用于计算所述第一信道矩阵对应的第一矩阵，所述第一矩阵包括所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵的0奇异值对应的奇异向量；

处理单元，用于将所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述接收信号对应的接收信号向量进行相乘处理获得等效接收信号向量，并且所述第一矩阵的共轭转置矩阵与所述原始信道矩阵进行相乘处理获得等效信道矩阵；

检测单元，用于根据所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵检测出发射信号向量。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述检测单元具体用于，对所述等效接收信号向量、所述等效信道矩阵采用最大似然检测MLD装置检测出所述发射信号向量。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算单元对所述第一信道矩阵的共轭转置矩阵进行奇异值分解，获得所述第一矩阵。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述生成单元还用，将所述原始信道矩阵按列分组，每个列向量组包含一个以上的列向量。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述生成单元中，所述每个列向量组包含相同数量的列向量。