CN108886390B - 用于导出子矩阵的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于导出子矩阵
Figure DDA0001684312030000011
的设备(01)。所述设备(01)包括：选择单元，用于选择N×N矩阵G或G‑1的N个元素的列和N个元素的行；重排单元，用于将所选择的列重排为G或G‑1的最右边的列，并且将所选择的行重排为G或G‑1的最下面的行，以生成N×N矩阵Gp或Gp ‑1；计算单元，用于通过
Figure DDA0001684312030000012
来计算子矩阵
Figure DDA0001684312030000013
其中，参数(N‑1)×(N‑1)子矩阵A、b、d、c是根据所述Gp或Gp ‑1获得的；其中，
Figure DDA0001684312030000014

Description

用于导出子矩阵的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于导出子矩阵的设备和方法。
背景技术
例如，在多输入多输出(multiple input and multiple output，MIMO)系统中，发射器通过多个发射天线来发送多个流。假设MIMO系统中的流的数目是N，例如存在作为流的源的至少N个发射天线以及接收流的至少N个接收天线。则MIMO系统可以用流的数目来简单地表示，也就是说，MIMO系统可以表示为“N×N MIMO”系统。
MIMO解码器的普遍实现是基于K最佳搜索算法的。该解码器的主要构思是使用迭代方式将可能发射的流添加至总体度量，而不是使用在最优最大似然解码器中实现的联合穷举搜索。在解码过程的每个阶段，根据预定义的度量来选择仅K个最佳可选路径。
K最佳搜索算法的性能依赖于将流添加至解码器决策度量的顺序。正确的顺序导致良好的性能，而错误的顺序可以完全破坏K最佳检测性能。因此，引入重新排序算法以针对K最佳搜索的每个阶段来选择最佳的流。重新排序可以取决于每个流与所有其他流之间的相互干扰。
根据重新排序算法，在迭代计算的每个阶段选择流并且移除流。例如，假设实值物理信道矩阵被表示为H，并且通过矩阵(G-1)i，i＝(H*H)-1的主对角线元素来定义后处理信号噪声干扰比(Signal-to-Noise-and-Interference ratio，SINR)。选择具有最低SINR的流并且然后移除该流。因此，构造了其中移除了与移除的流对应的列的新的信道子矩阵
Figure BDA0001684310970000011
然后，根据
Figure BDA0001684310970000012
来选择下一个流。因此，在重新排序过程的每个步骤处，应该计算新的逆子矩阵。
随着流的数目增加，矩阵求逆的次数和逆矩阵的大小相应地增加。为了完成重新排序过程，所需的计算次数非常巨大。也就是说，在现有技术中，接收器的实现，特别是K最佳重新排序的实现，是非常耗费资源的。
发明内容
为了解决以上提及的问题，本发明的目的是提供一种用于导出子矩阵的设备和方法，使得实现改进对子矩阵的计算特别是最优替代方案的计算的效果。
以上提及的本发明的目的通过独立权利要求中提供的解决方案来实现。另外，在从属权利要求中定义了实现方式。
本发明的第一方面提供了一种用于导出子矩阵
Figure BDA0001684310970000013
的设备，该设备被配置成执行：
-步骤1：选择N×N矩阵G或G-1的N个元素的列和N个元素的行；
-步骤2：将所选择的列重排为G或G-1的最右边的列，并且将所选择的行重排为G或G-1的最下面的行，以生成N×N矩阵Gp或Gp -1；
-步骤3：通过
Figure BDA0001684310970000021
来计算(N-1)×(N-1)子矩阵
Figure BDA0001684310970000022
其中，参数A、b、d、c是根据Gp或Gp -1获得的；其中，
Figure BDA0001684310970000023
根据前面的描述直接得出：A是(N-1)×(N-1)矩阵，并且b、c是(N-1)维向量，并且d是标量。
通过执行步骤1、步骤2和步骤3的序列，设备可以在其中N表示流的数目的MIMO示例中从接收到的流中移除与所选择的列和行对应的一个流。该流可以是具有最小SNR的流。设备达到包括较少替代选择的结果，而无需执行如通常实现的资源密集型矩阵求逆。设备可以是接收器或与接收器交互的装置。
在根据第一方面的设备的第一实现形式中，其中，如果N是大于2的整数，则设备被配置成通过将最新计算的
Figure BDA0001684310970000025
定义为G-1来重复执行步骤1至步骤3，直到N达到第一预定义值。例如，第一预定义值是2。
通过重复执行步骤1、步骤2和步骤3的序列，减少了移除多个流所需的更多计算。因此，用作流的接收器的设备的实现比现有技术更有效。特别地，当步骤1、步骤2和步骤3的序列被执行(N-2)次时，与现有技术相比，设备的效率得到了显著提高。
在根据第一方面或者根据第一方面的第一实现形式的设备的第二实现形式中，所选择的列和所选择的行的交叉处的元素是G或G-1的所有元素中的最小元素。
与包括所选择的最小元素的列和行对应的流可以是所有流中的最受干扰的流。通过选择矩阵的元素，可以移除最受干扰的流。因此，对于设备来说，针对K最佳搜索的每个阶段找到最佳的流是更有效的。
在根据第一方面或根据第一方面的第一实现形式或第二实现形式的设备的第三实现形式中，G是信道矩阵H的协方差矩阵。
当设备适用于N×N MIMO系统时，与物理意义和数学意义相关联的所有计算都可以由设备基于矩阵来执行，这使得可以降低设备的实现的复杂度，并且因此降低设备的资源消耗。设备的效率得到了提高。
本发明的第二方面提供了一种用于导出子矩阵
Figure BDA0001684310970000026
的方法，该方法包括：
-步骤1：选择N×N矩阵G或G-1的N个元素的列和N个元素的行；
-步骤2：将所选择的列重排为G或G-1的最右边的列，并且将所选择的行重排为G或G-1的最下面的行，以生成N×N矩阵Gp或Gp -1；
-步骤3：通过
Figure BDA0001684310970000024
来计算子矩阵
Figure BDA0001684310970000027
其中，参数(N-1)×(N-1)子矩阵A、b、d、c是根据Gp或Gp -1获得的；其中，
Figure BDA0001684310970000031
本发明的方法实现了与以上针对设备描述的优点相同的优点。可以用附加方法步骤来实现该方法，所述附加方法步骤与通过以上针对设备描述的各种实现形式实现的功能对应。
本发明的第三方面提供了一种包括程序代码的计算机程序，该程序代码用于当在计算机上运行时执行根据本发明的第二方面的方法。
附图说明
将在以下与附图有关的具体实施方式的描述中说明本发明的上述方面和实现形式，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的设备的框图。
图2示出了根据本发明的实施方式的方法的框图。
图3示出了根据本发明的实施方式的系统的框图。
图4示出了根据本发明的实施方式的设备与现有技术的设备相比的性能结果。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施方式的用于导出子矩阵的设备01。设备01可以是用作网络中的接收器的基站、接入点、客户端或用户终端。设备01可以用于其中发射器与接收器之间的数据可以被表示为矩阵的各种情景例如MIMO系统。
在以下示例中，设备01可以用作MIMO系统中的接收器。然而，应当理解的是，发射器与接收器之间的数据不限于MIMO系统中的流。在处理中数据可以被认为是一组值。
应当注意的是，以N×N MIMO系统为例来描述本发明，其中，N是系统中的流的数目即数量。相应地，通过流的数目来定义示例中的矩阵的大小，例如N×N。连接至设备的天线的数目可以等于或大于流的数目。
如图1所示的可以执行如图2所示的方法的设备01包括：被配置成执行步骤1的选择单元10、被配置成执行步骤2的重排单元12以及被配置成执行步骤3的计算单元14。
如图2所示，由设备01的单元执行的步骤1、步骤2和步骤3可以如下：
-步骤1：选择N×N矩阵G或G-1的N个元素的列和N个元素的行；
-步骤2：将所选择的列重排为G或G-1的最右边的列，并且将所选择的行重排为G或G-1的最下面的行，以生成N×N矩阵Gp或Gp -1；
-步骤3：通过
Figure BDA0001684310970000032
来计算(N-1)×(N-1)子矩阵
Figure BDA0001684310970000033
其中，参数A、b、d、c是根据Gp或Gp -1获得的；其中，
Figure BDA0001684310970000034
可以理解的是，在步骤3中执行的数学运算基于著名的舒尔补(Schurcomplementation)来执行。
通过执行步骤1、2和3的序列，设备01可以从矩阵中移除与所选择的列和行对应的至少一个数据集。这可以例如通过优化过程来激发(motivate)。与根据现有技术所需的计算相比，移除该数据集所需的计算减少。
另外，在设备01在MIMO系统中起作用的情景中，通过执行步骤1、2和3的序列，设备01可以从接收到的流中移除与所选择的列和行对应的一个流。与根据现有技术所需的计算相比，移除该流所需的计算减少。也就是说，在用于针对K最佳搜索的每个阶段选择最佳流的重新排序过程期间，简化了具有移除一个流的效果的至少一个步骤。因此，用作流的接收器的设备的实现不像现有技术那样复杂。
在可选示例中，如果N是大于2的整数，则选择单元10被配置成通过将最新计算的
Figure BDA0001684310970000042
定义为输入G-1来重复执行步骤1，其中，在每次执行步骤1时用N-1来更新N。继续重复执行步骤1，直到更新了的N达到第一预定义值，例如2。
应当注意的是，步骤1、2和3是依次执行的，其中，前一步骤的每个输出被视为后一步骤的触发和输入。也就是说，利用输入，步骤1生成输出。然后，步骤2将步骤1的输出当作输入并且生成输出。然后，步骤3将步骤2的输出当作输入并且生成输出。
另外，可以连续执行步骤1、2和3的序列，直到步骤3的输出子矩阵的大小达到2×2。也就是说，步骤1可以将步骤3的输出当作触发和更新了的输入。然后，由步骤1的更新了的输出来触发步骤2，并且由步骤2的更新了的输出来触发步骤3。如果步骤3的更新了的输出具有大于2×2的大小，则步骤3的更新了的输出可以被认为是步骤1的更新了的输入，并且步骤1、2和3被再一次重复执行。
可选地，设备01还可以包括接收单元18和生成单元19。例如，接收单元18连接至用于从源接收流的多个天线(例如，如图1所示的18a、18b、18c、18d)。可选地，天线被认为是固定在接收单元18上并且因此是接收单元18的一部分。
作为示例，当包括设备01的MIMO系统中的流的数目是N时，可以假设具有N个天线的接收单元18被配置成从源接收N个流。生成单元19被配置成生成G，其中，G是信道矩阵H的协方差矩阵。矩阵H对应于所有发射天线与所有接收天线之间的物理信道。此处，所有发射天线和所有接收天线是涉及MIMO系统中的N个流的传输的天线。也就是说，用流的数目来表示矩阵H的大小，例如N×N。可以理解的是，在步骤1中，所生成的G或其逆G-1可以是例如选择单元10的原始输入。
如图3所示，系统03包括如图1所示的设备01和用作流的源的设备02。
假设在4×4MIMO系统中存在由设备01从设备02接收到的4个流，则由设备01执行的导出子矩阵的方法的示例如下。
首先，当由设备01的接收单元18获得4×4信道矩阵并且将4×4信道矩阵表示为H时，由设备01的生成单元19来生成协方差矩阵并且将协方差矩阵表示为G，其中：
Figure BDA0001684310970000041
将基于G计算的G的逆表示为G-1，其中：
Figure BDA0001684310970000051
如果逆矩阵G-1的主对角线的最小值是
Figure BDA0001684310970000056
则选择
Figure BDA0001684310970000057
并且选择单元10选择第二流作为要移除的流。相应地，对第二列和第二行进行重排。
基于矩阵G和选择单元10的选择来获得重排后的矩阵Gp(步骤2)，其中：
Figure BDA0001684310970000052
假设Gp和Gp -1被分别如下地表示，其中，包括b和d的列是所选择的列，并且包括cT和d的行是所选择的行。A是当从矩阵Gp -1中移除了所选择的列和行时保持的子矩阵。
Figure BDA0001684310970000053
A、b、c和d基于Gp来获得(即，定义)，并且被如下地表示。
Figure BDA0001684310970000054
最后，可以根据A、b、d、c来计算子矩阵
Figure BDA0001684310970000058
(步骤3)，其中：
Figure BDA0001684310970000055
在N×N MIMO系统中，其中，N等于4，从步骤1至步骤3的执行结果可以被认为是子矩阵
Figure BDA0001684310970000059
该子矩阵
Figure BDA00016843109700000510
是3×3子矩阵，即(N-1)×(N-1)子矩阵。可以看出，在从步骤1至步骤3执行之后，移除了由选择单元10选择的由第二列和第二行表示的受干扰流(例如，以上示例中的第二流)。
可选地，子矩阵
Figure BDA00016843109700000511
的最小元素可以是由选择单元10选择的下一元素。设备01随后执行步骤1、2和3的序列。
与现有技术相比，当步骤1至步骤3的序列被执行一次时，重新排序过程期间的计算的复杂度降低。此外，步骤1至步骤3的序列被设备01执行得越多，则获得的复杂度降低的效果越多。
应当注意的是，本发明不限于以上示例。例如，矩阵G和矩阵G-1彼此具有明确的数学关系(一个是另一个的逆)。在以上示例中基于矩阵G的任何计算或决策都可以基于子矩阵
Figure BDA0001684310970000061
来实现。
图4提供了完成与实值流的数目相关联的重新排序过程所需的计算次数。此处，每个流的实数部分和虚数部分被视为独立正交的流。可以看出，为了在包括相同数目的流的相同情景下完成重新排序过程，本发明所需的计算次数少于现有技术所需的计算次数。随着流越多，由设备执行的计算复杂度可以降低得越多。
已经结合本文中的各种MIMO实施方式描述了本发明。然而，在实践所要求保护的本发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员可以理解和实现其他应用。可以将计算机程序存储或分布在适合的介质上，例如在与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质上，但是计算机程序还可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线电信系统或无线电信系统来分布。

Claims (9)

1.一种用于导出子矩阵
Figure FDA0002633430650000011
的设备(01)，所述设备(01)包括：
选择单元，用于选择N×N矩阵G或G-1的N个元素的列和N个元素的行，其中，N表示多输入多输出MIMO系统中的流的数目，并且所述矩阵G是所述MIMO系统的信道矩阵H的协方差矩阵；
重排单元，用于将所选择的列重排为G或G-1的最右边的列，并且将所选择的行重排为G或G-1的最下面的行，以生成N×N矩阵Gp或Gp -1；
计算单元，用于通过
Figure FDA0002633430650000012
来计算子矩阵
Figure FDA0002633430650000013
其中，参数(N-1)×(N-1)子矩阵A、b、d、c是根据所述Gp或Gp -1获得的；其中，
Figure FDA0002633430650000014
包括b和d的列是所选择的列，并且包括cT和d的行是所选择的行，A是从矩阵Gp -1中移除了所选择的列和所选择的行时得到的子矩阵。
2.根据权利要求1所述的设备(01)，其中，如果N是大于2的整数，则所述设备(01)被配置成通过将最新计算的
Figure FDA0002633430650000015
定义为G-1来重复执行选择单元至计算单元，直到N达到第一预定义值。
3.根据权利要求2所述的设备(01)，其中，所述第一预定义值是2。
4.根据权利要求1所述的设备(01)，其中，所选择的列和所选择的行的交叉处的元素是所述G或G-1的所有元素中的最小元素。
5.一种用于导出子矩阵
Figure FDA0002633430650000016
的方法，包括：
由N个接收天线接收来自N个发射天线的流，其中N表示多输入多输出MIMO系统中的流的数目；以及
生成N×N矩阵G，所述矩阵G是所述MIMO系统的信道矩阵H的协方差矩阵，并且，针对所述矩阵G执行如下操作：
-步骤1：选择N×N矩阵G或G-1的N个元素的列和N个元素的行；
-步骤2：将所选择的列重排为G或G-1的最右边的列，并且将所选择的行重排为G或G-1的最下面的行，以生成N×N矩阵Gp或Gp -1；
-步骤3：通过
Figure FDA0002633430650000017
来计算子矩阵
Figure FDA0002633430650000018
其中，参数(N-1)×(N-1)子矩阵A、b、d、c是根据所述Gp或Gp -1获得的；其中，
Figure FDA0002633430650000019
包括b和d的列是所选择的列，并且包括cT和d的行是所选择的行，A是从矩阵Gp -1中移除了所选择的列和所选择的行时得到的子矩阵。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，如果N是大于2的整数，则通过将最新计算的
Figure FDA0002633430650000021
定义为G-1来重复执行包括步骤1至步骤3的所述方法，直到N达到第一预定义值。
7.根据权利要求6所述的方法，所述第一预定义值是2。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所选择的列和所选择的行的交叉处的元素是所述G或G-1的所有元素中的最小元素。
9.一种计算机可读介质，其上存储有包括程序代码的计算机程序，所述程序代码用于当在计算机上运行时执行根据权利要求5至8中任一项所述的方法。
CN201580085083.1A 2015-12-22 2015-12-22 用于导出子矩阵的设备和方法 Active CN108886390B (zh)

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