CN112187332B - 大规模多输入多输出软检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模多输入多输出软检测系统及方法，包括：MMSE子模块：对发射信号进行估计，生成比特初始软信息initLLR；K‑Best子模块：根据比特初始软信息initLLR，通过QR分解法进行路径搜索，在每层保留预设数量的幸存路径，输出最优路径并进行硬判决，得到硬判比特Hardbits；LLR修改子模块：根据硬判比特Hardbits，对比特初始软信息initLLR进行修改，得到输出outLLR。本发明的k‑Best方法仅仅得到硬判，其幸存路径搜索值K可以设置很小，计算量很小；采用MMSE计算软比特，能够得到所有比特的软信息。

Description

大规模多输入多输出软检测系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种大规模多输入多输出软检测系统及方法。

背景技术

为了满足海量数据传输的需求，无线通信传输的数据速率越来越高。要提升传输速率只能从两个途径入手：一个是增加传输带宽。另一个是提升频谱效率。但是传输带宽是有限的。因此技术发展的目标就集中在提升频谱效率这条路径上。而多输入多输出(简称为MIMO)技术是提升频谱效率最有效的技术。这些年得到了大规模的研究和应用。

相比较多输入多输出技术，原来的技术称为单输入单输出技术。以OFDM波形为例，当使用单输入单输出技术时，每个子载波只能传输一个QAM符号。而使用多输入多输出技术，每个子载波能够同时传输多个QAM符号，这样就能大大的增加数据传输的速率。

使用多输入多输出技术能够大大的增加数据传输的速率的同时，由于多路信号在接收天线上混合在一起使得接收机变得异常的复杂。多输入多输出情况下的解调称为MIMO检测。大型MIMO是指超过2个数据流的多输入多输出的信号检测技术。

由于实用的通信系统基本上都采用了信道编码的技术来加强译码性能，常见的信道编码技术有turbo编码，LDPC编码等等，而这些码字的译码都要求解调模块输出软比特(简称LLR)。而软比特LLR的计算复杂度远高于硬判比特。这样很多传统的MIMO检测技术就不能使用。又再次增加了大型MIMO检测的技术难度。

专利文献CN103516643B(申请号：201310473436.8)公开了一种MIMO检测预处理装置及方法，该专利使用MMSE估计的方法，首先得到发射信号的估计然后再生成软比特。这种方法的优点是计算量比较小，实现起来简单。其突出的缺点是性能比较差，特别是在天线中高相关性的场景，在2天线下相比球形译码等非线性方法要损失6dB以上的性能。

专利文献CN102904687A(申请号：CN201210384213.X)公开了一种在多层MIMO球形译码检测中进行排序的方法和装置，该专利使用球形译码技术进行MIMO检测，尽管使用了一些QR排序的方法，最后的性能也不错。但是这种方法有两个巨大的缺陷：第一，在高价调制时计算量巨大且计算量不可预测，实际实现时几乎无法使用。第二，球形译码主要是得到最优路径，也就是只能得到硬判，如果想得到软比特的话，需要增加很多的幸存路径，计算量增加，并且即便这样也不能保证能够得到所有的软比特LLR。

专利文献CN110504995A(申请号：CN201910589509.7)公开了一种基于格基规约和K-Best的软输出MIMO检测方法，该专利基于QR分解的K-best的方法是计算量固定的方法，也就是说搜索到任意一层保留固定的幸存路径。其优点是计算量是固定和可以控制的。但是其缺点是：只能保证能够得到最优路径和最优路径对应的硬判。另外还只能得到部分软比特，而如果想得到所有的软比特的话，只能采用比较粗略的置最大值的方法，所以译码性能下降得很严重。

综合上面技术的优缺点，本发明提出一种新型的MMSE和k-best算法结合的算法，可以解决现在的所有问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大规模多输入多输出软检测系统及方法。

根据本发明提供的大规模多输入多输出软检测系统，包括：

MMSE子模块：对发射信号进行估计，生成比特初始软信息initLLR；

K-Best子模块：根据比特初始软信息initLLR，通过QR分解法进行路径搜索，在每层保留预设数量的幸存路径，输出最优路径并进行硬判决，得到硬判比特Hardbits；

LLR修改子模块：根据硬判比特Hardbits，对比特初始软信息initLLR进行修改，得到输出outLLR。

优选的，所述MMSE子模块包括：

在N×N的MIMO系统中，对于每一个子载波，N根接收天线上的信号表达式为：

y＝H·s+n…………(1)

其中，y是N×1接收矢量；H是N×N矩阵；s是N×1发送信号矢量；n是N×1噪声矢量；

计算MMSE矩阵，公式为：

W_MMSE＝(H^H·H+N₀·I)^-1·H^H…………(2)

其中，N₀表示噪声功率；I表示N×N单位矩阵；

计算发射信号矢量s的估计

公式为：

其中，F表示增益矩阵；F＝W_MMSE·H。

优选的，计算信号信噪比，公式为：

流间干扰功率：interPower＝diag{F·F^H}-|diag{F}|²

噪声功率：

期望信号功率：sigPower＝|diag{F}|²

信噪比：

LLR的计算公式为：

LLR＝[real(demodIn)；imag(demodIn)；(2abs(real(demodIn)))；(2-abs(imag(demodIn)))]；

initLLR＝Sig2NCRate*LLR

其中，μ值取决于调制方式，在正交幅度调制中，

initLLR为长度16的矢量。

优选的，所述K-Best子模块包括：

在N×N的MIMO系统中求得最大似然度量λ^ML，计算公式为：

略去噪声项，得到：

其中，Q表示矩阵QR分解中的Q矩阵，矩阵H分解为H＝QR，Q是单位正交矩阵，R是上三角矩阵；R表示QR分解中的R矩阵，s表示发送信号；

优选的，转化为4×4的MIMO系统，得到：

其中，

表示接收信号矢量

的第一个分量；s₁表示发送信号矢量s的第一个分量；r₁₁表示R矩阵的第一行第一列的分量；

以C_i表示第i层扩展出的所有分支节点；

以M_C表示调制阶数，对于正交幅度调制，M_C＝16。

优选的，对于s₄，从M_C个候选节点中选择使得下面度量最小的k个节点，公式为：

得到度量最小的k个节点，表示为

s₄表示发送信号矢量s的第四个分量；

表示第1步第4个符号的第c个幸存节点。

优选的，对于s₃，在已知k个

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的k条路径，公式为：

其中，s₃表示发送信号矢量s的第三个分量；

优选的，对于s₂，在已知k条路径

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的k条路径，公式为：

对于s₁，在已知k条路径

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的1条路径，公式为：

对路径

进行硬判得到一系列的硬判比特，在4×4的MIMO系统的正交幅度调制下，通过发端的协议，得到16个硬判比特Hardbits，并把0映射为1，把1映射为-1。

优选的，LLR修改子模块包括：逐个比较MMSE子模块的输出initLLR和k-Best硬判输出Hardbits，如果initLLR的比特LLR符号值和对应Hardbits的符号值不一致，则对initLLR的相应比特LLR符号值进行翻转，并乘以0.5输出。

根据本发明提供的大规模多输入多输出软检测方法，包括：

步骤1：对发射信号进行估计，生成比特初始软信息initLLR；

步骤2：根据比特初始软信息initLLR，通过QR分解法进行路径搜索，在每层保留预设数量的幸存路径，输出最优路径并进行硬判决，得到硬判比特Hardbits；

步骤3：根据硬判比特Hardbits，对比特初始软信息initLLR进行修改，得到输出outLLR。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的k-Best方法仅仅得到硬判，其幸存路径搜索值K可以设置很小，计算量很小；

2、本发明采用MMSE计算软比特，能够得到所有比特的软信息；

3、本发明的性能高于MMSE方法，可以广泛使用在目前的802.11wifi系列标准、LTE和5G的MIMO检测之中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为总体技术方案流程图；

图2为Figure 0-15G MCS6时4*4MIMO MMSE检测和MMSE-Kbest联合检测性能对比图；

图3为Figure 0-25G MCS14时4*4MIMO MMSE检测和MMSE-Kbest联合检测性能对比图；

图4为Figure 0-35G MCS21时4*4MIMO MMSE检测和MMSE-Kbest联合检测性能对比图；

图5为Figure 0-4 LTE和5G中接收机处理过程流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

根据本发明提供的一种大规模多输入多输出软检测系统，包括：

MMSE子模块：对发射信号进行估计，生成比特初始软信息initLLR；

K-Best子模块：根据比特初始软信息initLLR，通过QR分解法进行路径搜索，在每层保留预设数量的幸存路径，输出最优路径并进行硬判决，得到硬判值；

LLR修改子模块：根据硬判值，对比特初始软信息initLLR进行修改，得到输出outLLR。

所述MMSE子模块包括：

在N×N的MIMO系统中，对于每一个子载波，N根接收天线上的信号表达式为：

y＝H·s+n…………(1)

其中，y是N×1接收矢量；H是N×N矩阵；s是N×1发送信号矢量；n是N×1噪声矢量；

计算MMSE矩阵，公式为：

W_MMSE＝(H^H·H+N₀·I)^-1·H^H…………(2)

其中，N₀表示噪声功率；I表示N×N单位矩阵；

计算发射信号矢量s的估计

公式为：

其中，F表示增益矩阵；F＝W_MMSE·H。

计算信号信噪比，公式为：

流间干扰功率：interPower＝diag{F·F^H}-|diag{F}|²

噪声功率：

期望信号功率：sigPower＝|diag{F}|²

信噪比：

LLR计算：

μ值取决于调制方式，对于16QAM来说，

以16QAM为例，LLR＝[real(demodIn)；imag(demodIn)；(2abs(real(demodIn)))；(2-abs(imag(demodIn)))]；

initLLR＝Sig2NCRate*LLR

以4*4MIMO16QAM为例，得到的initLLR是一个16长度的矢量。

K-Best子模块包括：

对应公式(1)表示的MIMO系统求使得如下度量最小化的s：

λ表示度量；ML表示最大似然；

略去噪声项，变成：

Q表示矩阵QR分解中的Q矩阵，矩阵H分解为H＝QR，其中Q是单位正交矩阵，R是上三角矩阵；

R表示QR分解中的R矩阵，s表示发送信号；

考虑4×4的MIMO系统：

表示接收信号矢量

的第一个分量；

s₁表示发送信号矢量s的第一个分量；

r₁₁表示R矩阵的第一行第一列的分量；

以C_i表示第i层扩展出的所有分支节点；

以M_C表示调制阶数，对于16QAM来说，M_C＝16；

Step1：

对于s₄，从M_C个候选节点中选择使得下面度量最小的k个节点，

得到度量最小的k个节点，表示为

表示第1步第4个符号的第c个幸存节点；

Step2：

对于s₃，在已知k个

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的k条路径；

其中，Step2选出来的满足

Step3：

对于s₂，在已知k条路径

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的k条路径。

Step4：

对于s₁，在已知k条路径

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的1条路径。

最优路径子模块：

选择路径度量最小的路径

硬判子模块：

对路径

进行硬判得到一系列的硬判比特。以4*4MIMO 16QAM为例，利用发端的协议，可以得到16个硬判比特Hardbits。并且把0映射为1，而1映射为-1。

LLR修改子模块：

逐个比较MMSE子模块的输出initLLR和k-Best硬判输出Hardbits，如果initLLR的某个比特LLR符号值和对应Hardbits的符号值不一致，那么需要对initLLR的相应比特LLR符号值进行翻转，并乘以0.5输出。

如图1，根据本发明提供的大规模多输入多输出软检测方法，包括：

步骤1：对发射信号进行估计，生成比特初始软信息initLLR；

步骤2：根据比特初始软信息initLLR，通过QR分解法进行路径搜索，在每层保留预设数量的幸存路径，输出最优路径并进行硬判决，得到硬判比特Hardbits；

步骤3：根据硬判比特Hardbits，对比特初始软信息initLLR进行修改，得到输出outLLR。

本发明基于matlab 5G数据链路为基础，具体如下：

参数	取值
		RB数目	21
子载波间隔	30kHz
		CP类型	normal
MIMO配置	4*4或2*2
		编码速率	可配置
调制方式	QPSK/16QAM/64QAM/256QAM
		MIMO检测方法	MMSE-SE-QRM检测方法2
信道类型	TDL(多普勒10Hz,delay spread＝300e-9)
		Pdsch mapping Type	TypeA
DMRS typeA position	2
		DMRS Length	1
DMS Configuration Type	2
		仿真packet数目	1000
HARQ	NOHarq(no retransmission)

如图2-图4，为本发明Figure 0-15G MCS各时段4*4MIMO MMSE检测和MMSE-Kbest联合检测性能对比图，选择几种基本的编码速率如下：

MCS index table 2 for PDSCH

实施例2：

在第5代蜂窝通信系统中，如果发射端4流MIMO的情况下，接收端必须也必须4根以上天线接收才能够正确解调。

发射端4个流同时发射，调制方式为256QAM，接收端使用4天线接收。使用本发明的接收机处理过程，如图5，Figure 0-4LTE和5G中接收机处理过程：

1、FFT模块把时域信号变换为频域信号；

2、通过ReDemap子模块把导频和数据子载波分离，得到频域数据接收信号y；

3、利用导频做信道估计，得到每个数据子载波的频域信道响应H和噪声功率估计值N₀；

4、对于每个子载波进行如下操作：

把频域数据接收信号y，频域信道响应H和噪声功率估计值N₀同时送入到MMSE子模块，使用上面的处理过程可以得到4*8＝32个软比特initLLR值；

同时频域数据接收信号y，频域信道响应H和噪声功率估计值N₀同时送入到k-Best子模块，经过上面的处理过程，可以得到4*8＝32个硬判比特Hardbits。

5、逐个比较MMSE子模块的输出initLLR和k-Best硬判输出Hardbits，如果initLLR的某个比特LLR符号值和对应Hardbits的符号值不一致，那么需要对initLLR的相应比特LLR符号值进行翻转，并乘以0.5输出。

6、收集所有子载波的软比特LLR，送入到译码模块，就可以恢复发射的二进制比特了。

实施例3：

在第4代蜂窝通信系统中，如果发射端2流MIMO的情况下，发射模式为3，4，6等，接收端必须也必须2根以上天线接收才能够正确解调。

发射端2个流同时发射，调制方式为64QAM，接收端使用2天线接收。那么使用本发明的接收机处理过程如下(如图5，Figure 0-4 LTE和5G中接收机处理过程)：

1、FFT模块把时域信号变换为频域信号；

2、通过ReDemap子模块把导频和数据子载波分离，得到频域数据接收信号y；

3、利用导频做信道估计，得到每个数据子载波的频域信道响应H和噪声功率估计值N₀；

4、对于每个子载波进行如下操作：

把频域数据接收信号y，频域信道响应H和噪声功率估计值N₀同时送入到MMSE子模块，使用上面的处理过程可以得到2*6＝12个软比特initLLR值；

同时频域数据接收信号y，频域信道响应H和噪声功率估计值N₀同时送入到k-Best子模块，经过上面的处理过程，可以得到2*6＝12个硬判比特Hardbits；

5、逐个比较MMSE子模块的输出initLLR和k-Best硬判输出Hardbits，如果initLLR的某个比特LLR符号值和对应Hardbits的符号值不一致，那么需要对initLLR的相应比特LLR符号值进行翻转，并乘以0.5输出；

6、收集所有子载波的软比特LLR，送入到译码模块，就可以恢复发射的二进制比特了。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，包括：

MMSE子模块：对发射信号进行估计，生成比特初始软信息initLLR；

K-Best子模块：根据比特初始软信息initLLR，通过QR分解法进行路径搜索，在每层保留预设数量的幸存路径，输出最优路径并进行硬判决，得到硬判比特Hardbits；

LLR修改子模块：根据硬判比特Hardbits，对比特初始软信息initLLR进行修改，得到输出outLLR；

LLR修改子模块包括：逐个比较MMSE子模块的输出initLLR和k-Best硬判输出Hardbits，如果initLLR的比特LLR符号值和对应Hardbits的符号值不一致，则对initLLR的相应比特LLR符号值进行翻转，并乘以0.5输出。

2.根据权利要求1所述的大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，所述MMSE子模块包括：

在N×N的MIMO系统中，对于每一个子载波，N根接收天线上的信号表达式为：

y＝H·s+n…………(1)

其中，y是N×1接收矢量；H是N×N矩阵；s是N×1发送信号矢量；n是N×1噪声矢量；

计算MMSE矩阵，公式为：

W_MMSE＝(H^H·H+N₀·I)^-1·H^H…………(2)

其中，N₀表示噪声功率；I表示N×N单位矩阵；

计算发射信号矢量s的估计

公式为：

3.根据权利要求2所述的大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，计算信号信噪比，公式为：

流间干扰功率：interPower＝diag{F·F^H}-|diag{F}|²

噪声功率：

期望信号功率：sigPower＝|diag{F}|²

信噪比：

LLR的计算公式为：

LLR＝[real(demodIn)；imag(demodIn)；(2abs(real(demodIn)))；(2-abs(imag(demodIn)))]；

initLLR＝Sig2NCRate*LLR

其中，μ值取决于调制方式，在正交幅度调制中，

initLLR为长度16的矢量。

4.根据权利要求2所述的大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，所述K-Best子模块包括：

在N×N的MIMO系统中求得最大似然度量λ^ML，计算公式为：

略去噪声项，得到：

其中，Q表示矩阵QR分解中的Q矩阵，矩阵H分解为H＝QR，Q是单位正交矩阵，R是上三角矩阵；R表示QR分解中的R矩阵，s表示发送信号；

5.根据权利要求4所述的大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，转化为4×4的MIMO系统，得到：

其中，

表示接收信号矢量

的第一个分量；s₁表示发送信号矢量s的第一个分量；r₁₁表示R矩阵的第一行第一列的分量；

以M_C表示调制阶数，对于16QAM，M_C＝16。

6.根据权利要求5所述的大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，对于s₄，从M_C个候选节点中选择使得下面度量最小的k个节点，公式为：

得到度量最小的k个节点，表示为

s₄表示发送信号矢量s的第四个分量；

表示第1步第4个符号的第c个幸存节点。

7.根据权利要求6所述的大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，对于s₃，在已知k个

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的k条路径，公式为：

其中，s₃表示发送信号矢量s的第三个分量；

8.根据权利要求7所述的大规模多输入多输出软检测系统，其特征在于，对于s₂，在已知k条路径

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的k条路径，公式为：

对于s₁，在已知k条路径

的条件下，从它们的扩展路径k·M_C中选择使得下面度量最小的1条路径，公式为：

对路径

进行硬判得到一系列的硬判比特，在4×4的MIMO系统的正交幅度调制下，通过发端的协议，得到16个硬判比特Hardbits，并把0映射为1，把1映射为-1。

9.一种大规模多输入多输出软检测方法，其特征在于，包括：

步骤1：对发射信号进行估计，生成比特初始软信息initLLR；

步骤2：根据比特初始软信息initLLR，通过QR分解法进行路径搜索，在每层保留预设数量的幸存路径，输出最优路径并进行硬判决，得到硬判比特Hardbits；

步骤3：根据硬判比特Hardbits，对比特初始软信息initLLR进行修改，得到输出outLLR；

步骤3包括：逐个比较MMSE子模块的输出initLLR和k-Best硬判输出Hardbits，如果initLLR的比特LLR符号值和对应Hardbits的符号值不一致，则对initLLR的相应比特LLR符号值进行翻转，并乘以0.5输出。

Images