CN1330101C - 一种移动通讯系统中降低复杂度的联合检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种移动通讯系统中降低复杂度的联合检测方法，其包括以下步骤：由阵列天线接收到的信号，经过采样、A/D转换等相关处理后，送入基带处理部分进行基带数字处理；根据TD-SCDMA的时隙构成，位于时隙中间的用户训练序列是已知的，利用用户训练序列进行信道估计，用于系统矩阵的构成；根据TD-SCDMA系统矩阵的分块特性，将沿对角线及次对角线上的块组成的小矩阵求逆，以代表对矩阵的求逆，再对接收数据滑动滤波，即可解出发送数据。本发明方法在取得比较好的误码率性能的情况下，计算量不是太大，易于工程实现。

Description

一种移动通讯系统中降低复杂度的联合检测方法

技术领域

本发明涉及一种移动通讯领域降低复杂度的联合检测方法，尤其涉及TD-SCDMA系统的联合检测技术的快速求解方法。

本发明还可以推广到有码间串扰的、用户空时信道具有周期特性的系统中，如TDMA系统、周期扩频的CDMA系统。

背景技术

码分多址接入系统如TD-SCDMA是一个干扰受限系统，用户之间扩频码的相关性，导致了用户之间干扰MAI(multiple access interference)，在传统的接收检测系统当中，将其它用户信号都当成噪声，随着用户数增加，MAI成为噪声的主要组成部分，从而限制了系统容量的增加。同时，无限信道的多径效应会引起码间干扰ISI(inter-symbol interference)。联合检测技术，就是利用已知的多用户的识别码信息和估计出的传输信道信息，来降低MAI和ISI，在不提高信噪比情况下，可以提高系统误码性能。

联合检测技术主要有迫零(ZF)方法和最小均方(MMSE)方法，无论哪种方法，都需要进行比较大的矩阵求逆运算，算法的计算复杂度比较高，随着用户数、接收天线、接收块码元数的增加，算法的计算量将增加，增加了工程实现的困难。因此寻找快速算法求解对工程实现具有重要意义。

现有的联合检测的快速求解的方法主要有Block Cholesky、BlockLevison、Block FFT、Block Schur等。以下的文献中介绍了与TD-SCDMA系统的联合检测相关的现有技术：

【1】M.Vollmer，M.Haardt，and J.Gtze，“comparative Studyof Joint-Detection Techniques for TD-CDMA Base Mobile RadioSystems”(有关TD-CDMA基础的移动通讯系统联合检测技术的比较研究)

【2】B.Steiner and P.W.Baier，“Low cost channel estimationin the uplink receiver of CDMA mobile radio systems，”FRE-QUENZ，vol.47，pp.292-298，1993.(有关CDMA移动通讯系统上行接收器的低代价信道估计)

文献【1】中比较了上述几种联合检测求解方法的误码率性能和计算量，其中Block FFT方法的误码率性能最好，但计算量较大；BlockCholesky是目前的TD-SCDMA基带方案中较偏向于采用的方法，它的特点是计算量较小，但由于采用的是近似方法，性能上差一些。

总之，现有技术的各联合检测求解方法的性能与计算量的矛盾难于解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动通讯系统中降低复杂度的联合检测方法，为联合检测求解提供一种快速方法，在获得比较好的性能前提下，克服了现有的联合检测求解技术计算量大的缺点，解决硬件难以实现的难题，满足TD-SCDMA系统的实时性要求。

本发明的技术方案为：

一种移动通讯系统中降低复杂度的联合检测方法，其包括以下步骤：

a)由阵列天线接收到的信号，经过采样、A/D转换等相关处理后，送入基带处理部分进行基带数字处理；

b)根据TD-SCDMA的时隙构成，位于时隙中间的用户训练序列是已知的，利用用户训练序列进行信道估计，用于系统矩阵的构成；

c)根据TD-SCDMA系统矩阵的分块特性，将沿对角线及次对角线上的块组成的小矩阵，表征整个系统矩阵所包含的符号间干扰关系和多址干扰关系，以小矩阵求逆代表系统矩阵求逆，再对接收数据滑动滤波，即可解出发送数据。

2、所述步骤b)还包括以下步骤：

b1)用Steiner方法估计信道；

b2)由该b1)步得到的信道估计值，和已知的用户扩频码、扰码形成用户的联合信道冲激响应矢量b^(k)，构造系统矩阵V。

3、所述步骤c)进一步包括以下步骤：

c1)利用该系统矩阵V构造三个扰码周期的A矩阵，截取中间符号的相应部分构成矩阵T；

c2)将矩阵T中零列矢量去除；

c3)构造矩阵(T^HT)，H为矩阵转置；

c4)估算噪声功率，求[(T^HT)+δ²I]^-1，δ²值为噪声功率因子；取[(T^HT)+δ²I]^-1中间的对应第二个扰码周期的符号的Km个行向量，求p＝{[(T^HT)^-1+δ²I]·T^H}_n，将p当作一个滑动滤波器，分段滤波接收数据，每段数据起始地址为(n-1)*MQ，长度为M(Q+W-1)，其中，n为第n个扰码周期，M为天线的个数，Q为扩频因子，W为信道窗长，解出全部符号，送入解调器。

本发明所提供的一种移动通讯系统中降低复杂度的联合检测方法，-部分矩阵求逆法，将计算量与性能进行折衷，计算量小于Block FFT算法，大于Block Cholesky算法，而误码率性能稍差于Block FFT算法，好于Block Cholesky算法，这样在取得比较好的误码率性能的情况下，计算量不是太大，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明方法的联合检测数据模型和系统矩阵A的构成；

图2为本发明方法的不同Q值时的V矩阵构成；

图3为采用本发明方法的部分矩阵求逆法实现联合检测求解用于TD-SCDMA系统的实现框图；

图4A和图4B分别为CASE1和CASE3情况下三种联合检测方法的仿真结果比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明的核心思想是根据TD-SCDMA系统矩阵A的分块特性，沿对角线及次对角线上的块是一样的，只将这些块组成的小矩阵求逆，以代表对矩阵A的求逆，再对接收数据滑动滤波，即可解出发送数据。

下面是对本发明方法做进一步详细描述。

根据联合检测数据模型，参见参考文献【1】，K个用户的MIMO系统，基站端的接收天线阵列有M根阵元，则系统矩阵A由相同的块V构成，如图1所示。

用户的联合信道冲激响应矢量b(k)，即第k个用户M根天线上的信道响应与扩频码联合扰码的卷积按序排列后形成的矢量，构成矩阵V。根据TD-SCDMA物理层协议，扩频因子在1^-16间变化，相应地每个数据块中的符号数在352^-22间变化。Q、N值不一样时，为求统一，以扰码周期为单位构造V矩阵，矩阵V的具体构造如图2所示。

令 $\mathrm{Km}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}16/Q\left(k\right),$ Km为矩阵V的列数，由于当取定某一扩频码时，其分支的前后一级的扩频码不能再用在同时隙的其它用户，因而Km不大于16。

如图1中所示，系统矩阵由N(N＝22)个相同的块构成，块和块的前后关系表征了符号间的干扰(ISI)，块内的列和列之间表征了不同用户间的多址干扰(MAI)，这N个块之间的前后关系是一样的，可以用3个块表征它们的关系特性。

对某一个扰码周期内的符号而言，它有前一个扰码周期的符号因多径时延造成的几个码片的干扰，同时它的后几个码片又因多径时延造成对下一个扰码周期的符号的干扰。用户间的多址干扰关系用矩阵V完全表征。截取系统矩阵中相应于某一个符号部分，以第3个扰码周期的符号为例，图中阴影部分完全表征了第3个扰码周期的符号的ISI和MAI关系。x₃只是表示对应于第3个扰码周期的符号的接收数据，它包含第2个扰码周期的符号的因时延产生的干扰，和第4个扰码周期的符号的前面(W-1)(W为信道窗长)个码片与第3个符号因时延产生的“拖尾”相重复的部分。点阴影部分表示有贡献的符号和噪声。

将右斜线阴影部分记为矩阵T，第n个扰码周期的符号部分的接收数据与发送数据的关系式表示如下：

x_n＝T·[d_n-1 d_n d_n+1]^T+n_n    (1)

dn表示第n个扰码周期发送的符号。

将矩阵T求逆，作为一个滑动滤波器，对第n个扰码周期部分的接收数据滤波，解出第n个扰码周期的所有符号：

${\hat{d}}_n={\left\{\right[{\left(T^{H}T\right)}^{-1}{T}^H\left]\right\}}_n\·x_n---\left(2\right)$

这里{·}_n表示矩阵求逆后只取中间的相应于第n个扰码周期的符号的行矢量。这样取的缘故，是因为对第n-1和n+1个扰码周期的符号而言，式(1)没有完全表征它们的关系，如果没有噪声的影响，式(2)能够正确解出这两个符号，然而由于噪声，式(2)解出的这两个符号的结果存在较大的误差。

根据MMSE算法原理，将背景噪声考虑进去，设噪声的功率为δ²，则第(2)式变化为：

${\hat{d}}_n={\left\{\right[\left(T^{H}T\right)+{\mathrm{\δ}}^{2}I{]}^{-1}\·T^H\}}_n\·x_n---\left(3\right)$

令p＝{[(T^HT)+δ²I]^-1·T^H}_n，将它作为了一个滑动滤波器，对接收数据分段滤波，每段数据起始地址为(n-1)*MQ，长度为M(Q+W-1)，即可解出全部符号。

从阵列天线接收的信号，经过采样、A/D转换等相关处理后，送入基带处理部分进行基带数字处理。

首先，根据TD-SCDMA的时隙构成，位于时隙中间的用户Midamble是已知的，用文献【2】介绍的低代价的信道估计方法进行信道估计，用于系统矩阵的构成。

如图3所示的，只构造3个扰码周期的符号的系统矩阵，从中截取对应于第二个扰码周期的符号的部分，并将所有的全零列向量去除。

估计噪声功率，求出δ²值，构造需求逆的矩阵[(T^HT)+δ²I]，对其求逆。在这里需要说明的是，在仿真中发现，随着输入信噪比的提高，矩阵(T^HT)存在奇异现象，其误码率性能整体上比Block FFT要差2dB，加进因子δ²I，不但解决了矩阵奇异的不稳定性问题，还使性能逼近甚至好于(低信噪比时)Block FFT。

取[(T^HT)+δ²I]^-1中间的对应第二个扰码周期的符号的Km个行向量，求出p＝{[(T^HT)^-1+δ²I]·T^H}_n，将其作为一个滑动滤波器，对接收数据分段滤波，每段数据起始地址为(n-1)*MQ，长度为M(Q+W-1)，解出全部符号，送入后面的基带处理单元。

其具体操作步骤如下：

1、用Steiner方法估计信道。

2、由第1步得到的信道估计值，和已知的用户扩频码、扰码形成用户的联合信道冲激响应矢量b(k)，构造矩阵V。

3、利用V矩阵构造三个扰码周期的A矩阵，截取中间符号的相应部分构成矩阵T。

4、将T中零列矢量去除。由于用户不同的Q值，Q值小的部分由16/Q个列矢量组成，截取时只有某1个或2个列有值，造成矩阵T存在全零的列，使T无法求逆。去除零列矢量不影响符号间的ISI关系(列矢量为零时表示对应的符号对目标符号无干扰)。

5、构造矩阵(T^HT)。

6、估算噪声功率，求[(T^HT)+δ²I]^-1。

7、取[(T^HT)+δ²I]^-1中间的对应第二个扰码周期的符号的Km个行向量，求p＝{[(T^HT)^-1+δ²I]·T^H}_n。

8、将p当作一个滑动滤波器，分段滤波接收数据，每段数据起始地址为(n-1)*MQ，长度为M(Q+W-1)，解出全部符号，送入解调器。

我们通过仿真将本发明的性能与Block FFT方法以及BlockCholesky方法的性能做了比较。仿真结果表明，本发明方法求解得到的用户符号，误码率性能接近于Block FFT的性能，随着信噪比的增加，性能好于Block Cholesky方法，如图4所示。而本方法的计算量介于BlockFFT和Block Cholesky之间。下表给出了一个计算量的例子。

表1

计算量(复乘)	Block Cholesky	PartInv	Block FFT
				M＝8，W＝16	278,544	478,720	817,920
M＝2，W＝16	96,784	161,152	269,568

由表中的数据比较看出，Block-Cholesky方法的计算量最少，Block-FFT的计算量最大，部分矩阵求逆法在两者之间，约是MMSE-Cholesky方法的一倍，是Block-FFT的一半。

仿真条件：多径信道模型采用中国电信科学技术研究院(CATT)和德国西门子公司联合提出的TD-SCDMA系统多径模型(已提交3GPPTR25.945)的CASE1和CASE3，参数如下表2所示：

表2多径信道模型

CASE1		CASE3
				速度：3km/h，阵元数：2		速度：120km/h，阵元数：2
相对时延(ns)	平均功率(dB)	相对时延(ns)	平均功率(dB)
				0	0	0	0
2928	-10	781	-3
						1563	-6
		2344	-9

5个用户，扩频因子Q＝8，数据速率12.2kbps，接收阵列2阵元。图4A是CASE1情况下的仿真结果，图4B是CASE3情况下的仿真结果。图中的注示文字“PartInv”表示本文介绍的部分矩阵求逆方法。

可以理解的是，上述描述过于具体，并不能因此而理解为本发明专利请求保护范围的限制，本发明专利请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1、一种移动通讯系统中降低复杂度的联合检测方法，其包括以下步骤：

a)由阵列天线接收到的信号，经过采样、A/D转换等相关处理后，送入基带处理部分进行基带数字处理；

b)根据TD-SCDMA的时隙构成，位于时隙中间的用户训练序列是已知的，利用用户训练序列进行信道估计，用于系统矩阵的构成；

c)根据TD-SCDMA系统矩阵的分块特性，将沿对角线及次对角线上的块组成的小矩阵，表征整个系统矩阵所包含的符号间干扰关系和多址干扰关系，以小矩阵求逆代表系统矩阵求逆，再对接收数据滑动滤波，即可解出发送数据。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)还包括以下步骤：

b1)用Steiner方法估计信道；

b2)由该b1)步得到的信道估计值，和已知的用户扩频码、扰码形成用户的联合信道冲激响应矢量b^(k)，构造系统矩阵V。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括以下步骤：

c1)利用该系统矩阵V构造三个扰码周期的A矩阵，截取中间符号的相应部分构成矩阵T；

c2)将矩阵T中零列矢量去除；

c3)构造矩阵(T^HT)，H为矩阵转置；

c4)估算噪声功率，求[(T^HT)+δ²I]^-1，δ²值为噪声功率因子；取[(T^HT)+δ²I]^-1中间的对应第二个扰码周期的符号的Km个行向量，求p＝{[(T^HT)^-1+δ²I]·T^H}_n，将p当作一个滑动滤波器，分段滤波接收数据，每段数据起始地址为(n-1)*MQ，长度为M(Q+W-1)，其中，Km为矩阵V的列数，n为第n个扰码周期，M为天线的个数，Q为扩频因子，W为信道窗长，解出全部符号，送入解调器。

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