CN1537364A - 用于对cdma系统中编码信号进行联合检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实现了以前所公开的改进的联合检测器的优点，同时显著地减少了计算量，这是通过下述方式实现的：首先，将反向置换运算移到解码器的解码迭代循环之外；其次，将输入缓存移到迭代循环内。反向置换运算最初作为进入所述解码迭代循环之前的联合检测均衡阶段的一部分执行。然后在每个解码迭代中，本发明产生一个校正信号，将它从当前的输入信号中减去以产生下一个输入信号。每个校正信号都是从当前迭代与以前的迭代的一系列解码码元的差分中产生出来的。因此，相对于作为以前所公开的改进的联合检测器而言，本发明实现了基于常规联合检测器的相同的性能改善但是显著地降低了所需要的计算量。

Description

用于对CDMA系统中的编码信号 进行联合检测的方法和装置

相关发明参考

本发明涉及两个联合未决申请：于2000年4月24日提交的，名为“TURBO DECODER WITH DECISION FEEDBACKEQUALIZATION(带有决策反馈均衡的TURBO解码器)”的序列号为09/563,064的申请，和于2001年3月2日提交的，名为“METHODAND APPARATUS FOR JOINT DETECTION OF A CODED SIGNALIN A CDMA SYSTEM(用于对CDMA系统中的编码信号进行联合检测的方法和装置)”的序列号为09/798,305的申请，这两个申请都转让给了本发明的受让人，在这里通过引用将这些在先申请结合进来，与在这里完全和详尽地提出这些在先申请具有相同的效果。

技术领域

本发明一般涉及通信系统，具体地说，涉及对CDMA系统中的编码信号进行联合检测。

背景技术

图1描述了支持K块(block)发射用户的已知CDMA系统的离散时间基带模型100。这些用户同时访问相同的物理的、由频率定义的信道并一块接一块地发射数据，每个块具有N个码元(symbol)。每个用户(从1到K)都具有一系列的信息位(d⁽¹⁾)到d^(k))要发射。首先对每个用户的序列进行turbo编码，然后再分别映射到信道码元序列s⁽¹⁾到s^(K)。然后这些信道码元序列通过它们相应的代码C⁽¹⁾到C^(K)进行传播，每个代码都有Q随机芯片，并通过它们相应的信道，这些信道具有h⁽¹⁾到h^(K)的脉冲响应的特征，并带有W抽头的芯片级(chiplevel)。为了简单起见，假设系统采用BPSK调制，这样s⁽¹⁾到s^(K)就是1和-1的序列，并且物理信道是加性高斯白噪声(AWGN)信道。

在接收末端，接收到的信号r可以表示成：

$r=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}^{\left(k\right)}{C}^{\left(k\right)}\⊗h^{\left(k\right)}+n$

$=\mathrm{As}+n$

其中r是K个序列的和，n表示信道噪声，每个的长度是(NQ+W-1)。

A是(NQ+W-1)×NK的矩阵，它包括：

$a^{\left(k\right)}=(a_1^{\left(k\right)},a_2^{\left(k\right)},...,a_{Q+W-1}^{\left(k\right)})=C^{\left(k\right)}\⊗h^{\left(k\right)}$

而s是组合K个用户的所有码元的合成码元向量并按下列顺序排列：

${s=(s_1^{\left(1\right)},s_1^{\left(2\right)},...,s_1^{\left(k\right)},s_2^{\left(1\right)},s_2^{\left(2\right)},...,s_2^{\left(k\right)},s_3^{\left(1\right)},...,s_N^{\left(1\right)},...,s_N^{\left(k\right)})}^T$

这里T表示转置操作。接收到的信号r通过一组(bank)匹配滤波器，这些滤波器每个都与一个a^(k)相匹配。匹配滤波器组的输出y是对所有K个用户所发射的信号的最小充分统计并可以表示为：

y＝A^Hr＝A^HAs+z＝Rs+z

这里y，s和z是NK×1的向量，R是NK×NK维的块toeplitz矩阵。通过使用Cholesky分解，R可以写成：

$R=L{L}^H=L_{n}D{L}_n^H$

这里L是下三角矩阵，L_n表示经过标准化的L，其中对角线的所有元素都是一，D表示对角矩阵。

我们知道联合检测器是用于CDMA系统的最优接收器。一种公知的联合检测器是用迫零线性块均衡器(ZF-BLE)实现的。它的输出可以表示为：

$s_{\mathrm{ZF}-\mathrm{BLE}}=R^{-1}y=L^{-H}{L}^{-1}y=L_n^{-H}{D}^{-1/2}y$

在实际应用中，可以通过正向和反向置换(substitution)来实现下三角和上三角矩阵的转换。因此，通过使用Cholesky分解，就不需要为联合检测进行实际的矩阵转换。另一种公知的联合检测技术是迫零块决策反馈均衡(ZF-BDFE)，是通过根据符号字母表、在与L_n ^-H运算相对应的反向置换中使用量化的以前的样本，从ZF-BLE导出的。

在考虑性能的情况下，ZF-BLE联合检测要忍受噪声的增强，因此在频率响应处于低谷的糟糕的信道条件下性能非常差。ZF-BDFE联合检测没有这个问题，因此性能通常要优于ZF-BLE联合检测。然而，由于常规的ZF-BDFE联合检测中的硬决策(hard decision)是由简单限幅器(slicer)产生的，因此如果所接收到的信噪比(SNR)很低，ZF-BDFE联合检测的性能也会降低。不幸的是，将在第三代(3G)移动系统中使用的turbo编码的信号具有低的SNR。在于2001年3月2日提交的，名为“METHOD AND APPARATUS FOR JOINTDETECTION OF A CODED SIGNAL IN A CDMA SYSTEM(用于对CDMA系统中的编码信号进行联合检测的方法和装置)”的序列号为09/798,305的联合未决申请中成功地解决了这个缺陷，并在这些常规的联合检测器上提供了至少1dB的改善。

然而，改进的联合检测器实现这些性能的改善是付出了计算复杂度的代价的。例如，turbo解码需要八次迭代，改进的联合检测器需要相当于大约为常规联合检测器4倍的计算量。在实际应用中，计算需求较大的设备比计算需求较小的设备的制造成本更高，并且需要更多的能量。因此，所需要的是一种用于不增加计算需求而实现改进的联合检测器所带来的好处的联合检测方法和装置。

附图说明

图1是支持K块发射用户的已知CDMA系统的离散时间基带模型；

图2是描述根据本发明的优选实施例的联合检测器的方框图；

图3是根据本发明的优选实施例的联合检测器所执行步骤的逻辑流程图；

图4是采用现有技术的联合检测器的位误差与本发明的优选实施例的位误差的对比图。

具体实施方式

本发明实现了在于2001年3月2日提交的，名为“METHOD ANDAPPARATUS FOR JOINT DETECTION OF A CODED SIGNAL IN ACDMA SYSTEM(用于对CDMA系统中的编码信号进行联合检测的方法和装置)”的序列号为09/798,305的联合未决申请中所公开的显著降低计算量的改进的联合检测器的优点，这是通过下列做法实现的：首先，将反向置换运算移到检测器的解码迭代循环之外；其次，将输入缓存移到迭代循环之内。反向置换运算最初作为进入解码迭代循环之前的联合检测均衡阶段的一部分执行。然后在每个解码迭代中，本发明产生一个校正信号，将它从当前的输入信号中减去以产生下一个输入信号。每个校正信号都是从当前迭代与以前的迭代的一系列解码码元的差中产生出来的。因此，相对于作为以前所公开的改进的联合检测器而言，本发明实现了对常规联合检测器的相同的性能改善但是显著地降低了所需要的计算量。

本发明包括一种用于在CDMA系统中对编码输入信号进行联合检测的方法。这个方法包括将第一解码器输入信号多路分解以产生第一多个解码器输入信号分量，每个分量都与多个解码器中的一个解码器相对应，并通过多个解码器中的一个解码器对相应的解码器输入信号分量进行解码以产生当前的一组还原码元。当前的一组还原码元减去前面一组还原码元以产生码元差分。从码元差分产生校正信号并将其从第一解码器输入信号中减去以产生第二解码器输入信号。将第二解码器输入信号多路分解以产生第二多个解码器输入信号分量，每个分量都与多个解码器中的一个解码器相对应。每个解码器对第二多个解码器输入信号分量中相应的解码器输入信号分量进行解码以产生后续的一组还原码元。

本发明还包括一种联合检测器装置。这个装置包括能够存储解码器输入信号的解码器输入信号缓存和多个解码器，其中每个解码器都能够对一个解码器输入信号分量进行解码以产生还原码元。装置还包括与解码器输入缓存和多个解码器相连、能够将解码器输入信号的每个分量供应给多个解码器中相应的解码器的多路分解器；与多个解码器相连、能够存储以前的还原码元的还原码元缓存；和与还原码元缓存和turbo解码器输入缓存相连、能够从还原码元和以前的还原码元产生第二解码器输入信号的校正信号生成器。

通过参看图2和3可以更全面地了解本发明。图2是描述根据本发明的优选实施例的联合检测器的方框图。经过滤波的信号201优选是匹配滤波器组的输出，并且如同前面所定义的，它与y相对应。在优选的实施例中，如同在图2中所示的，前馈均衡器205具有常规的BDFE的功能。变通地，也可以使用其它的常规联合检测器均衡技术(诸如线性均衡、基于最小均方差的均衡、或信道间干扰消除)来作为替代。将消除了ISI和MAI前兆(precursor)的均衡器205的输出作为解码迭代循环200的输入信号。优选地，这个输入信号包括超级样本块(super block of sample)，其中每个子块都与用户的turbo编码帧相对应。输入缓存210一次存储一个超级样本块。因此，如果假设有K个具有相同比特率并使用相同的turbo编码器的用户，那么输入缓存210就存储与K个用户的K个turbo编码帧相对应的超级样本块。

本发明使用了多个解码器，每个解码器都对一个解码器输入信号分量进行解码。多路分解器220将各个解码器输入信号分量供给相应的解码器。在优选的实施例中，全位(all-bit)turbo解码器池230包括可以在指定时间内对K个turbo编码帧进行解码的多个全位turbo解码器。这些全位turbo解码器是能够在比常规turbo解码器的计算量稍微大一些的情况下产生所有的编码位的、经过修改的常规turbo解码器(参见联合未决申请“TURBO DECODER WITH DECISIONFEEDBACK EQUALIZATION(带有决策反馈均衡的TURBO解码器)”)。这些全位turbo解码器对相应的解码器输入信号分量的所有位(即，单一的turbo编码帧)进行解码以产生还原码元。

优选地，多路复用器235将来自解码器池230的解码器输出多路复用到还原码元缓存240的各个存储器单元，还原码元缓存240存储由解码器池230产生的还原码元。优选地，还原码元缓存240的长度为与输入缓存210中存储的超级块相对应的码元总数量。优选地，还原码元缓存中的每个存储器单元只保持这个码元的最可靠的硬决策(即，“1”或“-1”)，在实际应用中这是与最近的迭代相关联的，并以如下形式分配给特定的码元：

(s₁ ⁽¹⁾，s₁ ⁽²⁾，…，s₁ ^(K)，s₂ ⁽¹⁾，s₂ ⁽²⁾，…，s₂ ^(K)，s₃ ⁽¹⁾，…，s_KM ⁽¹⁾，…，s_KM ^(K))

这里M是turbo编码帧的长度。换言之，特定的全位turbo解码器输出是存储在固定的存储器单元(1比特的元件)中的，并且每迭代一次存储器元件的内容都更新一次。

优选地，延迟元件260和码元减法器250包含在多路复用器235和还原码元缓存240之间。延迟元件260确保在将当前迭代的解码器池还原码元存储在还原码元缓存240中之前，码元减法器250从还原码元中减去存储在还原码元缓存240中的以前的还原码元，以产生码元差分。在执行减法操作之后，将还原码元存储在还原码元缓存240中以备下次解码迭代时使用。对于第一次解码迭代来说，优选地，还原码元缓存240所包含的内容全是零。

最后，为了完成本次迭代，校正信号生成器270从码元差分中生成校正信号，并从输入缓存210中的以前的解码器输入信号中减去校正信号，从而为后续的解码迭代产生解码器输入信号，这个信号将覆盖输入缓存210中的以前的解码器输入信号。显然，本发明的优选实施例可以根据需要执行任意多次迭代以解码输入信号。例如，turbo编码信号通常需要八次迭代。

下面是关于优选解码迭代循环200的更加精确的表达式。解码迭代循环200的输入可以表示为x＝y′-Ts，这里 $T=L_N^H-I$ 是带状上三角矩阵，y′＝(y′₁，y′₂，…，y′_KM)和s＝(s₁，s₂，…，s_KM)^t分别是样本和检测到的K个用户的K个turbo编码帧的码元。假设将T限制在不超过2K的范围内，也就是说对于所有的j≤i和j≥i+2K，有t_i，j＝0，turbo解码器的输入可以写成：

x₁＝y′₁-t_1，2s₂-t_1，3s₃-…-t_1，2Ks_2K

x₂＝y′₂-t_2，3s₃-t_2，4s₄-…-t_2，2K+1s_2K+1

…

x_i＝y′_i-t_i，i+1s_i+1-t_i，i+2s_i+2-…-t_i，2K+i-1s_2K+i-1

…

x_KM-1＝y′_KM-1-t_KM-1，K_Ms_KM

x_KM＝y′_KM

这里y’是常向量，x和s是随turbo解码迭代过程而变的可变向量。实际上，x和s是与在对经过滤波的信号210(y)的解码迭代过程中的输入缓存210和还原码元缓存240的内容相对应的。因此，当前的迭代与以前的迭代之间的差分x_i就可以表示为：

$x_i^n-x_i^o=-t_{i,i+1}(s_{i+1}^n-s_{i+1}^o)-t_{i,i+2}(s_{i+2}^n-s_{i+2}^o)-...-t_{i,2K+i-1}(s_{2K+i-1}^n-s_{2K+i-1}^o)$

并且当前的输入可以表示为：

$x_i^n=x_i^o-t_{i,i+1}(s_{i+1}^n-s_{i+1}^o)-t_{i,i+2}(s_{i+2}^n-s_{i+2}^o)-...-t_{i,2K+i-1}(s_{2K+i-1}^n-s_{2K+i-1}^o)$

这里，上标“n”和“o”表示新(new)和旧(old)。由于turbo解码迭代过程的作用，s_i ^o和s_i ⁿ趋向一致。这样x_i ^o→x_i ⁿ。由于turbo解码具有收敛性，在第一次迭代之后大部分的(s_i ⁿ，s_i ^o)对都变得相同了。出现不相等的最大数量通常不超过全部样本的15％，并且随着各次迭代的进行变得越来越少。只有那些s_i ^o和s_i ⁿ不同的(s_i ⁿ，s_i ^o)对才要生成校正信号。特别地，对于每个不同的对(s_i ⁿ，s_i ^o)，最多会产生2K-1个形如t_i-1，i(s_i ⁿ，s_i ^o)，t_i-2，i(s_i ⁿ，s_i ^o)，…，t_i-2K+1，i(s_i ⁿ，s_i ^o)的校正信号，分别将它们从x_i-1 ^o，x_i-2 ^o，…，x_i-2K+1 ^o中减去并存储在输入缓存210中以备下次迭代时使用。

图3是根据本发明的优选实施例的联合检测器所执行步骤的逻辑流程图300。优选地，逻辑流程图开始(步骤301)于用块决策反馈均衡器来均衡(步骤302)编码输入信号以产生第一解码器输入信号的步骤。这个输入信号存储(步骤303)在turbo解码器输入缓存中并进行多路分解(步骤304)以产生第一组解码器输入信号分量。然后用解码器池中的一个解码器对这些信号分量中的每一个进行解码(步骤305)并对它们进行多路复用(步骤307)以产生当前的一组还原码元。

在存储到还原码元缓存之前，将一组以前的还原码元从这些还原码元中减去(步骤308)以产生码元差分。从码元差分产生(步骤309)校正信号并将其从第一解码器输入信号中减去(步骤310)以产生第二解码器输入信号。在这里，逻辑流程返回到步骤303以开始后续的迭代。将第二解码器输入信号存储(步骤303)在输入缓存中、对其多路分解(步骤304)并解码(步骤305)。在图中显示步骤306是为了说明当解码结束之后这个迭代循环就停止(步骤311)了。例如，在优选的实施例中，解码器是turbo解码器，解码过程在八次迭代之后结束。

图4是采用现有技术的常规联合检测器的误码率与本发明的优选实施例的的误码率的对比图。特别地，图中显示了在有15个turbo编码用户(即，K＝15，且解码过程在第8次迭代之后结束)的情况下常规DFE(即，ZF-BDFE联合检测)和常规LE(即，ZF-BLE联合检测)与新的方法(即，本发明的优选实施例)的仿真比较结果。结果显示，优选的实施例比ZF-BDFE联合检测(使用turbo解码器)性能要好1dB，比ZF-BLE联合检测(使用turbo解码器)性能要好3dB。

这些是与于2001年3月2日提交的、名为“METHOD ANDAPPARATUS FOR JOINT DETECTION OF A CODED SIGNAL IN ACDMA SYSTEM(用于对CDMA系统中的编码信号进行联合检测的方法和装置)”的序列号为09/798,305的相关申请中所公开的改进的联合检测器所实现的改善是相同的。然而，本发明与改进的联合检测器相比显著地减低了计算的复杂度。对于Ed/No相对较高的信号(例如，4dB或更高)，本发明只需要相当于改进的联合检测器所需的3％的计算量就可以实现将误帧率降低到0.001。

尽管本发明是结合特定的实施例来特别地显示和描述的。但是本领域普通技术人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对它进行各种形式和细节上的修改。

Claims (10)

1.一种用于联合检测CDMA系统中的编码输入信号的方法，其包括：

对第一解码器输入信号进行多路分解以产生第一多个解码器输入信号分量，它们每个都与多个解码器中的一个相对应；

由所述多个解码器中的每个解码器对所述第一多个解码器输入信号分量的相应的解码器输入信号分量进行解码以产生当前的一组还原码元；

从当前的一组还原码元中减去以前的一组还原码元以产生码元差分；

从所述码元差分产生校正信号；

从所述第一解码器输入信号中减去所述校正信号以产生第二解码器输入信号；

对所述第二解码器输入信号进行多路分解以产生第二多个解码器输入信号分量，它们每个都与多个解码器中的一个相对应；

由所述多个解码器中的每个解码器对所述第二多个解码器输入信号分量的相应的解码器输入信号分量进行解码以产生后续的一组还原码元。

2.如权利要求1中所述的方法，其还包括用块决策反馈均衡器均衡编码输入信号以产生所述第一解码器输入信号的步骤。

3.如权利要求1中所述的方法，其还包括在所述多路分解所述第一解码器输入信号的步骤之前将所述第一解码器输入信号存储在解码器输入缓存中的步骤。

4.如权利要求1中所述的方法，其中所述解码以产生当前的一组还原码元的步骤包括对所述多个解码器的解码器输出进行多路复用以产生所述当前的一组还原码元的步骤。

5.如权利要求1中所述的方法，其还包括在所述多路分解所述第二解码器输入信号的步骤之前将所述第二解码器输入信号存储在解码器输入缓存中的步骤。

6.一种CDMA联合检测器装置，其包括：

能够存储解码器输入信号的解码器输入缓存；

多个解码器，其中每个解码器都能够对所述解码器输入信号分量进行解码以产生还原码元；

多路分解器，它与所述解码器输入缓存和所述多个解码器相连接，能够将所述解码器输入信号的每个分量提供给所述多个解码器中的相应的解码器；

还原码元缓存，它与所述多个解码器相连接，能够存储以前的还原码元；和

校正信号生成器，它与所述还原码元缓存和所述解码器输入缓存相连接，能够从所述还原码元和所述以前的还原码元生成第二解码器输入信号。

7.如权利要求6中所述的装置，其还包括能够产生所述第一解码器输入信号的块决策反馈均衡器。

8.如权利要求6中所述的装置，其还包括码元减法器，它与所述还原码元缓存和所述校正信号生成器相连接，能够从所述还原码元中减去所述以前的还原码元以生成码元差分，其中所述校正信号生成器能够使用所述码元差分生成校正信号并能够从所述解码输入信号中减去所述校正信号以生成所述第二解码器输入信号。

9.如权利要求6中所述的装置，其中所述解码器输入缓存能够存储超级样本块，它们每一个都与所述解码器输入信号的不同信号成分的turbo编码帧相对应。

10.如权利要求6中所述的装置，其还包括多路复用器，它与所述多个解码器和所述还原码元缓存相连接，能够将来自所述多个解码器的解码器输出多路复用到所述还原码元缓存的每个存储器单元中。

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