CN1905432A - 一种在多天线数字无线通信系统中检测信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在多天线数字无线通信系统中检测信号的方法，该方法包括：接收端的至少两个接收天线接收发射信号，获得至少两个接收信号；接收端根据接收信号进行信道估计，得到由发射天线和接收天线之间的信道系数组成的信道矩阵H；利用信道矩阵H计算出所有发射信号中的部分发射信号的估计误差协方差矩阵，然后利用信道矩阵H和计算出的部分发射信号的估计误差协方差矩阵，递推求得所有发射信号的估计误差协方差矩阵；利用所得到的所有发射信号的估计误差协方差矩阵，检测所有发射信号。根据本发明公开的方法，减少了检测信号的计算复杂度。

Description

一种在多天线数字无线通信系统中检测信号的方法

技术领域

本发明涉及信号检测技术，特别是指一种在多天线数字无线通信系统中检测信号的方法。

背景技术

根据信息论，在通信系统的发射端和接收端同时使用多天线阵列可以极大的提高传输比特率。

在发射端和接收端同时使用多天线阵列的具有空-时架构的无线通信系统如图1所示。该系统工作在瑞利散射环境，信道矩阵的各个元素可以近似看作是统计独立的。在图1所示的系统中，一个数据序列分成M个不相关的码元子序列，每个子序列由M个发射天线的一个发射。M个子序列在经过一个信道矩阵为H的信道的影响后，在接收端由N个接收天线接收。发射信号s₁，...，s_M分别通过M个不同的天线单元a-1，...，a-M发射，相应的接收信号x₁，...，x_N分别从N个不同的天线单元b-1，...，b-N接收。该系统中，发射天线单元数M最少是2，而接收天线单元数N最少是M。信道矩阵H是一个N×M的矩阵，矩阵中第i行j列的元素表示第i个接收天线和第j个发射天线通过传输信道的耦合。接收信号x₁，...，x_N在数字信号处理器中被处理以产生恢复的发射信号 此图中也显示了求和成分c-1，c-2，...，c-N，它们代表包含的无法避免的噪声信号w₁，w₂，...，w_N，这些噪声信号分别加入到接收天线单元b-1，b-2，...，b-N接收到的信号中。

由发射天线和接收天线之间的信道系数组成的矩阵为信道矩阵，信道系数是利用接收信号进行信道估计得到。在图1所示系统中的信道矩阵H是一个N×M的矩阵，表示为：

信道矩阵H是一个N×M复数矩阵，假定该信道矩阵在K个符号的时期内是常数。向量h_n:(n＝1，2，...，N)和h_:m(m＝1，2，...，M)的长度分别是M和N。其中，信道矩阵H包含的信道向量h_:1至h_:M分别表示信道对M个传输信号中每个传输信号的影响。更明确的，信道向量h_:m(m＝1，2，...，M)包括信道矩阵项h_1m至h_Nm，分别表示在接收天线单元b-1至b-N中每个接收天线上，信道对发射信号s_m的影响。

在图1所示的系统中，发射信号的向量与接收信号的向量之间满足关系式 $x\left(k\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{:m}{s}_m\left(k\right)+w\left(k\right)=\mathrm{Hs}\left(k\right)+w,$ 其中k表示采样时刻，k＝1，2，...，K。用向量形式表示上述关系为 $\stackrel{\→}{x}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{:m}{s}_m+\stackrel{\→}{w}=H\stackrel{\→}{s}+\stackrel{\→}{w},$ 再把该式写为 $\stackrel{\→}{x}=s_1{\·h}_{:1}+s_2\·h_{:2}+...+s_m\·h_{:m}+\·\·\·+s_M\·h_{:M}+\stackrel{\→}{w}$ 的形式，可以清楚的看到各个发射信号对接收信号向量

的影响。

发射信号的最小均方误差(MMSE)估计为 $\widehat{\stackrel{\→}{s}}={(H^H\·H+\mathrm{\α}{I}_{M\×M})}^{-1}{H}^H\stackrel{\→}{x},$ 其中，符号^-1表示求矩阵的逆矩阵，α为与发射信号的信噪比相关的常数，

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2}{{\mathrm{\σ}}_s^2}.$

本发明所述的估计误差 $e=\stackrel{\→}{s}-\widehat{\stackrel{\→}{s}}$ 的协方差矩阵为把加性高斯白噪声的方差归一化为1的情况下的协方差矩阵，即 $E\left\{(\stackrel{\→}{s}-\widehat{\stackrel{\→}{s}}){(\stackrel{\→}{s}-\widehat{\stackrel{\→}{s}})}^H\right\}={(H^H\·H+\mathrm{\α}{I}_{M\×M})}^{-1},$ 记为Q，并定义R＝(H^H·H+αI_M×M)，则有Q＝R^-1。从而，对发射信号的估计值可以表示为 $\widehat{\stackrel{\→}{s}}={\mathrm{QH}}^H\stackrel{\→}{x}$ 的形式。

在现有技术中，在以上所述的MIMO系统中实现信号检测的方法是：首先利用信道矩阵H得到所有待检测发射信号的估计误差协方差矩阵Q的初始值，然后利用所得到的Q的初始值计算对发射信号的估计值。其中，如何计算Q的初始值将会影响信号检测的计算量和复杂度。下面介绍现有技术中的具体实现方法。

在现有技术中计算Q的初始值是通过以下所述的递推方法计算：

首先设置一个M×M的对角线上元素为(1/α)的对角矩阵，即Q_[0]＝(1/α)·I_M×M，其中的Q_[0]作为递推Q的初始值的第一个递推变量。

然后，按照 $Q_{\left[l\right]}=Q_{[l-1]}-\frac{Q_{[l-1]}{h}_{l:}{h_{l:}}^H{Q}_{[l-1]}}{1+{h_{l:}}^H{Q}_{[l-1]}{h}_{l:}},$ l＝1，...，M的公式递推得到所有待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵Q的初始值。

利用Q的初始值计算对发射信号的估计值的方法为：

假设m为检测信号过程中的迭代变量，则检测第m个发射信号时的M+1-m个待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵记为Q_M+1-m。

当m＝1时，即当检测第一个发射信号时，此时的Q_M+1-m为Q的初始值，因此直接利用Q的初始值计算得到第一个被检测发射信号的估计值。然后，利用Q递推得到剩下的M-1个待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵Q_M-1。

当m＞1时，此时对应M+1-m个待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵Q_M+1-m已在上一次检测发射信号后计算得到，并利用Q_M+1-m计算得到第m个被检测发射信号的估计值。然后，利用Q_M+1-m递推得到剩下的M-m个待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵Q_M-m。

综上所述，在信号检测时需要的Q的初始值的递推过程中的矩阵从一开始就是M×M的矩阵，由于矩阵的计算复杂度与矩阵维数直接相关，当发射天线个数M大时，递推的计算复杂度会变得更高。而且，在信号检测过程中，每一次都要重新计算当前待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵，这必然导致信号检测计算复杂度的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在多天线数字无线通信系统中检测信号的方法，使得检测信号的计算复杂度减少。

为了达到上述目的，本发明提供一种在多天线数字无线通信系统中检测信号的方法，在多入多出MIMO系统中检测至少两个发射信号，所述发射信号由发射端各个不同的发射天线分别发射并经过一个信道到达接收端，该方法包括：

a.接收端的至少两个接收天线接收所述发射信号，获得至少两个接收信号；

b.接收端根据接收信号进行信道估计，得到由发射天线和接收天线之间的信道系数组成的信道矩阵H；

c.利用信道矩阵H计算出所有发射信号中的部分发射信号的估计误差协方差矩阵，然后利用信道矩阵H和计算出的部分发射信号的估计误差协方差矩阵，递推求得包括所述部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号的估计误差协方差矩阵；

d.利用步骤c所得到的估计误差协方差矩阵，检测步骤c中所述的包括部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号。

步骤c所述递推求得包括所述部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号的估计误差协方差矩阵为：递推求得所有发射信号的估计误差协方差矩阵；

步骤d所述检测包括部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号为：检测所有发射信号。

步骤c所述利用部分发射信号的估计误差协方差矩阵递推求得所有发射信号的估计误差协方差矩阵的步骤为：以部分发射信号的估计误差协方差矩阵的Sherman-Morrison结果作为子矩阵，递推求得所有发射信号的估计误差协方差矩阵。

所述步骤b和步骤c之间进一步包括：设置检测至少两个发射信号的先后顺序；

所述步骤c包括：

c11.利用所设置的检测顺序中最后被检测的第一数目个发射信号对应的信道矩阵，计算所述最后被检测的第一数目个发射信号的估计误差的协方差矩阵；

设置用于递推检测发射信号估计误差协方差矩阵大于所述第一数目的第二数目；

c12.利用所设置的检测顺序中最后被检测的第二数目个发射信号对应的信道矩阵，并以上一次递推或步骤c11所得到的最后被检测的第一数目个发射信号的估计误差协方差矩阵的Sherman-Morrison结果作为子矩阵，递推计算所述最后被检测的第二数目个发射信号的估计误差协方差矩阵，如果已得到所有被检测发射信号的估计误差协方差矩阵，则结束本流程，否则令第一数目的值等于第二数目的值后，第二数目的值加1或大于1的整数值，返回步骤c12。

所述步骤d包括：

d1.在待检测发射信号中选择当前被检测的一个发射信号，利用步骤c得到的所有发射信号的估计误差协方差矩阵、信道矩阵H以及接收信号得到对所述当前被检测的一个发射信号的估计值；

d2.利用步骤d1得到的当前被检测的一个发射信号的估计值计算对检测后续待检测发射信号的干扰值，消除所述当前被检测的一个发射信号对检测后续待检测发射信号的干扰；

d3.重复步骤d1、d2，直到检测到所有待检测发射信号。

所述步骤d1之前进一步包括：利用信道矩阵H对接收信号进行预匹配滤波变换；计算信道矩阵H的互相关信道矩阵Φ，Φ＝H^H·H；

步骤d1所述得到对当前被检测的一个发射信号的估计值的步骤包括：利用待检测发射信号的估计误差协方差矩阵和所述接收信号的预匹配滤波结果得到所述当前被检测的一个发射信号的估计值；

所述步骤d2包括：利用所述当前被检测的一个发射信号的估计值和信道矩阵H的互相关信道矩阵Φ计算已检测的发射信号对检测后续发射信号的干扰值，并从所述接收信号的预匹配滤波结果中消除已检测的发射信号的干扰，得到修正的接收信号的预匹配滤波结果，作为下一次检测信号时的接收信号的预匹配滤波结果。

根据本发明提供的检测信号方法，在计算所有发射信号的估计误差协方差矩阵的初始值时，预先设置在接收端检测发射信号的顺序，并按照所述顺序依次递推从少到多的发射信号对应的估计误差协方差矩阵，最终得到所有发射信号的估计误差协方差矩阵的初始值，所述的递推方法，减少了递推的计算量，从而能够减少检测信号的计算复杂度。在初始值的递推过程中得到的中间结果还可以在检测信号过程中利用，如果预先设置的检测顺序与实际检测顺序相近或相同，则在检测信号过程中减少重新计算待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵的步骤，从而能够减少检测信号的计算复杂度。

附图说明

图1所示为现有技术中多天线数字无线通信系统框图；

图2所示为本发明中计算所有发射信号的估计误差协方差矩阵的初始值的流程图；

图3所示为本发明中检测信号的流程图。

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明白，下面举具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

本发明在检测信号过程中，计算所有发射信号的估计误差协方差矩阵的初始值的主要思想为：按照从少到多的发射信号的顺序，先计算得到较少发射信号的估计误差协方差矩阵，然后利用所得到的较少发射信号的估计误差协方差矩阵，递推计算较多发射信号的估计误差协方差矩阵。通过以上递推方法计算估计误差协方差矩阵的初始值，不仅能够减少递推初始值的计算量，而且在检测信号的步骤中还可以充分利用在计算初始值过程中所得到的中间结果，从而进一步减少检测信号的计算量。

下面给出具体实现方法。图2所示为计算所有发射信号的估计误差协方差矩阵的初始值的流程图，包括以下几个步骤：

步骤201：接收端接收到发射端从M个发射天线分别发射的M个发射信号，获得N个接收信号，并根据接收信号进行信道估计，得到由发射天线和接收天线之间的信道系数组成的信道矩阵H。

预先设置所有M个发射信号在接收端被检测的先后顺序，用发射信号序号记为t_M，t_M-1，...，t_m，...，t₂，t₁。相应的，把信道矩阵H按列重新排序，得到按照所述预先设置的检测发射信号的先后顺序排序的信道矩阵H，记为H_M ^(tM)， $H_M^{\left(t_M\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}{h}_{{:t}_1}& h_{:t_2}& ...& h_{:t_{M-1}}& h_{:t_M}\end{array}\right].$ 利用向量f＝[t₁，t₂，...，t_m，...，t_M-1，t_M]^T记录与信道矩阵H_M ^(tM)对应的发射信号的索引。

步骤202：用信道矩阵H_M ^(tM)，先求得H_M ^(tM)的互相关信道矩阵 ${\mathrm{\Φ}}_M={\left(H_M^{\left(t_M\right)}\right)}^H\·H_M^{\left(t_M\right)},$ 再由Φ_M求得估计误差的协方差矩阵Q_M的逆矩阵

$R_M={\left(H_M^{\left(t_M\right)}\right)}^H\·H_M^{\left(t_M\right)}+\mathrm{\α}{I}_{M\×M}={\mathrm{\Φ}}_M+\mathrm{\α}{I}_{M\×M}.$

其中， $R_M={\left(H_M^{\left(t_M\right)}\right)}^H\·H_M^{\left(t_M\right)}+\mathrm{\α}{I}_{M\×M}$

其中，*表示对1个复数取共轭。

步骤203：计算最后被检测的一个发射信号t₁对应的估计误差协方差矩阵，记为Q₁(^t1)。

对应发射信号t₁的信道矩阵为 $H_1^{\left(t_1\right)}=\left[h_{:t_1}\right].$ 从步骤202得到的R_M中，得到发射信号t₁的估计误差协方差矩阵的逆矩阵为 $R_1^{\left(t_1\right)}={\left(h_{:t_1}\right)}^H\·h_{:t_1}+\mathrm{\α}=r_{t_1{t}_1},$ 其中，r_t1t1就是R_M的第1行第1列的元素。

然后利用R₁ ^(t1)计算对应最后被检测的发射信号t₁的估计误差的协方差矩阵Q₁ ^(t1)。由 $Q_1^{\left(t_1\right)}={\left(R_1^{\left(t_1\right)}\right)}^{-1}$ 得到 $Q_1^{\left(t_1\right)}=1/r_{t_1{t}_1}.$

下面让递推Q的初始值的变量m设为2，进入步骤204。在下面的递推Q的初始值的步骤中，将最后被检测的m个发射信号t_m，...，t₂，t₁对应的估计误差协方差矩阵记为Q_m ^(tm)。

步骤204：判断是否已得到所有被检测发射信号的估计误差协方差矩阵，即判断m是否大于M，如果是，则说明已得到M个被检测发射信号的估计误差协方差矩阵，转到步骤208；否则，递推m个被检测发射信号的估计误差协方差矩阵Q_m ^(tm)的值，执行步骤205、206、207。

步骤205：最后被检测的m个发射信号t_m，...，t₂，t₁对应的信道矩阵为 $H_m^{\left(t_m\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{:t_1}& h_{:t_2}& ...& h_{:t_m}\end{array}\right],$ 相应的，对应最后被检测的m个发射信号t_m，...，t₂，t₁的估计误差协方差矩阵的逆矩阵为 $R_m^{\left(t_m\right)}={\left(H_m^{\left(t_m\right)}\right)}^H\·H_m^{\left(t_m\right)}+\mathrm{\α}{I}_{\left(m\right)\×\left(m\right)}.$

R_m ^(tm)与R_m-1 ^(tm-1)有如下的递推关系：

$R_m^{\left(t_m\right)}=\left[\begin{array}{cc}{R}_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}& v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\\ {\left(v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^H& {\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}\end{array}\right],$ 其中，R_m-1 ^(tm-1)是上一次递推得到的对应最后被检测的m-1个发射信号t_m-1，...，t₂，t₁的估计误差协方差矩阵的逆矩阵或者是对应最后被检测的1个发射信号t₁的估计误差的协方差矩阵的逆矩阵R₁ ^(t1)；

${\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}={h_{:t_m}}^H\·h_{:t_m}+\mathrm{\α}=r_{t_m{t}_m};v_{m-1}^{\left(t_m\right)}=\left[\begin{array}{c}{h_{:t_1}}^H\·h_{:t_m}\\ {h_{:t_1}}^H\·h_{:t_m}\\ .\\ .\\ .\\ {h_{:t_{m-1}}}^H\·h_{:t_m}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_{t_1{t}_m}\\ r_{t_2{t}_m}\\ .\\ .\\ .\\ r_{t_{m-1}{t}_m}\end{array}\right].$

容易看到β₁ ^(tm)和v_m-1 ^(tm)都可以从步骤202中计算的R_M中直接得到，更具体的，是R_M的第m行第m列的元素，而v_m-1 ^(tm)是由R_M的第m列的头m-1项组成。从而不需要任何计算，就可以直接得到R_m ^(tm)。

步骤206：求最后被检测的m个发射信号t_m，...，t₂，t₁对应的估计误差协方差矩阵Q_m ^(tm)。

利用对应最后被检测的一个发射信号的估计误差协方差矩阵Q₁ ^(t1)或者上一次递推得到的对应最后被检测的m-1个发射信号t_m-1，...，t₂，t₁的估计误差协方差矩阵Q_m-1 ^(tm-1)，递推得到Q_m ^(tm)，递推方法如下所述：

首先计算Q_m-1 ^(tm-1)的Sherman-Morrison结果，即使用Sherman-Morrison公式得到(T_m-1 ^(tm1))^-1， ${\left(T_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^{-1}=Q_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}+\frac{Q_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}{\left(v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^H{Q}_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}}{{\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}-{\left(v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^H{Q}_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}};$ 然后由(T_m-1 ^(tm)-1、v_m-1 ^(tm)，以及β₁ ^(tm)得到最后被检测的m个发射信号t_m，...，t₂，t₁对应的估计误差协方差矩阵Q_m ^(tm)为， $Q_m^{\left(t_m\right)}=\left[\begin{array}{cc}{\left(T_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^{-1}& -\frac{{\left(T_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^{-1}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}}{{\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}}\\ -{\left(\frac{{\left(T_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^{-1}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}}{{\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}}\right)}^H& \frac{1}{{\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}}+\frac{{\left(v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^H{\left(T_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^{-1}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}}{{\left({\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}\right)}^2}\end{array}\right].$

步骤207：m的值增加1，即m＝m+1，然后返回步骤204。

步骤208：得到所有M个发射信号t_M，t_M-1，...，t_m，...，t₂，t₁对应的估计误差协方差矩阵Q_M ^(tM)的值。Q_M ^(tM)就是信号检测过程中决定一个最优检测顺序，且依照所述最优检测顺序并使用干扰消除的方法逐次检测各个发射信号时，所使用的估计误差协方差矩阵的初始值，所述初始值记为Q_M， $Q_M=Q_M^{\left(t_M\right)}.$

通过以上步骤，得到了所有被检测发射信号的估计误差协方差矩阵的初始值Q_M；同时，还得到了检测部分发射信号的估计误差协方差矩阵Q_m，其中，m＝1，2，...，M-1，Q_m对应发射天线t_m，...，t₂，t₁的估计误差协方差矩阵。

得到所有待检测发射信号的估计误差协方差矩阵的初始值后，进入图3所示的检测信号的流程中，即转到图3的a。

图3为信号检测的流程图，图3所示的信号检测从a开始。

步骤301：对接收信号进行预匹配滤波变换，得到接收信号的预匹配滤波结果 $z_M={\left(H_M\right)}^H\·\stackrel{\→}{x},$ 其中，(H_M)^H为匹配滤波器，向量

为表示接收信号x₁，...，x_N的向量。发射信号的索引仍然是向量f＝[t₁，t₂，...，t_m，...，t_M-1，t_M]^T。

下面将检测信号过程中的迭代变量m设为1，进入步骤302。在下面的检测信号的迭代步骤中，在M+1-m个发射信号中检测某一发射信号时，对应M+1-m个待检测发射信号的估计误差协方差矩阵记为Q_M+1-m。

步骤302：判断是否检测最后一个发射信号，即判断m是否等于M，如果是，则执行步骤313；否则执行步骤303。

步骤303：在M+1-m个发射信号中确定接收信噪比最好的发射信号，方法是：从Q_M+1-m中查找对角元素最小的行记为第l_m行， $l_m=\underset{i}{\arg \min }{q}_{M+1-m,\mathrm{ii}},$ 其中，q_M+1-m，ii是矩阵Q_M+1-m的第i行第i列的元素即对角线上的元素，i＝1，...，M+1-m。所述的第l_m行对应于M+1-m个发射信号中接收信噪比最好的信号，即当前被检测的发射信号。

步骤304：在矩阵Q_M+1-m中交换第l_m行和M+1-m行，交换第l_m列和M+1-m列；相应的，在矩阵R_M+1-m中交换第l_m行和M+1-m行，交换第l_m列和M+1-m列；相应的，在矩阵Φ_M+1-m中交换第l_m行和M+1-m行，交换第l_m列和M+1-m列；相应的，在对接收信号的预匹配滤波结果向量z_M+1-m中交换第l_m项和第M+1-m项。在向量f中交换第l_m项和第M+1-m项。

步骤305：当前被检测的发射信号为向量f中第M+1-m项，记为p_m，p_m＝f(M+1-m)。计算对当前被检测的发射信号的估计值y_pm。发射信号p_m的估计值y_pm为， $y_{p_m=q_{M+1-m}^H\·z_{M+1-m}.}$ 其中，q_M+1-m表示Q_M+1-m的第M+1-m列。

步骤306：对所得到的发射信号的估计值y_pm进行量化，得到对发射信号的检测结果

步骤307：从接收信号的预匹配滤波结果中消除当前检测到的发射信号的影响，得到尚未被检测的M-m个发射信号对应的多个接收信号的预匹配滤波结果，即：从对接收信号的预匹配滤波结果向量z_M+1-m中删除第M+1-m项得到具有M-m项的(z_M+1-m)^minus；从(z_M+1-m)^minus中消除当前被检测到的发射信号的干扰，得到对应所有M-m个未被检测的发射信号的多个接收信号的预匹配滤波结果

其中_M-m+1是矩阵Φ_M-m+1的第M+1-m列的头M-m行，_M-m+1具有M-m项。

步骤308：从矩阵Φ_M+1-m中删除第M+1-m列和第M+1-m行，得到矩阵Φ_M-m；从矩阵R_M+1-m中提取头M-m行头M-m列得到矩阵R_M-m，从矩阵R_M+1-m中提取第M+1-m列的头M-m行得到向量v_M-m，从矩阵R_M+1-m中提取第M+1-m行第M+1-m列的元素得到一项β_pm。

步骤309：判断在图2所示求Q_M的初始值的过程中，是否已得到对应M-m个发射信号的估计误差协方差矩阵Q_M-m，如果是，则执行步骤310；否则，执行步骤311。

步骤310：将递推Q_M的初始值的过程中得到的Q_M-m作为下一次迭代所需要的对应M-m个发射信号的估计误差协方差矩阵Q_M-m。然后执行步骤312。

步骤311：利用矩阵Q_M+1-m计算下一次迭代所需要的对应M-m个发射信号的估计误差协方差矩阵Q_M-m，计算方法是：从矩阵Q_M+1-m中删除第M+1-m行和第M+1-m列得到矩阵T_M-m ^-1，然后利用T_M-m ^-1、v_M-m以及β_pm得到Q_M-m， $Q_{M-m}=T_{M-m}^{-1}-\frac{T_{M-m}^{-1}{v}_{M-m}{v}_{M-m}^H{T}_{M-m}^{-1}}{{\mathrm{\β}}_{p_m}+v_{M-m}^H{T}_{M-m}^{-1}{v}_{M-m}}.$ 然后执行步骤312。

步骤312：m的值增加1，即m＝m+1，返回步骤302。

步骤313：当前被检测的发射信号为向量f的最后一项，记为p_M。计算最后被检测的发射信号的估计值y_pM。发射信号p_M的估计值y_pM为， $y_{p_M}=q_1^H\·z_1.$ 其中，q₁就是Q₁。

步骤314：对所得到的发射信号的估计值y_pM进行量化，得到对发射信号的检测结果

通过以上方法，对发射信号的检测顺序为p₁，p₂，...，p_M，对应的，发射信号的检测结果为

以上所述实施例中可以看到，如果递推发射信号估计误差协方差矩阵Q的初始值时所预先设置的检测发射信号的先后顺序与实际检测发射信号的顺序相同，则不用如步骤311所述的方法计算得到下一次迭代所需的估计误差协方差矩阵，而直接从递推Q的初始值过程中所得到的中间结果得到下一次迭代所需的估计误差协方差矩阵，因此，能够减少很多计算量；或者，如果递推Q的初始值时所预先设置的检测发射信号的先后顺序与实际检测发射信号的顺序相近，也能够省略所述步骤311，因此，也能够减少不少计算量。

从而，在慢衰落信道中，将接收端检测M个发射天线的先后顺序可以设置为最近一次检测的最优顺序，使得在图3所示的检测信号过程中，减少所述步骤311带来的计算量。因为在慢衰落信道中，信道特性变化缓慢，与最近一次的最优检测顺序相比，当前时刻的最优检测顺序变化不大或相同，因此能够很好的利用递推Q的初始值过程中所得到的中间结果减少检测信号的计算量。

在快衰落信道中，也有众多的现有技术，可以通过信道矩阵H，估计一个检测顺序，使得这个检测顺序接近实际使用的最优检测顺序。

在某些应用中，检测所有发射信号的顺序是预先固定的，依照这个预先固定的检测顺序逐个检测发射信号，在此过程中不需要去求最优的检测顺序。在这种情况下，将所述步骤201中预先设置的所有M个发射信号在接收端被检测的先后顺序，就是所述的预先固定的检测顺序，这样，不需要如步骤303所述的确定检测顺序的过程，而是根据所述预先固定的检测顺序确定当前选择哪一个待检测信号加以检测；从而，不需要如步骤304所述的矩阵的行和列的交换；同时，不需要如步骤311所述的计算下一次迭代所需的估计误差协方差矩阵的过程，直接利用递推Q过程中所得到的中间结果检测下一个待检测发射信号。通过以上方法，能够减少很多计算量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1、一种在多天线数字无线通信系统中检测信号的方法，在多入多出MIMO系统中检测至少两个发射信号，所述发射信号由发射端各个不同的发射天线分别发射并经过一个信道到达接收端，其特征在于，

a.接收端的至少两个接收天线接收所述发射信号，获得至少两个接收信号；

b.接收端根据接收信号进行信道估计，得到由发射天线和接收天线之间的信道系数组成的信道矩阵H；

c.利用信道矩阵H计算出所有发射信号中的部分发射信号的估计误差协方差矩阵，然后利用信道矩阵H和计算出的部分发射信号的估计误差协方差矩阵，递推求得包括所述部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号的估计误差协方差矩阵；

d.利用步骤c所得到的估计误差协方差矩阵，检测步骤c中所述的包括部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤c所述递推求得包括所述部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号的估计误差协方差矩阵为：递推求得所有发射信号的估计误差协方差矩阵；

步骤d所述检测包括部分发射信号且个数多于所述部分发射信号个数的发射信号为：检测所有发射信号。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤c所述利用部分发射信号的估计误差协方差矩阵递推求得所有发射信号的估计误差协方差矩阵的步骤为：以部分发射信号的估计误差协方差矩阵的Sherman-Morrison结果作为子矩阵，递推求得所有发射信号的估计误差协方差矩阵。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述步骤b和步骤c之间进一步包括：设置检测至少两个发射信号的先后顺序；

所述步骤c包括：

c11.利用所设置的检测顺序中最后被检测的第一数目个发射信号对应的信道矩阵，计算所述最后被检测的第一数目个发射信号的估计误差的协方差矩阵；

设置用于递推检测发射信号估计误差协方差矩阵大于所述第一数目的第二数目；

c12.利用所设置的检测顺序中最后被检测的第二数目个发射信号对应的信道矩阵，并以上一次递推或步骤c11所得到的最后被检测的第一数目个发射信号的估计误差协方差矩阵的Sherman-Morrison结果作为子矩阵，递推计算所述最后被检测的第二数目个发射信号的估计误差协方差矩阵，如果已得到所有被检测发射信号的估计误差协方差矩阵，则结束本流程，否则令第一数目的值等于第二数目的值后，第二数目的值加1或大于1的整数值，返回步骤c12。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述步骤b和步骤c之间进一步包括：设置检测至少两个发射信号的先后顺序；

所述步骤c包括：

c21.利用所设置的检测顺序中最后被检测的一个发射信号对应的信道矩阵，计算所述最后被检测的一个发射信号的估计误差的协方差矩阵；

c22.利用与所设置的检测顺序中最后被检测的m个发射信号对应的信道矩阵，并以上一次递推或者步骤c21得到的最后被检测的m-1个发射信号的估计误差协方差矩阵的Sherman-Morrison结果作为子矩阵，递推计算所述最后被检测的m个发射信号的估计误差协方差矩阵，如果已得到所有发射信号的估计误差协方差矩阵，则结束本步骤，否则m的值加1，返回步骤c22；

其中，m的初始值设为2。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述发射天线有M个，接收天线有N个，所述M个不同的发射天线分别发射M个发射信号；

所述设置检测至少两个发射信号的先后顺序的步骤包括：对发射天线发射的M个发射信号重新排序得到所述先后顺序，用发射信号的序列表示为t_M，t_M-1…，t_m，…，t₂，t₁；

所述步骤c21包括：利用发射信号t₁对应的信道矩阵[h_:t1]得到该发射信号的估计误差协方差矩阵的逆矩阵R₁ ^(t1)，并根据发射信号t₁的估计误差协方差矩阵与R₁ ^(t1)矩阵满足的关系得到发射信号t₁的估计误差协方差矩阵；

所述步骤c22包括：利用m个发射信号t₁…t_m对应的信道矩阵[h_:t1h_:t2…h_:tm]得到所述m个发射信号的估计误差协方差矩阵的逆矩阵R_m ^(tm)中不包含在R_m-1 ^(tm-1)中的部分项，并根据所述m个发射信号的估计误差协方差矩阵与R_m ^(tm)满足的关系，以及利用所得到的m-1个发射信号t₁…t_m-1的估计误差协方差矩阵，递推m个发射信号的估计误差协方差矩阵，如果已得到M个被检测信号的估计误差协方差矩阵，则结束本步骤；否则m的值加1，返回执行步骤c22；

其中，h_:ti表示信道矩阵H中与发射信号t_i对应的列向量，i＝1…M。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

步骤c21所述的 $R_1^{\left(t_1\right)}={\left(h_{:t_1}\right)}^H\·h_{{:t}_1}+\mathrm{\α},$ 其中α为与发射信号的信噪比相关的常数；

步骤c22所述R_m ^(tm)中不包含在R_m-1 ^(tm-1)中的部分项为：一个标量β₁ ^(tm)和一个向量v_m-1 ^(tm)，其中， ${\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}={h_{:t_m}}^H\·h_{{:t}_m}+\mathrm{\α},v_{m-1}^{\left(t_m\right)}=\left[\begin{array}{c}{h_{{:t}_1}}^H\·h_{{:t}_m}\\ {h_{:t_1}}^H\·h_{{:t}_m}\\ \·\\ \·\\ \·\\ {h_{{:t}_{m-1}}}^H\·h_{t_m}\end{array}\right];$

步骤c22所述递推得到的m个发射信号的估计误差协方差矩阵为：在m-1个发射信号的估计误差协方差矩阵的Sherman-Morrison结果基础上，增加一行和一列得到的矩阵。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

步骤c22所述在m-1个发射信号的估计误差协方差矩阵的Sherman-Morrison结果基础上，增加一行和一列得到的矩阵为：m-1个发射信号的估计误差协方差矩阵Q_m-1 ^(tm-1)的Sherman-Morrison结果为 ${\left(T_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^{-1}=Q_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}+\frac{Q_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}{\left(v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^H{Q}_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}}{{\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}-{\left(v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^H{Q}_{m-1}^{\left(t_{m-1}\right)}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}},$ 在(T_m-1 ^(tm))^-1基础上，增加由矩阵(T_m-1 ^(tm))^-1、向量v_m-1 ^(tm)以及标量β_m-1 ^(tm)组成的一列和一行，得到m个发射信号的估计误差协方差矩阵Q_m ^(tm)，其中，一列和一行相交的项是 $\frac{1}{{\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}}+\frac{{\left(v_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^H{\left(T_{m-1}^{\left(t_m\right)}\right)}^{-1}{v}_{m-1}^{\left(t_m\right)}}{{\left({\mathrm{\β}}_1^{\left(t_m\right)}\right)}^2},$ 一列的其它项为

一行的其它项为

其中，Q_m-1 ^(tm-1)为上一次递推的结果或步骤c21中得到的Q₁ ^(t1)。

9、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤d包括：

d1.在待检测发射信号中选择当前被检测的一个发射信号，利用步骤c得到的所有发射信号的估计误差协方差矩阵、信道矩阵H以及接收信号得到对所述当前被检测的一个发射信号的估计值；

d2.利用步骤d1得到的当前被检测的一个发射信号的估计值计算对检测后续待检测发射信号的干扰值，消除所述当前被检测的一个发射信号对检测后续待检测发射信号的干扰；

d3.重复步骤d1、d2，直到检测到所有待检测发射信号。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述步骤d1之前进一步包括：利用信道矩阵H对接收信号进行预匹配滤波变换；计算信道矩阵H的互相关信道矩阵Φ，Φ＝H^H·H；

步骤d1所述得到对当前被检测的一个发射信号的估计值的步骤包括：利用待检测发射信号的估计误差协方差矩阵和所述接收信号的预匹配滤波结果得到所述当前被检测的一个发射信号的估计值；

所述步骤d2包括：利用所述当前被检测的一个发射信号的估计值和信道矩阵H的互相关信道矩阵Φ，计算已检测的发射信号对检测后续发射信号的干扰值，并从所述接收信号的预匹配滤波结果中消除已检测的发射信号的干扰，得到修正的接收信号的预匹配滤波结果，作为下一次检测信号时的接收信号的预匹配滤波结果。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述计算信道矩阵H的互相关信道矩阵Φ的步骤包括：利用信道矩阵H计算发射信号的估计误差协方差矩阵的逆矩阵R，利用Φ＝H^H·H和R＝H^H·H+αI_M×M的关系，得到Φ。

12、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述利用信道矩阵H对接收信号进行预匹配滤波变换的步骤包括：将信道矩阵H的共轭转置矩阵作为接收信号的预匹配滤波器，对接收信号向量进行预匹配滤波得到接收信号的预匹配滤波结果；

步骤d1所述在待检测发射信号中选择当前被检测的一个发射信号为：待检测发射信号的估计误差协方差矩阵中对角元素最小的行对应的发射信号为当前被检测的一个发射信号；

步骤d1所述利用待检测发射信号的估计误差协方差矩阵和所述接收信号的预匹配滤波结果得到当前被检测的一个发射信号的估计值的步骤包括：待检测发射信号的估计误差协方差矩阵中对角元素最小的行，与接收信号的预匹配滤波结果相乘，得到所述当前被检测的一个发射信号的估计值；

所述步骤d2包括：根据所述当前被检测的发射信号的估计值和所述信道矩阵的互相关信道矩阵Φ中与当前被检测的发射信号对应的元素组成的向量的乘积，得到已检测的发射信号对检测后续发射信号的干扰值，然后从接收信号的预匹配滤波结果中删除已检测发射信号对应的一项，再从所述删除一项后的接收信号的预匹配滤波结果中，消除所述干扰得到修正的接收信号的预匹配滤波结果。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤d2之后，在检测下一个发射信号之前进一步包括：判断是否在步骤c所述递推所有发射信号的估计误差协方差矩阵的过程中，已得到下一次检测信号时的待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵，如果是，则直接执行检测下一个发射信号的步骤；否则，利用本次检测信号时的待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵，递推得到下一次检测信号时的待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述利用本次检测信号时的待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵递推得到下一次检测信号时的待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵为：从本次检测信号时的待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵中，删除对角元素最小的行和列得到的子矩阵的Sherman-Morrison结果，作为下一次检测信号时的待检测发射信号对应的估计误差协方差矩阵。

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