CN1956426A - 一种低复杂度的多入多出迭代检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低复杂度多入多出的迭代接收检测法，本发明在MIMO Turbo接收机的初始检测中采用复杂度较高的SISO MMSE MIMO SIC检测器，在迭代检测阶段采用复杂度较低的SISO MF MIMO SIC检测器和复杂度很低的简化的SISO MF MIMO SIC检测器，从而在不显著降低系统误比特率BER性能的前提下，大幅度降低MIMO Turbo接收机的复杂度。本发明的方法可以广泛用于MIMO系统的Turbo接收机中。

Description

一种低复杂度的多入多出迭代检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及应用在通讯系统中的多入多出(multiple-inmultiple-out，MIMO)迭代(Turbo)接收检测技术。

背景技术

多入多出(MIMO)系统在发送端和接收端分别采用多副发送天线和接收天线，能在不增加带宽的前提下，提高系统的信道容量，同时获得发送和接收分集增益，提高传输可靠性，因此成为下一代无线通信的主要发展方向。为了充分利用多入多出(MIMO)系统的巨大潜力，必须采用迭代(Turbo)接收检测技术。从而，迭代(Turbo)检测技术成为了研究的热点。在迭代(Turbo)接收检测中，信号检测器应当实现软输入/软输出(soft-in/soft-out，SISO)，即同时接受信道译码器关于编码比特对数似然比(log-likelihood ratio，LLR)和经过接收机射频前端处理后到基带的多天线接收信号矢量，以及估计得到的多入多出(MIMO)信道衰落系数矩阵。内容详见X.Wang and V.Poor，Wireless Communications：Advanced Techniques forSignal Reception[M]，Prentice Hall PTR，March 2003.误码率性能最优意义下的软入软出(SISO)信号检测器是最大似然(maximum likelihood，ML)检测器，但其复杂度随着天线数目和调制星座图的大小成指数增长，无法实际应用。

因此，目前广泛采用最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)意义下最优的，SISO MMSE SIC(Soft Interference Cancel)MIMO(软入软出最小均方误差软干扰对消的多入多出)检测器。内容详见Mathini Sellathurai and Simon Haykin，Turbo-BLAST forwireless communications：theory and experiments[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2002，50(10)。其具体步骤如下：

在一个发射天线为N_T，接收天线为N_R的通信系统中，接收机端的等效基带接收信号模型可以表示为：

$y=\mathrm{Hs}+n=\underset{i=1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{s}_i+n---\left(1\right)$

其中

为系统等效基带信道衰落系数矩阵，h_i，j表示从第j根发射天线到第i根接收天线的系统等效基带信道衰落系数，N_R×1的矢量h_i表示第i根发射天线到所有N_R根接收天线的等效基带信道衰落系数矢量，N_R×1的矢量s_i表示第i根天线发射的信号，也就是第i个信号。 $n={\left[\begin{array}{ccc}{n}_1& \·\·\·& n_{N_R}\end{array}\right]}^T$ 为N_R根接收天线的等效基带加性高斯白噪声(Additive Gaussian White Noise，AWGN)矢量，n_i表示第i根接收天线的等效加性高斯白噪声(AWGN)，并且满足 $E\left\{n{n}^H\right\}={\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{N_R}.$ 运算符号E{}表示统计平均。

现有方法一(SISO MMSE SIC MIMO检测)

第一步：

定义从发射机发射的基带信号矢量中的第i个信号矢量s_i的均值为E{s_i}，

$E\left\{s_i\right\}\underset{c_n\∈c}{\mathrm{\Σ}}{c}_{n}p\{s_i=c_n\}---\left(2\right)$

定义p(s_i＝c_n)表示发射的基带信号矢量中的第i个信号矢量s_i为调制信号集合中某一信号点c_n的概率，运算符

表示对符号集合c中的所有元素求和。

定义发射的基带信号矢量中的第i个信号矢量s_i的能量为E_Si，

$E_{S_i}=\underset{c_n\∈c}{\mathrm{\Σ}}{\left|C_n\right|}^{2}p\{S_i=C_n\}---\left(3\right)$

式中符号||表示取复数模运算。

定义发射的基带信号矢量中的第i个信号矢量s_i的方差为var{s_i}，

$\mathrm{var}\left\{s_i\right\}=E_{S_i}-{\left(E\right\{s_i\left\}\right)}^2---\left(4\right)$

定义发射的基带信号矢量中的第i个信号矢量s_i为调制信号集合中某一信号点c_n的概率

为p(s_i＝c_n)，

$p(s_i=c_n)=\frac{1}{2^M},i=1,\·\·\·,N_T;n=\mathrm{0,1},\·\·\·,2^M-1---\left(5\right)$

其中，M是定义为和调制方式有关的常数。

第二步：

定义最小均方误差(MMSE)滤波器系数矢量为W_i，在不同的检测器中W_i取不同的值。

其中，在SISO MMSE SIC MIMO检测器中，

$W_i=E_{S_i}{\[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j^H{h}_j\mathrm{var}\left\{s_j\right\}+h_i^H{h}_i{E}_{S_i}+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{N_R}\]}^{-1}{h}_i---\left(6\right)$

定义y_i是对除了第i根发射天线发射的基带信号外的其它发射天线发射的基带信号进行软干扰对消(SIC)处理后得到的信号矢量，简称为接收端经SIC处理后得到的第i根发射天线的信号，其表达式为

$y_i=y-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{j}E\left\{s_j\right\}---\left(7\right)$

定义接收机检测器估计的第i根发射天线发射的基带信号为

${\hat{s}}_i=W_i^H{y}_i---\left(8\right)$

定义先验概率为 $p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\},$

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}=\frac{1}{{\mathrm{\π\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_i-{\mathrm{\μ}}_i{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\}---\left(6\right)$

其中定义μ_i为：

${\mathrm{\μ}}_i=W_i^H{h}_i---\left(7\right)$

定义σ_ηi ²在SISO MMSE SIC MIMO检测器中为σ_ηi-MMSE ²因子：

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_{i-\mathrm{MMSE}}}^2={\mathrm{\μ}}_i{E}_{s_i}^2-{\mathrm{\μ}}_i^2{E}_{s_i}^2---\left(8\right)$

第三步：

对于接收机检测器得到的第i根发射天线发射的基带信号的第k个编码比特b_i，k，定义由检测器输出的该编码比特的外比特对数似然比(Extrinsic bit LLR)为L_e(b_i，k)。

在SISO MMSE SIC MIMO检测器中，L_e(b_i，k)为：

$L_e\left(b_{i,k}\right)=\ln \frac{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,k}=1}{\mathrm{\Σ}}p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}}{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,k}=0}{\mathrm{\Σ}}p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}}---\left(9\right)$

式中运算符ln()表示取自然对数。

第四步：

定义编码比特的先验比特对数似然比为L(b_i，j)。检测器输出的编码比特的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器，交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比L(b_i，j)。反馈给下一步迭代检测所选择的检测器，作为输入。

但SISO MMSE SIC MIMO检测器涉及复矩阵求逆运算，复杂度依然较高。为了进一步降低复杂度，Takumi ITO，Xiaodong WANG，Yoshikazu KAKURA等人提出在初始检测时采用SISO MMSE MIMO SIC检测器，在迭代检测阶段采用SISO MF(Match Filter)(匹配滤波)SIC MIMO(软入软出匹配滤波软干扰对消的多入多出)检测器。该方案以较小的误比特率(BER)性能损失为代价，降低了MIMO Turbo(多入多出迭代)接收机的复杂度。内容详见Takumi ITO，Xiaodong WANG，Yoshikazu KAKURA，Mohammad MADIHIAN andAkihisa USHIROKAWA，Performance comparison of MF and MMSE combined iterative softinterference canceller and V-BLAST technique in MIMO/OFDM systems[C]，VTC-2003 Fall，vol.1，October 2003.步骤如下：

定义第i根发射天线发射的基带信号s_i是调制信号集合中某一信号点c_n的概率为P{s_i＝c_n}：

$P\{s_i=c_n\}=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Π}}}P\{c_{n,j}=b_{i,j}\}---\left(10\right)$

现有方法二(SISO MFSIC MIMO检测)

第一步：

经过初始检测后，由SISO MMSE SIC MIMO检测器输出的编码比特的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器，交织器后，得到编码比特先验比特的对数似然比L(b_i，j)。定义第i根发射天线发射的基带信号s_i的第j个比特为1和0的概率为P{b_i，j＝1}和P{b_i，j＝0}：

$P\{b_{i,j}=1\}=\frac{\exp \left(L\left(b_{i,j}\right)\right)}{1+\exp \left(L\left(b_{i,j}\right)\right)}---\left(14\right)$

$P\{b_{i,j}=0\}=\frac{1}{1+\exp \left(L\left(b_{i,j}\right)\right)}---\left(15\right)$

由式(14)，(15)，得到s_i的第j个比特为1和0的概率P{b_i，j＝1}和P{b_i，j＝0}，将P{b_i，j＝1}和P{b_i，j＝0}代入式(13)，得到基带信号s_i是调制信号集合中某一信号点c_n的概率P{s_i＝c_n}。根据式(13)所得到的概率P{s_i＝c_n}，按照步骤1中的(2)、(3)和(4)式分别计算得到第i根发射天线发射的基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}。

第二步：

将所得到的基带信号s_i的均值E{s_i}，代入(18)式计算得到y_i。

$y_i=y-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{j}E\left\{s_j\right\}---\left(18\right)$

取最小均方误差(MMSE)滤波器系数矢量W_i为

               W_i＝h_i                                        (19)

${\hat{s}}_i=W_i^H{y}_i---\left(20\right)$

根据式(19)、(20)，计算得到对第i根发射天线发射的基带信号s_i的估计值 定义SISOMF SIC MIMO检测器中的σ_ηi ²因子为σ_ηi-MF ²因子：

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i-\mathrm{MF}}^2=h_i^H\left[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j^H{h}_j\mathrm{var}\right\{s_j\}+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{N_R}]h_i---\left(21\right)$

μ_i因子为：

${\mathrm{\μ}}_i=W_i^H{h}_i---\left(22\right)$

先验概率 $p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}$ 为：

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}=\frac{1}{{\mathrm{\π\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_i-{\mathrm{\μ}}_i{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\}---\left(23\right)$

将式(21)计算所得的σ_ηi-MF ²因子，以及式(22)计算所得的μ_i值，根据式(23)，计算得到先验概率 $p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}.$

第三步：

用上步得到的先验概率 $p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\},$ 结合式(24)，(25)得到的第j个比特为1和0的概率P{b_i，j＝1}和P{b_i，j＝0}，按照式(26)计算SISO MF SIC MIMO检测器输出的第i根发射天线发射的基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)

$P\{b_{i,j}=1\}=\frac{\exp \left(L\left(b_{i,j}\right)\right)}{1+\exp \left(L\left(b_{i,j}\right)\right)}---\left(24\right)$

$P\{b_{i,j}=0\}=\frac{1}{1+\exp \left(L\left(b_{i,j}\right)\right)}---\left(25\right)$

$L_e\left(b_{i,k}\right)=\ln \frac{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,k}=1}{\mathrm{\Σ}}\left\{p\left({\hat{s}}_i\right|s_i=c_n)\underset{\∀j\∈\{\mathrm{0,1},\·\·\·,M-1\},j\≠k}{\mathrm{\Π}}p(b_{i,j}=c_{n,j})\right\}}{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,k}=0}{\mathrm{\Σ}}\left\{p\left({\hat{s}}_i\right|s_i=c_n)\underset{\∀j\∈\{\mathrm{0,1},\·\·\·,M-1\},j\≠k}{\mathrm{\Π}}p(b_{i,j}=c_{n,j})\right\}}---\left(26\right)$

第四步：

由SISO MF SIC MIMO检测器输出的外比特对数似然比L_e(b_i，k)经过解交织器，信道译码器，交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比为L(b_i，j)。反馈给下步迭代所采用的检测器，作为输入。

以上方法的缺点是：没有充分考虑多次迭代之后，信号检测器可以比较好地抵消MIMO(多入多出)天线之间的干扰，从而导致在迭代阶段以较高的复杂度为代价获得了较少的性能增益。当MIMO(多入多出)系统的接收天线数为N_R时，SISO MMSE SIC MIMO(软入软出的最小均方误差软干扰消除的多入多出)信号检测器的复杂度为

SISO MF SICMIMO(软入软出的匹配滤波软干扰消除的多入多出)信号检测器的复杂度为 本发明所提出的简化的SISO MF SIC MIMO(软入软出的匹配滤波软干扰消除的多入多出)信号检测器的复杂度为 因此，本发明在MIMO Turbo(多入多出的迭代)接收机的初始检测中采用复杂度较高的SISO MMSE MIMO SIC(软入软出的最小均方误差软干扰消除的多入多出)检测器，在迭代检测阶段采用复杂度较低的SISO MF MIMO SIC(软入软出的匹配滤波软干扰消除的多入多出)检测器和复杂度很低的简化的SISO MF MIMO SIC(软入软出的匹配滤波软干扰消除的多入多出)检测器，从而在不显著降低系统BER(误比特率)性能的前提下大幅度降低MIMO Turbo(多入多出)接收机的复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种低复杂度多入多出的迭代接收检测法，采用该方法，能够在不显著降低多入多出迭代接收机系统的误比特率(Bit Error Rate，BER)性能的前提下，大幅度降低MIMO Turbo接收机的复杂度。

本发明提供了一种低复杂度的MIMO Turbo(多入多出迭代)接收检测方法，该方法是采用下面的步骤实现的：

步骤1：初始信号检测；

对接收机接收到的信号采用SISO MMSE SIC MIMO检测方法，得到编码比特的外对数比特似然比L_e(b_i，k)；该外对数比特似然比L_e（b_i，k)通过解交织器，信道译码器，交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比L(b_i，j)；

步骤2：确定门限值

由用户根据所需的误比特率BER值，设定系统的性能门限BER；

步骤3：第一次迭代检测

将步骤1反馈所得到的编码比特的先验比特对数似然比L(b_i，j)采用SISO MF SIC MIMO检测器进行检测，得到第i根发射天线发射的基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)；将外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器后得到该检测信号的误比特率BER；将所得BER与步骤2得到的门限BER进行比较，若所得的误比特率BER小于等于门限BER，输出外比特对数似然比L_e(b_i，k)，转到步骤5；若所得的误比特率BER大于门限BER，则进入步骤4；

步骤4：第二次迭代检测

将步骤3所得到的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比L(b_i，j)；将L(b_i，j)作为简化的SISO MF SIC MIMO检测器的输入，然后执行如下步骤：

1)根据输入的先验比特对数似然比L(b_i，j)，采用SISO MF SIC MIMO检测方法，首先，计算出基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}；然后，根据基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}，计算得到接收端经SIC处理后得到的第i根发射天线的信号y_i和基带信号s_i的估计值

2)根据得到的基带信号s_i的估计值

按照下面的公式(21)，(22)计算先验概率

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\};$

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}=\frac{1}{{\mathrm{\π}\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_i-{\mathrm{\μ}}_i{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\}---\left(21\right)$

其中的

${\mathrm{\μ}}_i=W_i^H{h}_i,$ 定义σ_ηi ²因子为σ_ηi-简化MF2：

3)根据得到的先验概率 $p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\},$ 采用SISO MF SIC MIMO检测方法，得到基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)；

4)将得到的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器后，得到此次检测的误比特率BER；将所得的误比特率BER与步骤2所得到的门限BER相比较，若所得的误比特率BER小于等于门限BER，输出外比特对数似然比L_e(b_i，k)，

转到步骤5；若所得的误比特率BER大于门限BER，则返回步骤4；

步骤5：迭代检测结束和输出

将输出的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器得到解调后的信源信息比特；检测结束。

需要说明的是，在上述本发明的步骤中，删掉步骤3，就可以构成本发明的第二种方法，即：一种低复杂度的MIMO Turbo(多入多出迭代)接收检测方法，该方法是采用下面的步骤实现的：

步骤1：初始信号检测；

对接收机接收到的信号采用SISO MMSE SIC MIMO检测方法，得到编码比特的外对数比特似然比L_e(b_i，k)；该外对数比特似然比L_e(b_i，k)经过解交织器，信道译码器，交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比为L(b_i，j)；

步骤2：确定门限值

由用户根据所需的误比特率BER值，设定系统的性能门限BER；

步骤3：第一次迭代检测；

1)根据输入的先验比特对数似然比L(b_i，j)，采用SISO MF SIC MIMO检测方法，首先，计算出基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}；然后，根据基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}，计算得到接收端经SIC处理后得到的第i根发射天线的信号y_i和基带信号s_i的估计值

2)根据得到的基带信号s_i的估计值 按照下面的公式(23)，(24)计算先验概率

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\};$

$P\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}=\frac{1}{{\mathrm{\π\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_i-{\mathrm{\μ}}_i{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\}---\left(23\right)$

其中的 ${\mathrm{\μ}}_i=W_i^H{h}_i,$ 定义σ_ηi ²因子为σ_ηi-简化MF ²：

3)根据得到的先验概率 $p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\},$ 采用SISO MF SIC MIMO检测方法，得到基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)；

4)将得到的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器后，得到此次检测的误比特率BER；将所得的误比特率BER与步骤2所得到的门限BER相比较，若所得的误比特率BER小于等于门限BER，输出外比特对数似然比L_e(b_i，k)，

转到步骤4；若所得的误比特率BER大于门限BER，则返回步骤3；

步骤4：迭代检测结束和输出；

将输出的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器得到解调后的信源信息比特；检测结束。

经过简化的SISO MF SIC MIMO信号检测器和信道译码器的多次迭代运算，就可以实现低复杂度的MIMO Turbo(多入多出的迭代)接收。

本发明的实质是：对信道译码器反馈的编码比特的先验比特对数似然比，第一次迭代检测采用SISO MF SIC MIMO(软入软出的匹配滤波软干扰消除的多入多出)信号检测器获取编码比特的外比特LLR(对数似然比)，以后的迭代检测阶段采用简化的SISO MF SIC MIMO(软入软出的匹配滤波软干扰抵消的多入多出)信号检测器获取编码比特外比特LLR(对数似然比)，再根据所需性能确定误比特率BER的门限BER，达到门限BER后，输出第i根发射天线发射的基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)到判决器进行判决输出。

通过计算可知，当MIMO(多入多出)系统的接收天线数为N_R时，SISO MMSE SICMIMO信号检测器的复杂度为

SISO MF SIC MIMO信号检测器的复杂度为 简化的SISO MF SIC MIMO信号检测器的复杂度为

因此，本发明的方法与现有技术相比，大幅度降低了复杂度。

本发明在MIMO Turbo接收机的初始检测中采用复杂度较高的SISO MMSE MIMO SIC检测器，在迭代检测阶段采用复杂度较低的SISO MF MIMO SIC检测器和复杂度很低的简化的SISO MF MIMO SIC检测器，从而在不显著降低系统BER(误比特率)性能的前提下大大降低MIMO Turbo接收机的复杂度。本发明所提出的方法可以广泛用于MIMO系统的Turbo接收机中。

附图说明

图1是现有的MIMO Turbo接收机系统的工作原理图

其中，1是二进制比特信源单元、2是信道编码器单元、3是交织器单元，4是调制映射单元、5是发射天线阵列单元、6是接收天线阵列单元，7是SISO SIC MIMO信号检测器单元，8是解交织器单元，9是信道译码器单元，10是硬判决器单元，11是二进制比特信宿单元，单元12是与单元3相同结构的交织器单元。u为单元1的输出二进制比特流，b′为单元2输出的编码块比特流，b是单元3输出的交织后的编码比特流，s是送单元5发射基带信号矢量，H是MIMO信道衰落系数矩阵，N_T单元5包含的天线阵元数，N_R是单元6包含的天线阵元数，y是经单元6接收并变换到基带的接收信号矢量，n是接收端等效的基带AWGN矢量。L_e(b)是单元7输出的交织编码块b的外比特LLR，L_i(b′)是输入L_e(b)经单元8解交织后输出的编码块b′的比特LLR，L_o(b′)是单元9输出的更新的编码块b′的比特LLR，L(b)是单元12输出的解交织得到的交织编码块b的先验比特LLR， 是单元10输出的对单元1输出的二进制比特流u的估计。

图2是现有的采用SISO MMSE SIC MIMO检测方法的MIMO Turbo接收机的工作流程图

图3是现有的采用SISO MF SIC MIMO检测方法的MIMO Turbo接收机的工作流程图

图4是采用本发明第一种检测方法的MIMO Turbo接收机的工作流程图

图5是采用本发明第二种检测方法的MIMO Turbo接收机的工作流程图

图6是传统MIMO Turbo接收机和本发明的MIMO Turbo接收机在一个具体实例下的性能示意图

其中横坐标表示信噪比，单位是分贝；纵坐标表示误比特率。曲线1是本发明的低复杂度MIMO Turbo接收机采用图4方式工作时性能曲线，曲线2是本发明的低复杂度MIMOTurbo接收机按照采用图5方式工作时性能曲线。曲线3是传统MIMO Turbo接收机按照图3的方式工作时的性能曲线，曲线4是传统MIMO Turbo接收机按照图2的方式工作时的性能曲线。可以看到，本发明采用的低复杂度MIMO Turbo接收机与传统MIMO Turbo接收机相比没有明显的性能损失，但复杂度显著降低。

具体实施方式：

本发明的一个具体实例如下所述，参数设定不影响一般性，假设数据源的数据采用生成多项式为[557₈，663₈，711₈]的1/3码率的卷积码，采用300行、400列，交织长度为120000的行列交织器，16-QAM  调制，其映射符号集合为

$c=\left\{c_n\right|n=\mathrm{0,1},\·\·\·,15\}=\{\±1\±j,\±3\±3j,\±1\±3j,\±3\±j\}/\sqrt{10}.$ 发送天线数为N_T＝4，接收天线数N_R＝4，信道为平坦独立不相关衰落信道，最大多谱勒频移为500Hz。

发射的数据经过编码、交织和16-QAM调制之后，进行串并转换，分成N_T路信号流，由发射天线发射出去，发射出去的信号经过空间信道之后，由接收端的N_R根接收天线接收。假设第L个时刻，发射天线发射的信号矢量为s_L＝(s_L，1s_L，2s_L，3s_L，4)^T，接收天线收到的信号矢量为y_L＝(y_L，1y_L，2y_L，3y_L，4)^T，高斯白噪声矢量为n_L＝(n_L，1n_L，2n_L，3n_L，4)^T， $E\left\{n_L{n}_L^H\right\}={\mathrm{\σ}}_n^2{I}_4.$ 信道矩阵为 $H_L=(h_{L,1},h_{L,2},h_{L,3},h_{L,4})=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{L,11}& h_{L,12}& h_{L,13}& h_{L,14}\\ h_{L,21}& h_{L,22}& h_{L,23}& h_{L,24}\\ h_{L,31}& h_{L,32}& h_{L,33}& h_{L,34}\\ {\mathrm{hL},}_{41}& h_{L,42}& h_{L,43}& h_{L,44}\end{array}\right).$ 不失一般性，

这里忽略时间变量L，并考虑第1根发射天线的发射信号s₁，设映射得到s₁的交织后编码比特模式为{b_1，0b_1，1b_1，2b_1，3}，以计算b_1，0的外比特LLRL_e(b_1，0)为例，MIMO Turbo接收机的具体工作过程如下：

1.初始检测，采用SISO MMSE SIC检测器计算L_e(b_1，0)：

设

$p(s_i=c_n)=\frac{1}{16},n=0,\·\·\·,15;i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(11\right)$

可以计算得到

            E{s_i}＝0，i＝1，2，3，4              (12)

$E_{s_i}=\mathrm{var}\left\{s_i\right\}=1,i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(13\right)$

            y_i＝y，i＝1，2，3，4                 (14)

$W_i={[{\mathrm{HH}}^H+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_4]}^{-1}{h}_{i}i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(15\right)$

${\mathrm{\μ}}_1=W_1^H{h}_1---\left(16\right)$

${\hat{s}}_1=W_1^{H}y---\left(17\right)$

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_1}^2={\mathrm{\μ}}_1--{\mathrm{\μ}}_1^2--\left(18\right)$

$p\left\{{\hat{s}}_1\right|s_1=c_n\}=\frac{1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_1}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_1-{\mathrm{\μ}}_1{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_1}^2}\},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,15---\left(19\right)$

所以，

$L_e\left(b_{\mathrm{1,0}}\right)=\ln \frac{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,0}=1}{\mathrm{\Σ}}p\left\{{\hat{s}}_1|s_1=c_n\right\}}{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,0}=0}{\mathrm{\Σ}}p\left\{{\hat{s}}_1\right|s_1=c_n\}}---\left(20\right)$

2.交织编码块的所有比特的外比特LLR经解交织后，送入SISO卷积码译码器译码，译码后得到的更新的先验比特信息经交织器交织后，得到交织后的编码比特的先验比特LLR，送入SISO SIC MIMO信号检测器。如，对于比特b_1，0，先验比特LLR为

$L\left(b_{\mathrm{1,0}}\right)=\ln \frac{p\{b_{\mathrm{1,0}}=1\}}{p\{b_{\mathrm{1,0}}=0\}}.$

3.迭代检测。采用简化的SISO MF SIC MIMO信号检测；

a)简化的SISO MF SIC MIMO信号检测：

根据反馈得到的编码比特的先验比特LLR，计算

$P\{b_{i,k}=1\}=\frac{\exp \left(L\left(b_{i,k}\right)\right)}{1+\exp \left(L\left(b_{i,k}\right)\right)},i=\mathrm{1,2,3,4};k=\mathrm{0,1,2,3}---\left(21\right)$

$P\{b_{i,k}=0\}=\frac{\exp \left(L\left(b_{i,k}\right)\right)}{1+\exp \left(L\left(b_{i,k}\right)\right)},i=\mathrm{1,2,3,4};k=\mathrm{0,1,2,3}---\left(22\right)$

$P\{s_i=c_n\}=\underset{j=0}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}P\{c_{n,j}=b_{i,j}\},i=\mathrm{1,2,3,4};n=\mathrm{1,2},\·\·\·,15---\left(23\right)$

$E\left\{s_i\right\}=\underset{c_n\∈c}{\mathrm{\Σ}}{c}_{n}p\{s_i=c_n\},i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(24\right)$

$E_{S_i}=\underset{c_n\∈C}{\mathrm{\Σ}}{\left|c_n\right|}^{2}p\{s_i=c_n\},i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(25\right)$

$\mathrm{var}\left\{s_i\right\}=E_{S_i}-{\left(E\right\{s_i\left\}\right)}^2,i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(26\right)$

$y_1=y-\underset{j=2}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{j}E\left\{s_j\right\}---\left(27\right)$

                      W₁＝h₁                           (28)

${\hat{s}}_1=W_1^H{y}_1---\left(29\right)$

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_1}^2={\mathrm{\σ}}_n^2{h}_1^H{h}_1---\left(30\right)$

$p\left\{{\hat{s}}_1\right|s_1=c_n\}=\frac{1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_1}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_1-{\mathrm{\μ}}_1{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_1}^2}\},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,15---\left(31\right)$

得到

$L_e\left(b_{\mathrm{1,0}}\right)=\ln \frac{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,0}=1}{\mathrm{\Σ}}\left\{p\left({\hat{s}}_1\right|s_1=c_n)\underset{\∀j\∈\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}}{\mathrm{\Π}}p(b_{1,j}=c_{n,j})\right\}}{\underset{\∀c_n\∈c,c_{n,0}=0}{\mathrm{\Σ}}\left\{p\left({\hat{s}}_1\right|s_1=c_n)\underset{\∀j\∈\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}}{\mathrm{\Π}}p(b_{1,j}=c_{n,j})\right\}}---\left(32\right)$

4.重复步骤2、步骤3，直到达到迭代次数。

经过以上步骤后，就可以实现对四用户STBC系统的检测。

Claims (2)

1、一种低复杂度的多入多出迭代接收检测方法，该方法是采用下面的步骤实现的：

步骤1：初始信号检测；

对接收机接收到的信号采用SISO MMSE SIC MIMO检测方法，得到编码比特的外对数比特似然比L_e(b_i，k)；该外对数比特似然比L_e(b_i，k)经过解交织器，信道译码器，交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比为L(b_i，j)；

步骤2：确定门限值

由用户根据所需的误比特率BER值，设定系统的性能门限BER；

步骤3：第一次迭代检测

将步骤1反馈所得到的编码比特的先验比特对数似然比L(b_i，j)采用SISO MF SIC MIMO检测器进行检测，得到第i根发射天线发射的基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)；将外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器后得到该检测信号的误比特率BER；将所得BER与步骤2得到的门限BER进行比较，若所得的误比特率BER小于等于门限BER，输出外比特对数似然比L_e(b_i，k)，转到步骤5；若所得的误比特率BER大于门限BER，则进入步骤4；

步骤4：第二次迭代检测

将步骤3所得到的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比L(b_i，j)；将L(b_i，j)作为简化的SISO MF SIC MIMO检测器的输入，然后执行如下步骤：

1)根据输入的先验比特对数似然比L(b_i，j)，采用SISO MF SIC MIMO检测方法，首先，计算出基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}然后，根据基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}，计算得到接收端经SIC处理后得到的第i根发射天线的信号y_i和基带信号s_i的估计值

2)根据得到的基带信号s_i的估计值

按照下面的公式(27)，(28)计算先验概率

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\};$

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}=\frac{1}{{\mathrm{\π\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_i-{\mathrm{\μ}}_i{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\}---\left(27\right)$

其中的 ${\mathrm{\μ}}_i=W_i^H{h}_i,$ 定义σ_ηi ²因子为σ_ηi-简化MF ²：

3)根据得到的先验概率 $p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\},$ 采用SISO MF SIC MIMO检测方法，得到基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)；

4)将得到的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器后，得到此次检测的误比特率BER；将所得的误比特率BER与步骤2所得到的门限BER相比较，若所得的误比特率BER小于等于门限BER，输出外比特对数似然比L_e(b_i，k)，转到步骤5；若所得的误比特率BER大于门限BER，则返回步骤4；

步骤5：迭代检测结束和输出

将输出的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器得到解调后的信源信息比特；检测结束。

2、一种低复杂度的多入多出迭代接收检测方法，该方法是采用下面的步骤实现的：

步骤1：初始信号检测；

对接收机接收到的信号采用SISO MMSE SIC MIMO检测方法，得到编码比特的外对数比特似然比L_e(b_i，k)；该外对数比特似然比L_e(b_i，k)经过解交织器，信道译码器，交织器后，得到编码比特的先验比特对数似然比为L(b_i，j)；

步骤2：确定门限值

由用户根据所需的误比特率BER值，设定系统的性能门限BER；

步骤3：第一次迭代检测；

1)根据输入的先验比特对数似然比L(b_i，j)，采用SISO MF SIC MIMO检测方法，首先，计算出基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}；然后，根据基带信号s_i的均值E{s_i}和方差var{s_i}，计算得到接收端经SIC处理后得到的第i根发射天线的信号y_i和基带信号s_i的估计值

2)根据得到的基带信号s_i的估计值

按照下面的公式(29)，(30)计算先验概率

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\};$

$p\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\}=\frac{1}{{\mathrm{\π\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\exp \{-\frac{{|{\hat{s}}_i-{\mathrm{\μ}}_i{c}_n|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\η}}_i}^2}\}---\left(29\right)$

其中的 ${\mathrm{\μ}}_i=W_i^H{h}_i,$ 定义σ_ηi ²因子为σ_ηi-简化MF ²：

3)根据得到的先验概率 $P\left\{{\hat{s}}_i\right|s_i=c_n\},$ 采用SISO MF SIC MIMO检测方法，得到基带信号的第k个编码比特b_i，k的外比特对数似然比L_e(b_i，k)；

4)将得到的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器后，得到此次检测的误比特率BER；将所得的误比特率BER与步骤2所得到的门限BER相比较，若所得的误比特率BER小于等于门限BER，输出外比特对数似然比L_e(b_i，k)，转到步骤4；若所得的误比特率BER大于门限BER，则返回步骤3；

步骤4：迭代检测结束和输出；

将输出的外比特对数似然比L_e(b_i，k)通过解交织器，信道译码器和判决器得到解调后的信源信息比特；检测结束。

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