多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法

专利名称：多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法
技术领域：
本发明是一种应用于无线通信系统的联合检测和译码的方法，属于移动通信中的迭代检测技术领域。
背景技术：
为适应未来发展，后三代移动通信系统必须能够支持数据速率为数十兆比特每秒甚至数百兆比特每秒、支持高的终端移动性、支持高的传输质量、提供高的频谱利用率和功率效率、并能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。多天线环境下多输入多输出系统(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)是提高数据速率的主要解决方案。在未来移动通信系统中，将面临移动的频率选择性的MIMO信道，如何逼近MIMO信道容量是系统设计考虑的至关重要的问题。联合译码和检测的Turbo接收机被认为是逼近MIMO信道容量的重要途径。在传统的单载波系统中实现频率选择性MIMO信道中的Turbo接收机是非常困难的。这主要是因为，传统单载波系统的软输入软输出检测均考虑在时域实现，如MAP(Maximum a posterioriprobabilty)检测器和基于最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)的线性软输入软输出检测器。MAP软输入软输出检测器的复杂度随着天线个数的增加、多径时延的增大、调制阶数的增高指数增长。而传统的基于MMSE的线性检测器在时域实现时，会随着多径时延的增大复杂度大大增加。基于循环前缀的单载波分块传输是对抗MIMO多径信道的有效方法，因此我们将Turbo接收机应用这样的系统，并且发现软输入软输出检测可以在频域进行，可以采用FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)快速实现，这样复杂度可以大大降低。从而，在可实现的条件下达到逼近频率选择性的MIMO信道容量。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种能逼近频率选择性MIMO信道容量的低复杂度的多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法。
技术方案本发明的多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法先将接收信号变换到频域，利用译码器反馈的发送符号的先验信息，在每个频点上进行基于最小均方误差的软输入检测，检测结果变换到时域，进行逐符号的最大后验概率检测，得到发送比特的后验概率，并输入到软输入软输出译码器译码，译码输出的软信息作为发送符号的先验信息进行下一次的迭代。
该检测方法包括以下几个步骤初始化1)空频合并利用导频序列辅助估计出信道参数以及噪声方差，计算出多输入多输出信道的频域响应矩阵Λ和ΛHΛ并存储起来；对各个天线上的接收信号变换到频域，并进行频域内的合并，从而完成＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s的中ΛH(IMF)r的计算；2)初始化先验信息将先验的信号均值和方差分别设为0和1；迭代检测3)计算先验信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]> 求得发送信号的均值和方差。对每根天线上每长度为K的数据段内信号的方差求均值V~=diag(v~0···v~N-1),]]>v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次检测时，信号均值和方差分别设为0和14)空频软输入软输出检测利用＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s进行空频软输入软输出检测，同时根据ρi=eiH(IN⊗FH)[σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK)]-1ΛHΛ(IN⊗FH)ei]]>计算出ρi；
5)计算出软信息根据Le(x^i,k)≈maxd∈Sk,1{|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}-maxd∈Sk,0{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}]]>计算出检测器输出的比特似然比；6)进行软输入软输出译码；7)对于硬判决信息，进行循环冗余校验，如果校验正确则停止迭代，得到发送信息比特，否则将译码输出的软信息反馈到检测器，跳转到步骤3)。
上述迭代检测中步骤4)，空频软输入软输出检测包括以下几个步骤1)计算[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]它的计算可以沿每个频点进行计算，令rf＝(IMF)r，sf＝(IMF)s，取出每个接收天线上相应的第k个频点上的接收信号构成M×1的向量rkf，取出每个发送天线上信号均值的频域信号构成N×l的向量skf，则第k个频点上检测后的信号为s^kf=[σ2IN+ΔkHΔkV~]-1[ΔkHrkf-ΔkHΔks‾kf]]]>其中Δk=[Λ0,0]k,k[Λ0,1]k,k···[Λ0,N-1]k,k[Λ1,0]k,k[Λ1,1]k,k···[Λ1,N-1]k,k············[ΛM-1,0]k,k[ΛM-1,1]k,k···[ΛM-1,N-1]k,k]]>是M×N的矩阵；2)计算ρi。根据 令ρ为N×1的列向量。进行步骤(1)的过程中，可以同时计算出ρ，方法如下初始化ρ＝0；从k＝0:K-1计算ρ‾=ρ‾+diag{[σ2IN+ΔkHΔkV~]-1ΔkHΔk}]]>结ρ＝ρ/K
3)得到每个频点上的检测信号后变换到时域，从而得到。
其中，N和M分别表示发送和接收天线的个数，K表示数据块的长度，表示检测器的输出信号，s表示均值信号，表示求平均后的方差信号，ρi表示检测器的系数，σ2表示噪声方差，Λ表示频域信道响应，F表示归一化的快速傅立叶变换矩阵，IN表示单位矩阵，表示Kroneker乘法，ek表示第k个元素为1其它元素为0的向量。i表示第k个检测输出信号， 表示第i个符号的第k个比特的输出似然比，max(·)表示求最大值函数，P[·]表示概率，d表示一个调制符号所对应的二进制比特，α(d)表示二进制比特d对应的调制符号，Sk，1表示第k个比特为1的符号所对应得集合，Sk，0表示第k个比特为0的符号所对应得集合，vi表示第i个符号的方差， 表示比特向量d对应的双极性信号，L表示发送符号对应得先验信息， 和L[k]表示 和L除去当前第k个元素得到的向量。rkf表示第k个频点上的频域接收信号，skf表示均值信号在第k个频点上的信号，[Λm，n]k，k表示发送天线n到接收天线m第k个频点上的信道响应，Δk表示第k个频点上收发天线之间的信道响应。
有益效果本发明的主要优点在于将每个块内的发送符号的方差求平均后，检测器可以在频域实现，可以使用快速傅立叶变换算法来实现，从而降低了软输入软输出检测器的复杂度。采用本发明的方法，可以较低的复杂度实现MIMO单载波分块传输系统的Turbo接收，从而可以逼近MIMO信道容量。
本发明提出的Turbo检测算法能用于基于循环前缀的单载波分块传输系统，它也适用于包括正交频分复用系统在内的其它块传输系统，如预编码的正交频分复用和预编码的单载波分块传输系统；提出的算法采用各种软的编码的系统，例如卷积码、Turbo码、LDPC(Low Density Parity Check Codes)码。


图1给出了本发明接收机初始化的结构示意图。它包括串/并转换器、循环前缀消除器、FFT变换器、空频合并器。
图2本发明空频Turbo接收机装置框图。它包括FFT和反FFT变换装置、空频软输入软输出检测装置、比特似然比计算装置、符号均值和方差计算装置、交织和解交织装置、软输入软输出译码装置具体实施方式
下面结合图1和图2对本发明的各个组成部分做进一步的详细说明。
假设系统有N根发送天线M根接收天线。信息比特经过纠错编码(Turbo码或者LDPC码)和比特交织调制后进行串并转换，在每个数据块前面插入循环前缀，最后经各个发送天线独立发送。这里数据块长度K是2的幂次，另外假设循环前缀的长度大于信道归一化最大多径时延。去除循环前缀后，接收信号分别可以表示为r＝Hs+n [公式1]其中 rm(m＝0…M-1)表示第m根接收天线上的接收信号，sn(n＝0…N-1)表示第n根发送天线上的发送信号，Hm，n表示第m根接收天线和第n根发送天线之间的信道，它是一个K×K的循环矩阵。nm(m＝0…M-1)表示第m根接收天线上的噪声信号。
在有先验信息的情况下[公式1]的软输入软输出检测可以写为＝(σ2IKN+HHHV)-1(HHr-HHHs)+diag(ρ)s[公式2]ρi=eiH(σ2IKN+HHHV)-1HHHei]]>[公式3]其中s表示发送信号的均值，V＝cov(s，s)＝diag(v0…vKN-1)是发送信号的协方差矩阵是一个对角阵(其中，diag(x)表示由向量x生成的对角阵)。初次检测时，无先验信息，假设s＝0，且V=σs2IKN]]>(采用归一化星座点，σs2=1).]]>进入迭代检测后，先验信息可以通过译码器反馈的似然比来计算。
s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]>[公式4]
[公式5]其中，α(d)表示由比特序列d映射得到的符号，符号概率可以通过下面的公式求得P[si=α(d)]=Πk=0Mc-1P(xi,k=dk)=Πk=0Mc-1exp[d~kL(x^i,k)]1+exp[d~kL(x^i,k)]=Πk=0Mc-112[1+d~ktanh(12L(x^i,k))]]]>其中 公式6]本次检测输出的软信息可以通过下式来计算Le(x^i,k)≈maxd∈Sk,1{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}-maxd∈Sk,0{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}]]>[公式7]Sk，1和Sk，0表示第k比特为1和0对应的比特向量集合， 由d根据(6)式确定，L是当前第i个符号对应的先验信息构成的向量， 和L[k]表示 和L除去当前第k个元素得到的向量。
对于MIMO加循环前缀的单载波分块传输系统，如果我们假设每个数据块内重构后的信号是均值不同，方差相同的随机信号，即V＝IK[公式8]其中V~=diag(v~0···v~N-1),]]>v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>基于这个假设，下面我们将看到，检测器的运算量可以大大降低。由于Hji是循环矩阵，则它的特征值分解为Hji＝FHΛjiF设hji是Hji的第一列向量，它也是信道的时域响应，则Λji的对角线元素为信道的频域响应即hji的非归一化FFT变换。这样，信道矩阵H可以写为H＝(IMFH)Λ(INF) [公式9]
其中 把[公式8][公式9]代入[公式2][公式3]可得＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1[公式10]·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)sρi=eiH(IN⊗FH)[σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK)]-1ΛHΛ(IN⊗FH)ei]]>[公式11]令，Λ~=σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK),]]>易知 也是分块对角阵，它的求逆可以在每个频点上进行，可以化简为K个N×N的矩阵求逆，因此，复杂度为O(KN3)。定义 易知 仍然是分块对角阵， 是分块循环阵，由于循环阵的对角线元素相等，因此对[公式11]有 [公式12]从上述分析可知，[公式10]可以用低复杂度的FFT/IFFT来实现，并且矩阵求逆运算量也不高。
本发明的多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法，先将接收信号变换到频域，利用译码器反馈的发送符号的先验信息，在每个频点上进行基于最小均方误差的软输入检测，检测结果变换到时域，进行逐符号的最大后验概率检测，得到发送比特的后验概率，并输入到软输入软输出译码器译码，译码输出的软信息作为发送符号的先验信息进行下一次的迭代。
该检测方法包括以下几个步骤初始化1)空频合并利用导频序列辅助估计出信道参数以及噪声方差，计算出多输入多输出信道的频域响应矩阵Λ和ΛHΛ并存储起来；对各个天线上的接收信号变换到频域，并进行频域内的合并，从而完成
＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s的中ΛH(IMF)r的计算；2)初始化先验信息将先验的信号均值和方差分别设为0和1；迭代检测3)计算先验信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]> 求得发送信号的均值和方差。对每根天线上每长度为K的数据段内信号的方差求均值V~=diag(v~0...v~N-1),]]>v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次检测时，信号均值和方差分别设为0和1；4)空频软输入软输出检测利用＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s进行空频软输入软输出检测，同时根据ρi=eiH(IN⊗FH)[σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK)]-1ΛHΛ(IN⊗FH)ei]]>计算出ρi；5)计算出软信息根据Le(x^i,k)≈maxd∈Sk,1{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}-maxd∈Sk,0{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}]]>计算出检测器输出的比特似然比；6)进行软输入软输出译码；7)对于硬判决信息，进行循环冗余校验，如果校验正确则停止迭代，得到发送信息比特，否则将译码输出的软信息反馈到检测器，跳转到步骤3)。
多输入多输出单载波分块传输的空频迭代检测方法的迭代检测中步骤4)，空频软输入软输出检测包括以下几个步骤
1)计算[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]它的计算可以沿每个频点进行计算，令rf＝(IMF)r，sf＝(IMF)s，取出每个接收天线上相应的第k个频点上的接收信号构成M×1的向量rkf，取出每个发送天线上信号均值的频域信号构成N×1的向量skf，则第k个频点上检测后的信号为s^kf=[σ2IN+ΔkHΔkV~]-1[ΔkHrkf-ΔkHΔks‾kf]]]>其中Δk=[Λ0,0]k,k[Λ0,1]k,k...[Λ0,N-1]k,k[Λ1,0]k,k[Λ1,1]k,k...[Λ1,N-1]k,k............[ΛM-1,0]k,k[ΛM-1,1]k,k...[ΛM-1,N-1]k,k]]>是M×N的矩阵；2)计算ρi。根据 i＝0，...，N-1令ρ为N×1的列向量。进行步骤(1)的过程中，可以同时计算出ρ，方法如下初始化ρ＝0；从k＝0:K-1计算ρ‾=ρ‾+diag{[σ2IN+ΔkHΔkV~]-1ΔkHΔk}]]>结束ρ＝ρ/K3)得到每个频点上的检测信号后变换到时域，从而得到。
权利要求
1.一种多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法，其特征在于先将接收信号变换到频域，利用译码器反馈的发送符号的先验信息，在每个频点上进行基于最小均方误差的软输入检测，检测结果变换到时域，进行逐符号的最大后验概率检测，得到发送比特的后验概率，并输入到软输入软输出译码器译码，译码输出的软信息作为发送符号的先验信息进行下一次的迭代。
2.根据权利要求1所述的种多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法，其特征在于该检测方法包括以下几个步骤初始化1)空频合并利用导频序列辅助估计出信道参数以及噪声方差，计算出多输入多输出信道的频域响应矩阵Λ和ΛHΛ并存储起来；对各个天线上的接收信号变换到频域，并进行频域内的合并，从而完成＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s的中ΛH(IMF)r的计算；2)初始化先验信息将先验的信号均值和方差分别设为0和1；迭代检测3)计算先验信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]> 求得发送信号的均值和方差。对每根天线上每长度为K的数据段内信号的方差求均值V~=diag(v~0···v~N-1),v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次检测时，信号均值和方差分别设为0和1；4)空频软输入软输出检测利用＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s进行空频软输入软输出检测，同时根据ρi=eiH(IN⊗FH)[σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK)]-1ΛHΛ(IN⊗FH)ei]]>计算出ρi；5)计算出软信息根据Le(x^i,k)≈maxd∈Sk,1{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}-maxd∈Sk,0{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}]]>计算出检测器输出的比特似然比；6)进行软输入软输出译码；7)对于硬判决信息，进行循环冗余校验，如果校验正确则停止迭代，得到发送信息比特，否则将译码输出的软信息反馈到检测器，跳转到步骤3)。
3.根据权利要求2所述的种多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法，其特征在于多输入多输出单载波分块传输的空频迭代检测方法的迭代检测中步骤4)，空频软输入软输出检测包括以下几个步骤1)计算[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]它的计算可以沿每个频点进行计算，令rf＝(IMF)r，sf＝(IMF)s，取出每个接收天线上相应的第k个频点上的接收信号构成M×1的向量rkf，取出每个发送天线上信号均值的频域信号构成N×1的向量skf，则第k个频点上检测后的信号为s^kf=[σ2IN+ΔkHΔkV~]-1[ΔkHrkf-ΔkHΔks‾kf]]]>其中Δk=[Λ0,0]k,k[Λ0,1]k,k···[Λ0,N-1]k,k[Λ1,0]k,k[Λ1,1]k,k···[Λ1,N-1]k,k············[ΛM-1,0]k,k[ΛM-1,1]k,k···[ΛM-1,N-1]k,k]]>是M×N的矩阵；2)计算ρi。根据 令ρ为N×1的列向量。进行步骤(1)的过程中，可以同时计算出ρ，方法如下初始化ρ＝0；从k＝0K-1计算ρ‾=ρ‾+diag{[σ2IN+ΔkHV~]-1ΔkHΔk}]]>结束ρ＝ρ/K3)得到每个频点上的检测信号后变换到时域，从而得到。
全文摘要
多输入多输出单载波分块传输系统的空频迭代检测方法是在单载波系统中实现高速可靠数据传输的一种有效的方法。该方法为先将接收信号变换到频域，利用译码器反馈的发送符号的先验信息，在每个频点上进行基于最小均方误差的软输入检测，检测结果变换到时域，进行逐符号的最大后验概率检测，得到发送比特的后验概率，并输入到软输入软输出译码器译码，译码输出的软信息作为发送符号的先验信息进行下一次的迭代。本发明将每个块内的发送符号的方差求平均后，检测器可以在频域实现，使用快速傅立叶变换算法来实现，降低了软输入软输出检测器的复杂度。可以较低的复杂度实现MIMO单载波分块传输系统的Turbo接收，可以逼近MIMO信道容量。
文档编号H04L27/00GK1674484SQ200510038648
公开日2005年9月28日 申请日期2005年4月1日 优先权日2005年4月1日
发明者尤肖虎, 高西奇, 王东明 申请人:东南大学