专利名称：一种用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法
技术领域：
本发明涉及一种多输入多输出无线通讯系统分层解调中的信号估计方法，特别涉及的是多输入多输出无线通讯系统V-BLAST(Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time，垂直-贝尔实验室分层空时)分层解调算法中的信号估计方法。
背景技术：
多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，它通过在不同天线上同时发射相互独立的信号，即空间复用技术，充分利用空间信道的弥散特性，既可在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。
多输入多输出技术由来已久，在70年代就有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统的多入多出技术产生巨大推动的奠基工作是90年代由AT&T Bell实验室学者完成的。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多输入多输出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多输入多输出的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多输入多输出的研究工作得到了迅速发展。
分层解调算法，特别是V-BLAST算法在多输入多输出信号处理算法中占有重要地位。V-BLAST算法中接收机从混合接收信号中按一定次序依次分离一个独立信道的信号，然后从混合接收信号中将这个独立信道的理想信号删除，实现分层解调。
这部分内容可见诸于“Layered Space-time Architecture for Wireless Communication inFading Environment When Using Multiple Antennas”，Foschini G.J，Bell Labs TechnicalJournal，1996，Autumn，pp 41-59，或者“V-BLASTan architecture for realizing very high data ratesover the rich-scattering wireless channel”，WOLNIANSKY P W，FOSCHINI G.J，GOLDEN G D，etal.Proc IEEE ISSSE′98[C].Pisa，Italy，1998.295-300。对V-BLAST算法性能的分析已有多篇论文公布，例如“Performance Analysis of the V-BLAST AlgorithmAn Analytical Approach”，SergeyLoyka，Francois Gagnon，IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS，VOL.3，NO.4，JULY 2004 。
下面以V-BLAST算法为例对分层解调算法进行较为详细的介绍设多输入多输出系统发射方的天线数为M，接收方的天线数为N；发射方到接收方的信道传输矩阵为H，维数等于N×M，并且满足2≤M≤N，其元素hij是从发射天线j到接收天线i的传输因子；接收机接收到的混合信号为r。
则V-BLAST算法可用下面几个步骤表述初始化H1＝H (1)For m＝1∶M(2)计算Gm=Hm+=(HmHHm)-1HmH]]>(3)进行排序操作km=argminj≠{k1,k2,···,k(j-1)}||(Gm)j||2]]>(4)选取wkmT=(Gm)km]]>(5)单通道信号分离ykm=wkmT·r]]>(6)对分离信号量化得到估计信号d^=Q(ykm)]]>(7)从接收信号中消去估计信号r=r-[Hm]km·d^]]>(8)Hm+1＝删除第km列的Hm(9)Next m(10)其中，(Gm)j表示矩阵Gm的第j个行矢量，‖(Gm)j‖2表示其模平方；[Hm]km表示矩阵Hm的第km列；在上述经典文献中，第(7)步骤d^=Q(ykm)]]>称作“重构当前层信号ykm的估计信号 ”或者“量化(限幅)操作，以得到适于应用的星座”。
以上所述分层解调算法特别是V-BLAST算法的原理、步骤已经公开，而且为从事相关领域工作的学者所熟知，但对于分层解调算法的重要步骤之一——特别是V-BLAST算法的第(7)步骤d^=Q(ykm)]]>采用何种具体方法实现，目前还未找到公开的具体实现方法。
发明内容
本发明的目的在于公开一种用于多输入多输出无线通讯系统分层解调算法——特别是V-BLAST算法中由当前层信号ykm得到估计信号 的方法，即d^=Q(ykm)]]>中操作符“Q(·)”的一种实现方法，该方法实现简单，具有较高的性能，且适用于当前层信号ykm中存在频率偏移的情况，因此非常适合实际工程应用。
为达到以上发明目的，本发明具体是这样实现的一种用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，包括如下步骤步骤1、初始化确定幅度因子；根据当前层信号第一个符号确定估计信号的第一个符号；将相位误差统计量复位；步骤2、对当前符号进行解调；步骤3、由解调结果对当前估计信号符号进行再调制，获得新的估计信号符号；步骤4、计算新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差；步骤5、将相位误差低通滤波，更新相位误差统计量；步骤6、从新的估计信号符号中消除经过低通滤波更新的相位误差统计量；步骤7、判断是否当前层信号的符号处理完毕，如果处理完毕则方法结束；否则到步骤2。
所述步骤1的初始化通过当前层信号，信道传输矢量以及权值矢量和理想信号的关系，获得估计信号的幅度信息，即为幅度因子；幅度因子用来确定估计信号的幅度大小；相位误差统计量复位，通常令其取值为0。
所述步骤1中，根据当前层信号第一个符号确定估计信号的第一个符号，具体可以这样实现将幅度因子与当前层第一个符号的乘积除以当前层第一个符号的模，即得到估计信号的第一个符号。
所述步骤2中，依据系统采用的调制方式，使用已有的估计信号符号和(或)当前层信号符号对当前符号进行解调。
所述步骤3中，根据解调结果对当前估计信号符号进行再调制，获得新的估计信号符号，同时在获得新的估值信号符号时需要控制符号的幅度，使其幅度始终等于幅度因子。
所述步骤4中，获得新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差，具体是这样实现的ErrCrt=angle{d^k·yk′/|yk|},]]>其中angle{}表示求一个复数的复角， 表示新的估计信号符号，yk表示相应的当前层信号符号。
所述步骤5中，低通滤波具体可以这样实现Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，
其中，Err为相位误差统计量，ErrCrt为新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差，ρ的取值范围为(0，1)。
所述步骤6中，从新的估计信号符号中消除相位误差统计量，具体是这样实现的d^k=d^k·e-jErr,]]> 为新的估计信号符号，其幅度等于幅度因子，Err为相位误差统计量。
本发明所提供的一种用于分层解调算法——特别是V-BLAST算法中由当前层信号得到估计信号的方法，由于采用了幅度控制、相位误差低通消除的方法，因此得到的估计信号可直接用于分层解调算法，同时具有计算简单，估计准确，允许当前层信号中含有频率偏移的明显优点。
本发明所公开的一种用于分层解调算法——特别是V-BLAST算法中由当前层信号得到估计信号的方法，具有以下优点第一，由于采用了幅度控制、相位误差低通消除的方法，因此得到的估计信号可直接用于分层解调算法。
第二，由于采用了幅度控制、相位误差低通消除的方法，因此使用本发明方法允许当前层信号中含有频率偏移。
总之，采用本发明提供的方法实现分层解调算法中的信号估计，具有计算简单，估计准确的显著优点。
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施例方式
以下结合附图，将对本发明的较佳实施例进行较为详细的说明。
本发明所述方法包括第一步，初始化确定幅度因子；根据当前层信号第一个符号确定估计信号的第一个符号；将相位误差统计量复位；第二步，由已有的估计信号符号(和当前层信号符号)对当前符号进行解调；第三步，由解调结果对当前估计信号符号进行再调制，获得新的估计信号符号；第四步，计算新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差；第五步，将相位误差低通滤波，更新相位误差统计量；第六步，从新的估计信号符号中消除经过低通滤波更新的相位误差统计量；第七步，判断当前层信号的符号是否处理完毕，如果处理完毕则方法结束；否则到第二步。
在本发明所述方法中，设当前层信号为y，且y＝{y1，y2，....，yn}，其中y每一元素的下标表示符号的时间顺序；设估计信号为 且d^={d^1,d^2,...,d^n},]]>其中 每一元素的下标表示符号的时间顺序；设多输入多输出系统的信道传输矩阵为H，对于M×N多输入多输出系统(具有M个发射天线，N个接收天线)，H的维数等于N×M，可以表示为H＝[h1，h2，...，hM]，其中hk，k＝1，2，...，M表示H的第k个列矢量，即多输入多输出系统发射机第k个发射天线到接收机N个接收天线的信道传输矢量。
所述第一步的初始化工作，首先确定幅度因子A，幅度因子A用来确定估计信号为 的幅度大小。
设多输入多输出接收机获得的当前层信号y＝{y1，y2，...，yn}是发射机第k(k∈{1，2，...，M})发射天线发射的理想信号s＝{s1，s2，...，sn}经信道传输矢量hk(k∈{1，2，...，M})，被接收机N个接收天线接收，并通过权值矢量wT合并后的接收信号矢量，即y＝wT·(hk·s)，这个关系很容易为从事相关领域的人员所理解。
本发明方法要获得理想信号s的估计信号 即期望估计信号 尽量逼近理想信号s，则 需要在幅度、相位上均逼近理想信号s，而对于接收机而言当前层接收信号y、权值wT、信道传输矢量hk均为已知量，因此可以通过已知的关系式y＝wT·(hk·s)＝(wT·hk)·s获得理想信号s的幅度信息，s的幅度信息等于y的幅度除以(wT·hk)，这个幅度信息即等于幅度因子A。
在本发明方法的操作过程中，只要保证估计信号 的幅度大小始终等于幅度因子A，即保证了估计信号 的幅度等于理想信号s的幅度，这是“估计信号 尽量逼近理想信号s”的必要条件之一。
所述第一步，根据当前层信号第一个符号y1确定估计信号的第一个符号 确定的方法可以是，但不限于d^1=A·y1/|y1|.]]>所述第一步将误差统计量Err复位，通常令Err＝0。
所述第二步中由已有的估计信号符号(和当前层信号符号)对当前符号进行解调。根据不同的调制方式，解调所需的输入信号有所差异，部分调制方式仅使用已有的估计信号符号即可对当前符号进行解调，例如QPSK调制方式；还有一些调制方式需同时使用已有的估计信号符号和当前层信号符号对当前符号进行解调，例如DQPSK调制方式，类似的还有Pi/4DQPSK调制方式等。。
所述第三步中由解调结果对当前估计信号符号 进行调制，获得新的估计信号符号 同时在获得新的估值信号符号时需要控制符号 的幅度，使其幅度始终等于幅度因子A。
通过第二步和第三步，接收机可以获得理想发送符号sk的一个近似值 估计值 的幅度等于理想发送符号sk，但在估计值 在还存在相位噪声，需通过第四步、第五步和第六步减小相位噪声的影响。
所述第四步中获得新的估计信号符号 与相应的当前层信号符号yk之间的相位误差，其方法可以是，但不限于ErrCrt=angle{d^k·yk′/|yk|},]]>其中angle{}表示求一个复数的复角。
所述第五步中将相位误差低通滤波，更新相位误差统计量。低通滤波的方法有很多种，可以是，但不限于Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，其中ρ为低通滤波器系数，可能的取值范围为(0，1)，典型取值为0.8。
所述第六步中从新的估计信号符号 中消除相位误差统计量Err，方法为d^k=d^k·e-jErr,]]>此时估计值 的幅度等于幅度因子A，且相位经过低通滤波向理想符号sk逼近。
所述第七步中判断是否当前层信号的符号处理完毕，如果处理完毕则方法结束；否则到所述第二步。
本发明的较佳实施例采用π/4DQPSK调制方式，设当前层信号为y，且y＝{y1，y2，...，yn}，其中y每一元素的下标表示符号的时间顺序；估计信号为 且d^={d^1,d^2,...,d^n},]]>其中 每一元素的下标表示符号的时间顺序。
在上述第一步中，确定幅度因子A等于1；并根据当前层信号第一个符号y1确定估计信号的第一个符号 确定的方法为d^1=A·y1/|y1|;]]>同时将相位误差统计量Err复位，即Err＝0。
在上述第二步中，由已有的估计信号符号和当前层信号符号对当前符号进行差分解调，计算z=yk·d^k-1′.]]>在上述第三步中，依据π/4DQPSK调制方式，由解调结果对当前估计信号符号 进行调制，获得新的估计信号符号 同时在获得新的估值信号符号时控制符号 的幅度，使其始终等于幅度因子1，具体方法为d^k=d^k-1·ejδ,]]>其中z的复角分别位于1、2、3、4象限时，ejδ分别等于ejπ/4、ej3π/4、e-j3π/4、e-jπ/4。
在上述第四步中，获得新的估计信号符号 与相应的当前层信号符号yk之间的误差，其方法为ErrCrt=angle{d^k·yk′/|yk|}.]]>在上述第五步中，将相位误差低通滤波，更新误差统计量。低通滤波的方法为Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，其中ρ取值为0.8。
在上述第六步中，从新的估计信号符号 中消除相位误差统计量Err，方法为d^k=d^k·e-jErr.]]>在上述第七步中，判断是否当前层信号的符号处理完毕，如果处理完毕则方法结束；否则到所述第二步中。
本发明的较佳实施例中，以上所述的处理过程可以用下面统一表示d^1=A·y1/|y1|]]>Err＝0for k＝2∶nz=yk·d^k-1′]]>d^k=d^k-1·ejδ]]>ErrCrt=angle{d^k·yk′/|yk|}]]>Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrtd^k=d^k·e-jErr]]>end依据π/4DQPSK调制方式，z的复角分别位于1、2、3、4象限时，ejδ分别等于ejπ/4、ej3π/4、e-j3π/4、e-jπ/4；ρ取0.8。
应当理解的是，本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，而不能以说明书的上述描述做为限制，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改亦应归于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1、初始化确定幅度因子；根据当前层信号第一个符号确定估计信号的第一个符号；将相位误差统计量复位；步骤2、对当前符号进行解调；步骤3、由解调结果对当前估计信号符号进行再调制，获得新的估计信号符号；步骤4、计算新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差；步骤5、将相位误差低通滤波，更新相位误差统计量；步骤6、从新的估计信号符号中消除经过低通滤波更新的相位误差统计量；步骤7、判断当前层信号的符号是否处理完毕，如果处理完毕则方法结束；否则转到步骤2。
2.如权利要求1所述用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于所述步骤1的初始化通过当前层信号，信道传输矢量以及权值矢量和理想信号的关系，获得估计信号的幅度信息，即为幅度因子；幅度因子用来确定估计信号的幅度大小；相位误差统计量复位。
3.如权利要求2所述用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于所述步骤1中，根据当前层信号第一个符号确定估计信号的第一个符号，具体可以这样实现将幅度因子与当前层第一个符号的乘积除以当前层第一个符号的模，即得到估计信号的第一个符号。
4.如权利要求1所述用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于所述步骤2中，依据系统采用的调制方式，使用已有的估计信号符号和(或)当前层信号符号对当前符号进行解调。
5.如权利要求1所述用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于所述步骤3中，根据解调结果对当前估计信号符号进行再调制，获得新的估计信号符号，同时在获得新的估值信号符号时需要控制符号的幅度，使其幅度始终等于幅度因子。
6.如权利要求1所述用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于所述步骤4中，获得新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差，具体是这样实现的ErrCrt=angle{d^k·yk′/|yk|},]]>其中angle{}表示求一个复数的复角， 表示新的估计信号符号，yk表示相应的当前层信号符号。
7.如权利要求l所述用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于所述步骤5中，低通滤波具体可以这样实现Err＝ρ·Err+(1-ρ)·ErrCrt，其中，Err为相位误差统计量，ErrCrt为新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差，ρ的取值范围为(0，1)。
8.如权利要求1所述用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，其特征在于所述步骤6中，从新的估计信号符号中消除相位误差统计量，具体是这样实现的d^k=d^k·e-jErr,]]> 为新的估计信号符号，其幅度等于幅度因子，Err为相位误差统计量。
全文摘要
本发明公开了一种用于多输入多输出系统分层解调中的信号估计方法，包括1.确定幅度因子；根据当前层信号第一个符号确定估计信号的第一个符号；将相位误差统计量复位；2.对当前符号进行解调；3.对当前估计信号符号进行再调制，获得新的估计信号符号；4.计算新的估计信号符号与相应的当前层信号符号之间的相位误差；5.将相位误差低通滤波，更新相位误差统计量；6.从新的估计信号符号中消除经过低通滤波更新的相位误差统计量；7.判断当前层信号的符号是否处理完毕，如果处理完毕则方法结束，否则到步骤2。采用本发明得到的估计信号可直接用于分层解调算法，同时具有计算简单，估计准确，允许当前层信号中含有频率偏移的明显优点。
文档编号H04L27/26GK101087278SQ20061008311
公开日2007年12月12日 申请日期2006年6月5日 优先权日2006年6月5日
发明者王剑, 王文杰, 辛胜利 申请人:中兴通讯股份有限公司