专利名称：应用改进型Lenstra-Lenstra-Lovasz(LLL)算法的格基规约辅助检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，并且具体地，但并不排它地，涉及多输入 多输出(MIMO)通信系统领域。
背景絲
传统通信系统可以在数学上表示为 y = Hx+v
其中，对于MIMO通信系统，y是表示所接收信号的nx 1向量，H 是模拟通信信道的传输特征的n x m信道矩阵，x是表示发射符号的m x 1 向量，v是nxl噪声向量，并且其中m和n分别表示发射和接收天线的 数量。
本领域技术人员应当理解，对于CDMA系统中的多用户检测，可以 使用相同的表示法。
最近的出版物已经论证了称为格基规约(Lattice Reduction)的技术 的使用如何可以改进MIMO检测方法的性能。
例如 ， "Lattice-Reduction-Aided Detectors for MIMO Communication Systems", ( H.Yao and G.W. Wornell， Proc. IEEE Globecom， Nov 2002, pp. 4M-428 )描述了一种用于增强多输入多输出 (MIMO)数字通信系统性能的格基规约(LR)技术。
jHl夕卜， "Low-Complexity Near-Maximun-Likehood Detection and Precoding for MIMO Systems using Lattice Reduction" ，( C.Windpassinger and R.Fischer， in Proc. IEEE Information Theory Workshop, Paris, March, 2003， pp. 346-348)研究了由Yao和Worndl提出的格基规约辅助 检测方案。通过使用公知的LLL算法扩展了该方案，其中LLL算法能够把本申请应用到具有任意维数的MIMO系统。
"Lattice-Reduction-Aided Receivers for MIMO-OFDM in Spatial Multiplexing Systems" , (I. Berenguer， J. Adeane， I. Wassell and X. Wang， in Proc. Int. Symp. on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, Sept. 2004, pp. 1517-1521，以下称为"Berenguer等")描述了使用正交频 分复用(OFDM )来显著降低具有多径传输的无线系统中的接收机复杂度， 并且指出建议其使用在无线宽带多天线(MIMO)系统中。
最后，"MMSE-based Lattice-Reduction for Near陽ML Detection of MIMO Systems", ( D. Wubben, R. Bohnke， V. Kuhn and K. Kammeyer, in Proc. ITG Workshop on Smart Antennas, 2004"，以下称为"Wubben等，，) 对MMSE规范采用了上述格基规约辅助方案。
在上述出版物中使用的技术使用了这样的构思在数学上，描述在发 射天线和接收天线之间的传播环境的信道矩阵H的列可以看作是对格 (Lattice)的基进行描述。因此可以计算这种格的等同描述(称为"规约 基(reduced basis)，，)，从而使得基向量接近于正交。如果接收机于是 使用该规约基来均衡信道，则可以将噪声增强保持为最低，并且相对于非 格基辅助的线性检测器或预编码器将改进检测性能(例如，在Wubben等 的图5中所示)。
该过程包括下述步骤
把L， x,.和Hy分别定义为y， x和H的实值表示，因此
Re(x)"lh 一「Re(h) -Im(h)-Im(x)」， 「Llm(h) Re(h)
其中Re()和Im()表示它们自变量的实部和虛部。
应注意，Berenguer等在复数层面上描述了等同的方法，尽管为了简 明的目的，在这里使用了该方法的实轴表示。然而，读者应理解，可以使 用任何算法、实数或复数来执行格基规约。为此，现有技术中存在多种格 基规约算法。这些格基规约算法中的任何一个都可以用于计算转换矩阵T， 从而使得规约基&由下式给出
Re(y) Im(y)fir =HrT。
矩阵T仅包含整数项，并且其行列式是+/-1。
一种合适的格基规约算法是上述Lenstra-Lenstra-Lovasz( LLL )算法，
其公开在Wubben等中，并且还公开在"Factoring Polynomials with
Rational Coefficients ，， ，(A. Lenstra， H. Lenstra and L. Lovasz, Math Ann.,
Vol.261, pp. 515-534， 1982，以下称为"Lenstra等，，)，以及"An Algori他mic
Theory of Numbers, Graphs and Convexity" , (L. Lovasz, Philadelpia,
SIAM，1980,以下称为"Lovasz")中。
格基规约把通信系统的数学描述重新表示为 yr = Hrxr + vr
=HrTT'xr + vr =firT'xr+vr =firzr + vr
其中，zr=T\。在这个重新定义的系统中的所接收信号yr于是被均
衡以获得Zf的估计。该均衡过程于是采用例如线性迫零(ZF)技术，其获 得
<formula>formula see original document page 7</formula>由于t接近于正交，因此与如果接收机直接对信道K^进行均衡相比，
2r应当经受更少的噪声增强。
假设包含在x中的所发射符号是从M-QAM星座中获得的，于是xr 可以由纟皮形成为<formula>formula see original document page 7</formula>
其中s从整数集合(受限于星座的维数)中获得的，并且a和P是标 量值。如图1所示，ct定义了两个相邻星座点之间的最小距离并且P是当 s = 0时离开原点的偏移。
于是，被均衡的信号^可以被其转换量化为整数点。这使用了移位和 按比例缩放运算，如下
<formula>formula see original document page 7</formula> 其中^ }是把其自变量的每个元素舍入为最接近整数的量化函数，并 且其中l是由l构成的列向量。除了该量化函数以外，其余运算是作为整
数格的按比例缩放和转换形式的M-QAM星座的结果。因此，整数量化需 要同样简单的按比例缩放和转换运算。
为了获得软信息，即对数似然率(LLR)，可以如下所述使用英国专 利申请0518036.0中所述的技术。
这种方法将上述规约基中的发射格点的量化估计^作为输入。
在第一步，把向量^作为候选向量列表中的第一项。于是，通过修改 向量^的一个或多个元素并将它们作为新的候选向量添加到所述列表而获 得其它候选向量。
尽管这些附加候选向量中的任意一个可以与l有一个以上元素不同， 但这个方法通过仅允许改变^的一个元素来生成候选。在该列表中第i个 候选向量被定义为c"),并且因此c("二^。
一种生成候选列表的简单有效的方式(但不是唯一方式)是依次根据 +/-a对i,的每一元素进行扰动(其中a是2个星座点之间的最小距离)。 例如，如果^是2xl向量，则将存在4个附加候选向量，给出如下总共5 个候选
<formula>formula see original document page 8</formula>
扰动^元素的结果是生成规约格基中的其它点。由于a是任意两个相 邻点之间的距离，+/-a的扰动给出在格基中的最接近点。
一种替代实现方式可以包括通过将^的元素扰动a的倍数(即，不仅 仅是最接近点，而是最近的几个点)，并且/或者同时通过对^的多个元素 进行扰动而不是一次仅仅一个元素，来增加候选列表。
正如硬输出检测器那样，有时候，向量i/')的某些元素可能不是有效 符号。在这种情况下，这些符号被映射到最近的有效符号。例如，对于
16-QAM,如果值+/-1, +/-3定义有效项，则如果元素等于+5，则该元素将 被映射到值+3。
对于每个候选符号向量V')，其被发射的概率可以计算为
<formula>formula see original document page 9</formula>这些概率于是用于计算符号x'已经从天线k被发射的概率，其中 x'el并且Z定义了所选星座中的符号集合。
<formula>formula see original document page 9</formula>其中k-l，…，附，并且.
依照上述定义，根据候选列表，可以并不对k和x'的所有值指定P。 在这些情况下，P被设定为默认(较小)值。该默认可以是固定值，或可 以依照例如在"Adaptive Selection of Surviving Symbol Replica Candidates Based on Maximum Reliability in Q固-MLD for OFCDM MIMO Multiplexing" (K. Higuchi， H. Kawai, N. Maeda and M, Sawahashi， in Proc. IEEE Globecom， Dallas, Dec. 2004)中所示的方法改变，或者可以通过 任意其它合适的方法而改变。
既然接收机具有不同符号已经被发射的概率信息，就以常规方式处理 该信息以获得例如关于每个所发射比特的对数似然率。可以如下地进行
(i)
Z币,)
其中
丄(U是比特Zv,的对数似然率，
k表示发射天线，
i-l， ...， M，其中M是每个符号的比特数，并且
X (1)和X ( 0 )是分别地&，/=l和&乂=0的符号集合。
当例如在MIMO解码或预编码中使用格基规约时，不仅需要格基规约
矩阵r,还需要其逆矩阵r"。由于LLL算法并不提供r"，因此必须在
后面计算厂1。这涉及一旦找到格基规约矩阵r就显式矩阵求逆。
实际上，上述mimo解码器并不需要矩阵厂1，而是仅需要乘积厂11。
因此，期望提供一种调用改进型lll算法的解码器，其可以提供这两个变
量中的任意一个(或者两个)。
发明内容
本发明的第 一方面提供一种在无线通信系统中对所接收信号进行解码 的方法，该方法包括获得在所述系统中的信道响应的估计，对所述信道响 应应用格基规约，并且依照规约基信道对所述所接收信号应用均衡，所迷
应用格基规约步骤依照lll算法并且包括在依照所述lll算法的格基规 约步骤的每一运算中，通过从所述格基规约步骤的初始条件或者先前运算 中的推导，来确定格基规约逆矩阵。
确定格基规约逆矩阵的步骤包括把计算矩阵初始化为标识矩阵并且与 所述格基规约步骤的处理相对应地处理所述计算矩阵从而对表示所述格基 规约的矩阵进行镜像处理的步骤，以便产生其逆矩阵。
与所述格基规约步骤的处理相对应地处理所述计算矩阵的步骤包括 与lll算法中的列线性组合相对应的行线性组合，和/或与lll算法中交 换列相对应地交换行。
在依照lll算法的所述格基规约步骤的每一运算中，所述方法可以包 括通过从所述格基规约步骤的初始条件或者先前运算中的推导，来确定 格基规约逆矩阵的逐行总和。
依照本发明的第二方面，提供一种在无线通信系统中对所接收信号进 行解码的方法，该方法包括获得在所述系统中的信道响应的估计，对所述 信道响应应用格基规约并依照规约基信道对所述所接收信号应用均衡，所 述应用格基规约的步骤依照lll算法并且包括在依照lll算法的格基规 约的每一运算中，通过从所述格基规约步骤的初始条件或者先前运算中的 推导来确定格基规约逆矩阵的逐行总和。
所述方法可以包括确定格基规约逆矩阵的逐行总和包括对计算向量 进行初始化并与格基规约步骤的处理相对应地处理所述计算向量的步骤， 被处理的计算向量由此产生所述逐行总和。
所述与格基规约步骤的处理相对应地处理计算向量的步骤可以包括 与LLL算法中的列线性组合相对应的所述向量的元素的线性组合，和/或 与LLL算法中交换列相对应地交换所述计算向量的元素。
还提供了一种在格基规约辅助接收机中从所接收信号确定所发射比特 值的软估计的方法，该方法包括依照本发明的任何在前方面对信号进行解 码并且确定所发射比特具有特定值的概率。
本发明还可以通过计算机实现的装置来提供，例如配置通用通信计算 机设备的软件，或者更多专用程序设备(例如ASIC、 FPGA或DSP)。 为此，本发明可以被具体化为软件产品，其可以被提供在计算机可读存储 介质上，例如光或磁介质或闪速存储介质，或者通过计算机可接收信号提 供，例如下载的文件或者文件的收集。本发明特定实施例的下述说明中的 部件不应被解释为限定本发明的范围，因为所述实施例仅仅是通过参考相 应附图而作为例子被提供的。
图l示出了示意扰动的范围和特性的标准星座； 图2示出与上述现有技术例子相比的本发明特定实施例的实现方式的 性能图3示意性地示出了包括发射机和接收机的MIMO系统；
图4更详细示出了图3中的接收机；以及
图5示出了通过图4所示的检测器可操作的检测方法。
M实施方式
现将参照用于无线通信系统的均衡的本发明实现方式，来描述本发明。 图3示出这样的系统，其包括具有通常已知结构的MIMO数据通信系统 10。通过下述说明，依照本发明特定实施例的新部件将很清楚。
通信系统10包括发射机设备12和接收机设备14。应理解，在许多情 况下，无线通信设备将配备有组合的发射机和接收机的设施，但是对于该 例子，为了简明，该设备被显示为单路通信设备。
发射机设备12包括数据源16，其向信道编码器18提供数据(包括信 息比特或符号)。信道编码器18之后随有信道交织器20,并且，在所示 的例子中之后随有空时编码器22。空时编码器22把到来的一个或多个符 号编码为多个编码符号，以用于从包括多个发射天线25的发射天线阵列 24同时发送。在该示意性例子中，提供了 3个发射天线25,尽管实际实现 方式可以根据应用而包括更多或更少天线。
所编码的发射信号通过在发射天线矩阵24和接收机设备14的相应接 收天线阵列26之间定义的MIMO信道28来传播。接收天线阵列26包括 多个接收天线27，接收天线27向接收机设备14的格基规约辅助解码器30 提供多个输入。在该特定实施例中，接收天线阵列26包括3个接收天线 27。
格基规约辅助解码器30具有移除MIMO信道28的影响的任务。格基 规约辅助解码器30的输出包括多个信号流， 一个信号流用于一个发射天线 25，每一信号流承栽关于所发射比特具有特定值的概率的所谓软或似然数 据。该数据^皮提供到信道解交织器32，信道解交织器32翻转信道交织器 20的影响，并且由信道解交织器32输出的解交织比特于是^L递交给信道 解码器34，在该例子中是对巻积码进行解码的Viterbi解码器。信道解码 器34的输出被提供给数据接收器36，用于以任意预期方式来进一步处理 该数据。
将在适当的时候描述格基规约辅助解码器30的特定功能。 图4示意性地示出了 ，(通过软件或专用硬件组件)可操作地配置为 接收机设备14的硬件。接收机设备14包括处理器110，其能够执行存储 在工作存储器112的和/或能从大容量存储器116中取得的机器编码指令。 通过通用总线114，用户可操作输入i殳备118能够与处理器110通信。在 该例子中，用户可操作输入设备118包括键盘和鼠标，然而应理解，还可
以提供或替换为其他输入设备，例如其它类型的指示设备、写字板、语音 识别装置，或者可以解释用户输入动作并转换为数据信号的其他装置。
音频/视频输出硬件设备120被进一 步连接到通用总线114 ，用于把信 息输出给用户。音频/视频输出硬件设备120可以包括可视显示单元、扬声 器或能够向用户呈现信息的任何其他设备。
连接到通用总线114的通信硬件设备122，被连接到天线26。在图4 所示的实施例中，工作存储器112存储用户应用130,当处理器110执行 用户应用130时引起用户接口的建立，该用户端口j吏得能够传送到达和来 自用户的数据。该实施例中的应用建立用户可以习惯使用的由通用或特定 计算机实现的效用。
依照特定实施例的通信设施132也被存储在工作存储器112中，以建 立通信协议，该通信协议使得在执行应用130中的一个中所产生的数据能 够将被处理，并且于是被传递到通信硬件设备122以进行传输并与另一通 信设备通信。应理解，为了方便，可以将定义应用130和通信设施132的 软件部分地存储在工作存储器122中和大容量存储器116中。可选地，可 以设置存储管理器，以使其能够被有效地管理，从而考虑对存储在工作存 储器122和大容量存储器116中数据的可能的不同接入速率。
通过处理器110执行与通信设施132对应的处理器可执行指令，处理 器110可以依照所认可的通信协议与另一设备建立通信。
现将依照图5更详细地描述格基规约辅助解码器30的功能。在步骤 S1-2,使用改进型LLL算法把输入信道矩阵转换为规约基。
为了便于参考并且论证在格基规约辅助解码器30的运算与现有技术 例子之间的差异，下面以步骤的形式展示在Wubben等中描述的LLL算 法。该算法运算对附x"信道矩阵的g/ 分解，i/=Q/ ，
因此
输入:Q， R， P (默认P二Iw)
输出。，&， T
(1)初始化0 = Q,^ = R，T = P<formula>formula see original document page 14</formula>(la)初始化K-尸"和s-Fl，即，~=2]
(8a) r(/，:) = //F(、:) + K(/，:)， & =戸卢,
(12a)交换F中的行A: —l和A以及s中的元素A: —1和A
这些步骤分别在步骤(1) 、 (8)、和(12)之后。应当注意，如果 尸被选择为标识矩阵或者对改进型LLL算法的先前调用的输出(在这种情 况下已经计算了逆矩阵)，则P"微不足道。依照本发明特定实施例的算 法现在将产生格基规约逆矩阵K =厂1和其逐行总和s =厂4 ，而不需要显 式矩阵求逆。应当注意，从K和s可以被单独地计算的意义来说，它们是 独立的。因此，如果仅仅发现它们中的一个，并不必须计算另一个。
于是，对于这样确定的规约基，在步骤Sl-4中确定规约格基中的候选 向量集合。为了描述特定实施例，使用在介绍中描述的依次对^的每一元 素进行扰动的产生候选集合的方法。
一旦获得规约格基中的候选向量集合，则在步骤Sl-6，如同上面在本 发明技术领域的介绍中所提出的导出对数似然率,,)。
图2的图线示出了与为信道解码器提供硬信息的现有技术解码方法相 比的本方法的试验性能数据。图2iHi了通过提供格基规约检测方案来为 信道解码器输出软信息可以获得的优点。
应理解，本发明特定实施例的上述公开可以应用于采用MIMO传输技 术的任何通信产品，以利用本发明的优点。此外，本发明可以应用到需要 以多输入为基础的符号检测的任何环境中。这可以出现于在分立位置提供 多个天线的系统中。此外，CDMA MUD可以是使用本发明的方法的合适 的基础。
已经通过软件实现方式描述了本发明。该软件实现方式可以作为独立 的软件产品提出，例如承载在例如光盘的存储介质上，或者通过信号承栽。 此外，该实现方式可以通过更新或插入现有软件来实现。
尽管可以这样提供本发明，还可以非排它地通过硬件来提供本发明， 例如在ASIC上。
读者应理解，上述仅仅是本发明的实现方式的一个例子，并且通过以 不同实施例使用本发明可以产生其它方面、特征、改变和优点。保护范围 意图由所附的权利要求来提供，权利要求将由说明书参考附图来解释，但 不限定于此。
权利要求
1.一种在无线通信系统中所接收信号进行解码的方法，所述方法包括获得所述系统中的信道响应的估计，对所述信道响应应用格基规约，并依照所述规约基信道来均衡所述所接收信号，所述应用格基规约的步骤依照LLL算法并且包括在依照所述LLL算法的所述格基规约步骤的每一运算中，通过从所述格基规约步骤的初始条件或者先前运算中的推导，来确定格基规约逆矩阵。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述确定格基规约逆矩阵 的步骤包括把计算矩阵初始化为标识矩阵并且与所述格基规约步 骤的处理相对应地处理所述计算矩阵从而对表示所述格基规约的 矩阵执行镜像处理的步骤，以便产生其逆矩阵。
3. 如权利要求2所述的方法，其中与所述格基规约步骤的处 理相对应地处理所述计算矩阵的步骤包括与在所述LLL算法的 列线性组合相对应的行线性组合，和/或与在所述LLL算法中交换 列相对应地交换行。
4. 如权利要求1-3中任意一项所述的方法，并且包括在依 照所述LLL算法的所述格基规约步骤的每一运算中，通过从所述 格基规约步骤的初始条件或者先前运算中的推导，来确定格基规 约逆矩阵的逐行总和。
5. —种在无线通信系统中对所接收信号进行解码的方法，所 述方法包括获得在所述系统中的信道响应的估计，对所述信道响 应应用格基规约，并且依照规约基信道来均衡所述所接收信号， 所述应用格基规约的步骤依照LLL算法并且包括在依照所述LLL算法的所述格基规约步骤的每一运算中，通 过从所述格基规约步骤的初始条件或者先前运算中的推导，来确 定格基规约逆矩阵的逐行总和。
6. 如权利要求书4或5所述的方法，其中确定格基规约逆矩 阵的逐行总和包括对计算向量进行初始化并且与所述格基规约步 骤的处理相对应地处理所述计算向量的步骤，所述被处理的向量 由此产生所述逐行总和。
7. 如权利要求6所述的方法，其中与所述格基规约步骤的处 理相对应地处理所述计算向量的步骤包括与在所述LLL算法中 的列线性组合相对应的所述向量的元素的线性组合，并且/或者与 在所述LLL算法中交换列相对应地交换所述计算向量的元素。
8. —种在格基规约辅助接收机中从所接收信号确定所发射 比特值的软估计的方法，所述方法包括依照任一在前权利要求对 所述信号进行解码并确定所发射比特具有特定值的概率。
9. 一种在用于无线通信系统中的接收机处对所接收信号进 行解码的信号处理装置，包括信道响应估计装置，其用于获得在所述系统中的信道响应的 估计；格基规约装置，其用于对所述信道响应应用格基规约；以及 均衡装置，其依照规约基信道对所述所接收信号应用均衡， 其中所述格基规约装置依照LLL算法操作并且包括逆矩阵确 定装置，所述逆矩阵确定装置用于在依照所述LLL算法的所述格 基规约步骤的每一运算中，通过从所述格基规约装置的初始条件 或者先前运算中的推导，来确定格基规约逆矩阵。
10. 如权利要求9所述的装置，其中所述逆矩阵确定装置包括 矩阵初始化装置，其用于对计算矩阵进行初始化，并且其中所述 逆矩阵确定装置能够与所述格基规约装置相对应地处理所述计算 矩阵从而对表示所述格基规约的矩阵进行镜像处理，以便产生其 逆矩阵。
11. 如权利要求10所述的装置，其中所述逆矩阵确定装置能 够通过与所述LLL算法中的列线性组合相对应的行线性组合，和 /或与所述LLL算法中交换列相对应地交换行，来处理所述计算矩 阵。
12. 如权利要求9到11中任意一项所述的装置，并且包括 在依照所述LLL算法的所述格基规约装置的每一运算中的逐行总 和确定装置，其用于通过从所述格基规约步骤的初始条件或者先 前运算中的推导来确定格基规约逆矩阵的逐行总和。
13. —种能够在无线通信系统中对所接收信号进行解码的信 号处理装置，包括信道响应估计装置，其用于获得在所述系统中的信道响应的 估计；格基规约装置，其用于对所述信道响应应用格基规约，以及 均衡装置，其依照规约基信道对所述所接收信号应用均衡， 所述格基规约装置依照LLL算法操作并且包括逐行总和确定 装置，所述逐行总和确定装置用于在依照所述L L L算法的所述格 基规约步骤的每一运算中，通过从所述格基规约装置的初始条件 或者先前运算中的推导来确定格基规约逆矩阵的逐行总和。
14. 如权利要求12或13所述的装置，其中所述逐行总和确定装置包括计算向量初始化装置和向量处理装置，所述向量处理装 置用于与所述格基规约装置的处理相对应地处理所述计算向量，所述被处理的计算向量由此产生所述逐行总和。
15. 如权利要求14所述的装置，其中所述计算向量处理装置 能够通过与所述LLL算法中的列线性组合相对应的所述向量的元 素的线性组合，和/或与所述LLL算法中交换列相对应地交换所述 计算向量的元素的行，来处理所述计算矩阵。
16. —种在格基规约辅助接收机中从所接收信号确定所发射 比特值的软估计的装置，所述装置包括用于依照权利要求9到15 中任意一项对所述信号进行解码的装置，以及用于确定所发射比 特具有特定值的概率的装置。
全文摘要
在无线通信系统中，可以在执行LLL算法以确定格基规约的同时获得格基规约矩阵的逆。这可以通过在LLL算法中插入被应用于所述逆矩阵的运算计算的相应步骤来实现。相似地，如果在后续的处理中需要所述逆矩阵的逐行总和，可以计算所述逆矩阵的逐行总和。
文档编号H04L25/02GK101356785SQ20078000078
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年7月14日
发明者M·S·T·桑德尔 申请人:株式会社东芝