一种接收信号检测方法及系统与流程

本发明实施例涉及天线接收技术，尤其涉及一种接收信号检测方法及系统。

背景技术：

多天线技术是无线通信系统的关键技术之一，在多天线系统中，由于多个天线同时发送/接收信号，在接收侧需要将信号进行检测。。

常用的检测技术采用最小均方误差算法(minimummeansquareerror，mmse)。mmse算法基于最小均方误差准则，mmse算法关键步骤是需要对噪声协方差矩阵进行求逆。随着接收天线数目的增加，噪声协方差矩阵维数随之上升，而矩阵求逆的算法复杂度迅速增加。

采用矩阵求逆定义求解方法或者分块矩阵求解法复杂度大，对于4阶及其以上阶数矩阵计算量大，不易于工程实现。而cholesky分解法虽然有一定的简化但是需要开方运算，复杂度仍然较大。

技术实现要素：

本发明提供一种接收信号检测方法及系统，以实现多天线系统中快速得出均衡后的接收数据

第一方面，本发明实施例提供了一种接收信号检测方法，包括：

获取多天线系统中接收信号的噪声信号，根据所述噪声信号得到噪声协方差矩阵rn，其中，rn为n*n阶矩阵；

将所述噪声协方差矩阵rn分块得到若干个子矩阵，其中，所述各子矩阵均为(n/2^m)*(n/2^m)阶矩阵，m为大于等于1的整数；

根据所述若干子矩阵计算得出中间值矩阵，通过所述中间值矩阵得出噪声协方差矩阵的逆rn^-1；

根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，根据所述均衡权值和所述接收信号得到均衡后的接收数据

优选的，所述将所述噪声协方差矩阵rn分块得到若干个子矩阵，具体包括：

将所述噪声协方差矩阵rn分块得到四个子矩阵a、b、c、d，使其中，a、b、c、d均为(n/2)*(n/2)阶矩阵。

优选的，所述中间值矩阵为g和f,其中，g＝a-bd^-1b^h，且f＝(g)^-1。

优选的，所述mmse均衡计算中的均衡权值w为：其中，h为信道响应矩阵。

优选的，所述根据所述均衡权值和所述接收信号得到均衡后的接收数据，具体为：得到均衡后的接收数据为：其中，y为所述接收信号，y＝h*x+ni，其中，h为信道响应，x为发射信号，ni为噪声和干扰项，且ni*ni^h＝rn。

第二方面，本发明实施例还提供了一种接收信号检测系统，包括：

协方差矩阵获取模块，用于获取多天线系统中接收信号的噪声信号，根据所述噪声信号得到噪声协方差矩阵rn，其中，rn为n*n阶矩阵，n为多天线系统中接收天线数；

分块模块，用于将所述噪声协方差矩阵rn分块得到若干个子矩阵，其中，所述各子矩阵均为(n/2^m)*(n/2^m)阶矩阵，m为大于等于1的整数；

求逆模块，用于根据所述若干子矩阵计算得出中间值矩阵，通过所述中间值矩阵得出噪声协方差矩阵的逆rn^-1，其中，所述中间值矩阵通过所述子矩阵的共轭转置方式来代换得到的；

均衡模块，用于根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，根据所述均衡权值和所述接收信号得到均衡后的接收数据x～。

优选的，分块模块，具体用于：将所述噪声协方差矩阵rn分块得到四个子矩阵a、b、c、d，使其中，a、b、c、d均为(n/2)*(n/2)阶矩阵。

优选的，所述中间值矩阵为g和f,其中，g＝a-bd^-1b^h，且f＝(g)^-1。

优选的，所述mmse均衡计算中的均衡权值w为：其中，h为信道响应矩阵。

优选的，所述均衡模块，用于得到均衡后的接收数据其中，y为所述接收信号，y＝h*x+ni，其中，h为信道响应，x为发射信号，ni为噪声和干扰项，且ni*ni^h＝rn。

本发明通过对多天线系统中接收信号进行mmse过程中，利用正定hermitian矩阵的特点，采用分块矩阵求逆方法，并计算中间值的方法，对噪声协方差矩阵求逆进行简化运算，将高矩阵分解成低阶矩阵，减少高阶矩阵乘法运算，利用hermitian矩阵特点，减少下三角矩阵求逆的运算量，采用递推的方法，只对低阶矩阵进行直接求逆，根据低阶求逆的结果组合得到矩阵的逆。在无线通信系统中，采用本方法可以节省矩阵求逆处理时间，提高实时性。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种接收信号检测方法的方法流程图；

图2是本发明实施例二中的一种接收信号检测方法的方法流程图；

图3是本发明实施例三中的一种接收信号检测系统的结构示意图；

图4是本发明实施例四中的一种接收信号检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种接收信号检测方法的流程图，本实施例可适用于在多天线系统中，由于多个天线同时发送/接收信号，在接收侧需要将信号进行检测的情况，该方法可以由dsp(digitalsignalprocessing，数字信号处理器)或者fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)等通用芯片来执行，具体包括如下步骤：

s110：获取多天线系统中接收信号的噪声信号，根据噪声信号得到噪声协方差矩阵rn，其中，rn为n*n阶矩阵。

其中，接收信号维数为n*1(n为多天线系统中接收天线数)，噪声协方差矩阵rn为接收信号中根据噪声和干扰项得到的协方差矩阵。

s120：将噪声协方差矩阵rn分块得到若干个子矩阵。

其中，各子矩阵均为(n/2^m)*(n/2^m)阶矩阵，m为大于等于1的整数。

s130：根据若干子矩阵计算得出中间值矩阵，通过中间值矩阵得出噪声协方差矩阵的逆rn^-1，其中，所述中间值矩阵通过所述子矩阵的共轭转置方式来代换得到的。

具体为：计算出有若干子矩阵或若干子矩阵的逆；

根据若干子矩阵或若干子矩阵的逆计算中间值矩阵，其中，中间值矩阵的获取可以利用正定hermitian矩阵的特点，下三角矩阵等于上三角矩阵的共轭转置，因此，在计算中间值矩阵时可将下三角矩阵内子矩阵t与上三角矩阵内子矩阵s通过共轭转置方式来代换，例如t＝s^h，遍可以推导出更简单通用的中间值矩阵；

将中间值矩阵带入噪声协方差矩阵的分块求逆计算公式中，计算得出噪声协方差矩阵的逆。

通过该方法，只需求出分块得到的若干子矩阵的逆即可，不需直接求噪声协方差矩阵的逆，避免的直接多噪声协方差矩阵进行高阶求逆的巨大运算量。

s140：根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，根据均衡权值和接收信号得到均衡后的接收数据。

具体的，将噪声协方差矩阵的逆带入mmse均衡计算公式中，得到均衡权值w，根据均衡权值w与s110中得到的接收信号进行计算，得到均衡后的接收数据作为最终的均衡结果。

本实施例的方案，通过对多天线系统中接收信号进行mmse过程中，利用正定hermitian矩阵的特点，采用分块矩阵求逆方法，并计算中间值的方法，对噪声协方差矩阵求逆进行简化运算，将高矩阵分解成低阶矩阵，减少高阶矩阵乘法运算，利用hermitian矩阵特点，减少下三角矩阵求逆的运算量，采用递推的方法，只对低阶矩阵进行直接求逆，根据低阶求逆的结果组合得到矩阵的逆。在无线通信系统中，采用本方法可以节省矩阵求逆处理时间，提高实时性。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种接收信号检测方法的流程图，本实施例可适用于在多天线系统中，由于多个天线同时发送/接收信号，在接收侧需要将信号进行检测的情况，该方法可以由dsp(digitalsignalprocessing，数字信号处理器)或者fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)等通用芯片来执行，本实施例在上述实施例一的基础上，优选是将s120进一步优化为m＝1，且将s130中的中间值矩阵做了进一步限定。该方法包括一下步骤：

s210：获取多天线系统中接收信号的噪声信号，根据噪声信号得到噪声协方差矩阵rn，其中，rn为n*n阶矩阵。

其中，接收信号维数为n*1(n为多天线系统中接收天线数)，噪声协方差矩阵rn为接收信号中根据噪声和干扰项得到的协方差矩阵。

例如：假设接收信号为y，则有

y＝h*x+ni

其中y为接收信号，维数为n*1(n为接收天线数)，h为信道响应，维数为n*ntx(ntx为发射天线数)，ni为噪声和干扰项，维数为n*1，x为发射信号，维数为ntx*1

s220：将噪声协方差矩阵分块得到四个子矩阵a、b、c、d，使其中，a、b、c、d均为(n/2)*(n/2)阶矩阵。

s230：根据所述若干子矩阵计算得出中间值矩阵，通过中间值矩阵得出噪声协方差矩阵的逆rn^-1，其中，中间值矩阵为g和f，其中，g＝a-bd^-1b^h，且f＝(g)^-1。

其中，rn的逆矩阵为rn^-1，将rn^-1也进行矩阵分块，分成nw、ne、sw、se四个子矩阵其中，nw、ne、sw、se为(n/2)*(n/2)阶矩阵。

根据分块矩阵求逆公式有

由于噪声协方差矩阵为hermitian矩阵，，下三角矩阵等于上三角矩阵的共轭转置，因此，在计算中间值矩阵时可将下三角矩阵内子矩阵t与上三角矩阵内子矩阵s通过共轭转置方式来带代换，有：c＝b^h

再利用矩阵变换等式：

(d-b^ha^-1b)^-1＝d^-1+(bd^-1)^h(a-bd^-1b^h)^-1bd^-1

得到简化后的求逆公式：

为了进一步简化运算，首先计算出中间变量矩阵：

g＝a-bd^-1b^h，f＝(g)^-1

最后得到矩阵求逆的四个子矩阵

nw＝f

ne＝-fbd^-1

sw＝ne^h

se＝d^-1+(bd^-1)^hfbd^-1

上式中，d、g是(n/2)*(n/2)阶矩阵，对于d、g矩阵的求逆，可将矩阵进一步分解成子矩阵进行求逆运算，求逆运算的分解过程可以使用矩阵分块的方法。

s240：根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，根据均衡权值和接收信号得到均衡后的接收数据

具体的，将噪声协方差矩阵的逆带入mmse均衡计算公式中，得到均衡权值w，根据均衡权值w与s110中得到的接收信号进行计算，得到均衡后的接收数据作为最终的均衡结果。

在以上方案的基础上，优选的，s240中，根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，具体为根据rn^-1通过mmse均衡计算中的均衡权值为：其中，h为信道响应矩阵,，h为信道响应，维数为n*ntx(ntx为多天线系统中发射天线数)。

在以上方案的基础上，优选的，s240中，根据均衡权值和接收信号得到均衡后的接收数据具体为：得到均衡后的接收数据为：其中，w为均衡权值，y为接收信号，y＝h*x+ni，h为信道响应，维数为n*ntx；x为发射信号，维数为ntx*1；ni为噪声和干扰项，维数为n*1(n为多天线系统中接收天线数)；ni*ni^h＝rn。

本实施例的技术方案，通过对多天线系统中接收信号进行mmse过程中，利用正定hermitian矩阵的特点，采用各子矩阵均为(n/2)*(n/2)阶矩阵的分块矩阵，并对分块矩阵求逆的方法，并计算中间值矩阵的方法，对噪声协方差矩阵求逆进行简化运算，将高矩阵分解成低阶矩阵，减少高阶矩阵乘法运算，利用hermitian矩阵特点，减少下三角矩阵求逆的运算量，采用递推的方法，只对低阶矩阵进行直接求逆，根据低阶求逆的结果组合得到矩阵的逆。在无线通信系统中，采用本方法可以节省矩阵求逆处理时间，提高实时性。对于高阶矩阵进行递推运算后，可将分解后的(n/2)*(n/2)阶子矩阵继续进行矩阵分解，来减少运算量。

实施例三

图3所示为本发明实施例三提供的一种接收信号检测系统的结构示意图，本实施例可适用于在多天线系统中，由于多个天线同时发送/接收信号，在接收侧需要将信号进行检测的情况，该系统的具体结构如下：

协方差矩阵获取模块310，分块模块320、求逆模块330、均衡模块340。

其中，协方差矩阵获取模块310，用于获取多天线系统中接收信号的噪声信号，根据噪声信号得到噪声协方差矩阵rn，其中，rn为n*n阶矩阵。

其中，接收信号维数为n*1(n为多天线系统中接收天线数)，噪声协方差矩阵rn为接收信号中根据噪声和干扰项得到的协方差矩阵。

分块模块320，用于将噪声协方差矩阵rn分块得到若干个子矩阵。

其中，各子矩阵均为(n/2^m)*(n/2^m)阶矩阵，m为大于等于1的整数。

求逆模块330，用于根据若干子矩阵计算得出中间值矩阵，通过中间值矩阵得出噪声协方差矩阵的逆rn^-1，其中，所述中间值矩阵通过所述子矩阵的共轭转置方式来代换得到的。

具体为：计算出有若干子矩阵或若干子矩阵的逆；

根据若干子矩阵或若干子矩阵的逆计算中间值矩阵，其中，中间值矩阵的获取可以利用正定hermitian矩阵的特点，下三角矩阵等于上三角矩阵的共轭转置，因此，在计算中间值矩阵时可将下三角矩阵内子矩阵t与上三角矩阵内子矩阵s通过共轭转置方式来代换，例如t＝s^h，遍可以推导出更简单通用的中间值矩阵；

将中间值矩阵带入噪声协方差矩阵的分块求逆计算公式中，计算得出噪声协方差矩阵的逆。

通过该方法，只需求出分块得到的若干子矩阵的逆即可，不需直接求噪声协方差矩阵的逆，避免的直接多噪声协方差矩阵进行高阶求逆的巨大运算量。

均衡模块340，用于根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，根据均衡权值和接收信号得到均衡后的接收数据。

具体的，将噪声协方差矩阵的逆带入mmse均衡计算公式中，得到均衡权值w，根据均衡权值w与s110中得到的接收信号进行计算，得到均衡后的接收数据作为最终的均衡结果。

本实施例的方案，通过对多天线系统中接收信号进行mmse过程中，利用正定hermitian矩阵的特点，采用分块矩阵求逆方法，并计算中间值的方法，对噪声协方差矩阵求逆进行简化运算，将高矩阵分解成低阶矩阵，减少高阶矩阵乘法运算，利用hermitian矩阵特点，减少下三角矩阵求逆的运算量，采用递推的方法，只对低阶矩阵进行直接求逆，根据低阶求逆的结果组合得到矩阵的逆。在无线通信系统中，采用本方法可以节省矩阵求逆处理时间，提高实时性。

实施例四

图4为本发明实施例四提供的一种接收信号检测系统的结构示意图，本实施例可适用于在多天线系统中，由于多个天线同时发送/接收信号，在接收侧需要将信号进行检测的情况，该方法可以由dsp(digitalsignalprocessing，数字信号处理器)或者fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)等通用芯片来执行。本实施例在上述实施例三的基础上，优选是将分块模块进一步优化为m＝1，且将s130中的中间值矩阵做了进一步限定。该系统包括：协方差矩阵获取模块410，分块模块420、求逆模块430、均衡模块440。

其中，协方差矩阵获取模块410，用于获取多天线系统中接收信号的噪声信号，根据噪声信号得到噪声协方差矩阵rn，其中，rn为n*n阶矩阵。

其中，接收信号维数为n*1(n为多天线系统中接收天线数)，噪声协方差矩阵rn为接收信号中根据噪声和干扰项得到的协方差矩阵。

分块模块420，用于将噪声协方差矩阵rn分块得到四个子矩阵a、b、c、d，使其中，a、b、c、d均为(n/2)*(n/2)阶矩阵。

求逆模块430，用于根据所述若干子矩阵计算得出中间值矩阵，通过中间值矩阵得出噪声协方差矩阵的逆rn^-1，其中，中间值矩阵为g和f，其中，g＝a-bd^-1b^h，且f＝(g)^-1。

其中，rn的逆矩阵为rn^-1，将rn^-1也进行矩阵分块，分成nw、ne、sw、se四个子矩阵其中，nw、ne、sw、se为(n/2)*(n/2)阶矩阵。

根据分块矩阵求逆公式有

由于噪声协方差矩阵为hermitian矩阵，，下三角矩阵等于上三角矩阵的共轭转置，因此，在计算中间值矩阵时可将下三角矩阵内子矩阵t与上三角矩阵内子矩阵s通过共轭转置方式来带代换，有：c＝b^h

再利用矩阵变换等式：

(d-b^ha^-1b)^-1＝d^-1+(bd^-1)^h(a-bd^-1b^h)^-1bd^-1

得到简化后的求逆公式：

为了进一步简化运算，首先计算出中间变量矩阵：

g＝a-bd^-1b^h，f＝(g)^-1

最后得到矩阵求逆的四个子矩阵

nw＝f

ne＝-fbd^-1

sw＝ne^h

se＝d^-1+(bd^-1)^hfbd^-1

上式中，d、g是(n/2)*(n/2)阶矩阵，对于d、g矩阵的求逆，可将矩阵进一步分解成子矩阵进行求逆运算，求逆运算的分解过程可以使用矩阵分块的方法。

均衡模块440，用于根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，根据均衡权值和接收信号得到均衡后的接收数据

具体的，将噪声协方差矩阵的逆带入mmse均衡计算公式中，得到均衡权值w，根据均衡权值w与协方差矩阵获取模块410中得到的接收信号进行计算，得到均衡后的接收数据作为最终的均衡结果。

本实施例的技术方案，通过对多天线系统中接收信号进行mmse过程中，利用正定hermitian矩阵的特点，采用各子矩阵均为(n/2)*(n/2)阶矩阵的分块矩阵，并对分块矩阵求逆的方法，并计算中间值矩阵的方法，对噪声协方差矩阵求逆进行简化运算，将高矩阵分解成低阶矩阵，减少高阶矩阵乘法运算，利用hermitian矩阵特点，减少下三角矩阵求逆的运算量，采用递推的方法，只对低阶矩阵进行直接求逆，根据低阶求逆的结果组合得到矩阵的逆。在无线通信系统中，采用本方法可以节省矩阵求逆处理时间，提高实时性。对于高阶矩阵进行递推运算后，可将分解后的(n/2)*(n/2)阶子矩阵继续进行矩阵分解，来减少运算量。

在以上方案的基础上，优选的，均衡模块440执行过程中，根据rn^-1通过mmse均衡计算得出均衡权值，具体为根据rn^-1通过mmse均衡计算中的均衡权值为：其中，h为信道响应矩阵,，h为信道响应，维数为n*ntx(ntx为多天线系统中发射天线数)。

在以上方案的基础上，优选的，均衡模块440执行过程中，根据均衡权值和接收信号得到均衡后的接收数据具体为：得到均衡后的接收数据为：其中，w为均衡权值，y为接收信号，y＝h*x+ni，h为信道响应，维数为n*ntx；x为发射信号，维数为ntx*1；ni为噪声和干扰项，维数为n*1(n为多天线系统中接收天线数)；ni*ni^h＝rn。

综上所述，本发明通过对多天线系统中接收信号进行mmse过程中，利用正定hermitian矩阵的特点，对矩阵求逆进行简化运算，减少运算量，适合dsp(digitalsignalprocessing，数字信号处理器)或者fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)等通用芯片的软件优化。相对于其他算法，本发明从以下几个方面提高了算法效率：(1)将高矩阵分解成低阶矩阵，减少高阶矩阵乘法运算。(2)利用hermitian矩阵特点，减少下三角矩阵求逆的运算量。(3)采用递推的方法，只对低阶矩阵进行直接求逆，根据低阶求逆的结果组合得到矩阵的逆。在无线通信系统中，采用本方法可以节省矩阵求逆处理时间，提高实时性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。