专利名称:多天线通信系统中的符号检测方法
技术领域：
本发明涉及一种多天线通信系统中的符号检测方法，特别适合于多天线传输和接收(MIMO)通信技术领域：
，尤其是V-BLAST系统。根据本发明，提高了被检测符号的分集增益和检测性能，而复杂性得到降低。
背景技术：
最近以来，多天线技术引起越来越多的重视，因为信息论的理论研究结果已表明多天线技术能显著地提高通信系统的容量，性能以及频谱利用率。而由P.W.Wolniansky等人提出的V-LABST(垂直贝尔实验室分层空时复用，Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time)系统，由于具有很高的频谱利用率而保持了较低的实现复杂度，因而引起了广泛的研究。
V-LABST系统的Golden算法是基于优化的排序和顺序的干扰删除，其每一个传输天线上的数据流被逐一地检测出来。在检测过程中，后检测的数据是基于对已经检测出的数据的干扰删除。如果不考虑先前检测出的数据的检测误差，则后检测的数据的分集增益比先前已经检测出的数据有所提高。因此，最先检测出的数据仅具有一阶的分集增益，而最后检测出的数据却有最高阶的分集增益。然而，另一方面来说，如果在检测过程中，某一数据被错误的检测，则这个误差会影响到以后所有的数据检测，即引起误差传播。因此，Golden算法的优化排序检测就是先检测出错概率最小(具有最大的信号噪声能量比)的数据，从而使得误差传播最小化。
由于Golden算法需要多次求矩阵的伪逆运算，复杂性较高，B.Hassibi提出了所谓的平方根算法。应用平方根算法，其数值稳定性及复杂性都比原始的Golden算法有所改进，但其复杂性还是较高。为了更进一步降低算法的复杂性，陶小峰等人(陶小峰，俞追专，秦海燕，张平，V-BLAST的次优译码，电子学报，Vol.31，No.5，2003年5月，703～706)提出了次优算法。次优算法的核心思想是利用求矩阵伪逆运算的Greville算法的递归性质，降低了求矩阵伪逆运算的次数，从而降低算法的复杂性。在三个次优算法中，最好的算法是次优算法2。然而次优算法2仍然需要两次求矩阵伪逆运算及一次排序操作，并且，其性能比原始的Golden算法差。
次优算法2的第一次求矩阵伪逆运算是为了排序，用以在检测过程减少检测误差的传播。然而，利用其它更为简单有效的方法，可以更加有效地减少检测误差的传播而保持算法的简单性。
在现有技术中，假定在发射端有M个发射天线，同时有M个数据流被发送。则V-BLAST系统的Golden算法需要M次矩阵伪逆运算。通常，矩阵的伪逆运算是通过矩阵的奇异值分解(SVD)来计算的，而矩阵的奇异值分解在实现上是非常复杂的。次优算法2仍然需要两次求矩阵伪逆运算及一次排序操作，并且其性能有所下降，比Golden算法的性能差。
在本发明中，为了降低V-BLAST系统检测的误差传播，首先考虑被检测数据的分集增益，而不是信噪比。我们知道分集增益能大大提高通信系统的性能，并且在算法设计中通常是首先考虑的因素。通过提高被检测数据的分集增益，本发明的性能得到提高，而算法复杂性得到降低。
发明内容为了克服现有技术中的上述缺陷，提出了本发明。本发明的目的是提出一种多天线通信系统中的符号检测方法，特别适合于多天线传输和接收(MIMO)通信技术领域：
，尤其是V-BLAST系统。根据本发明，提高了被检测数据的分集增益和检测性能，而复杂性得到降低。
根据本发明，提出了一种多天线通信系统中的符号检测方法，所述方法包括对发射天线到接收天线的信道矩阵进行排序；利用排序后的信道矩阵来构造包括多个子矩阵的子矩阵序列，并且获取针对各个发射天线的迫零向量；以及根据所获得的针对各个发射天线的迫零向量对各个发射天线的发射符号进行检测。
优选地，所述对发射天线到接收天线的信道矩阵进行排序的步骤包括根据所述信道矩阵的列向量的最大范数的大小进行从小到大的排列，从而得到排序后的信道矩阵。
优选地，所述利用排序后的信道矩阵来构造包括多个子矩阵的子矩阵序列的步骤包括由所述排序后的信道矩阵的第一列来构造子矩阵序列中的第一个子矩阵；由所述排序后的信道矩阵的第一列和第二列来构造子矩阵序列中的第二个子矩阵；由所述排序后的信道矩阵的第一列、第二列和第三列来构造子矩阵序列中的第三个子矩阵；以及依此类推，直到子矩阵序列中的最后一个子矩阵为止，所述最后一个子矩阵等于所述排序后的信道矩阵。
优选地，所述获取针对各个发射天线的迫零向量的步骤包括获取所述第一个、第二个直到最后一个子矩阵的伪逆矩阵并根据所述伪逆矩阵来获得针对各个发射天线的迫零向量，其中所有迫零向量是各子矩阵的伪逆矩阵的最后一列。
优选地，所有子矩阵序列中的各子矩阵的伪逆矩阵是根据Greville递归算法一次性得到的。
优选地，所述对各个发射天线的发射符号进行检测的步骤包括符号检测和顺序的干扰删除步骤，其中采用针对第一个发射天线的第一迫零向量乘以接收信号，并通过星座判决来获得针对第一个发射天线的第一个发射符号；然后在所有的接收信号中删除第一个发射符号的干扰，采用针对第二个发射天线的第二迫零向量乘以干扰删除后的接收信号，并通过星座判决来获得针对第二个发射天线的第二个发射符号，依次类推，直到获得了针对所有发射天线的发射符号为止。
优选地，所述对各个发射天线的发射符号进行检测的步骤在通过符号检测和顺序的干扰删除步骤检测出所有的发射符号之后，还包括回馈迭代检测步骤。其中对于针对一个特定发射天线的一个发射符号，在所有的接收信号中删除其余所有发射天线的发射符号的干扰，以检测所述针对一个特定发射天线的待检测发射符号。
优选地，所述检测所述针对一个特定发射天线的待检测的发射符号的步骤包括利用最大比合并方法来检测所述针对一个特定发射天线的待检测的发射符号。
优选地，所述多天线通信系统为多天线传输V-BLAST系统。
本发明所提出的检测算法比Golden算法在算法复杂性上有显著的降低，而保持了相当的检测性能。更进一步，本发明所提出的检测算法比次优算法2简单，而同时性能更好。简单的算法复杂度和优异的检测性能表明本发明所提出的检测算法是V-BLAST系统的有效检测方法。
通过参考以下结合附图对所采用的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的、优点和特征将变得显而易见，其中图1是示出了根据本发明的多天线通信系统中的符号检测方法的流程图；图2是示出了本发明的算法、Golden算法及次优算法2的性能比较的曲线图(采用BPSK调制，4发射天线，4接收天线)；图3是示出了本发明的算法、Golden算法及次优算法2的性能比较的曲线图(采用QPSK调制，4发射天线，4接收天线)；以及图4是示出了本发明的算法、Golden算法及次优算法2的性能比较的曲线图(采用16QAM调制，4发射天线，4接收天线)。
具体实施方式下面将参考附图来描述本发明的优选实施例。
图1是示出了根据本发明的多天线通信系统中的符号检测方法的流程图。
如图1所示，在步骤101，对发射天线到接收天线的信道矩阵进行排序。
通常，V-BLAST系统的离散模型表示为
r＝Ha+n(2.1)其中a＝(a1，a2，…，aM)是发射的数据符号，r＝(r1，r2，…，rN)是接收到的符号，n＝(n1，n2，…，nN)是复高斯噪声，H＝(hij)N×M是信道矩阵。hij，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…，M是复信道矩阵的元素，即发射天线j到接收天线i的信道系数。
为了叙述的方便，引入以下的符号Hj表示信道矩阵H的第j列。
H+表示信道矩阵H的Moore-Penrose伪逆。
wiT表示第i个发射天线的迫零(zero-forcing)向量。
(·)H表示矩阵的共轭转置。
(·)+表示矩阵的Moore-Penrose伪逆。
Q(·)把检测符号判决到星座图上的调制符号。
排序是本发明所提出的检测方法的第一步。对于信道矩阵H的每一列Hj，j＝1，...，M，定义其最大值为|Hj|=maxi∈{1,2,···,N}|(Hj)i|,j=1,2,···,M---(2.2)]]>然后根据|Hj|值的大小进行升序排列，则得到排列的指标集S≡{k1，k2，…，kM}，即|Hk1|≤|Hk2|≤···≤|HkM|]]>。当然，根据本发明的排序方法并不局限于此。
然后，再次回到图1，在步骤103，利用排序后的信道矩阵来构造包括多个子矩阵的子矩阵序列，并且获取针对各个发射天线的迫零向量。
为了应用求矩阵伪逆运算的Greville算法，构造如下的子矩阵序列H1′=[Hk1]]]>H2′=[Hk1,Hk2]]]>HM′=[Hk1,Hk2,···HkM]---(2.3)]]>然后，应用Greville算法得到矩阵序列H′1，H′2，...，H′M的伪逆矩阵，进而得到各个发射天线的迫零向量。迫零向量wiT，i＝1，…，M是H′1，H′2，…，H′M的伪逆矩阵的最后一列。由于Greville算法的递归性质，所有H′1，H′2，…，H′M的伪逆矩阵可以一次求得，减少了求伪逆矩阵的次数，从而降低算法的复杂度。
再次回到图1，在步骤105，根据所获得的针对各个发射天线的迫零向量对各个发射天线的发射符号进行检测。
首先，执行数据检测和顺序的干扰删除。用第一个迫零向量乘以接收信号，并进行星座图判决，就得到第一个发射符号。然后在所有接收信号中删除第一个发射符号的干扰，并用第二个迫零向量乘以干扰删除后的接收信号，进行星座图判决就得到第二个发射符号，如此直到所有的发射符号都被检测出。
在此之后，在步骤107，采用回馈迭代过程。由于所有的M个数据已经被检测出，所以对于某一个特定的待检测的数据来说，其余M-1个数据可以当作干扰而从接收到的信号中删除掉，这样，由于仍然有M个接收符号，而只有一个未知的待检测数据，就能够获得M阶的接收分集增益，其性能得到提高。重复此过程，直到检测出所有M个数据符号。这里所用的检测方法是最大比合并。这里，值得需要注意的是，步骤107是可选的。
另外，需要注意的是，本发明并不局限于多天线传输V-BLAST系统，还可以用于采用类似检测方法的其他多天线通信系统。
为了更加清楚地叙述本发明提出的检测算法，其检测过程的数学表达式可以表示如下。
1排序。
1a计算|Hj|=maxi∈{1,2,···,N}|(Hj)i|,j=1,2,···,M]]>1b根据|Hj|值的大小进行排序，得到升序排序的指标集合S≡{k1，k2，…，kM}1c构造子矩阵序列
H1′=[Hk1]]]>H2′=[Hk1,Hk2]]]>HM′=[Hk1,Hk2,···HkM]]]>2利用Greville递归算法，求子矩阵序列的伪逆矩阵及各个迫零向量B1=(H1′)+]]>w1T=B1]]>B2=(H2′)+]]>w2T=(B2)2]]>BM=(HM′)+]]>wMT=(BM)M]]>3符号检测yM=wMTr]]>a^kM=Q(yM)]]>rM-1=r-a^kM(HM′)M]]>yM-1=wM-1TrM-1]]>a^kM-1=Q(yM-1)]]>rM-2=r-a^kM-1(HM′)M-1]]>y1=w1Tr1]]>a^k1=Q(y1)]]>4回馈迭代干扰删除及最大比合并检测
rM=r-Σi=1,i≠MMa^ki(HM′)i]]>yM＝((H′M)M)HrM/‖(H′M)M‖2a^kM=Q(yM)]]>rM-1=r-Σi=1,i≠M-1Ma^ki(HM′)i]]>yM-1＝((H′M)M-1)HrM-1/(H′M)M-1‖2a^kM-1=Q(yM-1)]]>r1=r-Σi=1,i≠1Ma^ki(HM′)i]]>y1＝((H′M)1)Hr1/‖(H′M)1‖2a^k1=Q(y1)]]>由于本发明提出的算法只有一次求矩阵的伪逆矩阵过程，而干扰删除的复杂性又小于求矩阵的伪逆矩阵过程，因此本发明提出的算法的复杂性小于次优算法2。另一方面，由于具有迭代干扰删除，本发明提出的算法获得了最大的分集增益，其性能优于次优算法2。更进一步，由于求矩阵的伪逆矩阵过程以及排序过程的次数都减少了，本发明提出的算法的复杂性远远小于原始的Golden算法，但是其性能却和Golden算法相当，因为高阶的分集增益通过迭代干扰删除过程而得到。
图2、图3和图4分别示出了在采用BPSK调制，4发射天线，4接收天线的情况1、采用QPSK调制，4发射天线，4接收天线的情况2、以及采用16QAM调制，4发射天线，4接收天线的情况3下的本发明的算法、Golden算法及次优算法2的性能比较的曲线图。
通过图2、图3和图4性能仿真表明，对于BPSK的调制，本发明提出的算法的性能优于Golden算法。对于高阶的调制(QPSK，16QAM，...)，在低信噪比时，本发明提出的算法的性能优于Golden算法；在高信噪比时，本发明提出的算法的性能略逊于Golden算法。
总的说来，Golden算法，次优算法2和本发明提出的算法的性能和复杂性具有如下关系复杂性Golden算法＞次优算法2＞本发明提出的算法性能Golden算法≈本发明提出的算法＞次优算法2本发明所提出的检测算法比Golden算法在算法复杂性上有显著的降低，而保持了相当的检测性能。更进一步，本发明所提出的检测算法比次优算法2简单，而同时性能更好。简单的算法复杂度和优异的检测性能表明本发明所提出的检测算法是V-BLAST系统的有效检测方法。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求
及其等价物来限定。
权利要求
1.一种多天线通信系统中的符号检测方法，所述方法包括对发射天线到接收天线的信道矩阵进行排序；利用排序后的信道矩阵来构造包括多个子矩阵的子矩阵序列，并且获取针对各个发射天线的迫零向量；以及根据所获得的针对各个发射天线的迫零向量对各个发射天线的发射符号进行检测。
2.根据权利要求
1所述的符号检测方法，其特征在于所述对发射天线到接收天线的信道矩阵进行排序的步骤包括根据所述信道矩阵的列向量的最大范数的大小进行从小到大的排列，从而得到排序后的信道矩阵。
3.根据权利要求
2所述的符号检测方法，其特征在于所述利用排序后的信道矩阵来构造包括多个子矩阵的子矩阵序列的步骤包括由所述排序后的信道矩阵的第一列来构造子矩阵序列中的第一个子矩阵；由所述排序后的信道矩阵的第一列和第二列来构造子矩阵序列中的第二个子矩阵；由所述排序后的信道矩阵的第一列、第二列和第三列来构造子矩阵序列中的第三个子矩阵；以及依此类推，直到子矩阵序列中的最后一个子矩阵为止，所述最后一个子矩阵等于所述排序后的信道矩阵。
4.根据权利要求
3所述的符号检测方法，其特征在于所述获取针对各个发射天线的迫零向量的步骤包括获取所述第一个、第二个直到最后一个子矩阵的伪逆矩阵并根据所述伪逆矩阵来获得针对各个发射天线的迫零向量，其中所有迫零向量是各子矩阵的伪逆矩阵的最后一列。
5.根据权利要求
4所述的符号检测方法，其特征在于所有子矩阵序列中的各子矩阵的伪逆矩阵是根据Greville递归算法一次性得到的。
6.根据权利要求
1所述的符号检测方法，其特征在于所述对各个发射天线的发射符号进行检测的步骤包括符号检测和顺序的干扰删除步骤，其中采用针对第一个发射天线的第一迫零向量乘以接收信号，并通过星座判决来获得针对第一个发射天线的第一个发射符号；然后在所有的接收信号中删除第一个发射符号的干扰，采用针对第二个发射天线的第二迫零向量乘以干扰删除后的接收信号，并通过星座判决来获得针对第二个发射天线的第二个发射符号，依次类推，直到获得了针对所有发射天线的发射符号为止。
7.根据权利要求
6所述的符号检测方法，其特征在于所述对各个发射天线的发射符号进行检测的步骤在通过符号检测和顺序的干扰删除步骤检测出所有的发射符号之后，还包括回馈迭代检测步骤。其中对于针对一个特定发射天线的一个发射符号，在所有的接收信号中删除其余所有发射天线的发射符号的干扰，以检测所述针对一个特定发射天线的待检测发射符号。
8.根据权利要求
7所述的符号检测方法，其特征在于所述检测所述针对一个特定发射天线的待检测的发射符号的步骤包括利用最大比合并方法来检测所述针对一个特定发射天线的待检测的发射符号。
9.根据权利要求
1所述的符号检测方法，其特征在于所述多天线通信系统为多天线传输V-BLAST系统。
专利摘要
根据本发明，提出了一种多天线通信系统中的符号检测方法，所述方法包括对发射天线到接收天线的信道矩阵进行排序；利用排序后的信道矩阵来构造包括多个子矩阵的子矩阵序列，并且获取针对各个发射天线的迫零向量；以及根据所获得的针对各个发射天线的迫零向量对各个发射天线的发射符号进行检测。
文档编号H04B7/04GK1996818SQ200510135923
公开日2007年7月11日 申请日期2005年12月31日
发明者王家城, 王海 申请人:北京三星通信技术研究有限公司, 三星电子株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan