專利名稱：多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)的聯(lián)合檢測和譯碼的方法，屬于移動通信中的迭代檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為適應(yīng)未來發(fā)展，后三代移動通信系統(tǒng)必須能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)速率為數(shù)十兆比特每秒甚至數(shù)百兆比特每秒、支持高的終端移動性、支持高的傳輸質(zhì)量、提供高的頻譜利用率和功率效率、并能夠有效地支持在用戶數(shù)據(jù)速率、用戶容量、服務(wù)質(zhì)量和移動速度等方面大動態(tài)范圍的變化。多天線環(huán)境下多輸入多輸出系統(tǒng)(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)是提高數(shù)據(jù)速率的主要解決方案。在未來移動通信系統(tǒng)中，將面臨移動的頻率選擇性的MIMO信道，如何逼近MIMO信道容量是系統(tǒng)設(shè)計考慮的至關(guān)重要的問題。聯(lián)合譯碼和檢測的Turbo接收機被認(rèn)為是逼近MIMO信道容量的重要途徑。在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中實現(xiàn)頻率選擇性MIMO信道中的Turbo接收機是非常困難的。這主要是因為，傳統(tǒng)單載波系統(tǒng)的軟輸入軟輸出檢測均考慮在時域?qū)崿F(xiàn)，如MAP(Maximum a posterioriprobabilty)檢測器和基于最小均方誤差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)的線性軟輸入軟輸出檢測器。MAP軟輸入軟輸出檢測器的復(fù)雜度隨著天線個數(shù)的增加、多徑時延的增大、調(diào)制階數(shù)的增高指數(shù)增長。而傳統(tǒng)的基于MMSE的線性檢測器在時域?qū)崿F(xiàn)時，會隨著多徑時延的增大復(fù)雜度大大增加?；谘h(huán)前綴的單載波分塊傳輸是對抗MIMO多徑信道的有效方法，因此我們將Turbo接收機應(yīng)用這樣的系統(tǒng)，并且發(fā)現(xiàn)軟輸入軟輸出檢測可以在頻域進行，可以采用FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)快速實現(xiàn)，這樣復(fù)雜度可以大大降低。從而，在可實現(xiàn)的條件下達到逼近頻率選擇性的MIMO信道容量。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種能逼近頻率選擇性MIMO信道容量的低復(fù)雜度的多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法先將接收信號變換到頻域，利用譯碼器反饋的發(fā)送符號的先驗信息，在每個頻點上進行基于最小均方誤差的軟輸入檢測，檢測結(jié)果變換到時域，進行逐符號的最大后驗概率檢測，得到發(fā)送比特的后驗概率，并輸入到軟輸入軟輸出譯碼器譯碼，譯碼輸出的軟信息作為發(fā)送符號的先驗信息進行下一次的迭代。
該檢測方法包括以下幾個步驟初始化1)空頻合并利用導(dǎo)頻序列輔助估計出信道參數(shù)以及噪聲方差，計算出多輸入多輸出信道的頻域響應(yīng)矩陣Λ和ΛHΛ并存儲起來；對各個天線上的接收信號變換到頻域，并進行頻域內(nèi)的合并，從而完成＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s的中ΛH(IMF)r的計算；2)初始化先驗信息將先驗的信號均值和方差分別設(shè)為0和1；迭代檢測3)計算先驗信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]> 求得發(fā)送信號的均值和方差。對每根天線上每長度為K的數(shù)據(jù)段內(nèi)信號的方差求均值V~=diag(v~0···v~N-1),]]>v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次檢測時，信號均值和方差分別設(shè)為0和14)空頻軟輸入軟輸出檢測利用＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s進行空頻軟輸入軟輸出檢測，同時根據(jù)ρi=eiH(IN⊗FH)[σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK)]-1ΛHΛ(IN⊗FH)ei]]>計算出ρi；
5)計算出軟信息根據(jù)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]}]]>計算出檢測器輸出的比特似然比；6)進行軟輸入軟輸出譯碼；7)對于硬判決信息，進行循環(huán)冗余校驗，如果校驗正確則停止迭代，得到發(fā)送信息比特，否則將譯碼輸出的軟信息反饋到檢測器，跳轉(zhuǎn)到步驟3)。
上述迭代檢測中步驟4)，空頻軟輸入軟輸出檢測包括以下幾個步驟1)計算[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]它的計算可以沿每個頻點進行計算，令rf＝(IMF)r，sf＝(IMF)s，取出每個接收天線上相應(yīng)的第k個頻點上的接收信號構(gòu)成M×1的向量rkf，取出每個發(fā)送天線上信號均值的頻域信號構(gòu)成N×l的向量skf，則第k個頻點上檢測后的信號為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的矩陣；2)計算ρi。根據(jù) 令ρ為N×1的列向量。進行步驟(1)的過程中，可以同時計算出ρ，方法如下初始化ρ＝0；從k＝0:K-1計算ρ‾=ρ‾+diag{[σ2IN+ΔkHΔkV~]-1ΔkHΔk}]]>結(jié)ρ＝ρ/K
3)得到每個頻點上的檢測信號后變換到時域，從而得到。
其中，N和M分別表示發(fā)送和接收天線的個數(shù)，K表示數(shù)據(jù)塊的長度，表示檢測器的輸出信號，s表示均值信號，表示求平均后的方差信號，ρi表示檢測器的系數(shù)，σ2表示噪聲方差，Λ表示頻域信道響應(yīng)，F(xiàn)表示歸一化的快速傅立葉變換矩陣，IN表示單位矩陣，表示Kroneker乘法，ek表示第k個元素為1其它元素為0的向量。i表示第k個檢測輸出信號， 表示第i個符號的第k個比特的輸出似然比，max(·)表示求最大值函數(shù)，P[·]表示概率，d表示一個調(diào)制符號所對應(yīng)的二進制比特，α(d)表示二進制比特d對應(yīng)的調(diào)制符號，Sk，1表示第k個比特為1的符號所對應(yīng)得集合，Sk，0表示第k個比特為0的符號所對應(yīng)得集合，vi表示第i個符號的方差， 表示比特向量d對應(yīng)的雙極性信號，L表示發(fā)送符號對應(yīng)得先驗信息， 和L[k]表示 和L除去當(dāng)前第k個元素得到的向量。rkf表示第k個頻點上的頻域接收信號，skf表示均值信號在第k個頻點上的信號，[Λm，n]k，k表示發(fā)送天線n到接收天線m第k個頻點上的信道響應(yīng)，Δk表示第k個頻點上收發(fā)天線之間的信道響應(yīng)。
有益效果本發(fā)明的主要優(yōu)點在于將每個塊內(nèi)的發(fā)送符號的方差求平均后，檢測器可以在頻域?qū)崿F(xiàn)，可以使用快速傅立葉變換算法來實現(xiàn)，從而降低了軟輸入軟輸出檢測器的復(fù)雜度。采用本發(fā)明的方法，可以較低的復(fù)雜度實現(xiàn)MIMO單載波分塊傳輸系統(tǒng)的Turbo接收，從而可以逼近MIMO信道容量。
本發(fā)明提出的Turbo檢測算法能用于基于循環(huán)前綴的單載波分塊傳輸系統(tǒng)，它也適用于包括正交頻分復(fù)用系統(tǒng)在內(nèi)的其它塊傳輸系統(tǒng)，如預(yù)編碼的正交頻分復(fù)用和預(yù)編碼的單載波分塊傳輸系統(tǒng)；提出的算法采用各種軟的編碼的系統(tǒng)，例如卷積碼、Turbo碼、LDPC(Low Density Parity Check Codes)碼。


圖1給出了本發(fā)明接收機初始化的結(jié)構(gòu)示意圖。它包括串/并轉(zhuǎn)換器、循環(huán)前綴消除器、FFT變換器、空頻合并器。
圖2本發(fā)明空頻Turbo接收機裝置框圖。它包括FFT和反FFT變換裝置、空頻軟輸入軟輸出檢測裝置、比特似然比計算裝置、符號均值和方差計算裝置、交織和解交織裝置、軟輸入軟輸出譯碼裝置具體實施方式
下面結(jié)合圖1和圖2對本發(fā)明的各個組成部分做進一步的詳細(xì)說明。
假設(shè)系統(tǒng)有N根發(fā)送天線M根接收天線。信息比特經(jīng)過糾錯編碼(Turbo碼或者LDPC碼)和比特交織調(diào)制后進行串并轉(zhuǎn)換，在每個數(shù)據(jù)塊前面插入循環(huán)前綴，最后經(jīng)各個發(fā)送天線獨立發(fā)送。這里數(shù)據(jù)塊長度K是2的冪次，另外假設(shè)循環(huán)前綴的長度大于信道歸一化最大多徑時延。去除循環(huán)前綴后，接收信號分別可以表示為r＝Hs+n [公式1]其中 rm(m＝0…M-1)表示第m根接收天線上的接收信號，sn(n＝0…N-1)表示第n根發(fā)送天線上的發(fā)送信號，Hm，n表示第m根接收天線和第n根發(fā)送天線之間的信道，它是一個K×K的循環(huán)矩陣。nm(m＝0…M-1)表示第m根接收天線上的噪聲信號。
在有先驗信息的情況下[公式1]的軟輸入軟輸出檢測可以寫為＝(σ2IKN+HHHV)-1(HHr-HHHs)+diag(ρ)s[公式2]ρi=eiH(σ2IKN+HHHV)-1HHHei]]>[公式3]其中s表示發(fā)送信號的均值，V＝cov(s，s)＝diag(v0…vKN-1)是發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣是一個對角陣(其中，diag(x)表示由向量x生成的對角陣)。初次檢測時，無先驗信息，假設(shè)s＝0，且V=σs2IKN]]>(采用歸一化星座點，σs2=1).]]>進入迭代檢測后，先驗信息可以通過譯碼器反饋的似然比來計算。
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映射得到的符號，符號概率可以通過下面的公式求得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]本次檢測輸出的軟信息可以通過下式來計算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比特為1和0對應(yīng)的比特向量集合， 由d根據(jù)(6)式確定，L是當(dāng)前第i個符號對應(yīng)的先驗信息構(gòu)成的向量， 和L[k]表示 和L除去當(dāng)前第k個元素得到的向量。
對于MIMO加循環(huán)前綴的單載波分塊傳輸系統(tǒng)，如果我們假設(shè)每個數(shù)據(jù)塊內(nèi)重構(gòu)后的信號是均值不同，方差相同的隨機信號，即V＝IK[公式8]其中V~=diag(v~0···v~N-1),]]>v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>基于這個假設(shè)，下面我們將看到，檢測器的運算量可以大大降低。由于Hji是循環(huán)矩陣，則它的特征值分解為Hji＝FHΛjiF設(shè)hji是Hji的第一列向量，它也是信道的時域響應(yīng)，則Λji的對角線元素為信道的頻域響應(yīng)即hji的非歸一化FFT變換。這樣，信道矩陣H可以寫為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 也是分塊對角陣，它的求逆可以在每個頻點上進行，可以化簡為K個N×N的矩陣求逆，因此，復(fù)雜度為O(KN3)。定義 易知 仍然是分塊對角陣， 是分塊循環(huán)陣，由于循環(huán)陣的對角線元素相等，因此對[公式11]有 [公式12]從上述分析可知，[公式10]可以用低復(fù)雜度的FFT/IFFT來實現(xiàn)，并且矩陣求逆運算量也不高。
本發(fā)明的多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法，先將接收信號變換到頻域，利用譯碼器反饋的發(fā)送符號的先驗信息，在每個頻點上進行基于最小均方誤差的軟輸入檢測，檢測結(jié)果變換到時域，進行逐符號的最大后驗概率檢測，得到發(fā)送比特的后驗概率，并輸入到軟輸入軟輸出譯碼器譯碼，譯碼輸出的軟信息作為發(fā)送符號的先驗信息進行下一次的迭代。
該檢測方法包括以下幾個步驟初始化1)空頻合并利用導(dǎo)頻序列輔助估計出信道參數(shù)以及噪聲方差，計算出多輸入多輸出信道的頻域響應(yīng)矩陣Λ和ΛHΛ并存儲起來；對各個天線上的接收信號變換到頻域，并進行頻域內(nèi)的合并，從而完成
＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s的中ΛH(IMF)r的計算；2)初始化先驗信息將先驗的信號均值和方差分別設(shè)為0和1；迭代檢測3)計算先驗信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]> 求得發(fā)送信號的均值和方差。對每根天線上每長度為K的數(shù)據(jù)段內(nèi)信號的方差求均值V~=diag(v~0...v~N-1),]]>v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次檢測時，信號均值和方差分別設(shè)為0和1；4)空頻軟輸入軟輸出檢測利用＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s進行空頻軟輸入軟輸出檢測，同時根據(jù)ρi=eiH(IN⊗FH)[σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK)]-1ΛHΛ(IN⊗FH)ei]]>計算出ρi；5)計算出軟信息根據(jù)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]}]]>計算出檢測器輸出的比特似然比；6)進行軟輸入軟輸出譯碼；7)對于硬判決信息，進行循環(huán)冗余校驗，如果校驗正確則停止迭代，得到發(fā)送信息比特，否則將譯碼輸出的軟信息反饋到檢測器，跳轉(zhuǎn)到步驟3)。
多輸入多輸出單載波分塊傳輸?shù)目疹l迭代檢測方法的迭代檢測中步驟4)，空頻軟輸入軟輸出檢測包括以下幾個步驟
1)計算[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]它的計算可以沿每個頻點進行計算，令rf＝(IMF)r，sf＝(IMF)s，取出每個接收天線上相應(yīng)的第k個頻點上的接收信號構(gòu)成M×1的向量rkf，取出每個發(fā)送天線上信號均值的頻域信號構(gòu)成N×1的向量skf，則第k個頻點上檢測后的信號為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的矩陣；2)計算ρi。根據(jù) i＝0，...，N-1令ρ為N×1的列向量。進行步驟(1)的過程中，可以同時計算出ρ，方法如下初始化ρ＝0；從k＝0:K-1計算ρ‾=ρ‾+diag{[σ2IN+ΔkHΔkV~]-1ΔkHΔk}]]>結(jié)束ρ＝ρ/K3)得到每個頻點上的檢測信號后變換到時域，從而得到。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法，其特征在于先將接收信號變換到頻域，利用譯碼器反饋的發(fā)送符號的先驗信息，在每個頻點上進行基于最小均方誤差的軟輸入檢測，檢測結(jié)果變換到時域，進行逐符號的最大后驗概率檢測，得到發(fā)送比特的后驗概率，并輸入到軟輸入軟輸出譯碼器譯碼，譯碼輸出的軟信息作為發(fā)送符號的先驗信息進行下一次的迭代。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法，其特征在于該檢測方法包括以下幾個步驟初始化1)空頻合并利用導(dǎo)頻序列輔助估計出信道參數(shù)以及噪聲方差，計算出多輸入多輸出信道的頻域響應(yīng)矩陣Λ和ΛHΛ并存儲起來；對各個天線上的接收信號變換到頻域，并進行頻域內(nèi)的合并，從而完成＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s的中ΛH(IMF)r的計算；2)初始化先驗信息將先驗的信號均值和方差分別設(shè)為0和1；迭代檢測3)計算先驗信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]> 求得發(fā)送信號的均值和方差。對每根天線上每長度為K的數(shù)據(jù)段內(nèi)信號的方差求均值V~=diag(v~0···v~N-1),v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次檢測時，信號均值和方差分別設(shè)為0和1；4)空頻軟輸入軟輸出檢測利用＝(INFH)[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1·[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]+diag(ρ)s進行空頻軟輸入軟輸出檢測，同時根據(jù)ρi=eiH(IN⊗FH)[σn2IKN+ΛHΛ(V~⊗IK)]-1ΛHΛ(IN⊗FH)ei]]>計算出ρi；5)計算出軟信息根據(jù)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]}]]>計算出檢測器輸出的比特似然比；6)進行軟輸入軟輸出譯碼；7)對于硬判決信息，進行循環(huán)冗余校驗，如果校驗正確則停止迭代，得到發(fā)送信息比特，否則將譯碼輸出的軟信息反饋到檢測器，跳轉(zhuǎn)到步驟3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的種多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法，其特征在于多輸入多輸出單載波分塊傳輸?shù)目疹l迭代檢測方法的迭代檢測中步驟4)，空頻軟輸入軟輸出檢測包括以下幾個步驟1)計算[σ2IKN+ΛHΛ(IK)]-1[ΛH(IMF)r-ΛHΛ(INF)s]它的計算可以沿每個頻點進行計算，令rf＝(IMF)r，sf＝(IMF)s，取出每個接收天線上相應(yīng)的第k個頻點上的接收信號構(gòu)成M×1的向量rkf，取出每個發(fā)送天線上信號均值的頻域信號構(gòu)成N×1的向量skf，則第k個頻點上檢測后的信號為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的矩陣；2)計算ρi。根據(jù) 令ρ為N×1的列向量。進行步驟(1)的過程中，可以同時計算出ρ，方法如下初始化ρ＝0；從k＝0K-1計算ρ‾=ρ‾+diag{[σ2IN+ΔkHV~]-1ΔkHΔk}]]>結(jié)束ρ＝ρ/K3)得到每個頻點上的檢測信號后變換到時域，從而得到。
全文摘要
多輸入多輸出單載波分塊傳輸系統(tǒng)的空頻迭代檢測方法是在單載波系統(tǒng)中實現(xiàn)高速可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有效的方法。該方法為先將接收信號變換到頻域，利用譯碼器反饋的發(fā)送符號的先驗信息，在每個頻點上進行基于最小均方誤差的軟輸入檢測，檢測結(jié)果變換到時域，進行逐符號的最大后驗概率檢測，得到發(fā)送比特的后驗概率，并輸入到軟輸入軟輸出譯碼器譯碼，譯碼輸出的軟信息作為發(fā)送符號的先驗信息進行下一次的迭代。本發(fā)明將每個塊內(nèi)的發(fā)送符號的方差求平均后，檢測器可以在頻域?qū)崿F(xiàn)，使用快速傅立葉變換算法來實現(xiàn)，降低了軟輸入軟輸出檢測器的復(fù)雜度?？梢暂^低的復(fù)雜度實現(xiàn)MIMO單載波分塊傳輸系統(tǒng)的Turbo接收，可以逼近MIMO信道容量。
文檔編號H04L27/00GK1674484SQ200510038648
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者尤肖虎, 高西奇, 王東明 申請人:東南大學(xué)