專利名稱：低復雜度的多天線正交頻分復用系統(tǒng)軟入軟出檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低復雜度的多天線正交頻分復用系統(tǒng)軟入軟出檢測方法，具體涉及一種應用于迭代接收機的低復雜度的軟入軟出檢測方法。屬于無線通信系統(tǒng)中多天線-正交頻分復用技術領域。
背景技術：
近年來，迭代接收機技術已經廣泛的應用于無線通信的譯碼、均衡、檢測等領域。在多天線通信系統(tǒng)中，在發(fā)射端采用空時比特交織編碼調制，接收端利用準最優(yōu)的迭代檢測技術已經被證明是一種有效的逼近多天線信道容量的方法。迭代接收機將最優(yōu)的聯(lián)合檢測和譯碼分為兩個獨立的級聯(lián)單元。每個單元利用另一個單元反饋的先驗信息計算似然信息。軟信息在檢測器和譯碼器之間交換直到后驗概率收斂。在迭代的過程中，最優(yōu)的軟入軟出檢測器-最大后驗概率(MAP)檢測器-的主要缺點是它的復雜度隨著發(fā)射天線數(shù)和調制符號星座數(shù)成指數(shù)增長，即使在發(fā)射天線較少和調制階數(shù)較低的情況下也是很難實現(xiàn)的。現(xiàn)在已經有許多算法用于降低MAP檢測器的復雜度。列舉球形譯碼算法通過降低發(fā)射符號向量的搜索空間降低MAP算法復雜度。在通常情況下，它需要根據(jù)信道信息和信噪比設定搜索半徑。它列舉在搜索半徑內可能的發(fā)射符號向量，并用于計算發(fā)射符號后驗概率。其缺點是它的計算復雜度是變化的，這是由于搜索半徑的不確定性決定的。另有文獻提出了基于序列樹形的搜索算法，這種方法僅僅考慮對后驗概率有較大影響的符號向量，用于計算后驗概率。它的復雜度是確定的，與發(fā)射天線和調制階數(shù)成線性關系。
在多天線通信系統(tǒng)中，最常用的檢測器是基于最小均方誤差準則的(M.Sellathurai and S.Haykin.“Turbo-BLAST for wireless communicationsTheory and Experiments，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.50，pp.2538-2546，Oct.2002.)。相比較于最優(yōu)的最大后驗概率檢測器，它顯著的降低了系統(tǒng)的復雜度。但是在每次迭代過程中，它需要進行矩陣求逆運算，復雜度仍然是很高的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種低復雜度的多天線正交頻分復用系統(tǒng)軟入軟出檢測方法，不需要矩陣求逆，隨著迭代次數(shù)和信噪比的增加，誤碼率性能可以逼近匹配濾波器界。
為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明的低復雜度的多天線正交頻分復用系統(tǒng)軟入軟出檢測方法中，基于軟干擾抵消-最大比合并準則，將最大比合并的輸出近似為高斯分布，然后利用信道譯碼反饋的軟信息計算均值和方差，進而得到發(fā)送比特的外對數(shù)似然比。通過將外對數(shù)似然比乘上一個常數(shù)因子的軟入軟出檢測方法，經過信道譯碼后，得到編碼比特的后驗對數(shù)似然比和信息比特的后驗對數(shù)似然比。對連續(xù)兩次迭代的信息比特的硬判決結果進行比較，及循環(huán)次數(shù)是否等于系統(tǒng)設定的最大循環(huán)次數(shù)，確定是否繼續(xù)循環(huán)。循化結束得到估計的發(fā)送端數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟1、將接收端得到的時域數(shù)據(jù)，先去除循環(huán)前綴，再對去除循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)。
2、設定系統(tǒng)的最大循環(huán)次數(shù)為Imax，將發(fā)送端的發(fā)送數(shù)據(jù)視為等概均勻分布，設置發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比為零，并設定系統(tǒng)的循環(huán)變量I為1。
3、利用發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比計算所有天線的發(fā)送符號均值，得到發(fā)送符號向量均值；將發(fā)送符號向量均值中待檢測天線的符號均值設置為零，然后將系統(tǒng)估計的信道矩陣乘上發(fā)送符號向量均值，得到軟的頻域數(shù)據(jù)，再利用頻域數(shù)據(jù)減去軟的頻域數(shù)據(jù)得到軟干擾抵消輸出。
4、利用待檢測天線所對應的信道矩陣列的共軛轉置乘上軟干擾抵消輸出，得到最大比合并輸出。
5、將最大比合并的輸出近似為高斯分布，利用發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比計算高斯分布的均值和方差，得到發(fā)送比特的后驗對數(shù)似然比；將發(fā)送比特的后驗對數(shù)似然比減去發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比得到發(fā)送比特的外對數(shù)似然比。
6、將發(fā)送比特的外對數(shù)似然比乘上一個常數(shù)因子α，然后經過解交織，得到編碼比特的先驗對數(shù)似然比；將編碼比特的先驗對數(shù)似然比送入軟入軟出譯碼器譯碼，得到信息比特的后驗對數(shù)似然比和編碼比特的后驗對數(shù)似然比；其中，常數(shù)因子α取值為1.5-4.0。
7、將編碼比特的后驗對數(shù)似然比減去編碼比特的先驗對數(shù)似然比，得到編碼比特的外對數(shù)似然比；編碼比特的外對數(shù)似然比經過交織，得到發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比；當循環(huán)變量I小于2時，將循環(huán)變量I增加1，返回步驟3，并利用更新后的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比進行循環(huán)計算；當循環(huán)變量I大于等于2時，對信息比特的后驗對數(shù)似然比進行硬判決，比較本次的硬判決比特的結果和前一次硬判決比特的結果，當其中不同的比特數(shù)大于設定的閾值β或者循環(huán)次數(shù)小于設定的系統(tǒng)最大循環(huán)次數(shù)Imax時，將循環(huán)變量I增加1，返回步驟3，并利用更新后的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比進行循環(huán)計算；當其中不同的比特數(shù)小于β或者循環(huán)次數(shù)等于Imax時，輸出信息比特的硬判決值，得到估計的發(fā)送端數(shù)據(jù)。
本發(fā)明方法將軟入軟出檢測器簡化為最大合并檢測器，它的復雜度僅與接收天線數(shù)成線性關系。并且它的復雜度遠小于需要矩陣求逆的最小均方誤差檢測器。隨著迭代次數(shù)的增加，本發(fā)明方法的誤碼率性能相對于最小均方誤差檢測器的損失很小。在迭代過程中，系統(tǒng)的誤碼率顯著降低。在高信噪比下，誤碼率性能可以逼近匹配濾波器界。


圖1為本發(fā)明方法的流程框圖。
圖2為迭代接收機誤碼率性能圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
信道編碼和空時編碼可以看成串行級聯(lián)系統(tǒng)。最優(yōu)的接收機是聯(lián)合檢測和信道譯碼，但是它的復雜度太大，通常不可實現(xiàn)。準最優(yōu)的接收機將檢測和譯碼分離，采用循環(huán)的方式進行處理。在循環(huán)過程中，軟信息在檢測器和譯碼器之間交換，使后驗概率達到收斂?？紤]一個8個發(fā)射和8個接收天線的多天線-正交頻分復用系統(tǒng)。系統(tǒng)載波頻率為2GHz，帶寬為5MHz，512個子載波。信道編碼采用1/2碼率，碼字生成多項式為[75]的遞歸系統(tǒng)卷積碼，QPSK調制。發(fā)送端采用隨機交織器。采用國際電聯(lián)的車行A類信道，仿真系統(tǒng)的誤碼率性能。假設接收機具有理想信道信息。采用本發(fā)明方法進行循環(huán)檢測和譯碼的框圖如圖1所示。具體的實施步驟如下1)將接收端得到的時域數(shù)據(jù)，先去除循環(huán)前綴，再對去除循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)yn；2)設定一個系統(tǒng)的最大循環(huán)次數(shù)Imax，比如為5。將發(fā)送端的發(fā)送數(shù)據(jù)視為等概均勻分布，設置發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比為零，開始進行系統(tǒng)的第一次計算，即系統(tǒng)的循環(huán)變量I＝1。
3)利用發(fā)送比特先驗的對數(shù)似然比計算所有天線的發(fā)送符號均值，得到發(fā)送符號向量均值xn＝[xn，1，xn，2，…，xn，Nt]T其中 P(xn,k=α(d))=Πi=1Mc12[1+d‾n,k(i)tanh(12La(dn,k(i)))]]]>d‾n,k(i)=+1,dn,k(i)=1-1,dn,k(i)=0---(1)]]>La(dn，k(i))是信道譯碼反饋先驗信息。Mc是每個星座符號的比特數(shù)， 為符號星座空間。d＝[d1，d2，…，dMc]T為比特向量，它根據(jù)映射方式α(d)映射為符號xn，k。然后將其中待檢測天線的符號均值設置為零，將系統(tǒng)估計的信道矩陣乘上發(fā)送符號向量均值，得到軟的頻域數(shù)據(jù)Hn(xn-xn，kek)，再利用頻域數(shù)據(jù)減去軟的頻域數(shù)據(jù)得到軟干擾抵消輸出；yn，k＝y(tǒng)n-Hn(xn-xn，kek)(2)其中yn，Hn和xn分別是第n個子載波上的接收符號向量、系統(tǒng)估計的信道矩陣和發(fā)送符號向量均值。xn，k是xn的第k個元素。ek是Nt×1維的列向量，它的第k個元素是1，其它元素為零。
4)利用待檢測天線所對應的信道矩陣列的共軛轉置乘上軟干擾抵消輸出，得到最大比合并輸出zn,k=hn,kH(yn-Hnx‾n+x‾n,khn,k)---(3)]]>其中hn，k為Hn的第k列。
5)將最大比合并的輸出近似為高斯分布，利用發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比計算高斯分布的均值和方差，μn,k=hn,kHhn,k---(4)]]>σn,k2=hn,kH(HnVnHnH-vn,khn,khn,kH+σ2INr)hn,k---(5)]]>其中Vn是發(fā)射符號向量的協(xié)方差矩陣，vn，k是它的第(k，k)個元素。由此可以得到發(fā)射比特的后驗對數(shù)似然比。
其中 是第i個比特為b∈{0，1}的向量d的集合。d＝[d1，d2，…，dMc]，L＝[La(dn，k(1))，La(dn，k(2))，…，La(dn，k(Mc))]表示發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比。由此，可以計算得到發(fā)送比特的后驗對數(shù)似然比。將發(fā)送比特的后驗對數(shù)似然比減去發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比得到發(fā)送比特的外對數(shù)似然比，
Le(dn，k(i))＝Lapp(dn，k(i)|zn，k)-La(dn，k(i)) (7)6)將發(fā)送比特的外對數(shù)似然比乘上一個常數(shù)因子α，得到αLe(dn，k(i))；然后經過解交織，得到編碼比特的先驗對數(shù)似然比；將編碼比特的先驗對數(shù)似然比送入軟入軟出譯碼器譯碼，得到信息比特的后驗對數(shù)似然比和編碼比特的后驗對數(shù)似然比；其中，常數(shù)因子α取值為1.5-4。常數(shù)因子α是利用外信息轉移(EXIT)圖進行優(yōu)化選擇。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，產生均勻分布的比特序列C和它們對應的高斯先驗信息La-N((1/2)σi2，σi2)，σi2為其方差，為均值的兩倍。在接收端，利用接收的觀測數(shù)據(jù)和先驗信息，可以得到軟入軟出檢測器輸出的外信息Le。外信息Le和編碼比特C的互信息為Ie(Le;C)=1-1NΣn=1Nlog2[1+exp(-αc(n)Le(n))]]]>其中N為比特序列長度，α為常數(shù)因子。選擇使Le(Le；C)最大的最小α值。
仿真結果說明α的選擇對于天線配置和信噪比不敏感；7)將編碼比特的后驗對數(shù)似然比減去編碼比特的先驗對數(shù)似然比，得到編碼比特的外對數(shù)似然比；編碼比特的外對數(shù)似然比經過交織，得到發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比。第一次計算即循環(huán)變量I＝1，不進行以下的硬判決，而是返回步驟3進行循環(huán)計算，此時利用的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比是更新后的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比。當循環(huán)一次計算后，循環(huán)變量I大于等于2，則需要對信息比特的后驗對數(shù)似然比進行硬判決，比較本次的硬判決比特的結果和前一次硬判決比特的結果，當比較的結果中不同的比特數(shù)大于設定的閾值β，或者循環(huán)次數(shù)小于系統(tǒng)設定的最大循環(huán)次數(shù)Imax＝5的時候，返回步驟3繼續(xù)進行循環(huán)計算，此時利用的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比也是更新后的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比；而當比較的結果中不同的比特數(shù)小于β，或者循環(huán)次數(shù)等于系統(tǒng)預先設定的最大循環(huán)次數(shù)5的時候，則輸出信息比特的硬判決值，得到估計的發(fā)送端數(shù)據(jù)。
圖2為本發(fā)明方法采用的優(yōu)化的軟干擾抵消-最大比合并檢測器(α＝2，實線表示)與最小均方誤差檢測器(虛線表示)的誤碼率性能的比較。在仿真結果中，假設所有天線干擾全部消除，給出了誤碼率的匹配濾波器界。它是迭代接收機的誤碼率性能下界。從圖上可以看出，在第一次迭代時，優(yōu)化的軟干擾抵消-最大比合并檢測器相對于最小均方誤差檢測器的性能損失是很大的。這是由于在第一次迭代，沒有信道譯碼反饋的先驗信息，最大比合并忽略了天線之間的相互干擾。但是隨著迭代次數(shù)的增加，它們之間的誤碼率性能差距不斷縮小。在5次迭代時，與最小均方誤差檢測器的誤碼率性能相比，優(yōu)化的軟干擾抵消-最大比合并檢測器性能損失已經很小了。本發(fā)明優(yōu)化的軟干擾抵消-最大比合并檢測器不需要進行矩陣求逆運算，計算復雜度遠小于最小均方誤差檢測器。在高信噪比條件下，它和最小均方誤差檢測器都可以收斂到匹配濾波器界。
權利要求
1.一種低復雜度的多天線正交頻分復用系統(tǒng)軟入軟出檢測方法，其特征在于包括如下具體步驟1)將接收端得到的時域數(shù)據(jù)，先去除循環(huán)前綴，再對去除循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)；2)設定系統(tǒng)的最大循環(huán)次數(shù)為Imax；將發(fā)送端的發(fā)送數(shù)據(jù)視為等概均勻分布，設置發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比為零，并設定系統(tǒng)的循環(huán)變量I為1；3)利用發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比計算所有天線的發(fā)送符號均值，得到發(fā)送符號向量均值；將發(fā)送符號向量均值中待檢測天線的符號均值設置為零，然后將系統(tǒng)估計的信道矩陣乘上發(fā)送符號向量均值，得到軟的頻域數(shù)據(jù)，再利用頻域數(shù)據(jù)減去軟的頻域數(shù)據(jù)得到軟干擾抵消輸出；4)利用待檢測天線所對應的信道矩陣列的共軛轉置乘上軟干擾抵消輸出，得到最大比合并輸出；5)將最大比合并的輸出近似為高斯分布，利用發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比計算高斯分布的均值和方差，得到發(fā)送比特的后驗對數(shù)似然比；將發(fā)送比特的后驗對數(shù)似然比減去發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比得到發(fā)送比特的外對數(shù)似然比；6)將發(fā)送比特的外對數(shù)似然比乘上一個常數(shù)因子α，然后經過解交織，得到編碼比特的先驗對數(shù)似然比；將編碼比特的先驗對數(shù)似然比送入軟入軟出譯碼器譯碼，得到信息比特的后驗對數(shù)似然比和編碼比特的后驗對數(shù)似然比；其中，常數(shù)因子α取值為1.5-4；7)將編碼比特的后驗對數(shù)似然比減去編碼比特的先驗對數(shù)似然比，得到編碼比特的外對數(shù)似然比；編碼比特的外對數(shù)似然比經過交織，得到發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比；當循環(huán)變量I小于2時，將循環(huán)變量I增加1，返回步驟3，并利用更新后的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比進行循環(huán)計算；當循環(huán)變量I大于等于2時，對信息比特的后驗對數(shù)似然比進行硬判決，比較本次的硬判決比特的結果和前一次硬判決比特的結果，當其中不同的比特數(shù)大于設定的閾值β或者循環(huán)次數(shù)小于設定的系統(tǒng)最大循環(huán)次數(shù)Imax時，將循環(huán)變量I增加1，返回步驟3，并利用更新后的發(fā)送比特的先驗對數(shù)似然比進行循環(huán)計算；當其中不同的比特數(shù)小于β或者循環(huán)次數(shù)等于Imax時，輸出信息比特的硬判決值，得到估計的發(fā)送端數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低復雜度的多天線正交頻分復用系統(tǒng)軟入軟出檢測方法，基于軟干擾抵消—最大比合并準則，將最大比合并的輸出近似為高斯分布，然后利用信道譯碼反饋的軟信息計算均值和方差，進而得到發(fā)送比特的外對數(shù)似然比。通過將外對數(shù)似然比乘上一個常數(shù)因子的軟入軟出檢測方法，經過信道譯碼后，得到編碼比特的后驗對數(shù)似然比和信息比特的后驗對數(shù)似然比。對連續(xù)兩次循環(huán)的信息比特的硬判決結果進行比較，循環(huán)次數(shù)是否等于系統(tǒng)設定的最大循環(huán)次數(shù)，確定是否繼續(xù)循環(huán)。循化結束得到估計的發(fā)送端數(shù)據(jù)。仿真結果表明本發(fā)明在保持迭代接收機的低復雜度特點的同時，提高了系統(tǒng)誤碼率性能。在高信噪比下，系統(tǒng)誤碼率性能可以收斂到匹配濾波器界。
文檔編號H04L1/02GK1968069SQ20061011728
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月19日 優(yōu)先權日2006年10月19日
發(fā)明者何晨, 林文峰, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學