CN101197603B - 多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统及检测方法，其首先根据所述多天线系统接收端接收到的信号估计所述多天线系统发射端所发射的信号的硬判值，并根据星座拆分原理将所述硬判值进行拆分为多个分量，然后根据所得到的多个分量计算所述接收到的信号的相应分信号，并于对所述多个分信号进行校正后计算出多天线系统的外部信息，由此，本发明降低了所述多天线系统球形译码的复杂度。

Description

多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统及检测方法。

背景技术

在多天线系统中，迭代检测译码技术可使发送速率达到信道容量值，此时最佳检测器是最大后验概率检测器。但是最大后验概率的复杂度是跟发射/接收天线数和每个调制符号的比特数成指数关系的。现已存在一些次最佳低复杂度的检测结构，如Turbo-分层、迭代树搜索、序列球形译码等技术，但都涉及到软信息的计算，复杂度都很大。

再者，现有的检测技术都是性能跟检测复杂度之间的一种折衷。例如，Turbo-分层检测是基于随机分层空时码和迭代接收机结构的，迭代接收机的每次迭代都能快速提高误比特率性能，但不能保证最佳的性能；迭代树搜索检测是使用M算法在一颗结构树中搜索最佳路径，寻找具有最大后验的发送符号向量，在此算法中，当保留路径足够大时可以达到最佳检测的性能；序列球形译码是寻找最接近接收符号的M个相量，把这个集合称为一个候选序列，用这些序列的值产生检测器的输出，当球形译码的初始半径足够大且序列长度M足够长时，序列球形译码可完全达到最佳检测器最大后验概率检测的性能。

举例来说，对于迭代检测译码的多天线系统，其有N_T个发射天线N_R个接收天线，在发射端，数据流u经过纠错编码后交织到星座映射模块，即每M个编码比特被映射成一个复数QAM信号，再经一个串并转换模块，符号向量 $S={[s_1,...,s_{N_T}]}^T$ 从N_T个发射天线上同时发射出去。而在接收端，接收向量可以由下式复数形式的多天线矩阵模型表示：

y＝HS+n                 (1)

其中 $y={[y_1,...,y_{N_R}]}^T$ 是接收到的复符号向量；H是已知的N_R×N_T维理想信道矩阵，其每个元素都是统计独立的零均值单位方差的复高斯随机变量；向量 $n=[n_1,...,n_{N_R}]$ 是零均值方差为σ²的复高斯噪声。对于序列球形译码检测，其是基于最大后验概率检测算法的，而在最大后验概率检测中，设每个发射符号s_i，i＝1，...，N_T是通过M比特x_i ^m，m＝1，...，M的映射得到的，x_i ^m，m＝1，...，M的取值为正负1，则相应于发射符号向量s的每个编码比特x_k，k＝1，...，N_TM的外部对数似然比可以表示为：

$L_E\left(x_k\right|y)\≈\frac{1}{2}\underset{X\∈X_{k,+1}}{\max }\{\frac{-1}{{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\right|y-\mathrm{HS}\left|\right|}^2+X^T{L}_A\}$

$-\frac{1}{2}\underset{X\∈X_{k,-1}}{\max }\{\frac{-1}{{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\right|y-\mathrm{HS}\left|\right|}^2+X^T{L}_A\}-L_A\left(x_k\right)---\left(2\right)$

其中，M是调制阶数，M＝2为四相相移键控(QPSK)调制、M＝4为16正交幅度(QAM)调制、M＝6为64-QAM调制，公式(2)采用了最大对数近似准则，L_A是已知先验概率，且X_k，+1＝{X|x_k＝+1}，X_k，-1＝{X|x_k＝-1}。为使搜索空间降低到一个适度的水平，序列球形译码模块只需找到最接近于最大似然估计值的N_candi个候选项，即可兼顾检测的准确性与检测速度。根据现有文献公开的经验值，当MN_T≤8时，可做最大似然检测。当8＜MN_T≤32时N_candi＝512、32＜MN_T≤48时N_candi＝1024。然而序列球形译码方法在高调制阶数系统中应用时其复杂度是不可接受的，仅当发射符号向量s是二进制形式的，软硬球形译码在基于  $2H^T\tilde{y}={\mathrm{\σ}}^2{L}_A$ 的变换后可以用下式来计算外部信息：

$L_E\left(x_k\right|y)\≈\frac{-{\hat{x}}_{k,\mathrm{map}}}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\right|y+\tilde{y}-H{\hat{X}}_{\mathrm{map}}\left|\right|}^2$

$+\frac{{\hat{x}}_{k,\mathrm{map}}}{2{\mathrm{\σ}}^2}\underset{X\∈X_{k,-{\hat{x}}_{k,\mathrm{map}}}}{\min }{\left|\right|y+\tilde{y}-\mathrm{HX}\left|\right|}^2-L_A\left(x_k\right)---\left(3\right)$

其中 ${\hat{X}}_{\mathrm{map}}=\underset{X\∈X}{\arg \min }{\left|\right|y+\tilde{y}-\mathrm{HX}\left|\right|}^2$ 可以由硬球形译码模块计算而得，软硬球形译码只需产生MN_T+1个候选项来精确地计算后验比特概率值。

由上可知，若要到达或接近最佳检测器的性能，通常检测器的复杂度都非常大。而当发射符号是二进制的，采用软硬球形译码方法(soft to hard sphere decoder)，其性能完全等同于序列球形译码而其计算复杂度有明显下降，在高信噪比下的平均复杂度是O(M⁴)(其中M是数据块长度)。由于软硬球形译码只能在二元幅移键控(2ASK)和四元相移键控(4PSK，也即QPSK)调制系统中使用，因此，如何降低现有高阶调制系统的译码复杂度问题实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统及检测方法，以降低所述多天线系统球形译码的复杂度。

为了达到上述目的，本发明提供一种多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统，其包括：用于根据所述多天线系统接收端接收到的信号估计所述多天线系统发射端所发射的信号的硬判值，并根据星座拆分原理将所述硬判值拆分为多个分量的硬判检测及星座拆分模块、分别用于根据各自对应的所述硬判检测及星座拆分模块所获得的分量计算所述接收到的信号相应分信号的多个软硬球形译码模块、用于根据所述多个软硬球形译码模块所得到的各分信号及预先获得的先验信息计算相应的外部信息的外部信息计算模块。

其中，所述多个软硬球形译码模块包括用于根据所述星座拆分原理校正所述各分信号的调整单元。

进一步，本发明还提供一种多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其包括步骤：1)根据所述多天线系统接收端接收到的信号估计所述多天线系统发射端所发射的信号的硬判值，并根据星座拆分原理将所述硬判值进行拆分为多个分量；2)根据所获得的多个分量计算所述接收到的信号的相应分信号；3)根据所获得的各分信号及预先获得的先验信息计算相应的外部信息。

其中，所述步骤1)中采用硬判检测方法估计所述硬判值，所述硬判检测方法包括ZF算法或M算法，当所述多天线系统为16正交幅度(QAM)调制的系统时，设所述硬判值为S，根据星座拆分原理其可被拆分为分量S₁及S₂，其中， 

当所述接收到的信号为y，其对应的分信号分别为y₁、y₂，满足： 

其中，H是理想信道矩阵，所述步骤2)还包括一根据所述星座拆分原理校正所述各分信号的校正步骤，即根据所述星座拆分原理将所述分信号y₁校正为y₁/4。

综上所述，本发明的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统及检测方法，根据星座拆分原理将高阶调制系统拆分为多个QPSK系统，可降低所述多天线系统球形译码的复杂度。

附图说明

图1为16-QAM星座点格雷映射结构示意图。

图2为本发明多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统结构示意图。

图3为四发四收多天线16-QAM调制系统分步球形译码检测误比特率性能示意图。

图4为基于实数乘法的复杂度比较示意图。

具体实施方式

请参见图1，本发明的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其包括以下步骤：

1)根据所述多天线系统接收端接收到的信号估计所述多天线系统发射端所发射的信号的硬判值，并根据星座拆分原理将所述硬判值进行拆分为多个分量，通常采用硬判检测方法估计所述硬判值，其中，所述硬判检测方法包括ZF算法及M算法等，现有星座拆分原理已经揭露一个16-QAM星座点可以被拆分成两个QPSK子星座点，因此，对于16正交幅度(QAM)调制的多天线系统，设定所述硬判值为S，根据现有星座拆分原理将其拆分为s₁，s₂，三者满足下式：

$S=(2/\sqrt{5})S_1+(1/\sqrt{5})S_2---\left(4\right)$

其中 

且S，S₁，S₂都是归一化形式，由图1所示的16-QAM星座点格雷映射结构示意图可知，图1中的大方框代表了S₁星座图的大小，小方框代表了S₂星座图的大小，S₁与16-QAM星座点的前两个比特相关，S₂与16-QAM星座点的后两个比特相关。此外，对于64QAM调制的多天线系统，也可通过相应的拆分公式将64QAM星座点拆分为三个QPSK星座点，在此不再赘述。

2)根据所获得的多个分量计算所述接收到的信号的相应分信号，设定所述多天线系统接收端所接收到的信号为y，其对应的分信号分别为y₁、y₂，应满足： 

其中，H是理想信道矩阵，在所述多天线系统中，y₁、y₂分别通过两个软硬球形译码算法即可得到。由图1可知，S₁星座图的大小是_S2星座图的大小子模块2的两倍，为抵消不同星座尺寸的影响，需要对分信号进行校正，由于星座图尺寸的两倍相当于能量大了4倍，因此，在本实施方式中，将得到的分信号y₁校正为y₁/4。

3)根据所获得的各分信号及预先所获得的先验信息计算各分信号对应的外部信息，通常，将所述各分信号减去所对应的先验信息即得到各外部信息，所述外部信息输入至所述多天线系统的信道解码模块以供其进行相应的解码，其中所述先验信息由所述信道解码模块所提供，其为本领域技术人员所知悉，在此不再赘述。

请参见图2，本发明的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统包括：一硬判检测及星座拆分模块、多个软硬球形译码模块、以及一外部信息计算模块。

所述硬判检测及星座拆分模块用于根据所述多天线系统接收端接收到的信号估计所述多天线系统发射端所发射的信号的硬判值，并根据星座拆分原理将所述硬判值进行拆分为多个分量，例如，对于16正交幅度(QAM)调制的多天线系统，根据星座拆分原理可将其拆分为两个QPSK子星座点，对于64QAM调制的多天线系统，也可通过相应的拆分公式将64QAM星座点拆分为三个QPSK星座点。

所述多个软硬球形译码模块分别用于根据各自对应的所述硬判检测及星座拆分模块所获得的分量计算所述接收到的信号相应分信号，在本实施方式中，所述多个软硬球形译码模块即第一软硬球形译码模块及第二软硬球形译码模块，当所述硬判值被拆分为两个分量S₁和S₂，第一软硬球形译码模块根据分量S₂计算所述接收到的信号相应分信号y₁，第二软硬球形译码模块根据分量S₁计算所述接收到的信号相应分信号y₂，根据星座拆分原理可知，S₁星座图的大小是S₂星座图的大小子模块2的两倍，为抵消不同星座尺寸的影响，需要对分信号进行校正，由于星座图尺寸的两倍相当于能量大了4倍，因此，在本实施方式中，所述第一软硬球形译码模块还设有调整单元，用于将所述分信号y₁校正为y₁/4。需注意的是，软硬球形译码模块的个数并非以本实施方式为限，本领域技术人员可根据实际的需要予以设定，再有，调整单元的设定也可根据实际的需要予以设定，例如，对于64QAM调制的多天线系统，相应的设有三个软硬球形译码模块用于分别计算各相应的分信号。

所述外部信息计算模块用于根据所述多个软硬球形译码模块所得到的各分信号及预先获得的先验信息计算相应的外部信息，例如，将所述分信号y₁减去第一二位的先验信息即得到第一二位的外部信息，将所述分信号y₂减去第三四位的先验信息即得到第三四位的外部信息，由此即可得到每比特的外部信息。

以下为对对本发明进行仿真的仿真结果，系统仿真参数如下表一所示，图3为本发明在平坦衰落信道下及不同信噪比条件下的误比特率性能，现有的序列球形译码的性能作为一个参考也在图中示出，其仿真参数也如下表所示：

表一仿真条件设定

天线配置	4×4
		调试方式	16QAM
信道	平坦衰落瑞利信道
		每个数据块的比特数	4004
每个信噪比条件下的仿真帧数目	2500
		信道编码	1/2Turbo(5，7)
Turbo迭代译码内迭代次数	8
		球形译码初始搜索半径	1e4
迭代接收机的迭代次数	4

初始球形译码搜索半径设定为一个足够大的值以保证QPSK子模块能找到合适的点来计算外部信息，因为满足前述式(3)的候选项是考虑了先验信息通过硬球形译码模块搜索得到的，所以需要一个足够大的半径来包含在考虑了先验以后所能搜到的点。

在误比特率为10^-4时方案硬球形译码跟分步球形译码的级联时(SD/MSD)的性能较之LSD(序列球形译码)下降了2dB，同时也给出了方案最小均方误差跟分步球形译码的级联时(MMSE/MSD)的性能，其又下降了1dB。

从图4可得SD/MSD跟MMSE/MSD的复杂度相当，但是从性能上考虑，SD/MSD更加优越。

进一步地，对复杂度进行分析如下：

在上述仿真条件下，对于每个接收向量，序列球形译码模块需要搜索512最好的候选项来保证其性能基本等同于最大后验概率检测器的性能。然而，本发明所提出的方法把检测分成两步实现，只需要2×9个候选项来计算每个比特的后验概率。因为对于每个QPSK子模块，需要MN_T+1＝2×4+1＝9个候选项来得到每个比特的软信息。

图4给出了本发明的方法与序列球形译码检测的的基于实数乘法的复杂度比较，前者的复杂度是后者的0.6％。

在迭代检测的第二到第四次迭代中，子模块使用了同第一次迭代一样的拆分星座点。尽管最小均方误差检测比硬球形译码的检测简单得多，但这个硬判的过程只进行一次，在整体上SD/MSD跟MMSE/MSD的复杂度基本相同。表二给出了具体的实数乘法复杂度比较。

表二迭代过程的实数乘法复杂度比较

Claims (10)

1.一种多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统，其特征在于包括：

硬判检测及星座拆分模块，用于根据所述多天线系统接收端接收到的信号估计所述多天线系统发射端所发射的信号的硬判值，并根据星座拆分原理将所述硬判值拆分为多个分量；

多个软硬球形译码模块，分别用于根据各自对应的所述硬判检测及星座拆分模块所获得的分量计算所述接收到的信号相应分信号；

外部信息计算模块，用于根据所述多个软硬球形译码模块所得到的各分信号及预先获得的先验信息计算相应的外部信息。

2.如权利要求1所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测系统，其特征在于：所述多个软硬球形译码模块包括用于根据所述星座拆分原理校正所述各分信号的调整单元。

3.一种多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据所述多天线系统接收端接收到的信号估计所述多天线系统发射端所发射的信号的硬判值，并根据星座拆分原理将所述硬判值进行拆分为多个分量；

2)根据所获得的多个分量计算所述接收到的信号的相应分信号；

3)根据所获得的各分信号及预先获得的先验信息计算相应的外部信息。

4.如权利要求3所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于：所述步骤1)中采用硬判检测方法估计所述硬判值。

5.如权利要求4所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于：所述硬判检测方法包括ZF算法。

6.如权利要求4所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于：所述硬判检测方法包括M算法。

7.如权利要求3所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于：所述多天线系统为16正交幅度(QAM)调制的系统时，设所述硬判值为S，根据星座拆分原理其可被拆分为分量S₁及S₂，其中，

8.如权利要求7所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于：所述接收到的信号为y，其对应的分信号分别为y₁、y₂，满足：

其中，H是理想信道矩阵。

9.如权利要求3所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于：所述步骤2)还包括一根据所述星座拆分原理校正所述各分信号的校正步骤。

10.如权利要求8所述的多天线系统基于球形译码的低复杂度分步检测方法，其特征在于：根据所述星座拆分原理将所述分信号y₁校正为y₁/4。

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