垂直－贝尔实验室分层空时码的检测方法和设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及垂直-贝尔实验室分层空时(Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time，V-BLAST)码的检测方法和设备。

背景技术

随着无线通信技术的发展和信息需求的多样化，人们逐渐将注意力从单纯的语音业务转移到了多媒体业务。但是，不同于有线通信，无线通信受到诸如频谱资源、传输功率以及多径衰落等多种因素的制约。其中，直接关系到无线通信系统容量的频谱利用率成为关注的焦点。

为有效提高无线通信系统的频谱利用率，提出了一种多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统。在该系统中，采用多个发射天线、多个接收天线进行信号的发送和接收。图1以M发N收的V-BLAST方案为例示出了一种MIMO系统。

如图1所示，在该MIMO系统中，共有M个发射天线和N个接收天线，其中1＜M≤N。信源发射的信息比特流经信道编码、星座调制和串/并变换形成M个数据子流。在同一个符号间隔内，并行的M个数据子流组成发射符号向量a，每个数据子流分别对应于发射符号向量a的分量a₁，a₂，...，a_M，并分别由M个发射天线发射出去，经散射环境中的空间信道后由N个接收天线接收，获得接收符号向量r，再经V-BLAST检测、并/串变换、星座解调和信道译码送到信宿。由于上述M个数据子流是被同时发送到信道的，各数据子流占用同一频带，因而能够在不增加带宽的情况下成倍地提高无线通信系统的容量和频谱利用率。

为了充分利用MIMO系统的信道空间，人们提出了不同的空时处理方案，其中最引人注目的是1998年由Wolniansky、Foschini、Golden和Valenzuela在题为“V-BLAST：An Architecture for RealizingVery High Data Rates Over the Rich-Scattering Wireless Channel”的文章(以下称为文献1)中提出的一种分层空时码的系统模型——垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)码。这种V-BLAST的天线之间没有码循环现象，接收机的分离和抵消方法是选择最优信噪比SNR、线性加权接收符号向量的迭代方法，从而大大简化了接收处理。因此，基于V-BLAST技术的MIMO系统日益成为研究的重点。

由图1可以看出，基于V-BLAST技术的整个MIMO系统的信息传输通过多天线发射和多天线接收实现高频谱利用率和大容量，而整个处理方案中关键的步骤是串/并变换和V-BLAST检测。然而，在基于V-BLAST技术的MIMO系统中，由于V-BLAST码是以部分分集增益为代价来换取高频带利用率的，因此，接收端在检测信号时选用的V-BLAST检测方法对提高整个系统性能至关重要。

上述文献1所公开的V-BLAST检测方法是基于最优排序的连续干扰抵消(Ordering-SIC)检测方法。在该方法中，在一个符号时间内，用a₁，a₂，...，a_M分别表示从各个发射天线发出的发射符号向量a的分量，则对应于发射符号向量的接收符号向量r可以表示为：

r＝H·a+v                                    (1)

其中，H为NxM的信道矩阵，a＝(a₁，a₂，...，a_M)^T表示发射符号向量，即对向量(a₁，a₂，...，a_M)进行转置后得到的M行1列的向量，v为Nx1的列向量，表示加性白高斯噪声。

并且，设检测顺序为：

S≡{k₁，k₂，...，k_M-1，k_M}                    (2)

其中，k₁，k₂，...，k_M-1，k_M是M，M-1，...，2，1的某种排列，代表最优检测顺序。

利用上述Ordering-SIC V-BLAST检测方法可以首先获得第一判决估计值y_k1：

$>>>y>>k>1>>>=>>w>>k>1>>>·>>r>1>>->->->>(>3>)>>>s>$

其中，w_k1为迫零向量，r₁为接收符号向量r的第一接收符号向量，初始值为r本身，则第一判决估计值y_k1是迫零向量w_k1和上述接收符号向量r的线性组合。

然后，得到发射符号向量的第一检测分量_k1：

$>>ver>>a>^>>>k>1>>>=>Q>>(>>y>>k>1>>>)>>->->->>(>4>)>>>s>$

其中，Q(y_k1)表示对第一判决估计值y_k1进行星座解调。

之后，假设 $>>ver>>a>^>>>k>1>>>=>>a>>k>1>>>,>>s>从接收符号向量r中消去a$_k1，得到第二接收符号向量r₂：

$>>>r>2>>=>>r>1>>->ver>>a>^>>>k>1>>>>>(>H>)>>>k>1>>>->->->>(>5>)>>>s>$

其中，(H)_k1代表H的第k₁列，r₁为接收符号向量r的第一分量，初始值为r本身。

之后，利用第二接收符号向量r₂替换r₁，重复上述步骤(3)至(5)，获得发射符号向量的第二检测分量_k2和第三接收符号向量r₃。依此类推，直到获得发射符号向量的第M检测分量_kM。

在该方法中，关键的一个向量是步骤(3)中使用的迫零向量w_k1。计算迫零向量w_k1的方法包括最小均方误差检测(MMSE)方法和迫零检测(ZF)方法，其中后者较为简单。

下面以ZF方法为例，详细说明文献1所公开的Ordering-SICV-BLAST检测方法中计算迫零向量、进行V-BLAST检测的步骤。

首先进行初始化：

令G₁＝H⁺                         (6)

$>ver>>H>~>>=>H>->->->>(>7>)>>>s>$

r₁＝r                            (8)

i＝1                              (9)

其中，H⁺表示信道矩阵H的加号伪逆(Moore-Penrosepseudoinverse matrix)。r为由前述式(1)表示的接收符号向量。之后，执行如下迭代步骤1)至6)。

1)确定检测符号序号k_i：

$>>>k>i>>=>>>arg>min>>>j>\notin >\{>>k>1>>,>.>.>.>,>>k>>i>->1>>>\}>\; >>>|>|>>>(>>G>i>>)>>j>>|>|>>2>>,>->->->>(>10>)>>>s>$

其中，(G_i)_j表示矩阵(G_i)的第j行，‖‖²表示矩阵(G_i)_j的2范数， $>>>>arg>min>>>j>\notin >\{>>k>1>>,>.>.>.>,>>k>>i>->1>>>\}>\; >>>|>|>>>(>>G>i>>)>>j>>|>|>>2>>>s>表示在j不属于k$₁，...，k_i-1的情况下，对目标函数‖(G_i)_j‖²求极小值所对应的j。

2)计算迫零向量：

$>>>W>>k>i>>>=>>>(>>G>i>>)>>>k>i>>>->->->>(>11>)>>>s>$

3)计算判决估计值：

$>>>y>>k>i>>>=>>w>>k>i>>>·>>r>i>>->->->>(>12>)>>>s>$

4)获得发射符号向量a的检测分量_k1：

$>>ver>>a>^>>>k>1>>>=>Q>>(>>y>>k>i>>>)>>->->->>(>13>)>>>s>$

5)将检测分量作为已知信号，从接收符号向量中抵消：

$>>>r>>i>+>1>>>=>>r>i>>->ver>>a>^>>>k>i>>>·>>>(>H>)>>>k>i>>>->->->>(>14>)>>>s>$

6)计算用于下次迭代的新的初始值：

$>ver>>H>~>>=>ver>>H>~>>ver>>k>‾>>i>>>->->->>(>15>)>>>s>$

$>>>G>>i>+>1>>>=>ver>>H>~>>+>>->->->>(>16>)>>>s>$

i＝i+1                                               (17)

其中，表示将矩阵的第k_i列置零。应当注意，由式(16)获得的新的加号伪逆是基于“缩小”了的H，其中第k₁，k₂，...，k_i列已被置为零。被置为零的列与已经检测出的a的分量相应，从而从接收符号向量中抵消掉已经检测出的发射符号向量a的分量。此时的系统变成移除了发射天线k₁，k₂，...，k_i的系统，或者等价于 $>>>a>>k>1>>>=>.>.>.>=>>a>>k>i>>>=>0>>s>的系统。$

该方法中由于采用了干扰抵消技术，使得依次检测出的符号的空间分集阶数分别为1，2，...，M。

从上述Ordering-SIC V-BLAST检测方法可以看出，该方法需要M(发射天线个数)次对信道矩阵求加号伪逆，每次得到一个迫零向量，而且每次求加号伪逆后还要进行排序操作，因此，这种方法在发射天线数比较多的情况下比较复杂。此外，由于在V-BLAST的层与层之间存在差错传播，因而该方法的误码率性能受到了较大限制。

在上述Ordering-SIC V-BLAST检测方法的基础上，2003年由CongShen、Hairuo Zhuang、Lin Dai和Shidong Zhou在题为“Detectionalgorithm improving V-BLAST performance over error propagation”的文章(以下称为文献2)中提出了一种改进的检测方法。

在该方法中，首先利用文献1所公开的Ordering-SIC V-BLAST检测方法，针对具有M个发射天线和N个接收天线的V-BLAST系统的发射符号向量a检测出M个检测分量，表示为_M⁰，_M-1⁰，₂⁰，₁。在这里，假设最优检测顺序是M，M-1，...，1。

之后，开始执行迭代步骤。在该迭代步骤的第一循环中，将当前发射符号向量a的检测分量中具有最高空间分集阶数的检测分量₁作为已知信号从接收符号向量中消去，进而对剩余的具有M-1个发射天线和N个接收天线的(M-1，N)系统利用Ordering-SICV-BLAST检测方法进行检测，获得发射符号向量a的第一检测估计_M¹，_M-1¹，...，₂¹，该第一检测估计与上述已知信号₁一起共同组成第一更新估计_M¹，_M-1¹，...，₂¹，₁。第一循环结束。

之后，执行第二循环。在第二循环中，将信号1和检测估计_M¹，_M-1¹，...，₂¹中具有最高空间分集阶数的信号₂¹两者共同作为已知信号从接收符号向量中消去，进而对剩余的具有M-2个发射天线和N个接收天线的(M-2，N)系统利用Ordering-SIC V-BLAST检测方法进行检测，获得发射符号向量分量的第二检测估计_M²，_M-1²，...，₃²，该第二检测估计与上述已知信号₁和₂¹一起共同组成第二更新估计_M²，_M-1²，...，₃²，₂¹，₁。类似地，直至获得第(M-1)更新估计_M^M-1，_M-1^M-2，...，₂¹，₁。该第(M-1)更新估计即为最终检测结果。

文献2公开的V-BLAST检测方法相对于文献1所公开的Ordering-SIC V-BLAST检测方法能够进一步降低V-BLAST层间的差错传播，在一定程度上提高了V-BLAST的检测性能。但是，其检测过程过于复杂，并且仍然存在一些层间差错传播，误码性能仍受到一定程度的限制。

发明内容

针对前述两个现有的检测方法，本发明提出了一种能够进一步降低V-BLAST层间差错传播，使误码性能进一步提高的V-BLAST检测方法。

根据本发明的MIMO系统中的V-BLAST检测方法中的MIMO系统有多个发射天线和多个接收天线，其中接收天线数多于或等于发射天线数，发射符号向量a由多个发射天线发射出去，每个发射天线发射的信号分别对应于发射符号向量a的一个分量a₁，a₂，...，a_M，多个接收天线接收发射符号向量a经过散射信道后的接收符号向量，每个接收天线接收的信号分别对应于接收符号向量r的一个分量r₁，r₂，...，r_N。根据本发明的V-BLAST检测方法根据接收符号向量r和MIMO系统的信道特性获得发射符号向量a的检测分量，其包括如下步骤：

第一检测步骤，用于利用基于最优排序的连续干扰抵消检测方法，按照最优检测顺序依次检测发射符号向量a的各个检测分量_M^old，_M-1^old，...，₂^old，₁，并将最先检测出的第一检测分量作为第一参考分量_M^old；

第二检测步骤，用于将检测出的发射符号向量a的各个检测分量_M^old，_M-1^old，...，₁中具有最高空间分集阶数的检测分量₁作为已知信号，利用基于最优排序的连续干扰抵消检测方法，以最优检测顺序的逆序依次检测发射符号向量a的其他各个新检测分量₂^new，₃^new，...，_M-1^new，_M^new，并将最后检测出的新检测分量作为第二参考分量_M^new；以及

比较步骤，用于比较第一检测步骤中得到的第一参考分量_M^old是否与第二检测步骤中得到的第二参考分量_M^new相等；

输出步骤，用于在第一参考分量_M^old与第二参考分量_M^new相等时，输出第二检测步骤中作为已知信号的检测分量₁和其他各个新检测分量₂^new，₃^new，...，_M-1^new，_M^new作为最终检测结果；以及

变更第一参考分量步骤，用于在第一参考分量_M^old与第二参考分量_M^new不相等时，将第二参考分量_M^new变更为新的第一参考分量_M^old′，并将新的第一参考分量_M^old′作为第一检测步骤中新的第一检测分量，并重复以上各步骤的检测过程。

本发明还提供了一种MIMO系统中的V-BLAST检测设备，其包括如下装置：

最优排序装置，用于将最优检测顺序发送到迭代检测装置；

迭代检测装置，用于利用基于最优排序的连续干扰抵消检测方法，按照从最优排序装置获得的最优检测顺序依次检测发射符号向量a的各个检测分量_M^old，_M-1^old，...，₁，并将最先检测得到的发射符号向量a的第一检测分量_M^old作为第一参考分量，之后将发射符号向量a的各个检测分量_M^old，_M-1^old，...，₁中具有最高空间分集阶数的检测分量₁作为已知信号从接收符号向量中抵消掉，再利用基于最优排序的连续干扰抵消检测方法，以最优检测顺序的逆序依次检测出发射符号向量a的其他各个新检测分量₂^new，₃^new，...，_M-1^new，_M^new，并将最后检测得到的新检测分量_M^new作为第二参考分量，与第一参考分量_M^old一起发送到比较输出装置；以及

比较输出装置，用于比较第二参考分量_M^new是否等于第一参考分量_M^old，当经比较两者相等时，则从迭代检测装置读取作为已知信号的检测分量₁和其他各个新检测分量₂^new，₂^new，...，_M-1^new，_M^new作为最终检测结果输出，而当经比较两者不等时，则将第二参考分量_M^new变更为新的第一参考分量_M^old′，并将新的第一参考分量_M^old′送入迭代检测装置，供其利用基于最优排序的连续干扰抵消检测方法进行检测。

本发明的V-BLAST检测方法和装置能够更好地抑制V-BLAST的层间的差错传播，因而能够显著改善V-BLAST的误码性能。

附图说明

图1是基于V-BLAST方案的MIMO系统的示意图；

图2是根据本发明的V-BLAST检测方法的流程图；

图3是图2所示根据本发明的V-BLAST检测方法中比较处理步骤的详细流程图；

图4是根据本发明的V-BLAST检测设备的结构示意图；以及

图5示出根据本发明的V-BLAST检测方法、文献1所公开的Ordering-SIC V-BLAST检测方法以及文献2所公开的V-BLAST检测方法的仿真结果图。