专利名称：一种mimo空间复用的译码方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及MIMO技术领域，特别涉及一种MIMO空间复用的译码方法及一种MIMO 空间复用的译码装置。
背景技术：
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出)是指在发射端使用多 个发射天线，在接收端使用多个接收天线的通信系统，如图1所示，在发射端包括发射信号 处理模块及与发射信号处理模块连接的多个发射天线Si、S2……Smt，在接收端包括接收 信号处理模块及与接收信号处理模块连接的多个接收天线yi、y2……y,发射端经过 调制处理后的发射信号&、S2......〖MT经过发射信号处理模块的处理后经过发射天线Sp
S2……Smt发射出去，接收端通过接收天线yi、y2……yMK接收该信号，并经过接收信号处 理模块的处理后恢复为信号h、y:;…… ΜΚ。ΜΙΜΟ技术的出现，使得通信系统的数据速率、系统容量得到很大的提升，并且提高 了传输质量。MIMO技术的实质就是空间分集或空间复用，相对于发射端有STC (Space-Time Coding，空时编码)或SM(Space-TimeCoding，空间复用)技术。SM技术是指同时在不同发射天线发射不同的数据流，在接收端利用空间丰富的散 射性将发射信号分离出来的一种技术，其中发射端编码方式可以分为水平编码、垂直编码 和对角线编码，由于垂直编码能在性能和译码复杂度之间取得很好的折中，因而目前常用 的是垂直编码，其发射端结构如图2所示，包括信道编码单元、调制单元、串并转换单元、多 个滤波单元、多个数模转换单元及多个射频单元，信号编码单元的输出端经过调制单元与 串并转换单元的输入端连接，串并转换单元有多个输出端，每个输出端分别依次经过滤波 单元、数模转换单元、射频单元与发射天线连接；信号经过信号编码单元编码、调制单元的 调制处理和串并转换单元的转换后变为多路信号，每路信号再经过滤波单元滤波处理、数 模转换单元的数模转换处理、射频单元的频率搬移处理后经过发射天线发射出去。目前对于垂直编码所采用的译码方法有最大似然检测算法、球形检测译码算法、 基于迫零准则的排序串行干扰抵消算法、基于最小均方误差的译码检测算法、矩阵的QR分 解算法、迫零排序QR分解算法、并行译码算法、多层干扰同时抵消的逆序检测算法等。在这些译码方法中，基于迫零准则的排序串行干扰抵消算法、并行译码算法和多 层干扰同时抵消的逆序检测算法都需要对发射信号所需要的MtXMk维加权矩阵W进行求伪 逆计算，根据计算出的加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值，其中W = (HhH+D2) -1Hh, D 为一个对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒数，H表示信道矩阵， 公式中字母右上角的符号小H表示共轭转置，Mt表示所述发射天线数目，Mk表示接收端的 接收天线数目；之后再根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收到 的Mk维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号。在对加权矩阵W进行求伪逆计算中，可以利用QR分解算法和Cholesky分解算法 的其中一种方法进行计算，但计算复杂度比较高；另外也可以直接对加权矩阵W进行矩阵求伪逆计算，但计算复杂度更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算复杂度低的MIMO空间复用的译码方法及一种 MIMO空间复用的译码装置。本发明的技术方案是一种MIMO空间复用的译码方法，包括步骤获取恢复发射端各层发射信号所需要的MtXMk维加权矩阵W;其中W = (Hh^D2)-1Hh, D为一个对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒数，H表 示信道矩阵，Mt表示所述发射天线数目，Me表示接收端的接收天线数目；根据所述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩阵W ；根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值；根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收到的Mr维接收 信号向量萃取出所述发射端各层发射信号。一种MIMO空间复用的译码装置，包括计算模块，用于获取恢复发射端各层发射信号所需要的MtXMk维加权矩阵W;其 中w = (Hh^D2)-1HiSD为一个对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒 数，H表示信道矩阵，Mt表示所述发射天线数目，Mk表示接收端的接收天线数目；并根据所 述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩阵W ；判决模块，用于根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值；萃取模块，用于根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收 到的Mr维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号。本发明的MIMO空间复用的译码方法及MIMO空间复用的译码装置，在 计算所述加权矩阵时利用Greville算法进行计算，计算复杂度比较低。分别统 计QR分解算法、Cholesky分解算法与Greville算法在计算所述加权矩阵的实值 MAC (multiply-accumulate，累积乘法)操作数，如下表 由上表可知，本发明的MIMO空间复用的译码方法及MIMO空间复用的译码装置，采 用了 Greville算法计算加权矩阵，所需MAC操作数比QR分解算法、Cholesky分解算法都 少，可见本发明的计算复杂度比较低。
图1是现有技术中MIMO系统的原理框图；图2是现有技术中MIMO系统的发射端的结构原理框图；图3是本发明MIMO空间复用的译码方法的流程示意图；图4是本发明MIMO空间复用的译码装置的结构示意框图；图5是本发明MIMO空间复用的译码方法和其他译码方法的译码性能的对比曲线 图。
具体实施例方式本发明的MIMO空间复用的译码方法及MIMO空间复用的译码装置，是针对发射端 采用垂直编码方式而使用的，由于将Greville算法应用到本发明计算加权矩阵的过程中， 使得在计算加权矩阵时所需MAC操作数比QR分解算法、Cholesky分解算法都少，可见本发 明的计算复杂度比较低。下面结合附图和具体实施例对本发明做一详细的阐述。实施例一本发明的MIMO空间复用的译码方法，如图1，包括步骤S101、获取恢复发射端各层发射信号所需要的MtXMk维加权矩阵W;其中W = (Hh^D2)-1Hh, D为一个对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒数，H表 示信道矩阵，Mt表示所述发射天线数目，Me表示接收端的接收天线数目。S102、根据所述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩 阵W。在一较优实施例中，根据所述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计 算所述加权矩阵W，具体为根据公式
计算所述加权矩阵W的第一行；其中一表示信道矩阵H的
第一列，Cl1为所述对角矩阵D的第一个对角元素，W1表示所述加权矩阵W的第一行； 根据公式
，Mt 和
计算所述加权矩阵W的第1到第k行数据；其中Wk表示所述加权矩阵W的第1到第k行数 据，I表示单位矩阵，dk为所述对角矩阵D的第k个对角元素，Wk^1表示所述加权矩阵W的 第1到第k-Ι行数据，Hk^1表示所述信道矩阵H的第1到第k-Ι列数据，&表示所述信道矩 阵H的第k列数据。 S103、根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值。在一较优 实施例中，根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值，具体为根据公
式&=以 )得到各层发射信号的初始估计值；其中，丨表示第J层发射信号的初始估i十
值，‘表示所述加权矩阵W的第j行，;为接收端接收到的Mk维接收信号列向量，Q代表对信 号进行的判决操作。
S104、根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收到的Mk维 接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号。在一较优实施例中，步骤S104、根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩 阵和接收端接收到的Mk维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号，具体包括(1)、根据公式￡{《} = 1- ，j = 1，…，Mt计算各层发射信号的初始估计误差 方差，对计算出的初始估计误差方差从大到小进行排序，将初始估计误差方差所对应的各 层发射信号依次记为k1;k2，…，层，第Ic1层的均方误差最大，在萃取各层发射信号时是先 萃取初始估计误差方差最大的那层；其中￡{义2}表示第j层发射信号的初始估计误差方差， &表示所述信道矩阵H的第j列； (2)、进行多层干扰同时抵消处理，先根据公式
计算第Ic1层不含信
道干扰的接收信号向量J为接收端接收到的Mk维接收信号列向量；(3)、根据匪SE准则计算萃取第1^层发射信号所需权向量，即根据公式
计算萃取第ki层发射信号所需权向量 ；(4)、对Α进行判决，即M为萃取出的第ki层发射信号值。在萃取
第k2层时，用已萃取出的第ki层发射信号值(此时已萃取出的第ki层发射信号值的可靠 度远远高于第ki层发射信号的初始估计值)代替第ki层发射信号的初始估计值，再将第ki 层和其余各层信号的影响从接收信号中抵消掉，具体步骤如下首先进行多层干扰同时抵消处理，得到第k2层不含同信道干扰的接收信号向量
，此时公式中的"表示已萃取出的第Ic1层发射信号；然后，根据
MMSE准则求得萃取第1^2层发射信号所需权向量 最后对& 二‘、进行判决，即叫=Qiyk2),从而萃取得到第k2层发射信号值。以此类推，在对第k3层发射信号进行萃取时，是将上述已萃取出的第k1; k2层发射 信号值分别代替各自的初始估计值，然后再根据MMSE准则求得萃取第k3层信号所需权向 量，最后判决萃取得到第k3层发射信号。依次类推，直到萃取出第层发射信号。在另外一种实施例中，步骤S104、根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角 矩阵和接收端接收到的Mk维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号，具体包括(1)、计算各层发射信号的初始估计值的检测后信噪比，对初始估计值的检测后信 噪比从大到小进行排序，将初始估计值的检测后信噪比所对应的各层发射信号依次记为 k1 k2,…，&7层，第Ic1层的检测后信噪比最大，在萃取各层发射信号时是先萃取检测后信噪 比最大的那层；(2)、在萃取第Ic1层的发射信号时，根据公式~ = Q^ ；)得到第Ic1层的发射信号；
其中，&表示萃取出的第h层发射信号，表示所述加权矩阵W的第Ic1行，卩为接收端接收 到的Mk维接收信号列向量，Q代表对信号进行的判决操作。(3)、在萃取第k2层时，需要将第Ic1层发射信号的影响作为干扰从接收信号；中减去，且检测第1^2层时所对应的信道矩阵将变为^^，^il表示将矩阵H的第ki列去掉后由剩 余列所构成的矩阵。然后重复以上检测第h层的过称，即可检测出第k2层。依次类推，直 到萃取出所有层发射信号。在又一实施例中，步骤S104、根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵 和接收端接收到的Mk维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号，具体包括(1)、进行多层干扰同时抵消处理，先根据公式
kMT计算第h层不含信道干扰的接收信号向量^为接收端接收到的Mr维接收信号列向量； 表示第j层发射信号的初始估计值；H表示信道矩阵；(2)、对
进行判决，得到外=Q{yk), k, = k1 k2…，kMT即为萃取出的各层发射信号值。本发明对求加权矩阵W的实值MAC (multiply-accumulate，累积乘数)操作数进行 了统计，硬件实现过程中的一个MAC操作就是两个乘法单元和一个加法单元，而且两个乘 法单元和一个加法单元是一个整体，只要用了其中一个单元，比如说乘法单元，也算做一次 MAC操作。本发明利用Greville算法计算所述加权矩阵的具体过程中，经统计计算:^f、所需 要的MAC操作数为2*MK-1次，得到^共需(2*MK-1+1) = 2*MK次，然后用+々倒 数乘以f，需要2*MK次。总共加起来就是4MK次，所以在计算W1的过程中需要41^次嫩(操 作；同理在计算Wk的时候，所需要的MAC操作数是变量k的函数12(k-l)ME+4ME ；由于
,所以总的 MAC 操作数为 类似推导出QR分解算法在计算加权矩阵的过程中所需的MAC操作数为 MAC2 =6M2TMR - IMTMR + +Cholesky分解算法在计算加权矩阵的过程中所需的MAC操作数为 在MIMO系统中，为了降低接收端的译码难度，Mt彡Mk > 1，即发射天线数目大于等 于接收天线数目。由于 所以QR分解算法在计算加权矩阵的过程中所需的MAC操作数大于本发明利用 Greville算法计算所述加权矩阵所需的MAC操作数；Cholesky分解算法在计算加权矩阵的 过程中所需的MAC操作数也大于本发明利用Greville算法计算所述加权矩阵所需的MAC 操作数。由此可见，本发明的MIMO空间复用的译码方法计算复杂度比较低。但本发明MIMO空间复用的译码方法的译码性能相对于其他译码方法并没有因为 计算复杂度比较低而变差。如图5，在平坦瑞利衰落信道上对一个2发2收的MIMO系统，采 用QPSK调制下进行仿真。接收端的信号可以表示为， 其中信道矩阵H中的每个元素为相互独立的复高斯随机变量，S表示2个发射天线 上发射的信号，N表示噪声，其中每个元素为相互独立的复高斯随机变量，R为接收端接收 的信号矢量，仿真系统中的每根天线发送相互独立的信号，按帧发送信号，每帧30000个符 号，本发明的译码方法的性能曲线图在图5中用Proposed algorithm表示，ZF-OSIC表示 基于迫零准则的排序串行干扰抵消算法的译码性能，ZF-QR表示采用QR分解的迫零排序干 扰抵消算法的译码性能，Old algorithm表示采用多层干扰同时抵消的逆序检测算法的译 码性能，横坐标Eb/No表示信噪比，纵坐标BER表示误比特率。由此可见，但本发明MIMO空 间复用的译码方法的译码性能和采用多层干扰同时抵消的逆序检测算法的译码性能一样； 相对于排序串行干扰抵消算法、基于迫零准则的排序串行干扰抵消算法、采用QR分解的迫 零排序干扰抵消算法，译码性能也相差不大，并没有因为计算复杂度比较低而变差。实施例二相对于实施例一中的MIMO空间复用的译码方法，本发明的MIMO空间复用的译码 装置，如图4，包括计算模块，用于获取恢复发射端各层发射信号所需要的MtXMk维加权矩阵W ；其 中W = (Hh^D2)-1HiSD为一个对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒 数，H表示信道矩阵，Mt表示所述发射天线数目，Mk表示接收端的接收天线数目；并根据所 述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩阵W。判决模块，用于根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值。萃取模块，用于根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收 到的Mr维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号。在一较优实施例中，所述计算模块根据所述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用 Greville算法计算所述加权矩阵W，具体为
-计算所述加权矩阵W的第 第一列，Cl1为所述对角矩阵D的第一个对角元素，W1表示所述加权矩阵W的第一行根据公式
行；其中表示信道矩阵H的 h 根据公式
计算所述加权矩阵W的第1到第k行数据；其中Wk表示所述加权矩阵W的第1到第k行数 据，I表示单位矩阵，dk为所述对角矩阵D的第k个对角元素，Wk^1表示所述加权矩阵W的 第1到第k-Ι行数据，Hk^1表示所述信道矩阵H的第1到第k-Ι列数据，I表示所述信道矩 阵H的第k列数据。在一较优实施例中，所述判决模块根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信
号的初始估计值，具体为根据公式\得到各层发射信号的初始估计值；其中、
表示第j层发射信号的初始估计值，i表示所述加权矩阵w的第j行，;为接收端接收到的 Me维接收信号列向量，Q代表对信号进行的判决操作。所述萃取模块根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收 到的Mk维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号的具体过程和实施例一相同，在此 不赘述。以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
权利要求
一种MIMO空间复用的译码方法，其特征在于，包括步骤获取恢复发射端各层发射信号所需要的MT×MR维加权矩阵W；其中W＝(HHH+D2)-1HH，D为对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒数，H表示信道矩阵，MT表示所述发射天线数目，MR表示接收端的接收天线数目；根据所述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩阵W；根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值；根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收到的MR维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号。
2.根据权利要求1所述的MIM0空间复用的译码方法，其特征在于根据所述信道矩阵 H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩阵W，具体为根据公式 计算所述加权矩阵W的第一行；其中一表示信道矩阵H的第一 列，屯为所述对角矩阵D的第一个对角元素，Wi表示所述加权矩阵W的第一行；根据公式 和 计算 所述加权矩阵W的第1到第k行数据；其中Wk表示所述加权矩阵W的第1到第k行数据，I 表示单位矩阵，dk为所述对角矩阵D的第k个对角元素，Wh表示所述加权矩阵W的第1到 第k-1行数据，Hk_i表示所述信道矩阵H的第1到第k-1列数据，/u表示所述信道矩阵H的 第k列数据。
3.根据权利要求1或2所述的MIM0空间复用的译码方法，其特征在于根据计算出的 所述加权矩阵w得到各层发射信号的初始估计值，具体为根据公式&二gc‘ )得到各层发射信号的初始估计值；其中，~表示第j层发射信号的初始估计值表示所述加权矩阵w的第j行，r为接收端接收到的MK维接收信号列向量，Q代表对信号进行的判决操作。
4.一种MIM0空间复用的译码装置，其特征在于，包括计算模块，用于获取恢复发射端各层发射信号所需要的MTXMK维加权矩阵W;其中W = OfH+D2)—1!!11』为对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒数，H表示信 道矩阵，Mt表示所述发射天线数目，Me表示接收端的接收天线数目；并根据所述信道矩阵H 和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩阵W ；判决模块，用于根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值； 萃取模块，用于根据所述初始估计值、所述信道矩阵、所述对角矩阵和接收端接收到的 Me维接收信号向量萃取出所述发射端各层发射信号。
5.根据权利要求4所述的MM0空间复用的译码装置，其特征在于所述计算模块根据 所述信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算所述加权矩阵W，具体为根据公式 计算所述加权矩阵w的第一行；其中表示信道矩阵H的第一 列，屯为所述对角矩阵D的第一个对角元素，Wi表示所述加权矩阵W的第一行； 所述加权矩阵w的第1到第k行数据；其中Wk表示所述加权矩阵W的第1到第k行数据，I 表示单位矩阵，dk为所述对角矩阵D的第k个对角元素，Wh表示所述加权矩阵W的第1到 第k-1行数据，L表示所述信道矩阵H的第1到第k-1列数据，、表示所述信道矩阵H的 第k列数据。
6.根据权利要求4或5所述的MIM0空间复用的译码装置，其特征在于所述判决模块 根据计算出的所述加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值，具体为根据公式\得到各层发射信号的初始估计值；其中，~表示第j层发射信号的初始估计值，k表示所述加权矩阵W的第j行，^为接收端接收到的MK维接收信号列向量，Q 代表对信号进行的判决操作。
全文摘要
本发明公开了一种MIMO空间复用的译码方法及MIMO空间复用的译码装置，所述译码方法包括步骤获取恢复发射端各层发射信号所需要的MT×MR维加权矩阵W；其中W＝(HHH+D2)-1HH，D为对角矩阵，其对角元素值为发射端各个发射天线的信噪比的倒数，H表示信道矩阵，MT表示发射天线数目，MR表示接收端的接收天线数目；根据信道矩阵H和所述对角矩阵D，利用Greville算法计算加权矩阵W；根据计算出的加权矩阵W得到各层发射信号的初始估计值；根据初始估计值、信道矩阵、对角矩阵和接收端接收到的MR维接收信号向量萃取出发射端各层发射信号。本发明采用了Greville算法计算加权矩阵，所需MAC操作数比QR分解算法、Cholesky分解算法都少，计算复杂度比较低。
文档编号H04L1/06GK101888286SQ200910039368
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月11日 优先权日2009年5月11日
发明者施英, 李燕苹 申请人:京信通信系统(中国)有限公司