專利名稱：用于球形解碼的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于對信號解碼的方法、設(shè)備和處理器控制碼，尤其通過球形解碼的方式。
背景技術(shù)：
球形解碼是一種在信號處理領(lǐng)域具有一定應(yīng)用范圍的技術(shù)。在此要對該技術(shù)在通過MIMO(多輸入多輸出)信道接收到的信號上的應(yīng)用以及在空時解碼上的應(yīng)用進行特別的參考。然而在此描述的本發(fā)明的實施例也可以被應(yīng)用于例如多用戶系統(tǒng)的相關(guān)的系統(tǒng)，以及用于例如在CDMA(碼域多址)系統(tǒng)中的多用戶檢測器的其它類型的解碼。
存在對增長的數(shù)據(jù)速率的傳輸，以及等效地，對已存在的數(shù)據(jù)速率下可用帶寬的更有效利用的持續(xù)需要。目前，例如Hiperlan/2(歐洲)和IEEE802.11a(美國)的WLAN(無線局域網(wǎng))標準提供了高達54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。多個發(fā)射和接收天線的使用具有極大提高這些數(shù)據(jù)速率的潛力，但是對通過MIMO信道接收到的信號進行解碼是困難的，因為單個接收天線接收來自所有發(fā)射天線的信號。多用戶系統(tǒng)中產(chǎn)生類似的問題，盡管通過不同信道發(fā)射的符號當時是不相關(guān)的。因此需要改進的解碼技術(shù)用于MIMO系統(tǒng)。這些技術(shù)在無線LAN中具有應(yīng)用，在第四代移動電話網(wǎng)絡(luò)中具有潛在的應(yīng)用，在很多其它類型的通信系統(tǒng)中也具有應(yīng)用。


圖1示出了典型的MIMO數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)100。數(shù)據(jù)源102將數(shù)據(jù)(包含信息比特或符號)提供給信道編碼器104。信道編碼器典型地包含卷積編碼器，例如遞歸系統(tǒng)卷積(RSC)編碼器，或更強大的所謂turbo編碼器(它包括一個交織器)。輸出的比特比輸入的比特更多，且典型地，速率是二分之一或三分之一。信道編碼器104之后是信道交織器106，以及所圖示的該例中的空時編碼器108。空時編碼器108將進入的符號編碼為多個碼符號，用于從多個發(fā)射天線110的每一個進行同時發(fā)射。
空時編碼可以按照通過編碼矩陣描述的編碼機進行描述，它操作于數(shù)據(jù)以提供空間和時間發(fā)射分集；這之后可以跟隨一個調(diào)制器，以提供已編碼符號用于發(fā)射。空頻編碼可以額外地(或作為替換地)被使用。因此廣泛地說，進入的符號被分布至具有空間和時間和/或頻率坐標的網(wǎng)格中，用于增加的分集?？疹l編碼被使用時，單獨的頻率信道可以被調(diào)制至OFDM(正交頻分復(fù)用)載波上，循環(huán)前綴通常被添加至每個發(fā)射符號，以減輕信道頻散的影響。
已編碼的發(fā)射信號通過MIMO信道112被傳播至接收天線114，它提供了多個至空時(和/或頻)解碼器116的輸入。該解碼器具有消除編碼器108和MIMO信道112的影響的任務(wù)，并且可以由球形解碼器實施。解碼器116的輸出包含多個信號流，每一個信號流代表一個發(fā)射天線，每個數(shù)據(jù)流攜帶所謂的軟或似然數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)關(guān)于具有特定值的發(fā)射符號的概率。該數(shù)據(jù)被提供給信道去交織器118，它反轉(zhuǎn)信道交織器106的影響，接著提供給例如維特比解碼器的信道解碼器120，它對卷積碼進行解碼。典型地，信道解碼器120是SISO(軟輸入軟輸出)解碼器，它接收符號(或比特)似然數(shù)據(jù)并且提供類似的似然數(shù)據(jù)，而不是例如基于其做出硬判決的數(shù)據(jù)，作為輸出。信道解碼器120的輸出被提供給數(shù)據(jù)接收器122，用于以任何所需方式的其它數(shù)據(jù)處理。
在某些通信系統(tǒng)中，使用了所謂的turbo解碼，其中來自信道解碼器120的軟輸出被提供給對應(yīng)于信道交織器106的信道交織器124，它依次將軟(似然)數(shù)據(jù)提供給解碼器116用于迭代的空時(和/或頻)和信道解碼。(將會意識到，在這種配置中，信道解碼器120向解碼器116提供完整的發(fā)射符號，即例如包括檢錯比特。)將會意識到，在上述通信系統(tǒng)中，信道編碼和空時編碼都提供了時間分集，因此該分集在可以獲得的額外信噪比增益的方面遵循回報率下降定律。從而當考慮任何特定的空時/頻解碼器提供的益處時，最好根據(jù)包括信道編碼的系統(tǒng)的情況對它們進行考慮。
通信系統(tǒng)100中最艱難的任務(wù)之一是由解碼器116執(zhí)行的空時(或頻)塊碼(STBC)的解碼，因為它包含試圖將接收機處互相干擾的發(fā)射符號進行分離。最優(yōu)STBC解碼器是后驗概率(APP)解碼器，它對所有可能的發(fā)射符號執(zhí)行徹底搜索。這種解碼器對所有發(fā)射天線考慮每個發(fā)射符號構(gòu)象點，并且計算所有可能的發(fā)射信號，將它們與實際接收信號相比較，且選擇具有最近歐氏距離的構(gòu)象點作為最可能的解。然而即使對于很少數(shù)目的天線，例如16QAM(正交幅度調(diào)制)的調(diào)制方案，以及具有相對短時頻散的信道，要考慮的組合數(shù)目也是巨大的，且該方法的復(fù)雜度隨數(shù)據(jù)速率呈指數(shù)增長。因此，次優(yōu)的方法具有技術(shù)上和商業(yè)上的利益。
一些用于空時塊解碼的常用選擇包括例如強制歸零的線性估計器，以及最小均方誤差(MMSE)估計器。強制歸零方法可以被應(yīng)用于直接計算對發(fā)射符號串的估計，或者可以通過“無效并取消”方法每次確定一個估計符號，該方法在確定下一個符號之前減去先前所計算的符號的影響。例如以這種方式，具有最大把握的符號可以首先被計算。
球形解碼或解調(diào)提供顯著改善的性能，它可以接近APP解碼器的性能，廣泛地說，通過將搜索空間表示為網(wǎng)格(依賴于矩陣信道響應(yīng)和/或空時編碼器)，然后僅在產(chǎn)生位于以接收信號為中心，給定半徑的超球面以內(nèi)的網(wǎng)格點的可能符號串的范圍內(nèi)，搜索對發(fā)射符號串的最佳估計。最大似然解是當被信道修改后，最接近相應(yīng)接收信號的發(fā)射信號。實際上矩陣信道響應(yīng)和/或空時編碼器傾向于使輸入點空間從矩形網(wǎng)格歪斜，且用方便的表示方法，輸入點空間中的搜索區(qū)域變成橢球，而不是球形。
由于搜索空間從整個網(wǎng)格被減少到只有網(wǎng)格的一小部分，搜索所需的計算數(shù)目比APP解碼器所需的少得非常多，但是可以得到相似的結(jié)果。然而，這種程序的實際應(yīng)用中存在一些困難。首先，必須識別哪些網(wǎng)格點在所需的接收信號距離之內(nèi)。這是相對簡單的程序，且在下文中進行概述。而其次，必須決定使用何種半徑。這對搜索速度是至關(guān)重要的，并且應(yīng)該進行選擇使得某些而非過多網(wǎng)格點可能在該半徑內(nèi)被找到?？梢愿鶕?jù)噪聲電平并可選地根據(jù)信道對該半徑進行調(diào)整。然而還存在一個更微妙的問題，該問題是，即使搜索半徑已知，該搜索問題還是無界的，在實際系統(tǒng)中，這意味著球形解碼計算所需的必要時間(以及因此可用數(shù)據(jù)速率)無法被確定。這是本發(fā)明實施例所針對的一個問題。
涉及球形解碼的現(xiàn)有背景技術(shù)可以在如下文獻中找到E.Agrell，T.Eriksson，A.Vardy和K.Zeger的“Closest PointSearch in Lattices”，IEEE Trans.On Information Theory，第48卷，第8期，2002年8月；E.Viterbo和J.Boutros的“A universal latticecode decoder for fading channels”，IEEE Trans.Inform.Theory，第45卷，第5期，第1639-1642頁，1999年7月；O.Damen，A.Chkeif和J.C.Belfiore的“Lattice code decoder for space-time codes”，IEEEComms.Letter，第4卷，第5期，第161-163頁，2000年5月；B.M.Hochwald和S.T.Brink的“Achieving near capacity on amultiple-antenna channel”，http://mars.bell-labs.com/cm/ms/what/papers/listsphere/，2002年12月；“On the expected complexity of sphere decoding”，ConferenceRecord of the Thirty-fifth Asimolar Conference on Signals，Systemsand Computers，2001年，第2卷，第1051-1055頁；B.Hassibi和H.Vikalo的“Maximum-Likelihood Decoding and IntegerLeast-SquaresThe Expected Complexity”，Multiantenna ChannelsCapacity，Coding and Signal Processing，(J.Foschini和S.Verdu編輯)，http://www.its.caltech.edu/～hvikalo/dimacs.ps；A.M.Chan的“Anew Reduced-Complexity Sphere Decoder For Multiple AntennaSystem”，IEEE International Conference on Communications，2002年，第1卷，2002年4月-5月；L.Brunel，J.J.Boutros的“Latticedecoding for joint detection in direct-sequence CDMA systems”，IEEETransactions on Information Theory，第49卷，第4期，2003年4月，第1030-1037頁；A.Wiesel，X.Mestre，A.Pages和J.R.Fonollosa的“Efficient Implementation of Sphere Demodulation”，Proceedingsof IV IEEE Signal Processing Advances in Wireless Communications，第535頁，羅馬，2003年6月15日-18日；2002年7月26日由B.M.Hochwald和S.Ten Brink提交的美國專利申請第US2003/0076890號，“Method and apparatus for detection and decoding of signals receivedfrom a linear propagation channel”，Lucent Technologies，Inc；L.Brunel于2002年8月22日提交的美國專利申請第US2002/0114410號的“Multiuser detection method and device in DS-CDMA mode”，Mitsubishi；H.Vikalo的“Sphere Decoding Algorithms for DigitalCommunications”，博士論文，Standford University，2003；B.Hassibi和H.Vikalo的“Maximum-Likelihood Decoding and IntegerLeast-squaresThe Expected Complexity”，in Multiantenna ChannelsCapacity，Coding and Signal Processing，(編輯J.Foschini和S.Verdu)。
Agrell等人的參考文獻描述了用于無限網(wǎng)格的最近點搜索方法，其中輸入是任意m維整數(shù)，即x∈zm，回顧了網(wǎng)格解碼的基本概念和搜索方法，但是僅描述了提供硬判決輸出的方法。多數(shù)其它參考文獻需要求搜索區(qū)域邊界，盡管如此，它們并不保證計算復(fù)雜度有界的計算。
Wiesel等人描述了一種用于確定搜索半徑的技術(shù)，該技術(shù)通過將半徑設(shè)置為搜索算法找到的K個符號間的最大距離度量 在此，K是求軟輸出所需的預(yù)確定的符號數(shù)目，例如50。初始搜索半徑被設(shè)置為無窮，直到K個符號被找到。當列表滿的時候，即K個符號已經(jīng)被找到，則搜索半徑被設(shè)置為列表中最大的距離度量。堆排序作為一種有效的方法被建議用來對候選列表進行排序，使得候選列表具有K種可能的最短距離度量。這有效地表現(xiàn)為一種建立程序。然而再一次，根據(jù)信道統(tǒng)計，本方法的計算復(fù)雜度沒有被定界。
其它解碼器或檢測器(在此這兩個詞基本上被同義地使用，因為它們都意味著嘗試解決相似的問題，即檢測原始發(fā)射數(shù)據(jù))包括例如維特比解碼器(具有指數(shù)的計算復(fù)雜度)的基于格形的解碼器，以及例如垂直BLAST(Bell實驗室分層空時)解碼器和塊判決反饋均衡器的提供次優(yōu)性能的降低復(fù)雜度的檢測器。
在這一點上，提供球形解碼程序的操作的概要回顧是有幫助的。對于N個發(fā)射符號的符號串，搜索一個N維網(wǎng)格，開始于第N維的層(對應(yīng)于該串的第一個符號)。對于這一層，從所使用的構(gòu)象中選擇一個符號，并且檢驗所產(chǎn)生的網(wǎng)格點距接收信號的距離。如果該網(wǎng)格點在此距離內(nèi)，則該程序選擇一個值用于串中的下一個符號，并且在N-1維中檢驗所產(chǎn)生的網(wǎng)格點距接收信號的距離。該程序繼續(xù)依次檢驗每個連續(xù)符號，且如果所有都在邊界內(nèi)部，它將最終在一維中收斂至一個網(wǎng)格點上。如果一個符號在所選半徑之外，則該程序向回移動一層(維)并且在該層(維)中選擇下一個可能的符號用于檢驗。以這種方式，該程序建立一棵樹，其中最低的節(jié)點對應(yīng)完整的符號串，且其中該樹的第n級的節(jié)點數(shù)目對應(yīng)相關(guān)第n維球形內(nèi)部的網(wǎng)格點的數(shù)目。
當完整的候選符號串被找到時，產(chǎn)生自該符號串的網(wǎng)格點距接收信號的距離被找到，且初始半徑被減小到該距離，使得隨著該樹建立，僅僅識別更接近最大似然解的串。當該樹已經(jīng)被完成時，解碼器可以被用來通過選擇最接近接收信號的網(wǎng)格點提供硬輸出，即最大似然解?？晒┨鎿Q地，可以利用最接近接收信號的網(wǎng)格點的選擇提供軟輸出，例如利用每個網(wǎng)格點距接收信號的距離作為相關(guān)聯(lián)的似然值。堆棧排序已經(jīng)被建議用來選擇其網(wǎng)格點具有距接收信號最近的距離度量的候選者子集，如后文中所述。另一種所建議的方法在整個搜索中設(shè)置一個固定的搜索半徑，并且選擇提供小于該固定搜索半徑的距離度量的候選者子集。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種方法，該方法對被編碼為符號串且通過信道作為接收信號而接收的發(fā)射信號進行解碼，每個發(fā)射符號具有多個值之一，該方法包含搜索一個或多個候選符號串，候選符號串包含一串候選符號，該搜索通過在由信道響應(yīng)確定的多維網(wǎng)格的一個區(qū)域內(nèi)搜索該串的候選符號，該網(wǎng)格的每個維度與該串的每一個符號相關(guān)聯(lián)，該區(qū)域由距接收信號的距離定義；以及用于通過選擇一個或多個候選符號串，為接收信號解碼該符號串；其中對候選符號的搜索包含為發(fā)射符號選擇候選值，以及檢驗由所選候選定義的網(wǎng)格的一部分是否在距接收信號的界定距離之內(nèi)；且其中限制數(shù)目的候選符號檢驗之后，該搜索停止。
在實施例中，限制數(shù)目的候選符號檢驗(和/或候選距離確定)之后停止候選符號搜索限制了計算復(fù)雜度，并且使得解碼發(fā)射信號的過程能夠以固定數(shù)據(jù)速率執(zhí)行，而沒有例如不存在解碼解的風險。該檢驗確定所選的候選，或更嚴格地說，由所選候選產(chǎn)生的網(wǎng)格點或?qū)邮欠裨诰嘟邮招盘柕南拗凭嚯x之內(nèi)。在實施例中，候選符號檢驗包含一種檢驗，它確定符號在限制距離以內(nèi)還是以外，或者符號是否包含所估計的發(fā)射串的最后的符號。因此這三種類別的每一個的情況的數(shù)目可以被計數(shù)，并且在預(yù)確定的限制計數(shù)被達到時，該搜索停止。
在實施例中，該(初始)限制距離或半徑對解碼過程仍然具有影響，即它影響例如由預(yù)確定數(shù)目的候選符號檢驗構(gòu)造的樹。由于該原因，限制距離或半徑可以例如依賴于噪聲或噪聲方差和/或信道響應(yīng)而被修改。
該程序試圖對該串的每個符號檢驗一個候選值，但是依賴于信道和接收信號，在樹的末節(jié)點處具有至少一個用于一個串的完整的候選符號集合的完整的樹可能不能被構(gòu)建。當該搜索無法定位一個候選符號串時，線性，最好是強制歸零估計可以被提供為該解碼過程的輸出。任何線性估計，例如具有連續(xù)干擾消除的線性估計，以及MMSE解都可以被使用。通常，每個符號由一個或多個比特定義，因此該符號串定義一個比特串。于是該解碼可能包含(或還包含)為該比特串的每個比特提供概率值。當候選符號串沒有被定位時，強制歸零解的符號可以被用于計算這種軟比特值。
該解碼可以通過選擇最小距離候選符號串用于輸出而提供硬輸出，或者可以提供所謂的軟輸出，它事實上包含多個已解碼的符號串，每個符號串具有一個相關(guān)聯(lián)的概率，例如依賴于產(chǎn)生自符號串的網(wǎng)格點距接收信號的距離。該搜索搜索候選符號串，它在該信道響應(yīng)所確定的多維網(wǎng)格的一個區(qū)域內(nèi)形成網(wǎng)格點。軟輸出可以事實上包含由該搜索找到的所有候選符號串(的概率)，以避免對排序的需要。每個符號通常關(guān)聯(lián)于一個或多個發(fā)射比特，并且該解碼還可以包含為這些比特的每一個提供概率值，例如基于由該搜索找到的所有候選符號串而被確定，其中至少一個候選符號串被找到(如下文中參考式27所進一步描述的)。一個比特的概率值可以通過基于其中該比特分別具有第一個和第二個邏輯值的(已識別的候選串的)符號集合，取該比特具有第一個和第二個邏輯電平的似然值的比而確定。當對于一個比特，候選串中沒有符號具有這些值之一(或其它)，且這種比不能被計算，可以提供用于該比特的默認概率值，例如基于用于另一個邏輯值的最小距離度量，或者包含默認的最大值，例如50。
在這些優(yōu)選實施例中，對候選符號的搜索以例如根據(jù)接收信號和信道響應(yīng)而確定的距發(fā)射信號的強制歸零估計(或另一種線性或計算簡單的估計)的距離增加的順序進行。此方法可應(yīng)用于搜索各層(使得例如搜索可以從符號串中具有高置信度的一個符號開始)和/或在一層(維)或樹節(jié)點選擇構(gòu)象的連續(xù)符號。
該符號串可包括從多用戶通信系統(tǒng)中的多個用戶發(fā)送的符號，或者在MIMO通信系統(tǒng)中從多個發(fā)射天線發(fā)送并由多個接收天線接收的符號串中(在兩種情況下信道都包括矩陣信道形式)。在MIMO通信系統(tǒng)中，符號串可包括空時塊碼(STBC)的符號、空時格碼(STTC)的符號、空頻碼的符號或空時/頻碼的符號。空頻編碼信號通過例如在多載波OFDM系統(tǒng)中的多個頻道編碼，在這種情況下，解碼器可位于串并變換器和快速傅里葉變換器之后，而在逆傅里葉變換器和并串變換器之前。
將會意識到，上述方法可以被用于例如具有交織決解碼和信道解碼的turbo解碼器中。
本發(fā)明還提供了配置以實施上述方法的解碼器，以及包括這種解碼器的接收機。
因此在另一個方面，本發(fā)明提供了一種解碼器，該解碼器用于對被編碼為符號串且通過信道作為接收信號而接收的發(fā)射信號進行解碼，每個發(fā)射符號具有多個值之一，該解碼器包含用于搜索一個或多個候選符號串的裝置，一個候選符號串包含一串候選符號，該搜索通過在由信道響應(yīng)確定的多維網(wǎng)格的一個區(qū)域內(nèi)搜索該串的候選符號，該網(wǎng)格的每個維度與該串的每一個符號相關(guān)聯(lián)，該區(qū)域由距接收信號的距離定義；以及用于通過選擇一個或多個候選符號串，為接收信號解碼符號串的裝置；其中用于搜索候選符號的裝置被配置以為發(fā)射符號選擇候選值，并且檢驗由所選候選定義的網(wǎng)格的一部分是否在距接收信號的界定距離之內(nèi)；且其中限制數(shù)目的候選符號檢驗之后，該搜索停止。
在本發(fā)明的以上方面，多維網(wǎng)格可以額外地或作為替換地由發(fā)射機處所用的空時或其它編碼確定。
在另外一個相關(guān)方面，本發(fā)明提供了用于對通過MIMO信道發(fā)射的包含一個符號串的接收信號進行解碼的解碼器，該解碼器包含一種球形解碼器，它通過在候選符號的接收信號空間中為該串確定距接收信號的距離，在接收信號的半徑內(nèi)搜索候選發(fā)射符號串，并且提供已解碼數(shù)據(jù)輸出；以及一種球形解碼器控制器，它對距離確定進行計數(shù)，且控制該球形解碼器響應(yīng)于該計數(shù)停止搜索。
該解碼器最好還包括符號估計器，以確定發(fā)射符號的初始估計，且該球形解碼器于是可以開始于該初始估計，通過確定距離度量，搜索在接收信號的半徑內(nèi)產(chǎn)生網(wǎng)格點的候選發(fā)射符號串。
技術(shù)人員將會想到，上述方法和解碼器可以用處理器控制碼實施和/或體現(xiàn)。因此在另一個方面中，本發(fā)明例如在例如磁盤、CD-或DVD-ROM的載體媒體上，例如只讀存儲器(固件)的被編程的存儲器，或者在例如光或電信號載體的數(shù)據(jù)載體上提供了這種碼。本發(fā)明的實施例可以在DSP(數(shù)字信號處理器)、ASIC(專用集成電路)或FPGA(場可編程門陣列)上實施。因此該碼可以包含常規(guī)編程碼，或微碼，或例如用于建立或控制ASIC或FPGA的碼。在一些實施例中，該碼可以包含用于例如Verilog(注冊商標)或VHDL(超高速集成電路硬件描述語言)的硬件描述語言的碼。如技術(shù)人員將意識到的，用于本發(fā)明的實施例的處理器控制碼可以被分布在相互之間通信的多個耦合元件之間。
現(xiàn)在將參考附圖以舉例方式對本發(fā)明的這些以及其它方面作進一步描述。
附圖簡述圖1和圖2分別示出了使用球形解碼器的MIMO空時編碼的通信系統(tǒng)的例子，以及球形編碼器樹搜索的圖示；圖3至圖5分別示出了體現(xiàn)本發(fā)明的一個方面的球形解碼程序的流程圖，圖3的程序的概括，以及根據(jù)本發(fā)明的一個方面的實施例的球形解碼后置處理程序；圖6示出了并入配置以根據(jù)本發(fā)明的一個實施例工作的球形解碼器的接收機；圖7示出了具有串聯(lián)編碼器的發(fā)射機的方框圖；圖8示出了用于與圖7的發(fā)射機一起使用的具有串聯(lián)解碼器的接收機的方框圖；圖9示出了用于與圖7的發(fā)射機一起使用的具有串聯(lián)解碼器和迭代解碼的接收機的方框圖；圖10示出了在兩個等效解碼器之間使用迭代反饋的接收機的方框圖；以及圖11示出了誤比特率對接收信噪比，比較對于具有和不具有信道編碼的信號，根據(jù)本發(fā)明的解碼器實施例與最大后驗概率(MAP)解碼。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例本發(fā)明的實施例針對球形解碼概念的可變計算復(fù)雜度問題，且尤其通過限制要被執(zhí)行以為發(fā)射符號尋找可能候選的搜索的數(shù)目限制計算復(fù)雜度。此外，本發(fā)明的實施例提供了如果沒有找到充足的候選以近似發(fā)射比特的最大后驗似然，求軟輸出的方法。本發(fā)明的實施例參考(但不限于)空時解碼或檢測進行討論。
考慮具有nT個發(fā)射和nR個接收信號(或等效地，分別具有nT個和nR個分量的發(fā)射和接收信號)的空時傳輸方案。每一時刻1×nR個接收信號向量給出如下r~k=s~kH~k+v~k]]>式1其中s~k=s~k1···s~knT]]>表示發(fā)射信號向量，其條目是從具有M＝2q個可能信號點的復(fù)構(gòu)象C中選擇的，其中q是每個構(gòu)象符號的比特數(shù)目。AWGN(加性白高斯噪聲)向量 是每個實分量方差為σ2的獨立零均值復(fù)高斯條目的1×nR向量。記號 表示nT×nR的多輸入/多輸出(MIMO)信道矩陣，假設(shè)它在接收機處是已知的或被估計，具有n行m列分量hn，m，n＝1，…，nT，m＝1，…，nR表示第n個發(fā)射信號和第m個接收信號之間的窄帶平衰落。在符號持續(xù)時間內(nèi)，信道衰落可以被假設(shè)為常數(shù)。
在接收機中，MIMO信道估計 可以利用訓(xùn)練序列以常規(guī)方式獲得。例如可以從每個發(fā)射天線依次(為避免干擾問題)發(fā)射一個訓(xùn)練序列，每一次對所有接收天線進行監(jiān)聽，以描述從該發(fā)射天線到接收天線的信道。這不需要構(gòu)成顯著的開銷，并且在訓(xùn)練之間數(shù)據(jù)速率很高，而且例如對于慢變化室內(nèi)信道，訓(xùn)練可以僅例如每0.1秒執(zhí)行一次?？晒┨鎿Q地，可以同時從所有發(fā)射天線發(fā)射正交的序列，盡管由于這會發(fā)生干擾問題而增加訓(xùn)練的復(fù)雜度。
所有線性空時塊編碼的發(fā)射方案都可以被寫為式1的形式。例如，BLAST(G.J.Focshini的“Layered space-time architecture forwireless communication in a fading environment when usingmulti-element antennas”，Bell Labs.Tech.J.，第1卷，第2期，第41-59頁，1996)使用了發(fā)射天線以發(fā)送具有分層結(jié)構(gòu)的信號，并且因此nT表示發(fā)射天線的數(shù)目，nR表示接收天線的數(shù)目，且 是真實的MIMO信道矩陣。另一個例子包含正交設(shè)計(S.M.Alamouti的“Asimple transmitter diversity scheme for wireless communications”，IEEE J.Sel.Area Comm.，第1451-1458頁，1998年10月；以及V.Tarokh，H.Jafarkhanni和A.R.Calderbank的“Space-time blockcodes from orthogonal designs”，IEEE Trans.Info.Theory.，第45卷，第1456-1467頁，1999年7月)和線性頻散碼(B.Hassibi和B.Hochwald的“High-rate codes that are linear in space and time”，IEEE Trans.Info.Theory.，第48頁，第1804-1824頁，2002年7月)，其中 是由使用一個或多個真實信道推導(dǎo)出的有效信道。
為討論的簡單起見忽略時間標號k，發(fā)射符號 的第n個分量 使用如下符號映射函數(shù)獲得s~n=map(xn),n=1,···,nT]]>式2其中xn=x1n···xqn]]>式3是具有q個發(fā)射數(shù)據(jù)比特的向量，且q是每個構(gòu)象符號的比特數(shù)目。(然而更一般地， 表示通過空間和/或時間和/或頻率進行編碼的符號串，且n遍歷該串的長度)。因此長度為(q·nT)的發(fā)射比特向量可以被表示為x=x1···xnT]]>式4且發(fā)射向量構(gòu)象可以被寫為s~=map(x)]]>式5以用于式1的空時傳輸?shù)慕邮招盘?為條件的最大后驗概率(APP)比特檢測可以被表達為如下的似然比(LLR)
LP(xjn|r~)=lnP(xjn=+1|r~)P(xjn=-1|r~)]]>=LA(xjn)]]> n＝1，…，nTj＝1，…，q 式6且LE(·)項可以被近似為 式7其中x是可能發(fā)射比特的序列，x[n，j]表示通過忽略x的元素xjn而獲得的x的子向量，且LA，[n，j]表示所有LA值的向量，也省略對應(yīng)比特xjn的元素；且其中對式6的求和中的每一項，由式5給出，x作為求和符號下面的向量，且其中‖·‖表示歐幾里德范數(shù)。集合Xn，j+1和Xn，j-1分別是2(q·nT-1)個具有xjn=+1]]>和xjn=-1]]>的比特向量x的集合，即Xn,j+1={x|xjn=+1}]]>且Xn,j-1={x|xjn=-1}.]]>換句話說，例如式6的分子中的求和遍歷所有具有比特xjn=+1]]>的符號。
符號是對可能發(fā)射比特向量x的映射。函數(shù)Lp(·)、LA(·)和LE(·)分別指示后驗、先驗和外部似然。先驗似然LA(·)可以從例如來自(用于例如迭代turbo解碼的)信道編碼器的先驗輸入推導(dǎo)出，或者可以被設(shè)置或被初始化例如為零(對數(shù)似然比L(·)為0意味著+1和-1是等概率的)。
式6是最優(yōu)的最大后驗概率(MAP)解，且式7提供了對MAP解的最大對數(shù)近似(有時稱作最大對數(shù)MAP解)。本發(fā)明的實施例能夠提供式6和式7的解法的近似。
根據(jù)式6，APP檢測需要無一遺漏地對對應(yīng)于集合X+1和X-1中元素數(shù)目的2q·nT個距離度量 求值。APP檢測的計算復(fù)雜度隨每符號比特的數(shù)目q和空間復(fù)用發(fā)射符號的數(shù)目nT呈指數(shù)增長。一種用于近似式6的方法是僅包括集合X+1和X-1中對下式成立的候選||r~-s^H~||2≤ρ2]]>式8a‖r-H‖-σ2xT·LA≤ρ2式8b其中式8a沒有先驗知識，而式8b具有先驗知識，其中ρ是球形解碼的邊界半徑。
該近似假設(shè)提供由式8a和式8b定義的邊界以外的距離度量的候選不對APP檢測(見式6)提供有效貢獻。該球形解碼算法提供了快速找到或者滿足式8a或者滿足式8b的候選列表的程序。
原始球形解碼器，也被稱為網(wǎng)格解碼器，(Viterbo和Boutros，如上)提供了最大似然估計，它是用于實構(gòu)象和信道的發(fā)射符號的硬輸出，將通信系統(tǒng)表示為網(wǎng)格。在此我們基于此原始想法，描述適合于多天線系統(tǒng)的軟輸入/軟輸出球形解碼器的一個特定的實施例。
為了獲得多天線系統(tǒng)的網(wǎng)格表示，式1的復(fù)矩陣表示(忽略時間標號k)可以被變換為維度是原始系統(tǒng)兩倍的實矩陣表示，如下r＝sH+v 式9其中 式10 式11 式12 式13我們可以在球形解碼器的以下描述中使用式9至式13的實值表示。使用用于網(wǎng)格理論中的術(shù)語，使用網(wǎng)格理論中所用的術(shù)語，信道的實值表示H是網(wǎng)格的生成矩陣，信道輸入(發(fā)射信號)s是網(wǎng)格的輸入點，且無噪信道輸出項sH定義一個網(wǎng)格點。
n維網(wǎng)格可以被分解為(n-1)維的各層。用于n維網(wǎng)格的搜索算法可以被遞歸地描述為有限數(shù)目的n-1維搜索算法。Viterbo和Boutros(如上)根據(jù)該搜索的三種不同狀態(tài)或情況描述了該搜索算法表1

如果從信道矩陣的QR分解或Cholesky分解(有時被稱為取矩陣的平方根)推導(dǎo)出的下三角矩陣UT被用作網(wǎng)格的生成矩陣，該搜索程序可以被簡化。例如，如果使用QR分解(見例如G.H.Golub和C.F.van Loan的Matrix Computations，John Hopkins UniversityPress，1983)，下三角矩陣UT(和上三角矩陣U)被定義如下UTU＝HTH 式14在此，網(wǎng)格搜索包含一般的無效并取消，其中找到滿足式8的向量的一個分量后，它對距離度量的貢獻被減去。然而(與普通的無效并取消試探法不同)，的分量并不固定，直到滿足式8的整個向量被找到。因此，該算法基本上執(zhí)行對如圖2中所示的樹的搜索，其中樹的第n級上的節(jié)點對應(yīng)子向量[n…nT]。
進一步描述該搜索算法所用的距離度量，我們現(xiàn)在假設(shè)生成矩陣是下三角矩陣。在第n維網(wǎng)格搜索或搜索第n個發(fā)射信號期間，接收信號r到標號為s^n∈Creal]]>的層的正交距離被定義如下，其中Creal是實值符號構(gòu)象表示
dn=|r^nhn,n-s^n|·|hn,n|]]>=|en,n-s^n|·|hn,n|]]>式15其中 是n維空間中投影接收信號的第n個分量，已經(jīng)找到更高級別的發(fā)射符號n+1，…nT(在本例中我們假設(shè)nT＝nR)。項en，n是根據(jù)該投影接收信號，對第n個發(fā)射符號的估計。其余發(fā)射符號的估計i，i＝1，…，n可以被遞歸地獲得如下(見Agrell等人，如上)en,j=en+1,j-dn+1hi,n+1]]>其中i＝1，…，n 式16因此，距離度量dn可以根據(jù)所搜索的當前發(fā)射符號n和先前找到的更高級別的發(fā)射符號n+1，…，nT進行更新。由于第n+1維網(wǎng)格搜索期間的距離度量與所找到的第n+1個發(fā)射符號不同，第n維搜索所用的邊界可以被更新如下ρn2=ρn+12-dn2]]>式17描述過該搜索算法中所用的距離度量，現(xiàn)在將說明要被搜索的構(gòu)象符號的排序。距離度量(現(xiàn)在使用實值表示)可以被寫為如下‖r-H‖2＝(-s″)THTH(-s″)＝rT(I-H(HTH)-1HT)r 式18其中s″＝(HTH)-1HTr式19是發(fā)射信號s的未被約束的最大似然估計，且也被稱作強制歸零解。因此，可以對式8中給出的邊界重新定義如下(-sn)THTH(-sn)≤ρ2式20觀察到，滿足式20的的范圍以強制歸零解s″為中心圍繞。因此要在第n級被搜索的符號s^n∈Creal,]]>并且最好根據(jù)距第n級的強制歸零解s″n的距離增加的順序排列。例如，如果符號構(gòu)象是4PAM(脈沖幅度調(diào)制)，即Creal＝{-3，-1，+1，+3}，且在第n級別搜索處的強制歸零解為s″n＝-1.1，要被搜索的符號被排序為{-1，-3，+1，+3}。這避免了搜索上邊界和下邊界的顯示計算。根據(jù)上述順序搜索可能的發(fā)射符號，并且當距離度量超過邊界時，第n級處的搜索被停止，即對于被搜索的當前符號n，dn2>ρn2]]>式21搜索前進至下一個搜索層次或級別。該排序可以通過查找表來完成，該查找表存儲所有可能的組合。例如，給定一個c×M矩陣Φ，其中c＝2M是符號搜索組合的數(shù)目，且M是可能信號點的數(shù)目，用于強制歸零解s″n的所排序的向量slist由Φ的第i行給出，如下slist＝Φ(i)其中 式22且 指示向無窮大的方向取整。廣泛地說，該技術(shù)包含Agrell等人所描述的Schnorr-Euchner策略的修改模式。
利用查找表對要被搜索的符號排序的方法在A.Wiesel，X.Mestre，A.Pages和J.R.Fonoilosa的“Efficient Implementation ofSphere Demodulation”，Proceedings of IV IEEE Signal ProcessingAdvances in Wireless Communications，第535頁，羅馬，2003年6月15-18日，中更詳細地被描述，通過參考被并入于此。
強制歸零解s″n(或其它線性估計)在每個搜索層次處被重新估計，因為先前搜索中找到的符號n+1被抵消，以獲得具有n個未知數(shù)的降次的整數(shù)最小平方根問題(見式15和式16)。
搜索半徑可以響應(yīng)于噪聲和/或信道條件被設(shè)置。需要軟輸出時，如下所述，所找到的全部符號可以被用于軟輸出求值，以避免排序算法的額外復(fù)雜度。
概括地，該程序包含三個主要過程i)將多輸入多輸出(MIMO)信道變換為網(wǎng)格表示。
ii)搜索程序，在硬檢測的情況下它搜索距接收信號最近的網(wǎng)格點，或者在軟檢測的情況下它搜索接收信號周圍的網(wǎng)格點集合。當軟輸入可用時，提供了發(fā)射符號或碼字的先驗概率，它可以被利用以輔助該搜索(也見例如H.Vikalo和B.Hassibi，“Low-ComplexityIterative Detection and Decoding of Multi-Antenna SystemsEmploying Channel and Space-Time Codes，”Conference Record ofthe Thirty-Sixth Asilomar Conference on Signals，Systems andComputers，第1卷，2002年11月3-6日，第294-298頁；以及H.Vikalo和B.Hassibi的“Towards Closing the Capacity Gap on MultipleAntenna Channels”，ICASSP’02，第3卷，第III-2385-III-2388頁)。
iii)當需要軟輸出時，提供基于軟輸入和搜索區(qū)域中找到的網(wǎng)格點集合的軟輸出(對于硬檢測球形編碼器來說并不必要)。
如前所述，已知的球形解碼器的缺點在于可變的計算復(fù)雜度，它依賴于信道和所用空時編碼的類型，該計算復(fù)雜度不是有邊界的或確定的。然而在此，由于搜索所需的距離度量dn計算確定了實際計算復(fù)雜度，我們通過設(shè)置或限制所執(zhí)行的搜索的最大數(shù)目，限制球形編碼器的計算復(fù)雜度。
用于球形解碼器實施這種程序的流程圖示于圖3中。在基于具有修改的常規(guī)球形解碼程序的圖3中，網(wǎng)格的生成矩陣H(F＝H-1，其中F是三角矩陣)是通信系統(tǒng)的網(wǎng)格表示，且接收信號為r(以與用于該搜索過程的生成矩陣相同的方式被預(yù)處理)。該程序的輸出為sML、symbollist和distlist。輸出sML是對應(yīng)于最接近接收信號r的網(wǎng)格點的網(wǎng)格輸入(發(fā)射信號)，且是最大似然解。輸出symbollist是對應(yīng)于在搜索區(qū)域中找到的網(wǎng)格點的網(wǎng)格輸入的列表。輸出distlist是對應(yīng)symbollist中的網(wǎng)格輸入的距離度量列表。
搜索區(qū)域由搜索半徑ρ2定義。函數(shù)SortedList(en，n)根據(jù)距信號en，n的距離增加的順序提供了要被搜索的可能符號的有序列表。因此slistn是長度為M的向量(由于slist為NxM的矩陣)，且stepn從1到M計數(shù)。記號slistn，i指向量slistn的第i個元素。第n維搜索處的強制歸零解由en:＝rF給出。未知數(shù)的數(shù)目(要被估計的符號串的長度)為N(應(yīng)牢記在心，當I和Q分量要被估計時，每個符號有兩個未知數(shù)，因此未知數(shù)的數(shù)目加倍)且(構(gòu)象中)被搜索的可能符號的數(shù)目為M。
三種情況A、B和C如上所述；廣泛地說該過程初始化n＝N，并且以slist的順序檢驗各符號，直到所有都已經(jīng)被檢驗(全部被檢驗是真實的，當?shù)趎維搜索處，slistn中的所有符號已經(jīng)被檢驗)，當在搜索半徑ρ2以外時移動一層(情況C)，且當回到樹的頂部(n＝＝N)時結(jié)束。被檢驗的情況(A、B或C)的總數(shù)目，即所確定的距離度量dn的數(shù)目，通過變量n_searched進行計數(shù)，且當它超過限制值max_n_searched時，該程序停止。
這在圖4中被概括，它根據(jù)該搜索的不同狀態(tài)或情況(見表1)，將該搜索程序分為三個不同的處理決，根據(jù)數(shù)據(jù)復(fù)用器識別出情況A、B還是C，將數(shù)據(jù)復(fù)用至處理A、B或C。對每次經(jīng)過環(huán)路(或每個復(fù)用操作)都保持一個計數(shù)，且當達到一個極限時，該程序停止。該極限可以根據(jù)應(yīng)用或數(shù)據(jù)速率被預(yù)先確定或選擇。每個處理塊(A、B、C)求網(wǎng)格或?qū)拥木嚯x度量，求搜索的狀態(tài)，且選擇下一個要被搜索的網(wǎng)格點(或?qū)?。數(shù)據(jù)流和處理塊根據(jù)定義搜索狀態(tài)的條件或情況進行選擇。因此搜索的“迭代”的最大數(shù)目可以根據(jù)檢測器的實施所需的或可用的(例如預(yù)定義的)最大flops(每秒的浮點運算)數(shù)量、速度或數(shù)據(jù)吞吐量(每秒的數(shù)據(jù)比特)數(shù)目進行設(shè)置。通過限制搜索數(shù)目，球形編碼器的計算復(fù)雜度可以因此被限制。
廣泛地說，因此在本發(fā)明的實施例中，一種球形解碼器，通過定義由球形解碼程序執(zhí)行的最大搜索數(shù)目，具有有界的或被限制的最大復(fù)雜度。這使得該程序的魯棒性可以被根據(jù)預(yù)確定的計算復(fù)雜度(或flops)、數(shù)據(jù)吞吐量或速度而被定義，該魯棒性可用于應(yīng)用，或者對應(yīng)用期望該魯棒性。
優(yōu)選球形解碼器結(jié)構(gòu)的其它特征在下文所述。它們中的一個或多個可以結(jié)合上述搜索限制程序，或在其它常規(guī)解碼器中單獨被實施。
如果沒找到候選，即對于要被檢驗的或要被搜索的預(yù)定義的最大數(shù)目的點(或?qū)τ陬A(yù)定義的搜索區(qū)域大小)，沒有n維網(wǎng)格、數(shù)據(jù)符號或碼在搜索區(qū)域中被找到，強制歸零解(或例如MMSE解的另一種線性解)可以被提供為所估計的發(fā)射串符號或碼字。該強制歸零解可以是從第一次搜索推導(dǎo)出的強制歸零解，或者是在每個搜索層次處重新估計的強制歸零解之一，其中先前找到的符號的影響被消除。在后者的情況中，該“消除”被排序，使得該消除從“最強的”到“最弱的”信號被執(zhí)行。排序后的強制歸零解可以通過使用排序的QR分解對網(wǎng)格生成矩陣進行預(yù)處理而獲得(見例如D.Wubben，R.Bohnke，J.Rinas，V.Kuhn和K.D.Kammeyer的“Efficient algorithm fordecoding layered space-time codes”，IEEE Electronics Letters，第37卷，第1348-1350頁，在此通過參考被并入)?？梢砸蕾囉诳傮w應(yīng)用對強制歸零解作出選擇。
軟消息可以從強制歸零解s″(或其它線性解)推導(dǎo)，如下面的式23或24所示。
LP(xjn|s′′n)=lnP(xjn=+1|s′′n)P(xjn=-1|s′′n)]]>=LA(xjn)]]> n＝1，…，nTj＝1，…，q 式23或者，使用最大對數(shù)MAP近似 式24其中s″n是式19中給出的強制歸零向量的第n個元素，s是映射自長度為q的比特向量xn的符號，即sn＝map(xn)。集合Yn，j+1和Yn，j-1分別是2(q-1)個具有xjn=+1]]>和xjn=-1]]>的比特xn的向量的集合。對于硬檢測，強制歸零向量s″可以被提供作為輸出。
對于第n個元素的噪聲方差 是線性檢測器的輸出處的已濾波的噪聲方差。對于強制歸零線性檢測器，已濾波的噪聲方差由 給出，其中 是強制歸零濾波器系數(shù)(H+H)-1H+的第n個行向量(見JianhuaLiu和Jian Li的“A simple Soft-Detector for the BLAST System”，Workshop Proceedings of Sensor Array and Multichannel SignalProcessing，2002年8月4-6日，第159-163頁，在此通過參考被并入)。
當最少一個候選符號串被找到，則包含比特似然值(例如對數(shù)似然比值，LLR)的軟輸出可以使用下面的式27確定。將要意識到，最可能的比特值將不必對應(yīng)最可能的符號串中的符號，因為該比特值事實上是通過對其中給定比特的值為+1和-1的(所找到的)多個候選符號串求平均而確定的。將要意識到，當其中給定比特值為+1和-1的候選符號串沒有被找到時，對應(yīng)于式27中的分子(或分母)或零，這種方法中存在困難。這種困難可以如下所描述。
對于對應(yīng)分別包含比特xjn=+1]]>和xjn=-1]]>的候選者的列表L+1或L-1被發(fā)現(xiàn)為空的情況，默認的LLR值根據(jù)其它非空列表中找到的符號數(shù)目和/或其距離度量給出。例如，如果L-1是空的，在列表L+1中找到的最小距離度量為dmin2，外部LLR被近似如下 式25可供作為替換地，如果非空列表具有可觀數(shù)目的候選者(例如大于一個閾值數(shù)目)，并且假設(shè)還未被找到的候選者具有大的距離度量(因為該搜索的最大允許距離度量已經(jīng)被計算)，可以提供默認最大LLR值LMAX，例如， 式26在硬檢測的情況中，默認LLR值可以通過LMAX＝1的式26確定。選擇如何求默認LLR的值將依賴于總體系統(tǒng)設(shè)計。
下面我們描述搜索策略。對于在接收信號或輸出空間處由球形半徑定義的具體球形搜索區(qū)域，如式8所示，在發(fā)射信號或輸出空間處具有相應(yīng)的搜索約束。在本發(fā)明的實施例中，避免對搜索約束的下界和上界的顯式計算是通過對已搜索的層進行排序，使得第n維搜索處首先搜索的層為輸入空間中強制歸零解的第n個元素。隨后的搜索最好使得要被搜索的層的順序在輸入空間中以距強制歸零解的距離增加的順序排列。當被搜索的第n維層的累積距離度量關(guān)于接收信號大于球形半徑時，被搜索的第n層被認為是當前搜索層次的輸入邊界，且在下一個搜索層次上執(zhí)行網(wǎng)格搜索。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向比特概率值，來自球形解碼器的搜索過程的距離度量可以被軟信息計算塊傳遞和利用，該軟信息計算塊提供來自解碼器的軟輸出。再次回顧式6，關(guān)于以接收信道向量r為條件的被解碼或被檢測的比特xjn的后驗LLR的軟輸出可以被估計如下LP(xjn|r)]]>=LA(xjn)+lnΣx∈L+1exp(12σ2||r-sH||2+12x[n,j]TLA,[n,j])Σx∈L-1exp(12σ2||r-sH||2+12x[n,j]TLA,[n,j])]]> 或者可作為替換地，是用最大對數(shù)MAP近似， 式27其中s是比特向量x的空時符號映射，H是MIMO信道矩陣，項σ2是每個實分量的噪聲方差，L+1是搜索程序中所找到的對應(yīng)符號列表的比特向量x集合，其元素包含比特xjn=+1,]]>x[n，j]表示通過省略比特xjn的x的子向量，且LA，[n，j]表示所有后驗LLRLA的向量，也省略了表示xjn的LLR的元素。
噪聲方差可以用任何方便的方式獲得，依賴于整體系統(tǒng)設(shè)計。例如，該噪聲方差可以在對信道沖擊響應(yīng)進行估計的訓(xùn)練期間獲得。在訓(xùn)練期間，發(fā)射符號序列是已知的。結(jié)合所估計的信道沖擊響應(yīng)，獲得“無噪”接收信號。該噪聲方差可以通過在“訓(xùn)練期間”，已知“無噪”接收信號序列，求接收信號序列的噪聲統(tǒng)計量來估計。
項dx2是從該搜索算法獲得的距離度量，它對應(yīng)從比特向量x的空時符號映射獲得的符號s。后驗LLRLA可以從至球形解碼器的軟輸入獲得。項LE是外部LLR。后驗概率LLRLA可以從例如信道解碼器或另一個空時解碼器的外部元件獲得。如果使用迭代解碼結(jié)構(gòu)，后驗LLRLA也可以是來自先前迭代的解碼的外部LLRLE。依賴于應(yīng)用，軟輸出提供后驗概率或外部LLR。
式27中求和的對數(shù)的計算可以通過常規(guī)雅可比對數(shù)關(guān)系(見例如P.Robertson，E.Villebrun和P.Hober的“A comparison of optimaland sub-optimal MAP decoding algorithm operating in the logdomain”，IEEE Intern.Conf.On Commu.，1995，第1009-1013頁)或“最大對數(shù)”近似進行近似。如前所討論的，對于L+1和L-1中的一個或兩個都被發(fā)現(xiàn)為空，或沒有對應(yīng)xjn=+1]]>或/且xjn=-1]]>的符號被找到的情況，可以通過在另一個非空列表中找到的符號數(shù)目給出默認的LLR值。如果兩個列表都是空的，基于軟強制歸零解的常規(guī)LLR值可以被提供。
響應(yīng)于列表L+1和L-1的占用情況(即所找到的值為給定比特+/-1的候選解(網(wǎng)格點)的數(shù)目)，基于式27、式23/24或式25/26至解碼器的輸出選擇在圖5的流程圖中被概括。
如圖5所示，如果該球形解碼算法在知道它已經(jīng)達到距接收信號最近的網(wǎng)格點之前停止(我們知道它何時已經(jīng)被達到，例如因為上述的(部分)樹已經(jīng)被完成了)，則目前找到的最近點可能是或可能不是世紀的最近點。這是圖5的判決框的左分支。在這種情況下，對于圖5中示出的方法，具有一種可供替換的方法，它使用不那么復(fù)雜的先行檢測器以確定解，例如強制歸零(ZF)解，或者甚至使用默認的值。
如前所述，定義搜索區(qū)域的面積的球形半徑確定從所找到的接近接收信號的候選或網(wǎng)格點所獲得的軟輸出的可靠性。球形半徑可以被設(shè)置為固定值，以獲得候選或網(wǎng)格點的列表，它對如式6所示的APP檢測的貢獻的巨大，或者球形半徑可以被調(diào)整，例如響應(yīng)于接收條件。然而，對于硬判決輸出，球形半徑可以被降低到所找到的網(wǎng)格點距接收信號的歐式距離，使得只有一個網(wǎng)格點在搜索的末尾被找到。
圖6示出了一種接收機300，它并入了被配置以實施上述方法的實施例的解碼器。
接收機300包含一個或多個接收天線302a、b(其中兩個在所圖示的實施例中示出)，每一個耦合至各自的RF前端304a、b，且從該處耦合至各自的模數(shù)轉(zhuǎn)換器306a、b，以及至數(shù)字信號處理器(DSP)308。DSP 308將典型地包括一個或多個處理器308a和工作存儲器308b。DSP 308具有數(shù)據(jù)輸出310和地址、數(shù)據(jù)和控制總線312，以將DSP耦合至例如閃存RAM或ROM的永久程序存儲器314。該永久程序存儲器314存儲代碼，以及可選地存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或用于DSP 308的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。
如圖所示，程序存儲器314包括球形解碼器碼314a，它包含網(wǎng)格生成碼(來自矩陣信道估計)，強制歸零估計碼，樹建立/搜索碼，迭代限制碼，以及用于軟輸出解碼器的軟信息評價碼，當在DSP 308上運行時，它們實施如上所述的相應(yīng)功能。程序存儲器314還包括MIMO信道估計碼314b，以提供MIMO信道估計H，以及選擇性地，去交織器碼314c，交織器碼314d，信道解碼器碼314e。去交織器碼、交織器碼和信道解碼器碼的實施方式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是眾所周知的。選擇性地，永久程序寄存器514中的碼可以被提供于例如光或電信號或如圖6所圖示的軟盤316的載體上。
如果需要，來自DSP 308的數(shù)據(jù)輸出310被提供給接收機300的其它數(shù)據(jù)處理單元(未在圖6中示出)。它們可以是用于實施更高級協(xié)議的基站數(shù)據(jù)處理器。
接收機前端通常將在硬件中被實施，同時接收機處理將通常至少部分地在軟件中實施，盡管一個或多個ASIC和/或FPGA也可以被使用。技術(shù)人員將想到，接收機的所有功能可以在硬件中被執(zhí)行，且信號在軟件無線電中被數(shù)字化的確切點將一般依賴于成本/復(fù)雜度/功率消耗權(quán)衡。
在其它實施例中，解碼器可以被配置為信號處理模塊，例如實施軟輸入/軟輸出空時解碼器。
概括地說，本發(fā)明的實施例通過在如圖3和圖4所示的數(shù)據(jù)流程中定義最大迭代數(shù)目，即通過限制要被執(zhí)行以為可能的發(fā)射符號定位候選的搜索數(shù)目，實施了計算復(fù)雜度有界的解法。該搜索算法可以被分解為關(guān)于三種不同搜索情況或狀態(tài)的三個子過程(或處理塊)。每個處理塊求網(wǎng)格點或?qū)拥木嚯x度量，求搜索狀態(tài)，并且選擇要被搜索的下一個網(wǎng)格點或?qū)?。該?shù)據(jù)流程和處理塊根據(jù)定義了搜索狀態(tài)的條件或情況(見表1)而被選擇。當關(guān)于獲得最大迭代/搜索數(shù)目的搜索程序沒有找到網(wǎng)格點(候選不充足)時，或當沒有網(wǎng)格點在搜索界限內(nèi)部時，例如強制歸零解的線性解可以被提供作為默認的已檢測符號或碼字。對于軟檢測，為推到自軟強制歸零解的軟輸出。對于列表L+1和L-1中任何一個被發(fā)現(xiàn)為空的情況，例如根據(jù)在其它非空列表中找到的符號數(shù)目和/或其距離度量，提供默認的LLR值。當這兩個列表都有元素，一個或多個所存儲的在搜索區(qū)域中找到的網(wǎng)格點的距離度量被傳遞給求軟比特概率輸出的過程。
圖7示出了具有串聯(lián)的信道編碼器的發(fā)射機的方框圖；頻率選擇性信道可以被認為是一個“編碼器”。圖7中，編碼器2可以包含常規(guī)信道編碼器，且編碼器1可以包含結(jié)合該信道的STBC編碼器。
圖8示出了具有串聯(lián)的信道解碼器或檢測器的接收機的方框圖，適合與圖7的發(fā)射機共同使用。在圖8中，檢測器或解碼器1可以包含如上所述的空時球形解碼器，且解碼器2可以包含常規(guī)信道解碼器。圖9示出了圖8的接收機的變形的方框圖，該接收機的變化形式具有使用迭代或“turbo”解碼的串聯(lián)的解碼器或檢測器。圖10示出了包含解碼器1的兩個實例的接收機的方框圖，該接收機可以包含例如空時解碼器。在圖10中，一個解碼器的輸出提供了用于另一個解碼器的先驗知識。以這種方式，解碼器元件迭代地事實上與自身交換軟信息，以改進解碼數(shù)據(jù)的可靠性。在一種情況下，接收信號被提供至兩個解碼器，選擇性地(依賴于接收機處的交織配置)被交織。
圖11示出了對于4×4的16QAM(正交幅度調(diào)制)MIMO系統(tǒng)，已編碼和未編碼的BER(誤比特率)對每個接收天線的信噪比(dB)的曲線圖，在非相關(guān)頻率平Rayleigh衰落信道條件下，比較了對于未編碼(曲線800、802、804、806)和已編碼(801、803、805、807)發(fā)射信號，具有不同計算迭代數(shù)目的上述球形解碼器(曲線802至807)和最大似然(ML)檢測器(曲線800，801)。結(jié)果通過500個數(shù)據(jù)塊的仿真獲得，且球形解碼器被限制為經(jīng)過250次(曲線802、803)，500次(曲線804、805)和1000次(曲線806、807)距離度量計算。平方后的球形半徑等于5×(噪聲方差)×(接收天線數(shù)目)/(每發(fā)射天線的平均信號功率)ML檢測器需要每接收符號8×164＝524288個距離度量測量，因此該250、500和1000次通過球形解碼器的計算分別提供了大約2000、1000和500的最小計算復(fù)雜度降低的因子。
上述技術(shù)還可以被應(yīng)用于我們稱作最大對數(shù)MAP球形解碼器—如2003年10月3日提交的本申請人的同時待決的英國專利申請第0323211.3號中(且還在從該英國申請書要求優(yōu)先權(quán)的相應(yīng)申請書中)所述，其內(nèi)容通過參考其全文被并入在此—且尤其地，被應(yīng)用于為該文件的式11的球形編碼器求值提供界限。
本發(fā)明的實施例在多種類型的通信系統(tǒng)中具有應(yīng)用，包括MIMO和多用戶系統(tǒng)，例如無線計算機或電話網(wǎng)絡(luò)。例如在多用戶系統(tǒng)中，生成矩陣或等效的信道矩陣可以表示傳播和信道對用戶的影響的組合(見例如L.Brunel的“Optimum Multiuser Detection for MC-CDMASystems Using Sphere Decoding”，12thIEEE International Symposiumon Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，第1卷，2001年9月30日-10月3日，第A-16-A-20頁，通過參考并入于此)。
在其它應(yīng)用中，球形解碼器可以被應(yīng)用為用于頻率選擇性衰落的塊均衡器。在此，信道模型可以被修改，以考慮信道記憶，如下所示 其中
且其中T是被均衡的符號塊的長度，且Hi，i＝I，…，L是第i個MIMO信道抽頭，且其中L是信道沖擊響應(yīng)(在符號持續(xù)時間內(nèi))的最大長度的估計。該球形解碼器可以被用于檢測發(fā)射塊 本發(fā)明的實施例可以被應(yīng)用為信道解碼器，當信道編碼器可以被表示為線性生成矩陣G。例子為塊信道碼(見Bernard Sklar的“DigitalCommunicationsFundamentals and Applications”，Pretice HallInternational Editions，1999，0-13-212713-x)，例如Hamming碼和線性密度奇偶校驗(LDPC)編碼，其中碼字x由生成矩陣G從信息比特s通過x＝sG產(chǎn)生，其中向量s包含信息比特。對于LDPC碼，例如，生成矩陣G從奇偶校驗矩陣H推導(dǎo)出，以滿足正交要求GHT＝0，且任何合法碼字將滿足條件xHT＝0。在此，信息和碼字塊s和x由二進制數(shù)字即1和0組成，且該矩陣操作在二進制域中。
本發(fā)明的實施例提供了基于式7的最大似然碼字或軟輸出。在示例性實施例中，具有輸入r且使用G作為生成矩陣的球形解碼器確定接收信號r和其搜索中每個可能的發(fā)射碼字之間的距離。具有最小距離的碼字是最大似然碼字。它使用信息和碼字塊的轉(zhuǎn)換，從二進制域{0，1}至帶符號值{-1，+1}，然后使用算術(shù)操作。
通常，上述球形解碼技術(shù)的實施例可以被應(yīng)用于能夠由(最好是線性的)生成矩陣所表示的任何系統(tǒng)中。
技術(shù)人員將會意識到，上述技術(shù)可以被用于例如基站、接入點，和/或移動終端中。廣泛地說，本發(fā)明的實施例利用比較便宜的接收機，而不損失性能，或者等效地，數(shù)據(jù)率增加而沒有相應(yīng)增加復(fù)雜度和成本。本發(fā)明的實施例還可以潛在地尋找在非無線電系統(tǒng)中的應(yīng)用，例如具有實際上作為多個發(fā)射機的多個讀頭和多個數(shù)據(jù)記錄層的磁盤驅(qū)動器。
毫無疑問，對于技術(shù)人員，會出現(xiàn)許多其它有效的供替換的方法。將會理解，本發(fā)明不限制于所述實施例，且包含在此所附的權(quán)利要求書的本質(zhì)和范圍內(nèi)對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說顯而易見的修改。
權(quán)利要求
1.一種對被編碼為符號串且通過信道作為接收信號而接收的發(fā)射信號進行解碼的方法，每個發(fā)射符號具有多個值之一，該方法包含搜索一個或多個候選符號串，一個候選符號串包含候選符號的一個串，該搜索在由所述信道響應(yīng)確定的多維網(wǎng)格的一個區(qū)域內(nèi)搜索該串的候選符號，所述網(wǎng)格的一個維度與所述串的每一個所述符號相關(guān)聯(lián)，所述區(qū)域由距所述接收信號的距離定義；以及通過選擇一個或多個所述候選符號串，為所述接收信號解碼所述符號串；其中對候選符號的所述搜索包含為所述發(fā)射符號選擇候選值，以及檢驗由所選所述候選者定義的所述網(wǎng)格的一部分是否在距所述接收信號的限制距離之內(nèi)；且其中在有限數(shù)目的候選符號檢驗之后，所述搜索停止。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述候選符號檢驗包含確定所述候選符號屬于以下三種類別中哪一種的檢驗第一種類別，其中由符號定義的所述網(wǎng)格的所述部分在所述限制距離內(nèi)；第二種類別，其中由符號定義的所述網(wǎng)格的所述部分在限制距離外；以及第三種類別，其中所述符號包含所估計的所述串的最后一個符號。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述解碼還包含當所述搜索無法定位一個所述候選符號串時，提供所述發(fā)射符號串的線性估計。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述線性估計包含強制歸零估計。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述串的一個所述符號包含一個或多個比特，且其中所述解碼提供包含用于所述串的每個符號的每個比特的似然值的軟輸出，該方法還包含從所述線性估計推導(dǎo)所述比特似然值。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述解碼提供響應(yīng)用于所述候選符號串中被選符號串的距離度量所確定的軟輸出，所述距離度量依賴于所述候選符號串距所述接收信號的距離。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述軟輸出響應(yīng)用于通過所述搜索找到的所有候選符號串的距離度量而被確定。
8.如權(quán)利要求1、2、6或7所述的方法，其中每個符號具有一個或多個比特，由此所述符號串定義一個比特串，而且其中所述解碼還包含為所述比特串的每個比特提供概率值。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中用于所述比特的概率值的確定是通過使用所述一個或多個候選符號串的第一個符號集合，其中該比特具有第一個邏輯值，以及使用所述一個或多個候選符號串的第二個符號集合，其中該比特具有與所述第一個邏輯值不同的第二個邏輯值，并取利用所述第一個和第二個符號集合確定的第一個和第二個似然值的比，而且所述方法還包含當所述第一個和第二個集合之一為空時為所述比特提供默認概率值。
10.如權(quán)利要求1至9中任何一個所述的方法，其中所述對候選符號的搜索以距所述初始估計的距離增加的順序進行。
11.如權(quán)利要求1至10中任何一個所述的方法，其中所述符號串使用多個發(fā)射天線通過一個MIMO(多輸入多輸出)信道進行發(fā)射，且其中所述接收信號由多個接收天線接收。
12.如權(quán)利要求1至11中任何一個所述的方法，其中對所述信號使用空時塊碼進行編碼。
13.運行時實施權(quán)利要求1至12中任何一個所述方法的處理器控制碼。
14.承載權(quán)利要求13的處理器控制碼的載體。
15.一種解碼器，用于對被編碼為符號串且通過信道作為接收信號而接收的發(fā)射信號進行解碼，每個發(fā)射符號具有多個值之一，該解碼器包含用于搜索一個或多個候選符號串的裝置，一個候選符號串包含候選符號的一個串，該搜索在由所述信道響應(yīng)確定的多維網(wǎng)格的一個區(qū)域內(nèi)搜索所述串的候選符號，所述網(wǎng)格的一個維度與所述串的每一個所述符號相關(guān)聯(lián)，所述區(qū)域由距接收信號的距離定義；以及用于通過選擇一個或多個所述候選符號串為所述接收信號解碼所述符號串的裝置；其中用于搜索候選符號的所述裝置被配置以為所述發(fā)射符號選擇候選值，以及檢驗由所選所述候選者定義的所述網(wǎng)格的一部分是否在距所述接收信號的限制距離之內(nèi)；且其中在有限數(shù)目的候選符號檢驗之后，所述搜索停止。
16.一種接收機，包括權(quán)利要求15的解碼器。
17.一種用于對包含通過信道發(fā)射的符號串的接收信號進行解碼的解碼器，該解碼器包含球形解碼器，它通過在候選符號的接收信號空間中為所述串確定距所述接收信號的距離，在所述接收信號的半徑內(nèi)搜索候選發(fā)射符號串，并且提供已解碼數(shù)據(jù)輸出；以及球形解碼器控制器，它對所述距離確定進行計數(shù)，且控制所述球形解碼器響應(yīng)于所述計數(shù)停止搜索。
18.如權(quán)利要求17所述的解碼器，其中所述信道是MIMO信道。
全文摘要
本發(fā)明一般地涉及用于解碼信號的方法、設(shè)備和處理器控制碼，尤其通過球形解碼器的方式。提供一種對被編碼為符號串且通過信道作為接收信號而接收的發(fā)射信號進行解碼的方法，每個發(fā)射符號具有多個值之一，該方法包含搜索一個或多個候選符號串，一個候選符號串包含候選符號的一個串，該搜索在由信道響應(yīng)確定的多維網(wǎng)格的一個區(qū)域內(nèi)搜索該串的候選符號，該網(wǎng)格的一個維度與該串的每一個符號相關(guān)聯(lián)，該區(qū)域由距接收信號的距離定義；以及通過選擇一個或多個候選符號串，為接收信號解碼該符號串；其中對候選符號的搜索包含為發(fā)射符號選擇候選值，以及檢驗由所選候選者定義的網(wǎng)格的一部分是否在距接收信號的限制距離之內(nèi)；且其中在有限數(shù)目的候選符號檢驗之后，該搜索停止。
文檔編號H04L25/03GK1701580SQ20048000087
公開日2005年11月23日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月3日
發(fā)明者余夢霜 申請人:株式會社東芝