專利名稱：一種MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多天線無線通信傳輸方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對接入網(wǎng)絡(luò)的要求也不斷提高，隨時隨地高速接入因 特網(wǎng)已經(jīng)成為越來越多的人們的重要需求，無線通信技術(shù)是可以滿足人們上述需求的主 要支撐技術(shù)，因此近年來寬帶無線通信技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展。頻譜效率一直是無線通信 技術(shù)的研究重點，近年來基于收發(fā)兩端采用多天線技術(shù)的多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,以下簡稱ΜΙΜΟ)技術(shù)以其傳統(tǒng)單天線技術(shù)所無法達到的頻譜效率而受 到廣泛關(guān)注。MIMO和基于循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)技術(shù)的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)以及單載波頻域均衡(Single Carrier with Frequency Domain Equalization, SC-FDE)技術(shù)結(jié)合出現(xiàn)的 MIM0-0FDM 和 MIM0-SCFDE 成 為未來寬帶無線通信物理層傳輸?shù)闹饕渭夹g(shù)。MIMO利用豐富多徑的無線傳播環(huán)境中不同天線之間信道增益的不相關(guān)特性，獲得 高信道容量，從而提高整個系統(tǒng)的頻譜利用率和可靠性。

圖1給出了一個Nt X Nk的窄帶MIMO無線通信系統(tǒng)示意圖，這里Nt彡Nk，是一個空 分復(fù)用無線通信系統(tǒng)，其中各模塊的作用如下MIMO發(fā)射端處理模塊1 產(chǎn)生要傳輸?shù)男畔⒈忍?，進行符號映射，射頻、中頻調(diào)制 及基帶處理。符號映射是將信源產(chǎn)生的信息比特根據(jù)所采用的符號映射方式映射到星座圖 對應(yīng)點上。射頻、中頻調(diào)制及基帶處理，是將信號調(diào)制到中頻上進行中頻放大，再做射頻調(diào) 制，最后將已調(diào)信號由天線發(fā)射。射頻、中頻解調(diào)及基帶處理模塊2 將接收天線接收信號的頻譜從射頻或者中頻 上搬移到低頻。在解調(diào)之前需要用頻率同步數(shù)據(jù)糾正信號傳輸過程中引起的頻偏。線性均衡模塊3 用均衡矩陣進行均衡。均衡方式可以選擇以下兩種均衡方式之 —(Zero Forcing, ZF)(Minimum Mean Square Error, MMSE)判決輸出模塊4:根據(jù)系統(tǒng)所采用的判決方式，完成信號的判決并輸出。圖1中Nt表示發(fā)射天線數(shù)，Nk表示接收天線數(shù)，這里只討論MIMO系統(tǒng)的基帶信號 處理過程。在發(fā)端，s…表示符號映射后的一維原始信號，(·)τ表示矩陣或 向量的轉(zhuǎn)置，典型的符號映射方式是各種進制數(shù)的QAM和PSK調(diào)制，這Nt個調(diào)制符號分別 由Nt根發(fā)射天線發(fā)送，第i根發(fā)射天線發(fā)送的符號是Si，i = 1，2，…，Ντ;在MIMO通信系 統(tǒng)中，習(xí)慣上稱一根發(fā)射天線發(fā)射的信號為一層，不同發(fā)射天線對應(yīng)不同層的發(fā)射信號，第 i根發(fā)射天線發(fā)送的信號稱為第i層；在發(fā)射端，由于在載波調(diào)制之前各層數(shù)據(jù)是離散的， 習(xí)慣上稱為符號或信息比特，載波調(diào)制后由于各層數(shù)據(jù)變成連續(xù)的波形，習(xí)慣上稱為信號； 在接收端，由于判決之前的各層數(shù)據(jù)是連續(xù)的波形，習(xí)慣上稱為信號，由于判決的之后的各 層數(shù)據(jù)變?yōu)殡x散的，習(xí)慣上稱為符號或信息比特。設(shè)H為MIMO系統(tǒng)的信道矩陣，表示為
其中，Hi表示矩陣的第i個行向量，Hi表示矩陣的第i個列向量。發(fā)射信號s過MIMO信道，經(jīng)過處理后Nk根接收天線接收到的等效基帶信號為
r = Hs+w其中『二…，…，&^/，巧表示第1根接收天線接收到的信號，1 = 1,2,…，Ne, w 二 ，···,％/為接收端噪聲向量，玖〒<)= <，<為噪聲方差。r維矩陣，w
SNkXI維矩陣。采用線性均衡方式的MIMO接收機又稱為去相關(guān)或解相關(guān)接收機 (Decorrelator)，這種接收機用一個均衡矩陣D去乘以接收信號向量r完成對接收信號的 解相關(guān)或均衡re = Dr = DHs+Dw均衡后得到的不同層的信號可以直接進行判決，得到相應(yīng)各層的信息比特，對判 決后的信息比特按發(fā)射端符號映射方式重新進行符號映射，得到各相應(yīng)層發(fā)射符號的估計
值S = C^
，當(dāng)沒有判決誤碼時、=
S = S常用的線性均衡方式有兩種，即迫零(Zero Forcing, ZF)均衡和最小均方誤差 (Minimum Mean Square Error,MMSE)均衡，這兩種均衡方式的均衡矩陣不同，其中ZF均衡 的均衡矩陣是信道矩陣H的廣義逆(即M-P逆)H+Dzf = H+匪SE均衡的均衡矩陣是 D
MMSE
UhH+a^
\
Es
LNT
H
H
J其中，<為噪聲方差，權(quán)〒<)= <;艮表示每個發(fā)射符號的平均發(fā)射功率，(·) H表示共軛轉(zhuǎn)置。采用上述線性均衡方式的MIM0-SCFDE解相關(guān)接收機結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，但其性能 往往較差。采用MMSE均衡方式的解相關(guān)接收機性能一般要比采用ZF均衡的解相關(guān)接收機 性能好一些，但也經(jīng)常不能滿足實際需求，往往要結(jié)合糾錯能力很強的糾錯碼系統(tǒng)，才可以 實際應(yīng)用。盡管如此，由于其簡單性,3GPP LTE(Long Term Evolution)下行的MIM0-0FDM 系統(tǒng)一般還是采用線性均衡(一般是MMSE均衡)方式進行接收端的處理，這可以大大節(jié)省 接收機的制造成本?；陧樞蚋蓴_抑制(Successive Inference Cancelation，SIC)的接收機，由于采 用了很好的干擾抑制技術(shù)，使得不同層間的干擾大大減輕，性能一般顯著優(yōu)于僅基于線性 均衡的解相關(guān)接收機?；赟IC的MIMO接收機的典型代表是Bell實驗室G Foschini提 dj^ BLAST (Bell Laboratories Layered Space-Time Architecture) ^iil^ V-BLAST 雖然受到學(xué)術(shù)界的廣泛追崇，但由于復(fù)雜性過高以及對信道測量誤差的敏感性，至今尚沒
4有被工業(yè)界廣泛接收?；诰€性均衡的解相關(guān)接收機雖然結(jié)構(gòu)簡單，被工業(yè)界廣泛接受，但性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有線性均衡接收機存在的性能較差的問題，提供一種既能保持解相 關(guān)接收機結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點，又能使其性能得到顯著提升的MIMO無線通信接收機的 Turbo增強方法。必須指出，本發(fā)明的Turbo增強方法和糾錯碼中的Turbo碼沒有直接關(guān) 系，本發(fā)明不依賴于任何一種糾錯碼。本發(fā)明的MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法，包括以下步驟(1)緩存MIMO無線通信接收機接收到的基帶信號r，從緩存中取出基帶信號r并 對其進行線性均衡，對均衡后的各層基帶信號進行判決，并由各層判決結(jié)果進一步得到各 層發(fā)射符號的估計值S =伐，···,\7/，Nt表示MIMO無線通信系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)；(2)對各層發(fā)射符號的估計值進行Turbo增強，對各層發(fā)射符號的估計值都進行 一次增強稱為一輪Turbo增強，根據(jù)對MIMO無線通信接收機性能和復(fù)雜性方面的要求，至 少進行一輪Turbo增強。上述各步驟的具體實現(xiàn)方法如下步驟(1)中，對緩存的基帶信號!·進行線性均衡可以采用ZF均衡或MMSE均衡；對 均衡后的各層基帶信號進行判決，得到各層的判決信息比特，將均衡后的基帶信號進行判 決的方法與普通MIMO無線通信接收機的方法相同；由各層判決信息比特得到各層發(fā)射符 號估計值S = G1,的方法是根據(jù)各層判決得到的信息比特，采用與發(fā)射端相同的符 號映射方式進行符號映射，得到各層發(fā)射符號的估計值§ = (‘···,、,)7’。步驟(2)中，對各層發(fā)射符號的估計值進行一輪Turbo增強的具體方法如下 沐，…，絞)是(1，-,Nt)的任意一個排列；根據(jù)步驟⑴得到的發(fā)射符號估計值S，從S中取 出第&層以外的其他各層發(fā)射符號的估計值，重構(gòu)MIMO接收機接收到的第Ic1層以外的其 他各層發(fā)射信號；具體方法是，"^1Hvk1 e {1,2, -,Ντ}是對MIMO接收機接收到的第1^層
發(fā)射信號的重構(gòu)信號；Σ又H ，h e U，2，...，NT} ；n=l，2，…，Nt是對ΜΙΜΟ接收機接 收到的除第h層以外的&-1層發(fā)射信號的重構(gòu)信號；再取出緩存的實際接收到的基帶信號
r，從r中減去第Ic1層以外所有Nt-I層重構(gòu)后的接收基帶信號的和，即ζ = r-，n =
1,2, -Nt，將得到的基帶信號ζ左乘(Hii)+得到Z = (Hti)+Z，然后對該層基帶信號ζ進行重 新判決，得到第h層基帶信號的新的判決符號，用第Ic1層新的判決符號更新原第Ic1層判決 符號；再將第h層新的判決符號按發(fā)射端的符號映射方式進行符號映射，更新S中的& ；用 相同的方法處理第k2層基帶信號，直至層基帶信號；每次重構(gòu)接收機接收到的當(dāng)前層以 外的其他各層發(fā)射信號時，用最新更新過的S進行重構(gòu)。采用不同的Turbo增強次序?qū)π阅?有所影響。ZF均衡和MMSE均衡的Turbo增強方法相同?？梢园匆韵虏襟E具體實現(xiàn)各層基帶信號的一輪Turbo增強
權(quán)利要求
1. 一種MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法，其特征是，包括以下步驟(1)緩存MIMO無線通信接收機接收到的基帶信號r，從緩存中取出基帶信號r并對其 進行線性均衡，對均衡后的各層基帶信號進行判決，并由各層判決結(jié)果進一步得到各層發(fā) 射符號的估計值S = C^.··，■‘/，Nt表示MIMO無線通信系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)；(2)對各層發(fā)射符號的估計值進行Turbo增強，對各層發(fā)射符號的估計值都進行一次 增強稱為一輪Turbo增強，根據(jù)對MIMO無線通信接收機性能和復(fù)雜性方面的要求，至少進 行一輪Turbo增強。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法，其特征是所述步驟(1)中對均衡后的各層基帶信號進行判決，得到各層的判決信息比特；由各層判決信息比 特得到各層發(fā)射符號估計值S =伐，···，&,,的方法是根據(jù)各層判決得到的信息比特，采用 與發(fā)射端相同的符號映射方式進行符號映射，得到各層發(fā)射符號的估計值S = Ci1,-Jjv,;^。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法，其特征是所述步 驟(2)中，對各層發(fā)射符號的估計值進行一輪Turbo增強的具體方法如下(‘…，是 (1，···，&)的任意一個排列；根據(jù)步驟(1)得到的發(fā)射符號估計值S，從S中取出第&層以外 的其他各層發(fā)射符號的估計值，重構(gòu)MIMO接收機接收到的第Ic1層以外的其他各層發(fā)射信 號；具體方法是J,_H,，i e {1,2, -,Ντ}是對ΜΙΜΟ接收機接收到的第i層發(fā)射信號的重構(gòu)。信號；Σ乞H ,K e {1,2, ···, Ντ} ；η = 1,2,…，Nt是對ΜΙΜΟ接收機接收到的除第Ic1層 以外的Nt-I層發(fā)射信號的重構(gòu)信號；再取出緩存的實際接收到的基帶信號r，從!·中減去第。 K層以外所有Nt-I層重構(gòu)后的接收基帶信號的和，S卩z = r-^i H ，n= 1,2,… ，將得到的基帶信號ζ左乘(Hf得到Z = (Hti)+Z，然后對該層基帶信號Z進行重新判決，得到第 h層基帶信號的新的判決符號，用第Ic1層新的判決符號更新原第Ic1層判決符號；再將第Ic1 層新的判決符號按發(fā)射端的符號映射方式進行符號映射，更新§中的用相同的方法處理 第k2層基帶信號，直至層基帶信號；每次重構(gòu)接收機接收到的當(dāng)前層以外的其他各層發(fā) 射信號時，用最新更新過的S進行重構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法，其特征是所述步驟(2)中對對各層發(fā)射符號的估計值進行多輪Turbo增強的具體方法如下設(shè)置最大Turbo增強的輪數(shù)T，2彡T彡Ντ+2 X Iog2 (M)；一輪Turbo增強后，比較Turbo 增強前結(jié)果與Turbo增強后結(jié)果是否相同，若不相同，進行下一輪Turbo增強，直至前一 輪Turbo增強結(jié)果與當(dāng)前Turbo增強結(jié)果相同或到達Turbo增強的最大設(shè)置輪數(shù)T，多輪 Turbo增強結(jié)束。多輪Turbo增強的每一輪的Turbo增強順序可以不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法，其特征是所述最大 Turbo增強的輪數(shù)T為2彡T彡NT+2Xlog2 (M)，這里Nt表示MIMO無線通信系統(tǒng)的發(fā)射天 線數(shù)，M是符號映射進制數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種MIMO無線通信接收機的Turbo增強方法，包括以下步驟(1)緩存基帶信號r，從緩存中取出基帶信號r并對其進行線性均衡，對均衡后的各層基帶信號進行判決，并由各層判決結(jié)果進一步得到各層發(fā)射符號的估計值NT表示MIMO無線通信系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)；(2)對各層發(fā)射符號的估計值進行Turbo增強。本發(fā)明僅僅增加很少的復(fù)雜性，基本保持了原來解相關(guān)接收機的結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點，同時可以使這種解相關(guān)接收機的性能得到顯著提升，在復(fù)雜性和計算量沒有很大增加的情況下，可以明顯提高MIMO無線通信接收機的性能。
文檔編號H04L25/03GK102006251SQ20101055411
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者張青青, 杜巖, 石海龍 申請人:山東大學(xué)