專利名稱：空時(shí)分組碼分塊傳輸?shù)牡鷻z測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)的聯(lián)合檢測和譯碼的方法，屬于移動通信中的檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在未來的無線高速分組數(shù)據(jù)傳輸中，基于多天線的空時(shí)編碼是提高數(shù)據(jù)速率和對抗衰落的重要手段。Alamouti碼是一種簡單的空時(shí)分組碼[1.S.M.Alamouti，“A simple transmit diversity technique for wirelesscommunications，”IEEE J.Select.Areas Commun.，vol.16，pp.1451-1458，Oct.1998]，它的編譯碼復(fù)雜度都較低，因而被用于第三代移動通信系統(tǒng)中。為了使其適用于頻率選擇性衰落信道，文獻(xiàn)[2.N.Al-Dhahir，“Single-carrierfrequency-domain equalization for space-time block-coded transmissionsover frequency-selective fading channels，”IEEE Commun.Lett.，vol.5，pp.304-306，July 2001][3.S.Zhou and G.B.Giannakis，“Single-carrierspace-time block-coded transmissions over frequency-selective fadingchannels，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.49，pp.164-179，Jan.2003.]分別給出了Alamouti碼在分塊傳輸系統(tǒng)(如正交頻分復(fù)用和加循環(huán)前綴的單載波分塊傳輸系統(tǒng))中的實(shí)現(xiàn)方法。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，文獻(xiàn)[3]提出空時(shí)分組編碼分塊傳輸系統(tǒng)的Turbo檢測譯碼方案，其檢測器采用ML檢測，因此復(fù)雜度隨著信道長度和調(diào)制階數(shù)的增加指數(shù)增長，這對于采用高階調(diào)制的寬帶系統(tǒng)來說是非常不利的。
與文獻(xiàn)[3]不同，本發(fā)明采用基于MMSE(Minimum Mean Squared Error)的Turbo檢測譯碼算法。根據(jù)分塊傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，對基于MMSE的Turbo檢測算法進(jìn)行簡化，從而軟輸入軟輸出檢測可以在頻域?qū)崿F(xiàn)，并且不存在矩陣的求逆運(yùn)算，因此復(fù)雜度大大降低，有利于硬件實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種可提高空時(shí)分組碼分塊傳輸系統(tǒng)性能的低復(fù)雜度的迭代檢測方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的空時(shí)分組碼分塊傳輸系統(tǒng)的迭代檢測方法先將接收信號變換到頻域，進(jìn)行解空時(shí)碼，然后進(jìn)行軟輸入軟輸出檢測；檢測時(shí)，對每個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)的信號的方差求平均值，進(jìn)行單點(diǎn)的軟輸入軟輸出檢測；將檢測結(jié)果變換到時(shí)域進(jìn)行逐符號的最大后驗(yàn)概率檢測得到發(fā)送比特的后驗(yàn)概率，輸入到軟輸入軟輸出譯碼模塊，譯碼輸出的后驗(yàn)概率作為軟輸入軟輸出檢測的先驗(yàn)信息，根據(jù)此先驗(yàn)信息計(jì)算出發(fā)送符號的均值和方差進(jìn)行下一輪的檢測，如此反復(fù)完成迭代檢測?？諘r(shí)分組碼分塊傳輸?shù)牡鷻z測中，空頻軟輸入軟輸出檢測器先將接收信號變換到頻域，然后進(jìn)行基于最小均方誤差準(zhǔn)則的軟輸入軟輸出檢測，對數(shù)據(jù)段內(nèi)的信號的方差求均值，檢測器不需要矩陣求逆運(yùn)算，只需要單點(diǎn)均衡。檢測結(jié)果變換到時(shí)域，進(jìn)行逐符號的最大后驗(yàn)概率檢測得到發(fā)送比特的后驗(yàn)概率，完成軟輸入軟輸出檢測。
本發(fā)明的方法有以下幾個(gè)步驟初始化1)空頻合并利用導(dǎo)頻序列輔助估計(jì)出信道參數(shù)以及噪聲方差，計(jì)算出頻域響應(yīng)矩陣 和Λ并存儲起來；對各個(gè)天線上的接收信號變換到頻域，并進(jìn)行頻域內(nèi)的合并，從而完成s^=(I2⊗FH)[σ2I2K+(V~⊗Λ)]-1{Λ~H(I2M⊗F)r-[I2⊗(ΛF)]s‾}+diag(ρ)s‾]]>的中Λ~H(I2M⊗F)r]]>的計(jì)算；2)初始化先驗(yàn)信息將先驗(yàn)的信號均值和方差分別設(shè)為0和1；迭代檢測3)計(jì)算先驗(yàn)信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]>vi=Σd∈S|α(d)|2P[si=α(d)]-|s‾i|2]]>求得發(fā)送信號的均值和方差，對每根天線上每長度為K的數(shù)據(jù)段內(nèi)信號的方差求均值
V~=diag(v~0···v~1),]]>v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次檢測時(shí)，信號均值和方差分別設(shè)為0和1；4)空頻軟輸入軟輸出檢測利用s^=(I2⊗FH)[σ2I2K+(V~⊗Λ)]-1{Λ~H(I2M⊗F)r-[I2⊗(ΛF)]s‾}+diag(ρ)s‾]]>進(jìn)行空頻軟輸入軟輸出檢測，同時(shí)根據(jù)ρnK=ρnK+1=···=ρnK+K-1=e0HFH(σ2IK+v~nΛ)-1ΛFe0=1KΣk=0K-1[Λ]k,kσ2+v~n[Λ]k,k,n=0,1]]>計(jì)算出ρi；5)計(jì)算出軟信息根據(jù)Le(x^i,k)≈maxd∈Sk,1{|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}-maxd∈Sk,0{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}]]>計(jì)算出檢測器輸出的比特似然比；6)進(jìn)行軟輸入軟輸出譯碼；7)對于硬判決信息，進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確則停止迭代，得到發(fā)送信息比特，否則將譯碼輸出的軟信息反饋到檢測器，跳轉(zhuǎn)到步驟3)。
其中，M表示接收天線的個(gè)數(shù)，K表示數(shù)據(jù)塊的長度，表示檢測器的輸出信號，s表示均值信號，表示求平均后的方差信號，ρi表示檢測器的系數(shù)，σ2表示噪聲方差， 表示頻域信道響應(yīng)，F(xiàn)表示歸一化的快速傅立葉變換矩陣，IN表示單位矩陣，表示Kroneker乘法，ek表示第k個(gè)元素為1其它元素為0的向量。i表示第k個(gè)檢測輸出信號， 表示第i個(gè)符號的第k個(gè)比特的輸出似然比，max(·)表示求最大值函數(shù)，P[·]表示概率　d表示一個(gè)調(diào)制符號所對應(yīng)的二進(jìn)制比特，α(d)表示二進(jìn)制比特d對應(yīng)的調(diào)制符號，Sk，1表示第k個(gè)比特為1的符號所對應(yīng)得集合，Sk，0表示第k個(gè)比特為0的符號所對應(yīng)得集合，vi表示第i個(gè)符號的方差， 表示比特向量d對應(yīng)的雙極性信號，L表示發(fā)送符號對應(yīng)得先驗(yàn)信息， 和L[k]表示 和L除去當(dāng)前第k個(gè)元素得到的向量。
有益效果本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于將每個(gè)數(shù)據(jù)段的發(fā)送符號的方差求平均后，檢測器可以在頻域?qū)崿F(xiàn)，不需要矩陣求逆，從而降低了復(fù)雜度。采用本發(fā)明的方法，可以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)空時(shí)分組碼分塊傳輸系統(tǒng)的Turbo接收，從而可以提高系統(tǒng)性能。
本發(fā)明提出的Turbo檢測算法能用于采用各種空時(shí)分組碼分塊傳輸系統(tǒng)，例如空時(shí)編碼正交頻分復(fù)用系統(tǒng)，空時(shí)編碼單載波分塊傳輸系統(tǒng)，或者經(jīng)過預(yù)編碼的單載波和正交頻分復(fù)用系統(tǒng)；提出的算法采用各種軟的編碼的系統(tǒng)，例如卷積碼、Turbo碼、LDPC(Low Density Parity Check Codes)碼。


圖1是本發(fā)明迭代接收機(jī)的初始化過程。它包括串/并轉(zhuǎn)換器、循環(huán)前綴消除器、倒序和取共軛裝置、FFT變換器、空頻合并器。
圖2是本發(fā)明頻域軟輸入軟輸出檢測器框圖。它包括FFT和IFFT變換裝置、頻域單點(diǎn)軟輸入軟輸出檢測裝置、符號轉(zhuǎn)換為比特似然比的計(jì)算裝置。
圖3頻域軟輸入軟輸出檢測器和軟輸入軟輸出譯碼器的接口框圖。它包括符號均值和方差計(jì)算裝置、交織和解交織裝置、軟輸入軟輸出譯碼裝置。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合圖l和圖2對本發(fā)明的各個(gè)組成部分做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
假設(shè)系統(tǒng)有2根發(fā)送天線M根接收天線。信息比特經(jīng)過糾錯(cuò)編碼和比特交織調(diào)制后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，每K個(gè)調(diào)制符號構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)塊(這里數(shù)據(jù)塊長度K是2的冪次)，然后以塊為單位進(jìn)行預(yù)編碼，預(yù)編碼矩陣可以是IFFT矩陣，也可以是沃爾什矩陣，也可以是單位陣。根據(jù)不同的預(yù)編碼陣可以得到不同德系統(tǒng)，例如當(dāng)預(yù)編碼陣為單位陣時(shí)，系統(tǒng)為單載波分塊傳輸，預(yù)編碼陣為IFFT矩陣時(shí)就是OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。經(jīng)過預(yù)編碼后，送到塊Alamouti編碼器中。假設(shè)在第2l個(gè)塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為s(2l)第2l+1個(gè)塊傳輸?shù)氖莝(2l+1)。它們先以塊為單位進(jìn)行線性預(yù)編碼，編碼矩陣為θ(考慮沒有冗余的預(yù)編碼)，然后對相鄰兩個(gè)塊進(jìn)行如下分塊的Alamouti編碼在第一個(gè)時(shí)隙，第一根天線發(fā)送θs(2l)，第二根天線發(fā)送θs(2l+1)；第二個(gè)時(shí)隙，第一根天線發(fā)送-Jθ*s*(2l+1)，第二根天線發(fā)送Jθ*s*(2l)，其中，(·)*表示求共軛，J是反對角陣(也即對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行倒序)。在每個(gè)數(shù)據(jù)塊前面插入循環(huán)前綴，最后經(jīng)各個(gè)發(fā)送天線獨(dú)立發(fā)送。假設(shè)循環(huán)前綴的長度大于信道歸一化最大多徑時(shí)延。去除CP(Cyclic Prefix)后，第m根接收天線上的信號分別可以表示為
rm(2l)＝Hm，0θs(2l)+Hm，1θs(2l+1)+nm(2l) [公式1]rm(2l+1)＝Hm，1Jθ*s*(2l)-Hm，0Jθ*s*(2l+1)+nm(2l+1)由于循環(huán)前綴的作用，Hm，n是K×K的循環(huán)矩陣。對2l+1時(shí)刻接收數(shù)據(jù)塊求共軛，并乘以反對角陣J可得Jrm*(2l+1)=JHm,1*Jθs(2l)-JHm,0*Jθs(2l+1)+Jnm*(2l+1)]]>根據(jù)循環(huán)陣的性質(zhì)，上式可以寫為Jrm*(2l+1)=Hm,1Hθs(2l)-Hm,0Hθs(2l+1)+Jnm*(2l+1)]]>[公式2]將式(1)和式(2)寫成向量的形式為r＝Hs+n [公式3]其中r=r0(2l)Jr0*(2l+1)...rM-1(2l)JrM-1*(2l+1),H=H0,0θH0,1θH0,1Hθ-H0,0Hθ......HM-1,0θHM-1,1θHM-1,1Hθ-HM-1,0Hθ,s=s(2l)s(2l+1),n=n0(2l)Jn0*(2l+1)...nM-1(2l)JnM-1*(2l+1)]]>在有先驗(yàn)信息的情況下[公式3]的軟輸入軟輸出檢測可以寫為＝(σ2I2K+HHHV)-1(HHr-HHHs)+diag(ρ)s[公式4]ρi=eiH(σ2I2K+HHHV)-1HHHei]]>[公式5]其中s表示發(fā)送信號的均值，V＝cov(s，s)＝diag(v0…v2K-1)是發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣是一個(gè)對角陣(其中，diag(x)表示由向量x生成的對角陣)。初次檢測時(shí)，無先驗(yàn)信息，假設(shè)s＝0，且V=σs2I2K]]>(采用歸一化星座點(diǎn)，σs2=1).]]>進(jìn)入迭代檢測后，先驗(yàn)信息可以通過譯碼器反饋的似然比來計(jì)算。
s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]>[公式6] [公式7]其中，α(d)表示由比特序列d映射得到的符號，符號概率可以通過下面的公式求得P[si=α(d)]=Πk=0Mc-1P(xi,k=dk)=Πk=0Mc-1exp[d~kL(x^i,k)]1+exp[d~kL(x^i,k)]=Πk=0Mc-112[1+d~ktanh(12L(x^i,k))]]]>其中
[公式8]本次檢測輸出的軟信息可以通過下式來計(jì)算Le(x^i,k)≈maxd∈Sk,1{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}-maxd∈Sk,0{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}]]>[公式9]Sk，1和Sk，0表示第k比特為1和0對應(yīng)的比特向量集合， 由d根據(jù)(8)式確定，L是當(dāng)前第i個(gè)符號對應(yīng)的先驗(yàn)信息構(gòu)成的向量， 和L[k]表示 和L除去當(dāng)前第k個(gè)元素得到的向量。
由于Hji是循環(huán)矩陣，則它的特征值分解為Hji＝FHΛjiF。設(shè)hji是Hji的第一列向量，它也是信道的時(shí)域響應(yīng)，則Λji的對角線元素為信道的頻域響應(yīng)即hji的非歸一化FFT變換。這樣，等效信道矩陣H可以寫為H=(I2M⊗FH)Λ~(I2⊗Fθ)]]>其中，表示Kronecker乘積，Λ~H=Λ0,0*Λ0,1···ΛM-1,0*ΛM-1,1Λ0,1*-Λ0,0···ΛM-1,1*-ΛM-1,0]]>由此可知，HHH＝I2(θHFHΛFθ)其中，Λ＝|Λ0，0|2+|Λ0，1|2+…+|ΛM-1，1|2為對角陣。
下面我們以單載波系統(tǒng)為例(θ＝IK)，描述檢測器的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述信道矩陣的特點(diǎn)，我們可以將[公式4]和[公式5]寫為s^={σ2I2K+[I2⊗(FHΛF)]V}-1]]>.{[I2⊗(FH)]Λ~H(I2M⊗F)r-[I2⊗(FHΛF)]s‾}+diag(ρ)s‾]]>[公式10]ρk=ekHHHΣ-1Hek=ekH{σ2I2K+[I2⊗(FHΛF)]V}-1[I2⊗(FHΛF)]ek]]>[公式11]可以看出上述公式中需要矩陣求逆運(yùn)算。如果我們假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)重構(gòu)后的信號是均值不同，方差相同的隨機(jī)信號，即V＝IK其中V~=diag(v~0v~1),v~n=1KΣk=Kn(n+1)K-1vk,n=0,1]]>這樣，
s^=(I2⊗FH)[σ2I2K+(V~⊗Λ)]-1{Λ~H(I2M⊗F)r-[I2⊗(ΛF)]s‾}+diag(ρ)s‾]]>[公式12]ρnK=ρnK+1=···=ρnK+K-1=e0HFH(σ2IK+v~nΛ)-1ΛFe0=1KΣk=0K-1[Λ]k,kσ2+v~n[Λ]k,k,n=0.1]]>[公式13]從上述分析可知，[公式12]可以通過兩次FFT和兩次IFFT來實(shí)現(xiàn)，并且僅存在對角陣的求逆，可以采用單點(diǎn)檢測，運(yùn)算量大大降低。
權(quán)利要求
1.一種空時(shí)分組碼分塊傳輸?shù)牡鷻z測方法，其特征在于先將接收信號變換到頻域，進(jìn)行解空時(shí)碼，然后進(jìn)行軟輸入軟輸出檢測；檢測時(shí)，對每個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)的信號的方差求平均值，進(jìn)行單點(diǎn)的軟輸入軟輸出檢測；將檢測結(jié)果變換到時(shí)域進(jìn)行逐符號的最大后驗(yàn)概率檢測得到發(fā)送比特的后驗(yàn)概率，輸入到軟輸入軟輸出譯碼模塊，譯碼輸出的后驗(yàn)概率作為軟輸入軟輸出檢測的先驗(yàn)信息，根據(jù)此先驗(yàn)信息計(jì)算出發(fā)送符號的均值和方差進(jìn)行下一輪的檢測，如此反復(fù)完成迭代檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)分組碼分塊傳輸?shù)牡鷻z測方法，其特征在于該檢測方法包括以下幾個(gè)步驟初始化1)空頻合并利用導(dǎo)頻序列輔助估計(jì)出信道參數(shù)以及噪聲方差，計(jì)算出頻域響應(yīng)矩陣 和Λ并存儲起來；對各個(gè)天線上的接收信號變換到頻域，并進(jìn)行頻域內(nèi)的合并，從而完成s^=(I2⊗FH)[σ2I2K+(V~⊗Λ)]-1{ΛH~(I2M⊗F)r-[I2⊗(ΛF)]s‾}+diag(ρ)s‾]]>的中 的計(jì)算；2)初始化先驗(yàn)信息將先驗(yàn)的信號均值和方差分別設(shè)為0和1；迭代檢測3)計(jì)算先驗(yàn)信息用s‾i=Σd∈Sα(d)P[si=α(d)]]]>vi=Σd∈S|α(d)|2P[si=α(d)]-|s‾i|2]]>求得發(fā)送信號的均值和方差，對每根天線上每長度為K的數(shù)據(jù)段內(nèi)信號的方差求均值V~=diag(v~0···v~1),v~i=1KΣj=Ki(i+1)K-1vj]]>初次檢測時(shí)，信號均值和方差分別設(shè)為0和1；4)空頻軟輸入軟輸出檢測利用s^=(I2⊗FH)[σ2I2K+(V~⊗Λ)]-1{Λ~H(I2M⊗F)r-[I2⊗(ΛF)]s‾}+diag(ρ)s‾]]>進(jìn)行空頻軟輸入軟輸出檢測，同時(shí)根據(jù)ρnK=ρnK+1=···=ρnK+K-1=e0HFH(σ2IK+v~nΛ)-1ΛFe0=1KΣk=0K-1[Λ]k,kσ2+v‾n[Λ]k,k,n=0,1]]>計(jì)算出ρi；5)計(jì)算出軟信息根據(jù)Le(x^i,k)≈max∈Sk,l{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}-maxd∈Sk,{-|s^i-ρiα(d)|2ρi(1-viρi)+12d~[k]TL[k]}]]>計(jì)算出檢測器輸出的比特似然比；6)進(jìn)行軟輸入軟輸出譯碼；7)對于硬判決信息，進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確則停止迭代，得到發(fā)送信息比特，否則將譯碼輸出的軟信息反饋到檢測器，跳轉(zhuǎn)到步驟3)。
全文摘要
空時(shí)分組碼分塊傳輸?shù)牡鷻z測方法是一種簡單的發(fā)送分集技術(shù)，它可以有效地對抗衰落?？諘r(shí)分組碼分塊傳輸系統(tǒng)的迭代檢測(Turbo檢測)方法可以進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)的空間和多徑分集增益。先將接收信號變換到頻域，進(jìn)行解空時(shí)碼，然后進(jìn)行軟輸入軟輸出檢測；檢測時(shí)，對每個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)的信號的方差求平均值，進(jìn)行單點(diǎn)的軟輸入軟輸出檢測；將檢測結(jié)果變換到時(shí)域進(jìn)行逐符號的最大后驗(yàn)概率檢測得到發(fā)送比特的后驗(yàn)概率，輸入到軟輸入軟輸出譯碼模塊，譯碼輸出的后驗(yàn)概率作為軟輸入軟輸出檢測的先驗(yàn)信息，根據(jù)此先驗(yàn)信息計(jì)算出發(fā)送符號的均值和方差進(jìn)行下一輪的檢測，如此反復(fù)完成迭代檢測，可以大大降低Turbo接收機(jī)的復(fù)雜度，并能獲得很好的系統(tǒng)性能。
文檔編號H04L1/06GK1674483SQ20051003864
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者尤肖虎, 高西奇, 王東明 申請人:東南大學(xué)