專利名稱：一種mimo通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法的制作方法
技術領域：
一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，屬于電子通信技術領域，它特別涉及4G中的MIMO檢測設計和工程實現(xiàn)技術。
背景技術：
新一代移動通信(beyond 3G/4G)將可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達100Mbit/s，甚至更高，支持的業(yè)務從語音到多媒體業(yè)務，包括實時的流媒體業(yè)務。數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務所需的速率不同動態(tài)調(diào)整。新一代移動通信的另一個特點是低成本。這樣在有限的頻譜資源上實現(xiàn)高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術充分開發(fā)空間資源，利用多個天線(如圖1所示)實現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。
現(xiàn)有的MIMO檢測算法有很多，如貝爾實驗室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法等等。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信難以滿足要求。ZF算法簡單容易實現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。MMSE(最小均方誤差濾波)算法是一種綜合考慮性能和復雜度后得到的一種比較優(yōu)化的算法?，F(xiàn)在將MMSE算法簡潔描述如下設NR×NT的MIMO系統(tǒng)信道模型(如圖2所示)為y=PSNTHs+n---(0.1)]]>式中，NR、NT分別表示接收天線數(shù)和發(fā)射天線數(shù)，y=[y1,y2,...,yNR]T]]>表示接收到的信號矢量，H是NR×NT信道矩陣，s=[s1,s2,...,sNT]T]]>為發(fā)送信號矢量，Si，Sj∈A＝{a1，...，aM}，A是調(diào)制星座點的集合(可以是M-PSK或M-QAM調(diào)制方式)，Ps為發(fā)射天線總功率，n=[n1,n2,...,nNR]T]]>代表零均值高斯白噪聲矢量。
為了抑止天線間的信號干擾(Co-antenna Interference，CAI)，對接收信號y進行MMSE濾波，得到發(fā)送天線上符號s的估計值
_＝wHy (0.2)w為MMSE濾波器權值矢量。w由下式計算得到w=PSNT[HHH+NTρINR]-1H---(0.3)]]>其中INR是NR×NR的單位陣，ρ為系統(tǒng)的信噪比。
整個MMSE算法的復雜度主要由計算MMSE濾波系數(shù)w決定，即W=PSNT[HHH+NTρINR]-1H,]]>此公式中涉及復矩陣乘法、復矩陣與復向量之間的乘法、復矩陣求逆。
基于MMSE濾波的MIMO檢測算法會有少許的不同，但矩陣求逆是MMSE算法不可避免的過程。矩陣求逆的算法有很多，如最常規(guī)的克萊姆法則、高斯消元法、全選主元高斯—約當消去法等等。這些方法的特點無一例外的是運算繁雜，所用到的乘法器、加法器太多，盡管全選主元高斯—約當消去法對運算復雜度有所降低，但在選主元的過程中有很多不確定因素，故時間開銷不定，同樣也不利于硬件實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要任務就是提供一種基于簡潔快速有利于硬件實現(xiàn)的矩陣求逆算法的MIMO檢測算法。
一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其特征是，它包括以下步驟一、根據(jù)系統(tǒng)信道信息H、ρ計算MMSE濾波器權值矢量w，具體步驟為1、計算矩陣A=HHH+NTρINR;]]>2、計算矩陣A的逆矩陣[HHH+NTρINR]-1,]]>本發(fā)明提供一種變量循環(huán)重新編號法來實現(xiàn)該矩陣求逆，具體算法如下設A=HHH+NTρINR,]]>則A為正定Hermite陣(共軛對稱)，滿足正定性及共軛對稱性的矩陣均可以采用變量循環(huán)重新編號法來實現(xiàn)該矩陣求逆。設ai，j為A的第i行第j列上的元素，則我們按下面一組公式進行運算得到另一個矩陣A1，ai，j′為A1中第i行第j列上的元素，an，n′＝1/a1，1an，j′＝-a1，j+1/a1，1，j＝1，2，3，…，n-1ai，n′＝ai+1，1/a1，1，i＝1，2，…，n-1ai，j′＝ai+1，j+1-ai+1，1a1j+1/a1，1，i，j＝1，2，…，n-1然后將A1中的元素(在這一次的循環(huán)中ai，j表示A1中的元素，ai，j′表示A2中的元素)再次帶入上述公式，得到的矩陣為A2，以后依次循環(huán)，直至求出An為止，An便是A的逆矩陣。
3、計算MMSE濾波器權值矢量ww=PSNT[HHH+NTρINR]-1H.]]>二、為了抑止天線間的信號干擾，對接收信號y進行MMSE濾波，得到發(fā)送天線上符號s的估計值_＝wHy上述步驟一中的步驟2計算矩陣A=HHH+NTρINR]]>的逆矩陣[HHH+NTρINR]-1]]>的具體操作過程為(處理框圖見圖4)第一步將A矩陣的第一個元素a1，1作為地址碼，通過查表的方法來求出1/a1，1，即an，n′。所要消耗的僅是存儲資源，所占存儲空間為2m，m為a1，1的位寬。
第二步將a1，j+1(j＝1，2，3，…，n-1)，取反得-a1，j+1(j＝1，2，3，…，n-1)，用-a1，j+1(j＝1，2，3，…，n-1)與an，n′相乘得到an，j′(j＝1，2，3，…，n-1)。
an，n′為實數(shù)，-a1，j+1(j＝1，2，3，…，n-1)為復數(shù)，an，j′(j＝1，2，3，…，n-1)為復數(shù)，求出一個an，j′(j＝1，2，3，…，n-1)需兩個乘法器。
第三步用ai+1，1(i＝1，2，…，n-1)與an，n′相乘得到ai，n′(i＝1，2，…，n-1)。
an，n′為實數(shù)，ai+1，1(i＝1，2，…，n-1)為復數(shù)，ai，n′(i＝1，2，…，n-1)為復數(shù)，求出一個ai，n′(i＝1，2，…，n-1)需兩個乘法器。
第四步用ai+1，1(i＝1，2，…，n-1)與an，j′(j＝1，2，3，…，n-1)相乘算得-ai+1，1a1，j+1/a1，1，(i，j＝1，2，…，n-1)，再用ai+1，j+1(i，j＝1，2，…，n-1)與-ai+1，1a1，j+1/a1，1，(i，j＝1，2，…，n-1)相加，得到ai，j′(i，j＝1，2，…，n-1)。
求出一個ai，j′(i，j＝1，2，…，n-1)需四個乘法器和六個加法器。
第五步重復第一步至第四步進行循環(huán)運算，循環(huán)n(n＝NR)次后便求出了[HHH+NTρINR]-1.]]>本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于把通常認為不能應用于基于MMSE濾波的MIMO檢測算法的變量循環(huán)重新編號法應用于MIMO檢測算法；并針對MIMO檢測計算過程的特點做了進一步的化簡，使運算的復雜度大大降低，降低了實現(xiàn)的難度。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明將變量循環(huán)重新編號法引入到MIMO檢測算法中來，其核心步驟—變量循環(huán)重新編號法矩陣求逆較其它MIMO檢測算算法中的矩陣求逆相比，差別可以通過下表看出(以4發(fā)4收的MIMO信道為例)

通過上表可以看出本發(fā)明所提出的用變量循環(huán)重新編號法及簡化的變量循環(huán)重新編號法來實現(xiàn)MIMO檢測，解決了MMSE濾波器的設計難題，可以極大地降低運算復雜度，大大節(jié)約硬件資源，提高運算速度。


圖1采用MIMO技術的通信系統(tǒng)示意圖移動臺和AP(Access Point，訪問節(jié)點)之間采用多天線陣，移動臺發(fā)出的信號經(jīng)MIMO信道后到達AP，然后再和PSTN網(wǎng)(Public Switched Telephone Network，傳統(tǒng)的電話交換網(wǎng)絡)、控制域以及IP網(wǎng)絡進行互聯(lián)。
圖2MIMO信道示意圖信源數(shù)據(jù)經(jīng)過空時編碼后上發(fā)端的多路天線發(fā)射，經(jīng)MIMO信道后到達接收端的多路天線，然后再經(jīng)過時空解碼后變?yōu)樾潘迶?shù)據(jù)。MMSE濾波即是空時解碼的一部分，其中心任務就是濾除天線之間的相互干擾噪聲。MIMO信道上的映射關系為發(fā)射端的第j(1≤j≤NT)根天線到接收方的第i(1≤i≤NR)根天線的傳播系數(shù)為hi，j。
圖3本發(fā)明所述一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法原理框圖信道信息和信號需要從外部輸入進來，信道信息包括信道傳播矩陣H和信噪比ρ(在第一個框中表示)，然后進行第一級處理，求出HHH+NTρINR,]]>然后再進行核心處理求出HHH+NTρINR]]>的逆矩陣[HHH+NTρINR]-1,]]>然后進行第三步處理w=PSNT[HHH+NTρINR]-1H,]]>處理后便求出了濾波系數(shù)w，在最后一步中對接收信號y進行濾波即可求出所需的發(fā)送天線上符號s的估計值_。圖4變量循環(huán)重新命名法的內(nèi)部結構框圖將A矩陣的第一個元素a1，1作為地址碼，通過查表的方法來求出1/a1，1，即an，n′。用-a1，j+1與an，n′相乘得到an，j′，j＝1，2，3，…，n-1。用ai+1，1與an，n′相乘得到ai，n′，i＝1，2，…，n-1。用ai+1，1與an，j′相乘算得-ai+1，1a1，j+1/a1，1，i，j＝1，2，…，n-1。用ai+1，j+1與-ai+1，1a1，j+1/a1，1，i，j＝1，2，…，n-1。做完后把輸出數(shù)據(jù)重新按順序輸入到上述模塊中去進行循環(huán)運算，循環(huán)n(n＝NR)次后便得到了所需求逆的那個矩陣的逆矩陣。
圖5原矩陣A=HHH+NTρINR]]>示意圖。
圖6第一次循環(huán)后的矩陣示意圖。
圖7第二次循環(huán)后的矩陣示意圖。
圖8第k次循環(huán)后的矩陣示意圖。
對角線上的元素全部為實數(shù)，在對稱區(qū)域1≤i＜j≤n-k與1≤j＜i≤n-k之間的元素互為共軛復數(shù)即ai,j′=aj,i′‾;]]>在對稱區(qū)域n-k+1≤i＜j≤n與n-k+1≤j＜i≤n之間的元素也互為共軛復數(shù)即；在兩個對稱的矩形區(qū)域n-k+1≤j≤n1≤i≤n-k]]>與n-k+1≤i≤n1≤j≤n-k]]>中的元素互為負共軛對稱復數(shù)即ai,j′=-aj,i′‾.]]>圖9第(n-1)次循環(huán)后的矩陣示意圖。
圖10第n次循環(huán)后的矩陣，即逆矩陣[HHH+NTρINR]-1]]>示意圖。
圖5至圖10中， 表示所在位置上的元素為一個實數(shù)； 表示所在位置上的元素和關于主對角線對稱位置上的元素為一對共軛對稱復數(shù)； 表示所在位置上的元素和關于主對角線對稱位置上的元素為一對負共軛對稱復數(shù)，即共軛對稱后再加負號(實部相反，虛部相同)。
具體實施例方式
在循環(huán)運算的過程中有這樣的結論主對角線上的元素ai，i(1≤i≤n)永遠為實數(shù)，關于對角線對稱的兩個復數(shù)(ai，j與aj，i)要么互為共軛復數(shù)，要么互為負共軛復數(shù)(即一個為另一個共軛復數(shù)的相反數(shù))，他們的對應關系可以用附圖5～附圖10來表示，現(xiàn)在把它們的關系用公式表示如下第k次循環(huán)后，在兩組對稱(關于主對角線對稱，下同)的三角形性區(qū)域1≤i＜j≤n-k與1≤j＜i≤n-k，n-k+1≤i＜j≤n與n-k+1≤j＜i≤n中的元素互為共軛復數(shù)即ai,j′=aj,i′‾;]]>在兩個對稱的矩形區(qū)域n-k+1≤j≤n1≤i≤n-k]]>與n-k+1≤i≤n1≤j≤n-k]]>中的元素互為負共軛對稱復數(shù)即ai,j′=-aj,i′‾.]]>故，可以利用對稱性來簡化上述運算，簡化后的方案有如下四種。
具體實施方式
一一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征在于，所述步驟一中的步驟2為在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時，對角線及其以上的元素ai，j′(i≤j)仍按上述公式計算，即an,n′=1/a1,1ai,n′=ai+1,1/a1,11≤i≤n-1ai,j′=ai+1,j+1-ai+1,1a1,j+1/a1,11≤i≤j≤n-1]]>主對角線以下的元素ai，j′(i＞j)靠對稱性算出，即具體實施方式
二一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征在于，所述步驟一中的步驟2為在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時，對角線及其以下的元素ai，j′(i≥j)仍按上述公式計算，即an,n′=1/a1,1an,j′=a1,j+1/a1,11≤j≤n-1ai,j′=ai+1,j+1-ai+1,1a1,j+1/a1,11≤j≤i≤n-1]]>主對角線以上的元素ai，j′(i＜j)靠對稱性算出，即具體實施方式
三一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征在于，所述步驟一中的步驟2為在運算的過程中始終不對下三角形(不包括主對角線)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行運算，一直到n＝NR次循環(huán)完畢后，再根據(jù)對稱性求出下三角形區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時上三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)口。ai，j′(i≤j)按下述公式運算，an,n′=1/a1,1]]>ai,n′=a1,i+1‾/a1,11≤i≤n-k;-a1,i+1‾/a1,1n-k+1≤i≤n-1;]]>ai,j′=ai+1,j+1-a1,i+1‾a1,j+1/a1,11≤i<j≤n-k+1;ai+1,j+1+a1,i+1‾a1,j+1/a1,1n-k+1≤i<j≤n;]]>ai,i′=ai+1,i+1-|a1,i+1|2/a1,11≤i≤n-k;ai+1,i+1+|a1,i+1|2/a1,1n-k+1≤i≤n;]]>循環(huán)n次后根據(jù)對稱性求下三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)ai，j′(i＞j)，ai,j′=aj,i′‾.]]>具體實施方式
四一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征在于，所述步驟一中的步驟2為在運算的過程中始終不對上三角形(不包括主對角線)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行運算，一直到n＝NR次循環(huán)完畢后，再根據(jù)對稱性求出上三角形區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，具體運算公式如下
在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時下三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)ai，j′(i≥j)按下述公式運算an,n′=1/a1,1]]>an,j′=-aj+1,1‾/a1,11≤j≤n-k;aj+1,1‾/a1,1n-k+1≤j≤n-1;]]>ai,j′=ai+1,j+1-ai+1,1aj+1,1‾/a1,11≤j<i≤n-k+1;ai+1,j+1+ai+1,1aj+1,1‾/a1,1n-k+1≤j<i≤n;]]>aj,j′=aj+1,j+1-|aj+1,1|2/a1,11≤j≤n-k;aj+1,j+1+|aj+1,1|2/a1,1n-k+1≤j≤n;]]>循環(huán)n次后根據(jù)對稱性求上三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)ai，j′(i＜j)，ai,j′=aj,i′‾.]]>
權利要求
1.一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其特征是，它包括以下步驟一、根據(jù)系統(tǒng)信道信息H、ρ計算MMSE濾波器權值矢量w，具體步驟為1)、計算矩陣A=HHH+NTρINR;]]>2)、計算矩陣A的逆矩陣[HHH+NTρINR]-1,]]>本發(fā)明提供一種變量循環(huán)重新編號法來實現(xiàn)該矩陣求逆，具體算法如下設A=HHH+NTρINR,]]>則A為正定Hermite陣(共軛對稱)，滿足正定性及共軛對稱性的矩陣均可以采用變量循環(huán)重新編號法來實現(xiàn)該矩陣求逆。設ai，j為A的第i行第j列上的元素，則我們按下面一組公式進行運算得到另一個矩陣A1，ai，j＇為A1中第i行第j列上的元素，an,n′=1/a1,1]]>an,j′=-a1,j+1/a1,1,j=1,2,3,···,n-1]]>ai,n′=ai+1,1/a1,1,i=1,2,···,n-1]]>ai,j′=ai+1,j+1-ai+1,1a1,j+1/a1,1,i,j=1,2,···,n-1]]>然后將A1中的元素(在這一次的循環(huán)中ai，j表示A1中的元素，ai，j＇表示A2中的元素)再次帶入上述公式，得到的矩陣為A2，以后依次循環(huán)，直至求出An為止，An便是A的逆矩陣；3)、計算MMSE濾波器權值矢量ww=PSNT[HHH+NTρINR]-1H;]]>二、為了抑止天線間的信號干擾，對接收信號y進行MMSE濾波，得到發(fā)送天線上符號s的估計值s^=wHy.]]>
2.根據(jù)權利要求1所述的一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其特征是，所述步驟一中的步驟2)的具體操作步驟為第一步將A矩陣的第一個元素a1，1作為地址碼，通過查表的方法來求出1/a1，1，即an，n＇；第二步將a1，j+1(j＝1，2，3，…，n-1)，取反得-a1，j+1(j＝1，2，3，…，n-1)，用-a1，j+1(j＝1，2，3，…，n-1)與an，n＇相乘得到an，j＇(j＝1，2，3，…，n-1)；第三步用ai+1，1(i＝1，2，…，n-1)與an，n＇相乘得到ai，n＇(i＝1，2，…，n-1)；第四步用ai+1，1(i＝1，2，…，n-1)與an，j＇(j＝1，2，3，…，n-1)相乘算得-ai+1，1a1，j+1/a1，1，(i，j＝1，2，…，n-1)，再用ai+1，j+1(i，j＝1，2，…，n-1)與-ai+1，1a1，j+1/a1，1，(i，j＝1，2，…，n-1)相加，得到ai，j＇(i，j＝1，2，…，n-1)；第五步重復第一步至第四步進行循環(huán)運算，循環(huán)n(n＝NR)次后便求出了[HHH+NTρINR]-1.]]>
3.根據(jù)權利要求1所述的一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征是，所述步驟一中的步驟2)為在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時，對角線及其以上的元素ai，j＇(i≤j)仍按上述公式計算，即an,n′=1/a1,1ai,n′=ai+1,1/a1,11≤i≤n-1ai,j′=ai+1,j+1-ai+1,1a1,j+1/a1,11≤i≤j≤n-1]]>主對角線以下的元素ai，j＇(i＞j)靠對稱性算出，即
4.根據(jù)權利要求1所述的一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征是，所述步驟一中的步驟2)為在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時，對角線及其以下的元素ai，j＇(i≥j)仍按上述公式計算，即an,n′=1/a1,1an,i′=a1,j+1/a1,11≤j≤n-1ai,j′=ai+1,j+1-ai+1,1a1,j+1/a1,11≤j≤i≤n-1]]>主對角線以上的元素ai，j′(i＜j)靠對稱性算出，即
5.根據(jù)權利要求1所述的一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征是，所述步驟一中的步驟2)為在運算的過程中始終不對下三角形(不包括主對角線)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行運算，一直到n＝NR次循環(huán)完畢后，再根據(jù)對稱性求出下三角形區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時上三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)ai，j′(i≤j)按下述公式運算，an，n′＝1/a1，1ai,n′=a1,i+1‾/a1,11≤i≤n-k;-a1,i+1‾/a1,1n-k≤i≤n-1;]]>ai,j′=ai+1,j+1-a1,i+1‾a1,j+1/a1,11≤i<j≤n-k+1;ai+1,j+1+a1,i+1‾a1,j+1/a1,1n-k+1≤i<j≤n;]]>ai,i′=ai+1,i+1-|a1,i+1|2/a1,11≤i≤n-k;ai+1,i+1+|a1,i+1|2/a1,1n-k+1≤i≤n;]]>循環(huán)n次后根據(jù)對稱性求下三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)ai，j′(i＞j)ai,j′=aj,i′‾.]]>
6.根據(jù)權利要求1所述的一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，其他步驟與發(fā)明內(nèi)容中的步驟相同，在此不再贅述，其特征是，所述步驟一中的步驟2)為在運算的過程中始終不對上三角形(不包括主對角線)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行運算，一直到n＝NR次循環(huán)完畢后，再根據(jù)對稱性求出上三角形區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，具體運算公式如下在第k(1≤k≤n)次循環(huán)時下三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)ai，j′(i≥j)按下述公式運算an，n′＝1/a1，1ai,n′=-aj+1,1‾/a1,11≤j≤n-k;-aj+1,1‾/a1,1n-k+1≤j≤n-1;]]>ai,j′=ai+1,j+1-ai+1,1aj+1,1‾/a1,11≤j<i≤n-k+1;ai+1,j+1+ai+1,1a1,i+1‾/a1,1n-k+1≤j<i≤n;]]>aj,j′=aj+1,j+1-|aj+1,1|2/a1,11≤j≤n-k;aj+1,j+1+|aj+1,1|2/a1,1n-k+1≤j≤n;]]>循環(huán)n次后根據(jù)對稱性求上三角形內(nèi)的數(shù)據(jù)ai，j′(i＜j)ai,j′=aj,i′‾.]]>
全文摘要
一種MIMO通信系統(tǒng)中最小均方誤差濾波算法，屬于電子通信技術領域，它特別涉及4G中的MIMO檢測算法。包括1.根據(jù)系統(tǒng)信道信息H、ρ計算MMSE濾波器權值矢量
文檔編號H04L1/06GK1744587SQ20051002165
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月12日 優(yōu)先權日2005年9月12日
發(fā)明者劉皓, 王靈光, 王軍, 李少謙 申請人:電子科技大學