多输入多输出系统中的迫零检测方法技术领域
本发明涉及一种无线通信系统检测技术，特别是一种在多输入多输出系统(Multiple-Input Multiple-Output，简称MIMO)系统中可以完全消除天线间干扰的多输入多输出系统中的迫零检测方法。
背景技术
作为近年来无线通信领域中一项突破性的理论和技术，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)无线通信系统在收发两侧同时配置多个天线，通过充分利用无线信道多径传播特性，可以在不增加频谱带宽和发送功率的条件下，有效的提高通信系统容量及通信质量，并已逐渐在3GPP LTE、IEEE 802.16e、IEEE802.11n等新兴无线通信系统中不断崭露头角，成为下一代移动通信系统中的一项关键技术。
接收机进行信号检测的前提是接收机有完全的信道状态信息(Channel State Information，CSI)，这在通常的MIMO系统中是可以实现的。空分复用系统中最优的检测方法是最大似然(Maxmimum Likelihood，ML)检测，然而ML检测需要对有所有可能的发射信号向量做穷举搜索，方法复杂度通常随着发射天线个数和每个符号对应的数据比特数指数增长，这在多天线高阶调制的系统中是难以实现的。MIMO信号检测中两类次优的检测方法是线性检测方法和基于判决反馈的非线性方法。线性检测方法通过一级线性滤波分离不同天线发送的信号，然后对分离的信号进行独立检测，典型的方法有迫零(Zero-Forcing，ZF)和最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)方法等，Paulraj，R.Nabar和D.Gore合著的《Introduction to Space-Time Wireless Communications》一书对这些方法有详细介绍和推导。如图2所示，传统的ZF检测方法都是假设接收端各个天线接收支路的噪声功率和增益是相等的。但是在实际系统中由于以下原因，可能造成接收支路之间的噪声功率和增益不相等：
1.各接收天线支路的射频链路模块规格不同，使得支路的产生的热噪声不相等
2.各个接收支路收到不同程度的干扰，使得外界的噪声功率不相等
3.各个天线支路使用独立的自动增益控制时，各个支路对噪声的放大系数不同，造成了支路增益不同及噪声功率不相等。
如果在检测中不考虑这些因素，将会使得检测性能下降。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对传统迫零检测中假设条件在现实中难以满足的情况，提供一种改进的低复杂度的多输入多输出系统中的迫零检测方法。
技术方案：本发明公开了一种多输入多输出系统中的迫零检测方法，包括以下步骤：
步骤一，通过对接收信号r进行加权处理对每个接收天线的天线增益进行归一化，获得加权后的接收信号r′；
步骤二，将加权后的接收信号r′输入传统迫零检测方法公式(HHH)-1HH获得发送信号检测值 其中H为信道矩阵。
本发明步骤一包括以下步骤：
步骤11，考虑到多天线系统，每根接收天线的天线增益不同，使用以下公式计算进入每个接收天线接收端的干扰噪声方差：
E[(G1n1)*(G1n1)*]＝(G1σ1)2，E[(Gini)*(Gini)*]＝(Giσi)2，其中G1表示第1根天线的天线增益，Gi表示第i根天线的天线增益，G1n1表示进入第1根天线的接收端干扰噪声，
Gini表示进入第i根天线的接收端干扰噪声；(Gini)*表示Gini的共轭复数，
E[(Gini)*(Gini)*]表示对进入第i根天线的接收端干扰噪声求方差，(Giσi)2表示其干扰噪声方差值。Gi的值并不能单独估计出来，此处使用Gi以示此方法考虑到了每根接收天线增益的不同。
步骤12，引入加权系数wi：
wi表示第i根天线相对于第1根天线接收端干扰噪声的加权系数；
步骤13，对接收信号r＝[r1 r2 L rN]T进行加权，得到加权后的接收信号：
r′＝[w1r1 w2r2 L wNrN]T，其中N表示接收端天线数量，T表示对接收信号向量r进行转置。
本发明步骤二中，发送信号检测值
本发明的原理：对于一个M发N收系统，传统的迫零检测方法，接收信号向量r：r＝Hx+n，
其中，x为发送端原始信号向量，在接收端为未知项；n为信道白噪声。
其中接收信号向量：
r = r 1 r 2 M r N , ]]>N表示接收端天线数量。
信道矩阵H为：
H = H 11 H 12 L H 1 M H 21 H 22 L H 2 M M M O M H N 1 H N 2 L H NM , ]]>M表示发射端天线数量。
根据传统迫零检测方法，则可以由此反推出发射信号向量
x ^ ZF = x 1 x 2 M x M = ( H H H ) - 1 H H r . ]]>
但是考虑到接收端有N个接收天线，每个接收天线均具有不同的天线增益，并且受到的干扰程度不同、外界的噪声功率不同，本发明引入了接收天线增益Gi(i＝1，2，...，N)。
引入接收天线增益Gi后，接收信号r可以表示为r＝HGx+nG，其中：
H G = G 1 H 11 G 1 H 12 L G 1 H 1 M G 2 H 21 G 2 H 22 L G 2 H 2 M M M O M G N H N 1 G N H N 2 L G N H NM , ]]> n G = G 1 n 1 G 2 n 2 M G N n N . ]]>
HG和nG中的Gi并不能单独估计，仅表明了不同的天线增益对信道和噪声的影响，故在对信道进行估计时，HG和传统方法中的信道矩阵H没有本质区别，而nG不再是 一个值，而是一个向量。本发明通过在接收端对接收信号进行加权处理，使接收端干扰噪声向量归一化，使其满足传统迫零检测方法的使用条件。本方法提供了一种在引入接收天线增益Gi后的一种改进型低复杂度的迫零检测方法。
首先计算进入每个接收天线接收端的干扰噪声方差：
E[(G1n1)*(G1n1)*]＝(G1σ1)2，E[(Gini)*(Gini)*]＝(Giσi)2。
其中G1表示第1根天线的天线增益，Gi表示第i根天线的天线增益，G1n1表示进入第1根天线的接收端干扰噪声，Gini表示进入第i根天线的接收端干扰噪声；(Gini)*表示Gini的共轭复数，E[(Gini)*(Gini)*]表示对进入第i根天线的接收端干扰噪声求方差，(Giσi)2表示其干扰噪声方差值。Gi的值并不能单独估计出来，此处使用Gi以示此方法考虑到了每根接收天线增益的不同。接着引入加权系数wi：
w i = G 1 σ 1 G i σ i . ]]>
wi表示第i根天线相对于第1根天线的加权系数。
通过得到的wi对接收信号r＝[r1 r2 L rN]T进行加权，得到加权后的接收信号r′：
r ′ = w 1 r 1 w 2 r 2 M w N r N . ]]>
完成了对接收信号的加权之后，在接收端就可以假设每个接收天线的增益和接收噪声是相同的值，目的在于可以通过传统的ZF检测方法进行检测，得到更为精确的发送信号检测值：：
x ^ ZF = ( H H H ) - 1 H H r ′ . ]]>
基于传统的MIMO系统中的ZF检测方法，在接收端充分利用多接收天线增益造成的干扰噪声的不同，得到不同接收端干扰噪声的增益比作为接收天线的增益比，并 对接收信号进行加权，从而使用传统的ZF检测方法对发射信号进行检测，其特征在于，传统的迫零ZF检测方法是建立在假设每个接收天线的增益相同的基础上的，然而实际上，每个接收天线的增益都是不同的，会有微小的差异，并且每个接收天线所接收到的干扰噪声也是各不相同的，这种改进的ZF检测方法就是通过对接收端信号进行加权，达到对每个天线的增益进行归一化的目的，使其符合传统ZF检测方法的假设条件。
有益效果：本发明通过此改进方法，可以使得接收机在接收端进行加权优化，使得基带模块在进行信号检测时感受到的噪声能量是相等的，从而弥补了支路噪声和增益不等造成的检测性能的损失。本发明适用于多输入多输出MIMO系统的以及能够建模为MIMO系统的其他通信系统。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是实施例实施的MIMO通信系统的框图。
图2是传统迫零检测方法的流程图。
图3是本发明迫零检测方法的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行详尽阐述。
本发明的检测方法适用于MIMO系统，或者是能够建模为MIMO系统的其他通信系统。例如，本发明可以直接用在多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)系统的任意一个子载波上，也可以用于码分多址系统的多用户检测。
图1是一个M根发射天线，N根接收天线的M收N发的MIMO通信系统的框图。在发射端，输入数据流经过信号编码和调制映射成为信号，经过串并转换之后形成多路并行的基带信号，若有时空编码环节则进行时空编码，最后经过不同的调制器分别从多根天线同时发射信号；经过无线多径衰落之后，来自多根不同发射天线的信号与噪声叠加之后被多根天线同时接收，经过解调后生成多路并行基带信号；信道估计器可以通过信号中穿插间隔的导频信号等估计出信道状态信息，从而从基带信号中恢复出原始数据。该系统的基带信号输入输出的关系可以表示为：
r＝Hx+n。
其中，x＝[x1 x2 L xM]T表示发射信号向量，M表示发射天线的个数，[·]T表示矩阵或者向量的转置，xi表示从第i根天线发射的信号；n＝[n1 n2 L nN]T表示噪声向量，N表示接收天线的个数，ni表示第i根接收天线接收到的信号噪声；r＝[r1 r2 L rN]T表示接收信号向量，ri表示第i根接收天线接收到的信号；H是一个N×M的信道矩阵，可表示为：
H = H 11 H 12 L H 1 M H 21 H 22 L H 2 M M M O M H N 1 H N 2 L H NM , ]]>
其中，第i行第j列的元素hi，j表示从第j根发射天线到第i根接收天线之间的信道衰落因子，H的值可以通过信道估计模块递推估计得出。本发明涉及图1所示的MIMO信号估计部分和信号检测部分。
图2示出了MIMO通信系统中传统迫零检测方法的流程图，用于图1中的MIMO信号检测部分。传统迫零检测方法适用的前提是假设N个接收天线均有相同的天线增益、相同的外界噪声功率等理想条件，这样，通过信道估计模块，可以估计出信道矩阵H，从而通过公式：
x ^ ZF = ( H H H ) - 1 H H r . ]]>
估计出发射信号x的估计值 完成MIMO信号检测。
然而，实际情况是MIMO通信系统中每个接收天线都是有差异的，均有不同的天线增益，会接收到不同的外界噪声功率，如果仍然使用上式进行检测，会造成一定程度的检测性能下降，影响通信系统的正常工作。为此，本发明对接收信号引入了加权调整因子，流程如图3所示。
由于每个接收天线的增益不同，所接收到的噪声电平也就不同，信号接收方程r＝Hx+n中的白噪声n就变成了向量n；假设第i根天线的接收增益为Gi，则白噪声n可以表示为：
n＝[G1n1 G2n2 L GNnN]T。
首先，在图1所示的信道估计模块中，需要对噪声信号进行估计，计算接收端白噪声的方差：
E[(G1n1)*(G1n1)*]＝(G1σ1)2，E[(Gini)*(Gini)*]＝(Giσi)2；
接着引入加权系数wi：
w i = G 1 σ 1 G i σ i , ]]>
使得接收端的噪声向量n根据第1根天线进行归一化；然后令：
r′＝[w1r1 w2r2 L wNrN]T，
即让第i根天线的接收信号ri乘以加权因子wi。信道矩阵H的值仍由信道估计模块递推估计得出。经过对每个天线的接收信号进行加权调整，接收端的白噪声向量n归一化后重新变为常量n，满足了传统迫零检测方法公式的使用条件，则改进后的检测结果为：
x ^ ZF = ( H H H ) - 1 H H r ′ . ]]>
实施例
本发明提供的方法与传统方法的性能比较结果。横坐标表示信噪比(SNR)，纵坐标表示的是误比特率(BER)，该系统的发射天线和接收天线数目均为4，信道是独立同分布的MIMO平坦瑞利衰落信道，所采用的调制方式是QPSK，无信道编码，经过接收天线不同增益放大后的噪声功率比值40∶30∶10∶1，仿真结果显示本发明提供的方法与传统方法性能相比，性能提升较为明显。
如果仅以一次复数乘除法的计算量为方法复杂度的单位，忽略加减法、比较、选择等相对简单的处理，则本发明提供的一种改进型的迫零检测方法的复杂度同传统的迫零检测方法的复杂度相当。在提高系统检测性能的基础上没有大幅度的提高系统计算复杂度。
本发明提供了一种多输入多输出系统中的迫零检测方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。