一种大规模多输入多输出系统的信号检测方法及装置

摘要

本发明提供一种大规模多输入多输出系统的信号检测方法及装置，能够进行并行迭代计算，有效降低检测计算复杂度。所述方法包括：获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。本发明涉及无线通信技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是指一种大规模多输入多输出系统的信号检测方法及装置。

背景技术

大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input Multiple-Output,MassiveMIMO)系统在基站侧部署大规模天线阵列，为蜂窝小区内同一频段的多个用户终端同时提供服务，充分发掘系统的空间自由度，提升频谱资源的整体利用率，提高链路可靠性，加大信号覆盖范围，提供更快的信息传输速率。

虽然Massive MIMO有着优越的性能，但是将Massive MIMO系统应用到实际的无线传输中仍面临着极大的挑战，其中之一就是信号检测算法的实现。随着天线数量的大幅提升，传统的线性检测算法，如最小均方误差(minimum mean square error，MMSE)和迫零(zero-forcing，ZF)信号检测算法的计算复杂度也大大提升。主要的计算复杂度在于需要对K×K阶矩阵作求逆运算(K为发射天线数)，计算复杂度达到O(K³)。因此当K值增大时，如果用直接求逆的计算方法，则计算复杂度非常巨大，同时相应的硬件系统也难以实现。

为了避免高复杂度的矩阵精确求逆，研究人员提出了基于高斯赛德尔(Gauss-Seidel，GS)迭代方法和连续超松弛(successive overrelaxation，SOR)迭代方法的Massive MIMO检测算法，通过迭代方法求解线性方程组，可以将检测算法的复杂度由O(K³)降到了O(K²)。但是GS和SOR迭代检测算法由于迭代格式的特性，不能进行并行计算。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大规模多输入多输出系统的信号检测方法及装置，以解决现有技术所存在的传统的线性检测算法计算复杂度高、GS和SOR迭代检测算法不能进行并行计算的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种大规模多输入多输出系统的信号检测方法，包括：

获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；

对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；

根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；

根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。

进一步地，所述对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵包括：

通过匹配滤波器，对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出y^MF＝H^Hy和最小均方误差滤波矩阵W＝G+N₀I_K；

其中，y表示基站侧的接收信号，y^MF表示接收信号y的匹配滤波输出，H表示信道矩阵，(·)^H表示共轭转置，W表示最小均方误差滤波矩阵，G表示Gram矩阵，N₀表示噪声方差，I_K表示K维单位矩阵，K表示用户终端总的发射天线的数目。

进一步地，所述Gram矩阵G表示为：G＝H^HH；

其中，H为N×K的信道矩阵，N表示基站侧接收天线的数目。

进一步地，所述发送信号的迭代格式表示为：

x^(m)＝Bx^(m-1)+c

其中，x表示用户终端的原始发送信号，m表示第m次迭代，B表示迭代矩阵，c表示迭代向量，k为快速收敛因子，w_jj表示最小均方误差滤波矩阵W的对角元素，j＝1,2,...,K。

进一步地，所述根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值包括：

根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，当当前迭代次数达到预设的最大迭代次数L后，结束迭代，当前得到的发送信号的值x^(L)为原始发送信号的估计值。

本发明实施例还提供一种大规模多输入多输出系统的信号检测装置，包括：

获取单元，用于获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；

匹配滤波器，用于对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；

构造单元，用于根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；

确定单元，用于根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。

进一步地，所述匹配滤波器，用于对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出y^MF＝H^Hy和最小均方误差滤波矩阵W＝G+N₀I_K；

其中，y表示基站侧的接收信号，y^MF表示接收信号y的匹配滤波输出，H表示信道矩阵，(·)^H表示共轭转置，W表示最小均方误差滤波矩阵，G表示Gram矩阵，N₀表示噪声方差，I_K表示K维单位矩阵，K表示用户终端总的发射天线的数目。

进一步地，所述Gram矩阵G表示为：G＝H^HH；

其中，H为N×K的信道矩阵，N表示基站侧接收天线的数目。

进一步地，所述发送信号的迭代格式表示为：

x^(m)＝Bx^(m-1)+c

其中，x表示用户终端的原始发送信号，m表示第m次迭代，B表示迭代矩阵，c表示迭代向量，k为快速收敛因子，w_jj表示最小均方误差滤波矩阵W的对角元素，j＝1,2,...,K。

进一步地，所述确定单元，具体用于根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，当当前迭代次数达到预设的最大迭代次数L后，结束迭代，当前得到的发送信号的值x^(L)为原始发送信号的估计值。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。这样，通过利用所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵构造的发送信号的迭代格式确定原始发送信号估计值的方法，其可以进行并行迭代计算，能够有效降低检测计算复杂度，提高收敛速度，且不影响检测的差错性能，更利于硬件平台的实现，同时，在迭代计算中可以灵活改变迭代次数，从而实现不同的计算精度，能够适应不同的应用场景中的性能需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大规模多输入多输出系统的信号检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的快速线性迭代检测方法与直接求逆的MMSE检测算法、GS迭代检测算法、SOR迭代检测算法在实数域的计算复杂度对比示意图；

图3为基站内所有用户终端总的发射天线数为32，基站接收天线数为256时，采用本发明实施例提供的快速线性迭代检测方法与其他迭代检测算法在最大迭代次数为2时的误比特率对比示意图；

图4为基站内所有用户终端总的发射天线数为32，基站接收天线数为256时，采用本发明实施例提供的快速线性迭代检测方法与其他迭代检测算法在最大迭代次数为3时的误比特率对比示意图；

图5为本发明实施例提供的大规模多输入多输出系统的信号检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的传统的线性检测算法计算复杂度高、GS和SOR迭代检测算法不能进行并行计算的问题，提供一种大规模多输入多输出系统的信号检测方法及装置。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的大规模多输入多输出系统的信号检测方法，包括：

S101，获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；

S102，对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；

S103，根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；

S104，根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。

本发明实施例所述的大规模多输入多输出系统的信号检测方法，获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。这样，通过利用所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵构造的发送信号的迭代格式确定原始发送信号估计值的方法，其可以进行并行迭代计算，能够有效降低检测计算复杂度，提高收敛速度，且不影响检测的差错性能，更利于硬件平台的实现，同时，在迭代计算中可以灵活改变迭代次数，从而实现不同的计算精度，能够适应不同的应用场景中的性能需求。

本发明实施例提供的所述大规模多输入多输出系统的信号检测方法也可以称为Massive MIMO快速线性迭代检测方法。

为了更好地理解本发明实施例所述的Massive MIMO快速线性迭代检测方法，可以建立一个Massive MIMO信道模型进行模拟操作，在上行链路传输(上行链路传输是指：用户终端发送信号，基站接收信号)场景中，基站侧需配置大规模天线阵列，为同一频段内的多个用户终端同时提供服务，每个用户终端配置多副天线，且多流发送，基站侧接收机根据接收信号(其中，接收信号以向量的形式进行表示)与信道矩阵，使用本发明实施例所述的MassiveMIMO快速线性迭代检测方法对原始发送信号(其中，原始发送信号以向量的形式进行表示)进行还原；具体的：

在Massive MIMO上行链路系统中，设基站有N根接收天线，用户终端总的发射天线的数目为K根，接收天线的数目N大于发射天线的数目K；将M个多天线用户终端产生的并行比特流进行星座符号映射，然后采取星座图集合能量归一化。使用x＝[x₁,x₂,...,x_K]^T表示用户终端的原始发送信号，x中包括了K个发射天线的传输符号，采用16-QAM方式进行星座映射。H表示维度是N×K的信道矩阵，因此基站侧的接收信号y可以表示为：

y＝Hx+n

其中，接收信号y为N×1的向量，y＝[y₁,y₂,...,y_N]^T；n为N×1的加性高斯白噪声向量，其元素服从零均值方差为N₀的高斯分布，上行链路多用户信号检测的任务就是基站侧接收机对接收信号y＝[y₁,y₂,...,y_N]^T估计出用户终端的原始发送信号x。假设信道矩阵H已知，为平坦瑞利衰落信道，其元素服从均值为0方差为1的独立同分布，采用最小均方误差(MMSE)线性检测理论，将原始发送信号的向量的估计值表示为：

其中，(·)^H表示共轭转置，y^MF表示接收信号的匹配滤波输出，y^MF以向量的形式进行表示，W表示最小均方误差滤波矩阵，N₀表示噪声方差，I_K表示K维单位矩阵，K表示用户终端总的发射天线的数目。

如果使用对W直接求逆的方法计算其复杂度为O(K³)，当K值增大时，此方法的复杂度呈指数增加，不利于硬件系统的实现。为了降低计算复杂度，本实施例使用迭代方法求解避免了矩阵的直接求逆运算。

上式求解的过程可以等效为求解线性方程：

使用迭代法求解需要构造发送信号的迭代格式，则第m次迭代所得的结果为：

x^(m)＝Bx^(m-1)+c

其中，B表示迭代矩阵，c表示迭代向量。

迭代矩阵B对迭代算法的收敛速率有很大影响，因此需要构造一个能够使迭代算法快速收敛的迭代矩阵B，利用MMSE滤波矩阵W对角线上的元素的和给出新的迭代格式，在迭代格式中添加一个快速收敛因子k，得到迭代矩阵B和迭代向量c：

其中，1≤k≤K，w_jj表示最小均方误差滤波矩阵W的对角元素，j＝1,2,...,K。

本实施例中，作为一可选实施例，所述对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵包括：

通过匹配滤波器，对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出y^MF＝H^Hy和最小均方误差滤波矩阵W＝G+N₀I_K；

其中，y表示基站侧的接收信号，y^MF表示接收信号y的匹配滤波输出，H表示信道矩阵，(·)^H表示共轭转置，W表示最小均方误差滤波矩阵，G表示Gram矩阵，N₀表示噪声方差，I_K表示K维单位矩阵，K表示用户终端总的发射天线的数目。

本实施例中，基站同时服务M个用户终端，第i个用户终端配置的天线数为K_i，总发射天线数

本实施例中，作为又一可选实施例，所述Gram矩阵G表示为：G＝H^HH；

其中，H为N×K的信道矩阵，N表示基站侧接收天线的数目。

本实施例中，作为再一可选实施例，所述发送信号的迭代格式表示为：

x^(m)＝Bx^(m-1)+c

其中，x表示用户终端的原始发送信号，m表示第m次迭代，B表示迭代矩阵，c表示迭代向量，k为快速收敛因子，w_jj表示最小均方误差滤波矩阵W的对角元素，j＝1,2,...,K。

本实施例中，1≤k≤K，例如，可以令k＝K。

本实施例中，作为一可选实施例，所述根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值包括：

根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，当当前迭代次数达到预设的最大迭代次数L后，结束迭代，当前得到的发送信号的值x^(L)为原始发送信号的估计值。

本实施例中，令预设的最大迭代次数为L，根据构造的发送信号的迭代格式x^(m)＝Bx^(m-1)+c，将K×1维的初始解向量x⁽⁰⁾带入进行迭代计算，当m的取值为L时，迭代结束，此时的x^(L)即为原始发送信号的估计值此时，所需进行的乘法次数为(LK²+K)，因L较小，且不随K的增加而增大，所以计算复杂度为O(K²)。

本发明实施例所述的Massive MIMO快速线性迭代检测方法在迭代计算中可以灵活改变迭代次数，从而实现不同的计算精度，能够适应不同的应用场景中的性能需求。

本实施例中，在迭代次数分别为2和4时，不同算法的计算复杂度(实数乘法数量)对比结果见图2，由图2可知，本发明实施例所述的Massive MIMO快速线性迭代检测方法的复杂度远低于直接求逆的MMSE检测算法，且与GS、SOR迭代检测算法的复杂度接近；从并行计算的角度考虑，本发明实施例所述的Massive MIMO快速线性迭代检测方法能很好地进行并行计算，而GS和SOR迭代检测算法不能进行并行计算。在天线配置为256×32的MassiveMIMO系统中进行仿真时，采用16-QAM映射，仿真结果见图3、图4，由图3、图4中得误比特率(BER)对比结果可以看出，本发明实施例所述的MassiveMIMO快速线性迭代检测方法，在检测性能上优于GS迭代检测算法与SOR迭代检测算法。

综上，本发明实施例所述的Massive MIMO快速线性迭代检测方法，不仅有效降低了Massive MIMO检测原始发送信号的计算复杂度，且不影响检测的差错性能；同时，在迭代计算中可以灵活改变迭代次数，从而实现不同的计算精度，能够适应不同的应用场景中的性能需求；与其他迭代算法相比，本发明实施例所述的Massive MIMO快速线性迭代检测方法收敛速度更快，并且能够进行并行计算，更利于硬件平台的实现。

实施例二

本发明还提供一种大规模多输入多输出系统的信号检测装置的具体实施方式，由于本发明提供的大规模多输入多输出系统的信号检测装置与前述大规模多输入多输出系统的信号检测方法的具体实施方式相对应，该大规模多输入多输出系统的信号检测装置可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述大规模多输入多输出系统的信号检测方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的大规模多输入多输出系统的信号检测装置的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

如图5所示，本发明实施例还提供一种大规模多输入多输出系统的信号检测装置，包括：

获取单元11，用于获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；

匹配滤波器12，用于对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；

构造单元13，用于根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；

确定单元14，用于根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。

本发明实施例所述的大规模多输入多输出系统的信号检测装置，获取大规模多输入多输出上行链路系统的信道矩阵和基站侧的接收信号；对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵；根据得到的所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵，构造发送信号的迭代格式；根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，直至满足预设的迭代终止条件结束迭代，当前得到的发送信号的值作为原始发送信号的估计值。这样，通过利用所述接收信号的匹配滤波输出和最小均方误差滤波矩阵构造的发送信号的迭代格式确定原始发送信号估计值的方法，其可以进行并行迭代计算，能够有效降低检测计算复杂度，提高收敛速度，且不影响检测的差错性能，更利于硬件平台的实现，同时，在迭代计算中可以灵活改变迭代次数，从而实现不同的计算精度，能够适应不同的应用场景中的性能需求。

在前述大规模多输入多输出系统的信号检测装置的具体实施方式中，进一步地，所述匹配滤波器，用于对获取的所述信道矩阵和接收信号进行匹配滤波，得到所述接收信号的匹配滤波输出y^MF＝H^Hy和最小均方误差滤波矩阵W＝G+N₀I_K；

其中，y表示基站侧的接收信号，y^MF表示接收信号y的匹配滤波输出，H表示信道矩阵，(·)^H表示共轭转置，W表示最小均方误差滤波矩阵，G表示Gram矩阵，N₀表示噪声方差，I_K表示K维单位矩阵，K表示用户终端总的发射天线的数目。

在前述大规模多输入多输出系统的信号检测装置的具体实施方式中，进一步地，所述Gram矩阵G表示为：G＝H^HH；

其中，H为N×K的信道矩阵，N表示基站侧接收天线的数目。

在前述大规模多输入多输出系统的信号检测装置的具体实施方式中，进一步地，所述发送信号的迭代格式表示为：

x^(m)＝Bx^(m-1)+c

其中，x表示用户终端的原始发送信号，m表示第m次迭代，B表示迭代矩阵，c表示迭代向量，k为快速收敛因子，w_jj表示最小均方误差滤波矩阵W的对角元素，j＝1,2,...,K。

在前述大规模多输入多输出系统的信号检测装置的具体实施方式中，进一步地，所述确定单元，具体用于根据构造的发送信号的迭代格式进行迭代，当当前迭代次数达到预设的最大迭代次数L后，结束迭代，当前得到的发送信号的值x^(L)为原始发送信号的估计值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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。