CN105515627A - 一种大规模mimo检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO检测方法，属于无线通信技术领域。本发明利用实数域下的基于置信度传播BP迭代算法进行MIMO信号的检测；在BP迭代开始前，先对所有确定性变量进行归一量化处理，使其位于[-1,1]的范围内，然后将各归一量化后的确定性变量用带符号的随机比特流表示；在BP迭代过程中，通过随机计算完成消息的更新和传递；在BP迭代完成后，将迭代输出的随机比特流转换为确定性变量，作为输出软信息。本发明还公开了一种大规模MIMO检测装置。本发明将实数域BP算法与随机计算相结合，在保证与确定性检测相同的检测性能下，其硬件消耗及***延时仅随发送或接收天线数的增加呈线性增加，从而能够很好地适应大规模MIMO的场景。

Description

一种大规模MIMO检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种大规模MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)检测方法及检测装置。

背景技术

随着无线通信技术飞速发展，移动通信已成为当今通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。移动通信经历了第一代模拟通信(1G)，第二代蜂窝数字通信(2G)，第三代CDMA宽带通信(3G)的发展历程，目前已进入了***移动通信(4G)产业化的应用阶段。移动通信正朝着高速率，高容量，高频谱效率和低功耗的方向发展，不断满足人们日益增长的数据和视频需求。据主要运营商和权威咨询机构预测：移动宽带业务流量将在未来10年增长1000倍。现有4G技术在传输速率和资源利用率等方面仍然无法满足未来的需求，其无线覆盖和用户体验也有待进一步提高。世界各国在推动4G产业化工作的同时，第五代移动通信技术(5G)已经成为了国内外无线通信领域的研究热点。

相比单天线***，多天线***(MIMO)通过在同一频带上并行地发送多路数据，大大提高了***容量和数据速率。MIMO以其更高的频谱效率和连接可靠性，在研究和工业领域备受关注。近年来，结合空分复用的MIMO技术已成为3GPPLTE-Advanced和IEEE802.11n的最新标准。随着未来移动通信需求的不断增长，***需要的天线规模也越来越大，进而导致了大规模MIMO的诞生。基于大规模MIMO的无线传输技术使得频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级，将成为下一代移动通信的关键技术。对于理想的检测方法如ML，其计算复杂度随着发射天线数的增加呈指数增加。然而，在大规模MIMO场景下，这样的检测方法运算复杂度极高，是硬件所无法实现的。

关于MIMO检测的相关文献中，有大量针对低复杂度检测算法的相关研究。基于Neumann近似的最小均方误差(MMSE)检测，大大降低了检测的运算复杂度。然而，近似的误差与天线数的配置有关，从而限制了其应用范围。基于置信传播(BP)的迭代检测算法虽然避免了矩阵求逆，但在硬件实现上仍然需要大量的算术运算。此外，这些确定性的检测算法容错能力较差。因此，在保证近似理想的检测性能前提下，设计一种便于硬件实现的高效大规模MIMO检测方法显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种大规模MIMO检测方法及检测装置，将实数域BP算法与随机计算相结合，在保证与确定性检测相同的检测性能下，其硬件消耗及***延时仅随发送或接收天线数的增加呈线性增加，从而能够很好地适应大规模MIMO的场景。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种大规模MIMO检测方法，利用实数域下的基于置信度传播BP迭代算法进行MIMO信号的检测；在BP迭代开始前，先对所有确定性变量进行归一量化处理，使其位于[-1,1]的范围内，然后将各归一量化后的确定性变量用带符号的随机比特流表示；在BP迭代过程中，通过随机计算完成消息的更新和传递；在BP迭代完成后，将迭代输出的随机比特流转换为确定性变量，作为输出软信息。

优选地，所述带符号的随机比特流的长度为2¹²。

进一步地，在BP迭代过程中，定时对随机比特流进行重新随机化处理。

优选地，利用一个伪随机数生成器和一个比较器所构成的随机数生成器，将确定性数值转换为随机比特流；利用一个可控的加减计数器和一组移位寄存器所构成的随机到确定转换器，将随机比特流转换为确定性数值；利用一个XOR门和一个AND门所构成的随机实数加法器实现随机比特流的加运算；利用一组XNOR、XOR、OR、AND门以及二选一数据选择器所构成的随机实数乘法器实现随机比特流的乘运算。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种大规模MIMO检测装置，利用实数域下的基于置信度传播BP迭代算法进行MIMO信号的检测；该装置包括：

归一量化单元，用于在BP迭代开始前，先对所有确定性变量进行归一量化处理，使其位于[-1,1]的范围内；

随机数生成单元，用于将各归一量化后的确定性变量用带符号的随机比特流表示；

随机计算单元，用于在BP迭代过程中，通过随机计算完成消息的更新和传递；

随机到确定转换单元，用于在BP迭代完成后，将迭代输出的随机比特流转换为确定性变量，作为输出软信息。

优选地，所述带符号的随机比特流的长度为2¹²。

进一步地，所述大规模MIMO检测装置还包括重新随机化处理单元，用于在BP迭代过程中，定时对随机比特流进行重新随机化处理。

优选地，所述随机数生成单元包括由一个伪随机数生成器和一个比较器所构成的随机数生成器，用于将确定性数值转换为随机比特流；所述随机到确定转换单元包括由一个可控的加减计数器和一组移位寄存器所构成的随机到确定转换器，用于将随机比特流转换为确定性数值；所述随机计算单元包括随机实数加法器和随机实数乘法器，随机实数加法器由一个XOR门和一个AND门构成，随机实数乘法器由一组XNOR、XOR、OR、AND门以及二选一数据选择器构成。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明将实数域的BP迭代检测算法与随机计算相结合，并考虑并行流水线处理，仅采用简单的逻辑结构实现了高效的大规模MIMO检测器。此外，本发明的检测性能随着天线规模的增大而得到进一步改善；同时，硬件消耗及***延时仅随天线数的增加呈线性增加，能够适用于大规模MIMO检测器的硬件实现。

附图说明

图1为实数域内信号节点及观测节点之间的信息传递图；

图2为本发明大规模MIMO检测装置一个优选实施例的***架构；

图3为图2所示***架构中各个处理单元的逻辑结构图；

图4为SNG和SDC的逻辑结构图；

图5为SRM和SRA的逻辑结构图；

图6为不同天线配置下的MIMO检测器性能对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

现有实数域BP检测算法的基本原理如下：在MIMO***中，运用其等效的实数域模型来构建相应的因子图，将复数域运算转化为实数域运算，实现基于BP的迭代检测。其中，发射信号称为“信号节点”，接收信号称为“观测节点”。首先，每一个信号节点根据从变量节点获取的后验信息来更新先验信息，接着传递给所有与之相连的观测节点。其次，每一个观测节点根据来自信号节点的先验信息来计算后验信息，然后传递回与之相连的信号节点。从而，完成一次消息的更新和传递过程。经过若干次迭代后，信号节点输出软信息，用于估计发射符号。

本发明的思路是将随机计算与实数域BP检测算法相结合，具体方案如下：

在BP迭代开始前，先对所有确定性变量进行归一量化处理，使其位于[-1,1]的范围内，然后将各归一量化后的确定性变量用带符号的随机比特流表示；在BP迭代过程中，通过随机计算完成消息的更新和传递；在BP迭代完成后，将迭代输出的随机比特流转换为确定性变量，作为输出软信息。

为了进一步降低算法实现的复杂度，本发明优选利用简单的逻辑电路来实现，具体如下：利用一个伪随机数生成器和一个比较器所构成的随机数生成器(SNG)，将确定性数值转换为随机比特流；利用一个可控的加减计数器和一组移位寄存器所构成的随机到确定转换器(SDC)，将随机比特流转换为确定性数值；利用一个XOR门和一个AND门所构成的随机实数加法器(SRA)实现随机比特流的加运算；利用一组XNOR、XOR、OR、AND门以及二选一数据选择器所构成的随机实数乘法器(SRM)实现随机比特流的乘运算。此外，通过引入合适的系数，随机实数触发器(SRD)可采用一个JK触发器来近似实现，从而进一步降低实现复杂度。

在随机计算中，随机数据流的长度越长，其性能越接近于确定性运算，同时引入的***延时也越大。通过大量的仿真发现随机比特流的长度L＝2¹²，***性能最优。此外，为了避免比特流随机性的消失而造成死锁现象，本发明进一步在消息的更新过程中定时对比特流进行重新随机化处理，从而改善随机检测的性能。在随机计算设计中，求和运算仅仅用一个SRA以流水线的方式来实现，从而降低硬件消耗。信号节点和观测节点的消息更新分别采用并行方式来试现，降低***延时。

为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

首先做以下说明：对于确定的标量值用x来表示，其对应的随机比特流用x^s来表示；确定的变量或矩阵用x来表示，对应的随机比特流表示为x^s。定点化的确定值用1bit符号位，kbits数据位来表示，其对应的随机比特流的长度为L＝2^k。在大规模MIMO***中，假定发射天线数为M，接收天线数为N。发射信号进行了正交幅度调制(QAM)，且星座图大小为||Θ||＝Q。在等效实数***中，发射信号x＝[x₁,x₂,...,x_2M],信道矩阵为H_2N×2M，接收信号r＝[r₁,r₂,...,r_2N]。判决输出时的迭代次数为I。

图1显示了基于实数域的因子图，其描述了BP迭代检测过程中信号节点和观测节点之间的消息传递。对于4-QAM，在第l次迭代中，信号节点的先验消息为观测节点的后验消息为BP迭代检测过程如下：

1)观测节点的消息更新：

${\mathrm{\β}}_{j,i}^{\left(l\right)}=\frac{2h_{j,i}(r_j-{\mathrm{\μ}}_{z_{j,i}})}{{\mathrm{\σ}}_{z_{j,i}}^2}---\left(1\right)$

其中，

${\mathrm{\μ}}_{z_{j,i}}=\underset{k=1}{\overset{2M}{\Σ}}{h}_{j,k}E\left\{x_k\right\}-h_{j,i}E\left\{x_i\right\}={\mathrm{\μ}}_{z_j}-h_{j,i}E\left\{x_i\right\}---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_{z_{j,i}}^2=\underset{k=1}{\overset{2M}{\Σ}}{h}_{j,k}^{2}Var\left\{x_k\right\}-h_{j,i}^{2}Var\left\{x_i\right\}={\mathrm{\σ}}_{z_j}^2-h_{j,i}^{2}Var\left\{x_i\right\}---\left(3\right)$

2)信号节点的消息更新：

${\mathrm{\α}}_{i,j}^{\left(l\right)}=\underset{t=1,t\≠j}{\overset{2N}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{t,i}^{(l-1)}---\left(4\right)$

3)输出判决：

${\hat{x}}_i=sign\left({\mathrm{\γ}}_i\right)=sign\left(\underset{t=1}{\overset{2N}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{t,i}^{\left(I\right)}\right)---\left(5\right)$

图2显示了本发明大规模MIMO检测装置(后文简称随机检测器)的一种硬件实现架构。该检测装置可以并行地检测M个复值符号。各个子处理单元(PE)底部的小字表示并行运算的该单元数目。阴影框中的结构实为同一模块，以分时复用方式工作。

其中，各个子处理单元的逻辑结构如图3所示。图3中，SNG(stochasticnumbergenerator)为随机数产生器；SDC(stochasticdigitalconvertor)为随机比特流到确定性数转换器。本实施例中，SNG与SDC的逻辑结构如图4所示。其中，||代表取绝对值运算，LFSR(linearfeedbackshiftregister)为线性反馈移位寄存器，用于产生伪随机数。SRA(stochasticrealadder)为随机实数加法器，SRM(stochasticrealmultiplier)为随机实数乘法器。-X代表符号位的比特翻转操作；RR为重新随机化操作；Sign代表取符号比特；Counter为带控制信号的加减计数器。假定SRA、SRM的输入随机比特流为x^s和y^s，输出随机比特流为z^s，SRA的真值表如表1所示。其中c(z^s(t))可看作加法器的进位，用以提高随机加法运算的准确性。由此可知，SRM及SRA的逻辑结构如图5所示。

表1.SRA的真值表

结合图2，本发明的操作步骤如下：

1)初始化：确定性变量r,H和进行归一量化处理，并经SNG转换为随机比特流。以有符号确定性数值A∈[-1,1]的13bits二进制表示作为地址，D∈(0,1)为数据，构建大小为8K的数据存储块，其中D与A的对应关系如下：

$D=\frac{e^{\frac{A}{s/\sqrt{2}}}}{1+e^{\frac{A}{s/\sqrt{2}}}}---\left(6\right)$

2)观测节点的消息更新：公式(8)通过在分子中引入系数来实现近似的除法运算。4NM个PE1～PE2根据公式(7)并行计算E{x^s}和Var{x^s}。PE3～PE6完成公式(2)(3)的并行计算，得到随机比特流μ^s和最后，4MN个PE7并行实现公式(8)的运算，更新后验信息比特流β^s。

${\mathrm{\μ}}_x=\frac{1}{\sqrt{2}}(p+p+(-1\left)\right),{\mathrm{\σ}}_x^2=(p-p^2)+(p-p^2)---\left(7\right)$

${\mathrm{\β}}_{j,i}^s=\frac{s^s\·h_{j,i}^s\left(r_j^s-{\mathrm{\μ}}_{z_{j,i}}^s\right)}{{\left({\mathrm{\σ}}_{z_{j,i}}^2\right)}^s}\≈\frac{s^s\·h_{j,i}^s\left(r_j^s-{\mathrm{\μ}}_{z_{j,i}}^s\right)}{s^s\·h_{j,i}^s\left(r_j^s-{\mathrm{\μ}}_{z_{j,i}}^s\right)+{\left({\mathrm{\σ}}_{z_{j,i}}^2\right)}^s}---\left(8\right)$

3)信号节点的消息更新：2M个PE8并行执行公式(5)的操作，以并行流水线方式更新先验信息比特流α^s，并得到输出软信息γ^s。

4)4MN个SDC并行模块将随机比特流α^s转化为确定性数值α，并将其作为地址线，访问数据存储块，得到先验概率P，再经过SNG转化为随机比特流P^s。

5)重复步骤2)～4),直到完成I次迭代。

6)判决输出：2M个PE9并行模块完成公式(5)的运算，得到最终检测值

为了验证本发明效果，在不同天线配置下将本发明的随机检测器与现有定点的归一化确定性检测器的性能进行了实验比对。对于定点的归一化确定性检测器设定循环次数为I＝7。对于本发明的随机检测器，循环次数为I＝11，随机比特流长度为L＝2¹¹。对于8×8,16×16,32×32的MIMO***，采用4-QAM调制，其BER性能对比如图6所示。当天线规模较小时(8×8)，随机检测器相比确定性检测器，BER性能损失较大。然而，随机检测器的性能随着天线规模的增大而不断改善，并逐渐接近确定性检测器。对于32×32的MIMO***，随机检测器的性能略优于确定性检测器。这种大***行为与大规模MIMO***的理论分析一致。因此，本发明提出的MIMO检测装置适用于大规模MIMO***。

假定***时钟周期为T_s，数据存储器的访问延时为nT_s，忽略组合逻辑门的延时。对于M×N的MIMO***，采用4-QAM调制，提出的随机检测器的硬件消耗如表2所示。其中，CMP、CNT及SWT分别代表比较器、计数器及开关元件。由表2可知，该随机检测器主要由寄存器、基本门电路及存储器构成。当M(N)固定时，随机检测器的硬件消耗及***延时仅随N(M)的增加呈线性增加。因此，该随机检测器适用于大规模MIMO检测的硬件实现。

表2.随机检测器的硬件消耗及***延时

与现有大规模MIMO检测器相比，本发明的主要贡献在于：将实数域的BP迭代检测算法与随机计算相结合，综合考虑并行流水线处理，用简单的逻辑结构实现了高效的大规模MIMO检测器。在保证与确定性检测一致的性能下，降低了复杂度，提高了硬件实现效率。此外，该随机检测器的性能随着天线规模的增大而得到进一步改善。同时，硬件消耗及***延时仅随天线数的增加呈线性增加，能够适用于大规模MIMO检测器的硬件实现。

Claims (10)

1.一种大规模MIMO检测方法，利用实数域下的基于置信度传播BP迭代算法进行MIMO信号的检测；其特征在于，在BP迭代开始前，先对所有确定性变量进行归一量化处理，使其位于[-1,1]的范围内，然后将各归一量化后的确定性变量用带符号的随机比特流表示；在BP迭代过程中，通过随机计算完成消息的更新和传递；在BP迭代完成后，将迭代输出的随机比特流转换为确定性变量，作为输出软信息。

2.如权利要求1所述大规模MIMO检测方法，其特征在于，所述带符号的随机比特流的长度为2¹²。

3.如权利要求1所述大规模MIMO检测方法，其特征在于，在BP迭代过程中，定时对随机比特流进行重新随机化处理。

4.如权利要求1～3所述大规模MIMO检测方法，其特征在于，利用一个伪随机数生成器和一个比较器所构成的随机数生成器，将确定性数值转换为随机比特流；利用一个可控的加减计数器和一组移位寄存器所构成的随机到确定转换器，将随机比特流转换为确定性数值；利用一个XOR门和一个AND门所构成的随机实数加法器实现随机比特流的加运算；利用一组XNOR、XOR、OR、AND门以及二选一数据选择器所构成的随机实数乘法器实现随机比特流的乘运算。

5.如权利要求4所述大规模MIMO检测方法，其特征在于，利用并行随机计算的方式实现消息的更新。

6.一种大规模MIMO检测装置，利用实数域下的基于置信度传播BP迭代算法进行MIMO信号的检测；其特征在于，该装置包括：

归一量化单元，用于在BP迭代开始前，先对所有确定性变量进行归一量化处理，使其位于[-1,1]的范围内；

随机数生成单元，用于将各归一量化后的确定性变量用带符号的随机比特流表示；

随机计算单元，用于在BP迭代过程中，通过随机计算完成消息的更新和传递；

随机到确定转换单元，用于在BP迭代完成后，将迭代输出的随机比特流转换为确定性变量，作为输出软信息。

7.如权利要求6所述大规模MIMO检测装置，其特征在于，所述带符号的随机比特流的长度为2¹²。

8.如权利要求6所述大规模MIMO检测装置，其特征在于，还包括重新随机化处理单元，用于在BP迭代过程中，定时对随机比特流进行重新随机化处理。

9.如权利要求6～8任一项所述大规模MIMO检测装置，其特征在于，所述随机数生成单元包括由一个伪随机数生成器和一个比较器所构成的随机数生成器，用于将确定性数值转换为随机比特流；所述随机到确定转换单元包括由一个可控的加减计数器和一组移位寄存器所构成的随机到确定转换器，用于将随机比特流转换为确定性数值；所述随机计算单元包括随机实数加法器和随机实数乘法器，随机实数加法器由一个XOR门和一个AND门构成，随机实数乘法器由一组XNOR、XOR、OR、AND门以及二选一数据选择器构成。

10.如权利要求9所述大规模MIMO检测装置，其特征在于，随机计算单元利用并行随机计算的方式实现消息的更新。