基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统信号检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统信号检测系统及方法，主要解决现有MIMO系统信号检测时复杂度高，以及在实数域进行信号检测时，检测时延翻倍的问题。其实现步骤是：信道矩阵转换模块将信道复矩阵转化为信道实矩阵并生成迭代矩阵；信道矩阵分解模块利用Cholesky矩阵分解方法并行分解迭代矩阵；K

【技术实现步骤摘要】
基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统信号检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及通信
，更进一步涉及多天线
中的一种基于并行Cholesky矩阵分解的多输入多输出MIMO(Multiple
‑
Input Multiple
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Output)系统信号检测系统及方法。本专利技术能以较低的复杂度与较低的时延完成基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统的信号检测。

技术介绍

[0002]MIMO系统利用空间复用技术，通过将原本串行的数据，并行的由多根天线发送，在不增加天线发射功率以及消耗更多频谱资源的前提下，使系统吞吐率成倍提升，被应用于各类无线通信场景之中。近年来，MIMO信号检测方法的研究主要围绕K
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Best信号检测方法展开，该方法可以通过设置保留路径数量的方式，在性能和硬件资源消耗上做出选择，具有极高的灵活性，但存在矩阵分解过程中实现复杂度高、信号搜索过程中展开子节点数量多等问题，导致该方法完成信号检测的任务需要消耗大量的时间和计算资源，这与新一代通信系统低时延的发展趋势不符。
[0003]乐鑫信息科技(上海)股份有限公司在其申请的专利文献“带有检测中信道矩阵预处理的MIMO
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OFDM无线信号检测方法和系统”(申请号：201910152084.3，申请公布号：CN 111628952 A)公开了一种基于K
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Best的无线信号检测方法及其系统。该专利文献公开的方法当接收到的第一个OFDM符号后，对每个子载波的信道矩阵进行预处理，以生成全局动态K值表，确定了每个子载波进行信号检测时保留的路径数量。同时，为了进一步降低方法整体的复杂度，该方法从实数域进行信号检测，避免了复杂的复数运算。虽然该方法有效降低了信号检测过程中展开的子节点数量以及算法的复杂度，但是，该方法仍然存在的不足之处是，在实数域进行信号检测时，需对信道矩阵进行实数化，这会使信道矩阵大小翻倍，导致该方法在信号检测过程中计算复杂度过高，此外，大小翻倍后的信道矩阵在进行信道矩阵分解以及K
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Best搜索时会带来处理时延翻倍的问题。该专利文献公开的系统由信道矩阵预处理子模块、存储子模块和K
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best搜索子模块组成。首先，信道矩阵预处理子模块对第一个OFDM符号的每个子载波的信号矩阵执行信号矩阵预处理，以生成全局动态K值表；接着，存储子模块存储全局动态K值表以及每个子载波的搜索参数；最后，K
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best搜索子模块对MIMO
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OFDM数据包中每个后续OFDM符号进行MIMO检测。为了降低系统复杂度，该系统利用实数域替代复数域计算，但是，该系统存在的不足之处是，在实数域进行信号检测时，需要对矩阵实数化，使得信号矩阵大小翻倍，增加了系统在信号检测时计算复杂度高，同时K
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bset搜索也会导致系统处理时延翻倍。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统信号检测系统及方法，用于解决现有MIMO系统信号检测时复杂度高，以及在实数域进行信号检测时，检测时延翻倍的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的思路是，本专利技术的方法通过对实数化后的信道矩阵采用Cholesky矩阵模型进行并行矩阵分解，重新设计的信道矩阵分解过程，能以完成对一行元素计算的代价实现对相邻两行元素的并行分解，降低了对实数化后信道矩阵分解时所需计算次数，有效提高了信道矩阵的分解速度，相较于传统信道矩阵分解方法，克服了现有矩阵分解技术中，信道矩阵大小翻倍后带来的信道矩阵分解复杂度过高、分解翻倍时间不足的缺陷，并且，对于分解得到的上三角矩阵，其奇数行对角线元素右侧第一个元素数值固定为0，充分利用了分解得到的矩阵特性。本专利技术的系统在搜索过程采用K
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best算法对相邻两层同时进行子节点展开，并在子节点展开时，将各保留路径依据累积欧氏距离的排序进行划分，每类路径按照SE枚举规则顺序展开不同数量的子节点，在对相邻两层展开的子节点进行组合、排序后，最终完成K个最佳路径的选择，相较于传统搜索系统，本专利技术改进后的系统仅对部分节点进行展开，有效减少了展开的子节点数量，克服了现有方法中子节点展开数量过多的不足。为了进一步降低时延，本专利技术的系统在进行信号搜索时，在完成相邻两层子节点的并行展开后，通过对子节点进行二次展开，将相邻两层的搜索过程合并为一次，仅需传统方法一半的信号搜索次数，便可完成对全部信号的搜索，有效解决了信道矩阵大小翻倍带来的信号搜索时间翻倍问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案的步骤如下：
[0007]本专利技术的系统，包括信道矩阵转换模块、检测结果判决模块、信道矩阵分解模块、K
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Best并行搜索模块；其中：
[0008]所述信道矩阵转换模块，用于将MIMO系统的信道复矩阵转化为信道实矩阵，通过信道实矩阵生成迭代矩阵；
[0009]所述信道矩阵分解模块，用于利用Cholesky矩阵分解方法并行分解迭代矩阵，从当前迭代矩阵中选取前两行元素作为待分解元素，通过待分解元素得到上三角矩阵R中第2o
‑
1行和第2o行元素，同时将待分解元素从当前迭代矩阵中移除，得到移除分解元素后的矩阵，其中，o的取值等于迭代次数；将上三角矩阵R中第2o
‑
1行，第2o+1列至第2N列元素组成的行向量转置后与自身行向量相乘，组成中间矩阵；其中，o的取值等于迭代次数，N的取值等于MIMO系统中发射天线的数量；利用中间矩阵相关元素更新移除分解元素后的矩阵，得到更新后的迭代矩阵；判断当前迭代矩阵是否还存在未被移除的元素，若是，则从当前迭代矩阵中选取前两行元素作为待分解元素，否则，通过上三角矩阵R和信道实矩阵生成等效酉矩阵Q；
[0010]所述K
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Best并行搜索模块，用于利用K
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Best方法并行搜索相邻两层的路径，从MIMO系统的所有发射天线中，选取一根未检测的发射天线；将保留的搜索路径按照累积欧式距离的排序划分为3类路径，按照SE枚举规则同时展开相邻两层子节点，展开的子节点数量由路径类别以及K值决定；将展开的下层节点添加至对应保留路径的末端，得到扩展后路径，再将展开的上层节点复制后，添加至对应扩展后路径的末端，对路径做第二次扩展，得到二次扩展后路径；通过上三角矩阵R和等效酉矩阵Q计算出每一条二次扩展后路径的累积欧氏距离，选择其中累积欧氏距离最小的K条路径作为保留路径；
[0011]所述检测结果判决模块，用于判断是否选完MIMO系统的所有发射天线，若是，则确定发射信号的检测值，否则，利用K
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Best方法并行搜索相邻两层的路径，从MIMO系统的所有发射天线中，选取一根未检测的发射天线，进行并行搜索；
[0012]所述检测结果判决模块，用于确定发射信号的检测值。
[0013]选中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统信号检测系统，包括信道矩阵转换模块、检测结果判决模块；其特征在于，还包括信道矩阵分解模块、K
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Best并行搜索模块；其中：所述信道矩阵转换模块，用于将MIMO系统的信道复矩阵转化为信道实矩阵，通过信道实矩阵生成迭代矩阵；所述信道矩阵分解模块，用于利用Cholesky矩阵分解方法并行分解迭代矩阵，从当前迭代矩阵中选取前两行元素作为待分解元素，通过待分解元素得到上三角矩阵R中第2o
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1行和第2o行元素，同时将待分解元素从当前迭代矩阵中移除，得到移除分解元素后的矩阵，其中，o的取值等于迭代次数；将上三角矩阵R中第2o
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1行，第2o+1列至第2N列元素组成的行向量转置后与自身行向量相乘，组成中间矩阵；其中，o的取值等于迭代次数，N的取值等于MIMO系统中发射天线的数量；利用中间矩阵相关元素更新移除分解元素后的矩阵，得到更新后的迭代矩阵；判断当前迭代矩阵是否还存在未被移除的元素，若是，则从当前迭代矩阵中选取前两行元素作为待分解元素，否则，通过上三角矩阵R和信道实矩阵生成等效酉矩阵Q；所述K
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Best并行搜索模块，用于利用K
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Best方法并行搜索相邻两层的路径，从MIMO系统的所有发射天线中，选取一根未检测的发射天线；将保留的搜索路径按照累积欧式距离的排序划分为3类路径，按照SE枚举规则同时展开相邻两层子节点，展开的子节点数量由路径类别以及K值决定；将展开的下层节点添加至对应保留路径的末端，得到扩展后路径，再将展开的上层节点复制后，添加至对应扩展后路径的末端，对路径做第二次扩展，得到二次扩展后路径；通过上三角矩阵R和等效酉矩阵Q计算出每一条二次扩展后路径的累积欧氏距离，选择其中累积欧氏距离最小的K条路径作为保留路径；所述检测结果判决模块，用于判断是否选完MIMO系统的所有发射天线，若是，则确定发射信号的检测值，否则，利用K
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Best方法并行搜索相邻两层的路径，从MIMO系统的所有发射天线中，选取一根未检测的发射天线，进行并行搜索；所述检测结果判决模块，用于确定发射信号的检测值。选中保留路径中累积欧氏距离最小的路径，从根节点开始，每次选择两个值，将所选两个值分别作为实部与虚部，构成一个发射调制信号复数值的检测值，直至到达叶子结点，由所有发射调制信号复数值的检测值组成的复数集合即为所有发射天线的信号检测值。2.根据权利要求1所述检测系统的一种基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统信号检测方法，其特征在于，采用Cholesky矩阵分解方法并行分解迭代矩阵，采用K
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Best方法并行搜索相邻两层的路径，该方法的步骤包括如下：步骤1，信道矩阵转换模块将MIMO系统的信道复矩阵转化为信道实矩阵，通过信道实矩阵生成迭代矩阵；步骤2，信道矩阵分解模块利用用Cholesky矩阵分解方法并行分解迭代矩阵：步骤2.1，从当前迭代矩阵中选取前两行元素作为待分解元素，通过待分解元素得到上三角矩阵R中第2o
‑
1行和第2o行元素，同时将待分解元素从当前迭代矩阵中移除，得到移除分解元素后的矩阵，其中，o的取值等于迭代次数；步骤2.2，将上三角矩阵R中第2o
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1行，第2o+1列至第2N列元素组成的行向量转置后与自身行向量相乘，组成中间矩阵；其中，o的取值等于迭代次数，N的取值等于MIMO系统中发
射天线的数量；步骤2.3，利用中间矩阵相关元素更新移除分解元素后的矩阵，得到更新后的迭代矩阵；步骤2.4，判断当前迭代矩阵是否还存在未被移除的元素，若是，则执行步骤2.1，否则，执行步骤2.5；步骤2.5，通过上三角矩阵R和信道实矩阵生成等效酉矩阵Q；步骤3，K
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Best并行搜索模块利用K
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Best方法并行搜索相邻两层的路径：步骤3.1，从MIMO系统的所有发射天线中，选取一根未检测的发射天线；步骤3.2，将保留的搜索路径按照累积欧式距离的排序划分为3类路径，按照SE枚举规则同时展开相邻两层子节点，展开的子节点数量由路径类别以及K值决定；步骤3.3，将展开的下层节点添加至对应保留路径的末端，得到扩展后路径，再将展开的上层节点复制后，添加至对应扩展后路径的末端，对路径做第二次扩展，得到二次扩展后路径；步骤3.4，通过上三角矩阵R和等效酉矩阵Q计算出每一条二次扩展后路径的累积欧氏距离，选择其中累积欧氏距离最小的K条路径作为保留路径；步骤4，检测结果判决模块判断是否选完MIMO系统的所有发射天线，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤3；步骤5，检测结果判决模块确定发射信号的检测值：选中保留路径中累积欧氏距离最小的路径，从根节点开始，每次选择两个值，将所选两个值分别作为实部与虚部，构成一个发射调制信号复数值的检测值，直至到达叶子结点，由所有发射调制信号复数值的检测值组成的复数集合即为所有发射天线的信号检测值。3.根据权利要求1所述基于并行Cholesky矩阵分解的MIMO系统信号检测系统，其特征在于，步骤1中所述的将MIMO系统的信道复矩阵转化为信道实矩阵是由下式实现的：其中，H
′
表示信道实矩阵，Re(
·
)表示实部符号，H1表示信道复矩阵的第1个列向量，H
N
表示信道复矩阵的第N个列向量，N的取值等于MIMO系统中发射天线的总数，Im(
·
)表示虚部符号。4.根据权利要求1所述基于并行Cholesky矩阵分解的MIM...

【专利技术属性】
技术研发人员：张顺，王祥光，程帅林，段明明，马建鹏，何先灯，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：