理论教育 LMMSE算法:线性接收的利器

LMMSE算法:线性接收的利器

时间:2023-06-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:上面比较中庸的思想引出线性最小均方误差算法。现在要以观察到的随机变量Y为基础,找一个随机变量,使得该随机变量与真实i的平均距离长期统计最小,即平均误差最小。上面的描述,其实是说,在该线性空间中找一个随机变量使得它与随机变量xi的距离最小,即最小,也就是说是xi的最佳近似。

LMMSE算法:线性接收的利器

假设信号X经过信道后,得到

Y=HX+Z+W (14-22)

其中Z为干扰,W为噪声。仍然只考虑线性接收,即仍然考虑把接收信号往某个方向投影。首先说,采用MRC还好吗?上面我们讲了噪声W往哪个方向投都无所谓,但是干扰Z不一定有这么好的性质。采用MRC是把接收信号往信号方向投影,虽然信号投影长度能达到最大,但是如果Z和信号相关度较高(即方向差不多),Z的投影可能也很大,所以最后整体性能可能不好。那我们换个思路,干脆把接收信号投到与Z正交的方向上,这样即采用ZF把Z完全消掉(投影为0),岂不是感觉很好。打住,也许没你想象的好,和上面一样,虽然Z投影变为0了,可能信号部分的投影也几乎变为0了,而还有个家伙噪声W没变,最后性能也不会好。

三言两语

这样一想,我们大概知道了思考的方向:存在一个方向,虽然信号投影不像投到信号自己方向上那样大,即有所减少,但Z在那个方向上减少得更快,从而整体性能可能还不错。也即存在一个方向,可以最大化信干噪比(SignaltoInterference-NoiseRatio,SINR),使得干扰和噪声两者都能照顾到。

上面比较中庸的思想引出线性最小均方误差(Linear Minimum Mean Square Error,LMMSE)算法。长期来看XZW为随机向量,当然Y也是一个随机向量,但Y是由随机向量XZW组合而成的随机向量,即它们的函数。现在要以观察到的随机变量Y为基础,找一个随机变量978-7-111-42053-8-Chapter11-38.jpg,使得该随机变量与真实i的平均距离长期统计最小,即平均误差最小。也就是说,以时刻1观察到的Y1为基础,找一个978-7-111-42053-8-Chapter11-39.jpg,求该978-7-111-42053-8-Chapter11-40.jpg与时刻1本来发送的xi的距离;以时刻2观察到的Y2为基础,找一个978-7-111-42053-8-Chapter11-41.jpg,求该978-7-111-42053-8-Chapter11-42.jpg与时刻2本来发送的xi的距离;一直这样考察下去,最后使得找的序列978-7-111-42053-8-Chapter11-43.jpg与实际发送的序列xi的距离平均最小。

上面说了以观察到的随机变量Y为基础来找978-7-111-42053-8-Chapter11-44.jpg,但是没有说应该以什么方法或者规则来使用Y。一个比较简单且常用的规则就是采用Y的分量yi的线性表示(注意yj长期看是随机变量),即使得找到的978-7-111-42053-8-Chapter11-45.jpg形如

也就是说,要找到一组常数gij(注意不是随机变量)使得上面形式的数与实际发送的xi统计距离最小,或者叫统计误差最小。

我们可以按照线性空间的条款验证一下,对所有可能的常数gij,对应得到的

构成一个线性空间(其中元素是随机变量)。上面的描述,其实是说,在该线性空间中找一个随机变量978-7-111-42053-8-Chapter11-48.jpg使得它与随机变量xi的距离最小,即978-7-111-42053-8-Chapter11-49.jpg最小,也就是说978-7-111-42053-8-Chapter11-50.jpgxi的最佳近似。

则根据附录B里讲的正交原理(Orthogonal Principle)知,该

必然满足978-7-111-42053-8-Chapter11-52.jpg与如上考察的线性空间中任何向量正交。因为所有yj也在该线性空间内,所以必然978-7-111-42053-8-Chapter11-53.jpg与所有yj(1≤jr)正交,即

根据随机变量内积定义展开有(www.daowen.com)

继续展开可求出所有gij的值,这里略去细节。这里可以有更直接的方式,即把所有xi对应的978-7-111-42053-8-Chapter11-56.jpg一起考虑写成矩阵、向量形式:求X978-7-111-42053-8-Chapter11-57.jpg978-7-111-42053-8-Chapter11-58.jpg,使得它与X的距离最小,其中G为所有gij组成的矩阵。设

则<GY-XY>=0从而

GE[YYH]-E[XYH]=0

那么,可以得到

G=E[XYH]E[YYH]-1=HHHHH+Es-1R+Es-1σ2I)-1(14-24)

其中,

●E[XXH]=EsIEsX每个分量的功率

●E[WWH]=σ2Iσ2为噪声功率。

●E[ZZH]=R为干扰协方差矩阵。

因为ISI信道传播模型可以写成

y=Hx+w

LMMSE均衡也可直接应用与ISI信道,不细讲了。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈