CN106953716A - 广义空间调制的双排序球形译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种广义空间调制的双排序球形译码方法。该方法在传统的基于接收天线球形译码的基础上增加了将激活天线组合和接收天线分别重排序的处理过程。对激活天线组合的排序处理过程，可以使方法更早的检测到最有可能的激活天线组合；对接收天线的排序处理过程，能够使检测方法中最先选择的节点所在的分支更有可能包含最优路径，更早的将不对的节点排除；双排序能够在很大程度上降低基于接收天线球形译码方法的检测复杂度。

Description

广义空间调制的双排序球形译码方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域广义空间调制领域，具体涉及一种广义空间调制的双排序球形译码方法。

背景技术

空间调制(spatial modulation,SM)作为一种新的多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)天线技术，有效避免了MIMO技术存在的信道间干扰、天线间同步等缺点，已在无线通信领域中获得了广泛关注。SM中，任何传输周期内只有一根发射天线被激活用来传输数据，剩余的天线不传输信息，而具体的哪根天线被激活由输入信息比特来确定，即激活天线本身携带传输信息。然而SM技术的这种特点大大限制了***的传输速率。为进一步提高频谱效率，广义空间调制(generalized spatial modulation，GSM)被提出。在GSM***中，每个传输周期内激活多根天线传输信息，充分利用不同发射天线的组合数来编码信息比特，大大提升频谱效率的同时又降低了对发射天线数目的要求。广义空间调制技术分为两种，一种是在同一符号周期、不同天线传送相同的信息比特，另一种是在同一符号周期、不同天线传送不同的信息比特。本文将基于第二种情况提出改进方法。

考虑一个有Nt根发送天线、Nr根接收天线的GSM***。每个时隙的激活天线数为Na，有Np种组合方式，Np满足公式(1)；激活天线索引为L＝(l₁,l₂,...,l_Na),l_i∈{1,2,...N_t}；发送符号向量用公式(2)、(3)表示，Ω是M阶QAM调制的所有符号集合。GSM***的最大似然检测方法可以写成公式(4)、(5)的形式，其中H是信道矩阵，h_li是信道矩阵H的第l_i列，x是发送端发送的符号组合。在该方法中，对所有可能的点进行穷搜索，找出最优解，其复杂度是所有方法中最大的。

X＝[...,0,s₁,0,...,0,s₂,0,...0,s_Na,0...]^T (2)

s_i∈Ω (3)

x＝[s₁,s₂,...,s_Na]^T (6)

基于接收天线的球形译码检测方法可以用公式(7)表示：

这里，

R是球半径，本方法中R的初始值设置为无穷大。当在球内找到一个点时，就将半径R更新为这个点到根节点的欧氏距离。

从上面的分析可以看出，基于接收天线的球形译码方法虽然在一定程度上减少了树搜索时需要访问的节点数(the number of visited nodes,NVN)；但是当激活天线排在后面分支，而且某一分支第一层的节点度量值很小而最后几层的节点度量值非常大，反之，其他分支第一层的节点度量非常大而最后几层的节点度量值非常小时，NVN的减少量将非常低，复杂度也会比较高。

根据上述描述，在基于接收天线的球形译码方法中，搜索宽度按照1到Np(Np是激活天线组合的总个数)的顺序，搜索层数r按照接收天线序号1到Nr(Nr是接收天线数)的顺序进行遍历，从而引起上述问题。

发明内容

本发明为了解决以上技术的不足，提出了一种能够大大减少NVN，使基于接收天线球形译码方法的检测复杂度大大降低的广义空间调制的双排序球形译码方法。本发明的技术方案如下：

一种广义空间调制的双排序球形译码方法，其包括以下步骤：

将激活天线组合按照可靠性降序排列，使最有可能是激活天线的分支排在前几列；然后，将接收天线序列按照每根天线的平均度量值(即部分欧式距离的期望)进行降序排列，每个分支中节点度量值较大的点排到前几层；最后遍历各分支，使最先得到的最小欧式距离所在的分支更有可能是要找的发送向量，将不对的节点排除。

所述将激活天线组合按照可靠性降序排列，使最有可能是激活天线的分支排在前几列，具体包括：

将发送端激活天线组合L重新排序，按照公式(9)计算出信道矩阵的每一列的伪逆，同时按照公式(10)预处理接收矢量y，得到z＝[z₁,z₂,...,z_Nt]]^T；用w_i表示每一种激活天线组合的可靠性，w_i由公式(11)获得，激活天线组合L按照w_i的降序进行排列，

z_k＝(h_k)⁺y (10)

h_k表示信道矩阵H的第k列,(h_k)⁺表示h_k的伪逆，表示h_k的共轭转置，z_k表示接收矢量y预处理后的值。

所述将接收天线序列按照每根天线的平均度量值进行降序排列，每个分支中节点度量值较大的点排到前几层具体包括：

接收天线索引按照其欧氏距离的期望E_r进行降序排列，r＝1,2，...，N_r，期望E_r用下列公式表示：

y_r接收矢量y的第2行，H_L,r表示HL的第r行，K表示采用QAM和PSK调制时的星座点的总数，N_P表示激活天线组合的总个数。

当采用QAM或PSK调制时，上式可以变成

这里，是平均符号功率，将各E_r值降序排列得到一个排列后的索引序列

所述排序后的激活天线组合按照接收天线索引序列作为搜索的层数顺序画出树形搜索图，层数的排序根据接收天线欧式距离的期望降序排列。

对排序后的激活天线组合和接收天线利用基于接收天线球形译码方法树搜索，找到最优路径点，解映射，检测结束。

所述基于接收天线球形译码方法树搜索，找到最优路径点，具体步骤如下：

1)初始化d(L,x)＝0；

2)求第层中每一个检测点的部分欧氏距离，即执行公式(14)；

3)比较d(L,S)和R的大小，同时判断当前层是否为最后一层即r是否等于Nr；若d(L,S)＝R且r＝N_r，则更新半径R，即执行公式(15)；

R＝d(L,x) (15)

4)重复步骤2)和步骤3)，直到遍历到最后一种情况，此时L＝L_Np，S是所有可能的发送符号组合中的最后一种；

5)值最小的d(L,x)，就是要找的最优解解映射，检测结束。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出将激活天线组合按照可靠性降序排列，使最有可能是激活天线的分支排在前几列；然后，将接收天线序列按照每根天线的平均度量值进行降序排列，每个分支中节点度量值较大的点排到前几层；最后遍历各分支。这样能使最先得到的最小欧式距离所在的分支更有可能是要找的发送向量，更早的将不对的节点排除，能够大大减少NVN，使基于接收天线球形译码方法的检测复杂度大大降低。该基于接收天线球形译码的双排序检测方法能够在保证近似最优性能的基础上降低信号检测的复杂度。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例本发明的实现流程图；

图2是自然排序的激活天线索引组合表(左)和排序后的激活天线索引组合表(右)对比(发送天线数为8、激活天线数为2)。

图3是基于Rx-GSM检测方法树搜索过程图(发送天线数为4、激活天线数为2、接收天线数为3、利用BPSK调制)；

图4是增加了激活天线组合和接收天线排序的Rx-GSM检测方法树搜索过程图(发送天线数为4、激活天线数为2、接收天线数为3、利用BPSK调制，此例中激活天线组合排序后顺序没变)。

图5是ML方法、Rx-GSM方法和提出的方法的复杂度比较(发送天线数为8、激活天线数为2、接收天线数为8、采用16QAM调制的GSM***，这里方法复杂度定义为执行方法需要的实数乘法的次数)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本专利提出将激活天线组合按照可靠性降序排列，使最有可能是激活天线的分支排在前几列；然后，将接收天线序列按照每根天线的平均度量值进行降序排列，每个分支中节点度量值较大的点排到前几层；最后遍历各分支。这样能使最先得到的最小欧式距离所在的分支更有可能是要找的发送向量，更早的将不对的节点排除，能够大大减少NVN，使基于接收天线球形译码方法的检测复杂度大大降低。该基于接收天线球形译码的双排序检测方法能够在保证近似最优性能的基础上降低信号检测的复杂度。

现在以一个发送天线数为N_t，接收天线数为N_r的***为例，具体实现步骤如下：

步骤一：将发送端激活天线组合L重新排序。按照公式(9)计算出信道矩阵的每一列的伪逆，同时按照公式(10)预处理接收矢量y，得到z＝[z₁,z₂,...,z_Nt]]^T；用w_i表示每一种激活天线组合的可靠性，w_i由公式(11)获得。激活天线组合L按照w_i的降序进行排列。

z_k＝(h_k)⁺y (10)

步骤二：接收天线索引按照其欧氏距离的期望E_r(r＝1,2，...，N_r)进行降序排列，期望E_r用下列公式表示：

当采用QAM或PSK调制时，上式可以变成

这里，是平均符号功率。

将各E_r值降序排列得到一个排列后的索引序列

步骤三：对排序后的激活天线组合按照接收天线索引序列作为搜索的层数顺序画出树形搜索图，如图3所示，层数的排序根据接收天线欧式距离的期望降序排列。

步骤四：对排序后的激活天线组合和接收天线利用基于接收天线球形译码方法树搜索，找到最优路径点。

步骤五：解映射，检测结束。

本发明的有益效果在于，在原有的Rx-GSM检测方法的基础上大大降低了检测复杂度，同时仍然可以保留方法接近最大似然最优检测方法的性能。

表1双排序Rx-GSM具体实施步骤

结合表1、图1、图2、图3、图4和图5说明实施方式，本发明的实施方式步骤如下：

步骤一：按照公式(9)计算出信道矩阵的每一列的伪逆，同时按照公式(10)预处理接收矢量y，得到z＝[z₁,z₂,...,z_Nt]]^T；由公式(11)求得w_i。

步骤二：将激活天线组合按照w_i的值进行降序排列。以发送天线数为8、激活天线数为2的GSM***为例，一共有16种可能的天线组合；如图2所示，左边为自然排序的激活天线索引组合，右边为排序后的激活天线索引组合。例如，排序前，先检测激活天线数为1和2的情况，排序后则先检测激活天线数为3和4的情况。

步骤三：根据公式(12)(13)求出每根接收天线的欧式距离平均值E_r(r＝1,2,3)。

步骤四：将E_r降序排列，获得排序后的接收天线索引序列根据E_r降序顺序，将接收信号y和信道冲击响应H的各行重新排列，重新行排列的y和H分别用y_0和H_0表示。

步骤五：按照排序后的接收天线索引序列作为搜索的层数顺序画出树形搜索图。以发送天线数为4、激活天线数为2、接收天线数为3、利用BPSK调制的GSM***为例。如图3所示，层数的排序根据接收天线欧式距离的期望降序排列，圆圈中的数值即为当前节点到前一节点的累积度量值，黑色点和灰色点是要被访问的点，白色点为丢弃的点，此外，灰色点为最优路径点。由于第二层的平均度量值大于第一层，因此，将第二层调整到第一层，优先搜索，此时接收天线顺序为(2,1,3)。

步骤六：对排序后的接收天线和发送天线利用Rx-GSM检测方法树搜索，找到最优路径点。结合图3和图4，具体步骤如下：

1)初始化d(L,x)＝0，根据公式(3)；

2)求第层中每一个检测点的部分欧氏距离，即执行公式(14)；

6)比较d(L,S)和R的大小，同时判断当前层是否为最后一层(即r是否等于Nr)；若d(L,S)＝R且r＝N_r，则更新半径R，即执行公式(15)；

R＝d(L,x) (15)

7)重复步骤2)和步骤3)，直到遍历到最后一种情况，此时L＝L_Np，S是所有可能的发送符号组合中的最后一种；

8)值最小的d(L,x)，就是要找的最优解

步骤七：解映射，检测结束。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种广义空间调制的双排序球形译码方法，其特征在于，包括以下步骤：

将激活天线组合按照可靠性降序排列，使最有可能是激活天线的分支排在前几列；然后，将接收天线序列按照每根天线的平均度量值即部分欧式距离的期望进行降序排列，每个分支中节点度量值较大的点排到前几层；最后遍历各分支，使最先得到的最小欧式距离所在的分支更有可能是要找的发送向量，将不对的节点排除。

2.根据权利要求1所述的广义空间调制的双排序球形译码方法，其特征在于，所述将激活天线组合按照可靠性降序排列，使最有可能是激活天线的分支排在前几列，具体包括：

将发送端激活天线组合L重新排序，按照公式(9)计算出信道矩阵的每一列的伪逆，同时按照公式(10)预处理接收矢量y，得到z＝[z₁,z₂,...,z_Nt]]^T；用w_i表示每一种激活天线组合的可靠性，w_i由公式(11)获得，激活天线组合L按照w_i的降序进行排列，

${\left(h_k\right)}^{+}{h}_k^H/{h_k}^H{h}_k,k\∈\{1,2,...,Nt\}---\left(9\right)$

z_k＝(h_k)⁺y (10)

$w_i=z_{i_1}^2+z_{i_2}^2+\mathrm{...}+z_{i_{Na}}^2=\underset{n=1}{\overset{Na}{\Σ}}{z}_{i_n}^2,i\∈\{1,2,...,Np\}---\left(11\right)$

其中，h_k表示信道矩阵H的第k列,(h_k)⁺表示h_k的伪逆，表示h_k的共轭转置，z_k表示接收矢量y预处理后的值。

3.根据权利要求2所述的广义空间调制的双排序球形译码方法，其特征在于，所述将接收天线序列按照每根天线的平均度量值进行降序排列，每个分支中节点度量值较大的点排到前几层具体包括：

接收天线索引按照其欧氏距离的期望E_r进行降序排列，r＝1,2，...，N_r，期望E_r用下列公式表示：

$E_r=E{\left|y_r-H_{L,r}x\right|}^2=\frac{1}{{\mathrm{KN}}_P}\underset{L}{\Σ}\underset{x}{\Σ}{\left|y_r-H_{L,r}x\right|}^2---\left(12\right)$

y_r接收矢量y的第2行，H_L,r表示HL的第r行，K表示采用QAM和PSK调制时的星座点的总数，N_P表示激活天线组合的总个数；

当采用QAM或PSK调制时，上式可以变成

$E_r=E{\left|y_r-H_{L,r}x\right|}^2={\left|y_r\right|}^2+\frac{{{\mathrm{\σ}}_s}^2}{Np}\left|\right|H_{L,r}|{|}^2---\left(13\right)$

这里，是平均符号功率，将各E_r值降序排列得到一个排列后的索引序列

4.根据权利要求3所述的广义空间调制的双排序球形译码方法，其特征在于，所述排序后的激活天线组合按照接收天线索引序列作为搜索的层数顺序画出树形搜索图，层数的排序根据接收天线欧式距离的期望降序排列。

5.根据权利要求4所述的广义空间调制的双排序球形译码方法，其特征在于，对排序后的激活天线组合和接收天线利用基于接收天线球形译码方法树搜索，找到最优路径点，解映射，检测结束。

6.根据权利要求5所述的广义空间调制的双排序球形译码方法，其特征在于，所述基于接收天线球形译码方法树搜索，找到最优路径点，具体步骤如下：

1)初始化d(L,x)＝0；

2)求第层中每一个检测点的部分欧氏距离，即执行公式(14)；

$d(L,x)=d(L,x)+{\left|y_{\tilde{r}}-H_{L,\tilde{r}}x\right|}^2---\left(14\right)$

3)比较d(L,S)和R的大小，同时判断当前层是否为最后一层即r是否等于Nr；若d(L,S)＝R且r＝N_r，则更新半径R，即执行公式(15)；

R＝d(L,x) (15)

4)重复步骤2)和步骤3)，直到遍历到最后一种情况，此时L＝L_Np，S是所有可能的发送符号组合中的最后一种；

5)值最小的d(L,x)，就是要找的最优解

解映射，检测结束。