CN109286587A - 一种多有源广义空间调制检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多有源广义空间调制检测方法，利用迫零线性均衡检测所有可能的激活天线组合，根据每组均衡后的信息比特得到对应的欧氏距离，然后对欧氏距离进行排序，以欧氏距离最小的天线组合作为激活天线索引，接着根据阈值判断是否对该天线组合进行部分最大似然检测，对均衡后的邻近星座点进行检测，得到星座调制符号。本发明将天线索引和星座符号分开检测，极大的降低了算法的复杂度，另外再迫零均衡粗略的检测出星座符号之后，通过设置阈值来判断是否对星座符号进一步检测，在降低复杂度的同时提高了方法的检测性能。

Description

一种多有源广义空间调制检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于迫零均衡和部分最大似然的多有源广义空间调制检测方法。

背景技术

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术通过在收发端设置多根天线，在不增加***带宽与发射功率的前提下，利用空域资源有效提高***容量。然而在采用大规模MIMO技术的5G***中，配置在同一基站的上百根天线之间的信道间干扰(Inter-channel Interference，ICI)、天线间同步(Inter-Antenna Synchronization，IAS)、多射频链(Radio Frequency，RF)等问题制约传输性能。为此，只激活部分天线，同时利用天线序号传输信息的空间调制(Spatial Modulation，SM)获得广泛关注。传统的SM***中，在每个时隙，仅激活一根天线，其它天线都保持静默，输入的信息比特一部分用来选取一根发射天线的索引号，其余比特信息用来星座图调制。

然而传统的SM只激活一根发射天线，不能充分利用大规模MIMO的空域资源，总的传输速率较低。为此，广义空间调制(Generalized Spatial Modulation，GSM)在每个时隙激活至少两根以上的天线用来传输数据符号。此时，空域信息对应激活的发送天线组合，而非单独的天线序号，每根激活天线都传输相同的信息比特，获取的分集增益较大，而复用增益为零。为了实现更高的传输速率，一种结合了垂直空时分层编码(Vertical BellLaboratories Space-time，V-BLAST)技术的新的方案被提出，它被叫做多有源空间调制(Multiple Active-spatial Modulation，MA-SM)技术。在MA-SM***中，每一根激活的发送天线传输不同的星座调制符号。虽然信息比特的传输速率提高了，但是该***在接收端受到了严重的ICI问题。因此，相比于传统的空间调制技术，MA-SM***在接收端的复杂度要高很多。

目前已经提出的信号检测方法分为最优和次优方法。最优方法搜索所有的天线组合，联合估计出天线序号和星座符号，被称为最大似然检测(Maximum Likelihood，ML)。ML检测方法能够实现最优的***检测性能，但是该方法的复杂度随着发射天线数目和调制阶数成指数增长，方法中很多的搜索都是无效的。随后许多学者提出了一些次优的检测方法，次优方法一般是分为两步，第一步先检测出一组或几组可能的激活天线组合，第二步再进行符号检测。最大接收合并比(Maximum Receive Ratio Combining，MRRC)方法，首先对可能的激活天线组合进行排序，然后对可能性最大的组合进行星座符号解调。该方法有一定的局限性，不适用于一般的衰落信道，比如平坦瑞利衰落信道。现有方法复杂度很低，方法的总体检测性能和ML方法差距较大。另外，对于接收天线数小于发射天数的MIMO***，信道的伪逆矩阵可能不唯一，该方法检测天线序号几乎没有效果。另一种方法首先使用一种排序方法对所有可能的天线组合进行排序，然后按照可能性从大到小的顺序，利用最小均方误差方法依次对天线组合进行检测，并根据预设的终止阈值来验证估计信号的可靠性，仿真表明该方法能够获得近似于ML检测的性能，同时复杂度大大降低，但是其天线排序方法性能略差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于迫零均衡和部分最大似然的多有源广义空间调制检测方法，解决广义空间调制***的检测方法复杂度高及性能差的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种多有源广义空间调制检测方法利用迫零线性均衡检测所有可能的激活天线组合，根据每组均衡后的信息比特得到对应的欧氏距离，然后对欧氏距离进行排序，以欧氏距离最小的天线组合作为激活天线索引，接着根据阈值判断是否对该天线组合进行部分最大似然检测，对均衡后的邻近星座点进行检测，得到星座调制符号。

具体的，包括以下步骤：

S1、使用ZF线性均衡检测所有可能的激活天线组合

S2、对步骤S1得到的进行数字解调，得到了粗检测的星座符号

S3、根据步骤S2解调的结果，对欧式距离进行计算，得到个欧氏距离；

S4、对步骤S3确定的欧氏距离进行排序，选取欧氏距离最小的天线组合作为激活天线组合；

S5、在接收端通过线性均衡排除不同发射天线之间的干扰；

S6、对欧氏距离最小的星座符号的邻近星座点进行最大似然；

S7、对步骤S6得到的D进行排序，选择欧氏距离最小的星座点作为星座符号的解调结果。

进一步的，步骤S1中，所有可能的激活天线组合具体为：

其中，W_ZF表示对应的ZF线性均衡矩阵，y为N_r×1维的发射信号向量，N_r为接收天线个数，(·)^H表示矩阵的共轭转置，表示所有可能的激活天线组合的信道矩阵，H为N_r×N_t维的信道矩阵。

进一步的，步骤S2中，粗检测的星座符号计算如下：

其中，Q(·)表示数字解调函数。

进一步的，步骤S3中，欧氏距离具体为：

其中，d为根据所有可能的激活天线组合计算出的欧氏距离集合，y为N_r×1维的发射信号向量，N_r为接收天线个数，为所有可能的激活天线组合的信道矩阵，为粗检测的星座符号，F为Frobenius范数。

进一步的，步骤S4中，排序具体为：

[d₁,d₂,…,d_N]＝argsort(d)

其中，sort(·)表示一个升序的排序函数，d₁是d中的最小值，d为根据所有可能的激活天线组合计算出的欧氏距离集合。

进一步的，步骤S5中，设置阈值V_th先判断信号检测的准确性，如果欧式距离小于阈值，则天线组合和星座符号检测完成；否则，对星座符号进行再检测。

进一步的，阈值V_th计算如下：

V_th＝2N_rσ²

其中，N_r为接收天线个数，σ²为方差。

进一步的，步骤S6中，对欧氏距离最小的星座符号的邻近星座点进行最大似然的过程如下：

其中，表示以及的邻近的星座点，D为根据以及的邻近的星座点计算出的欧氏距离集合，y为N_r×1维的发射信号向量，N_r为接收天线个数，为所有可能的激活天线组合的信道矩阵，为粗检测的星座符号，F为Frobenius范数。

具体的，广义空间调制***包括N_t个发射天线和N_r个接收天线，且在每个时隙，都有N_p根天线被激活用来传输信息比特，信道为准静态平坦瑞利衰落，各子信道之间相互独立，接收端有理想的信道估计和同步接收，接收信号为：

y＝Hx+n

其中，y为N_r×1维的发射信号向量；H为N_r×N_t维的信道矩阵；n为N_r×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²；x为N_t×1维的已调制发射信号向量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种多有源广义空间调制检测方法，将激活天线索引和星座符号分开检测，相比于联合检测，极大的降低了算法的复杂度，另外对于星座符号的检测采用先粗略后精细的方法，在降低复杂度的同时提高了误比特率性能。

进一步的，使用迫零线性均衡来检测所有可能的激活天线组合，是因为迫零算法的复杂度低。

进一步的，对均衡后结果进行数字解调，可以得到粗略检测的星座符号，使星座符号的检测复杂度较低。

进一步的，计算出所有可能天线组合对应的欧式距离，可根据欧式距离来判断天线组合激活的可能性大小。

进一步的，对得到的欧氏距离进行排序，距离越小，说明天线组合激活的可能性越大，因此选择距离最小的天线组合作为检测结果。

进一步的，将最小距离的值与设置的阈值对比，如果小于该阈值，说明前面的星座符号检测完成，如果大于该阈值，说明星座符号检测错误的可能性较高，需要进一步进行检测。

进一步的，对于大于设置阈值的情况，对星座符号进行最大似然检测，为了降低复杂度，只对前面检测出的星座符号的邻近星座符号进行最大似然检测，得到最终的星座符号。

进一步的，广义空间调制***相比于传统的MIMO***，引入了空间域中的复用增益，降低了多射频链路的成本，还减少了信道间的干扰问题。

进一步的，。

综上所述，本发明一种多有源广义空间调制检测方法，相比于最大似然的联合检测算法，将天线索引和星座符号分开检测，极大的降低了算法的复杂度，另外再迫零均衡粗略的检测出星座符号之后，通过设置阈值来判断是否对星座符号进一步检测，在降低复杂度的同时提高了方法的检测性能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的发射接收结构框图；

图2为本发明的检测顺序流程图；

图3为本发明与其它检测方法对应的误比特率比较图，其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗方法仿真；

图4为本发明与不加阈值的检测方法对应的误比特率比较图，其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗方法仿真；

图5为本发明与最大似然检测方法ML、不加阈值的检测方法的一种乘法复杂度比较图，其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为乘法的运算次数，采用蒙特卡罗方法仿真；

图6为本发明与最大似然检测方法ML、不加阈值的检测方法的第二种乘法复杂度比较图，其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为加法的运算次数，采用蒙特卡罗方法仿真。

具体实施方式

本发明提供了一种基于迫零均衡和部分最大似然的多有源广义空间调制检测方法，利用迫零线性均衡去检测所有可能的激活天线组合，根据每组均衡后的信息比特得到对应的欧氏距离，然后对欧氏距离进行排序，以欧氏距离最小的天线组合作为激活天线索引，接着根据阈值判断是否对该天线组合进行部分最大似然检测，即对均衡后的邻近的星座点进行检测，最后得到星座调制符号。

请参阅图1，设广义空间调制***有N_t个发射天线和N_r个接收天线，在每个时隙，都有N_p根天线被激活用来传输信息比特。信道为准静态平坦瑞利衰落，各子信道之间相互独立，接收端有理想的信道估计和同步接收，接收信号为y＝Hx+n，其中，y为N_r×1维的发射信号向量；H为N_r×N_t维的信道矩阵；n为N_r×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²；x为N_t×1维的已调制发射信号向量。

请参阅图2，本发明一种多有源广义空间调制检测方法，包括以下步骤：

S1、使用ZF线性均衡检测所有可能的激活天线组合，具体为：

其中，W_ZF表示对应的ZF线性均衡矩阵，(·)^H表示矩阵的共轭转置，表示所有可能的激活天线组合的信道矩阵；

S2、对进行数字解调，得到了粗检测的星座符号

具体为：

其中，Q(·)表示数字解调函数。

S3、根据解调的结果，对欧式距离进行计算，得到个欧氏距离；

具体为：

其中，d为根据所有可能的激活天线组合计算出的欧氏距离集合，y为N_r×1维的发射信号向量，N_r为接收天线个数，为所有可能的激活天线组合的信道矩阵，为粗检测的星座符号，F为Frobenius范数；

S4、对步骤S3确定的欧氏距离进行排序，欧氏距离的值越小，说明对应的发射天线组合被激活的可能性越大，因此，选取欧氏距离最小的天线组合作为激活天线组合；

排序具体为：

[d₁,d₂,…,d_N]＝argsort(d)

其中，sort(·)表示一个升序的排序函数，d₁是d中的最小值。

S5、ZF检测在接收端是通过线性均衡来排除不同发射天线之间的干扰，设置一个阈值V_th先判断信号检测的准确性，如果欧式距离小于阈值，则天线组合和星座符号检测完成；否则，对星座符号进行再检测；

根据步骤S1和S2确定的可以看出ZF线性均衡会放大噪声，导致***的输出信噪比下降，这会造成解调出来的星座符号可能有部分错误，所以称步骤S2中为粗检测的星座符号；因此，需要对星座符号进行修正。如果直接对星座符号采用最大似然检测，由于搜索的范围依旧很大，而且很多是无效的搜索，必然会造成算法的复杂度过高，具体为：

在算法中设置一个阈值V_th先判断信号检测的准确性，d₁≤V_th，如果欧氏距离小于该阈值，就不进行修正，可以避免最大似然，降低复杂度。

阈值的大小对算法的复杂度有很大的影响，阈值过小会造成星座符号搜索的次数过多，过大会降低星座符号检测的准确性。此处设置阈值为V_th＝2N_rσ²，如果欧式距离小于阈值，那么天线组合和星座符号检测完成。否则，对星座符号进行再检测；

S6、对欧氏距离最小的星座符号的邻近星座点进行最大似然；

由于ZF检测的星座符号可能有部分错误，为了修正星座符号检测的误差，同时降低算法的复杂度，只对欧氏距离最小的星座符号的邻近星座点进行最大似然，过程如下：

其中，表示以及的邻近的星座点，D为根据以及的邻近的星座点计算出的欧氏距离集合；

S7、然后对步骤S6得到的D进行排序，选择欧氏距离最小的星座点作为星座符号的解调结果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3，给出了本发明提出的基于ZF的部分最大似然检测方法、ML方法、伪逆矩阵检测方法、OB-MMSE方法的BER性能图，仿真采用的N_t为4，N_p为2，N_r为4根，星座符号采用4QPSK调制。OB-MMSE的方法仿真分为设置阈值和不设置阈值，阈值也采用2N_rσ²，不设置阈值的遍历所有天线组合，以便更好的验证OB-MMSE方法。从图中可以看出，现有方法性能和ML方法有很大的差距。OB-MMSE方法在遍历所有天线组合的情况下性能接近最大似然检测，加了阈值的OB-MMSE方法性能在低信噪比时性能较低，这说明了OB-MMSE方法中的激活天线组合的排序方法性能略差。本发明的BER性能接近于ML方法的性能，而且要高于OB-MMSE方法的性能。在BER等于10^-4时，本发明所提方法的SNR要比OB-MMSE方法的性能高0.5dB。

请参阅图4，给出了本发明所提出的基于ZF的部分最大似然检测方法和所提方法不加阈值的SNR性能比较图，仿真条件和图3一样，从图中可以看出，加阈值和不加阈值的误比特率性能相近。说明通过ZF检测以及欧氏距离检测出的天线组合序号准确率较高。

请参阅图5，给出了本发明所提出的基于ZF的部分最大似然检测方法、所提方法不加阈值、ML方法的乘法运算次数比较图，纵坐标中C1表示乘法运算次数，为了使对比清晰，纵坐标采用对数形式计算运算次数，从图中可以看出，本发明检测方法比ML方法的复杂度要低很多，在SNR等于12时，相比于ML方法，本发明方法的复杂度降低了85％以上。

请参阅图6，给出了本发明所提出的基于ZF的部分最大似然检测方法、所提方法不加阈值、ML方法的加法运算次数比较图。纵坐标中C2表示加法运算次数，为了使对比清晰，纵坐标采用对数形式计算运算次数，从图中可以看出，本发明检测方法比ML方法的复杂度要低很多，在SNR等于12时，相比于ML方法，本发明方法的复杂度降低了85％以上。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，利用迫零线性均衡检测所有可能的激活天线组合，根据每组均衡后的信息比特得到对应的欧氏距离，然后对欧氏距离进行排序，以欧氏距离最小的天线组合作为激活天线索引，接着根据阈值判断是否对该天线组合进行部分最大似然检测，对均衡后的邻近星座点进行检测，得到星座调制符号。

2.根据权利要求1所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用ZF线性均衡检测所有可能的激活天线组合

S2、对步骤S1得到的进行数字解调，得到了粗检测的星座符号

S3、根据步骤S2解调的结果，对欧式距离进行计算，得到个欧氏距离；

S4、对步骤S3确定的欧氏距离进行排序，选取欧氏距离最小的天线组合作为激活天线组合；

S5、在接收端通过线性均衡排除不同发射天线之间的干扰；

S6、对欧氏距离最小的星座符号的邻近星座点进行最大似然；

S7、对步骤S6得到的D进行排序，选择欧氏距离最小的星座点作为星座符号的解调结果。

3.根据权利要求2所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，步骤S1中，所有可能的激活天线组合具体为：

其中，W_ZF表示对应的ZF线性均衡矩阵，y为N_r×1维的发射信号向量，N_r为接收天线个数，(·)^H表示矩阵的共轭转置，表示所有可能的激活天线组合的信道矩阵，H为N_r×N_t维的信道矩阵。

4.根据权利要求2所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，步骤S2中，粗检测的星座符号计算如下：

其中，Q(·)表示数字解调函数。

5.根据权利要求2所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，步骤S3中，欧氏距离具体为：

其中，d为根据所有可能的激活天线组合计算出的欧氏距离集合，y为N_r×1维的发射信号向量，N_r为接收天线个数，为所有可能的激活天线组合的信道矩阵，为粗检测的星座符号，F为Frobenius范数。

6.根据权利要求2所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，步骤S4中，排序具体为：

[d₁,d₂,…,d_N]＝argsort(d)

其中，sort(·)表示一个升序的排序函数，d₁是d中的最小值，d为根据所有可能的激活天线组合计算出的欧氏距离集合。

7.根据权利要求2所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，步骤S5中，设置阈值V_th先判断信号检测的准确性，如果欧式距离小于阈值，则天线组合和星座符号检测完成；否则，对星座符号进行再检测。

8.根据权利要求7所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，阈值V_th计算如下：

V_th＝2N_rσ²

其中，N_r为接收天线个数，σ²为方差。

9.根据权利要求2所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，步骤S6中，对欧氏距离最小的星座符号的邻近星座点进行最大似然的过程如下：

其中，表示以及的邻近的星座点，D为根据以及的邻近的星座点计算出的欧氏距离集合，y为N_r×1维的发射信号向量，N_r为接收天线个数，为所有可能的激活天线组合的信道矩阵，为粗检测的星座符号，F为Frobenius范数。

10.根据权利要求1或2所述的多有源广义空间调制检测方法，其特征在于，广义空间调制***包括N_t个发射天线和N_r个接收天线，且在每个时隙，都有N_p根天线被激活用来传输信息比特，信道为准静态平坦瑞利衰落，各子信道之间相互独立，接收端有理想的信道估计和同步接收，接收信号为：

y＝Hx+n

其中，y为N_r×1维的发射信号向量；H为N_r×N_t维的信道矩阵；n为N_r×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²；x为N_t×1维的已调制发射信号向量。