CN102255644A - 一种空间调制系统检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种空间调制系统检测方法。本发明是针对现有的SM系统的检测方法复杂度过高的问题而提出的，具体包括：对接收天线按信号功率大小进行排序；确定球形译码搜索半径；按确定的顺序进行检测。本发明的方法通过对接收天线按信号功率大小进行排序，优先计算出接收天线的信号与发射端信号的最大误差距离，使本次搜索在搜索球体内的概率最小，减少了搜索次数，降低了计算复杂度。

Description

一种空间调制系统检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及空间调制(SM，Spatial Modulation)系统的检测方法。

背景技术

空间调制是一种新的多输入-多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技术方案，它能避免传统MIMO系统中的信道间干扰和发射天线信道间同步的问题，成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。

对于SM系统，最优的检测方法是最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测方法。虽然并不像其他的MIMO技术在采用ML检测方法的时候，复杂度将随着发射天线数量的增加呈指数增长，SM系统的ML检测方法复杂度是呈线性增长，但也有着较高的复杂度。因此寻找具有低复杂度，高性能特点的检测方法是SM系统的一个重点研究方向。Younis，A、Mesleh，R等人在“Reduced Complexity Sphere Decoder for Spatial Modulation DetectionReceiver，2010 IEEE Global Telecommunications Conference，1-5，2010.10”提出了一种应用于空间调制系统的球形译码(SD，Sphere Decoder)检测方法，这种SM-SD检测方法在接收端搜索发射信号点的时候，依次遍历接收天线的接收信号，每搜索完一根接收天线的接收信号，即对累积的发射信号点和接收信号点的误差的欧几里德距离(Euclidean Distance)进行判定，如果累积错误的欧几里德距离大于或等于搜索半径，停止搜索本次发射信号点，搜索下一个发射信号点；如果累积错误的欧几里德距离小于搜索半径，继续搜索下一根接收天线的接收信号，直到搜索完所有的接收天线。相对于传统的ML检测方法，该方法明显的降低计算复杂度并且能够取得相同的性能。但是，这种方法在接收端按天线顺序依次搜索，忽略了不同天线的信号功率不一样，与发射信号之间的误差欧几里德距离(EuclideanDistance)也不一样这个有意义的因素，没有考虑到这个因素能够对降低计算复杂度带来额外的增益。另外，这种SM-SD检测方法在搜索每一根天线的时候采用的是一个固定的搜索半径，不够灵活，也增加一定的复杂度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的SM系统的检测方法复杂度过高的问题，提出了一种空间调制系统检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种空间调制系统检测方法，包括如下步骤：

步骤1.对接收天线按信号功率大小进行排序；

步骤2.确定球形译码搜索半径；

步骤3.按步骤1确定的接收天线顺序和步骤2确定的搜索半径进行检测。

这里，步骤3所述的检测采用的是SM-SD检测方法。

本发明的有益效果：本发明的方法通过对接收天线按信号功率大小进行排序，优先计算出接收天线的信号与发射端信号的最大误差距离，使本次搜索在搜索球体内的概率最小，减少了搜索次数，因而降低了计算复杂度。

附图说明

图1是本发明检测方法的流程示意图。

图2是本发明检测方法的计算机仿真误比特率(BER，Bit Error Ratio)图。

图3是本发明检测方法和SM-SD检测方法对比ML检测方法降低的复杂度对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。

为了便于对本发明的理解，在阐述具体实施例之前，首先介绍其中所用的术语和定理：

(1)欧几里德距离，又称欧氏距离，是一个通常采用的距离定义，指在m维空间中两个点之间的真实距离，或者向量的自然长度(即该点到原点的距离)。在二维和三维空间中的欧氏距离的就是两点之间的实际距离。

(2)球形译码，在接收信号空间中预设一个以接收信号点为圆心的球，再把该球映像为发射信号空间中的一个椭球，并在椭球内搜索可能的发射信号点，一旦找到一个发射信号点，即以该信号点的映像点与接收信号的距离为半径收缩预设的球，从而使以下的搜索得以在更小的范围内进行。

定理1：SM-SD方法，

ML方法可以表述为， $[{\hat{l}}_{\mathrm{ml}},{\hat{s}}_{\mathrm{ml}}]=\underset{l,s}{\arg }\min \underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{|y_i-H_{(i,l)}s|}^2,$

其中y_i表示第i根接收天线上的接收信号，H_(i，l)表示第l根发射天线和第i跟接收天线之间的信道增益，s表示第l根发射天线的发射符号集合，

表示估计出的发射天线，表示估计出的发射符号。

令z_i(l，s)＝y_i-H_(i，l)s，其中

s_t表示在一个时刻从天线l_t发射的符号，v是零均值复高斯白噪声向量，其中σ²为噪声功率。然后z_i(l，s)可以表示为，

$z_i(l,s)=v+H_{(i,l_t)}{s}_t-H_{(i,l)}s=v+u_i(l,s)$

在SM的球形译码方法中，利用ML搜索方法搜索z_i(l，s)值为0，小于或者等于C的可能符号(星座点)，也就是SM-SD方法计算下列式子

$r_k(l,s)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{|y_i-H_{(i,l)}s|}^2=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left|z_i(l,s)\right|}^2=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{2}\left(k_k(l,s)\right)$

其中， $k_k(l,s)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{z_i(l,s)}{\mathrm{\σ}/\sqrt{2}}\right|}^2.$

如果r_k(l，s)≤C²，则继续搜索到下一步k，反之则停止搜索。因此，点(l，s)在第k步在搜索半径内的概率可以表示为

$p_k(l,s,C)=\mathrm{Pr}(r_k(l,s)\≤C^2|s_t,l_t,H,{\mathrm{\σ}}^2)=\mathrm{Pr}(k_k(l,s)\≤{(C/\sqrt{2})}^2|s_t,l_t,H,{\mathrm{\σ}}^2)$

这里，k_k(l，s)是一个0均值同分布的随机变量，而且方差为1，因此p_k(l，s，C)可以表示为， $p_k(l,s,C)=F({\left(\frac{C}{\mathrm{\σ}/\sqrt{2}}\right)}^2,2k,{\mathrm{\λ}}_k(l,s)),$ 其中，

F(·)是k的累积分布函数(CDF，Cumulative Distribution Function)。

下面对本发明的检测方法的工作过程进行具体说明，流程示意图如图1所示。

假设信道为平坦衰落信道，接收端同步完美且信道信息已知，天线数为T×P(T根发射天线，P跟接收天线)的空间调制系统球形译码检测方法包括如下步骤：(1)对接收天线按信号功率大小进行排序；(2)确定球形译码搜索半径；(3)按照排序后的接收天线顺序进行SM-SD检测。具体展开如下：

(1).对接收天线按接收信号功率大小排序。在某个时刻，第j(j＝1，2，LP)根天线接收到的数据可以表示为：其中，H_ij是第i根发射天线和第j根接收天线之间的瑞利信道的信道增益，x_i是第i根发射天线发射的数据。n_j是第j根接收天线的零均值、方差为

的独立同分布的高斯白噪声。考虑到SM系统的特征，在一个时刻只有一根天线的发射数据，其它天线不发射数据。因此，在任意时刻，[x₁，x₂，L，x_T]中只有一个是非零数据。信道增益

其中h_ij是一个满足零均值，方差为1的衰落的复高斯随机变量。ξ_ij是一个由阴影效应和传输损失决定的功率增益因子。

因此，假设没有任何能量损失，计算第j根接收天线的信号功率为：

${\mathrm{Pow}}_j=E\left[{\left|H_{\mathrm{lj}}\right|}^2\right]E\left[{\left|x_l\right|}^2\right]+E\left[{\left|n_j\right|}^2\right],$ 其中，x_l表示第l(l＝1，2，LT)根天线发送的数据。这里，其它天线不发送数据。对P根接收天线的接收数据y_j按信号功率从大到小排序得到新的接收数据序列

信道增益矩阵也相应的变为

从信号功率的表达式可以看出，按信号功率排序后，相应信道增益也是按从大到小的顺序排列。根据定理1，在接收天线排序之后，

较之不排序的时候p_k(l，s，C)，搜索到第k步的时候，

因此

所以继续下一步搜索的可能性小于不排序时，因而减小了搜索的次数，即减小了复杂度。

(2).确定球形译码搜索半径C²和

在本实施例中，基于X.Xia，H.Hu和H.Wang在“Reduced Initial Searching Radius for Sphere Decoder，in Proc.IEEE 18th InternationalSymposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications PIMRC 2007，Athens，Greece，Sep，2007，pp.1-4.”中提出的搜索半径确定准则，在这里，采用了一种较为灵活的搜索半径确定准则

其中，C²表示最大搜索半径，表示搜索第j(j＝1，2，LP)根天线时的搜索半径，a_j是使发射信号以最大概率在搜索半径内的常数，P是接收天线数量，

是复高斯白噪声方差。a_j的值可以由以下式子确定：

$p_j(l,s,C)=F({\left(\frac{C}{\mathrm{\σ}/\sqrt{2}}\right)}^2,2j,{\mathrm{\λ}}_j(l,s))==F(4{\mathrm{ja}}_j,2j,{\mathrm{\λ}}_j(l,s)),$ 假设发射信号以1的概率在搜索半径内，那么计算F(4ja_j，2j，λ_j(l，s))＝1，可以得到a_j的值，以此计算出C²和

的值。在每一次更新C²后，如果

则更新

(3).按接收信号功率从大到小的顺序进行SM-SD检测。根据SM的特征，一个时刻只有一根天线发射数据，因此发射符号集合可以写为S＝{(l，s)：l∈[1，L，T]，s∈{M}}，其中M为采用的QAM调制符号集合。SM-SD检测过程可以具体表述为：依次遍历发射符号集合中的符号，从接收信号功率最大的接收天线开始搜索，计算接收数据和发射数据之间的欧几里德距离δ_(l，s)，

每搜索完一根接收天线的接收信号，即对累积的发射信号点和接收信号点的误差的欧几里德距离进行判定，如果累积错误的欧几里德距离大于或等于当前搜索半径

停止搜索本次发射信号点，搜索下一个发射信号点；如果累积错误的欧几里德距离小于搜索半径，继续搜索下一根接收天线的接收信号，直到搜索完所有的接收天线。如果在搜索某个发射信号点时搜索完所有天线，累加的欧氏距离仍然小于搜索半径C²，则更新搜索半径C²＝δ_(l，s)，然后以此更新

如果

则更新

最后，可以选择搜索次数最大且错误欧几里德距离最小的发射信号点为检测结果，以及统计方法复杂度。具体可以用以下伪代码进行说明：

a)for(l，x)∈S

a1)for j＝1：P(排序后的顺序)

i)

ii)如果 $C_j^2>C^2,$ 更新 $C_j^2=C^2$

iii)如果 ${\mathrm{\δ}}_{(l,x)}\≥C_j^2,$ 转到a

iv)

a2)C²＝δ_(l，x)

b)

c)

这里，

为(l，s)∈S这个符号的搜索计算次数，为总的计算复杂度。步骤(a1)i)

需要进行3次复杂度计算操作。因此本发明检测方法的总复杂度可以由

计算出。

采用本发明的空间调制系统检测方法，与传统空间调制系统的极大似然检测方法相比，有效地解决了检测方法复杂度过高的问题，并且不影响系统的误码率性能。与Younis，A、Mesleh，R等人提出的空间调制系统的球形译码检测方法相比，通过对接收天线按信号功率大小进行排序以及采用较为灵活的搜索半径确定准则，进一步降低了检测方法的复杂度，并且不影响系统的误码率性能。

下面给出传统方法以及本发明方法的仿真结果，以验证本发明的性能。本实施例的仿真平台为天线数为8×8(8根发射天线，8根接收天线)的SM OFDM链路，采用四相相移键控(QPSK，Quaternary Phase Shift Keying)调制，子载波数为128，循环前缀长度为32，信道模型为EVA瑞利衰落信道。

本实施例在上述仿真平台下，分别使用传统ML检测方法、背景技术提出的SM-SD检测方法以及本发明提出的检测方法在接收端检测信号。图3表示使用后两种方法较之第一种方法所降低的复杂度，图2表示使用3种方法所得到的误码率(BER，Bit Error Rate)性能。从图2和图3可以看出，使用本发明方法，较之前2种检测方法，能有效地降低空间调制系统检测方法的复杂度，而且不影响系统的BER性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种空间调制系统检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.对接收天线按信号功率大小进行排序；

步骤2.确定球形译码搜索半径；

步骤3.按步骤1确定的接收天线顺序和步骤2确定的搜索半径进行检测。

2.根据权利要求1所述的空间调制系统检测方法，其特征在于，步骤3所述的检测采用的是SM-SD检测方法。

3.根据权利要求1或2所述的空间调制系统检测方法，其特征在于，步骤2所述的搜索半径的确定准则如下：最大搜索半径

搜索第j(j＝1，2，LP)根天线时的搜索半径

其中，a_j是使发射信号以最大概率在搜索半径内的常数，P是接收天线数量，

是复高斯白噪声方差，在每一次更新C²后，如果

则更新

4.根据权利要求1或2或3所述的空间调制系统检测方法，其特征在于，步骤1所述的信号功率具体计算过程如下：

在某个时刻，第j(j＝1，2，LP)根天线接收到的数据表示为：

其中，H_ij是第i根发射天线和第j根接收天线之间的瑞利信道的信道增益，x_i是第i根发射天线发射的数据，n_j表示第j根接收天线的零均值、方差为

的独立同分布的高斯白噪声，在任意时刻，[x₁，x₂，L，x_T]中只有一个是非零数据，其中，T表示发射天线数量，信道增益

其中h_ij是一个满足零均值，方差为1的衰落的复高斯随机变量，ξ_ij是一个由阴影效应和传输损失决定的功率增益因子，计算第j根接收天线的信号功率为：

Pow_j＝E[|H_lj|²]E[|x_l|²]+E[|n_j|²]，其中，x_l表示第l(l＝1，2，L T)根天线发送的数据。

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