CN102833045A - 一种用于mimo通讯系统的改进的球形译码检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，其特征在于它包括以下步骤：采集信号、接收信号、搜索星座点、测量球形译码上界变量和下界变量、初始化球心和确定星座点；其优越性在于为①它将球形译码算法的搜索半径分成球半径的上界和球半径的下界两个部分，这样不是原来的在一个球内进行搜索，而是在一个环球内进行搜索，减少了搜索范围，加快了收敛速度；②球形译码算法的搜索半径是变化的，且变化速度是加快的，这样进一步加快其收敛速度。

Description

一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法

（一）技术领域：

本发明属于无线通信领域，尤其是一种用于MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put——多发射多接收）通讯系统的改进的球形译码检测方法。

（二）背景技术：

在无线通信系统中，为越来越多的移动用户提供高速率数据和多媒体业务已迫在眉睫，致使设计一种能够逼近信道容量的信号处理方法已经成为一种挑战。最优的极大似然检测（ML——Maximum Likelihood）算法作为一种有效的方法，尽管具有诸多的优点，但是由于它极高的复杂度而阻止了其在实际中的应用。然而，自从E. Viterbo和O.Damen提出了多发射多接收系统中的球形译码方法，使得ML算法在实际中变的切实可行。但是球形译码的复杂度是由球形初始半径所决定的，一旦球行初始半径选取不合适，将会导致一个非常高的译码失败率或非常大的运算成本，于是如何降低球形译码的复杂度，降低球形译码对初始半径敏感程度成为人们关注的焦点。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，是一种通过加快搜索范围收敛速度，从而大大减少球形译码过程中遍历的星座点数目，同时保证了系统的性能损失不大的方法。

本发明的技术方案：一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

①首先，由MIMO通讯系统的发送端的信息比特经信道编码、速率匹配的操作由传输信道转换为物理信道信道，再对信息比特进行加扰、星座调制，将数据信息映射成为复值符号，然后进行层映射和预编码这两个操作，接着进行资源映射，将不同的物理信道映射到相应的资源粒子中，映射完成之后将进行基带信号生成，将频域的信号经过IFFT转化为时域,时域信号经过射频调制后由发射天线发射出去;

②接收端接收到经过无线信道的信号，先对接收的信号进行解基带信号，把复值符号从资源粒子中恢复出来。复值符号在传输经过无线信道时，由于各种干扰，数值已发生改变。如果要估计出发送端的复值符号，则需要进行信号检测，而在信号检测这一环节，采用一种改进的球形译码检测方法。首先定义两个变量，即球形译码上界变量d_outside和球形译码下界变量d_inside；

③将球形译码下界变量d_inside初始化为球心值，即设置球形译码下界变量d_inside的初始值为0；同时，将球形译码上界变量d_outside初始化为求的半径值d；

④当在以球形译码下界变量d_inside为球心，d为半径的球中找到一个星座点时，则将此点到球心的距离设置为球形译码上界变量d_outside，并计算出新的球面半径：

d=k（t）*（d_outside+ d_inside）     （1）

其中，   $k\left(t\right)=\exp [-{\left(\frac{1}{\mathrm{\η}}t\right)}^{\mathrm{\γ}}]---\left(2\right)$

式中，t是第n维网格中点的数目，η和γ是控制收敛性能的参数，要合适取值；

⑤在以d_inside为球心，以步骤④更新后的d为半径的球内继续搜索新的星座点；如果在更新后的球内搜索到一个新的星座点，则根据步骤③再计算新的球面半径，重复此过程直到在更新的球内搜索不到一个新的星座点为止；

⑥如果经过步骤⑤在新的球内没有搜索到新的星座点，则将该新的球面半径设置为d_inside，根据步骤④中的公式（1）重新计算球的半径：

d=k（t）*（d_outside+ d_inside）

并将该半径记作新的d_outside；

⑦在分别以步骤⑥算得的半径d_inside和步骤④算得的半径d_outside构成的环形的区域内搜索新的星座点；

⑧重复步骤⑥，如果新的球的半径的上界d_outside和下界d_inside达到一个极限值，即门限值Q，

此时，则输出最终搜索到的星座点，并结束译码过程。

所述步骤③中的半径值d是的取值范围为：0<d<+∞

所述步骤④中，参数的选择方法由以下步骤构成：

⑴当η=+∞时，参数k（t）的值为1，此时性能等价于传统的球形译码算法；

⑵若想加快算法的运算速度，则减小控制收敛性能的参数η，使其从+∞开始递减；参数γ取值同参数η，随着γ值减小，可加快算法的运算速度；

⑶当η或γ的取值小于0.001时，为了维持译码性能的可靠性和正确性，可以通过第n维网格中点的数目t的最大值来选择η和γ；

所述第n维网格中点的数目t的最大值由信号选择的星座图来决定。

所述步骤⑧中经验因子取值范围为0到4。

所述一种改进的球形译码检测方法，可以应用于长期演进LTE（LongTerm Evolution）系统。

本发明的工作原理：对于准静态平坦衰落的信道模型，在每一时刻，接收信号经过信道后的模型为：

$y=\mathrm{Hx}+n$

其中H是信道衰落系数，x是4×1发射符号向量，n是均值为0、方差为σ²的复高斯噪声。

在接收端，用球形译码算法进行检测运算，为了使用球形译码算法，检测可以被认为是以下的求整数的最小方差的解：

$\underset{x\&Element;Z^m}{\min }{\left|\right|y-\mathrm{Hx}\left|\right|}^2$

其中，y∈R^n×1，H∈R^n×m。Z^m表示m维的整数格点，这里m=8；n=8。例如：x是8维的整数向量输入。通常，当研究的空间是在无限格点中的一个有限子集即

，

$\underset{x\&Element;D\&Subset;Z^m}{\min }{\left|\right|y-\mathrm{Hx}\left|\right|}^2$

符号向量x中的元素是L²-QAM中的复值星座点，所以实部虚部分别是L-PAM星座点，例如针对QPSK，16QAM，64QAM调制，L分别为2,4,8，所谓球形译码就是在以接收向量y为圆心的一个球内搜索最接近圆心的星座点，球形初始半径的选择是噪声方差σ²的函数，其中，在这个球内至少能找到一个星座点的概率为：

${\&Integral;}_0^{\mathrm{\&alpha;n}}\frac{{\mathrm{\&lambda;}}^{\frac{n}{2}-1}}{\mathrm{\&Gamma;}\left(\frac{n}{2}\right)}{e}^{-\mathrm{\&lambda;}}\mathrm{d\&lambda;}=1-\mathrm{\&xi;}$

上式中系数α值一般预先被计算好，1-ξ是一个大的概率，当α=3.0，n=8，则高概率1-ξ为0.99。在传统的球形译码中，只要我们在球内搜索到一个星座点，球形半径将缩减到新搜索到的点到圆心的距离。

本发明的优越性在于：①它将球形译码算法的搜索半径分成两个部分，一个是球半径的上界，一个是球半径的下界，这样不是原来的在一个球内进行搜索，而是在一个环球内进行搜索，这样明显减少了搜索范围，加快了收敛速度；②球形译码算法的搜索半径是变化的，并且其变化速度是加快的，这样进一步加快其收敛速度。

（四）附图说明：

图1-a、图1-b、图1-c为本发明所涉一种改进的球形译码检测方法的工作示意图（其中  图1-a为步骤②的工作示意图；图1-b为步骤④的工作示意图；图1-c为步骤⑥的示意图）。

（五）具体实施方式：

实施例：一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法（见图1），其特征在于它包括以下步骤：

①首先，由MIMO通讯系统的发送端的信息比特经信道编码、速率匹配的操作由传输信道转换为物理信道信道，再对信息比特进行加扰、星座调制，将数据信息映射成为复值符号，然后进行层映射和预编码这两个操作，接着进行资源映射，将不同的物理信道映射到相应的资源粒子中，映射完成之后将进行基带信号生成，将频域的信号经过IFFT转化为时域，时域信号经过射频调制后由发射天线发射出去;

②接收端接收到经过无线信道的信号（见图1-a），先对接收的信号进行解基带信号，把复值符号从资源粒子中恢复出来；复值符号在传输经过无线信道时，由于各种干扰，数值已发生改变；如果要估计出发送端的复值符号，则需要进行信号检测，而在信号检测这一环节，采用一种改进的球形译码检测方法；首先定义两个变量，即球形译码上界变量d_outside和球形译码下界变量d_inside；

③将球形译码下界变量d_inside初始化为球心值，即设置球形译码下界变量d_inside的初始值为0；同时，将球形译码上界变量d_outside初始化为求的半径值d；

④（见图1-b）当在以球形译码下界变量d_inside为球心，d为半径的球中找到一个星座点时，则将此点到球心的距离设置为球形译码上界变量d_outside，并计算出新的球面半径：

d=k（t）*（d_outside+ d_inside）     （1）

其中，  $k\left(t\right)=\exp [-{\left(\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}t\right)}^{\mathrm{\&gamma;}}]---\left(2\right)$

式中，t是第n维网格中点的数目，η和γ是控制收敛性能的参数，要合适取值；

⑤在以d_inside为球心，以步骤④更新后的d为半径的球内继续搜索新的星座点；如果在更新后的球内搜索到一个新的星座点，则根据步骤③再计算新的球面半径，重复此过程直到在更新的球内搜索不到一个新的星座点为止；

⑥（见图1-c）如果经过步骤⑤在新的球内没有搜索到新的星座点，则将该新的球面半径设置为d_inside，根据步骤④中的公式（1）重新计算球的半径：

d=k（t）*（d_outside+ d_inside）

并将该半径记作新的d_outside；

⑦在分别以步骤⑥算得的半径d_inside和步骤④算得的半径d_outside构成的环形的区域内搜索新的星座点；

⑧重复步骤⑥，如果新的球的半径的上界d_outside和下界d_inside达到一个极限值，即门限值Q，

此时，则输出最终搜索到的星座点，并结束译码过程。

所述步骤③中的半径值d是的取值范围为：0<d<+∞

所述步骤④中，参数的选择方法由以下步骤构成：

⑴当η=+∞时，参数k（t）的值为1，此时性能等价于传统的球形译码算法；

⑵若想加快算法的运算速度，则减小控制收敛性能的参数η，使其从+∞开始递减；参数γ取值同参数η，随着γ值减小，可加快算法的运算速度；

⑶当η或γ的取值小于0.001时，为了维持译码性能的可靠性和正确性，可以通过第n维网格中点的数目t的最大值来选择η和γ；

所述第n维网格中点的数目t的最大值由信号选择的星座图来决定。

所述步骤⑧中经验因子取值范围为2。

所述一种改进的球形译码检测方法，可以应用于长期演进LTE（LongTerm Evolution）系统。

Claims (6)

1.一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

①首先，由MIMO通讯系统的发送端的信息比特经信道编码、速率匹配的操作由传输信道转换为物理信道信道，再对信息比特进行加扰、星座调制，将数据信息映射成为复值符号，然后进行层映射和预编码这两个操作，接着进行资源映射，将不同的物理信道映射到相应的资源粒子中，映射完成之后将进行基带信号生成，将频域的信号经过IFFT转化为时域,时域信号经过射频调制后由发射天线发射出去;

②接收端接收到经过无线信道的信号，先对接收的信号进行解基带信号，把复值符号从资源粒子中恢复出来。复值符号在传输经过无线信道时，由于各种干扰，数值已发生改变。如果要估计出发送端的复值符号，则需要进行信号检测，而在信号检测这一环节，采用一种改进的球形译码检测方法。首先定义两个变量，即球形译码上界变量d_outside和球形译码下界变量d_inside； 

③将球形译码下界变量d_inside初始化为球心值，即设置球形译码下界变量d_inside的初始值为0；同时，将球形译码上界变量d_outside初始化为求的半径值d；

④当在以球形译码下界变量d_inside为球心，d为半径的球中找到一个星座点时，则将此点到球心的距离设置为球形译码上界变量d_outside，并计算出新的球面半径：

d=k（t）*（d_outside+ d_inside）     （1）

其中，   

式中，t是第n维网格中点的数目，η和γ是控制收敛性能的参数，要合适取值； 

⑤在以d_inside为球心，以步骤④更新后的d为半径的球内继续搜索新的星座点；如果在更新后的球内搜索到一个新的星座点，则根据 步骤③再计算新的球面半径，重复此过程直到在更新的球内搜索不到一个新的星座点为止；

⑥如果经过步骤⑤在新的球内没有搜索到新的星座点，则将该新的球面半径设置为d_inside，根据步骤④中的公式（1）重新计算球的半径：

d=k（t）*（d_outside+ d_inside）

并将该半径记作新的d_outside；

⑦在分别以步骤⑥算得的半径d_inside和步骤④算得的半径d_outside构成的环形的区域内搜索新的星座点；

⑧重复步骤⑥，如果新的球的半径的上界d_outside和下界d_inside达到一个极限值，即门限值Q，

此时，则输出最终搜索到的星座点，并结束译码过程。

2.根据权利要求1所述一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，其特征在于步骤③中的半径值d是的取值范围为：0<d<+∞。

3.根据权利要求1所述一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，其特征在于所述步骤④中，参数的选择方法由以下步骤构成：

⑴当η=+∞时，参数k（t）的值为1，此时性能等价于传统的球形译码算法；

⑵若想加快算法的运算速度，则减小控制收敛性能的参数η，使其从+∞开始递减；参数γ取值同参数η，随着γ值减小，可加快算法的运算速度；

⑶当η或γ的取值小于0.001时，为了维持译码性能的可靠性和正确性，可以通过第n维网格中点的数目t的最大值来选择η和γ。

4.根据权利要求3所述一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，其特征在于所述第n维网格中点的数目t的最大值由信号选择的星座图来决定。

5.根据权利要求1所述一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译 码检测方法，其特征在于所述步骤⑧中经验因子取值范围为0到4。

6.根据权利要求1所述一种用于MIMO通讯系统的改进的球形译码检测方法，其特征在于所述一种改进的球形译码检测方法，可以应用于长期演进LTE系统，即Long Term Evolution系统。 

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