CN103987068B

CN103987068B - 一种低复杂度的空间调制系统检测方法

Info

Publication number: CN103987068B
Application number: CN201410239967.5A
Authority: CN
Inventors: 肖悦; 张云娇; 范世文; 何旭; 李少谦
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: CN103987068A

Abstract

本发明涉及移动通信技术，具体的说是涉及一种低复杂度的空间调制系统检测方法。本发明的主要通过对星座符号邻域进行特定子集的选取，然后进行首次遍历搜索，从而根据选择的M个最小欧式距离结果确定激活发射天线的比特信息或具有最小欧氏距离的那个组合对应的符号所在象限判定发射符号所在的象限，而后进行二次搜索。本发明通过四个象限的特定子集的选取进行首次遍历，可以降低搜索的可能检测发送信号数目，从而有效降低了接收机的检测复杂度，并在较低复杂度的情况下获取较优的检测性能。本发明尤其适用于空间调制系统检测方法。

Description

一种低复杂度的空间调制系统检测方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，具体的说是涉及一种低复杂度的空间调制系统检测方法。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation,SM)技术将一定数目的信息比特分成两部分，一部分用于选择将要激活的发射天线，另一部分用于调制映射成星座符号，并将映射的星座符号通过选择的发射天线进行传输，未被选择的发射天线则静默。采用SM技术可以避免MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)系统中存在的信道间干扰及发射天线同步的问题。SM系统每次只激活一根发射天线，其他的发射天线则静默。而广义空间调制系统(Generalized Spatial Modulation,GSM)技术可选择多根发射天线，并在不同的发射天线上传输不同的星座符号。这是两种系统的区别。基于空间调制的MIMO接收机进行检测时，需要同时确认激活发射天线的比特信息和调制成星座符号并通过激活的发射天线进行传输的比特信息。具有最优的检测性能的检测方法是ML(Maximum Likelihood)检测，即对所有可能的发射天线与发射符号的组合进行遍历式搜索，因此目前的ML检测算法的复杂度随着总发射天线数的增加和调制阶数的提高而呈现指数增长

发明内容

本发明所要解决的，就是针对传统ML检测算法在较多发射天线数和较高调制阶数时存在的高复杂度的问题，提出一种低复杂度的空间调制系统检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种低复杂度的空间调制系统检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.对需要发送的信源数据分流，具体为：分别将每一帧数据的一部分用于选择发射天线组合，其另一部分数据用于映射调制星座符号；

b.发射机分别根据每一帧数据选择的发射天线，对该帧数据映射的调制星座符号进行发射；

c.接收机接收到发射机发射的信号后，确定发射机选用的天线和该天线发射的星座符号，具体方法为：将发射空间划分为四个象限，并在每个象限中选取部分坐标构成坐标集，将坐标集与发射天线的所有组合进行遍历得到欧氏距离值，并将欧氏距离值进行排序，排序后从小到大选择部分欧氏距离值，并判断该部分欧氏距离值对应的发射天线的激活天线索引是否一致，若是，则该激活天线索引为发射机采用的发射天线，然后遍历星座符号，具有最小欧氏距离的组合对应的星座符号为发射符号，若否，选择最小欧氏距离值对应的坐标所在象限，遍历该象限所有的星座符号和发射天线的组合信息得到欧氏距离值，则根据最小欧氏距离值对应的组合信息得到激活天线索引和发射信息。

具体的，步骤c的具体方法为：

c1.设接收机接收的信号为y，y是N_R×1的列向量，可表示为：y＝Hx+n＝H_ks_k+n，其中N_R为接收天线数量，H为MIMO系统的信道矩阵，x为广义空间调制系统发射机的发送信号，n为均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声，H_k指所选择的第k个发射天线采用的信道，s_k指所选择的第k个发射天线下所发送的调制星座符号数据，设发射天线共有4根，采用64QAM调制，发送的QAM符号阶数为64，则选取Z＝(±2±6i,±2±2i,±6±2i,±6±6i)构成子集，对接收向量与选取的子集和发射天线的组合进行遍历，共有16*4＝64个组合得到64个欧式距离值，将该64个欧氏距离值按从小到大的顺序排序，排序后取与前4个欧氏距离值相对应的发射符号与发射天线的组合；判断这4个发射天线的激活天线索引是否一致，若是，则该激活天线索引为发射机采用的发射天线，然后遍历整个调制星座空间与该判定的激活天线索引的发射组合，则得到欧氏距离值，其中最小的欧氏距离值对应的发射组合的发射符号为发射机发射的星座符号，若否，则判定最小欧氏距离值对应的坐标所在象限为发射端发射天线和发射符号所在的象限，遍历该象限内的星座符号与发射天线的组合信息，根据最小欧氏距离对应的组合信息得到发射天线和发射符号信息。

本发明的有益效果为，能有效降低ML检测过程中的遍历次数，从而有效降低接收机的检测复杂度。

附图说明

图1是空间调制系统发射机的发射过程示意图；

图2是64QAM调制时，以第一象限为例选取的一个符号集示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明的空间调制系统检测方法，主要通过对星座符号邻域进行特定子集的选取，然后进行首次遍历搜索，从而根据选择的M个最小欧式距离结果确定激活发射天线的比特信息或具有最小欧氏距离的那个组合对应的符号所在象限判定发射符号所在的象限，而后进行二次搜索。本发明通过四个象限的特定子集的选取进行首次遍历，可以降低搜索的可能检测发送信号数目，从而有效降低了接收机的检测复杂度，并在较低复杂度的情况下获取较优的检测性能。

为更好地对本发明进行说明，先介绍本发明技术方案所用到的术语和广义空间调制系统发射机。

激活的发射天线：指在发射机N_T根发射天线中任意选取1根进行符号传输，其他的天线静默。选取的用于发送信息符号的天线称为激活的发射天线，未被选择的称为静默的发射天线。

信道矩阵：假设每个发射天线与每个接收天线之间均为平坦衰落信道，则MIMO系统的信道矩阵为：

其中，N_R为空间调制系统接收机的接收天线数量，h_ij为第j(1≤j小于等于N_T)根发射天线到第i(1≤i≤N_R)根接收天线的衰落系数且服从均值为0，方差为1的复高斯分布。

等效欧氏距离：等于发射信号x经过信道H后与接收信号向量y的弗罗贝尼乌斯范数，即等效欧氏距离d_Euc＝||y-Hx||_F。

最大似然准则判决：指在可能的发射信号中选择使等效欧氏距离或其平方值最小的信号向量作为判决结果。

定理1：假设N_R为系统的接收天线数目，σ²为加性高斯白噪声的方差，若检测发送信号满足则认为该检测信号是检测正确的，是可靠的，具体推导见FanWang,Yong Xiong,Xiumei Yang,“Approximate ML Detection Based on MMSE for MIMOSystems,”PIERSonline,vol.3,no.4,pp.475-480,2007。

在空间调制系统发射机与接收机之间共享发射天线映射表和星座映射表。设MIMO系统的发射机有N_T个发射天线，从中选择一根天线发送数据，总共存在N_T个选择，选择其中个用于发射天线组合映射表的设计，表示向下取整。图1是空间调制系统发射机的发射过程示意图。星座映射表可以根据工程应用的实际情况进行设置。如图1所示，空间调制系统发射机的发射过程包括以下步骤：

S101：假设需要发送的数字化二进制信源数据中一帧数据为u＝(u₁,u₂,…,u_L)，其中L为帧大小，例如设一帧数据为u＝10001110，发射天线数为4；

S102:对数据进行分流，将一部分数据用于选择相应的发射天线组合，另一部分数据l₂＝L-l₁＝log₂(M)用于映射调制星座符号，其中M为调制阶数则该帧数据分流后，例如数据u＝10001110中用于选择发射天线组合部分u₁＝10，用于映射64QAM调制星座符号部分u₂＝001110；

S103：根据u₁映射激活的发射天线；例如根据发射天线映射表，10对应的激活的发射天线为第三根；

S104：根据u₂映射调制星座符号，得到调制星座符号数据s；例如根据星座映射表，001110对应的调制星座符号为-5+i，调制星座符号数据s＝-5+i；

S105：选择步骤S103得到的发射天线对步骤S104得到的调制星座符号数据进行发射。则发送信号可表示为x＝(0,0,s,0)^T，其中，(·)^T表示矩阵的转置，发送信号x拥有N_T个元素，但只有1个非零值，且非零元素所在位置为映射表中选择激活的发射天线所对应的索引；例如根据u＝10001110得到的发射信号为x＝(0,0,-5+i,0)^T；发射机将发送信号x发送给接收机；

S201：接收机的接收信号记为y，y是N_R×1的列向量，可表示为：

y＝Hx+n＝H_ks_k+n

其中N_R为接收天线数量，H为MIMO系统的信道矩阵，x为广义空间调制系统发射机的发送信号，n为均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声，s_k指所选择的第k个发射天线下所发送的调制星座符号数据；

S202：以64QAM调制为例，如图2示，选取第一象限的特定子集可以选择为如下4个符号的子集(2+6i,2+2i,6+2i,6+6i)，则第二、三、四象限可分别类似选取，分别为(-2+6i,-2+2i,-6+2i,-6+6i)、(-2-6i,-2-2i,-6-2i,-6-6i)及(2-6i,2-2i,6-2i,6-6i)，则Z＝(±2±6i,±2±2i,±6±2i,±6±6i)；

S203：对选取的子集与发射天线的所有16*4＝64种组合进行遍历，如其中的一种组合为(0,2+6i,0,0)。对得到的64个欧氏距离值进行排序，取前M(M≥2)个最小值及与之对应的发射符号与发射天线的组合。若这M个组合的激活天线索引一致，如均为第2根发射天线，则认为发射端激活的是第2根发射天线，对应的信息比特为01；然后在此基础上遍历星座符号，则共有X*64/4种，具有最小欧氏距离的组合对应的星座符号判定为发射符号，如(0,1+i,0,0)是最小欧氏距离对应的发射组合，则判定1+i为发射端发射的星座符号；若不一致，则根据最小欧氏距离的那一个组合对应的符号所在的象限判定为发射符号所在的象限，如对应的发射符号为3-5i，然后遍历第四象限的16个调制星座点与所有发射天线的发射组合，即4*16＝64个组合，最小欧式距离对应的发射组合即为发射端的发射组合，如最小欧式距离对应的发射组合为(3-7i,0,0,0)，则判定发射端激活天线索引为1，发射符号为3-7i。

S204:对S203中两种情况下进行的二次搜索的欧式距离值均选取最小者对应的组合，判定发射符号为该最小欧式距离对应的星座符号点，对其进行解调得到相应的比特信息，判定激活天线的索引为该组合对应的激活天线。激活发射天线的比特信息与调制成星座符号的比特信息放在一起便构成了发射端发送的二进制比特流。

Claims

1.一种低复杂度的空间调制系统检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

c.接收机接收到发射机发射的信号后，确定发射机选用的天线和该天线发射的星座符号，具体方法为：

设接收机接收的信号为y，y是N_R×1的列向量，可表示为：y＝Hx+n＝H_ks_k+n，其中N_R为接收天线数量，H为MIMO系统的信道矩阵，x为广义空间调制系统发射机的发送信号，n为均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声，H_k指所选择的第k个发射天线采用的信道，s_k指所选择的第k个发射天线下所发送的调制星座符号数据，设发射天线有4根，采用64QAM调制，发送的QAM符号阶数为64，则选取Z＝(±2±6i,±2±2i,±6±2i,±6±6i)构成子集，对接收向量与选取的子集和发射天线的组合进行遍历，共有16*4＝64个组合得到64个欧式距离值，将该64个欧氏距离值按从小到大的顺序排序，排序后取与前4个欧氏距离值相对应的发射符号与发射天线的组合；判断这4个发射天线的激活天线索引是否一致，若是，则该激活天线索引为发射机采用的发射天线，然后遍历整个调制星座空间与该判定的激活天线索引的发射组合，得到欧氏距离值，其中最小的欧氏距离值对应的发射组合的发射符号为发射机发射的星座符号，若否，则判定最小欧氏距离值对应的坐标所在象限为发射端发射天线和发射符号所在的象限，遍历该象限内的星座符号与发射天线的组合信息，根据最小欧氏距离对应的组合信息得到发射天线和发射符号信息。