CN104660379A - 一种基于可靠性判决的空间调制检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，针对空间调制系统中ML检测方法复杂度极高的问题，提供一种基于可靠性判决的空间调制检测方法。本发明采用门限对硬判决信号进行可靠性判决，当低于门限时，判定可靠，则判为调制信号，相应的索引位置即为激活天线位置；当高于门限时，判定不可靠，则采用性能较好的HL-ML方法，在保证系统BER性能的前提下，降低检测的复杂度。该算法能近似达到最大似然检测的性能并极大地降低复杂度，在误码率性能与复杂度中取得较好的折中。

Description

一种基于可靠性判决的空间调制检测方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及空间调制(Spatial Modulation，SM)技术、HL-ML(Hard-Limiter based ML)检测算法、MIMO(Multiple Input Multiple Output)等技术，具体为一种基于可靠性判决的空间调制检测方法。

背景技术

MIMO调制技术是一种无线环境下的高速传输技术，它在发射端和/或接收端配置更多的天线单元，并结合先进的空时编码调制方案，通过对空间自由度的充分利用，可以带来额外的分集，复用和波束成型增益。近来，SM技术作为一种新的MIMO调制方案被提出来作为一种新的调制技术。该技术的基本原理是通过激活不同的天线，将天线索引值用于调制来传输信息比特。这种传输方案的本质是利用MIMO系统中不同信道的独立性，因为每次只有一根天线被激活，进而在发射端只需要一个射频单元且此过程能传输部分比特，所以这种方案提高了传输速率，并降低了MIMO系统的成本和复杂度。

目前应用于SM技术中的检测方法中，性能最优的为最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测方法，但是其复杂度随着天线数和调制阶数的增加呈指数增长，即其复杂度极高，甚至当天线数目较大、信号调制阶数较高时，ML检测方法不具有实用性。因此，寻找性能与复杂度折中的检测算法成为我们研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于针对ML检测方法复杂度极高的问题，提供一种用于SM系统的可靠性判决检测方法。本发明提供的检测方法采用门限对硬判决信号进行可靠性判决，当低于门限时，判定可靠，则判为调制信号，相应的索引位置即为激活天线位置；当高于门限时，判定不可靠，则采用性能较好的HL-ML(Hard-Limiter based ML)方法，在保证系统BER(Bit ErrorRatio)性能的前提下，降低检测的复杂度。该算法能近似达到最大似然检测的性能并极大地降低复杂度，在误码率性能与复杂度中取得较好的折中。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于可靠性判决的空间调制检测方法，包括以下步骤：

步骤1.数字化信源信息经过SM调制映射后通过信道发射到接收端；

步骤2.接收端接收到信号后采用迫零均衡，进而对均衡后的信号进行硬判决，并对检测到的天线索引位置和调制信号的可靠性进行判决，具体步骤为：

步骤2a)，获取N_r维接收向量y，对接收信号采用迫零均衡，得到N_t个均衡信号，均衡后的信号为如下：

${\tilde{y}}_i=\frac{h_i^H}{{\left|\right|h_i\left|\right|}_F^2}y,i=\mathrm{1,2},...,N_t$

其中，h_i为信号矩阵H的第i列；

步骤2b)，对均衡后的信号进行硬判决，得到信号

步骤2c)，可靠性判决，

当接收信号与硬判决信号差值小于N_rσ²则判定为可靠，即其中，N_r为接收天线数目、σ²为接收信号的噪声；跟据均衡信号的表达式可以将判决简化，具体如下：

其中为取x的实部，x^*为x的共轭；由于||y||²为常量，可靠性判决条件简化为那么满足可靠性条件的硬判决信号为调制信号，i为激活天线位置；

当均衡信号与硬判决信号高于门限值N_rσ²，即判定不可靠，则采用性能较好的HL-ML检测算法检测激活天线位置以及调制信号，数学描述为：

$(\hat{i},\hat{s})=\arg \underset{i\∈\{\mathrm{1,2},...N_t\}}{\min }\left\{\right|{\tilde{y}}_i-{\hat{s}}_i|-{\left|{\tilde{y}}_i\right|}^2\}{\left|\right|h_i\left|\right|}^2$

即为对N_t个均衡信号和硬判决信号的差值进行遍历，找到取值最小所对应的索引位置和符号作为检测到的激活天线位置和调制信号；

步骤3.根据检测得到的调制符号和天线索引位置，进行空间调制解映射，恢复出发送数据。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于SM系统的新检测方法，该检测方法通过设置可靠性判决门限，若低于门限，直接将当前的调制符号和天线索引位置送入空间调制解映射，恢复出发送数据；若高于门限值，则采用性能较好的HL-ML检测算法，确定调制符号和天线索引位置送入空间调制解映射，恢复出发送数据；在保证系统BER(Bit Error Ratio)性能的前提下，降低检测的复杂度。本发明能够近似达到最大似然检测的性能并极大地降低复杂度。

附图说明

图1是传统SM系统框图。

图2是空间调制映射表。

图3是本发明提出的检测方法的SM系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

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空间调制系统发射机结构。

空间调制：如图1所示，b是需要传输的比特数据，可以被视为一个L×T维的矩阵，其中L＝log₂M+log₂N_t是一个SM调制符号携带的比特数量，M是正交幅度调制(QuadratureAmplitude Modulation,QAM)阶数，不难看出，一个空间调制符号所能携带的比特数量是有发射天线数和M-QAM调制阶数共同决定的。再根据SM调制映射表，将L×T维的比特矩阵映射为N_t×T的调制符号矩阵x，矩阵x的每一列对应一个时隙的发送数据，且每一时隙只有个元素非零，其余全为零，物理意义是每一时隙只有一根天线激活并传输相应的数据。图2给出了发射天线为4根，调制方式采用BPSK的映射表。

如图1所示的空间调制系统结构图，其中发射端分为如下几步，

步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定发射天线个数N_t，接收天线个数N_r，调制阶数M；

步骤2：根据上所述的公式计算出一帧的比特数量L，将该帧数据分成两部分，一部分为天线索引比特，用于选择被激活的发射天线，一部分为调制比特，用于调制到被激活的发射天线上发送出去，通过空间调制映射表映射为N_t×T的调制符号矩阵x；

针对接收机部分，接收到信号y后，经过检测模块恢复出发送数据，具体检测步骤，按照前文所述的方法检测即可。如图3所示，本发明的基于可靠性判决的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：数字化信源信息经过SM调制映射后的发送数据x通过信道到达接收端；

步骤2：接收端接收到信号后采用迫零均衡，进而对均衡后的信号进行硬判决，并判定检测到的天线索引位置和调制信号是否可靠；若为可靠的，进入步骤4；若不可靠，则进入步骤3。具体步骤为，

步骤2a):获取N_r×T维接收信号矩阵y，对于y的每一列为N_r维接收向量y，采用迫零均衡，可以得到N_t个均衡信号，均衡后的信号为如下，

${\tilde{y}}_i=\frac{h_i^H}{{\left|\right|h_i\left|\right|}_F^2}y,i=\mathrm{1,2},...,N_t$

其中，h_i为信号矩阵H的第i列。

步骤2b)：对均衡后的信号进行硬判决，得到信号

步骤2c)：可靠性判决，如果接收信号与硬判决信号差值小于N_rσ²则视为可靠的，即根据均衡信号的表达式可以将判决简化，具体如下，

其中为取x的实部，x^*为x的共轭。

由于||y||²为常量，可靠性判决条件简化为那么满足可靠性条件的硬判决信号为调制信号，i为激活天线位置。

步骤3：如果均衡信号与硬判决信号高于门限值N_rσ²，即

$\left\{\right|{\tilde{y}}_i-{\hat{s}}_i|-{\left|{\tilde{y}}_i\right|}^2\}{\left|\right|h_i\left|\right|}^2\≥N_r{\mathrm{\σ}}^2-{\left|\right|y\left|\right|}^2$

则采用性能较好的HL-ML检测算法检测激活天线位置以及调制信号，数学描述如下，

${(\hat{i},\hat{s})}_{\mathrm{ML}}=\arg \underset{i\∈\{\mathrm{1,2},...N_t\}}{\min }\left\{\right|{\tilde{y}}_i-{\hat{s}}_i|-{\left|{\tilde{y}}_i\right|}^2\}{\left|\right|h_i\left|\right|}^2$

其具体步骤为，

步骤3a):对N_t个均衡信号和硬判决信号的差值进行遍历，找到取值最小所对应的索引位置和符号作为检测到的激活天线位置和调制信号；

步骤3b):把索引位置和符号进行步骤4的操作；

步骤4：根据检测得到的调制符号和天线索引位置，进行空间调制解映射，恢复出发送数据。

对于空间调制系统而言，各个天线位置信息可以独立的携带数据，各个数据被独立的映射到不同的天线上。由于各个天线对应的信道条件差异性，因而不同天线上对应的发送数据有不同的误码率性能。直接对接收到的信号进行遍历判定激活天线位置和调制符号需要耗费较大的复杂度，尤其是天线规模较大以及调制阶数增加的时候。因而有必要对检测算法进行简化寻求复杂度与性能的最佳折中。

具体而言，可以先对均衡后的信号进行初步判断，如果满足我们预设的可靠性门限，那么就可以避免遍历搜索的过程，将低于可靠性门限的索引位置和调制符号进行空间调制解映射恢复出发送数据；如果不在我们预设的可靠性门限范围内，那么就利用性能接近最大似然检测算法(Maximal likelihood,ML)，同时复杂度相比ML更低的HL-ML进行检测，并将检测到的索引位置和调制符号进行空间调制解映射恢复出发送数据。

从上面的分析不难知道，传统的空间调制系统中的性能最优的检测算法，在天线规模较大同时调制阶数也较高的时候，遍历需要的复杂度会呈现指数增长，给接收机带来的负荷较大。考虑到接收端检测的可实现性，本发明对此提出了一种基于可靠性判决的检测方法，利用预设的门限对硬判决的数据进行初选，在保证性能损失不多的情况下，又进一步降低了复杂度。

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原理，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 (2)

1.一种基于可靠性判决的空间调制检测方法，包括以下步骤：

步骤1.数字化信源信息经过SM调制映射后通过信道发射到接收端；

步骤2.接收端接收到信号后采用迫零均衡，进而对均衡后的信号进行硬判决，并对检测到的天线索引位置和调制信号的可靠性进行判决，具体步骤为：

步骤2a)，获取N_r维接收向量y，对接收信号采用迫零均衡，得到N_t个均衡信号，均衡后的信号为如下：

${\tilde{y}}_i=\frac{h_i^H}{{\left|\right|h_i\left|\right|}_F^2}y,i=\mathrm{1,2},...,N_t,$

其中，h_i为信号矩阵H的第i列；

步骤2b)，对均衡后的信号进行硬判决，得到信号

步骤2c)，可靠性判决，

当接收信号与硬判决信号差值小于N_rσ2则判定为可靠，即其中，N_r为接收天线数目、σ²为接收信号的噪声；跟据均衡信号的表达式将判决简化为：

$\left\{\right|{\tilde{y}}_i-{\hat{s}}_i|-{\left|{\tilde{y}}_i\right|}^2\}{\left|\right|h_i\left|\right|}^2<N_r{\mathrm{\&sigma;}}^2-{\left|\right|y\left|\right|}^2,$

那么满足可靠性条件的硬判决信号为调制信号，i为激活天线位置；

当均衡信号与硬判决信号高于门限值N_rσ²，即 $\left\{\right|{\tilde{y}}_i-{\hat{s}}_i|-{\left|{\tilde{y}}_i\right|}^2\}{\left|\right|h_i\left|\right|}^2<N_r{\mathrm{\&sigma;}}^2-{\left|\right|y\left|\right|}^2;$ 判定不可靠，则采用HL-ML检测方法检测激活天线位置以及调制信号；

步骤3.根据检测得到的调制符号和天线索引位置，进行空间调制解映射，恢复出发送数据。

2.按权利要求1所述基于可靠性判决的空间调制检测方法，其特征在于，所述HL-ML检测方法的数学描述为：

${(\hat{i},\hat{s})}_{\mathrm{ML}}=\arg \underset{i\&Element;\{\mathrm{1,2},...N_t\}}{\min }\left\{\right|{\tilde{y}}_i-{\hat{s}}_i|-{\left|{\tilde{y}}_i\right|}^2\}{\left|\right|h_i\left|\right|}^2,$

即为对N_t个均衡信号和硬判决信号的差值进行遍历，找到取值最小所对应的索引位置和符号作为检测到的激活天线位置和调制信号。