CN107147606A - 一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，本发明涉及广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法。本发明的目的是为了解决现有V‑BLAST的线性检测过程无法直接用于GSM以及传统QAM调制不满足LR要求的问题。具体过程为：一、设置一个GSM中LR辅助的线性检测8‑QAM星座图；二、得到新信道矩阵HLR和幺模矩阵T；三、得到中间估计值四、根据二得到的幺模矩阵T和步骤三得到的中间估计值计算出发射符号X的估计值五、得到空间符号估值六、从发射符号X的估计值中检测出调制信号符号根据空间符号估值和调制信号符号完成广义空间调制中格基规约辅助的线性检测。本发明用于无线通信信号检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法。
背景技术
空间调制(SM)技术是未来移动通信网络中一种非常有前景的MIMO传输技术。这种技术可以在高功效和低复杂度下满足通信系统吞吐量要求。与传统MIMO系统相比，SM的数据流比特分为空间信息比特和调制符号信息比特两部分，在每次使用信道发送信息时，根据空间信息比特确定要激活的天线序号，再根据调制符号比特来进行幅度及相位的调制。在SM系统中每次通信只需要一条射频链路，不仅减少了硬件成本，还解决了信道间干扰和天线间同步问题。这些优点使得SM成为MIMO技术的研究热点。
SM技术的频谱效率随着发射天线的数量呈对数增长，这使得其在固定发射天线数量的情况下很难满足更高的吞吐量要求。为了解决这一问题，广义空间调制(GSM)在每个发射时隙内激活一些天线(少于发射天线的总数)来增加频谱效率。GSM分为两种类型：一种是所有激活天线同时发射相同的调制符号，称为单符号广义空间调制(SS-GSM)；另一种是不同的激活天线各自独立地发射调制符号,称为多符号广义空间调制(MS-GSM)。
对于MIMO接收机，最大似然检测(ML)可以达到最佳误比特率(BER)，而巨大的计算量使ML无法实用。线性检测的性能劣于ML，但拥有较低的复杂度。影响线性检测BER的重要因素是信道矩阵的列正交性。格基规约(LR)可以有效地降低信道矩阵列之间的相关性，被应用在V-BLAST结构的线性接收机中。V-BLAST为垂直分层时空编码。
采用线性均衡检测技术的GSM接收机需要从发射符号向量中分离空间符号和调制符号，V-BLAST的检测过程无法直接用于GSM系统。另外，采用LR辅助的线性均衡要求调制用的星座图必须是连续整数集，而采用传统QAM调制的星座图一般情况下不满足LR要求，LR为格基规约。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有V-BLAST的线性检测过程无法直接用于GSM以及传统QAM调制不满足LR要求的问题，而提出一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法。
一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法具体过程为：
步骤一、设置一个GSM中LR辅助的线性检测8-QAM星座图，8-QAM星座图包括正交分路和同相分路，正交分路和同相分路的坐标轴上共有9个格点：(-1,1)、(0,1)、(1,1)、(-1,0)、(0,0)、(1,0)、(-1,-1)、(-1,0)、(-1,1)，其中(0,0)是未激活天线采用的星座点，其他星座点由激活天线根据调制符号信息比特内容进行选择；
所述，GSM为广义空间调制；LR为格基规约；QAM为正交振幅调制；
步骤二、在接收端，接收机接收到信号y，对原始的信道矩阵H使用LR算法得到新信道矩阵HLR和幺模矩阵T；
步骤三、根据步骤二得到的新信道矩阵HLR对接收信号y做ZF均衡得到中间估计值
所述，ZF为迫零；
步骤四、根据步骤二得到的幺模矩阵T和步骤三得到的中间估计值计算出发射符号X的估计值
其中表示将结果量化为步骤一得到的8-QAM星座图中相应的点；为HLR的共轭转置；*为共轭转置；表示对向量的每一维度分量进行取整；
步骤五、考虑到发射符号X的估计值中对应于未激活发射天线位置处的元素的模值逼近零，选取发射符号X的估计值中模值最大的前Na项，将模值最大的前Na项对应的天线组合升序排列，得到空间符号估值
步骤六、根据步骤五得到的空间符号估值从发射符号X的估计值中检测出调制信号符号
根据空间符号估值和调制信号符号完成广义空间调制中格基规约辅助的线性检测。
本发明的有益效果为：
针对GSM的发射信号需要分为空间符号和调制符号的特点，本发明提出一种格基规约辅助的线性检测方法以及一种兼容的8-QAM星座图。
本发明所提出的GSM中的格基规约辅助的线性检测方法，采用了先检测空间符号再检测调制符号的方法，解决了现有V-BLAST的线性检测过程无法直接用于GSM中的问题；本发明采用一种兼容性的8-QAM星座图，使得发射符号星座图满足了LR要求，解决了采用传统QAM星座图调制不满足LR要求的问题。
从图3和图4可以看出：在频谱效率相同的情况下，图2a中所提8-QAM比图2c中的对照8-QAM在低信噪比情况下BER更低，且对于前者，格基规约带来的性能提升产生于10dB而后者则是15dB；在BER曲线很相近的情况下，即图2a中的所提8-QAM相较于图2b中对照4-QAM的BER曲线的性能提升仅在0.5dB左右，前者的频谱效率明显高于后者。
本发明所提出的格基规约辅助的线性检测方法能够达到满接收分集。从图6和图7可以看出，无论是SS-GSM还是MS-GSM，格基规约带来的性能提升在10dB左右显现出来，且最终格基规约辅助的线性检测的BER曲线都能和ML检测的BER曲线平行，即达到满接收分集。图7中可以看出，即使是在信道存在相关性的情况下，所提的检测方法依然可以达到满接受分集，且对信道的相关性对检测带来的不利影响有一定的缓解：对MMSE检测，相关信道和非相关信道间的BER曲线间的SNR间隔为8dB左右；而对于LR-MMSE检测，相关信道和非相关信道间的BER曲线间的SNR间隔仅为3dB左右。
附图说明
图1是GSM中LR辅助的线性检测方法的流程图；
图2a是与GSM中LR辅助的线性检测兼容的8-QAM星座图；
图2b是GSM中的一种4-QAM星座图，QAM为正交振幅调制；
图2c是GSM中的一种8-QAM星座图；
图3为SS-GSM系统分别采用图2a中8-QAM、图2b中4-QAM、图2c中8-QAM三种星座图下的MMSE检测、LR-MMSE检测的BER曲线对比示意图，MMSE为最小均方误差，LR-MMSE为格基规约辅助的最小均方误差，BER为误比特率；
图4为MS-GSM系统在图2a、图2b、图2c三种星座图下的MMSE检测、LR-MMSE检测的BER曲线对比图；
图5为SS-GSM系统在采用图2a中8-QAM星座图下分别运用的ZF检测、MMSE检测、LR-ZF检测、LR-MMSE检测以及ML检测的BER曲线对比图，ZF为迫零，LR-ZF为格基规约辅助的迫零，ML为最大似然；
图6为MS-GSM系统在采用图2a中8-QAM星座图下分别运用ZF检测、MMSE检测、LR-ZF检测、LR-MMSE检测以及ML检测得到的BER曲线对比图；
图7为对瑞利信道、相关信道两种模型下的MS-GSM系统的BER性能进行对比图，r为相关系数。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法具体过程为：
由于MMSE均衡在一定矩阵变换下可以写成ZF均衡的形式，下文中以ZF均衡代表线性均衡。
步骤一、设置一个GSM中LR辅助的线性检测8-QAM星座图，8-QAM星座图包括正交分路和同相分路，正交分路和同相分路的坐标轴上共有9个格点：(-1,1)、(0,1)、(1,1)、(-1,0)、(0,0)、(1,0)、(-1,-1)、(-1,0)、(-1,1)，其中(0,0)是未激活天线采用的星座点，其他星座点由激活天线根据调制符号信息比特内容进行选择；例如：
| 调制符号信息比特 | 调制符号 |
| 000 | (-1，1) |
| 001 | (0，1) |
| 010 | (1，1) |
| 011 | (-1，0) |
| 100 | (1，0) |
| 101 | (-1，-1) |
| 110 | (0，-1) |
| 111 | (1，-1) |
步骤二、在接收端，接收机接收到信号y，对原始的信道矩阵H使用LR算法得到正交性提高的新信道矩阵HLR和幺模矩阵T；
步骤三、根据步骤二得到的新信道矩阵HLR对接收信号y做ZF均衡得到中间估计值
步骤四、根据步骤二得到的幺模矩阵T和步骤三得到的中间估计值计算出发射符号X的估计值
其中表示将结果量化为步骤一得到的8-QAM星座图中相应的点；
步骤五、考虑到发射符号X的估计值中对应于未激活发射天线位置处的元素的模值逼近零，选取发射符号X的估计值中模值最大的前Na项，将模值最大的前Na项对应的天线组合升序排列，得到空间符号估值
步骤六、根据步骤五得到的空间符号估值从发射符号X的估计值中检测出调制信号符号
根据空间符号估值和调制信号符号完成广义空间调制中格基规约辅助的线性检测。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中LR算法采用的是复数LLL算法；LLL为A.K.Lenstra,H.W.Lenstra,and L.Lovász。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中根据步骤二得到的新信道矩阵HLR对接收信号y做ZF均衡得到中间估计值具体过程为：
其中表示对向量的每一维度分量进行取整；为HLR的共轭转置；*为共轭转置。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤五中考虑到发射符号X的估计值中对应于未激活发射天线位置处的元素的模值逼近零，选取发射符号X的估计值中模值最大的前Na项，将模值最大的前Na项对应的天线组合升序排列，得到空间符号估值具体过程为：
其中
式中，Na是每个发射时隙所激活的发射天线个数，表示将天线组合量化为发射空间符号集中的某一点，i1为发射符号估计值中模值最大的前Na项中对应的最小天线序号，i2为发射符号估计值中模值最大的前Na项中对应的第2小天线序号，为发射符号估计值中模值最大的前Na项中对应的第Na小天线序号，为激活天线组合的估计值，为最小天线序号对应的发射符号的估计值，为第2小天线序号对应的发射符号的估计值，为第Na小天线序号对应的发射符号的估计值，为第ik小天线序号对应的发射符号的估计值，为发射符号估计值除去最大前Na项后的任意一个项；1≤k≤Na，m为整个发射天线中除去的集合中的一个元素，U为所有发射天线集合，Nt为发射天线个数，取值为1-256。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤六中根据步骤五得到的空间符号估值从发射符号X的估计值中检测出调制信号符号具体过程为：
步骤六一、针对于SS-GSM，选取中对应第一个激活天线的值为信号符号；
步骤六二、针对于MS-GSM，根据完整的空间符号估值选取在中与相对应的值作为调制符号
SS-GSM为单符号广义空间调制；MS-GSM为多符号广义空间调制。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤六一中针对于SS-GSM，选取中对应第一个激活天线的值为信号符号；具体为：
式中，为调制信号符号中的第一个值，为调制信号符号中的第二个值，为调制信号符号中的第Na个值。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤六二中针对于MS-GSM，根据完整的空间符号估值选取在中与相对应的值作为调制符号具体为：
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法具体是按照以下步骤制备的：
图3的仿真条件为：信道矩阵中每个元素、高斯白噪声都服从i.i.d的复数标准正态分布，发射天线数目Nt＝4、接收天线数目Nr＝6、每个传输时隙激活Na＝2根天线。在上述仿真条件下，SS-GSM系统分别采用图2a中8-QAM、图2b中4-QAM、图2c中8-QAM三种星座图下的MMSE检测、LR-MMSE检测的BER曲线对比示意图。
图4的仿真条件与图3相同，它表示MS-GSM系统在图2a、图2b、图2c三种星座图下的MMSE检测、LR-MMSE检测的BER曲线对比图。
图5的仿真条件与图3相同，它表示SS-GSM系统在采用图2a中8-QAM星座图下分别运用的ZF检测、MMSE检测、LR-ZF检测、LR-MMSE检测以及ML检测的BER曲线对比图。
图6的仿真条件与图3相同，它表示MS-GSM系统在采用图2a中8-QAM星座图下分别运用ZF检测、MMSE检测、LR-ZF检测、LR-MMSE检测以及ML检测得到的BER曲线对比图。
图7对瑞利信道、相关信道两种模型下的MS-GSM系统的BER性能进行对比，其中瑞利信道的条件与图3中信道条件相同，相关信道中各元素之间的相关系数如图7中所示。图7中的各条曲线分别表示MS-GSM系统在两种信道模型、图2a所示的8-QAM星座图条件下运用MMSE检测、LR-MMSE检测以及ML检测得到的BER曲线。
从图3和图4可以看出：在频谱效率相同的情况下，图2a中所提8-QAM比图2c中的对照8-QAM在低信噪比情况下BER更低，且对于前者，格基规约带来的性能提升产生于10dB而后者则是15dB；在BER曲线很相近的情况下，即图2a中的所提8-QAM相较于图2b中对照4-QAM的BER曲线的性能提升仅在0.5dB左右，前者的频谱效率明显高于后者。
本发明所提出的格基规约辅助的线性检测方法能够达到满接收分集。从图6和图7可以看出，无论是SS-GSM还是MS-GSM，格基规约带来的性能提升在10dB左右显现出来，且最终格基规约辅助的线性检测的BER曲线都能和ML检测的BER曲线平行，即达到满接收分集。图7中可以看出，即使是在信道存在相关性的情况下，所提的检测方法依然可以达到满接受分集，且对信道的相关性对检测带来的不利影响有一定的缓解：对MMSE检测，相关信道和非相关信道间的BER曲线间的SNR间隔为8dB左右；而对于LR-MMSE检测，相关信道和非相关信道间的BER曲线间的SNR间隔仅为3dB左右。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，其特征在于所述方法具体过程为：
步骤一、设置一个GSM中LR辅助的线性检测8-QAM星座图，8-QAM星座图包括正交分路和同相分路，正交分路和同相分路的坐标轴上共有9个格点：(-1,1)、(0,1)、(1,1)、(-1,0)、(0,0)、(1,0)、(-1,-1)、(-1,0)、(-1,1)，其中(0,0)是未激活天线采用的星座点，其他星座点由激活天线根据调制符号信息比特内容进行选择；
所述，GSM为广义空间调制；LR为格基规约；QAM为正交振幅调制；
步骤二、在接收端，接收机接收到信号y，对原始的信道矩阵H使用LR算法得到新信道矩阵HLR和幺模矩阵T；
步骤三、根据步骤二得到的新信道矩阵HLR对接收信号y做ZF均衡得到中间估计值
所述，ZF为迫零；
步骤四、根据步骤二得到的幺模矩阵T和步骤三得到的中间估计值计算出发射符号X的估计值
其中表示将结果量化为步骤一得到的8-QAM星座图中相应的点；为HLR的共轭转置；*为共轭转置；表示对向量的每一维度分量进行取整；
步骤五、选取发射符号X的估计值中模值最大的前Na项，将模值最大的前Na项对应的天线组合升序排列，得到空间符号估值
步骤六、根据步骤五得到的空间符号估值从发射符号X的估计值中检测出调制信号符号
根据空间符号估值和调制信号符号完成广义空间调制中格基规约辅助的线性检测。
2.根据权利要求1所述一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，其特征在于：所述步骤二中LR算法采用的是复数LLL算法。
3.根据权利要求2所述一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，其特征在于：所述步骤三中根据步骤二得到的新信道矩阵HLR对接收信号y做ZF均衡得到中间估计值具体过程为：
4.根据权利要求3所述一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，其特征在于：所述步骤五中选取发射符号X的估计值中模值最大的前Na项，将模值最大的前Na项对应的天线组合升序排列，得到空间符号估值具体过程为：
其中
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式中，Na是每个发射时隙所激活的发射天线个数，表示将天线组合量化为发射空间符号集中的某一点，i1为发射符号估计值中模值最大的前Na项中对应的最小天线序号，i2为发射符号估计值中模值最大的前Na项中对应的第2小天线序号，为发射符号估计值中模值最大的前Na项中对应的第Na小天线序号，为激活天线组合的估计值，为最小天线序号对应的发射符号的估计值，为第2小天线序号对应的发射符号的估计值，为第Na小天线序号对应的发射符号的估计值，为第ik小天线序号对应的发射符号的估计值，为发射符号估计值除去最大前Na项后的任意一个项；1≤k≤Na，m为整个发射天线中除去的集合中的一个元素，U为所有发射天线集合，Nt为发射天线个数，取值为1-256。
5.根据权利要求4所述一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，其特征在于：所述步骤六中根据步骤五得到的空间符号估值从发射符号X的估计值中检测出调制信号符号具体过程为：
步骤六一、针对于SS-GSM，选取中对应第一个激活天线的值为信号符号；
步骤六二、针对于MS-GSM，根据空间符号估值选取在中与相对应的值作为调制信号符号
SS-GSM为单符号广义空间调制；MS-GSM为多符号广义空间调制。
6.根据权利要求5所述一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，其特征在于：所述步骤六一中针对于SS-GSM，选取中对应第一个激活天线的值为信号符号；具体为：
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<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，为调制信号符号中的第一个值，为调制信号符号中的第二个值，为调制信号符号中的第Na个值。
7.根据权利要求6所述一种广义空间调制中格基规约辅助的线性检测方法，其特征在于：所述步骤六二中针对于MS-GSM，根据空间符号估值选取在中与相对应的值作为调制信号符号具体为：
<mrow>
<mover>
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<mo>=</mo>
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</msub>
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<mo>,</mo>
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<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
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</msub>
</msub>
</mrow>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
2
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