CN107493123A - 基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法，本发明应用预编码辅助广义正交空间调制(PGQSM)，利用已知的信道状态信息，对正交空间调制(QSM)的同相和正交两路信号分别做预编码处理，以降低接收机信号检测的复杂度。本发明将信道预编码与广义正交空间调制技术结合起来，针对系统正交性在接收端造成的复杂度过高的问题，提出了一种改进的正交匹配追(orthogonal matching pursuit，OMP)低复杂度检测算法。该算法可以得到与最大似然检测算法相近的误比特率(BER)性能，且计算复杂度降低了约90％。本发明方将广泛应用于大规模MIMO系统中。

Description

基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到预编码辅助广义正交空间调制系统的天线组合选择和降低复杂度的方法。
背景技术
1)大规模多输入多输出(MIMO)技术是目前5G各项关键技术中，研究和讨论最为集中的方向之一。针对MIMO系统，正交空间调制(QSM)已经提出了数字解调方案，而且提供了高效的能源效率实施。传统的空间调制在每个时隙内激活单根发送天线传输数据，每根发送天线的索引携带一个空间星座点符号。在这种情况下，SM系统有效地消除了通道间干扰，降低了天线间同步要求，减小了接收机的复杂度。基于SM系统架构，广义空间调制(GSM)和广义空移键控(GSSK)技术被提出，进一步降低SM复杂度；空时移键控(STSK)和空时频移键控(STFSK)分别将SM扩展到了时域和时频域，进一步提高频谱效率。
2)一种新的传输方案正交空间调制(QSM)将传统的空间星座符号在SM方案中进一步扩展到同相(实部)和正交(虚部)，将传输符号的实部和虚部分开，然后分别选择相应的激活天线发送，同时传送到接收机。由于空间的扩展域，QSM增加了系统的光谱效率比较与SM，通过选取的激活接收天线索引来传递附加的信息比特。这就使得QSM获得了更优的误比特(Bit Error Rate，BER)性能。SM预编码辅助空间调制(Pre-coding aided SpatialModulation,PSM)系统通过激活接收天线索引来在空间域中传输信息比特。
3)本文综合考虑算法对PGQSM系统的适应度和算法的复杂度，最后借鉴正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit，OMP)算法的思想，进行了算法的改进：通过每次的迭代选出激活天线备选集，包括相关性最高和最差的激活天线索引。然后消除掉选中天线带来的影响，更新残余量，进行下一次迭代。经过有限次的迭代计算后，遍历相关性最高的索引集，然后检测出需要的信号。通过分析和仿真结果显示，该算法实现了BER性能最佳且近似于最大似然(ML)检测算法的系统性能。同时大大降低了计算复杂度。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种实现了BER性能最佳且近似于最大似然(ML)检测算法的系统性能。同时大大降低了计算复杂度的基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法。本发明的技术方案如下：
一种基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法，其包括以下步骤：
步骤1：在预编码辅助广义正交空间调制系统PGQSM中，发送天线数为Nt，接收天线数为Nr，在发送端将传输符号的实部和虚部分开，同相即为实部，正交为虚部，通过发送端预编码的方式，在Nr个接收天线中分别选择相应的激活天线发送；
步骤2：将同相和正交的两端的数据分别进行调制及预编码后生成预发送向量X，再将预发送向量X通过无线信道H传输出去；
步骤3：对生成的预发送向量X采用ZF预编码方式进行接收符号的表示；
步骤4：借鉴正交匹配追踪OMP算法的思想，进行了算法的改进检测出需要的信号：有限次的迭代计算后，遍历相关性最高的索引集，最后采用ML算法对检测出需要的信号进行最终的估计。
进一步的，所述步骤4：借鉴正交匹配追踪OMP算法的思想，进行了算法的改进具体包括；
将调制和预编码后的符号在2Nt根天线上发送，发送符号的实部在前Nt根天线上发送，发送符号的虚部在后Nt根天线上发送，通过每次的迭代选出激活天线备选集，包括相关性最高和相关性最差的激活天线索引，然后更新残余量，进行有限次的迭代计算后，遍历相关性最高的索引集，最后采用ML算法对检测出需要的信号进行最终的估计。
进一步的，所述步骤2在PGQSM系统中，假设信道为半静态频率平坦衰落信道，经过调制和预编码后的数据向量通过Nr*Nt维的由信道增益系数组成的无线信道H传输出去。将同相和正交两个部分进行预编码后生成发送信号X:X＝PMx＝PM(xI+jxQ)。
进一步的，所述步骤3对生成的预发送向量X采用ZF预编码方式进行接收符号的表示具体包括步骤：
采用ZF预编码方式，ZF预编码矩阵由信道响应H组成，具体表达式如下：P＝βHH(HHH)-1式中，β＝sqrt(Nr/Tr[(HHH)-1])为归一化因子，在满足功率限制的情况下，β可以简化为sqrt(Nt)；采用ZF预编码的方式，接收信号可以表示为y＝βMx+w＝βMxI+jβMxQ+w。
进一步的，所述预编码辅助广义正交空间调制系统PGQSM为Nr*NtMIMO系统，采用K阶正交幅度调制，S是调制星座的符号，其发送天线数为Nt，接收天线数为Nr，假设Nt≥Nr且完备的CSIT保证预编码设计的可行性，在PGQSM系统中，Na个接收天线被激活，1≤Na≤Nr，发送预编码在发送端通过接收端反馈的CSIT。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明公开了一种将信道预编码与广义正交空间调制结合起来一项技术，利用已知的信道状态信息，对正交空间调制(QSM)的同相和正交两路信号分别做预编码处理，以降低接收机信号检测的复杂度。针对系统正交性在接收端造成的复杂度过高的问题，提出一种改进的正交匹配追(orthogonal matching pursuit，OMP)低复杂度检测算法。该算法可以得到与最大似然检测算法相近的误比特率(BER)性能，且计算复杂度降低了约90％，本发明方将广泛应用于大规模MIMO系统中。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例图1PGQSM系统框图；
图2是Nt＝64不同算法性能比较图；
图3是Nt＝64不同算法复杂度比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
为了更好的说明该方法的具体实施步骤，结合图1和举例的方式说明如下：
由于PGQSM系统在激活天线时，由于激活天线的个数不确定性，PGQSM系统将传输符号的同相和正交分开。将经过调制和预编码后的符号在2Nt根天线上发送，发送符号的同相部分在前Nt根天线上发送，发送符号的正交部分在后Nt根天线上发送。但是要注意避免该符号的实部和虚部发送在同一根天线上。通过每一次的迭代筛选出激活天线的相关备选集，包括相关性最高和相关性最差的激活天线索引。然后消除掉选中天线所带来的影响，接着开始更新残余量，再进行下一次的迭代。经过有限次的迭代运算后，遍历出相关性最高的天线索引集，最后采用最优ML检测算法对检测出需要的信号进行最终的估计。具体步骤如下：
例如：假设一个Nr*NtMIMO系统，采用K阶正交幅度调制，S是调制星座的符号。其发送天线数为Nt，接收天线数为Nr。假设Nt≥Nr且完备的CSIT保证预编码设计的可行性。在PGQSM系统中，Na(1≤Na≤Nr)个接收天线被激活。发送预编码在发送端通过接收端反馈的CSIT。
步骤一：PGQSM系统将传输符号的实部和虚部分开，通过发送端预编码的方式，在Nr个接收天线中分别选择相应的激活天线发送。
步骤二：在PGQSM系统中，假设信道为半静态频率平坦衰落信道，经过调制和预编码后的数据向量通过Nr*Nt维的由信道增益系数组成的无线信道H传输出去。将同相和正交两个部分进行预编码后生成发送信号X:X＝PMx＝PM(xI+jxQ)。
步骤三：假设为完全信道状态信息，本发明中为了简化分析，采用ZF预编码方式。ZF预编码矩阵由信道响应H组成，具体表达式如下：P＝βHH(HHH)-1式中，β＝sqrt(Nr/Tr[(HHH)-1])为归一化因子，在满足功率限制的情况下，β可以简化为sqrt(Nt)。
步骤四：采用ZF预编码的方式，接收信号可以进一步表示为y＝βMx+w＝βMxI+jβMxQ+w。
步骤五：将调制和预编码后的符号在2Nt根天线上发送，发送符号的实部在前Nt根天线上发送，发送符号的虚部在后Nt根天线上发送。通过每次的迭代选出激活天线备选集，包括相关性最高和最差的激活天线索引。然后消除掉选中天线带来的影响，更新残余量，然后进行有限次的迭代计算后，遍历相关性最高的索引集，最后采用ML算法对检测出需要的信号进行最终的估计。
从附图2中可以看出无论是4QAM还是16QAM的调制方式下，ML的BER性能是最优的。OMP算法的BER性能是最差的。不过OMP算法性能随着信噪比增大以后降低，而且慢慢趋于平缓。而其他算法随着信噪比增加，BER性能降低后没有趋于平缓，而是一直在降低。本发明提出的算法性能介于ML和OMP算法的性能之间，且当BER＝10-1时，提出的算法比OMP算法至少提高了6dB。4QAM明显比16QAM的误比特性能更优。
从附图3可以看出：OMP的算法复杂度是最低的，ML算法的复杂度是最高的。而且所有算法的复杂度都随着大规模天线阵列增大而呈指数增长趋势，但提出算法的复杂度还是非常小的。提出的算法的复杂度虽然介于OMP算法和ML算法之间。和ML算法相比较，N＝8时，复杂度是ML算法复杂度的1/10，所以复杂度降低了大约90％左右。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在预编码辅助广义正交空间调制系统PGQSM中，假设发送天线数为Nt，接收天线数为Nr，在发送端将传输符号的实部和虚部分开，同相即为实部，正交为虚部，通过发送端预编码的方式，在Nr个接收天线中分别选择相应的激活天线发送；
步骤2：将同相和正交的两个部分的数据分别进行调制及预编码后生成预发送向量X，再将预发送向量X通过无线信道H传输出去；
步骤3：对生成的预发送向量X采用ZF预编码方式进行接收符号的表示；
步骤4：借鉴正交匹配追踪OMP算法的思想，进行了算法的改进检测出需要的信号：有限次的迭代计算后，遍历相关性最高的索引集，最后采用ML算法对检测出需要的信号进行最终的估计。
2.根据权利要求1所述的基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法，其特征在于，所述步骤4：借鉴正交匹配追踪OMP算法的思想，进行了算法的改进具体包括；
将调制和预编码后的符号在2Nt根天线上发送，发送符号的实部在前Nt根天线上发送，发送符号的虚部在后Nt根天线上发送，通过每次的迭代选出激活天线备选集，包括相关性最高和相关性最差的激活天线索引，然后更新残余量，进行有限次的迭代计算后，遍历相关性最高的索引集，最后采用ML算法对检测出需要的信号进行最终的估计。
3.根据权利要求2所述的基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法，其特征在于，所述步骤2在PGQSM系统中，假设信道为半静态频率平坦衰落信道，经过调制和预编码后的数据向量通过Nr*Nt维的由信道增益系数组成的无线信道H传输出去。将同相和正交两个部分进行预编码后生成发送信号X:X＝PMx＝PM(xI+jxQ)，其中P表示信道预编码矩阵，M表示Nr*Nt的对角矩阵。
4.根据权利要求3所述的基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法，其特征在于，所述步骤3对生成的预发送向量X采用ZF预编码方式进行接收符号的表示具体包括步骤：
采用ZF预编码方式，ZF预编码矩阵由信道响应H组成，具体表达式如下：P＝βHH(HHH)-1式中，β＝sqrt(Nr/Tr[(HHH)-1])为归一化因子，在满足功率限制的情况下，β可以简化为sqrt(Nt)；采用ZF预编码的方式，接收信号可以表示为y＝βMx+w＝βMxI+jβMxQ+w，H表示信道响应矩阵，Tr(A)表示矩阵A的迹，sqrt(A)表示对A开平方，w表示加性高斯白噪声。
5.根据权利要求1-4之一所述的基于预编码辅助广义正交空间调制的低复杂度检测方法，其特征在于，所述预编码辅助广义正交空间调制系统PGQSM为Nr*NtMIMO系统，采用K阶正交幅度调制，S是调制星座的符号，其发送天线数为Nt，接收天线数为Nr，假设Nt≥Nr且完备的CSIT保证预编码设计的可行性，在PGQSM系统中，Na个接收天线被激活，1≤Na≤Nr，发送预编码在发送端通过接收端反馈的CSIT。
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