CN113452421B - 一种基于低复杂度空时分组码mimo系统信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法。所述方法发射端使用脉冲幅度调制，首先在发射天线数目为二时，基于最大似然译码器，提出一个空时分组码矩阵的改进方法，此方法相比于传统方法降低了接收机的复杂度；然后串行抵消，利用二阶空时分组码矩阵去构造任意阶的空时分组码矩阵。采用本发明，将星座图搬移至非负区间后，符合任意发射信号为非负实数通信系统的要求，接收端与传统方法一样实现独立译码，降低了发射端功耗，并且使用最大似然译码器，大大降低了接收机的复杂度，同时提高了系统的分集增益。

Description

一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法，属于空时编码通信技术领域。

背景技术

目前关于空时分组码的研究中，均使用满速率发送的空时分组码来发送信号，但是由于非正交的空时分组码在接收端的设计方案会随着发射端输入点数目的增加而变得复杂，空时分组码的设计，本质上是利用其他时隙的发射信号在接收端实现分集，随着发射端输入点数量增多，在其他时隙发送的符号只是第一个时隙信号的线性变换，只是为了在接收端实现独立译码而发送的“冗余信号”，所以每个时隙均满负荷发送时，不仅功耗很大，并且在接收端复杂度也会不断提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法，所提方法首先根据现有文献的两输入的通信系统中的非正交空时分组码矩阵在接收端设计复杂度较高的问题，在降低系统复杂度的前提下，确定了两输入的通信系统的低复杂度的空时分组码设计，然后将这种改进的二阶空时分组码矩阵设计应用到任意阶的空时分组码矩阵设计中，设计了一种低功耗的且低复杂度的空时分组码矩阵。

为了解决上述问题，本发明给出一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法，包括如下步骤：

步骤A：构建脉冲幅度调制M-PAM的调制星座图如下：

其中M是脉冲幅度调制阶数，x_i是第i个星座点，A是一个实常数，|A|＞1/2，其绝对值的大小与系统的发射功率有关，x_i的补信号

为：

补信号也在此星座图内；

步骤B：设计一个低复杂度的两天线发射的空时分组码矩阵，设计过程如下：

步骤B-1：确定所述系统使用的二阶的空时分组码矩阵；

通信系统使用如下空时分组码STBC技术的矩阵W为：

其中x_i是第i个天线发射的信号，i＝1，2；

不失一般性，接收端只有一个输出，信道矩阵为H＝[h₁，h₂]，其中h₁和h₂是信道增益，矩阵W中行位置代表时隙，列位置代表天线的位置；

步骤B-2：设计二阶的低复杂度空时分组码，其矩阵的形式有如下四种：

步骤C：设计任意阶的空时分组码矩阵；

将二阶的空时分组码矩阵X_i，i＝1，2，3，4，作为二阶模型，利用此模型构造一个低复杂度的、低功耗的任意阶空时分组码矩阵；假设发射端天线数目为N_t，不失一般性，接收端数目为1，N_t根发射天线上的发射信号为

发射信号下标对应天线位置，规定通信系统第一个时隙天线上发射信号为

对于第一个时隙内，所有天线上发射的信号，任取第i根和第j根天线上x_i和x_j，在不同于第一个时隙的某个时隙m内，在第i根和第j根天线上，发送k_ix_j+l_i和k_jx_i+l_j，在此时隙m内其它天线上的发射信号为零；其中k_i、k_j、l_i和l_j是参数，取值根据使用的二阶的空时分组码矩阵X_i，i＝1，2，3，4来得到；如果使用X₁型的二阶空时分组码矩阵去构造任意阶的空时分组码矩阵，则：

其中x_i和x_j是天线i和天线j上的发射信号，h_i和h_j是天线i和天线j对应的信道增益，任意阶的空时分组码矩阵为：

y₁是第一个时隙的接收信号，y_m、y_n和y_K代表第m、n和K时隙的接收信号，矩阵中k_i、k_j、k_q、l_i、l_j和l_q根据使用的X_i型二阶空时分组码矩阵确定，其中i＝1，2，3，4；当发射端的输入点数目大于2时，时隙数目K的值为：

K＝N_t(N_t-1)/2+1

使用的最大似然译码器方法如下：

其中μ(x_i)是欧几里得判决量，Δ_i1是有关发射信号的二次项前的系数，其中i＝1，…，N_t，

其中Δ_i2是有关于发射信号一次项前的系数，其中i＝1，…，N_t；那么最大似然译码器为

根据此式来判决发射信号。

步骤C中所述低功耗，具体是指：

当发射天线数目为N_t时，使用空时分组码技术，满负荷的空时分组码通信系统，发射的总功耗为

其中满负荷的含义是，空时分组码矩阵中，发射天线数目与时隙的比值称码率，除了发射天线数目为2，4，8时，空时分组码矩阵的码率为1，其余情况码率最大为3/4，当通信系统的码率最大时，就称此系统为满负荷的空时分组码系统；使用步骤C中的空时分组码矩阵后，时隙数K＝N_t(N_t-1)/2+1，那么功耗为

所述步骤C中低复杂度的，具体是指：

使用步骤B-2中的空时分组码矩阵，在接收端的利用接收信号和信道增益得到估计的发射信号为：

其中y_i是第i个时隙的接收信号，通信系统使用矩阵W时，利用接收信号和信道增益得到估计的发射信号为：

少进行了两项2h₁h₂A和

的计算，推广到任意阶通信系统时，有N_t(N_t-1)项无需计算。

有益效果：本发明给出了一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法。所述方法发射端使用脉冲幅度调制，首先在发射天线数目为二时，基于最大似然译码器，提出一个空时分组码矩阵的改进方法，此方法相比于传统方法降低了接收机的复杂度；然后串行抵消，利用二阶空时分组码矩阵去构造任意阶的空时分组码矩阵。采用本发明，将星座图搬移至非负区间后，符合任意发射信号为非负实数通信系统的要求，接收端与传统方法一样实现独立译码，降低了发射端功耗，并且使用最大似然译码器，大大降低了接收机的复杂度，同时提高了系统的分集增益。

附图说明

图1是发射端的信号处理过程；

图2是接收机的信号处理过程。

具体实施方式

本发明给出了一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法。所述方法发射端使用脉冲幅度调制，首先在发射端输入个数为二时，提出一个空时分组码矩阵的改进方案，此方案相比于传统方法降低了接收机的复杂度，然后利用串行抵消的思想，利用发射端输入个数为二的空时分组码矩阵去构造任意阶的空时分组码矩阵。采用本发明，将星座图搬移至非负区间后，符合任意发射信号为非负实数通信系统的要求，接收端与传统方法一样实现独立译码，降低了发射端功耗的同时，大大降低了接收机的复杂度，同时提高了系统的分集增益。

为了更好的说明本发明方法，下面结合更详细的例子加以说明：

一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法，

发射端

发射端信号处理图如图1。

构建脉冲幅度调制M-PAM的调制星座图如下：

其中x_i是第i个星座点，A是一个实常数，A＞1/2，其绝对值的大小与系统的发射功率有关，x_i的补信号

为：

补信号也在此星座图内；

考虑一个发射LED数目为N_t，接收PD(光电二极管)数目为1的可见光通信系统，发射的比特流为d₁，d₂，…，d_k，发射端信号处理框图如图1。

通信系统使用如下空时分组码STBC技术的矩阵W为

其中x_i是第i根天线发射的信号，i＝1，2；使用非正交的空时分组码矩阵W实现空时编码技术的目的是此矩阵在发射信号限制在非负的实数信号时，直接使用并且性能优秀。使用空时分组码矩阵W的通信系统，接收端实现独立译码，最大似然判决器为

其中i＝1，2，

表示使得括号内最小时，集合ω的取值，其中

与Almouti类的空时分组码相比，矩阵的非正交性导致在接收端需要计算类似于2h₁h₂A这类关于信道增益的多余项，为了在设计一个任意阶空时分组码矩阵后，接收机复杂度尽量的低，所以需要设计一个低复杂度的二阶空时分组码，实现独立译码的同时降低译码复杂度，构造一个带参数的空时分组码矩阵如下

其中k₁、k₂、l₁和l₂为待确定的参数，那么接收信号为

y＝[y₁，y₂]^T＝XH^T+N

其中y₁和y₂是第一个和第二个时隙的接收信号，N为两个时隙的噪声n₁和n₂组成的向量，这两个时隙是独立的，零均值的高斯白噪声；两个时隙的接收信号的具体表达式如下：

y₁＝h₁x₁+h₂x₂+n₁

y₂＝h₁(k₁x₂+l₁)+h₂(k₂x₁+l₂)+n₂

计算接收端的最大似然ML判决量如下：

|y₁-h₁x₁-h₂x₂|²+|y₂-h₁(k₁x₂+l₁)-h₂(k₂x₁+l₂)|²

根据多项式定理，得到无关接收信号的，仅关于x₁和x₂的欧几里得判决量度Δ如下：

在接收端实现独立译码需要满足k₁k₂+1＝0，即没有x₁x₂这一项，在计算接收端最大似然判决量时，判决量中会出现如上表达式，并且随着发射端输入点数目增多，Δ内的项数越来越多进而导致接收端译码复杂度很高，为降低判决量的计算复杂度，令：

消除Δ项从而降低两天线发射的系统的译码复杂度；要满足上述等式，有且仅有k₁k₂＝-1时成立，参数l₁和l₂也由此求得；

为了确定参数值，使用上述空时分组码矩阵X的系统编码增益CGD为：

式中

表示对集合ω求括号内的最小值，(·)^H表示对括号内进行共轭转置操作；其中x₁，x₂及x′₁，x′₂为M-PAM星座点，

C和

是两个不同的码字矩阵，为使得上式取得最优解，需要码字距离矩阵

的秩要尽量大，且

的行列式尽量小，而

是满秩矩阵，那么优化问题为：

受限于

k₁k₂＝-1

h₁l₁+h₂l₂＝0

x₁，x₂∈β

式中β为M-PAM星座图，

表示发射端功率限制，||·||_F为Frobenius范数；由于第一个天线与第二个天线上传输的信号实际上是等价的，所以解上述优化问题得到k₁，k₂不只一组解，取其中一组解作为最终结果，空时分组码矩阵为

假设发射信号经过调制后得到的N_t个发射信号为

这N_t个信号在第一个时隙发射，对于第一个时隙内，所有LED上发送的信号，任取第i，j个LED上的发射信号x_i和x_j，均在某个时隙k内的第i，j个LED上，构造一个k_ix_j+l_i和k_jx_i+l_j与其对应，其余位置的发送信号为0，其中k_i，k_j，l_i和l_j的值由矩阵X确定，具体值如下

那么发送端的空时分组码矩阵为

y₁是第一个时隙的接收信号，y_m、y_n和y_K代表第m、n和K时隙的接收信号，矩阵中k_i、k_j、k_q、l_i、l_j和l_q均通过二阶空时分组码矩阵的得到对应的值，当发射端LED数目大于2时，时隙数目等于K＝N_t(N_t-1)/2+1；

接收端

图2为接收端的处理，其中判决的方法为构造的空时分组码矩阵中的发射信号在接收端的判决量为

其中Δ_i1有关发射信号的平方项前的系数，其中i＝1，…，N_t，

其中Δ_i2是有关于发射信号项前的系数，其中i＝1，…，N_t。根据

来判决发射信号。当接收端天线数目大于1时，接收天线上的接收信号，是所有LED上发射信号的线性组合，根据多项式定理，同样可以在接收端独立译码。

Claims (3)

1.一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：构建脉冲幅度调制M-PAM的调制星座图如下：

其中M是脉冲幅度调制阶数，x_i是第i个星座点，A是一个实常数，|A|>1/2，其绝对值的大小与系统的发射功率有关，x_i的补信号

为：

补信号也在此星座图内；

步骤B：设计一个低复杂度的两天线发射的空时分组码矩阵，设计过程如下：

步骤B-1：确定所述系统的二阶空时分组码矩阵；

系统使用如下空时分组码STBC技术的矩阵W为：

其中x_i是第i个天线发射的信号，i＝1,2；

不失一般性，接收端只有一个输出，信道矩阵为H＝[h₁,h₂]，其中h₁和h₂是信道增益，矩阵W中行位置代表时隙，列位置代表天线的位置；

步骤B-2：设计二阶的低复杂度空时分组码，其矩阵的形式有如下四种：

步骤C：设计任意阶的空时分组码矩阵；

将二阶的空时分组码矩阵X_i，i＝1,2,3,4，作为二阶模型，利用此模型构造一个低复杂度的、低功耗的任意阶空时分组码矩阵；假设发射端天线数目为N_t，不失一般性，接收端数目为1，N_t根发射天线上的发射信号为

发射信号下标对应天线位置，规定通信系统第一个时隙天线上发射信号为

对于第一个时隙内，所有天线上发射的信号，任取第i根和第j根天线上x_i和x_j，在不同于第一个时隙的某个时隙m内，在第i根和第j根天线上，发送k_ix_j+l_i和k_jx_i+l_j，在此时隙m内其它天线上的发射信号为零；其中k_i、k_j、l_i和l_j是参数，取值根据使用的二阶的空时分组码矩阵X_i，i＝1,2,3,4来得到；如果使用X₁型的二阶空时分组码矩阵去构造任意阶的空时分组码矩阵，则：

其中x_i和x_j是天线i和天线j上的发射信号，h_i和h_j是天线i和天线j对应的信道增益，任意阶的空时分组码矩阵为：

y₁是第一个时隙的接收信号，y_m、y_n和y_K代表第m、n和K时隙的接收信号，矩阵中k_i、k_j、k_q、l_i、l_j和l_q根据使用的X_i型二阶空时分组码矩阵确定，其中i＝1,2,3,4；当发射端的输入点数目大于2时，时隙数目K的值为：

K＝N_t(N_t-1)/2+1

使用的最大似然译码器方法如下：

其中μ(x_i)是欧几里得判决量，Δ_i1是有关发射信号的二次项前的系数，其中i＝1,…,N_t，

其中Δ_i2是有关于发射信号一次项前的系数，其中i＝1,…,N_t；那么最大似然译码器为

根据此式来判决发射信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法，其特征在于，步骤C中所述低功耗，具体是指：

当发射天线数目为N_t时，使用空时分组码技术，满负荷的空时分组码通信系统，发射的总功耗为

其中满负荷的含义是，空时分组码矩阵中，发射天线数目与时隙的比值称码率，除了发射天线数目为2，4，8时，空时分组码矩阵的码率为1，其余情况码率最大为3/4，当通信系统的码率最大时，就称此系统为满负荷的空时分组码系统；使用步骤C中的空时分组码矩阵后，时隙数K＝N_t(N_t-1)/2+1，那么功耗为

3.根据权利要求1所述的一种基于低复杂度空时分组码MIMO系统信号检测方法，其特征在于，所述步骤C中低复杂度的，具体是指：

使用步骤B-2中的空时分组码矩阵，在接收端的利用接收信号和信道增益得到估计的发射信号为：

其中y_i是第i个时隙的接收信号，通信系统使用矩阵W时，利用接收信号和信道增益得到估计的发射信号为：

少进行了两项2h₁h₂A和

的计算，推广到任意阶通信系统时，有N_t(N_t-1)项无需计算。

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