CN114900252B - 射频反射镜使能收发联合空间调制的接收信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频反射镜使能收发联合空间调制的接收信号检测方法，主要解决现有收发端联合空间调制技术在保障性能的同时，检测复杂度高的问题。方案包括：1)接收机接收信息，并对接收天线进行分组；2)根据信息激活某接收天线子集，并将激活与未激活的接收天线子集分别进行接收信号向量表示；3)计算被激活的接收天线子集中每个接收天线所得接收信号；4)计算接收信号功率，并对其排序；5)根据排序结果获取功率比值；6)根据比值得到接收天线子集索引号，进一步检测接收天线索引号，最后对发射天线索引号和相位调制符号进行联合检测估计。本发明有效降低了信号检测的复杂度，且能够在检测性能与计算复杂度之间取得平衡。

Description

射频反射镜使能收发联合空间调制的接收信号检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体为一种射频反射镜使能收发联合空间调制的接收信号检测方法，可用于5G移动通信收发端联合空间调制系统信号检测。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation，SM)技术作为能够在空间复用和空间分集中取得平衡的新兴多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术，且其在实现上能够兼顾通信系统的频谱效率和能量效率。其传输原理是只激活单根发射天线用于数据传输，同时可以利用激活天线索引号传输附加信息，将SM设计思想用于实现接收端空间调制的方案可获得额外复用增益的同时也增加了发射端天线布置开销和射频链的冗余；现有基于射频反射镜的收发端联合空间调制系统，不仅降低了系统的硬件实现成本，同时在收端采用接收天线分多个子集的策略，保留了收发端联合空间调制带来的分集增益和系统频谱利用率。

在接收端信号检测常用的最大似然检测(Maximum Likelihood Detection，MLD)方案是最优检测，需要联合天线索引号和调制符号来检测，其复杂度呈指数级上升。另外在多天线系统或高阶调制符号情况下，其运算量大，带来的开销也是难以控制的。因此研究出一种适合实际应用的低复杂度检测算法是非常有意义的。

专利文献CN201510551207.2公开了一种低复杂度差分空间调制检测算法，该方案的检测算法是将接收端得到接收信号以差分最大似然检测算法与空间调制下的低复杂度算法形成的算式结构结合，进而根据最终的比特与天线序号及发射符号的对应关系进行逆映射操作，得到信息比特。该方案虽然在计算复杂度上大大降低，但当接收天线增加及星座调制高阶的情况下，并不能保证一定的低计算复杂度。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于射频反射镜的收发端联合空间调制低复杂度检测方法，用于改善现有收发端联合空间调制技术在保障性能的同时，检测复杂度高的局限性；该方法基于射频反射镜实现收发端联合空间调制，在收端信号检测时可有效实现检测性能和计算复杂度之间的平衡。

实现本发明的基本思路是：接收机天线子集接收信号按功率比排序，根据选定接收子集和未选接收子集信号特征之间的差异，先对接收机天线子集序号进行检测，进而分阶段完成接收天线、发射天线和发射端幅度相位调制符号的低复杂度检测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)在多输入多输出系统中，令发射机包含M根发射天线，每根发射天线上分别部署L块射频反射镜，且每根发射天线附近射频反射镜的图案为U＝2^L；接收机配备N根接收天线，其中包括用于实现接收分集增强的D根增强天线；天线数目M为2的非负整数幂；

2)将N根接收天线的前N-D根天线均分为N_g个接收天线子集，N_g为2的非负整数幂；即每一个接收天线子集含有N_r＝(N-D)/N_g根接收天线，且N_r＜U；

3)接收机获取第一接收信号r、第d根增强天线处的第二接收信号r_d以及第i根发射天线附近射频反射镜的图案到第j个接收天线子集的信道状态信息矩阵W_ij，并根据信道状态信息矩阵W_ij通过线性波束成形预处理获得预处理矩阵P_ij和对角矩阵其中，第一接收信号r是所有接收天线子集接收到的信号，d＝{1,2,…D}；

4)接收机根据发射机传输的信息在N_g个接收天线子集中激活某一个接收天线子集来接收信号，其中被激活的接收天线子集的接收信号向量记为r_j，未被激活的接收天线子集的接收信号向量记为r_l：

r_l＝W_ilP_ije_kq_m+n_l,l≠j；

其中，j和l分别表示被激活和未被激活的接收天线子集编号；i∈{1,2,…,M}表示第i根发射天线；q_m表示发射端待传输基带符号为幅度相位调制符号集中的第m个符号，该集合中每个相位调制符号的阶数为M_m，且M_m＝2ⁿ，m＝{1,2,…,M_m}；e_k为接收天线对应的单位矩阵的第k列，k∈{1,2,…,N_r}；/>表示从与第i个发射天线相关联的U＝2^L个射频反射镜激活图案到第l个接收子集的信道，n_l、n_j分别为第l个接收天线子集中接收天线处和第j个接收天线子集中接收天线处累积接收噪声的零均值循环对称复高斯矢量；

5)根据下式计算第j个接收天线子集中每个接收天线所获得的接收信号：

r_jk＝λ_ij,kq_m+n_jk，

r_jτ＝n_jτ,τ∈{1,2,...,N_r},τ≠k；

其中，r_jk表示第j个接收天线子集中第k个接收天线的接收信号，r_jτ表示第j个接收天线子集中第τ个接收天线的接收信号，λ_ij,k为对角矩阵的第k个对角元素；n_jk和n_jτ分别表示第j个接收天线子集中第k个和第τ个接收天线的接收噪声；

6)计算第j个接收天线子集中第k个接收天线的接收信号功率F_k ^j：

F_k ^j＝|r_jk|²；

取k为1,2,…,N_r得到第j个被激活接收天线子集中所有接收天线的接收信号功率；

7)对步骤6)得到的所有接收天线的接收信号功率进行排序，按升序排列如下：

其中，a_k(j)∈{1,2,...,N_r}；

8)根据排序结果计算功率比值R_j：

其中，表示次大接收信号功率，/>表示最大接收信号功率；

9)对接收天线子集索引号进行检测，估计得到所选第j个接收天线子集的索引号

其中，

10)基于第j个接收天线子集的索引号对接收天线的索引号进行检测，得到估计出的接收天线索引号/>

11)基于估计出的和/>对发射天线索引号和相位调制符号进行联合检测估计，得到发射天线索引号/>和相位调制符号估计结果/>

其中，

本发明与现有技术相比具有的如下优点：

第一、本发明降低了收发端联合空间调制通信系统中基于传统最大似然检测的计算复杂度；

第二、由于本发明在接收端采用接收天线分组的策略，因此接收图案索引和接收天线索引都可以承载信息，从而进一步提高了分集增益；

第三、本发明提出的检测方法基于功率比排序结果，可在检测误码率性能与计算复杂度之间取得平衡，在有效降低复杂度的同时，保证了检测结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图；

图2为本发明方法与MLD方法的计算复杂度对比图；

图3为本发明方法在基带调制方案为4-QAM时，N_g＝2，SNR＝5dB时接收端三维星座仿真结果对比图；

其中a为接收端所选接收天线子集指定为1，接收天线指定为第一根时，第一组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图，b为接收端所选接收天线子集指定为1，接收天线指定为第一根时，第二组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图。

图4为本发明方法在基带调制方案为4-QAM时，N_g＝4，SNR＝5dB时接收端三维星座仿真结果对比图；

其中a、b、c、d分别为接收端所选接收天线子集指定为1，接收天线指定为第一根时，第一组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图、第二组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图、第三组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图、第四组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图。

图5为本发明方法与MLD方法在不同参数下的BER性能与SNR之间的关系曲线图；

具体实施方式

以下参照附图，对本发明技术方案进行详细描述：

本发明方法采用的MIMO通信系统模型包括：发射机、射频反射镜和接收机。发射机配有M根天线且每根天线上分别部署L块射频反射镜，接收机配有N根接收天线，将其前N-D根天线均分为N_g个接收子集，即每一组含有N_r＝(N-D)/N_g根接收天线，剩余的D根作为分集接收天线，即增强天线，用于获取接收分集，天线数目M和N_g均为2的非负整数幂，并且每根发射天线附近射频反射镜的图案U＝2^L＞N_r。

参照图1，本发明提供的一种射频反射镜使能收发联合空间调制的接收信号检测方法，具体实现步骤如下：

步骤1：在多输入多输出系统中，令发射机包含M根发射天线，每根发射天线上分别部署L块射频反射镜，且每根发射天线附近射频反射镜的图案为U＝2^L；接收机配备N根接收天线，其中包括用于实现接收分集增强的D根增强天线；天线数目M为2的非负整数幂；

步骤2：将N根接收天线的前N-D根天线均分为N_g个接收天线子集，N_g为2的非负整数幂；即每一个接收天线子集含有N_r＝(N-D)/N_g根接收天线，且N_r＜U；

步骤3：接收机获取第一接收信号r、第d根增强天线处的第二接收信号r_d以及第i根发射天线附近射频反射镜的图案到第j个接收天线子集的信道状态信息矩阵并根据信道状态信息矩阵W_ij通过线性波束成形预处理获得预处理矩阵P_ij和对角矩阵/>其中，第一接收信号r是所有接收天线子集接收到的信号，d＝{1,2,…D}；

上述通过线性波束成形预处理获得预处理矩阵P_ij，本实施例具体采用根据最小均方误差准则来实现基于交替零空间波束形成获得预处理矩阵，具体如下：

其中，τ表示正规因子，Tr[·]表示矩阵的迹；I_(N-D)表示(N-D)维的单位矩阵；/>表示W_ij的共轭转置。

同时，还可以采用根据发射机迫零波束成形来获得预处理矩阵，具体如下：

其中，Tr[·]表示矩阵的迹；

步骤4：接收机根据发射机传输的信息在N_g个接收天线子集中激活某一个接收天线子集来接收信号，设被激活的是第j个接收天线子集；其中被激活的接收天线子集的接收信号向量记为r_j，未被激活的接收天线子集的接收信号向量记为r_l：

r_l＝W_ilP_ije_kq_m+n_l,l≠j；

其中，j和l分别表示被激活和未被激活的接收天线子集编号；i∈{1,2,…,M}表示第i根发射天线；q_m表示发射端待传输基带符号为幅度相位调制符号集中的第m个符号，该集合中每个相位调制符号的阶数为M_m，且M_m＝2ⁿ，m＝{1,2,…,M_m}；e_k为接收天线对应的单位矩阵的第k列，k∈{1,2,…,N_r}；/>表示从与第i个发射天线相关联的U＝2^L个射频反射镜激活图案到第l个接收子集的信道，n_l、n_j分别为第l个接收天线子集中接收天线处和第j个接收天线子集中接收天线处累积接收噪声的零均值循环对称复高斯矢量；

步骤5：根据下式计算第j个接收天线子集中每个接收天线所获得的接收信号：

r_jk＝λ_ij,kq_m+n_jk，

r_jτ＝n_jτ,τ∈{1,2,...,N_r},τ≠k；

其中，r_jk表示第j个接收天线子集中第k个接收天线的接收信号，r_jτ表示第j个接收天线子集中第τ个接收天线的接收信号，λ_ij,k为对角矩阵的第k个对角元素；n_jk和n_jτ分别表示第j个接收天线子集中第k个和第τ个接收天线的接收噪声；

步骤6：计算第j个接收天线子集中第k个接收天线的接收信号功率F_k ^j：

F_k ^j＝|r_jk|²；

取k为1,2,…,N_r得到第j个被激活接收天线子集中所有接收天线的接收信号功率；

步骤7：对步骤6)得到的所有接收天线的接收信号功率进行排序，按升序排列如下：

其中，a_k(j)∈{1,2,...,N_r}；

步骤8：根据排序结果计算功率比值R_j：

其中，表示次大接收信号功率，/>表示最大接收信号功率；

步骤9：对接收天线子集索引号进行检测，估计得到所选第j个接收天线子集的索引号

其中，

本实施例具体根据所激活的第j个接收天线子集和未激活的天线子集信号特征之间存在的差异完成本步骤的检测。由于所激活的第j个接收天线子集的接收信号功率是所有接收天线子集中最高的，所以可以根据功率比值R_j确定出第j个接收天线子集的索引号

步骤10：基于第j个接收天线子集的索引号对接收天线的索引号进行检测，得到估计出的接收天线索引号/>

步骤11：基于估计出的和/>对发射天线索引号和相位调制符号进行联合检测估计，得到发射天线索引号/>和相位调制符号估计结果/>

其中，

参照图2，描绘了系统配置参数为M＝2、L＝3、M_m＝4、N_g＝2时，传统最大似然检测算法和本发明提出的基于功率比排序的低复杂度检测算法相比，在接收端天线数逐渐增加，即N∈{8,9,10,11,12,13}取值依次递增的计算复杂度对比图；由图可知，随着接收天线的增加，两种检测方案的复杂度均在上升，但本发明检测算法在计算复杂度上明显优于MLD算法，且优势随着接收端天线数的增加而扩大，比较而言本发明所提出的低复杂度算法更适合应用于实际多接收天线的情况，这是因为MLD算法要求所有选定天线、天线子集结合符号调制比特来估计发射信息，计算过于繁琐，而本发明所提出的基于功率比排序的检测算法利用接收信号观测值的功率比来帮助解码，可在一定程度上有效减少冗余的计算。能够体现本发明相比于现有方法取得的有益效果。

参照图3，描绘了仿真200个点数为例，M＝2、N＝8、L＝3、M_m＝4、N_g＝2、SNR＝5，调制方式为4-QAM时，接收天线子集数为2，不同子集的不同接收天线的接收信号星座弥散情况，其中a为接收端所选接收天线子集指定为1，接收天线指定为第一根时，第一组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图，“+”、“□”分别为指定接收天线为第一根时第一根的接收信号星座图和指定接收天线为第一根时其余天线的接收信号星座图，b为接收端所选接收天线子集指定为1，接收天线指定为第一根时，第二组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图；由星座图a可知，指定接收天线子集中的指定天线接收信号可以很好的完成基带符号的解码，而其余天线的接收信号星座凝聚程度高，说明本方案在指定天线处的信号接收有一定的指向性；比较而言，星座图b未选接收天线子集的星座图呈弥散状态，进一步说明了本方案的可行性。

参照图4，描绘了仿真200个点数为例，M＝2、N＝8、L＝3、M_m＝4、N_g＝4、SNR＝5，调制方式为4-QAM时，接收天线子集数为4，不同子集的不同接收天线的接收信号星座弥散情况，其中a、b、c、d分别为接收端所选接收天线子集指定为1，接收天线指定为第一根时，第一组、第二组、第三组、第四组每一根接收天线的接收信号三维星座仿真结果对比图；对比可知，除了指定天线子集的指定天线接收信号可以形成规整的星座符号，其余天线的接收信号星座均有一定程度的弥散或汇聚。

参照图5，描绘了M＝2、N∈{8,9,10}、L＝3、M_m＝4、N_g∈{2,4}、D∈{0,1,2}时，MLD算法和所提检测算法的BER性能对比情况；随着SNR的增加，接收机的误比特率逐渐减小，且随着N_r的增加，两种检测算法下系统的差错性能的差异逐渐降低，从18dB降至7dB，这是因为当系统给定N_r∈{2,4}时，系统所获得的接收分集增益逐步增大，所提方案对信号的检测变得更为准确，导致与MLD算法之间的性能差距逐渐降低。

下面结合仿真实验对本发明的效果进一步说明：

A.仿真条件

使用matlab仿真工具进行模拟，假定信息在瑞利平坦衰落信道下，发射机获得全部的信道状态信息，具体仿真参数设置如下：

仿真1：设定M＝2，L＝3，M_m＝4，N_g＝2，N∈{8,9,10,11,12,13}

仿真2：设定M＝2，N＝8，L＝3，M_m＝4，N_g＝2，SNR＝5

仿真3：设定M＝2，N＝8，L＝3，M_m＝4，N_g＝4，SNR＝5

仿真4：设定M＝2，N∈{8,9,10}，L＝3，M_m＝4，N_g∈{2,4}，D∈{0,1,2}

B.仿真内容

仿真1：本发明方法与MLD方法的计算复杂度对比图，仿真结果如图2所示；

仿真2：在基带调制方案为4-QAM时，N_g＝2，SNR＝5dB时接收端三维星座仿真结果对比图，仿真结果如图3所示；

仿真3：在基带调制方案为4-QAM时，N_g＝4，SNR＝5dB时接收端三维星座仿真结果对比图，仿真结果如图4所示；

仿真4：本发明方法与MLD方法在不同参数下的BER性能与SNR之间的关系图，仿真结果如图5所示；

C.仿真结果

由图2可见，在接收天线逐渐增多的情况下，所提方法在计算复杂度方面比MLD算法低三个数量级。

由图3、4可见，不同接收分组情况下，指定天线对信号接收能够完成较好的分离，说明本发明提出的接收端分组系统的可行性。

由图5可见，随着接收分集增益的逐步增加，本发明方法与MLD算法误码率性能差距缩小，且具有低计算复杂度的优势。

上述仿真分析证明了本发明所提方法的正确性与有效性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种射频反射镜使能收发联合空间调制的接收信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在多输入多输出系统中，令发射机包含M根发射天线，每根发射天线上分别部署L块射频反射镜，且每根发射天线附近射频反射镜的图案为U＝2^L；接收机配备N根接收天线，其中包括用于实现接收分集增强的D根增强天线；天线数目M为2的非负整数幂；

2)将N根接收天线的前N-D根天线均分为N_g个接收天线子集，N_g为2的非负整数幂；即每一个接收天线子集含有N_r＝(N-D)/N_g根接收天线，且N_r＜U；

3)接收机获取第一接收信号r、第d根增强天线处的第二接收信号r_d以及第i根发射天线附近射频反射镜的图案到第j个接收天线子集的信道状态信息矩阵W_ij，并根据信道状态信息矩阵W_ij通过线性波束成形预处理获得预处理矩阵P_ij和对角矩阵其中，第一接收信号r是所有接收天线子集接收到的信号，d＝{1,2,…D}；

4)接收机根据发射机传输的信息在N_g个接收天线子集中激活某一个接收天线子集来接收信号，其中被激活的接收天线子集的接收信号向量记为r_j，未被激活的接收天线子集的接收信号向量记为r_l：

r_l＝W_ilP_ije_kq_m+n_l,l≠j；

其中，j和l分别表示被激活和未被激活的接收天线子集编号；i∈{1,2,…,M}表示第i根发射天线；q_m表示发射端待传输基带符号为幅度相位调制符号集中的第m个符号，该集合中每个相位调制符号的阶数为M_m，且M_m＝2ⁿ，m＝{1,2,…,M_m}；e_k为接收天线对应的单位矩阵的第k列，k∈{1,2,…,N_r}；/>表示从与第i个发射天线相关联的U＝2^L个射频反射镜激活图案到第l个接收子集的信道，n_l、n_j分别为第l个接收天线子集中接收天线处和第j个接收天线子集中接收天线处累积接收噪声的零均值循环对称复高斯矢量；

5)根据下式计算第j个接收天线子集中每个接收天线所获得的接收信号：

r_jk＝λ_ij,kq_m+n_jk，

r_jτ＝n_jτ,τ∈{1,2,...,N_r},τ≠k；

其中，r_jk表示第j个接收天线子集中第k个接收天线的接收信号，r_jτ表示第j个接收天线子集中第τ个接收天线的接收信号，λ_ij,k为对角矩阵的第k个对角元素；n_jk和n_jτ分别表示第j个接收天线子集中第k个和第τ个接收天线的接收噪声；

6)计算第j个接收天线子集中第k个接收天线的接收信号功率

取k为1,2,…,N_r得到第j个被激活接收天线子集中所有接收天线的接收信号功率；

7)对步骤6)得到的所有接收天线的接收信号功率进行排序，按升序排列如下：

其中，a_k(j)∈{1,2,...,N_r}；

8)根据排序结果计算功率比值R_j：

其中，表示次大接收信号功率，/>表示最大接收信号功率；

9)对接收天线子集索引号进行检测，估计得到所选第j个接收天线子集的索引号

其中，

10)基于第j个接收天线子集的索引号对接收天线的索引号进行检测，得到估计出的接收天线索引号/>

11)基于估计出的和/>对发射天线索引号和相位调制符号进行联合检测估计，得到发射天线索引号/>和相位调制符号估计结果/>

其中，

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中通过线性波束成形预处理获得预处理矩阵P_ij，采用根据最小均方误差准则来实现基于交替零空间波束形成获得预处理矩阵，具体如下：

其中，τ表示正规因子，Tr[·]表示矩阵的迹；I_(N-D)表示(N-D)维的单位矩阵；/>表示W_ij的共轭转置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中通过线性波束成形预处理获得预处理矩阵P_ij，采用根据发射机迫零波束成形获得预处理矩阵，具体如下：

其中，Tr[·]表示矩阵的迹；/>表示W_ij的共轭转置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤9)中对接收天线子集索引号进行检测，是根据所激活的第j个接收天线子集和未激活的天线子集信号特征之间存在的差异实现。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：根据所激活的第j个接收天线子集和未激活的天线子集信号特征之间存在的差异实现检测，具体为：所激活的第j个接收天线子集的接收信号功率是所有接收天线子集中最高的，因此可以确定出第j个接收天线子集的索引号