一种空间调制信号检测方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种空间调制信号检测方法。

背景技术：

空间调制技术(Spatial Modulation，SM)作为一种新颖的多天线传输方案，近年来受到业界的广泛注意。在空间调制技术中，每一时刻只有单根发射天线被激活用来发送数据，其余发射天线处于静默状态，发送的信息比特一部分映射到传统的数字调制星座图上，另一部分映射到该激活天线序号对应的空间维度上。这样空间调制系统克服了信道间干扰和天线间同步问题，且每一时隙只需要一条射频链路，大大节约了系统成本。

由于SM系统的发送信息比特分别映射到激活天线序号和数字调制符号中，因而在系统解调过程中需分别检测出激活天线的序号和该天线上发送的数字调制符号。在当前现有的检测方法中，最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测方法具有最优的误码率性能。但由于其需要穷举搜索激活天线序号和数字调制符号的所有可能组合，所以它的复杂度很高。为此人们热衷于研究一些低复杂度的检测方法，比如最大比合并(Maximal Ratio Combining，MRC)检测，先解调激活天线序号，再解调该激活天线上发送的数字调制符号，复杂度大大降低，但检测性能有限；改进的最大比合并(Maximum-Receive Ratio Combining，MRRC)检测方法优化了MRC算法中解调天线序号的表达式，相比MRC在同样低复杂度的情形下改善了检测性能。为了在检测性能与检测复杂度上取得有效的折中，多级(Multiple-Stage，MS)检测方法与基于距离排序检测(Distance-Based ordered Detection，DBD)方法被相继提出。

MS检测方法通过将空间调制过程分解为两个步骤，从而实现简化。第一步使用MRRC算法选出p(p≤N_t)个最可能天线序号，其中N_t为发射天线数，从而将输入复杂度从N_tM减少到pM，其中M为调制阶数。第二步就是将此输入进行ML检测。然而MS检测方法会使用ML检测方法遍历所有星座点，其检测复杂度仍然较高。

DBD检测方法首先在不同的发射天线序号的假设下，分别得到解调前后的符号之间的欧式距离，然后根据这个欧式距离对各个天线序号进行排序。同时，通过改变一个可以调节的变量p，将进行ML检测的数据量从N_tM降低到p。然而DBD方法在计算解调前后符号之间的欧式距离时会遍历所有星座点，且计算欧式距离会使用到大量的乘法运算，其检测复杂度仍然较高。

在现有的方法中，ML方法需要的实数乘法次数为6N_rN_tM，其中N_r为接收天线数，其检测复杂度很高，检测性能最好；MRC方法的检测复杂度最低，但其检测性能很差且只适用于部分受限信道，在实际情况中基本不会使用；MRRC方法所需的实数乘法次数为(6N_r+3)N_t+3M，其检测复杂度较低，但其检测性能有限，与ML方法的检测性能相比仍有较大差距；MS方法所需的实数乘法次数为(6N_r+3)N_t+3pM，当p＝1时，MS方法的检测性能和MRRC相同，当p＝N_t时，MS方法的检测性能和ML相同；DBD算法所需的实数乘法次数为(6N_r+3+2M)N_t+6p，同样的，当p＝N_t时，DBD方法的检测性能也能达到ML方法的检测性能。因此，在现有方法中，ML方法检测性能最好但复杂度最高，MRC和MRRC方法检测复杂度较低但性能差，MS和DBD方法检测性能较好，但复杂度依然较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的，就是为避免现有技术不足，为保持空间调制信号检测性能的同时降低检测的复杂度，本发明提供一种基于角度搜索(Angle-Search-Based，ASB)的空间调制低复杂度检测方法，该方法借鉴了DBD方法基于欧氏距离排序的思想，对标准星座点与解调星座点的角度距离进行排序，通过角度距离的减法操作替代欧式距离的乘法操作，在不损失检测性能的同时，大大降低了检测复杂度。本发明引入可调参数p，只检测角度距离最小的p个角度所对应的星座点，使每根发射天线平均所需检测星座点由M降低为q。

为了方便地描述本发明的内容，首先进行如下定义：在星座中，若任意连续A个不同相位能够对应所有不同幅度，则将满足该条件的最小A记为MCCA(Minimum Complete Continuous Angles)。

p为正整数，其取值范围为[1,MCCA]。p越大，本发明检测性能越好，但同时q也会增大，即检测复杂度会增加。通过调节p，本发明可以在系统性能与检测复杂度之间获得有效的折中。当p＝MCCA时，本发明具有和ML检测方法相同的检测性能。

本发明的技术方案是：一种空间调制信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.对当前接收的调制符号进行最大比合并，具体为：假设发射天线为l(1≤l≤N_t)的条件下，根据信道信息h_l，对接收信号r进行最大比合并其中，l为发射天线序号，N_t为发射天线数，h_l和r为N_r维列向量，N_r为接收天线数，上标^H表示共轭转置；

b.获取步骤a中合并信号的角度序列θ，具体为：对于每一根可能的发射天线，根据合并后信号的实部与虚部的正负性及其比值，通过查询tan-角度对应表，得到合并后信号的角度序列其中θ_l为发射天线为l条件下的的角度；所述tan-角度对应表为预先生成；

c.获取待检测星座点集合S，具体为：对于每一根可能的发射天线，根据合并后信号的角度序列θ，通过查询角度-待检测星座点对应表，得到待检测星座点集合其中s_l为θ_l所对应的待检测星座点序列；所述角度-待检测星座点对应表为预先生成；

d.判断调制方式是否为M-PSK调制，若是，则采用如下公式1对得到的待检测星座点序列进行ML检测：

其中L为发射天线序号集合，上标*表示共轭，表示取实部运算。

若否，则采用如下公式2对得到的待检测星座点序列进行ML检测：

得到估计的发射天线序号和调制符号

e.输出发射天线序号和调制符号当前调制符号检测结束。

2、根据权利要求1所述的一种空间调制信号检测方法，其特征在于，步骤c中所述角度-待检测星座点对应表的生成方法包括以下步骤：

c1.在tan-角度对应表中，获取一个新的角度θ_i；

c2.将θ_i与调制方式所对应的标准星座点角度进行比较，得到与θ_i最接近的p(1≤p≤MCCA)个标准星座点角度；

c3.将步骤c2中得到的p个标准星座点角度按与θ_i的距离从小到大进行排序，得到标准星座点角度序列

c4.在中依次取得一个新的标准星座点角度

c5.将所对应的所有星座点值依次存放于星座点序列s_i中；

c6.判断中的角度是否被遍历完，若是，对于s_i中有多个幅度相同的星座点只保留位置最靠前的一个星座点，最后s_i中的星座点幅度都不相同，则s_i为θ_i所对应的待检测星座点序列；若否，则回到步骤c4；

c7.判断tan-角度对应表的角度是否被遍历完，若是，则根据步骤c6中得到的星座点序列s_i生成并输出角度-待检测星座点对应表；若否，则回到步骤c1。

本发明的有益效果为，本发明通过对角度距离进行排序，降低了每根发射天线需要进行ML检测的星座点个数；而且在获得角度距离时，只需要进行减法，故在减少需要进行ML检测的星座点时，不会引入额外的乘法运算，而且通过角度-待检测星座点对应表，本发明避免了在信号解调过程中进行比较和排序的操作，进一步降低了检测复杂度；对于非M-PSK调制，本发明所需的实数乘法次数为对于M-PSK调制，本发明所需的实数乘法次数为(6N_r+4)N_t；在到达相同的检测性能时，本发明所需的实数乘法次数少于MS方法和DBD方法，具有较低的复杂度。

附图说明

图1是本发明对空间调制信号的低复杂度检测流程示意图；

图2是角度-待检测星座点对应表生成流程示意图；

图3是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝1,2,3)与ML检测方法的检测性能对比图；

图4是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝1)与DBD检测方法(p＝4,5)、MS检测方法(p＝1)的检测性能对比图；

图5是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝2)与DBD检测方法(p＝7,8)的检测性能对比图；

图6是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝2)与MS检测方法(p＝4,5)的检测性能对比图；

图7是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝3)与DBD检测方法(p＝16)、MS检测方法(p＝16)、ML检测方法的检测性能对比图；

图8是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为8PSK时，本发明(p＝1)与DBD检测方法(p＝16)、MS检测方法(p＝16)、ML检测方法的检测性能对比图；

图9为N_t＝16，N_r＝4，调制方式为M-QAM时，本发明(p＝3)与DBD检测方法(p＝16)、MS检测方法(p＝16)、ML检测方法的实数乘法次数对比图；

N_t为发射天线数、N_r为接收天线数、p为可调参数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

以16QAM调制方式为例，进行基于角度搜索的空间调制低复杂度检测。16QAM的MCCA＝3，即p的取值范围为[1,3]。tan-角度对应表的角度精度为2π/10⁴。信道环境为单径瑞利衰落信道和加性高斯白噪声信道(Additive White Gaussian Noise，AWGN)，接收端采用理想信道估计。每个信噪比下的仿真点数为10⁸。

如图1所示，本例主要包括以下步骤：

S1、生成tan-角度对应表；

S2、初始化系统参数：设定发射天线数N_t＝16、接收天线数N_r＝4、调制方式为16QAM和可调参数p＝2；

S3、生成角度-待检测星座点对应表，如图2所示，包括以下步骤：

S31、在tan-角度对应表中，获取一个新的角度θ_i；

S32、将θ_i与16QAM标准星座点角度进行比较，得到与θ_i最接近的2个标准星座点角度；

S33、将这2个标准星座点角度按离θ_i的距离从小到大进行排序，得到标准星座点角度序列

S34、在中依次取得一个新的标准星座点角度

S35、将所对应的所有星座点值依次存放于星座点序列s_i中；

S36、若中的角度未被遍历完，则转步骤S34；否则，对于s_i中有多个幅度相同的星座点，只保留位置最靠前的一个星座点，最后s_i中的星座点幅度都不相同，则s_i为θ_i所对应的待检测星座点序列；

S37、若tan-角度对应表的角度未被遍历完，则转步骤S31，否则，输出角度-待检测星座点对应表；

S4、判断是否还有接收的调制符号：若是，则转步骤S5，若否，转S12；

S5、对当前接收的调制符号进行最大比合并：假设发射天线为l(1≤l≤N_t)的条件下，根据信道信息h_l，对接收信号r进行最大比合并其中，l为发射天线序号，N_t为发射天线数，h_l和r为4维列向量；

S6、获得合并后信号的角度序列θ：对于每一根可能的发射天线，根据合并后信号的实部与虚部的正负性及其比值，通过查询tan-角度对应表，得到合并后信号的角度序列其中θ_l为发射天线为l条件下的的角度；

S7、获得待检测星座点集合S：对于每一根可能的发射天线，根据合并后信号的角度序列θ，通过查询角度-待检测星座点对应表，得到待检测星座点集合其中s_l为θ_l所对应的待检测星座点序列；

S8、判断调制方式：若调制方式为M-PSK调制，则转步骤S10，否则转步骤S9；

S9、进行非M-PSK调制下的ML检测：利用公式对得到的待检测星座点序列进行ML检测，得到估计的发射天线序号和调制符号转步骤S11；

S10、进行M-PSK调制下的ML检测：利用公式对得到的待检测星座点序列进行ML检测，得到估计的发射天线序号和调制符号

S11、输出发射天线序号和调制符号转到步骤S4；

S12、检测结束；

图3是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝1,2,3)与ML检测方法的检测性能对比图。当BER＝10^-2时，本发明p＝2的性能比p＝1的性能好大约3dB，p＝3的性能比p＝2的性能好大约0.1dB；当BER＝10^-4时，本发明p＝3的性能比p＝2的性能好大约0.18dB。本发明(p＝3)的性能和ML方法的性能完全重合。

图4是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝1)与DBD检测方法(p＝4,5)、MS检测方法(p＝1)的检测性能对比图。当BER＝10^-2时，MS方法(p＝1)的性能比本发明(p＝1)的性能好大约1.6dB；对比本发明(p＝1)和DBD方法(p＝5)的性能可以看出，当SNR<16dB时，本发明(p＝1)性能优于DBD(p＝5)；当SNR>16dB时，本发明(p＝1)性能差于DBD(p＝5)。

图5是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝2)与DBD检测方法(p＝7,8)的检测性能对比图。对比本发明(p＝2)和DBD方法(p＝7)的性能可以看出，当SNR<18dB时，本发明(p＝2)性能明显优于DBD(p＝7)；随着信噪比的增加，当SNR>18dB时，本发明(p＝2)的性能与DBD(p＝7)几乎相同。

图6是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝2)与MS检测方法(p＝4,5)的检测性能对比图。本发明(p＝2)的性能与MS方法(p＝4,5)的性能十分接近，相差不到0.1dB。

图7是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为16QAM时，本发明(p＝3)与DBD检测方法(p＝16)、MS检测方法(p＝16)、ML检测方法的检测性能对比图。可以看出，4种方法的检测性能完全相同。

图8是N_t＝16，N_r＝4，调制方式为8PSK时，本发明(p＝1)与DBD检测方法(p＝16)、MS检测方法(p＝16)、ML检测方法的检测性能对比图。可以看出，4种方法的检测性能完全相同。

图9为N_t＝16，N_r＝4，调制方式为M-QAM时，本发明(p＝3)与DBD检测方法(p＝16)、MS检测方法(p＝16)、ML检测方法的实数乘法次数对比图。可以看出，对于不同的调制阶数，本发明所需的实数乘法次数都远小于其他3种方法。

因此，与空间调制信号的现有ML、MS和DBD检测方法相比，本发明的基于角度搜索的空间调制检测方法既具有较高的检测性能，同时又具有较低的复杂度，很适用于采用空间调制的通信系统，具有很强的应用价值。