广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法技术方案

本发明专利技术提出了广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法，在广义空间调制系统的接收端进行信号检测时，由于传统GOMP算法中存在的内积法不能将较好的子信道突显出来，影响激活天线索引的选取，因此本发明专利技术利用Dice系数准则来计算残差与信道矩阵，进行激活天线索引的选取，有效地提高了检测性能，然后引入一个阈值对候选激活天线索引个数进行动态的选取，从而降低了计算的复杂度；考虑到GOMP算法与ML算法检测后存在复杂度较高的问题，本发明专利技术利用MMSE检测器估计发送符号，为了进一步降低计算复杂度，在进行MMSE检测时又引入可信度判断准则来对信号进行估计，在牺牲少量性能的情况下，有效地降低了运算过程的复杂度。

Improved GOMP Detection Algorithms in Generalized Space Modulation Systems

The invention proposes an improved GOMP detection algorithm in the generalized spatial modulation system. When signal detection is performed at the receiving end of the generalized spatial modulation system, the internal product method existing in the traditional GOMP algorithm can not highlight the better sub-channel and affect the selection of the index of the active antenna. Therefore, the invention calculates residual error and channel matrix by using the Dice coefficient criterion to activate the antenna cable. The selection of quotation effectively improves the detection performance, and then introduces a threshold to dynamically select the index number of candidate active antennas, thus reducing the computational complexity. Considering the high complexity of GOMP algorithm and ML algorithm after detection, the present invention estimates the sending symbols by using MMSE detector, in order to further reduce the computational complexity, when MMSE detection is carried out. The credibility criterion is also introduced to estimate the signal, which effectively reduces the complexity of the operation process at the expense of a small amount of performance.

【技术实现步骤摘要】
广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法
本专利技术属于无线通信
，主要针对的应用场景是大规模广义空间调制系统，适用于欠定系统，主要应用是针对广义空间调制系统中的接收端进行信号检测，具体涉及广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法。
技术介绍
多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)技术是无线移动通信领域中的重大突破，它分别在发送端与接收端配置多根天线进行信息的传输，不仅能够提高信道可靠性，同时也可以在不增加发射功率和系统带宽的情况下，成倍的提高系统的信道容量和频谱利用率。但是MIMO系统存在天线间同步(Inter-AntennaSynchronization,IAS)、信道间干扰(Inter-ChannelInterference,ICI)、多个射频(RadioFrequency,RF)链路带来的高设计成本等问题。针对上述问题，有学者提出了一种新型的多天线传输方案：空间调制(SpatialModulation,SM)技术。该技术仍然是基于MIMO系统，但不同的是，SM技术每时隙只激活一根天线来发送数据，利用激活天线位置对应的索引值来映射一部分的输入信息比特，相比传统的二维映射，扩展了空间维度，构成了一个新型三维映射。SM技术可以有效避免IAS和ICI的问题，同时因为SM技术的单射频特性，可以有效地降低RF链路的成本。由于SM技术的优势，使其具有广阔的应用前景与研究价值。空间调制技术虽然可以消除MIMO系统的缺点，但是该技术每时隙在发送端只激活一根天线来传输信息，随着发射天线数的增多，空间资源的浪费也增多，使之不能够充分地利用该空间资源。为了进一步提高系统的频谱效率与利用率，有学者在SM的基础上提出了广义空间调制(GeneralizedSpatialModulation,GSM)技术。在GSM技术中，每时隙激活多根天线来传输数据。和SM技术相比，频谱效率和传输速率都得到了显著的提高。但是由于GSM系统每时隙在发送端选择了多根天线进行数据的传输，这增加了接收端的检测复杂度，同时误比特性能也会所下降。利用最大似然检测(MaximumLikelihood,ML)算法对于GSM系统进行信号检测，虽然能获得最佳的误比特性能，但是由于遍历搜索所有可能的激活天线索引和调制符号导致非常高的计算复杂度。复杂度较低的次优检测算法，如线性检测算法中的最小均方误差(OrderedBlockMinimumMeanSquaredError,MMSE)检测算法、迫零(Zero-forcing,ZF)检测算法等，此类算法虽然可以用于GSM系统检测中，但是仅适用于超定系统中。近年来，由于GSM信号自身固有的稀疏特性，压缩感知理论中的稀疏重构算法由于其低的复杂度被应用到GSM系统的信号检测中，如正交匹配追踪(OrthogonalMatchingPursuit,OMP)算法、基追踪去噪(BasisPursuitDe-noising,BPDN)算法、广义正交匹配追踪(GeneralizedOrthogonalMatchingPursuit,GOMP)算法与ML算法联合的检测算法。但是单独的OMP算法性能较差，BPDN算法相比OMP算法复杂度较高，而GOMP与ML联合的检测算法由于该算法在每次迭代中选择多个原子，而选取时使用的内积法不能将较好的信道突显出来，这会对原子的选取在一定程度上造成错误，影响性能；而选择多个原子虽然可以提高检测性能，但是计算复杂度也相应的提高了；与此同时，对选择的原子个数并没有明确的准则，与ML算法相结合也会在一定程度上也存在复杂度高的问题。因此考虑到以上问题，为了在检测性能和计算复杂度之间有一个良好的折中，本专利技术将GOMP算法运用到GSM系统中，对GOMP算法做出改进与MMSE算法进行联合检测，提出广义空间调制系统统中改进的GOMP检测算法。
技术实现思路
本专利技术提出的广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法主要有三个创新点：基于Dice系数准则的GOMP检测算法、基于阈值判断的GOMP检测算法和基于可信度判断准则的GOMP-MMSE检测算法，目的在于在信号检测的性能与复杂度之间取得良好的折中。本专利技术提出的算法不仅考虑原子选取的问题，还考虑ML算法复杂度高的问题，从性能与复杂度两方面同时出发，从而可以在信号检测的性能与复杂度之间的取得良好的折中(一)本专利技术提出的创新点的基本思路及操作以下具体介绍本专利技术提出的“基于Dice系数准则的GOMP检测算法”、“基于阈值判断的GOMP检测算法”和“基于可信度判断准则的GOMP-MMSE检测算法”三个算法的基本思路和主要操作。1.基于Dice系数准则的GOMP检测算法假设收发两端的天线数分别为Nt、Nr，激活天线数为Na，数字调制阶数为L，那么GSM系统中有效的激活天线组合数为其中表示向下取整，为二项式系数。假设是发送信号向量，经过GSM映射后表示为其中sk∈Ω表示数字调制中的星座点，Ω表示幅度相位调制(AmplitudePhaseModulation,APM)星座点集合。在准静态平坦瑞利衰落情况下，设H为Nr×Nt维的信道矩阵，则接收端的接收信号可以表示为：其中，接收向量hk表示信道矩阵H的第k列，同时H中的每一个元素hij服从均值为0、方差为1的复高斯分布，则H具有RIP(RestrictedIsometricProperty)特性。为加性高斯白噪声(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)向量，里面各元素之间相互独立，且服从均值为0、方差为σ2的复高斯分布。当接收端信道状态信息已知时，根据化简后的接收信号模型，GSM系统中的ML检测算法可表示为式中，F表示Frobenius范数；li(i＝{1,2,…,Na})表示Na个有效的激活天线索引集合和，S表示Na维的调制符号向量集合。在GSM系统中，利用GOMP算法进行信号的检测，该算法首先和OMP算法一样，在第i次迭代中利用内积法计算当前残差向量r与信道矩阵H的每一列向量的内积，然后选择该内积中最大的L个绝对值对应的天线索引，放入Γi集合中作为激活天线索引的候选集：其中hj表示信道矩阵H的第j列；表示残差向量与信道矩阵H每一列的内积绝对值；式(5)表示求gi的前L个最大值所对应的天线索引。接着选择gi中最大的相关值所对应的天线索引放入Λi集合中，再利用最小二乘法估计信号式(6)中，表示Λi集合中天线索引所对应的信道矩阵H的列向量，表示的伪逆。然后根据式子(6)中估计信号，进行残差的更新，如式(7)：一直到迭代次数为激活天线个数Na：最后当迭代次数为激活天线个数Na时，结束迭代。当循环结束后，分别从中的每一个候选索引集中选择一个元素进行组合，再利用式子(3)检测出最终的激活天线索引与星座点符号，如式子(8)：式中B表示候选天线索引集Γi组成的所有可能的天线索引组合，共有种可能。从GOMP检测算法可以看出每次迭代激活天线索引候选集的选取至关重要，选择的错误候选激活天线索引越多，最后检测的性能越差，同时对于残差的更新来说，天线索引的选择也是极其重要的。由式子(4)可知，残差向量r与信道矩阵H之间是利用内积法来计算两个向量的相似度，这实际上就是计算两个向量的夹角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法，其特征在于，ML检测算法复杂度极高，传统的线性检测算法复杂度虽然较低，但是在低信噪比区域遭受到严重的性能损失，其性能较差，且仅适用于超定系统，对于接收天线数小于发射天线数的欠定系统，线性检测无法适用。因此根据GSM信号本身固有的稀疏特性，将压缩感知理论中的稀疏重构算法应用到GSM系统中，对其进行改进，然后与MMSE检测算法相结合进行检测。利用传统的广义正交匹配追踪(Generalized Orthogonal Matching Pursuit,GOMP)检测算法在进行信号检测时，激活天线索引候选集的选取是至关重要，选择的错误候选激活天线索引越多，最后检测的性能越差，同时对于残差的更新来说，天线索引的选择也是极其重要的。传统的GOMP算法在计算残差与信道矩阵时，采用的是内积法来计算残差向量与信道矩阵的相似度，但是内积法有它自身的缺陷，内积法在度量信号相似度时不能起到将重要数据组成成分起到放大的效果，即在信道衰落较深时，不能将好的子信道突显出来，因此会影响检测的性能，为了能将好的子信道突显出来，准确地选择有效的激活天线索引，本专利技术引入Dice系数准则来度量子信道矩阵与残差的匹配程度。由于Dice系数其分母是向量各分量的算术平均值组成的，更能表现出向量中比较重要的组成成分。...

【技术特征摘要】
1.广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法，其特征在于，ML检测算法复杂度极高，传统的线性检测算法复杂度虽然较低，但是在低信噪比区域遭受到严重的性能损失，其性能较差，且仅适用于超定系统，对于接收天线数小于发射天线数的欠定系统，线性检测无法适用。因此根据GSM信号本身固有的稀疏特性，将压缩感知理论中的稀疏重构算法应用到GSM系统中，对其进行改进，然后与MMSE检测算法相结合进行检测。利用传统的广义正交匹配追踪(GeneralizedOrthogonalMatchingPursuit,GOMP)检测算法在进行信号检测时，激活天线索引候选集的选取是至关重要，选择的错误候选激活天线索引越多，最后检测的性能越差，同时对于残差的更新来说，天线索引的选择也是极其重要的。传统的GOMP算法在计算残差与信道矩阵时，采用的是内积法来计算残差向量与信道矩阵的相似度，但是内积法有它自身的缺陷，内积法在度量信号相似度时不能起到将重要数据组成成分起到放大的效果，即在信道衰落较深时，不能将好的子信道突显出来，因此会影响检测的性能，为了能将好的子信道突显出来，准确地选择有效的激活天线索引，本发明引入Dice系数准则来度量子信道矩阵与残差的匹配程度。由于Dice系数其分母是向量各分量的算术平均值组成的，更能表现出向量中比较重要的组成成分。2.根据权利要求1所述的广义空间调制系统中改进的GOMP检测算法，其特征在于，利用GOMP检测算法选取候选天线索引，相比OMP算法可以提高检测性能，但是在每一次的迭代中都选取固定的多个天线索引个数，该天线索引个数直接影响着检测的性能及计算复杂度。当选取的天线索引个数较少时，计算复杂度会变小，但是性能会变差；相反，如果选取的个数较多时，检测的性能会变好，但是复杂度会变高。因此关...

【专利技术属性】
技术研发人员：周围，郭梦雨，向丹蕾，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50