一种基于概率排序的低复杂度存储空间约束检测方法技术

本发明专利技术公开一种基于概率排序的低复杂度存储空间约束检测方法，它主要应用于采用差分调制以及多符号检测算法的MIMO通信系统中，其特征在于：利用杰斯特拉概率排序算法（DSPS）和简单化的存储检测器(MCTS)的优势来降低检测复杂度以及对存储空间的需求。设置存储空间M，根据DSPS算法将传统度量值进行数学统计概率的转换，利用MCTS得到自树根开始的节点候选分支集合及对应的概率统计判决度量值，然后根据MCTS保留存储度量值最小的M条路径，在这M条路径的基础上继续进行计算，得到该层保留节点的候选分支集合和度量值，直到到达路径的最末分支得到最佳的解。本发明专利技术能够极大地减少浮点计算次数，从而降低了计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于概率排序的低复杂度存储空间约束检测方法
本专利技术涉及通信
，尤其涉及无线通信系统的信号检测方法，具体地说是一种应用于多天线空时调制系统的基于概率排序的低复杂度存储空间约束检测方法。
技术介绍
MIMO(MultipleInputMultipleOutput)技术通过使用多个发送和接收天线，能够大大提高无线通信系统的容量，近年来已得到国内外专家、学者的广泛和深入的研究，并被预示为第四代移动通信的关键技术之一。要实现MIMO技术的功能，必须依靠空时编码和相应的检测技术。传统的相关检测技术需要精确的信道状态估计，对于快速变化的移动信道或者多天线的系统，这都是很难做到的。由此引发了对非相关检测技术的研究，差分空时调制技术就是其中的一种，差分空时调制系统的接收端可以在不需要进行信道估计的情况下进行译码，它要求发送码矩阵为空时编码矩阵，通过有限群理论，能简化调制和星座的设计，适用于任何数目的发送天线和接收天线，差分空时调制技术适用于不易获得信道状态信息的高速移动环境中。高效高性能的非相关检测算法设计是差分空时调制系统的关键技术之一。传统的单符号差分检测的性能和相关检测技术相比存在3dB性能的损失，为了缩短差分检测和相关检测之间的性能差距，人们提出了多符号差分检测算法，它的基本思想是通过对连续的N个空时符号采用最大似然译码方法进行联合检测来提高性能增益。然而，这个方法的计算复杂度和分组长度N成指数级增长的关系。为了解决这个问题，目前已经提出了很多解决办法，其中就包括了度量值优先的MCTS算法，而且已经证明在多符号检测中堆栈算法相对于最大似然检测能大大降低计算复杂度，且性能优于改进的多符号反馈检测算法。但是，如果考虑算法对存储空间的需求以及具体的浮点数计算次数，则在空间约束很大，即存储空间较小的情况下，存储约束树搜索(MCTS)算法的浮点计算次数仍然比较高，如何即保持MCTS算法的存储空间的约束优势，又降低浮点计算次数，从而进一步降低计算复杂度是本专利技术所解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有的MCTS算法在多符号检测当中，低存储空间的情况下，复杂度高的缺点。本专利技术提出了一种新的方法，称作概率排序的存储约束树搜索算法(PSMCTS)，它是把MCTS算法和概率排序搜索算法(DSPS)的思想进行有效结合而得到的。研究表明通过使用PSMCTS，在很小的存储空间约束下，系统的计算复杂度相对于使用MCTS算法的系统能大大降低而性能也有一定的提升。本专利技术解决技术问题所采取的技术方案为：本专利技术首先利用DSPS算法将判决度量值和门限值进行转换，重新得到自树根开始的保留节点的候选分支集合及对应的判决度量值，然后根据MCTS算法保留度量值最小的M条路径，在这M条路径的基础上继续进行计算，得到该层保留节点的候选分支集合和度量值，直到到达路径的最末分支得到最佳的解，具体是：1)将分组长度为N+1的接收信号R[t],R[t+1],...,R[t+N]输入到PSMCTS检测器中来检测N个符号，根据系统要求设置各种参数，包括发送、接收天线数目和信号参数。式(1)表示第i层单层独立分支度量值表达判决式：其中，t表示传输时刻，i＝1,2,...,N，j＝i+1,...,N+1。Vl表示第l层调制星座映射集合，Vl[m]＝diag{ej2π(m-1)/M|m＝1,2,...,M}，l＝1,...,N+1，M为调制星座数目。代表Frobenius范数的平方。公式(3)表示多符号ML译码器的传统路径度量值表达式：将其利用DSPS算法转化成新的度量值判决式：式中，σ2为公式(2)的方差，k是的自由度，服从卡方分布。γ(.)和Γ(.)均为Gamma函数。2)设树的层数变量t＝N,表示从树根(对应的度量值为0)开始，利用式(1)，通过PSMCTS算法求得分支度量值，也就得到了路径度量值。其中，PSMCTS算法的步骤如下：2.1)已知传输信号，设发送天线数的变量i＝1到NT，调制星座点数L，计算出和进入搜索过程。2.2)初始化存储空间M和标记flag。首先从根节点开始访问，并把根节点的度量值存入预设的存储空间内，即列表内；然后扩展从根节点扩展的度量值最小的子节点，此时，计算可用的存储空间和可以访问的最大的检测层，并在可访问的检测层内扩展度量值最小的节点。2.3)重复步骤2.2)，直至找到一个叶节点，并把其余在列表中的度量值大于该叶节点的所有节点均从列表中删除。重新更新列表，继续访问。直至可访问的节点为叶节点，搜索结束。与现有的技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术方法简单，计算复杂度低PSMCTS并不是算出所有保留下来路径的度量值，而是首先利用算法优势得出最优的部分路径，然后算出这些路径的度量值，这样可以大大减少计算Frobenius范数平方的次数，也就降低了flops的计算次数。2)本专利技术同时具备较快的计算速度和较高的计算精度为了实现逼近最大似然检测方法误码率的目的，将最大似然检测公式作为本专利技术提出的检测方法的基础理论函数，在其基础上，利用DSPS算法将度量值转化为概率度量值，使得在度量值判决更加客观和准确。经仿真实验验证了该结论，而且本专利技术检测方法的复杂度小于ML检测算法和MCTS算法，所以本专利技术同时具备较快的计算速度和较高的计算精度。附图说明图1是应用PSMCTS的MIMO通信系统框图；图2是本专利技术PSMCTS检测方法流程图；图3是分组长度为4，存储空间为4，PSMCTS与MCTS以及ML的复杂度比较；图4是MCTS的搜索节点和存储过程图；图5是PMCTS的搜索节点和存储过程图；图6是分组长度为4，存储空间为4，PSMCTS与MCTS以及ML的性能比较。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。图1表示的是MIMO系统的原理框图。考虑MIMO系统具有NT根发送天线和NR根接收天线，发送端的数据比特首先被映射成为MPSK调制信号，并进行空时编码和差分编码，经过串并变换后形成多路并行的基带发送信号，然后经过调制后分别从不同天线同时发送出去。经过瑞利平坦衰落信道后，来自不同发送天线的信号与噪声叠加后被多根天线同时接收，经过解调后得到多路并行的基带接收信号，然后并串变换将信号送入应用PSMCTS的检测器中，检测出对应星座图中的信号，再经过反映射得到最终的比特数据。系统的输入和输出的关系可以表示如下：R[n]＝S[n]H[n]+W[n](5)其中S[n]＝[S1[n],S2[n],…,ST[n]]T表示在第n个分组间隔T×NT的发送矩阵，而表示在第n个分组间隔第i个时隙(i＝1,2,...,T)通过NT根天线同时发送的信号，T表示每个分组间隔内的时隙数，[.]T表示向量或矩阵的转置；R[n]＝[R1[n],R2[n],…,RT[n]]T表示在第n个分组间隔T×NR的接收矩阵，而表示在第n个分组间隔第i个时隙(i＝1,2,...,T)通过NR根天线接收的信号。H[n]＝[hi,j[n]]表示在第n个分组间隔内NT×NR的MIMO信道矩阵，hi,j[n]指的是从第i根发送天线到第j根接收天线的零均值高斯路径增益。W[n]＝[wi,j[n]]表示T×NR的噪声矩阵，wi,j[n]指的是叠加在第j根接收天线上的零均值、方差为的复高斯白噪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于概率排序的低复杂度存储空间约束检测方法，其特征在于该方法首先利用DSPS算法将判决度量值进行转换，重新得到自树根开始的保留节点的候选分支集合及对应的判决度量值，然后根据MCTS算法保留度量值最小的M条路径，在这M条路径的基础上继续进行计算，得到该层保留节点的候选分支集合和度量值，直到到达路径的最末分支得到最佳的解，具体是：1)将分组长度为N+1的接收信号R[t],R[t+1],...,R[t+N]输入到PSMCTS检测器中来检测N个符号，根据系统要求设置各种参数，包括发送、接收天线数目和信号参数；式(1)和式(2)表示第i层单层独立分支度量值表达判决式：A^=R[j+t-1]-Vl[m]×R[i+t-1]---(1)]]>B^=||A^||F2---(2)]]>其中，t表示传输时刻，i＝1,2,...,N，j＝i+1,...,N+1；Vl表示第l层调制星座映射集合，Vl[m]＝diag{ej2π(m‑1)/M|m＝1,2,...,M}，l＝1,...,N+1，M为调制星座数目；代表Frobenius范数的平方；公式(3)表示多符号ML译码器的传统路径度量值表达式：V^=arg minΣi=1NΣj=i+1N+1(R[j+t-1]-(Πl=i+tj+t-1Vl[m])×R[i+t-1])---(3)]]>将其利用DSPS算法转化成新的度量值判决式：F^=arg min F(V^;k)=arg min(γ(k/2,V^/σ2)Γ(k/2))---(4)]]>式中，σ2为公式(1)的方差，k是的自由度，服从卡方分布；γ(.)和Γ(.)均为Gamma函数；2)设树的层数变量t＝N,表示从树根(对应的度量值为0)开始，利用式(2)，通过PSMCTS算法求得分支度量值，也就得到了路径度量值；其中，PSMCTS算法的步骤如下：2.1)已知传输信号，设发送天线数的变量i＝1到NT，调制星座点数L，计算出和进入搜索过程；2.2)初始化存储空间M和标记flag；首先从根节点开始访问，并把根节点的度量值存入预设的存储空间内，即列表内；然后扩展从根节点扩展的度量值最小的子节点，此时，计算可用的存储空间和可以访问的最大的检测层，并在可访问的检测层内扩展度量值最小的节点；2.3)重复步骤2.2)，直至找到一个叶节点，并把其余在列表中的度量值大于该叶节点的所有节点均从列表中删除；重新更新列表，继续访问；直至可访问的节点为叶节点，搜索结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于概率排序的低复杂度存储空间约束检测方法，其特征在于该方法首先利用概率排序搜索算法将判决度量值进行转换，重新得到自树根开始的保留节点的候选分支集合及对应的判决度量值，然后根据存储约束树搜索算法保留度量值最小的M条路径，在这M条路径的基础上继续进行计算，得到检测层保留节点的候选分支集合和度量值，直到到达路径的最末分支得到最佳的解，具体是：1)将分组长度为N+1的接收信号R[t],R[t+1],...,R[t+N]输入到概率排序的存储约束树搜索检测器中来检测N个符号，根据系统要求设置各种参数，包括发送、接收天线数目和信号参数；式(1)表示第i层单层独立分支度量值表达判决式：其中，t表示传输时刻，i＝1,2,...,N，j＝i+1,...,N+1；Vl表示第l层调制星座映射集合，Vl[m]＝diag{ej2π(m-1)/M|m＝1,2,...,M}，l＝1,...,N+1，M为调制星座数目；代表Frobenius范数的平方；公式(3)表示多符号ML译码器的传统路径度量值表达式：

【专利技术属性】
技术研发人员：金小萍，朱瑞鑫，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33