GSM-MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测方法技术方案

针对媒介调制的广义空间调制(GSM‑MBM)系统接收端检测算法计算复杂度随调制阶数呈指数递增的问题，本发明专利技术提出一种GSM‑MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测算法方法，该方法是基于能量排序下的松弛迭代思想的低复杂度检测方法，可简称为EO‑RIM算法。具体是对所有可能的发射天线组合及相应镜像激活模式组合下信号能量总值进行排序，再通过松弛迭代算法依次检测相应的调制信号，并通过预设阈值来协调性能和复杂度之间的关系。仿真结果表明，在GSM‑MBM系统中，EO‑RIM算法的误码性能逼近ML算法，与OB‑MMSE算法几乎一致，而计算复杂度与调制阶数的关系相比ML从指数级转换成线性关系，相比OB‑MMSE算法降低了一个数量级。

Low Complexity Detection Method Based on Relaxation Iteration in GSM-MBM System

Aiming at the problem that the computational complexity of the receiver detection algorithm of the generalized space modulation (GSM MBM) system with medium modulation increases exponentially with the modulation order, the invention proposes a low complexity detection algorithm method based on relaxation iteration in GSM MBM system. The method is a low complexity detection method based on relaxation iteration idea under energy sequencing, which can be referred to as EO RIM algorithm for short. Specifically, the total signal energy is sorted under all possible combination of transmitting antennas and corresponding mirror activation modes, then the corresponding modulation signals are detected by relaxation iteration algorithm, and the relationship between performance and complexity is coordinated by preset threshold. The simulation results show that in GSM MBM system, the error performance of EO_RIM approximates that of ML algorithm, which is almost the same as that of OB_MMSE algorithm. Compared with OB_MMSE algorithm, the relationship between computational complexity and modulation order, ML converts from exponential level to linear level, and decreases by one order of magnitude compared with OB_MMSE algorithm.

【技术实现步骤摘要】
GSM-MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测方法
本专利技术涉及通信
，尤其涉及GSM-MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测算法方法，是一种无线通线系统接收端的信号检测方法。
技术介绍
媒介调制(MBM,mediabasedmodulation)作为新提出的调制技术，有望成为下一代通信系统关键技术之一。与传统的相移键控(PSK,phaseshiftkeying)、正交振幅调制(QAM,quadratureamplitudemodulation)等不同，媒介调制通过扰动发射天线附近的传输环境，使无线信道随机变化从而引起不同的衰落特性来携带不同信息，所有传输信道将映射成为接收星座图，它能够在不增加发射能耗的前提下增加接收星座图维度的大小，在提高频谱利用率和节省能耗上具有很大优势。文献《Media-basedmodulation:Anewapproachtowirelesstransmission》研究了使用RF镜作为散射体的MBM单输入多输出(SIMO-MBM,singleinputmultipleoutput-mediabasedmodulation)模型，RF镜是包含PIN开关二极管的可重构天线(RA,reconfigurableantenna)元件，可以根据信息比特打开或者关闭以改变RA的辐射方向图，从而产生不同的衰落信道。频谱效率比传统的SIMO系统有所提高，但是对于单个天线可以使用的RF镜数量是有限的。文献《Astudyofspatialmedia-basedmodulationusingRFmirrors》提出了基于媒介调制的空间调制(SMBM,spatialmodulation-mediabasedmodulation)系统，它将空间调制(SM,spatialmodulation)与MBM相结合，使发射天线与RF镜同时被索引，进一步提高了频谱效率。可是，SM技术的传输效率与发射天线数目成对数关系，传输效率仍然较低。文献《Onmedia-basedmodulationusingRFmirrors》提出了基于媒介调制的广义空间调制(GSM-MBM,generalizedspatialmodulation-mediabasedmodulation)。GSM的突出特点是拓展了SM的空间域概念，可同时激活多根发射天线用于发射信号。因此，在配置相同数目的发射天线时，GSM-MBM系统能获得比SMBM系统更高的频谱效率。然而，随着激活天线和可选择的镜像激活模式(MAP,mirroractivationpattern)的增加，接收端的计算复杂度呈指数级的上升，使得设备复杂度和成本大幅度增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，本专利技术提出GSM-MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测方法，该方法是一种基于能量排序下的松弛迭代(EO-RIM,energyordered-relaxationiterationmethod)思想的低复杂度检测算法，借鉴GSM系统下OB-MMSE检测算法的思想，但是将GSM-MBM系统中发射天线组合(TAC,transmitantennacombination)与镜像激活模式组合(MAPC,mirroractivationpatterncombination)同时被索引，对OB-MMSE检测算法进行了改进，对TAC以及相应MAPC下所对应信号的能量总值进行排序。又因为MMSE算法引入了复杂的矩阵逆运算，其计算复杂度随着发射天线呈立方增长，因此本专利技术所提出的EO-RIM算法中利用松弛迭代算法依次估计相应的调制符号向量，使计算复杂度降低为随着激活天线呈平方增长。仿真结果表明，EO-RIM检测算法的误码性能与OB-MMSE算法相近，并且最优性能接近ML算法。通过调整EO-RIM检测算法的阈值系数可得到系统性能与复杂度的折中，而且相比OB-MMSE算法，利用松弛迭代替换求逆矩阵，在大规模发射天线和激活天线情况下，可大幅度降低复杂度。具体包括如下步骤：1)所述GSM-MBM系统具有Nt根发射天线，Nr根接收天线，每根天线周围有mrf个RF镜，产生种信道状态，每个时隙激活Na根发射天线，采用M-aryPSK调制；接收矩阵为y＝Hx+n(1)其中，是接收向量，是信道矩阵，是高斯噪声矩阵，其元素服从均值为0、方差为σ2的复高斯分布；为GSM-MBM调制端产生的发送向量，一般形式为其中si,sj∈S表示MPSK调制符号，而si,sj在x向量中的位置m,n与激活的天线位置有关，分别表示激活第m,n根天线，1≤m≤Nt，1≤n≤Nt；l,k则表示第m,n根天线分别激活第l,k个MAP，1≤l≤Nm，1≤k≤Nm；x向量中非零符号的个数为Na。2)GSM-MBM系统的信道矩阵H可表示为表示第j个发射天线到接收天线的信道矩阵，其中j∈{1,2,…,Nt}。为Hj的第k∈{1,2,…,Nm}列，表示接收天线与第k种镜像激活模式(MAP)的信道增益。分别用Hj的列向量对接收向量y进行预处理，可得到恢复符号向量其元素为最终可得到恢复信号矩阵计算恢复信号矩阵Z中每一个元素的能量，可得到其元素为利用公式(4)中得到的能量值，可得到所有可能的激活天线组合，以及每个激活的发射天线所对应的镜像激活模式的可能性，由权值向量w＝[w1,w2,...,wN]T表示，其元素为其中i∈{1,2,...,N}为TAC-MAPC的索引值，集合为激活的天线组合，其中集合表示激活的发射天线所对应的镜像激活模式，其中为中第列、第行元素。对得到的权值向量w＝[w1,w2,...,wN]T中的元素进行排序，可得到有序的TAC-MAPC其中sort(·)定义用于按降序对输入向量的元素进行重新排序的排序函数，并且i1，iN分别是w中最大值和最小值的索引，i1,i2,…,iN∈{1,2,…,N}。3)对于排序后的第m∈{1,…,N}个TAC-MAPC，其对应的信道子矩阵为其中为的第列，表示接收天线与第个发射天线的第种镜像激活模式的信道增益。文献《Low-ComplexitySignalDetectionforGeneralizedSpatialModulation》中提出用MMSE算法估计调制符号向量，如下式所示其中I是Na×Na维单位矩阵，Q(·)表示数字解调处理。但该算法引入了复杂的矩阵求逆运算，计算复杂度随Na呈立方增长。为了降低求解逆矩阵带来的复杂度，本专利技术提出采用松弛迭代法来估计调制符号向量估计相应的恢复符号向量其可以写为：其中R＝(Hm)HHm+σ2I，yMF＝(Hm)Hy。对公式(9)进行转换，可得到从上式可以看出，矩阵求逆问题转换为求解线性方程的问题，为待求解向量。将R分解为R＝D-L-U，其中D、-L、-U分别为R的对角矩阵、严格下三角矩阵、严格上三角矩阵。则求解公式(10)的松弛迭代法为：其中ω为松弛因子，一般选为0＜ω＜2，t表示迭代次数，是Na×1维零向量。松弛迭代算法的收敛速度与松弛因子有关，通过改变ω的大小，可以得到不同的迭代次数，使算法复杂度与性能之间得到折中。根据公式(10)得到的恢复符号向量对其进行解调处理，即可得到调制符号向量公式(11)中的ωD-LH为三角矩阵，与公式(8)相比，求解其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.GSM‑MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：首先对所有可能的发射天线组合及相应镜像激活模式组合(简称TAC‑MAP)的信号能量总值进行排序，再依据排序通过松弛迭代算法检测各TAC‑MAP的调制符号向量，给定预设阈值Vth，判断检测到的信号向量对应的度量值是否在预设阈值范围之内，若在Vth范围内，则将该检测信号作为最终的检测结果；若不在，则进行下一组TAC‑MAP的检测。

【技术特征摘要】
1.GSM-MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：首先对所有可能的发射天线组合及相应镜像激活模式组合(简称TAC-MAP)的信号能量总值进行排序，再依据排序通过松弛迭代算法检测各TAC-MAP的调制符号向量，给定预设阈值Vth，判断检测到的信号向量对应的度量值是否在预设阈值范围之内，若在Vth范围内，则将该检测信号作为最终的检测结果；若不在，则进行下一组TAC-MAP的检测。2.根据权利要求1所述的GSM-MBM系统中基于松弛迭代的低复杂度检测方法，其特征在于，具体步骤包括：1)所述GSM-MBM系统具有Nt根发射天线，Nr根接收天线，每根天线周围有mrf个RF镜，产生种信道状态，每个时隙激活Na根发射天线，采用M-aryPSK调制；接收矩阵为y＝Hx+n(1)其中，是接收向量，是信道矩阵，是高斯噪声矩阵，其元素服从均值为0、方差为σ2的复高斯分布；为GSM-MBM调制端产生的发送向量，形式为其中si,sj∈S表示MPSK调制符号，而si,sj在x向量中的位置m,n与激活的天线位置有关，分别表示激活第m,n根天线，1≤m≤Nt，1≤n≤Nt；l,k则表示第m,n根天线分别激活第l,k个MAP，1≤l≤Nm，1≤k≤Nm；x向量中非零符号的个数为Na；2)GSM-MBM系统的信道矩阵H表示为表示第j个发射天线到接收天线的信道矩阵，其中j∈{1,2,…,Nt}；分别用Hj的列向量对接收向量y进行预处理，得到恢复符号向量其元素为为Hj的第k∈{1,2,…,Nm}列，表示接收天线与第k种镜像激活模式的信道增益，得到恢复信号矩阵计算恢复信号矩阵Z中每一个元素的能量，得到其元素为将所有可能的激活天线组合，以及每个激活的发射天线所对应的镜像激活模式的可能性，由权值向量w＝[w1,w2,...,wN]T表示，其元素为其中i∈{1,2,....

【专利技术属性】
技术研发人员：金宁，宋伟婧，金小萍，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33