一种基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于LLL‑SD的大规模MIMO信号检测方法，属于通信测试技术领域。将初始信道矩阵与变换矩阵相乘，得到多个初始基，然后对多个初始基同时进行LLL约减，生成多个性能上存在差别的约减基，选取性能最优的约减基，获得正交性好且条件数更少的信道矩阵

A large scale MIMO signal detection method based on lll-sd

【技术实现步骤摘要】
一种基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法
本专利技术属于通信测试
，涉及一种基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法。
技术介绍
大规模MIMO作为5G的关键技术之一，采用了更大规模数量的天线，可提升大幅无线容量和覆盖范围，有效解决通信系统容量上限以及频谱资源紧缺。然而多天线传输会导致信号在译码处理过程中计算复杂度增加。因此，为了充分利用MIMO技术带来的增益，必须要采用高性能的MIMO检测算法。国内外的研究人员着重于提高信号检测的准确性和降低算法复杂性。目前，信号检测算法主要分为线性信号检测算法和非线性检测算法。线性信号检测算法结构相对简单，运算量少，但其性能稍差，如迫零方法，最小均方误差法可以实现渐近最优的检测性能；非线性检测算法相对复杂，计算量大，但其性能相较于线性信号检测算法要好，如串行干扰消除、QR分解、最大似然算法。ML检测复杂度会随着调制阶数、天线个数呈指数级增加，复杂度过大而不宜在现实生活中应用，但其拥有最佳的检测性能，所以一般作为对比检测算法优劣的参考。Viterbo和Biglieri将球形检测算法的概念引入到ML算法中，SD算法大大降低了ML检测复杂度。但SD算法复杂度也会随着信噪比的降低而显著升高，为解决这个问题，对SD算法进行改进是十分有必要的。而格基约减作为一种信号检测前的预处理方法，以增加一定的复杂度，来提升系统的检测性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法，选择多个初始基进行LLL(Lenstra,Lenstra,Lovaszalgorithm)格基约减，进而搜索出一组具有更短长度、更小正交缺陷度的约减基，构成优化矩阵并在该优化矩阵下进行信号检测，优化了球形译码(SD)算法搜索半径，在提高MIMO检测算法的性能的同时最大程度的降低算法复杂度。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法，包括以下步骤：S1：假设系统初始基的规模为m，则需要随机产生m个n维幺模矩阵；S2：幺模矩阵的选取采用Ui＝AiCi的形式，其中Ai为下三角幺模矩阵，Ci为上三角幺模矩阵；S3：根据Hi＝UiH产生m组初始基；S4：对m组初始基同时进行LLL约减，并计算约减后生成新基的正交缺陷度；S5：将m组初始基按正交缺陷度进行排序，根据正交缺陷度值的大小，选取性能最优即正交缺陷度最小的一组约减基，获得正交性好且条件数更少的信道矩阵和变换矩阵T；将信道矩阵进行QR分解，得到上三角矩阵和酉矩阵满足即S6：将酉矩阵的共轭转置与接收信号向量y相乘，得到接收信号的均衡信号即S7：利用接收信号的均衡信号和上三角矩阵根据SD算法进行串行干扰消除；S8：利用自适应球半径的SD算法进行译码；S9：得到输出信号xi(1≤i≤Nt)。进一步，所述步骤S1包括：对于格基约化算法而言，初始格基只有一个，即初始解只有一个，那么我们要得到多个初始基，就需要对其进行变换来生成多个初始基。设H为格L的一组基，如果U为n维幺模矩阵，即det(U)＝1，那么H′＝UH也为格L的一组基；对初始格基进行变换就是对其左乘幺模矩阵的过程；假设系统的发射天线数为Nt，接收天线数为NR，并令Nt＝NR＝n，初始基的规模为m，需则要随机产生m个n维幺模矩阵，令Ai、Ci中的未知元素为随机生成的0或者1，其中1≤i≤m。进一步，步骤S4具体包括：首先对m组初始基同时进行LLL约减，并判断已减格基的优劣，采用正交缺陷进行衡量；一个矩阵的正交缺陷定义为：其中，‖hn‖2表示hn的范数，0≤od(H)≤1，表明正交缺陷度越小，正交性越好，即正交矩阵od(H)＝0，奇异矩阵od(H)＝1；在MIMO系统中，对Nt维的信道矩阵H进行LLL约减，等效为对H进行QR分解，分解为酉矩阵Q和上三角矩阵R相乘的形式：H＝QR，并使矩阵R中的元素满足式(4)和式(5)所示的两个约束条件：δ|rl-1,l-1|2≤|rl,l|2+|rl-1,l|2(5)其中，l＝2，…，式中：ri,j表示R矩阵中第i行j列元素，|·|表示取绝对值操作，H是满足参数为δ的LLL约减；条件(4)的主要作用是使得向量之间两两“几乎正交”，条件(5)是对向量之间的长度进行限制，如果不满足条件，就交换向量之间的位置，其主要作用是重新计算GSO生成一个更短的向量；与原始格基H相比，经LLL约减而生成的约减基的向量具有更短的长度和更好正交性；并且，经LLL约减处理后生成的新基的正交缺陷度得到了改善，即提高了原始约减基的正交性；在LLL格基约减算法中，当式(4)不满足时，更新元素：其中，round(·)表示四舍五入求整操作。当式(5)不满足时，即：将交换hn、hn-1的位置，并利用Givens变换更新Q，R矩阵；令Givens变换的旋转矩阵为G，则G的计算公式为：由式(8)得到更新后的酉矩阵Q和上三角矩阵R为：R＝GR(9)Q＝QGH(10)。进一步，所述步骤S5具体包括：根据步骤S4中式(3)计算的正交缺陷度值的大小，将m组初始基按正交缺陷度从高到低进行排序，选取性能最优即正交缺陷度最小的一组约减基，获得正交性好且条件数更少的信道矩阵和变换矩阵T；然后将信道矩阵进行QR分解，得到上三角矩阵和酉矩阵满足即由于每层信号的信噪比与信道矩阵H进行QR分解后的上三角矩阵R中对角元素的绝对值成正比，所以要在QR分解过程中同时完成对R的排序，即将R的对角元素从1-Nt逐渐变大，则在SIC检测过程中就会先对信噪比较高的信号进行检测。进一步，步骤S7具体包括：将LLL约减算法应用于MIMO检测，接收信号向量y＝Hx+n转化为：根据最大似然算法改写的SD算法公式为：将和代入式(12)，可得：对左乘酉矩阵的共轭转置得：其中，根据步骤S5所得的三角矩阵利用串行干扰消除法提取信号，优先对高信噪比信号进行检测，然后通过判决反馈把每次检测出来的信号从接收信号的均衡信号中减去，避免对未检信号产生干扰；接着继续以同样的办法检测剩余信号，直到获得所有信号。进一步，所述步骤S8-S9具体包括：由于噪声与误差干扰，在高阶调制系统中，采用SD算法进行译码时，在半径D区域内，有多个可选节点，即搜索有多条可行路径，所以对求半径的选取以自适应原则为出发点，从第一个节点开始搜索，在下一个节点的选取中仅保留欧式距离最小的节点，直到搜索到最后一个节点，得到输出信号xi(1≤i≤Nt)。整个搜索过程中减少了搜索的路径，有效提高算法效率。本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用多个初始基改善信道条件，能够摆脱传统格基约减算法仅从单组基开始搜索的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1：假设系统初始基的规模为m，则需要随机产生m个n维幺模矩阵；/nS2：幺模矩阵的选取采用U

【技术特征摘要】
1.一种基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：假设系统初始基的规模为m，则需要随机产生m个n维幺模矩阵；
S2：幺模矩阵的选取采用Ui＝AiCi的形式，其中Ai为下三角幺模矩阵，Ci为上三角幺模矩阵；
S3：根据Hi＝UiH产生m组初始基；
S4：对m组初始基同时进行LLL约减，并计算约减后生成新基的正交缺陷度；
S5：将m组初始基按正交缺陷度进行排序，根据正交缺陷度值的大小，选取性能最优即正交缺陷度最小的一组约减基，获得正交性好且条件数更少的信道矩阵和变换矩阵T；将信道矩阵进行QR分解，得到上三角矩阵和酉矩阵满足即
S6：将酉矩阵的共轭转置与接收信号向量y相乘，得到接收信号的均衡信号即
S7：利用接收信号的均衡信号和上三角矩阵进行串行干扰消除；
S8：利用自适应球半径的SD算法进行译码；
S9：得到输出信号xi(1≤i≤Nt)。


2.根据权利要求1所述的基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法，其特征在于：所述步骤S1包括：
设H为格L的一组基，如果U为n维幺模矩阵，即det(U)＝1，那么H′＝UH也为格L的一组基；对初始格基进行变换就是对其左乘幺模矩阵的过程；
假设系统的发射天线数为Nt，接收天线数为NR，并令Nt＝NR＝n，初始基的规模为m，需则要随机产生m个n维幺模矩阵，令






Ai、Ci中的未知元素为随机生成的0或者1，其中1≤i≤m。


3.根据权利要求2所述的基于LLL-SD的大规模MIMO信号检测方法，其特征在于：步骤S4具体包括：
首先对m组初始基同时进行LLL约减，并判断已减格基的优劣，采用正交缺陷进行衡量；一个矩阵的正交缺陷定义为：



其中，||hn||2表示hn的范数，0≤od(H)≤1，表明正交缺陷度越小，正交性越好，即正交矩阵od(H)＝0，奇异矩阵od(H)＝1；
在MIMO系统中，对Nt维的信道矩阵H进行LLL约减，等效为对H进行QR分解，分解为酉矩阵Q和上三角矩阵R相乘的形式：H＝QR，并使矩阵R中的元素满足式(4)和式(5)所示的两个约束条件：



δ|rl-1，l-1|2≤|rl，l|2+|rl-1，l|2(5)
其中，
式中：ri，j表示R矩阵中第i行j列元素，|·|表示取绝对值操作，H是满足参数为δ的LLL约减；条件(4)的主要作用是使得向量之间两两“几乎正交”，条件(5)是对向量之间的长度进行限制，如果不满足条件，就交换向量之间的位置，其主要作用是重新计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治中，叶倩倩，纪汪勇，王玲，闵小芳，江航，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50