基于路徑度量值的低復(fù)雜度mimo系統(tǒng)球譯碼信號(hào)檢測(cè)方法
【專利摘要】一種基于路徑度量值的低復(fù)雜度MIMO系統(tǒng)球譯碼信號(hào)檢測(cè)方法，按照球譯碼逆序檢測(cè)的流程，已知碼樹(shù)上第(i+1)層到第m層的檢測(cè)結(jié)果后，在對(duì)第i層信號(hào)檢測(cè)時(shí)，不僅通過(guò)傳統(tǒng)球譯碼的歐式距離的平方累加值預(yù)測(cè)第i層符號(hào)的取值，還利用后續(xù)第1層到第(i-1)層未檢測(cè)的碼樹(shù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算路徑修正值，用于預(yù)測(cè)第i層符號(hào)的取值。然后利用上述兩種度量值的相互結(jié)合，使得第i層碼樹(shù)節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值要比Pohst和SE兩種傳統(tǒng)球譯碼檢測(cè)算法更加準(zhǔn)確，并在檢測(cè)過(guò)程中，因?qū)β窂剿阉鳒?zhǔn)確而減少回退次數(shù)，快速、準(zhǔn)確找到目標(biāo)路徑，有效降低信號(hào)檢測(cè)復(fù)雜度和明顯降低譯碼時(shí)延。若再結(jié)合列表和CRC校驗(yàn)，本發(fā)明性能可超過(guò)最大似然檢測(cè)，但其復(fù)雜度基本與最大似然檢測(cè)方法持平。
【專利說(shuō)明】基于路徑度量值的低復(fù)雜度MIMO系統(tǒng)球譯碼信號(hào)檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低復(fù)雜度、高性能的球譯碼信號(hào)檢測(cè)方法，確切地說(shuō)，涉及一種基于路徑度量值的低復(fù)雜度MMO系統(tǒng)球譯碼信號(hào)檢測(cè)方法，用于解決數(shù)字通信信號(hào)通過(guò)MIMO系統(tǒng)傳輸后的譯碼檢測(cè)問(wèn)題。屬于多天線數(shù)字通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]球譯碼(SphereDecoding)是 1999 年 Viterbo 和 Bouros 提出的一種用于 MIMO系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法。球譯碼檢測(cè)算法原理是基于晶格多維調(diào)制理論，其發(fā)送信號(hào)相當(dāng)于多維晶格圖中的一個(gè)晶格點(diǎn)，經(jīng)過(guò)加性噪聲后，接收信號(hào)點(diǎn)會(huì)偏離原信號(hào)點(diǎn)。在沒(méi)有先驗(yàn)信息的條件下，采用最大似然準(zhǔn)則譯碼檢測(cè)是能夠?qū)崿F(xiàn)的最優(yōu)譯碼方法。在球譯碼檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)接收到信號(hào)點(diǎn)后，為了達(dá)到最大似然譯碼檢測(cè)，原則上應(yīng)該遍歷搜索晶格圖上所有有效信號(hào)點(diǎn)，找到與接收信號(hào)點(diǎn)歐式距離最近的有效信號(hào)點(diǎn)。但是，這種遍歷搜索方式的復(fù)雜度是指數(shù)級(jí)的，當(dāng)天線數(shù)量與信號(hào)調(diào)制階數(shù)上升以后，其復(fù)雜度會(huì)迅速增加，該算法在現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。2003年Damen等提出的實(shí)際MMO通信系統(tǒng)球譯碼方法，解決了上述遍歷搜索的問(wèn)題，并且具有相對(duì)較低的復(fù)雜度。
[0003]球譯碼檢測(cè)方法的思路是:在譯碼開(kāi)始前設(shè)置一個(gè)初始半徑，再以接收信號(hào)點(diǎn)為球心，以設(shè)置的初始半徑為球半徑畫(huà)出一個(gè)球體，然后在晶格圖上搜索出一個(gè)有效信號(hào)點(diǎn)，如果該信號(hào)點(diǎn)位于球體內(nèi)，則以該信號(hào)點(diǎn)到接收信號(hào)點(diǎn)的歐式距離為半徑和接收信號(hào)點(diǎn)為球心，畫(huà)出一個(gè)新球體。如果該信號(hào)點(diǎn)不在球體內(nèi)，則重新搜索信號(hào)點(diǎn)，按照此步驟重復(fù)執(zhí)行，最后，譯碼球的半徑會(huì)不斷地縮小，直到球內(nèi)部沒(méi)有其他信號(hào)點(diǎn)時(shí)，則將此時(shí)球面上的信號(hào)點(diǎn)作為檢測(cè)結(jié)果送至信號(hào)檢測(cè)器，由此達(dá)到最大似然檢測(cè)。
[0004]具體地來(lái)看，球譯碼過(guò)程主要用于解決在MMO系統(tǒng)中每根信號(hào)接收天線都會(huì)同時(shí)收到多個(gè)發(fā)送天線發(fā)送的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致原始發(fā)送數(shù)據(jù)混疊在一起而無(wú)法分離的問(wèn)題。在MIMO系統(tǒng)復(fù)信號(hào)模型中，發(fā)送天線數(shù)量為M，接收天線數(shù)量為N，原始發(fā)送信號(hào)為向量λ =
O1,λ2，...，λΜ)Τ，接收信號(hào)為向量JI = (JI1, JI 2)..., JIN)T。式中，向量λ中的每個(gè)元素分別為每根發(fā)送天線上的發(fā)送符號(hào)，向量H中的每個(gè)元素分別為每根接收天線上接收到的符號(hào)，(*)7表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置操作。根據(jù)MMO系統(tǒng)模型，則有π =Βλ+ν，其中，向量B為一個(gè)N行M列的信道響應(yīng)矩陣，V為接收端的復(fù)高斯加性噪聲。
[0005]在球譯碼檢測(cè)過(guò)程中，首先需要將上述復(fù)信號(hào)模型轉(zhuǎn)換為等價(jià)的實(shí)信號(hào)
Re(^)I
模型，此時(shí)的接收信號(hào)為向量

【權(quán)利要求】
1.一種基于路徑度量值的低復(fù)雜度MIMO系統(tǒng)球譯碼信號(hào)檢測(cè)方法，其特征在于:按照球譯碼逆序檢測(cè)的流程，已知碼樹(shù)上第(i+1)層到第m層的檢測(cè)結(jié)果后，在對(duì)第i層信號(hào)檢測(cè)時(shí)，不僅通過(guò)傳統(tǒng)球譯碼的歐式距離的平方累加值預(yù)測(cè)第i層符號(hào)的取值，還利用后續(xù)第I層到第(1-1)層未檢測(cè)的碼樹(shù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算路徑修正值，用于預(yù)測(cè)第i層符號(hào)的取值；利用兩種度量值的相互結(jié)合，使得第i層碼樹(shù)節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值要比Pohst和SE兩種傳統(tǒng)球譯碼檢測(cè)算法更加準(zhǔn)確；并在檢測(cè)過(guò)程中，因?qū)β窂剿阉鳒?zhǔn)確而減少回退次數(shù)，快速、準(zhǔn)確找到目標(biāo)路徑，有效降低信號(hào)檢測(cè)復(fù)雜度和明顯降低譯碼時(shí)延；該方法包括下述操作步驟: 步驟I，根據(jù)傳輸條件及譯碼過(guò)程需要，初始化設(shè)置下述參數(shù): 設(shè)置當(dāng)前的譯碼球半徑C = Ctl，實(shí)信號(hào)模型下MIMO系統(tǒng)發(fā)送天線總數(shù)量為m，式中，C0為設(shè)置的譯碼球初始半徑；自然數(shù)i為當(dāng)前正在檢測(cè)的天線序號(hào)，序號(hào)i的最大值為m ;且MMO檢測(cè)過(guò)程是按照天線序號(hào)從大到小的順序，依次檢測(cè)各個(gè)天線上發(fā)送的符號(hào)，故開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，當(dāng)前檢測(cè)天線序號(hào)i設(shè)置為最大天線序號(hào)m，即i = m ;再設(shè)置初始化字節(jié)長(zhǎng)度為m的向量i和?分別用于存儲(chǔ)MIMO檢測(cè)過(guò)程中臨時(shí)得到的符號(hào)序列和最終得到的序號(hào)序列；j中的每個(gè)元素&表示第i根天線上檢測(cè)得到的符號(hào)，&用于記錄MIMO檢測(cè)結(jié)束后最終得到的符號(hào)序列；設(shè)置初始化字節(jié)長(zhǎng)度為m的向量T，T中的每個(gè)元素Ti用于記錄對(duì)第i根發(fā)送天線的符號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，第i+Ι至m根天線上已經(jīng)檢測(cè)得到的符號(hào)與接收信號(hào)之間的歐式距離的平方的累加值；設(shè)置X和q分別表示實(shí)信號(hào)模型下MIMO系統(tǒng)每根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的發(fā)送符號(hào)集合和該集合X中的發(fā)送符號(hào)總數(shù)量；設(shè)置初始化字節(jié)長(zhǎng)度為m的向量β，β中的每個(gè)元素β i用于指示對(duì)第i根發(fā)送天線的符號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，所選取的符號(hào)在備選符號(hào)集合中對(duì)應(yīng)的序號(hào)；初始化設(shè)置m行，q列的矩陣S和矩陣P，其中，矩陣S中的第i行的q個(gè)元素組成對(duì)第i根發(fā)送天線進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的備選符號(hào)集合；矩陣P中的第i行的第I列到第q列共q個(gè)元素組成的向量為Pu:,，用于記錄第i根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的發(fā)送符號(hào)集合X中，各元素在對(duì)數(shù)域下的似然概率度量值； 步驟2，檢測(cè)球譯碼信號(hào):接收端按照球譯碼逆序檢測(cè)的規(guī)定，根據(jù)天線序號(hào)的大小排列順序，逐個(gè)檢測(cè)每根天線上的發(fā)送符號(hào)；最終輸出的i為最終檢測(cè)結(jié)果； 步驟3，利用原始數(shù)據(jù)中的CRC校驗(yàn)比特位來(lái)提高檢測(cè)性能: 初始化設(shè)置τ行，m列的矩陣L和該矩陣L的各行符號(hào)存儲(chǔ)位置指針供=1，其中，τ為用于存儲(chǔ)多條碼樹(shù)上備選路徑的、初始設(shè)置的各行符號(hào)的字節(jié)總?cè)萘浚? 在步驟2結(jié)束每次檢測(cè)操作時(shí)，將i解調(diào)為對(duì)應(yīng)的比特序列后，對(duì)該比特序列進(jìn)行CRC校驗(yàn):若校驗(yàn)通過(guò)，則將i作為最終檢測(cè)結(jié)果輸出，并停止檢測(cè)；否則，將務(wù)存入該列表，并查看該列表是否已經(jīng)填滿:若列表填滿，則將首次存入列表的符號(hào)序列作為最終檢測(cè)結(jié)果輸出，并停止檢測(cè)；否則，將X從碼樹(shù)中刪除，繼續(xù)尋找新的i，返回執(zhí)行上述步驟1，直到停止檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟2包括下列操作內(nèi)容: (21)初始化設(shè)置向量β中的第i個(gè)元素1= 1; (22)判斷是否成立，若成立，則將i加I，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(26);否則，記錄向量i中的第i個(gè)元素4 ，式中，5 μ為矩陣S中的第i行，第β i列元素； (23)將1加1后；按照公式2
計(jì)算并更新向量T的第i個(gè)元素Ti的取值，其中，ya為第a根接收天線上的接收符號(hào)，即MMO系統(tǒng)實(shí)信號(hào)模型中接收向量y的第a個(gè)元素,ra，b為矩陣R中的第a行第b列元素，為已經(jīng)檢測(cè)得到的符號(hào)序列j中的第b個(gè)元素；然后，判斷TPC2是否成立，若成立，則將正在檢測(cè)的天線序號(hào)i加I后，執(zhí)行后續(xù)步驟(24);若不成立，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(25)； (24)判斷i>m是否成立，若成立，則將i作為最終檢測(cè)結(jié)果并輸出，結(jié)束全部檢測(cè)操作；若不成立，則返回執(zhí)行步驟(22)； (25)判斷i是否等于1，若是，則執(zhí)行后續(xù)步驟(26);否則，將i減I后，計(jì)算矩陣P的第i行第j列元素Pu對(duì)應(yīng)的似然概率度量值，其中，自然數(shù)j為符號(hào)集合X中元素所對(duì)應(yīng)的序號(hào)，其最大值為q ;這樣得到該矩陣P中的第i行共q個(gè)元素組成的向量的數(shù)值，其中，Pi;1:Q為矩陣P的第i行共q個(gè)元素組成的向量；然后，把矩陣P的第i行第j列元素Pu作為第i根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的發(fā)送符號(hào)集合X中第j個(gè)符號(hào)所對(duì)應(yīng)的似然概率度量值，再對(duì)該矩陣P中第i行所有元素Piil:,按照從小到大執(zhí)行升序排列后，得到向量月#，并由此得出排序后向量^”中各個(gè)元素^在原向量中對(duì)應(yīng)的原始序號(hào)為Hv，其中，Ψ為向量中的元素序號(hào)，其最大值為q，^為向量戶中的第Ψ個(gè)元素；再根據(jù)Πψ，將矩陣S的第i行第Ψ列的所有元素Sii ψ分別更新為集合X中的第η ψ個(gè)元孝夂/， (26)更新當(dāng)前譯碼球半徑C= A，然后，將向量纟的值復(fù)制給向量義，再返回執(zhí)行步驟(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述步驟(25)中，計(jì)算各符號(hào)對(duì)應(yīng)的似然概率度量值Pu包括下列操作內(nèi)容: (251)設(shè)置
式中，ra,為矩陣R中的第a行第W列兀素，Pw為第W根發(fā)
送天線對(duì)應(yīng)的發(fā)送符號(hào)集合X中的某個(gè)元素，即Pw e X，自然數(shù)a是剩余未檢測(cè)的天線序號(hào)，其最大值為1-Ι，自然數(shù)w是計(jì)算Ya統(tǒng)計(jì)分布過(guò)程中的中間變量，用于表示計(jì)算過(guò)程中使用到的天線序號(hào)，其最大值為(1-Ι);再對(duì)所有的we {1，2，…，1-1}，遍歷集合X中的每個(gè)元素所有可能取值，得到Y(jié)a的統(tǒng)計(jì)分布后，計(jì)算Ya的均值ya和方差 (252)對(duì)Y3進(jìn)行非均勻量化:先將Ya量化為Nq種取值，即使得量化后的量化信號(hào)點(diǎn)集合Ga中共包含Nq個(gè)元素，由此得到第a根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的量化信號(hào)點(diǎn)集合Ga中的第k個(gè)取值 ga，k,其中，ga，k e Ga, a = I, 2，…，i, k = 1，2，…，Nq ；
(253)根據(jù)公式:
或簡(jiǎn)化公式
計(jì)算Pi, j的值;其中，Ya為第a 根接收天線上接收到的信號(hào)，即實(shí)信號(hào)模型中向量I的第a個(gè)元素，ra,b為矩陣R中的第a行第b列元素，&與發(fā)送符號(hào)集合X中的第j個(gè)元素Xj數(shù)值相等，即式=七；么為已經(jīng)檢測(cè)得到的符號(hào)序列(I中的第b個(gè)元素，且下標(biāo)b e {i+1, i+2,…，m}，ga,k為上述步驟得到的第a根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的量化信號(hào)點(diǎn)集合中的第k個(gè)取值；1η(.)和exp(.)分別表示取以自然對(duì)數(shù)e為底數(shù)的對(duì)數(shù)和指數(shù)；nIlin 表示遍歷尋找ga，k的所有取值，以使括號(hào)內(nèi)的計(jì)算結(jié)果最??；因?yàn)镻u值越小，其對(duì)應(yīng)符號(hào)的可靠度越高。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:為了降低計(jì)算復(fù)雜度和提高性能，設(shè)置預(yù)測(cè)步長(zhǎng)S，用于對(duì)步驟2中的操作步驟(251)~(253)、即路徑修正值的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，改進(jìn)后的操作內(nèi)容如下:


/-1 (25A)設(shè)置A
，式中，ra，w為矩陣R中的第a行第W列元素，P w為第w根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的發(fā)送符號(hào)集合X中的某個(gè)元素，即Pw e X ;自然數(shù)a是剩余未檢測(cè)的天線序號(hào)，其最大值為1-Ι，且a e {max{I, 1- δ }, 2,...1-1}, max{.,.}表示取兩數(shù)中的較大值；自然數(shù)w是計(jì)算Ya統(tǒng)計(jì)分布過(guò)程中的中間變量，用于表示計(jì)算過(guò)程中使用到的天線序號(hào)，其最大值為(1-Ι);再按照we {1，2，…，1-1}，遍歷集合X中的每個(gè)元素所有可能取值，得到Y(jié)a的統(tǒng)計(jì)分布后，計(jì)算Ya的均值Ua和方差 (25B)對(duì)Y 3進(jìn)行非均勻量化:先將Ya量化為Nq種取值，即使得量化后的量化信號(hào)點(diǎn)集合Ga中共包含Nq個(gè)元素，由此得到第a根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的量化信號(hào)點(diǎn)集合Ga中的第k個(gè)取值 ga，k，其中 ga，k e Ga, a = max {I, i_ δ }，2，…，i, k = I, 2，…，Nq ；
(25C)根據(jù)公式:
或
簡(jiǎn)化公式
^計(jì)算pi;」的值;式中， ya為第a根接收天線上接收到的信號(hào)，即實(shí)信號(hào)模型中向量y的第a個(gè)元素，ra，b為矩陣R中的第a行第b列元j u與發(fā)送符號(hào)集合X中的第j個(gè)元素Xj數(shù)值相等，即J,=/,; db為已經(jīng)檢測(cè)得到的符號(hào)序列湓中的第b個(gè)元素，且下標(biāo)b e {i+1, i+2,…，m} ;ga，kS上述步驟得到的第a根發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的量化信號(hào)點(diǎn)集合中的第k個(gè)取值；1η(.)和exp(.)分別表示取以自然對(duì)數(shù)e為底數(shù)的對(duì)數(shù)和指數(shù)；表示遍歷尋找ga，k的所有取值，以使括號(hào)內(nèi)的計(jì)算結(jié)果最?。灰?yàn)镻u值越小，其對(duì)應(yīng)符號(hào)的可靠度越高。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟3包括下列操作內(nèi)容: (31)判斷i>m是否成立，若成立，則執(zhí)行后續(xù)步驟(32);若不成立，則返回執(zhí)行步驟(22)；(32)將i解調(diào)為相應(yīng)的比特序列，再對(duì)該比特序列進(jìn)行CRC校驗(yàn)；若校驗(yàn)通過(guò)，則將X作為最終檢測(cè)結(jié)果輸出，并結(jié)束檢測(cè)譯碼全部操作；若校驗(yàn)未通過(guò)，則執(zhí)行后續(xù)步驟(33)；(33)對(duì)于每個(gè)K，分別將向量；中的第K個(gè)元素t賦值給矩陣L中的第P行第K列元L ，其中，K為指示賦值過(guò)程中使用的向量元素序號(hào)，其最大值為m;然后將列表存儲(chǔ)位置指針P加I后，判斷此時(shí)的爐是否大于τ ;若是，則將矩陣L的第I行作為最終檢測(cè)結(jié)果輸出，并結(jié)束檢測(cè)譯碼全部操作；若否，則執(zhí)行后續(xù)步驟(34)；(34)將i所代表的符號(hào)序列從碼樹(shù)中刪除，設(shè)置譯碼球半徑C= + c?，轉(zhuǎn)向步驟(22)。
【文檔編號(hào)】H04L1/06GK104202127SQ201410497917
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】牛凱, 戴金晟 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)