CN101841397A - 一种广义空间调制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广义空间调制系统，基于包含N_t个发送天线，N_r个接收天线的MIMO系统，将待发送信息中的一部分映射为空域虚拟星座图，将待发送信息中的余下部分映射到数字调制星座图，并利用映射的发送天线传输数字调制结果；其特征在于，该系统包括广义空间调制映射器、发送天线检测模块以及数字调制解映射模块，与现有技术相比，本发明将天线组合作为空域虚拟星座图，相比空间调制技术，提高了系统的频谱效率；此外，广义空间调制系统中每次传输所有选择的天线发送相同的数字调制符号，从而完全消除了信道间干扰，并带来了分集增益，提高了系统的鲁棒性。

Description

一种广义空间调制系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及多输入多输出(MIMO：multiple inputmultiple output)和空间调制技术的信息比特调制系统。

背景技术

MIMO技术是下一代通信系统的主要备选技术之一，怎样利用多天线来提高系统容量以及增强系统的鲁棒性一直是MIMO技术的研究热点。

本发明所基于的现有技术分别描述如下：

1、MIMO技术

MIMO技术的基本思想是在发射端和接收端采用多个天线。这种技术最早是Marconi于1908年提出的，它利用多天线的分集作用来抑制信道衰落。MIMO系统有效地利用了以往认为对系统不利的多径传播，从而能提高系统的容量和鲁棒性，而不需要增加系统的带宽。贝尔实验室的E.Telatar和GJ.Foschini分别给出了MIMO信道的理论香农容量。他们指出，对于具有N_t个发送天线和N_r个接收天线的MIMO系统，假定信道矩阵的元素之间具有理想的独立衰落，系统容量会随发送方和接收方中天线数较少一方的天线数量变化，即随min(N_t，N_r)的增加而线性增加。与SISO相比，MIMO可以显著的提高系统容量。

MIMO技术实现的重要途径是空时信号处理。空时信号处理的结果是：1)提高系统容量，即提供空间复用增益；2)增强系统的鲁棒性，即提供空间分集增益。目前针对MIMO技术所进行的研究也主要围绕这两个方面。

典型的MIMO空间复用技术是贝尔实验室的空时分层结构(BLAST：BellLaboratories layered space-time)，包括贝尔实验室垂直空时分层码(V-BLAST：vertical Bell Laboratories layered space-time)，贝尔实验室水平空时分层码(H-BLAST：horizontal Bell Laboratories layered space-time)和贝尔实验室对角空时分层码(D-BALST：Diagonal Bell Laboratories layered space-time)三种。它们没有得到空间分集增益，是纯粹的MIMO多路传输，能使系统获得最大速率或容量增益。其中最基本的形式是针对平坦衰落信道的V-BLAST结构。BLAST的编码是指将数据流分成Nt路后并行送往各自对应的发送天线，因此其编码相对简单。但是由于发送符号在时频域的耦合而会引入信道间干扰，严重影响了符号检查的正确性。最大似然(ML：maximum likelihood)检测算法能较好对BLAST进行解码，但其复杂度非常高。基于排序连续干扰抵消结构(OSIC：ordered successive interference cancellation)的算法，在性能方面比线性检测方法如迫零算法(ZF：zero forcing)、最小均方误差算法(MMSE：minimum mean squareerror)有较大的改进，但比ML检测的性能差很多；就复杂度而言，OSIC较ML有显著的下降，但由于需要求多次求伪逆运算，该算法总的复杂度还很高。

MIMO空间分集技术可以分为接收分集和发送分集两类，通常可以认为单发多收(SIMO：single input multiple output)系统是接收分集，多发单收(MISO：multiple input single output)系统是发送分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生Rayleigh衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。接收分集一般用两个或者多个大于相关距离的天线同时接收信号，然后将多路信号合并，如Rake接收机。发送分集就是将分集从接收端转移到发送端，然而采用发射分集的主要问题是在发射端未知衰落信道的信道状态信息(CSI：channel stateinformation)。因此，必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能，具体是采用空时编码。基于分集发射的空时码可以分为空时网格码(STTC：space-timetrellis code)和空时分组码(STBC：space-time block codes)。空时网格码虽然具有较好的性能，但其译码复杂度与传输速率成指数单调关系，实现难度较大；空时块码性能稍逊于空时格码，但其译码复杂度很低，还可能得到最大的分集发送增益。

2、空间调制技术

空间调制技术不同于以往的空时编码，它把空域引入调制的范畴，增加了调制的自由度。发送天线在空间调制中的作用，不仅仅是形成用以传输数字调制符号的空间物理链路，而且是信息比特的载体，用以调制一定的待发送信息比特。空间调制技术中，发送信息比特被分成两部分，一部分映射成传统的数字调制符号，另一部分映射成发送天线中的一个天线。每个传输时刻，用映射的发送天线传输数字调制符号。其映射准则如图1所示。

图1表示每个传输时刻传输3个信息比特，其中前两个比特映射为天线组合，后一比特映射为数字调制符号的映射方案。如图1所示，由于每次只有一个发送天线进行符号传输，所以空间调制技术能够完全消除信道间干扰，且不需要发送天线间的同步。对具有N_t个发送天线的MIMO系统，采用空间调制技术，每次发送天线能承载的信息比特数为log₂N_t。由此看出，它没有充分地发挥天线承载信息比特的能力。

发明内容

基于上述现有技术，本发明提出了一种广义空间调制系统，将天线组合作为传输信息比特的载体，将一部分待调制信息映射为不同的发送天线组合，不同的发送天线组合看做虚拟空间的星座点，余下的所有待发送信息采用传统的数字调制，数字调制后的符号在所选择的发送天线上同时传输，本发明能够提高MIMO系统的频谱利用率，并引入了空间分集增益。

本发明提出的广义空间调制系统，基于包含N_t个发送天线，N_r个接收天线的MIMO系统，将待发送信息中的一部分映射为空域虚拟星座图，将待发送信息中的余下部分映射到数字调制星座图，并利用映射的发送天线传输数字调制结果；其特征在于，该系统包括广义空间调制映射器、发送天线检测模块以及数字调制解映射模块，其中：

所述广义空间调制映射器，将进入该广义空间调制映射器的一组随机信息比特序列q的前m个信息比特映射到数字调制星座图，其中m＝log₂M，M为数字调制星座图的大小；将该随机比特序列q剩下的k-m个比特信息映射到空域虚拟星座图，k为总的传输比特；

所述发送天线检测模块，实现传输数据天线的检测，其中接收端已知信道状态信息，且信道增益归一化为1，检测数据

表示为

$\tilde{x}==H^H{h}_{\mathrm{eff}}{Q}_n+\sqrt{\frac{n_t}{\mathrm{\ρ}}}{H}^{H}w$

$H=[h_1,h_2,...,h_{N_t}]$

$h_i={[h_{1,i},h_{2,i},...,h_{N_r,i}]}^T$

式中，

包括N_t个元素，即

Q_n为数字调制星座图的元素，ρ为发送信号的总功率，w为接收机的加性高斯白噪声，H为N_r×N_t维的信道矩阵，其每个元素对应于发送天线与相应的接收天线间的信道传输函数，

称为有效列，表示信道矩阵H中n_t个有效列的和，发送天线检测步骤包括：

将检测数据

中幅度最大的前n_t个元素赋值给

并将这些元素在

中的位置信息赋给N参数，N即为输出空域虚拟星座图的发送天线组合检验结果，根据可得到数字调制星座图的数字调制检验结果

所述数字调制解映射模块，根据上述发送天线检验结果实现解映射，输出该系统中发送天线的总功率p，

以及得到出单一发送天线功率与总功率的比

所述发送天线的组合方式共有种，其满足：

所述空域虚拟星座图大小S与所述空域虚拟星空图大小M的对数和为定值，即log₂S+log₂M＝k。

与现有技术相比，本发明将天线组合作为空域虚拟星座图，相比空间调制技术，提高了系统的频谱效率；此外，广义空间调制系统中每次传输所有选择的天线发送相同的数字调制符号，从而完全消除了信道间干扰，并带来了分集增益，提高了系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明空间调制映射准则；

图2为本发明的广义空间调制系统框图；

图3为本发明的广义空间调制系统与现有技术的空间调制系统误码率比较示意图；

图4为本发明实施例中不同配置的广义空间调制系统的误码率比较示意图。

具体实施方式

考虑一个有N_t个发送天线，N_r个接收天线的MIMO系统，采用M-QAM调制，系统框图如图2所示，其中[·]^T表示矩阵的转置。

如图2所示，首先，一组待发送信息的随机比特序列q＝[q₁，q₂，…，q_m]进入到广义空间调制映射器，前m(m＝log₂M)个比特映射成数字调制星座图Q＝[Q₁，Q₂，…，Q_M]的一个元素，用Q_n表示。剩下的k-m比特映射到空域虚拟星座上，即一组发送天线组合。映射后，发送符号可以表示为

由于传输功率一定，有E[x^Hx]＝1，其中E[·]表示统计期望，[·]^H表示共轭转置。假设每个传输过程进行数据传输的天线个数为n_t，那么在x的N_t个元素中，有n_t个元素的值为Q_n，其余元素值为0。n_t的值由发送天线数目N_t和每次传输的比特数k-m决定，其需满足如下不等式。

$\left(\begin{array}{c}{N}_t\\ n_t\end{array}\right)\≥2^{k-m}---\left(1\right)$

发送符号x经过MIMO信道，其接收信号为y，为N_r×1矢量，且有，

$y=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{n_t}}\mathrm{Hx}+w---\left(2\right)$

式(2)中，ρ为发送信号的总功率，且假定发送功率在所有传输数据的天线上均匀分配。w为接收机的加性高斯白噪声(AWGN)，为N_r×1维矢量。H是N_r×N_t维的信道矩阵，其中每个元素对应于第i个发送天线与相应的接收天线间的信道传输函数，如下所示

$H=[h_1,h_2,...,h_{N_t}]---\left(3\right)$

式中

$h_i={[h_{1,i},h_{2,i},...,h_{N_r,i}]}^T---\left(4\right)$

式(2)又可以写为

$y=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{n_t}}{h}_{\mathrm{eff}}{Q}_n+w---\left(5\right)$

式中，

称为有效列，表示信道矩阵H中n_t个有效列的和。从图2可以看出，在相同传输速率下，广义空间调制系统相比空间调制系统在误码率为10^-3时，大概能获得18dB的信噪比增益，且广义空间调制系统误码率下降的快。最后，由于广义空间调制系统能同时映射到两种不同的星座图，因此可以根据实际通信系统的要求，合理地权衡两种星座图的大小。

广义空间调制映射准则

如上所述，广义空间调制技术采用天线组合来表示信息比特，即用不同的天线组合来调制比特信息。对于N_t个发送天线，n_t(0＜n_t＜N_t)个数据传输天线的MIMO系统，共有

种不同的天线组合方式。假定S为最大的满足

的2的整数幂次值，所有的S个天线组合可以看作一个虚拟的空域星座图。此空域星座图用来调制k-m个信息比特，每个星座点对应唯一的一个天线组合。例如，假设N_t＝5，n_t＝2，那么共有

个发送天线组合，然而由于空域星座图的大小为2的整数幂次值，所以S＝8。

广域空间调制中，信息比特不但调制到空域星座图，而且调制到传统的数字调制星座图。每次传输中，总的传输信息比特数由空域星座图和数字调制星座图的大小决定。例如，传输4个信息比特(k＝4)，选择N_t＝5，n_t＝2，即S＝8，采用BPSK(m＝1，M＝2)调制。这种系统中，第一个信息比特映射到BPSK，后三比特映射到空域星座图，每次传输中，选择的两个发送天线传输BPSK符号，其他的三个发送天线不传输符号。表1给出了此种调制的映射准则。

表1广义空间调制映射举例：4比特信息传输，N_t＝5，n_t＝2，采用BPSK调制。

信息比特(k＝4)	i(天线序号)	BPSK映射
			[0 0 0 0][0 0 0 1][0 0 1 0][0 0 1 1][0 1 0 0][0 1 0 1][0 1 1 0][0 1 1 1][1 0 0 0][1 0 0 1][1 0 1 0][1 0 1 1][1 1 0 0][1 1 0 1][1 1 1 0][1 1 1 1]	(1，2)(2，3)(3，4)(4，5)(1，3)(2，4)(3，5)(1，4)(1，2)(2，3)(3，4)(4，5)(1，3)(2，4)(3，5)(1，4)	-1-1-1-1-1-1-1-111111111

若采用QPSK调制，即m＝2，M＝4，那么前两个信息比特调制为QPSK符号，后两个信息比特调制到空域星座图，即S＝4。由此看出，总的发送天线数可以减少。这表明数字调制阶数与发送天线数目可以相互权衡来适应不同通信系统的要求。

根据以上分析可以得到

log₂M+log₂S＝k                      (6)

而空间调制中，每次只选择一个发送天线进行符号传输，那么空间调制系统每次能传输的信息比特k_s为

k_S＝log₂M+log₂N_t                    (7)

对于n_t的所有值，都有S≥N_t，所以广义空间调制系统的频谱效率要高于空间调制系统的频谱效率。从式(6)、(7)还能得到，空间调制可以看作是广义空间调制中n_t＝1的一个特例。

广义空间调制技术的解调

由于信息比特分别调制到数字调制星座图和空域星座图，所以接收端的解调包括数字调制符号的检测以及传输数据天线的检测。

假设接收端已知信道状态信息，且信道增益归一化为1，检测符号可以表示为

$\tilde{x}==H^H{h}_{\mathrm{eff}}{Q}_n+\sqrt{\frac{n_t}{\mathrm{\ρ}}}{H}^{H}w---\left(8\right)$

式中，包括N_t个元素，为详细的检测步骤如下所述

(1)当l＝1时

(2)把

元素中幅度最大的元素赋给并把该元素的位置赋给N_l，而后将该位置清零

(3)如果l＝n_t，到步骤(5)，否则到步骤(4)

(4)l＝l+1，转到步骤(2)

(5)输出 $N=[N_1,N_2,...,N_{n_t}],$ $p={\hat{x}}_1^{*}{\hat{x}}_1+{\hat{x}}_2^{*}{\hat{x}}_2+...+{\hat{x}}_{n_t}^{*}{\hat{x}}_{n_t}$

$u_1=\frac{{\hat{x}}_1^{*}{\hat{x}}_1}{p},u_2=\frac{{\hat{x}}_2^{*}{\hat{x}}_2}{p},...,u_{n_t}=\frac{{\hat{x}}_{n_t}^{*}{\hat{x}}_{n_t}}{p}$

${\tilde{Q}}_n=u_1{\hat{x}}_1+u_2{\hat{x}}_2+...+u_{n_t}{\hat{x}}_{n_t}$

根据输出数据N和接收端完成空域星座图和数字调制星座图解映射，从而完成对输入信息比特的检测。

广义空间调制技术复杂度分析

在计算广义空间调制复杂度时，只考虑符号检测中加法和乘法运算。首先为了去除信道的影响，需要对信道做取逆运算，运算中需要N_tN_t次复数乘法运算和N_t(N_r-1)次复数加法运算。由于广义空间调制技术在接收端采用最大合并比，而最大合并比需要2n_t次复数乘法运算和2(n_t-1)次复数加法运算。综上所述，广义空间调制的接收复杂度为

N_tN_r+N_t(N_r-1)+2n_t+2(n_t-1)＝2N_tN_r-N_t+4n_t-2            (9)

根据前人的研究，空间调制的复杂度为2N_tN_r-N_t。对于相同天线配置的广义空间调制系统和空间调制系统，广义空间调制系统的复杂度比空间调制系统的复杂度高，为4n_t-2。但由前面的分析可以看到，由于广义空间调制系统采用天线组合作为空域星座图，获得同样传输速率时，广义空间调制系统需要的发送天线要小于空间调制系统的发送天线数目。例如，对于每个传输时刻天线承载信息比特数为3bit的通信系统，若采用空间调制技术需要8个发送天线；而采用广义空间调整系统只需要5个发送天线，其中每次选择2个发送天线传输数字调制符号。假设两种系统的接收天线数都为8，那么广义空间调制系统的复杂度为81，而空间调制系统的复杂度为120。由此可见，广义空间调制技术可以降低系统的复杂度。

为了进一步说明广义空间调制的优势，在平坦瑞利衰落信道下对两种系统的误码率进行了蒙特卡洛仿真。假设接收端已知信道状态信息，发送端未知信道状态信息，发送功率均分在所有传输数据的天线上。仿真系统的每个传输时间传输6个信息比特，即k＝6，k_s＝6。两种系统的配置如下：广义空间调制系统中，N_t＝5，n_t＝2，N_r＝8，采用8-QAM调制；空间调制系统中，N_t＝8，N_r＝8，采用8-QAM调制。

如图3所示，广义空间调制系统的误码率明显低于空间调制系统的误码率。当误码率为10^-3时，广义空间调制系统相比空间调制系统大约能获得18dB的信噪比增益。此外广义空间调制系统在信噪比为19dB时的误码率为10^-4；而空间调制系统中信噪比约为34dB时，误码率才降到10^-3。

为了说明广义空间调制系统两种映射的权衡，如图4所示比较了不同配置的广义空间调制系统的误码率性能。仿真的系统每个传输时间内传输9个信息比特，两种广义空间调制系统的配置如下：1)系统1，N_t＝5，n_t＝2，采用64-QAM调制；2)系统2，N_t＝6，n_t＝3，采用32-QAM调制。如图3所示，为了达到10-3的误码率，系统1需要的信噪比为27dB；而系统2需要的信噪比为39dB。这表明采用较少发送天线高阶数字调制能获得较好的系统性能。

广义空间调制技术与以往信息比特只在时频域调制相比，把空域纳入到调制中，增加了一个调制自由度。由于天线组合调制信息比特，所以广义空间调制技术能够提高系统的容量。其次，由于每次只有部分发送天线进行数据传输，且所有发送天线传输相同的数字调制符号，广义空间调制技术能够完全消除信道间干扰，并提供一定的分集增益，从而增强了系统的鲁棒性。此外，由于广义空间调制技术中信息比特有两种映射星座图，所以可以根据具体的通信系统选择适合的两种映射方式星座图的大小，即在传统数字调制星座图和空域星座图之间进行权衡。最后，广义空间调制技术相对以往的空间编码技术，其接收机复杂度较小。总之，采用广义空间调制技术能较大的改善系统的性能。

Claims (3)

1.一种广义空间调制系统，基于包含N_t个发送天线，N_r个接收天线的MIMO系统，将待发送信息中的一部分映射为空域虚拟星座图，将待发送信息中的余下部分映射到数字调制星座图，并利用映射的发送天线传输数字调制结果；其特征在于，该系统包括广义空间调制映射器、发送天线检测模块以及数字调制解映射模块，其中：

所述广义空间调制映射器，将进入该广义空间调制映射器的一组随机信息比特序列q的前m个信息比特映射成数字调制星座图，其中m＝log₂M，M为数字调制星座图的大小；将该随机比特序列q剩下的k-m个比特信息映射到空域虚拟星座图，k为总的传输比特数目；

所述发送天线检测模块，实现传输数据天线的检测，其中接收端已知信道状态信息，且信道增益归一化为1，检测数据

表示为

$\tilde{x}==H^H{h}_{\mathrm{eff}}{Q}_n+\sqrt{\frac{n_t}{\mathrm{\ρ}}}{H}^{H}w$

$H=[h_1,h_2,...,h_{N_t}]$

$h_i={[h_{1,i},h_{2,i},...,h_{N_r,i}]}^T$

式中，

包括N_t个元素，即

Q_n为数字调制星座图的元素，ρ为发送信号的总功率，w为接收机的加性高斯白噪声，H为N_r×N_t维的信道矩阵，其每个元素对应于发送天线与相应的接收天线间的信道传输函数，

称为有效列，表示信道矩阵H中n_t个有效列的和，发送天线检测步骤包括：将检测数据

中幅度最大的前n_t个元素赋值给

并将这些元素在

中的位置信息赋给N参数，N即为输出空域虚拟星座图的发送天线组合检验结果，根据可得到数字调制星座图的数字调制检验结果

所述数字调制解映射模块，根据上述发送天线检验结果实现解映射，输出该系统中发送天线的总功率p，

以及得到出单一发送天线功率与总功率的比

2.如权利要求1所述的广义空间调制系统，其特征在于，所述发送天线的组合方式共有

种，其满足：

3.如权利要求1所述的广义空间调制系统，其特征在于，所述空域虚拟星座图大小S与所述空域虚拟星空图大小M的的对数和为定值，即log₂S+log₂M＝k。

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