CN102790747B - 一种空间调制系统映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间调制系统映射方法，具体包括步骤：对发射端的输入比特流进行分段；每一段输入比特流分别映射到发射天线序号与调制星座点；将得到的调制星座点分配到对应发射天线上进行传输；接收端对发射数据进行恢复。本发明的方法在映射中不再将映射比特与天线序号进行固定的一一对应，而是将异或运算得到的子比特流映射为天线序号，以保证较大概率出现误判的星座点对应比特的汉明距离较小，使得当噪声较大导致错误时，出错的比特数较少，因而提高了系统的误码率性能。

Description

一种空间调制系统映射方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及空间调制（SM，Spatial Modulation）系统的映射方法。

背景技术

空间调制是一种新兴的多输入多输出系统（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）传输方案，它在每一时刻只有一根发射天线发射数据，能够有效地避免传统MIMO系统中的天线间干扰与同步问题，已成为未来无线通信的主要备选技术之一。

近年来，对空间调制系统的研究较多，但大多集中于简化其接收机检测算法，设计软解调器，以及根据信道信息进行自适应处理等，然而纵观现今的SM系统，选用的比特到天线序号/调制星座的映射方法皆采用如下思路：将输入比特分为两部分，第一部分用于选择该时刻的激活发射天线序号，第二部分采用传统的调制方式进行星座点映射。映射之后，调制符号被加载到对应的激活天线上进行传输，该思路最早由R.Mesleh,H.Haas等人在“Spatial Modulation–A New Low Complexity Spectral Effciency Enhancing Technique,IEEECHINACOM’2006,1-5,2006.10”中被提出，并沿用至今。虽然这种方法实现上较为直观与简便，但是没有从系统性能的角度进行优化，使得这种映射方法对抗噪声的能力有限，且尚未有其他不同的空间调制映射方法被提出。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的SM系统的映射方法对抗噪声的能力有限的问题，提出一种空间调制系统映射方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种空间调制系统映射方法，包括如下步骤：

步骤1.对发射端的输入比特流进行分段；

步骤2.每一段输入比特流分别映射到发射天线序号与调制星座点；

步骤3.将步骤2得到的调制星座点分配到对应发射天线上进行传输；

步骤4.接收端对发射数据进行恢复。

进一步的，步骤1中所述的分段具体过程如下：输入比特流被分为若干段，每一段的长度N由调制星座点数M，以及发射天线数T共同确定，具体为：N=log₂(M·T)。

进一步的，步骤2中所述的每一段输入比特流分别映射到发射天线序号的具体过程如下：

设输入比特流为b=(b₁,b₂，...,b_N)，共有N个比特，根据输入比特流得到两个子比特流：确定发射天线序号的子比特流 $b_a=(b_{{N-\log }_2\left(T\right)},...,b_N)=(b_{a,1},b_{a,2},...,b_{{a,\log }_2\left(T\right)+1}),$ 确定调制符号的子比特流 $b_m=(b_1,.,b_{{\log }_2\left(M\right)});$

子比特流b_a经过异或运算得到长度为log₂(T)的子比特流其中，b′_a，i=b_a,iXORb_a，i＋1，再将b′_a进行二进制到十进制的转换，得到的十进制数的范围为0～T－1，分别对应于第1～T根发射天线。

本发明的有益效果：本发明的方法在映射中不再将映射比特与天线序号进行固定的一一对应，而是将异或运算得到的子比特流映射为天线序号，以保证较大概率出现误判的星座点对应比特的汉明距离较小，使得当噪声较大导致错误时，出错的比特数较少，因而提高了系统的误码率性能。

附图说明

图1是现有映射方法的映射原理示意图。

图2是本发明的空间调制系统映射方法的流程示意图。

图3是本发明映射方法的映射原理示意图。

图4是本发明映射方法的误比特率仿真示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。为了便于对本发明的理解，在阐述具体实施例之前，首先介绍其中所用的术语：

(1)欧几里德距离,又称欧氏距离，是一个通常采用的距离定义，指在m维空间中两个点之间的真实距离，或者向量的自然长度（即该点到原点的距离）。在二维和三维空间中的欧氏距离的就是两点之间的实际距离。

(2)汉明距离，是另一个常用的距离定义，指两个等长字符串对应位置的不同字符的个数，也即将一个字符串变换成另外一个字符串所需要替换的字符个数。

(3)异或（XOR）运算，是一种数学逻辑运算符。两个值不相同，则异或结果为真；反之，两个值相同，则异或结果为假。运算法则为：0异或0=0，1异或0=1，0异或1=1，1异或1=0。

(4)最大似然检测（ML检测），又称最优检测，遍历星座图上所有可能的发送信号矢量，从中选出与接收信号欧式距离最小的那个发送矢量作为检测输出，具有较高的复杂度，但是译码性能最优。

现有的空间调制的映射方法：在现有的空间调制系统中，采用的映射方法都是基于如下思路：将输入比特分为两部分，第一部分用于选择该时刻的激活发射天线序号，第二部分采用传统的调制方式进行星座点映射。

假设某段输入比特流为b=(b₁,b₂,...,b_N),共有N个比特，将其分为两部分：确定发射天线序号的 $b_a=(b_1,...,b_{{\log }_2\left(T\right)}),$ 确定调制符号的 $b_m=(b_{{\log }_2\left(T\right)+1},.,b_{{\log }_2(M\·T)}),$ 且b={b_a,b_m}。

子比特流b_a的长度为log₂(T)，直接通过二进制到十进制的转换，得到的十进制数的范围为0～T－1，分别对应于第1～第T根发射天线。

子比特流b_m采用传统的M－QAM调制方式，映射为星座点符号。

具体映射原理示意图如图1所示，下面给出一个具体示例：4根发射天线的SM系统，并采用四相相移键控（QPSK,Quaternary Phase Shift Keying）调制，QPSK的四个星座点分别为Q₁,Q₂,Q₃,Q₄。按照传统的映射方法，每四个输入比特的前两个比特用以确定发射天线的序号，后两个比特进行星座点调制，其映射表如表1所示：

表1

输入比特	天线序号	调制星座	输入比特	天线序号	调制星座
						0000	1	Q1	1000	3	Q1
0001	1	Q2	1001	3	Q2
						0010	1	Q3	1010	3	Q3
0011	1	Q4	1011	3	Q4
						0100	2	Q1	1100	4	Q1
0101	2	Q2	1101	4	Q2
						0110	2	Q3	1110	4	Q3
0111	2	Q4	1111	4	Q4

下面对本发明的映射方法的工作过程进行具体说明，流程示意图如图1所示。

假设信道为平坦衰落信道，接收端同步完美且信道信息完全准确已知，输入比特流长度为L，调制方式采用M-QAM调制（一共M个星座点），天线数为T×P（T根发射天线，P跟接收天线）的空间调制系统映射方法包括如下步骤：

步骤1：对发射端的输入比特流进行分段；

步骤2：每一段输入比特分别映射为发射天线序号与调制星座点；

步骤3：将步骤2得到的调制星座点分配到对应发射天线上进行传输；

步骤4：接收端对发射数据进行恢复。

具体展开如下:

(1).对发射端的输入比特流进行分段。输入比特流被分为若干段，每一段的长度N由调制星座点数M，以及发射天线数T共同确定，具体为：N=log₂(M·T)，可以看出，输入比特流将会被分成段，其中，L发射端的输入比特流总长度，若不为N的整数倍，则在输入比特流的最后补零以满足N的整数倍。

(2).每一段输入比特流分别映射为发射天线序号与调制星座点。每段长度为N的输入比特流采用如下的规则映射到发射天线序号与调制星座点。

输入比特流的可能取值有： 长度皆为N，所有不同的输入比特流按如下规则映射为发射天线序号与调制星座点，

假设某段输入比特流为b=(b₁,b₂,...,b_N),共有N个比特，根据其得到两个子比特流：确定发射天线序号的 $b_a=(b_{N-{\log }_2\left(T\right)},...,b_N),$ 确定调制符号的 $b_m=(b_1,.,b_{{\log }_2\left(M\right)}).$

b_a由于要先进行异或运算，再映射为天线序号，而异或运算会减少1比特的比特流长度，所以b_a的长度为log₂(T)＋1，现有映射方法由于直接将b_a映射为天线序号，所以b_a的长度为log₂(T)；另外b_m在本发明的映射方法中为输入比特流的前log₂(M)个比特，而在现有映射方法中为输入比特流的最后log₂(M)个比特。

子比特流b_a的长度为log₂(T)＋1，先经过异或（XOR）运算，比特两两异或得到长度为log₂(T)的子比特流其中，b′_a,i=b_a，iXORb_a，i＋1，再将b′_a通过二进制十进制转换器，得到的十进制数的范围为0～T－1，分别对应于第1～第T根发射天线。

子比特流b_m采用传统的M－QAM调制方式，映射为星座点符号。

具体映射原理示意图如图3所示，下面给出一个具体示例：4根发射天线的SM系统，并采用四相相移键控（QPSK,Quaternary Phase Shift Keying）调制，即T＝4，M＝4，QPSK的四个星座点分别为Q₁,Q₂,Q₃,Q₄，则对应的新映射表如表2所示：

表2

输入比特	天线序号	调制星座	输入比特	天线序号	调制星座
						0000	1	Q1	1000	1	Q3
0001	2	Q1	1001	2	Q3
						0010	4	Q1	1010	4	Q3
0011	3	Q1	1011	3	Q3
						0100	3	Q2	1100	3	Q4
0101	4	Q2	1101	4	Q4
						0110	2	Q2	1110	2	Q4
0111	1	Q2	1111	1	Q4

这种映射方法，通过引入异或运算，使得相同发射天线序号对应星座点的汉明距离（HDS）较大，不同发射天线序号对应星座点的汉明距离（HDD）较小。

对比本发明的映射方法和与现有映射方法：在上述例子中，这两类汉明距离（HDD/HDS）的平均值分别为：本发明的映射方法：2/2.67，与现有映射方法：2.33/1.33。考虑到在实际SM系统中，相同发射天线序号对应星座点之间的欧式距离较大，不容易受噪声影响而出错，所以较有可能出现误判的是不同发射天线序号所对应星座点，而本发明的映射方法将这一部分的星座点之间的汉明距离减小，使得出现误判时，出错的比特数较低，从而提升系统性能。

(3).将调制星座点分配到对应发射天线上进行传输。步骤2得到了每一时刻选出的天线序号与调制符号，在每一时刻，将对应的调制星座点分配到相应的发射天线上进行传输，如上例中，如果某一时刻的输入比特为“0110”，则在第2根发射天线上传输调制符号Q₂，而其它发射天线在这一时刻不传输数据。

(4).接收端对数据进行恢复。

在此具体采用最大似然检测方法对数据进行恢复。在某一时刻，第i(i＝1,2,…，P)根天线接收到的数据可以表示为：其中，H_ij是第j根发射天线和第i根接收天线之间的信道增益，x_i是第j根发射天线传输的符号。n_i是第i根接收天线的零均值、方差为的高斯白噪声。考虑到空间调制系统的特征，在一个时刻只有一根天线的发射数据，其它天线不发射数据，因此在任意时刻[x₁,x₂,…,x_T]中只有一个是非零数据，信道增益其中，h_ij是一个满足零均值，方差为1的衰落的复高斯随机变量，ξ_ij是一个由阴影效应和路径损耗共同确定的功率衰减因子。

在接收端采用传统的最大似然检测，可以表述为，其中，S表示第j根发射天线的发射符号集合，为估计得到的发射天线序号，表示估计出的调制星座符号，之后再采用步骤2中的映射方法，将发射天线序号与调制符号解映射为输出比特。

采用本发明的空间调制系统映射方法，与现有空间调制系统的映射方法相比，在不增加系统额外开销的前提下（当天线配置与调制方式给定并在一段时间内不变时，比特与符号的映射关系即保持不变，而本发明的方法可以理解为仅改变了映射表），采用了较为合理的映射目标，使得当出现误判时，出错的比特数量尽量少，从而系统的误码率性能得到提升。

下面给出传统方法以及本发明方法的仿真结果，以验证本发明的性能。本实施例的仿真平台为天线数为2×1(2根发射天线，1根接收天线)的SM链路，采用BPSK调制，信道模型为平坦瑞利衰落信道。

本实施例在上述仿真平台下，分别使用背景技术给出的传统映射方法、以及本发明提出的映射方法在发射端对输入比特进行调制映射，并在接收端采用相同的最大似然算法进行检测恢复。图4展示了分别使用2种映射方法所得到的误码率（BER,Bit Error Rate）性能。如图4所示，使用本发明方法，较之传统映射方法，能有效提升系统的BER性能，而且不会引入额外的系统开销。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种空间调制系统映射方法，包括如下步骤：

步骤1.对发射端的输入比特流进行分段；

步骤2.每一段输入比特流分别映射到发射天线序号与调制星座点；

步骤3.将步骤2得到的调制星座点分配到对应发射天线上进行传输；

步骤4.接收端对发射数据进行恢复；

步骤1中所述的分段具体过程如下：输入比特流被分为若干段，每一段的长度N由调制星座点数M，以及发射天线数T共同确定，具体为：N＝log₂(M·T)；

步骤2中所述的每一段输入比特流分别映射到发射天线序号的具体过程如下：

设输入比特流为b＝(b₁,b₂,...,b_N)，共有N个比特，根据输入比特流得到两个子比特流：确定发射天线序号的子比特流 $b_a=(b_{N-{\log }_2\left(T\right)},...,b_N)=(b_{a,1},b_{a,2},...,b_{a,{\log }_2\left(T\right)+1}),$ 确定调制星座点的子比特流 $b_m=(b_1,.,b_{{\log }_2\left(M\right)});$

子比特流b_a经过异或运算得到长度为log₂(T)的子比特流其中，b′_a,i＝b_a,iXOR b_a,i+1，再将b′_a进行二进制到十进制的转换，得到的十进制数的范围为0～T－1，分别对应于第1～T根发射天线。