CN103297375A - 具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法 - Google Patents

Abstract

具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法，属于无线通信技术领域。针对现有空间调制通信系统中不同发射天线的调制符号相位相同，从而性能受一定限制的技术问题，本发明充分考虑了各发射天线对应信道的差异，根据信道的状态来调整数据的传送方式，即选取适应于当前信道的最佳自适应传输方案，每个相位因子组合下，各MIMO发射天线采用不同的相位旋转因子，即根据当前信道信息及各天线上的传输符号，适当选择相位因子来对调制星座点进行比例放缩，从而尽可能大的增大调制符号间的最小欧氏距离。采用本发明的相位因子选择方法，充分的利用了信道信息，增大了不同天线上的调制符号间的最小欧氏距离，并且能更有效地降低数据传输的误码率。

Description

具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及空间调制通信系统及方法，尤其涉及空间调制通信系统中的最佳相位因子的确定方法及具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法。

背景技术

传统的多天线技术的复用增益严重的依赖于发射天线和接收天线间的正交性。一种新的多天线技术空间调制（SM，Spatial Modulation）技术完全避免了载波间干扰（Inter-CarrierInterference，ICI），并且不要求发射天线和接收天线的正交性，同时接收端相比传统的V-BLAST和Alamouti算法大大地降低了检测的复杂度。在发射端，比特信息被映射到某个调制星座点以及特别的天线索引，并由该天线索引发送数据符号，而在接收端，根据接收信号估计出发送数据符号和天线序号，恢复出发送信息。同时，将空间调制与OFDM技术结合（SM-OFDM），能取得较高的频谱利用率。

从传统的星座调制可知，星座点间的最小欧氏距离增大，误码率降低。因而考虑接收端选取最佳的相位因子组合，并反馈给发射端对调制符号进行比例放缩，以增大星座点间的最小欧氏距离，从而进一步提升性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的基于空间调制的MIMO系统不同发射天线上的调制符号相位相同，从而性能受一定限制，提出了一种空间调制系统中不同发射天线上的调制符号相位不同的空间调制通信方法，并给出发射天线最佳相位因子的确定方法，使得空间调制通信系统发射天线采用所确定的相位因子发送调制符号，能够提升空间调制通信系统的性能。

为了方便地描述本发明的内容，首先介绍如下术语：

（1）空间调制是指利用多输入-多输出系统的天线索引和调制符号作为携带数据信息的载体一种调制方式，在空间调制中，信息比特流被分映射成天线索引和调制符号，即每个时隙只有一根发射天线被激活，并且用该激活的天线传输调制信号。

（2）多输入-多输出系统是指发射端和接收端分别使用多根天线，信号通过发射端和接收端的多个天线进行传送和接收。

（3）Frobenius范数，也叫2-范数，若向量x=[x₁,x₂,...,x_n]，那么其Frobenius模值可以计算为

||x||_F=(|x₁|²+|x₂|²+...+|x_n|²)^(1/2)，

其中|x₁|表示求x₁的绝对值大小。

（4）内积是一种矢量运算，假设矢量A=[a₁,a₂,...,a_n],B=[b₁,b₂,...,b_n],则矢量的内积表示为:

<A,B>＝a₁×b₁＋a₂×b₂＋…＋a_n×b_n

在介绍发明技术方案之前，对其中所用的术语进行集中定义：

N_T表示发射天线的数目，N_R表示接收天线的数目，M为调制阶数，N为子载波个数；Q为P×(N-N_T)的二进制比特流矩阵，P=log₂(N_T·M);

为Q经过空间调制后的空间调制矩阵，

为初始化矩阵，

为空间调制信号矩阵，由U和T矩阵组成，前N_T×N_T维为T矩阵，后N_T×（N-N_T）维为U矩阵。S_i（i=1,2,…,M）为S的第i行，表示第i根天线上的所有子载波构成的矢量，S_i(l)为S_i第l个非零子载波；

为对S每行非0元素进行差分编码得到的差分矩阵，即对每根根天线上的非零子载波进行差分编码后得到的矩阵，X_i为X的第i行，表示第i根天线上差分编码后的N个子载波所构成的矢量，X_i(l)表示X_i的第l个非零子载波，D∈C^M×1为M-QAM调制下的星座点集合。

为候选旋转矩阵，为候选组合中选出的最佳比例缩放因子。

由空间调制的性质可知：矩阵S和X的每一列都只有一个非零元素；传输矩阵

(m=1,2,…,N_T)表示X的第m列，即m时刻的发射矢量；

m时刻的接收矢量；

和

分别指信道传输矩阵及0均值高斯噪声。

本发明技术方案如下：

具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法，包括以下步骤：

步骤1：发射端首先预设一个候选相位因子矩阵

所述候选相位因子矩阵

由K个相位因子组合构成，每个相位因子组合包括N_T个相位旋转因子；然后初始化输入信息比特流得到N_T×N_T维的初始化矩阵T，即第j(j=1,2,…,N_T)个时刻只有第j根天线发送数据，其它天线不发送数据。

步骤2：发送端对log₂(N_T×M)×(N-N_T)的输入比特流矩阵Q进行空间调制得到N_T×(N-N_T)维的空间调制矩阵U。

步骤3：发送端将步骤1得到的初始化矩阵T和步骤2得到的空间调制矩阵U进行组合得到N_T×N维的空间调制信号矩阵S，这里N_T×N维的空间调制信号矩阵每一行对应一根天线上的所有子载波，再对N个子载波分别进行OFDM调制后发射。

步骤4：接收端利用信道估计方法获取信道状态信息H，从候选相位因子矩阵

中确定一个最佳相位因子组合，并通过反馈信道反馈给发射端，进而对信道传输矩阵进行等效，得到估计信道信息H的最佳传输方案。其中最佳相位因子组合的确定方法是：通过比较候选相位因子矩阵

中每一个相位因子组合下等效星座点间的最小欧氏距离d_min，选取最小欧式距离d_min最大的一组对应的相位因子组合k^*作为最佳相位因子组合。

步骤5：接收端对信道状态信息H的最佳相位因子组合下的调制符号进行OFDM解调，以及空间调制逆映射，结合空间调制系统的极大似然检测算法恢复出原始信息比特流。

进一步的，步骤4中计算d_min(k)的具体过程如下：由于空间调制系统的特殊性，两个不同的发射信号x_i和x_j表示为：

和

其中

和分别表示第i根和第j根天线上的来自对应星座的m和n星座点，每时隙每根激活天线选择一个相位旋转因子b_k,l,k=1,2,...,K;l=1,2...,N_T，且满足||b_k,l||=1，则在空间调制中，接收等效星座的最小欧式距离为：

其中Re{·}表示复数取其实部，m₁，m₂，m₃如下：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1={\left|h_{1,i}\right|}^2+{\left|h_{2,i}\right|}^2+...+{\left|h_{N_R,i}\right|}^2=<H_{:,i},H_{:,i}>\\ m_2={\left|h_{1,i}\right|}^2+{\left|h_{2,j}\right|}^2+...+{\left|h_{N_R,j}\right|}^2=<H_{:,j},H_{:,j}>\\ m_3=h_{1,i}{h}_{1,j}^{*}+h_{2,i}{h}_{2,j}^{*}+...+h_{N_R,i}{h}_{N_R,j}^{*}=<H_{:,i},H_{:,j}>\end{array}\right.$ H_:,j和H_:,i分别表示信道状态信息H的第j列和第i列，h_1,j表示信道状态信息H第1行第j列上的元素，h_2,j表示信道状态信息H第2行第j列上的元素，表示信道状态信息H第N_R行第j列上的元素，D∈C^M×1为M-QAM调制下的所有星座点集合。

其中最优的相位因子为K个候选组合中d_min(k)最大的一组k^*，且：

k^*=argmax{d_min(k)},k=1,2,...K

进一步的，步骤5中假设接收端同步完美且信道状态信息H已知，发射信号x经过等效的信道H_sub，即

其中k^*作为选出的最优相位因子，接收端接收到的信号为y，用极大似然检测算法得到的估计发射的数据

为：

$\hat{x}=\underset{x\&Element;\mathrm{\&Psi;}}{\arg \max }{p}_y\left(y\right|x,H\_\mathrm{sub})=\underset{x\&Element;\mathrm{\&Psi;}}{\arg \min }{\left|\right|y-H\_\mathrm{sub}\&CenterDot;x\left|\right|}_F^2,$

从而得到传输天线索引位置以及传输符号；其中p_y(y|x,H)表示在信道状态信息H已知时，发射信号x对应于接收到的信号y的似然函数，Ψ表示发射信号x所有发射可能的集合，它由天线的索引位置和对应天线的调制信符号两部分组成，即空间调制的星座，“||·||_F”表示Frobenious模值，

表示使得函数f(x)取得最大值时变量x的值，

表示使得函数f(x)取得最小值时变量x的值。

本发明的有益效果：

本发明针对空间调制系统的接收端进行最佳相位因子选择，通过在发射端初始化每根天线上的非零子载波得到初始化矩阵，对每根天线上的比特信息进行空间调制和OFDM调制后，在接收端利用候选相位因子矩阵对调制星座点进行等效，并由此得到每一组相位因子下，等效星座点之间的最小欧氏距离，从中选出最小欧氏距离最大一个组合作为最佳的相位因子并反馈给发射端，利用此最佳相位因子将信道传输矩阵进行等效，即H的最佳传输方案。接收端再结合空间调制系统的极大似然检测算法，确定发射天线序号，以及调制符号，进一步恢复出发射信息。本发明通过接收端对最佳相位因子进行选择，并反馈给发射端对传输信道矩阵H进行等效，降低了数据传输的误码率，进一步提高了空间调制通信系统的性能。

附图说明

图1是本发明用于空间调制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。

如图1所示，本发明提供的具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法，具体包括如下步骤：

（1）预设一个候选相位因子矩阵

在发射端对每根天线上的非零子载波进行初始化，第j根天线的第一个非零子载波位于该天线的第j个子载波上；

（2）初始完每根天线上的第一个非零子载波后开始进行空间调制，每P=log₂(N_T·M)个比特进行映射，前log₂(N_T)比特选择天线，剩下的log₂(M)比特进行M-PSK调制后由选择的天线索引进行传输；

（3）将每根天线上的非零子载波进行差分编码，编码完毕后进行OFDM调制。

（4）接收端对调制完毕的星座符号用候选相位因子矩阵B进行等效，并由此计算出等效星座点间的最小欧氏距离d_min，比较每一个组合下，等效星座点间的最小欧氏距离，选取最小欧式距离最大的一组相位因子k^*作为最佳组合，即k^*=argmax{d_min(k)},k=1,2,...K。

为了降低计算最小欧式距离的复杂度，步骤（4）中计算最小欧式距离d_min(k)的可以采用如下过程进行计算：由于空间调制系统的特殊性，两个不同的发射信号x_i和x_j表示为：

和

其中

和分别表示第i根和第j根天线上的来自对应第m和n星座点，每时隙每根激活天线选择一个相位旋转因子b_k,l,k=1,2,...,K;l=1,2...,N_T，且满足||b_k,l||=1，则在空间调制中，接收端等效星座的最小欧式距离为：

其中Re{·}表示复数取其实部，m₁，m₂，m₃如下：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1={\left|h_{1,i}\right|}^2+{\left|h_{2,i}\right|}^2+...+{\left|h_{N_R,i}\right|}^2=<H_{:,i},H_{:,i}>\\ m_2={\left|h_{1,i}\right|}^2+{\left|h_{2,j}\right|}^2+...+{\left|h_{N_R,j}\right|}^2=<H_{:,j},H_{:,j}>\\ m_3=h_{1,i}{h}_{1,j}^{*}+h_{2,i}{h}_{2,j}^{*}+...+h_{N_R,i}{h}_{N_R,j}^{*}=<H_{:,i},H_{:,j}>\end{array}\right.$ H_:,j和H_:,i分别表示信道状态信息H的第j列和第i列，h_1,j表示信道状态信息H第1行第j列上的元素，h_2,j表示信道状态信息H第2行第j列上的元素，表示信道状态信息H第N_R行第j列上的元素，D∈C^M×1为M-QAM调制下的所有星座点集合。

（5）将选出的最佳相位因子组合反馈给发射端，进一步对信道传输矩阵进行等效，即用最优相位因子组合对信道矩阵H进行比例放缩，再对信道状态信息H的最佳传输方案下的调制符号进行OFDM解调，以及空间调制逆映射，结合空间调制系统的检测算法，例如采用文献：Qian Tang,Yue Xiao,Ping Yang,Qiaoling Yu,and Shaoqian Li,“A New Low-Complexity Near-MLDetection Algorithm for Spatial Modulation”,IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS LETTERS中的DBD检测算法，进一步估计出传输天线索引以及发送符号，从而恢复出原始信息比特流。

下面通过一个例子具体说明。

假设发射端的信息传输速率为m=3比特/次，发射端天线数N_T=2，接收端天线数N_R=1，OFDM的帧长为16，考虑调制方式为4-QAM，调制星座点集合为：D={-0.7071-0.7071i,-0.7071+0.7071i,0.7071-0.7071i,0.7071+0.7071i}，候选的相位因子矩阵B如下：

$B=\left[\begin{array}{cc}-0.9935-0.1141i& 0.9997+0.0235i\\ -0.9019+0.4319i& 0.2388-0.9711i\\ 0.7270+0.6866i& -0.5276-0.8495i\\ 0.2420+0.9703i& -0.4824-0.8760i\end{array}\right]$

则对于候选相位因子矩阵B的每一个组合，即为B中的每一行，对应最多有16不同的欧氏距离，且在该组合下的所有欧氏距离必对应一个最小值。

例如，若第一根天线上传输调制星座点集合中的第三个调制符号0.7071-0.707i，即

第二根天线传输调制星座点集合中的第二个调制符号-0.7071+0.707i，即

则对应一个欧氏距离值，对于所有调制符号，比较4个候选相位因子组合下的最小欧式距离的值，选取最小欧式距离d_min的最大的一组所对应组合作为选出的最佳相位因子。

已知信道矩阵H=[-0.9466+0.7957i  0.6424+0.3572i]时，接收端通过上述方法，比较四个组合下的星座点间的最小欧氏距离，d_min=[0.608,0.5881,0.5116,0.7703]

最佳相位因子为候选矩阵中的第4组，即k^*=[0.2420+0.9703i  -0.4824-0.8760i]，将选取的结果反馈给发射端，得到当前的最佳信道传输矩阵H_sub:

$H\_\mathrm{sub}=H\&CenterDot;(I_{N_T}\&CenterDot;k^{*})$

$=\left[\begin{array}{cc}-0.9466+0.7957i& 0.6424+0.3572i\end{array}\right]\&times;\left[\begin{array}{cc}0.2420+0.9703i& 0\\ 0& -0.4824-0.8760i\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cc}-1.0011-0.7259i& 0.0030-0.7351i\end{array}\right]$

在接收端进行解调信号，并结合极大似然检测方式估计出原始的发射信息。

从上面的分析不难知道，这种各天线独立调制的方法在原有空间调制系统的优点上，既保证了传输效率，又进一步降低了误码率。

现有的空间调制系统，都是固定天线之间的调制符号的位置，这不利于进一步降低干扰。本发明对此提出了在保证系统的平均信息传输速率不变的前提下，改变了调制星座点间的相位，并且当选取的相位均匀分布时，有利于增大星座点间的最小欧氏距离，从而进一步降低了系统的误码率，得以提高性能。

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原理，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 (3)

1.具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法，包括以下步骤： 

步骤1：发射端首先预设一个候选相位因子矩阵

所述候选相位因子矩阵

由K个相位因子组合构成，每个相位因子组合包括N_T个相位旋转因子；然后初始化输入信息比特流得到N_T×N_T维的初始化矩阵T，即第j(j=1,2,…,N_T)个时刻只有第j根天线发送数据，其它天线不发送数据； 

步骤2：发送端对log₂(N_T×M)×(N-N_T)的输入比特流矩阵Q进行空间调制得到N_T×(N-N_T)维的空间调制矩阵U； 

步骤3：发送端将步骤1得到的初始化矩阵T和步骤2得到的空间调制矩阵U进行组合得到N_T×N维的空间调制信号矩阵S，这里N_T×N维的空间调制信号矩阵每一行对应一根天线上的所有子载波，再对N个子载波分别进行OFDM调制后发射； 

步骤4：接收端利用信道估计方法获取信道状态信息H，从候选相位因子矩阵

中确定一个最佳相位因子组合，并通过反馈信道反馈给发射端，进而对信道传输矩阵进行等效，得到估计信道信息H的最佳传输方案；其中最佳相位因子组合的确定方法是：通过比较候选相位因子矩阵

中每一个相位因子组合下等效星座点间的最小欧氏距离d_min，选取最小欧式距离d_min最大的一组对应的相位因子组合k^*作为最佳相位因子组合； 

步骤5：接收端对信道状态信息H的最佳相位因子组合下的调制符号进行OFDM解调，以及空间调制逆映射，结合空间调制系统的极大似然检测算法恢复出原始信息比特流。 

2.根据权利要求1所述的具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法，其特征在于，步骤4中计算d_min(k)的具体过程如下：由于空间调制系统的特殊性，两个不同的发射信号x_i和x_j表示为：

和

其中

和

分别表示第i根和第j根天线上的来自对应星座的m和n星座点，每时隙每根激活天线选择一个相位旋转因子b_k,l,k=1,2,...,K;l=1,2...,N_T，且满足||b_k,l||=1，则在空间调制中，接收等效星座的最小欧式距离为： 

其中Re{·}表示复数取其实部，m₁，m₂，m₃如下： 

H_:,j和H_:,i分别表示信道状态信息H的第j列和第i列，h_1,j表示信道状态信息H第1行第j列上的元素，h_2,j表示信道状态信息H第2行第j列上的元素，

表示信道状态信息H第N_R行第j列上的元素，D∈C^M×1为M-QAM调制下的所有星座点集合； 

其中最优的相位因子为K个候选组合中d_min(k)最大的一组k^*，且： 

k^*=argmax{d_min(k)},k=1,2,...K 。

3.根据权利要求1或2所述的具有最佳相位因子组合的空间调制通信方法，其特征在于，步骤5中假设接收端同步完美且信道状态信息H已知，发射信号x经过等效的信道H_sub，即

其中k^*作为选出的最优相位因子，接收端接收到的信号为y，用极大似然检测算法得到的估计发射的数据

为： 

从而得到传输天线索引位置以及传输符号；其中p_y(y|x,H)表示在信道状态信息H已知时，发射信号x对应于接收到的信号y的似然函数，Ψ表示发射信号x所有发射可能的集合，它由天线的索引位置和对应天线的调制信符号两部分组成，即空间调制的星座，“||·||_F”表示Frobenious模值，

表示使得函数f(x)取得最大值时变量x的值，

表示使得函数f(x)取得最小值时变量x的值。 

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