CN103457706A - 一种用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明属移动通信技术领域，具体涉及用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法。提出了一种用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法，用于消除噪声对信号的影响，包括对输入的信息比特序列进行分配得到两个子序列，子序列1和子序列2；对子序列1进行多元幅移键控映射；对子序列2进行天线序号映射等步骤。本发明采用了较为合理的映射目标，使得当噪声引起误判时，出现的比特差错尽量少，从而使系统的误比特率性能得到提升。

Description

一种用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法

技术领域

本发明属移动通信技术领域，具体涉及用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation,SM)是一种新兴的多输入多输出系统（Multiple-InputMultiple-Output,MIMO）传输方案，它在每一时刻只有一根发射天线发送数据，能够有效地避免传统MIMO中的天线间干扰与同步问题，是未来无线通信系统的重要技术之一。

空间调制技术是将固定数量的信息比特分成两部分，一部分用于选择发射天线，另一部分用于映射星座符号，并将映射的星座符号通过选择的发射天线进行传输，未被选择的发射天线则静默。在多元幅移键控(M-ary Amplitude Shift Keying,MASK)中，这种空间调制技术对抗噪声的能力有限。本发明通过设计用于空间调制系统下的多元幅移键控的新的调制映射表，以保证相邻的空间调制等效星座点对应比特序列的汉明距离尽可能小，当噪声引起误判星座点时使出现的比特差错变小，从而提高系统的比特误码率性能。

发明内容

本发明提出了一种用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法，用于消除噪声对信号的影响，包括以下步骤：

为了方便地描述本发明的内容，首先对本发明中所使用的术语进行说明：

信道矩阵：假设每个发射天线与每个接收天线之间均为平坦衰落信道，则MIMO系统的信道矩阵为：

其中，N_T为发射端的发射天线数目，N_R为接收机的接收天线数量，h_ij为第j根发射天线到第i根接收天线的衰落系数。h_ij服从均值为0，方差为1的复高斯分布，其中，,1≤j≤N_T，1≤i≤N_R，且i,j均为整数。

汉明距离，指两个等长字符串对应位置的不同字符的个数，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。

异或运算，是一种数学逻辑运算符，运算过程中不带进位。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。

等效星座点，指发射端的调制星座点经过信道矩阵，但又未受噪声影响的符号星座点。

等效欧氏距离：发射信号x经过信道H后与接收信号向量y的弗罗贝尼乌斯范数，即，d_Euc＝||y-Hx||_F。

最大似然准则判决:指在所有的发射信号中选择使等效欧氏距离或其平方值最小的信号向量作为判决结果。

为了消除噪声对信号的影响，本发明的技术方案如下：

一种用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法，包括如下步骤：

S1、对输入的信息比特序列u＝(u₁,u₂,…,u_N)进行分配得到两个子序列，

子序列1，即u₁＝(u₁,…,u_K)，有K＝log₂(M)个比特，用于多元幅移键控映射，

子序列2，即u₂＝(u_K,…,u_N)，有L＝log₂(N_T)+1个比特，用于天线序号映射，

其中，N是由通信系统的发射天线数目和调制传输方式决定的,即N＝log₂(M·N_T)，M为多元幅移键控的调制阶数，N_T为发射天线数：

S2、对S1所得子序列1进行多元幅移键控映射，包括：

S21、对多元幅移键控的M个调制星座点按幅度值进行排序,排序后为I＝{Q₀,Q₁,…,Q_M-1}；

S22、对I＝{Q₀,…,Q_M-1}进行重新排序，排序后为：

I′＝{Q₀,Q_M-1,Q₁,Q_M-2,Q₂,Q_M-3,…,Q_M/2-1,Q_M/2}，即奇数位按0到M/2-1进行加1排序，偶数位按M-1到M/2进行减1排序；

S23、分别对{0,1,…,M-1}进行十进制到二进制的转换，要求转换后的二进制序列长度为K，转换后得到比特序列为{b₀,b₁,…,b_M-1}，

其中，b_i＝(b_i,0,b_i,1,…,b_i,K-1),b_i,k∈{0,1},i＝0,1,…,M-1;k＝0,1,…,K-1。{0,1,…,M-1}内的元素表示十进制的数值，0到M-1的整数值；

S24、将比特序列{b₀,b₁,…,b_M-1}与排序后的调制星座点集合I′＝{Q₀,Q_M-1,…,Q_M/2-1,Q_M/2}进行一一映射，得到多元幅移键控的M阶调制映射表；

S25、根据u₁和多元幅移键控的M阶调制映射表，选择发送的调制星座符号s,s∈I′；

S3、对S1所得子序列2进行天线序号映射，包括：

S31、根据u₂＝(u_K,…,u_N)，进行如下操作：i＝1,2,…,L-1，

为异或运算，得到长度为L-1的比特序列u′₂＝(u′₁,u′₂,…,u′_L-1)；

S32、将u′₂进行二进制到十进制的转换得到天线序号j,j∈{0,1,…,N_T-1}；

S4、根据S3所得天线序号选择发射天线传输映射的多元幅移键控调制星座点，所述的选择发射天线为选择第j+1根发射天线，其中，j∈{0,1,…,N_T-1}。

本发明的有益效果：本发明的方法在多元幅移键控映射中不再将调制星座点与信息比特进行格雷映射，同时也不再将选择天线序号的比特序列与调制星座点的比特序列分开进行各自映射，以保证相邻的空间调制等效星座点对应比特序列的汉明距离尽可能小，当噪声导致误判星座点时使出现的比特差错更小，从而提高系统的比特误码率性能。

附图说明

图1是本发明的空间调制系统发射机发射过程示意图；

图2是本发明的用于空间调制系统的多元幅移键控映射过程示意图；

图3是本发明的映射方法与传统映射的误比特率性能对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

本发明用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法的工作过程如下，图1所示为空间调制系统发射机发射过程。

假设信道为平坦衰落信道，接收端同步完美，信道信息完全准确已知。空间调制系统的发射天线数为N_T，接收天线数为N_R，多元幅移键控的调制阶数为M，多元幅移键控的空间调制映射包括如下步骤：

S1、对输入的信息比特序列u＝(u₁,u₂,…,u_N)进行分配得到两个子序列，

子序列1，即u₁＝(u₁,…,u_K)，有K＝log₂(M)个比特，用于多元幅移键控映射，

子序列2，即u₂＝(u_K,…,u_N)，有L＝log₂(N_T)+1个比特，用于天线序号映射，

其中，N是由通信系统的发射天线数目和调制传输方式决定的，即N＝log₂(M·N_T)，M为多元幅移键控的调制阶数，N_T为发射天线数；

S2、对S1所得子序列1进行多元幅移键控映射，包括：

S21、对多元幅移键控的M个调制星座点按幅度值进行排序排序后为I＝{Q₀,Q₁,…,Q_M-1}；

S22、对I＝{Q₀,…,Q_M-1}进行重新排序，排序后为：

I′＝{Q₀,Q_M-1,Q₁,Q_M-2,Q₂,Q_M-3,…,Q_M/2-1,Q_M/2}，即奇数位按0到M/2-1进行加1排序，偶数位按M-1到M/2进行减1排序；

S23、分别对{0,1,…,M-1}进行十进制到二进制的转换，要求转换后的二进制序列长度为K，转换后得到比特序列为{b₀,b₁,…,b_M-1}，

其中，b_i＝(b_i,0,b_i,1,…,b_i,K-1),b_i,k∈{0,1},i＝0,1,…,M-1;k＝0,1,…,K-1。{0,1,…,M-1}内的元素表示十进制的数值，0到M-1的整数值；

S24、将比特序列{b₀,b₁,…,b_M-1}与排序后的调制星座点集合I′＝{Q₀,Q_M-1,…,Q_M/2-1,Q_M/2}进行一一映射，得到多元幅移键控的M阶调制映射表；

S25、根据u₁和多元幅移键控的M阶调制映射表，选择发送的调制星座符号s∈I′；

具体映射原理示意图如图2所示：

S3、对S1所得子序列2进行天线序号映射，包括：

S31、根据u₂＝(u_K,…,u_N)，进行如下操作：

i＝1,2,…,L-1，

为异或运算，得到长度为L-1的比特序列u′₂＝(u′₁,u′₂,…,u′_L-1)；

S32、将u′₂进行二进制到十进制的转换得到天线序号j,j∈{0,1,…,N_T-1}；

S4、根据S3所得天线序号选择发射天线传输映射的多元幅移键控调制星座点，所述的选择发射天线选择第j+1根发射天线，其中，j∈{0,1,…,N_T-1}。

假设4ASK的4个调制星座点为{1,-1,3,-3}，按幅度值从小到大对其排序后为I＝{Q₀＝-3,Q₁＝-1,Q₂＝+1,Q₃＝+3}，对星座点进行重新排序后为I′＝{Q₀＝-3,Q₃＝+3,Q₁＝-1,Q₂＝+1}，由于{0,1,2,3}进行十进制到二进制转换后的比特序列分别为{00,01,10,11}，则用于空间调制系统的4ASK的映射表如表1所示：

调制星座	比特序列
		Q0	b0=(0 0)
Q3	b1=(0 1)
		Q1	b2=(1 0)
Q2	b3=(1 1)

表1

SM系统的发射天线数为4，即M＝4,N_T＝4,则N＝4，结合SM的4ASK的映射表如表2所示：

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	0	Q0	1000	0	Q1
0001	1	Q0	1001	1	Q1
						0010	3	Q0	1010	3	Q1
0011	2	Q0	1011	2	Q1
						0100	2	Q3	1100	2	Q2
0101	3	Q3	1101	3	Q2
						0110	1	Q3	1110	1	Q2

0111

0

Q3

1111

0

Q2

表2

这种映射方法，通过重新设计多元幅移键控的调制映射表，同时引入异或运算将映射天线序号的比特序列与映射星座点的最后一位比特进行关联，以保证相邻的空间调制等效星座点对应比特序列的汉明距离尽可能小，当噪声导致误判星座点时使出现的比特差错更小，从而提高系统的比特误码率性能。

本实施例的仿真平台为天线数为4根发射天线，1根接收天线的SM链路，采用4ASK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3展示了分别使用2种映射方法所得到的误比特率（BER,Bit Error Rate）性能。如图3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。

Claims (1)

1.一种用于空间调制系统的多元幅移键控映射方法，其特征在于：其步骤如下所述：

S1、对输入的信息比特序列u＝(u₁,u₂,…,u_N)进行分配得到两个子序列，

子序列1，即u₁＝(u₁,…,u_K)，有K＝log₂(M)个比特，用于多元幅移键控映射，

子序列2，即u₂＝(u_K,…,u_N)，有L＝log₂(N_T)+1个比特，用于天线序号映射，

其中，N是由通信系统的发射天线数目和调制传输方式决定的,即N＝log₂(M·N_T)，M为多元幅移键控的调制阶数，N_T为发射天线数；

S2、对S1所得子序列1进行多元幅移键控映射，包括：

S21、对多元幅移键控的M个调制星座点按幅度值进行排序排序后为I＝{Q₀,Q₁,…,Q_M-1}；

S22、对I＝{Q₀,…,Q_M-1}进行重新排序，排序后为：

I′＝{Q₀,Q_M-1,Q₁,Q_M-2,Q₂,Q_M-3,…,Q_M/2-1,Q_M/2}，即奇数位按0到M/2-1进行加1排序，偶数位按M-1到M/2进行减1排序；

S23、分别对{0,1,…,M-1}进行十进制到二进制的转换，要求转换后的二进制序列长度为K，转换后得到比特序列为{b₀,b₁,…,b_M-1}，

其中，b_i＝(b_i,0,b_i,1,…,b_i,K-1),b_i,k∈{0,1},i＝0,1，…,M-1;k＝0,1,…,K-1，{0,1,…,M-1}内的元素表示十进制的数值，0到M-1的整数值；

S24、将比特序列{b₀,b₁,…,b_M-1}与排序后的调制星座点集合I′＝{Q₀,Q_M-1,…,Q_M/2-1,Q_M/2}进行一一映射，得到多元幅移键控的M阶调制映射表；

S25、根据u₁和多元幅移键控的M阶调制映射表，选择发送的调制星座符号s,s∈I′；

S3、对S1所得子序列2进行天线序号映射，包括：

S31、根据u₂＝(u_K,…,u_N)，进行如下操作：

i＝1,2,…,L-1，

为异或运算，得到长度为L-1的比特序列u′₂＝(u′₁,u′₂,…,u′_L-1)；

S32、将u′₂进行二进制到十进制的转换得到天线序号j,j∈{0,1,…,N_T-1}；

S4、根据S3所得天线序号选择发射天线传输映射的多元幅移键控调制星座点，所述的选择发射天线为选择第j+1根发射天线，其中，j∈{0,1,…,N_T-1}。

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