CN103532679A - 空域调制的一种差分调制和解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于空域调制系统的差分调制和解调方法。本发明将传统空域调制的发射调制空间进行扩展，采用本发明中差分调制和解调方法，发送端调制和接收端解调都无需知道信道状态信息，可以避免信道估计，降低接收机复杂度；同时，避免插入导频，可以节省频谱资源，并且适用于信道响应变化快速的高速移动场景。

Description

空域调制的一种差分调制和解调方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及空域调制信号的差分调制及解调方法。

背景技术

空域调制(SM，Spatial Modulation)是一项新颖的多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技术。SM调制有两个信息携带单元，一个是传统的发射符号，一个是天线序号。在SM调制中，每一时隙从传统的星座图中选择一个符号，并选一根发射天线激活将此符号发射出去。此符号和此激活天线的天线序号(或空间位置)均携带发射信息。因此相对传统的MIMO技术，V-BLAST等，SM调制能完全避免发射天线间的信号同步和干扰问题而且接收机复杂度大大降低。现已证明，对于一定的发射天线数，SM调制在获得与V-BLAST的容量相当的情况下能达到更小的比特错误概率(BitError Rate，BER)。

目前，在SM调制中，接收端解调时需要尽可能精确的信道响应信息。然而，在某些情况下，我们可能难以获得足够精确的信道响应估计值。比如，在高速移动的场景下，信道响应改变得过快，信道估计精确程度难以保障。尽管插入更多导频的有助于提高信道估计精确程度，但过多的导频会占用传输系统过多的频谱资源，使频谱效率下降。又比如，为了降低接收端的复杂度，我们可能需要摒弃信道估计。在这些情况下，如何设计一种调制方法使接收端和发送端无需进行信道估计，仍是学术界和工业界亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种应用于空域调制系统的差分调制和解调方法。

首先，考虑一个N_t＝2根发射天线，N_r根接收天线的MIMO传输系统，设两根发射天线为j＝1，2。

1、发射调制空间：

定义发射调制空间

由发射信号S组成，则发射调制空间可以表示为

其中，

表示符号调制空间，本发明中符号调制被限定为2^b-PSK，b＝1，2，3，…。符号调制空间可以表示为

其中

每个时隙，从符号调制空间

选择一个符号s发射，即

可以表示b比特信息。

其中，发射调制空间中每个矩阵元素G的第t个列向量，t＝1，2，表示时隙t激活哪根天线将符号发射出去。设矩阵G的第j行，第t列元素为G_jt，如果G_jt为零，则表示在时隙t，天线j空闲，不发射任何数据；如果G_jt非零，则表示在时隙t，天线j激活，此外，G_jt表示天线j发射的符号，即，使用天线j发射符号G_jt。更具体地，若发射信号 $S=\left[\begin{array}{cc}{s}_1& 0\\ 0& s_2\end{array}\right],$ 则表示在时隙1，选择天线1发射符号s₁，在时隙2，选择天线2发射符号s₂；若 $S=\left[\begin{array}{cc}0& s_2\\ s_1& 0\end{array}\right],$ 则表示在时隙1，选择天线2发射符号s₁，在时隙2，选择天线1发射符号s₂。发射天线的选择和符号的选择均携带比特信息。

可知，一个发射调制空间

包含有2^1+2b个元素，占用两个符号周期发射一个元素，每个元素可映射1+2b比特信息。

2、差分调制方法：

初始时隙1，2发射信号S(1)，S(1)可为任意一个属于本发明发射调制空间

的信号，即

发射S(1)不传达任何比特信息。

假设2t-1，2t时隙发射了信号S(t)，

在2t+1时隙，到达1+2b比特信息块B(t+1)等待差分调制后发射，具体差分调制过程描述如下：

步骤1，进行

映射：将1+2b比特信息块B(t+1)映射到发射调制空间

记映射结果为X(t+1)，

步骤2，计算2t+1，2t+2时隙的实际发射信号S(t+1)：S(t+1)＝S(t)X(t+1)。根据空间

的特点，可知一定有

步骤3，在2t+1，2t+2时隙发射信号S(t+1)。

3、解调方法：

设接收信号为

Y(t)_iu，u＝1，2，i＝1，2，…，N_r，表示时隙2t-2+u，第i根接收天线接收到的信号。更具体地，Y(t)_i1表示时隙2t-1第i根接收天线的接收信号，Y(t)_i2表示时隙2t第i根接收天线的接收信号。

可得一种解调方法，

$\begin{array}{c}\hat{X}(t+1)=\underset{X}{\arg \min }{\left|\right|Y(t+1)-Y\left(t\right)X\left|\right|}_F^2\\ =\underset{X}{\arg \max }\mathrm{trace}\left\{\mathrm{Re}\right\{Y{(t+1)}^{H}Y\left(t\right)X\left\}\right\}\end{array}$

其中||·||_F指Frobenius范数，Re{·}指复数的实部。具体解调过程描述如下：

步骤1，X遍历发射调制空间

中的所有元素，计算trace{Re{Y(t+1)^HY(t)X}}，寻找使得其最大的X_max。X(t+1)的估计值 $\hat{X}(t+1)=X_{\max },$ 即 $\hat{X}(t+1)=\underset{X}{\arg \max }\mathrm{trace}\left\{\mathrm{Re}\right\{Y{(t+1)}^{H}Y\left(t\right)X\left\}\right\}.$

步骤2，对

进行到发射调制空间

的逆映射，得到对应的1+2b比特信息块B(t+1)，此时即解调出时隙2t+1到达发射端的比特信息块B(t+1)。

更一般的，考虑当N_t＞2根发射天线的差分空域调制系统。前后两个发射块S(1)和S(2)均占用N_t个时隙，即它们的维度为N_t×N_t。发射信号S的发射调制空间

由个N_t×N_t的矩阵构成，其中每个矩阵的每一行每一列有且仅有一个元素非零。

为了保证携带的信息比特数为整数，空域映射比特数应为其中，

表示向下取整。例如，当N_t＝3时，空域映射比特数为

因为每个时隙有一根发射天线激活并发射2^b-PSK调制符号，所以差分空域调制系统的总的频谱效率为

具体差分调制过程与前文所述N_t＝2的情况类似。

现在考虑另一个问题：差分调制的步骤1中，将到达的比特信息块映射到发射调制空间

得到X(t+1)。在实际操作中，我们可以将

信息块拆分成两个部分，第一部分

第二部分N_tbbits。然后将第一部分

映射到一个长度为N_t的排列数，决定X(t+1)中发射天线激活顺序；将第二部分N_tbbits，映射成N_t个2^b-PSK调制符号，决定X(t+1)中N_t个符号。将两部分映射结果和在一起，得到X(t+1)。第二部分映射和传统的符号调制没有差别，但是在实际操作中应该如何将第一部分比特映射成排列数呢？

具体解决方案如下：

步骤1，首先将输入的二进制空间映射比特转化为十进制整数Z。例如，当N_t＝3时，输入为两个比特，其组合为{00，01，10，11}，对应的十进制整数集合为{0，1，2，3}。

步骤2，将十进制整数Z转化为N_t维度的阶乘向量

表示，即有：

$Z=b_{N_t-1}\×(N_1-1)!+b_{N_t-2}\×(N_t-2)!+\·\·\·+b_0\×0!$

转化方法具体如下。

并依此类推。

步骤3，将阶乘向量b转化为天线序号向量

其中a_i表示第N_t-i个时隙的第a_i+1根天线激活。转化方法具体如下。定义天线序号序列为Θ＝{0，...，N_t-1}，并令第一个元素的集合序号为0。也就是说，Θ_i＝i(i＝0,...，N_t)，表示第i+1根天线。于是，有

例如，当N_t＝3时，根据以上映射方法的结果如下表。

解调方法完全同N_t＝2的情况。

本发明具有以下优点：

在本方案中，信息块B(t)的解调只接收信号Y(t-1)和Y(t)有关，发送端和接收端都不需要信道响应信息，且不存在误码传播问题。与传统的SM调制相比，本方案中的接收端无需信道估计单元可以降低接收端的复杂度。此外，本方案可以避免传输导频符号，节省导频占用的频谱资源。

本发明对于通信设备制造商、通信运营商都有重大的意义。本发明能够提高系统设备的竞争力，同时对于通信运营商，本发明不仅能够提升用户的满意度，使运营商具有更大的竞争力，而且能够增加用户容量，从而提高运营商的收入和利润。

附图说明

图1是本发明中差分调制过程；

图2是本发明中差分解调过程；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了更清楚描述发射调制空间

下表以两发射天线BPSK符号调制为例，列举了一种发射调制空间

及一种信息块到空间的映射方法，具体见下表：

图1示出了本发明中差分调制过程，它的调制过程描述如下：

初始时隙1，2发射信号S(1)，S(1)可为任意一个属于本发明发射调制空间

的信号，不妨取 $S\left(1\right)=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$ 发射S(1)不传达任何比特信息。

假设2t-1，2t时隙发射了信号S(t)，

在2t+1时隙，到达1+2b比特信息块B(t+1)等待差分调制后发射，具体差分调制过程描述如下：

步骤1，进行

映射：将1+2b比特信息块B(t+1)映射到发射调制空间

记映射结果为X(t+1)，

符号调制被限定为2^b-PSK，其中b＝1，2，3，…。

为2^b-PSK符号调制空间，可以表示为其中

步骤2，计算2t+1，2t+2时隙的实际发射信号S(t+1)：S(t+1)＝S(t)X(t+1)。根据

的特点，可知

步骤3，在2t+1，2t+2时隙发射信号S(t+1)。

更具体地示例，可以见下表，下表示出了前8个时隙实际发射信号S(t)，t＝1，2，3，4…的计算过程：

图2示出了本发明中差分解调过程。设接收信号为

u＝1，2，i＝1，2，…，N_r，表示时隙2t-2+u，第i根接收天线接收到的信号。更具体地，Y(t)_i1表示时隙2t-1第i根接收天线的接收信号，Y(t)_i2表示时隙2t第i根接收天线的就收信号。具体解调过程描述如下：

步骤1，X遍历发射调制空间

中的所有元素，计算寻找使得范数最小的X_Fmin。其中，X(t+1)的估计值即 $\hat{X}(t+1)=\underset{X}{\arg \min }{\left|\right|Y(t+1)-Y\left(t\right)X\left|\right|}_F^2.$

步骤2，对

进行到发射调制空间

的逆映射，得到

对应的1+2b比特信息块B(t+1)，此时即解调出时隙2t+1到达发射端的比特信息块B(t+1)。

对于发射天线N_t＞2的差分空域调制和解调步骤同上。

以上对本发明所提供的空域调制的一种差分调制及解调方法进行了详细介绍。以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种空域调制系统中的差分调制方法，其特征在于发射信号S的发射调制空间

个N_t×N_t的矩阵构成，每个矩阵的每一行每一列有且仅有一个元素非零，每个非零元素从

中抽取，其中，N_t为发射天线数，

表示符号调制空间，所述符号调制被限定为2^b-PSK，b＝0，1，2，3，…；设矩阵

的第j行，第t列元素为G_jt，如果G_jt为零，则表示在时隙t，天线j空闲，不发送任何数据；如果G_jt非零，则表示在时隙t，天线j激活并发射符号G_jt。

2.如权利要求1所述的一种空域调制系统中的差分调制方法，其特征在于发射天线的选择和符号的选择均携带比特信息，发射调制空间

包含有

个元素，占用N_t个符号周期发射一个元素，每个元素可映射比特信息。

3.如权利要求1所述的一种空域调制系统中的差分调制方法，其特征在于调制过程具体包括以下步骤：

a)初始时隙(1，…，N_t)发射信号S(1)，S(1)可以为任意一个属于所述发射调制空间

的发射信号，且发射S(1)不传达任何比特信息；

b)在(tN_t+1，…，(t+1)N_t)时隙，到达

比特信息块B(t+1)，将比特信息块B(t+1)映射到发射调制空间记映射结果为X(t+1)，

c)计算(tN_t+1，…，(t+1)N_t)时隙的实际发射信号S(t+1)＝S(t)X(t+1)，其中S(t)表示((t-1)N_t+1，…，tN_t)时隙发射信号，

d)在(tN_t+1，…，(t+1)N_t时隙发射信号S(t+1))；

e)令t＝t+1，重复步骤b)到e)直至发射结束。

4.如权利要求3所述的一种空域调制系统中的差分调制方法，其特征在于其步骤b)具体包括以下步骤：

a)将

信息块B(t+1)拆分成两部分，第一部分

第二部分N_tbbits；

b)将第一部分

映射到一个长度为N_t的排列数，决定X(t+1)中发射天线激活顺序；

c)将第二部分N_tbbits映射成N_t个2^b-PSK调制符号，决定X(t+1)中N_t个符号；

d)将b)和c)所得映射结果合起来，得到X(t+1)。

5.如权利要求4所述的比特流到发射调制空间的映射方法，其特征在于其步骤b)具体包括以下步骤：

a)将输入的

个二进制比特转化为十进制数Z；

b)将Z以字典顺序表示为N_t维度的阶乘向量使满足

$Z=b_{N_t-1}\×(N_t-1)!+b_{N_t-2}\×(N_t-2)!+\·\·\·b_0\×0!$

c)将阶乘向量b映射到N_t维度的天线序号向量

6.如权利要求5所述的比特流到排列数的映射方法，其特征在于其步骤c)具体包括以下步骤：

a)构造序列Θ＝{0，1，．．．，N_t-1}，第一个元素Θ₀，令l＝N_t-1；

b) $a_l={\mathrm{\Θ}}_{b_l};$

c)将

元素从序列Θ中除去；

d)将l＝l-1，然后重复步骤b)到d)，直到l＝0。

7.一种与权利要求1所述的差分调制方法对应的解调方法，其特征在于解调过程具体包括以下步骤：

a)X遍历发射调制空间

中的所有元素，计算trace{Re{Y(t+1)^HY(t)X}}，寻找使得该式最大的X_max，其中，Re{·}指复数的实部；

为接收信号，Y(t)_iu，u＝1，2，…，N_t，i＝1，2，…，N_r，表示时隙u，第i根接收天线接收到的信号，得到X(t+1)的估计值

即 $\hat{X}(t+1)=\underset{X}{\arg \max }\mathrm{trace}\left\{\mathrm{Re}\right\{Y{(t+1)}^{H}Y\left(t\right)X\left\}\right\};$

b)对

进行到发射调制空间

的逆映射，得到

对应的比特序列。

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