CN103986677B

CN103986677B - 基于发射分集的空移键控调制方法

Info

Publication number: CN103986677B
Application number: CN201410187149.5A
Authority: CN
Inventors: 方舒; 李磊; 巫健; 李少谦
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2034-05-05
Also published as: CN103986677A

Abstract

本发明公开了一种基于发射分集的空移键调制方法，本发明的方法在传统的SSK调制基础上，结合发射分集模式进行传输和接收，在发射端采用多个时隙发送同一数据，在不同时隙内采用不同的天线映射方式，同时利用不同时隙激活天线的发送符号组合承载一部分额外的数据信息，因此本发明的方法是一种基于空间分集的SSK调制传输方式。与传统SSK相比，由于采用多个时隙发送同一数据的分集方式，提高系统的误码性能；在不同时隙内采用不同的映射方式使得系统获得较高的分集增益；由于不同时隙上发送符号携带发送信息，因此系统的频率效率进一步提高。

Description

基于发射分集的空移键控调制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput，MIMO)技术，具体涉及基于发射分集的空移键控调制(Space Shift Keying，SSK)MIMO方法。

背景技术

多输入多输出技术作为未来无线通信领域的关键技术之一，极大地提高了系统的频谱效率(Spectrum Efficient，SE)，基于空移键控调制的MIMO技术被认为是未来5G系统的重要技术之一。

SSK技术的思路与传统MIMO技术不同之处在于传统MIMO用APM(Amplitude/PhaseModulation)调制符号承载发送的二进制数据信息，而SSK用空移键控调制来承载发送的二进制数据信息，其系统框图如图1所示。

经SSK调制后，每次发射只激活天线阵列中的某一根发射天线，该天线的十进制天线序号承载发送的二进制数字信号。在接收端只需要检测出是哪根天线被激活传输，即可通过十进制转二进制的SSK解调得到此时传输的二进制数据。空移键控技术由于发射时只有一根天线被激活，所以无多信道干扰ICI存在，同时也不需要发送数据的时间同步，同时减少了RF射频链路。

SSK技术与目前MIMO研究的另一热点技术——空间调制技术(SpatialModulation，SM)类似，不同之处在于SSK的二进制比特数据承载的全部是天线序号信息，而SM的二进制比特数据一部分承载天线序号信息，另一部分承载传统APM调制符号信息，因此SM技术可看作SSK技术的扩展。

有文献提出了基于空时SSK的技术(STSK：Space-time Shift Keying、ST-SSK:Space-time SSK)，该方法将SSK技术与分集技术结合进行空时联合编码来获得空间上的分集增益。通过在发射端利用多个时隙来发送相同数据，从而获得较好的误码率性能。在接收端将收到的多个时隙的信号进行联合，采用最大似然ML算法检测从而获得发送数据。基于空时SSK的技术因为应用多个时隙传送一个数据，因此系统的频谱效率随时隙的增加逐渐降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提出了一种基于发射分集的空移键调制方法。

本发明的技术方案为：一种基于发射分集的空移键调制方法，具体步骤如下：

步骤1.用L(L<N_t)个时隙来传送m＝log₂N_t+n(n≤log₂c^L)比特的数据，其中N_t为发送天线数，c为发送的不同符号数。每个时隙内由天线序号传输相同的log₂N_t比特数据，由L个时隙激活天线的不同发送符号组合来承载附加n比特的数据。该发明前log₂N_t比特数据可传输的所有二进制数据为其中a_i,i＝1,2,...N_t为log₂N_t比特的二进制比特流的第i种组合形式，共有N_t种组合。下标i为对应的log₂N_t二进制传输比特转为十进制后得到的值再加1(1≤i≤N_t)。该发明后n比特数据可传输的所有二进制发送比特为其中，b_j,j＝1,2,...2ⁿ为n比特的二进制数据流的第j种组合形式，共有2ⁿ种组合，其中，下标j为对应的二进制传输比特b_j,j＝1,2,...2ⁿ转为十进制后得到的值再加1(1≤j≤2ⁿ)。

步骤2.对发送数据在不同时隙进行发射天线的映射。设集合为数据a_i(i∈{1,2,...N_t})在l(1≤l≤L)时隙上的映射集合，该集合A_l表示在第l时隙上发送不同数据对应的激活天线序号集合。f(t_l,a_i)表示在第l个时隙上发送数据a_i时激活的天线序号。

步骤3.在第l个时隙时发送数据a_i，i∈{1,2,...N_t}时激活不同天线依据以下原则：第一时隙根据发送比特a_i，i∈{1,2,...N_t}时所激活的天线序号为序列a_i的下标i。即则序列a_i在第一时隙发送时的映射集合令原天线序号集合A₀＝{1,2,3,…,N_t}，则有A₁＝A₀。对于第l个时隙，发送二进制序列a_i所激活天线对应的映射集合为shift(A₀,l-1)表示对集合A₀循环左移l-1位后得到的新的集合为A_l。

步骤4.根据依次找出第1,2,…L个时隙上发送数据对应的映射集合A₁A2…A_L。则在第l时隙时根据发送数据a_i时所得激活天线序号为集合A_l的第i个元素f(t_l,a_i)。

步骤5.将附加部分所有的可能发送比特数据(1≤j≤2ⁿ)映射为L个时隙对应激活天线上的发射符号，因此被激活的天线在每时隙发送的符号由发送数据b_j所决定。设发送符号矩阵S_j＝[x(t₁,b_j)x(t₂,b_j)…x(t_L,b_j)](1≤j≤2ⁿ)，其表示发送额外n比特的二进制序列b_j时，在不同时隙激活天线后所发送的符号组合。

x(t_l,b_j)为第l时隙上发送二进制序列b_j时在激活天线上发送的符号。另设符号矩阵[X₁X₂…X_k…X_L]，其中符号X_k(1≤k≤L)在集合{1,-1,j,-j}中选取(即X_k∈{1,-1,j,-j})。若发送符号数选取c个，传输时隙数为L，则c个可能的发送符号在L个时隙所构成的符号矩阵[X₁X₂…X_L]共有c^L个不同的组合,记[X₁X₂…X_L]_λ(1≤λ≤c^L)为[X₁X₂…X_L]第λ种组合。因此附加部分可传的n比特的符号矩阵S_j在可能的c^L种组合中选取2ⁿ种组合，通过已选取的2ⁿ种组合映射发送的额外的n比特序列b_j,j＝1,2,...,2ⁿ。

步骤6.对附加的发送二进制比特序列b_j，则在已选取好的2ⁿ个不同的[X₁X₂…X_L]组合中选出约定好的一组S_j＝[X₁X₂…X_L]_λ,j＝1,2,...,2ⁿ进行发送，其中，j表示发送符号的第j种组合方式，接收端检测出该发送符号的组合后再根据约定的组合恢复出附加比特数b_j。

步骤7.对于n比特所有的二进制序列依次选择出2ⁿ个发送符号矩阵则发送数据为b_j时在第l时隙上发送的符号为S_j中的第l个元素。根据范数最小准则从c^L个组合里选取2ⁿ种组合，即最大化任意两种组合间的欧式距离

本步骤中，一旦2ⁿ种组合确定，其发送的组合可随机排序，但需要收发双方约定同样的排序准则。如发送符号约定为第一种发射组合，若n＝3时，即可承载附加的3比特的信息为000；如发送符号约定为第3种发射组合，即可承载附加的3比特的信息为010。

步骤8.对于待发送的log₂N_t比特数据a和n比特数据b，分别转换为其对应的十进制数值并加1记为k_a，k_b。在集合A₁A₂…A_L中依次找出不同时隙上发送该序列时所激活天线序号在发送符号矩阵中找到序列b对应的发射符号矩阵因此发送端在第l个时隙上选择根天线发送符号中的

本发明的有益效果：本发明的方法在传统的SSK调制基础上，结合发射分集模式进行传输和接收，在发射端采用多个时隙发送同一数据，在不同时隙内采用不同的天线映射方式，同时利用不同时隙激活天线的发送符号组合承载一部分额外的数据信息，因此本发明的方法是一种基于空间分集的SSK调制传输方式。与传统SSK相比，由于采用多个时隙发送同一数据的分集方式，提高系统的误码性能；在不同时隙内采用不同的映射方式使得系统获得较高的分集增益；由于不同时隙上发送符号携带发送信息，因此系统的频率效率进一步提高。

附图说明

图1为传统空移键控调制SSK系统框图。

图2为本发明的方法与传统空移键控算法的性能比较示意图。

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。

考虑传统空移键控SSK系统的链路，如图1所示：传统SSK系统具有N_t根发送天线和N_r根接收天线。经过信道编码、交织等处理后生成待发送数据c，数据c进入SSK比特映射器选择发送天线的序号，然后激活相应的天线发送信号。

传统SSK系统某一时刻只有一根天线激活，因此发射信号可写作矩阵形式x＝[00…1…0]，发射信号x经过N_t发N_r收的MIMO信道和高斯白噪声信道后到达接收端。

接收端的信号可写为：

其中，ρ为发送端总的信噪比(SNR)，为N_r×N_t的MIMO信道矩阵，h_i为第i根发送天线对应的N_r×1维的MIMO信道向量，n是接收端的高斯噪声(n服从高斯分布)。

本发明的方法用L(L<N_t)个时隙来传送m＝log₂N_t+n(n≤log₂c^L)比特的数据，其中N_t为发送天线数，c为发送的不同符号数。每个时隙内由天线序号传输相同的log₂N_t比特数据，由L个时隙激活天线的不同发送符号组合来承载附加n比特的数据，前log₂N_t比特数据可传输的所有二进制数据为其中，a_i,i＝1,2,...N_t为log₂N_t比特的二进制比特流的第i种组合形式，共有N_t种组合，下标i为对应的log₂N_t二进制传输比特转为十进制后得到的值再加1(1≤i≤N_t)。例如N_t＝4时，a₁＝00a₂＝01a₃＝10a₄＝11。该发明后n比特数据可传输的所有二进制发送比特为其中b_j,j＝1,2,...2ⁿ为n比特的二进制数据流的第j种组合形式，共有2ⁿ种组合。其中下标j为对应的二进制传输比特b_j,j＝1,2,...2ⁿ转为十进制后得到的值再加1(1≤j≤2ⁿ)例如n＝2时，b₁＝00b₂＝01b₃＝10b₄＝11。第l个时隙内接收端的信号可以写为：

表示在l(1<l<L)个时隙上接收信号，f(t_l,a_i)表示在第l个时隙时发送数据a_i(1≤i≤log₂N_t)时激活的天线序号。

x(t_l,b_j)表示第l时隙上发送数据b_j在激活天线上发送的符号，表示为第l时隙上的噪声，则L个时隙内接收端的信号写成矩阵形式为：

本发明具体方案如下：

对发送数据在不同时隙进行发射天线的映射。设集合为数据a_i(i∈{1,2,...N_t})在l(1≤l≤L)时隙上的映射集合，该集合A_l表示在第l时隙上发送不同数据对应的激活天线序号集合。

在第l个时隙时发送数据a_i，i∈{1,2,...N_t}时激活不同天线依据以下原则：第一时隙根据发送比特a_i，i∈{1,2,...N_t}时所激活的天线序号为序列a_i的下标i，即则序列a_i在第一时隙发送时的映射集合

令原天线序号集合A₀＝{1,2,3,…,N_t}，则有A₁＝A₀，对于第l个时隙，发送二进制序列a_i所激活天线对应的映射集合为shift(A₀,l-1)表示对集合A₀循环左移l-1位后得到的新的集合为A_l。

根据依次找出第1,2,…L个时隙上发送数据对应的映射集合A₁A₂…A_L，则在第l时隙时根据发送比特a_i时所得激活天线序号为集合A_l的第i个元素f(t_l,a_i)。

将附加部分所有的可能发送比特数据映射为L个时隙对应激活天线上的发射符号，因此被激活的天线在每时隙发送的符号由发送数据b_j所决定。

设发送符号矩阵S_j＝[x(t₁,b_j)x(t₂,b_j)…x(t_L,b_j)](1≤j≤2ⁿ)，表示发送额外n比特的二进制序列b_j时，在不同时隙激活天线后所发送的符号组合，x(t_l,b_j)为第l时隙上发送二进制序列b_j时在激活天线上发送的符号。

另设符号矩阵[X₁X₂…X_k…X_L]，其中，符号X_k(1≤k≤L)在集合{1,-1,j,-j}中选取(即X_k∈{1,-1,j,-j})。若发送符号数选取c个，传输时隙数为L，则c个可能的发送符号在L个时隙所构成的符号矩阵[X₁X₂…X_L]共有c^L个不同的组合,记[X₁X₂…X_L]_λ(1≤λ≤c^L)为[X₁X₂…X_L]第λ种组合。因此附加部分可传的n比特的符号矩阵S_j在可能的c^L种组合中选取2ⁿ种组合，通过已选取的2n种组合映射发送的额外的n比特序列b_j,j＝1,2,...,2ⁿ。

例如：c＝4L＝2时，[X₁X₂]∈{[11][1-1][1-j][1j][-11][-1-1][-1j][j1][j-1][jj][j-j][-j1][-j-1][-jj][-j-j]}，因此能够传输序列b的位数最高为log₂4^L＝4。

对附加的发送二进制比特序列b_j，则在已选取好的2ⁿ个不同的[X₁X₂…X_L]组合中选出约定好的一组S_j＝[X₁X₂…X_L]_λ,j＝1,2,...,2ⁿ进行发送，其中j表示发送符号的第j种组合方式。接收端检测出该发送符号的组合后再根据约定的组合恢复出附加比特数b_j。

对于n比特所有的二进制序列依次选择出2ⁿ个发送符号矩阵则发送数据为b_j时在第l时隙上发送的符号为S_j中的第l个元素。

根据范数最小准则从c^L个组合里选取2ⁿ种组合，即使得任意两个发送符号的范数较大。一旦2ⁿ种组合确定，其发送的组合可随机排序，但需要收发双方约定同样的排序准则。如约定发送符号为第一种发射组合，若n＝3时，即可承载附加的3比特的信息为000；如发送符号约定为第3种发射组合，即可承载附加的3比特的信息为010。

对于待发送的数据a和数据b，分别转换为其对应的十进制数值并加1记为k_a，k_b，在集合A₁A₂…A_L中依次找出不同时隙上的激活天线序号在发送符号矩阵中找到序列b对应的发射符号矩阵因此发送端在第l个时隙上选择根天线发送符号中的

下面结合表1和图2以具体实例的形式对本发明进行详细的说明。

表1为本发明方法的一种映射方案：

表1

输入数据	f(t₁,a_i),x(t₁,b_j)	f(t₂,a_i),x(t₂,b_j)	输入数据	f(t₁,a_i),x(t₁,b_j)	f(t₂,a_i),x(t₂,b_j)
						0000	1,1	2,1	1000	3,1	4,1
0001	1,-1	2,-1	1001	3,-1	4,-1
						0010	1,i	2,i	1010	3,i	4,i
0011	1,-i	2,-i	1011	3,-i	4,-i
						0100	2,1	3,1	1100	4,1	1,1
0101	2,-1	3,-1	1101	4,-1	1,-1
						0110	2,i	3,i	1110	4,i	1,i
0111	2,-i	3,-i	1111	4,-i	1,-i

图2为本发明的方法与传统的空移键控算法的性能比较示意图。系统发射端配置4根发射天线，接收端有1根天线，在两个时隙内发送4比特数据，即L＝2,m＝4N_t＝4，N_r＝1。发送的4比特数据其中log₂N_t＝2，n＝2。

对于前log₂N_t＝2比特的数据有[a₁ a₂ a₃ a₄]＝[00 01 10 11]，则第一时隙[f(t₁,a₁),f(t₁,a₂),f(t₁,a₃),,f(t₁,a₄)]＝[1,2,3,4]，对于第二时隙，这时A₀＝{1,2,3,4}对A₀循环左移1可得第二时隙的映射集合为[f(t₂,a₁),f(t₂,a₂),f(t₂,a₃),f(t₂,a₄)]＝[2,3,4,1]，对附加2比特数据选择c＝4，同样[b₁b₂b₃b₄]＝[00 01 10 11]，则在发射符号集合{1,-1,j,-j}选择时隙内激活天线的发射符号有16中组合，选择最优的4种如下：[x(t₁,b₁),x(t₂,b₁)]＝[11]，[x(t₁,b₂),x(t₂,b₂)]＝[-1-1]，[x(t₁,b₃),x(t₂,b₃)]＝[jj]，[x(t₁,b₄),x(t₂,b₄)]＝[-j-j]，组合两次发送数据的映射方式可得到表1。

由图2可知本发明的方法与传统SSK调制相比，在两个时隙传送4比特时，本发明的方法的误码性能大幅度提高。

Claims

1.一种基于发射分集的空移键调制方法，具体步骤如下：

步骤1.用L个时隙来传送m＝log₂N_t+n比特的数据，其中，L＜N_t，N_t为发送天线数，n≤log₂c^L，c为发送的不同符号数；

每个时隙内由天线序号传输相同的log₂N_t比特数据，由L个时隙激活天线的不同发送符号组合来承载附加n比特的数据；

前log₂N_t比特数据可传输的所有二进制数据为其中，a_i,i＝1,2,...N_t为log₂N_t比特的二进制比特流的第i种组合形式，共有N_t种组合，下标i为对应的log₂N_t二进制传输比特转为十进制后得到的值再加1；

后n比特数据可传输的所有二进制发送比特为其中，b_j,j＝1,2,...2ⁿ为n比特的二进制数据流的第j种组合形式，共有2ⁿ种组合，其中，下标j为对应的二进制传输比特b_j转为十进制后得到的值再加1；

步骤2.对发送数据在不同时隙进行发射天线的映射；

设集合为数据a_i在l时隙上的映射集合，其中，1≤l≤L，该集合A_l表示在第l时隙上发送不同数据对应的激活天线序号的映射集合，f(t_l,a_i)表示在第l个时隙上发送数据a_i时激活的天线序号；

步骤3.在第l个时隙时发送数据a_i时激活不同天线依据以下原则：

第一时隙根据发送比特a_i时所激活的天线序号为序列a_i的下标i，即则序列a_i在第一时隙发送时的映射集合令原天线序号集合A₀＝{1,2,3,…,N_t}，则有A₁＝A₀；

对于第l个时隙，发送二进制序列a_i所激活天线对应的映射集合为shift(A₀,l-1)表示对集合A₀循环左移l-1位后得到的新的集合为A_l；

步骤4.根据依次找出第1,2,…L个时隙上发送数据对应的映射集合A₁A₂…A_L，则在第l时隙时根据发送数据a_i时所得激活天线序号为集合A_l的第i个元素f(t_l,a_i)；

步骤5.将附加部分所有的可能发送比特数据映射为L个时隙对应激活天线上的发射符号，被激活的天线在每时隙发送的符号由发送数据b_j所决定，

设发送符号矩阵S_j＝[x(t₁,b_j) x(t₂,b_j) … x(t_L,b_j)]，表示发送额外n比特的二进制序列b_j时，在不同时隙激活天线后所发送的符号组合；x(t_l,b_j)为第l时隙上发送二进制序列b_j时在激活天线上发送的符号，设符号矩阵[X₁X₂…X_k…X_L]，其中，X_k在集合{1,-1,j,-j}中选取，即X_k∈{1,-1,j,-j}；

若发送符号数选取c个，传输时隙数为L，则c个可能的发送符号在L个时隙所构成的符号矩阵[X₁X₂…X_L]共有c^L个不同的组合，记[X₁X₂…X_L]_λ为[X₁X₂…X_L]第λ种组合，其中，1≤λ≤c^L，附加部分可传的n比特的符号矩阵S_j在可能的c^L种组合中选取2ⁿ种组合，通过已选取的2ⁿ种组合映射发送的额外的n比特序列b_j；

步骤6.对附加的发送二进制比特序列b_j，则在已选取好的2ⁿ个不同的[X₁X₂…X_L]组合中选出约定好的一组S_e＝[X₁X₂…X_L]_λ进行发送，其中，e表示发送符号的第e种组合方式，接收端检测出该发送符号的组合后再根据约定的组合恢复出附加比特数b_j；

步骤7.对于n比特所有的二进制序列依次选择出2ⁿ个发送符号矩阵则发送数据为b_j时在第l时隙上发送的符号为S_j中的第l个元素；

根据范数最小准则从c^L个组合里选取2ⁿ种组合，即最大化任意两种组合间的欧式距离

步骤8.对于待发送的log₂N_t比特数据a和n比特数据b，分别转换为其对应的十进制数值并加1记为k_a、k_b，在集合A₁A₂…A_L中依次找出不同时隙上发送该序列时所激活天线序号在发送符号矩阵中找到序列b对应的发射符号矩阵发送端在第l个时隙上选择根天线发送符号中的