CN104168088B - 一种基于双重交织的空间调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双重交织的空间调制方法及装置，所述方法为：发送端根据发射天线数、调制方式和LDPC码字长度确定块交织和空间调制参数，在LDPC的每个码字内，按映射比特块大小进行块内和块间的双重交织后再通过空间调制方式发送数据；接收端对接收数据进行天线序号解调和数据均衡，并从接收帧的信令部分解析得到发送端的相关参数，然后再利用与发送端相同的计算方法还原映射比特块大小，对接收数据进行双重或单重解交织，恢复出发送数据。本发明还提供了一种采用上述方法的装置，与现有技术相比，本发明在不提高系统复杂度的情况下充分适应天线数，调制方式灵活地进行交织，可以在明显提高频谱利用率的前提下明显改善系统性能。

Description

一种基于双重交织的空间调制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于双重交织的空间调制方法及装置，属于无线通信系统技术领域。

背景技术

在无线通信的发展过程中，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统极大地提高了系统的流量和频谱利用率，同时为了克服MIMO系统多天线之间的干扰，波束成形(Beamforming,BF)和空时分组编码(Space Time Block Code，STBC)被广泛应用。但采用闭环反馈机制的BF提高了系统的复杂度，以及非正交空时编码或全速率正交空时编码较大的编码时延也限制了系统的扩展。为了进一步提高系统的频谱利用率和克服多天线之间的干扰，空间调制(Spatial Modulation，SM)的技术逐渐被研究和应用。

在空间调制发展中，结合空间调制自身接收端天线序号对数据解调的影响的特点，出现了几种提高性能的方案：1)在空间调制映射前只对天线比特进行纠错编码的方案，以纠正天线序号解调错误的比特来提高系统的误比特率性能；2)对天线比特和数据比特都进行纠错编码的方案，也可以纠正误码提高系统的误比特率性能；3)在空间调制映射之前进行交织的方案，也达到了降低系统误比特率的目的。但使用的都是常规的交织方案，并没有结合空间调制映射自身的特点进行交织。

本发明充分利用空间调制映射自身特点，提出了一种基于双重交织的空间调制的方法和装置，本发明专利在不提高系统复杂度的情况下充分适应天线数，调制方式灵活地进行交织，可以在明显提高频谱利用率的前提下明显改善系统性能。

发明内容

发明目的：为了纠正突发性差错，改善空间调制通信系统的传输质量，本发明提出了一种基于双重交织的空间调制方法及装置，在发送机和接收机中利用发射天线数、低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code，LDPC)码字长度和调制方式的信息计算映射比特块的大小和决定采用的交织方式，以实现自适应地块内交织和块间交织的结合。

技术方案：一种基于双重交织的空间调制方法，发送端采用LDPC编码并通过空间调制方法将发送帧从多个天线发射，发送端在空间调制之前还结合空间调制特点对发送帧的数据部分做块交织操作，接收端通过解空间调制和解块交织恢复发送端LDPC编码后的比特数据，具体包括如下步骤：

步骤1：发送端根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW确定块交织和空间调制参数，参数包括：映射比特块包含的比特数m，其包含天线序号映射比特数T_b和数据星座映射比特数D_b；每个LDPC码字中含有的空间映射块数P以及需要补零的比特数z；

具体的计算公式为：

m＝T_b+D_b＝log₂(T)+log₂(M) (公式1)

z＝m-mod(L_cw,m) (公式3)

其中表示向下取整，mod(a,b)表示a对b取余。

步骤2：发送端根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的补零操作，并根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的联合交织的方式并完成块交织；

交织的方式具体包括：当T_b＝D_b时，对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块内和块间双重交织；当T_b＜D_b时，只对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块间交织；当T_b＞D_b时，只对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块内交织。

所述块内交织的方法为：将T_b对应比特的第一位与D_b对应比特的第一位互换；

所述块间交织的方法为：当一个LDPC码字补零后的空间调制映射块数为偶数时，第一块的T_b对应比特与第块的D_b对应比特交换位置，依次这样直到第块的T_b对应比特与第块的D_b对应块交织；当为奇数时，第一块的T_b对应比特与第块的D_b对应比特交换位置，依次这样直到第块的T_b对应比特与第块的D_b对应块交织；

所述块内和块间双重交织的方法为：先按照上述块内交织方法进行块内交织再按照上述块间交织方法进行块间交织，或者先按照上述块间交织方法进行块间交织再按照上述块内交织方法进行块内交织。

步骤3：发送端根据空间调制参数按空间调制映射的规则对交织后的比特数据进行空间调制；

步骤4：接收端对接收数据进行解空间调制，并从接收帧的信令部分解析得到空间调制映射时所采用的调制方式；具体步骤为：

步骤4.1：接收端对接收的符号序列进行天线序号的判决和数据的均衡处理，得到天线序号和数据星座点的估计。

设信道矩阵为：H＝[h₁,h₂,...,h_T]，其中T为发射天线数，h_j＝[h_1j,h_2j,...,h_Rj]^T为第j个发送天线都所有接收天线的信道响应组成的列向量，R为接收天线数；设是天线功率归一化系数，y＝[y₁,y₂,...,y_R]^T为所有天线上的接收信号组成的列向量，x＝[x₁,x₂,...,x_T]^T为发送端所有发送天线上的信号组成的列向量，其中只有一个不是零，n＝[n₁,n₂,...,n_R]^T是所有接收天线上的高斯噪声组成的列向量，则接收信号可以表示为：

若x_j≠0,j＝1,2,...,T，则根据公式4得出：

令则有：

发送天线的序号值r的计算公式为：

然后是对每个频点的数据的均衡，具体为先取所有接收天线上接收的每一个频点的数据y，然后利用MMSE(最小均方误差)下得出的均衡矩阵w左乘y得出每个频点数据的噪声估计其中w的计算如下：

对e取最小得出：

w＝[w₁,w₂,...,w_R]为R维的行向量，σ²为噪声的方差，I为单位矩阵，这样就可以得出数据星座点的噪声估计

步骤4.2：接收端在得到天线序号和数据星座点的估计后，按发送端空间调制映射的规则操作，将天线序号和数据星座逆向映射为原始的数据比特；

步骤4.3：从步骤4.2得出的原始的数据中的信令部分获取空间调制映射时所采用的调制方式。

步骤5：接收端根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW确定交织和空间调制相关参数。

步骤6：接收端根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的解交织的方式并完成解交织，并根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的去零操作，恢复交织前的LDPC编码后的比特数据。

解交织的方式与发送端交织方式一致，具体为：当T_b＝D_b时，对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块内和块间解双重交织；当T_b＜D_b时，只对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块间解交织；当T_b＞D_b时，只对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块内解交织。

解交织完成后，根据补零的比特数z来决定对每个码字的去零操作，恢复交织前的LDPC编码后的比特数据。具体为：如果z＝0,则不需要去零，如果z≠0，则需要去零。

一种采用如上方法的基于双重交织的空间调制装置，包括发送端和接收端，发送端包括交织与空间调制信息计算模块、块交织模块和空间调制映射模块，接收端包括解空间调制模块、交织与空间调制信息解析模块和比特解交织模块；

所述交织与空间调制信息计算模块根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M与LDPC码码字长度L_CW计算块交织和空间调制参数。参数包括：映射比特块包含的比特数m，其包含天线序号映射比特数T_b和数据星座映射比特数D_b；每个LDPC码字中含有的空间映射块数P以及补零的比特数z；

所述块交织模块的功能是：根据补零的比特数z对每个LDPC码字的补零操作，并根据T_b和D_b的大小关系，确定在每个LDPC码字内按映射比特块大小进行块内和块间的双重交织；

所述空间调制模块根据空间调制参数对交织后的比特数据进行空间调制；

所述解空间调制模块用于对接收数据进行解空间调制；

所述交织与空间调制信息解析模块用于从接收帧的信令部分解析得到空间调制映射时所采用的调制方式，并根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW计算块交织和空间调制相关参数；

所述比特解交织模块用于根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的解交织的方式并完成解交织，并根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的去零操作，恢复交织前的LDPC编码后的比特数据。

有益效果：本发明利用发射天线数、LDPC码字长度和调制方式的信息计算映射比特块的大小和决定采用的交织方式，以实现自适应地块内交织和块间交织的结合。本发明设计的块内与块间联合交织的方法充分利用上述三个信息，最大限度地发挥交织离散突发错误的作用。不但弥补了空间调制接收端天线序号对数据均衡的影响造成的性能损失，也增加了空间调制和交织技术的联合使用的灵活性，可以较大限度的提高系统性能。仿真结果表明，本发明提出的自适应映射比特块内与块间的双重交织和解交织方法以及装置，明显优于传统空间调制的方法及装置。

附图说明

图1为本发明方法的总体实现流程图；

图2为本发明方法中发送端的实现流程图；

图3为本发明方法中接收端的实现流程图；

图4为本发明实施例中发送端的双重交织方法示意图；

图5为本发明提出的基于双重交织的空间调制方法与传统空间调制方法的性能对比图。

具体实施方式

下面以毫米波无线局域网(IEEE 802.11aj)为例，结合附图对本发明基于双重交织的空间调制方法和装置的具体实施方式作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利。

本发明实施例中，IEEE 802.11aj支持两种带宽540MHz和1080MHz，其对应的数据子载波数为168和336，采用LDPC编码时的码字长度为672，为了仿真对比，本实施实例支持QPSK和16QAM的码率为1/2的MCS，其它参数见表1，支持不同发送天线和不同调制方式的场景可以修改本实施例中的例子得到。

表1仿真参数设置

以540MHz带宽，4个发送天线，QPSK或16QAM调制，一个空间流为例，如图1所示，本发明公开了一种基于双重交织的空间调制方法，发送端采用LDPC编码，根据发射天线数、调制方式和LDPC码字长度计算得到的交织和空间调制参数将LDPC编码输出的比特数据进行块交织后再进行空间调制，接收端通过解空间调制并从接收帧的信令部分获取发送端参数，根据交织和空间调制参数进行解块交织从而恢复发送端LDPC编码后的比特数据。发送端的实现流程如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1：发送端计算得到块交织和空间调制参数，包括：

利用发射天线数和调制方式计算空间调制映射比特块包含的比特数m，天线序号映射比特数T_b，数据星座映射比特数D_b，其计算公式为：

m＝T_b+D_b＝log₂(T)+log₂(M) (公式1)

其中T是发射天线数，此处T＝4；M为调制的阶数，此处M＝4或M＝16；

根据LDPC码字长度计算一个码字中含有的映射块数P以及补零比特数z，具体的计算公式为：

z＝m-mod(L_cw,m) (公式3)

其中L_CW＝672bit是一个码字长度，表示向下取整，mod(a,b)表示a对b取余，由公式1知m＝4或m＝6，由公式2知P＝168或P＝112；

步骤2：发送端根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的补零操作，并根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的联合交织的方式并完成块交织在交织模块中，操作步骤如下：

步骤2.1：根据公式3得出的补零比特数对LDPC码的每个码字判断是否需要进行补零操作，如果z＝0,则不需要进行补零，如果z≠0，则需要补z个零，此处z＝0，所以不需要补零；

步骤2.2：设置交织器要进行交织的映射比特块的数量，当z＝0时，补零后的映射块数为的大小就是公式2计算得出的值，当z≠0时，此处，或

步骤2.3：判断天线序号映射比特数T_b和数据星座映射比特数D_b的大小关系，此处T_b＝2，D_b＝2或D_b＝4，进行如下操作：

当T_b＝D_b＝2时，进行双重交织，在一个码字内，首先是块内交织，这里只是将T_b对应比特的第一位与D_b对应比特的第一位互换；然后是块间交织，由的值知：交织块数有偶数块，那么第一块的T_b对应比特与第块的D_b对应比特交换位置，依次这样直到第块的T_b对应比特与第块的D_b对应块交织，如图4；

当T_b＝2，D_b＝4时，则T_b＜D_b，进行块间交织，具体操作就按上述的块间交织的方法进行，如图4。

步骤3：发送端根据公式1计算得出的m值，按空间调制映射的规则对交织后的比特映射成所选用的调制方式的星座符号，并将星座符号分配到对应的天线上进行发射；具体的映射的规则可参考表2-4：

表2T＝4，M＝2(BPSK)时的比特块与空间调制映射符号的对照表

输入比特	天线序号	发送符号	输入比特	天线序号	发送符号
						000	1	-1	100	3	-1
001	1	1	101	3	1
						010	2	-1	110	4	-1
011	2	1	111	4	1

表3T＝4，M＝4(QPSK)时的比特块与空间调制映射符号的对照表

输入比特	天线序号	发送符号	输入比特	天线序号	发送符号
						0000	1	1+j	1000	3	1+j
0001	1	-1+j	1001	3	-1+j
						0011	1	-1-j	1011	3	-1-j
0010	1	1-j	1010	3	1-j
						0100	2	1+j	1100	4	1+j
0101	2	-1+j	1101	4	-1+j
						0111	2	-1-j	1111	4	-1-j
0110	2	1-j	1110	4	1-j

表4T＝4，M＝16(16QAM)时的比特块与空间调制映射符号的对照表

注：映射是一般要把星座点归一化。具体的归一化因子为

接收端的实现流程如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤4：接收端对接收数据进行解空间调制，并从接收帧的信令部分解析得到空间调制映射时所采用的调制方式；具体的步骤为：

步骤4.1：接收端对接收的符号序列进行天线序号的判决和数据的均衡处理，得到天线序号和数据星座点的估计。

设信道矩阵为：H＝[h₁,h₂,h₃,h₄]，h_j＝[h_1j,h_2j]^T为第j个发送天线对2个接收天线的信道响应组成的列向量；设是天线功率归一化系数，y＝[y₁,y₂]^T为所有天线上的接收信号组成的列向量，x＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T为发送端所有发送天线上的信号组成的列向量，其中只有一个不是零，n＝[n₁,n₂]^T是所有接收天线上的高斯噪声组成的列向量，则接收信号可以表示为：

若x_j≠0,j＝1,2,3,4，则由公式4得出：

令则有：

发送天线的序号值r的计算公式为：

得出发送天线的序号值r，再把r的值按空间调制的映射表逆向转化为二进制就可得出硬信息；

然后是对每个频点的数据均衡，具体为先取所有接收天线上接收的每一个频点的数据y＝[y₁,y₂]^T，然后利用MMSE得出的均衡矩阵w左乘y得出每个频点数据的噪声估计其中w的计算如下：

对e取最小得出：

w＝[w₁,w₂]为2维的行向量，σ²为噪声的方差，这样就可以得出数据星座点的噪声估计

步骤4.2：接收端在得到天线序号和数据星座点的估计后，按发送端空间调制映射的规则操作，将天线序号和数据星座逆向映射为原始的数据比特；

步骤4.3：从步骤4.2得出的原始的数据中的信令部分获取空间调制映射时所采用的调制方式，此外为QPSK或16QAM。

步骤5：接收端根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW确定交织和空间调制相关参数。具体的参数和计算方式与步骤1相同。

步骤6：接收端根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的解交织的方式并完成解交织，并根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的去零操作，恢复交织前的LDPC编码后的比特数据。具体步骤包括：

步骤6.1：在进行解交织的操作，接收机根据映射块数或码字长度L_CW＝672bit，映射比特块大小m＝4或m＝6和天线序号映射比特数T_b＝2，与数据星座映射比特数D_b＝2或D_b＝4的信息决定解交织的具体操作为：

当T_b＝D_b＝2时，进行解双重交织，具体按图4的流程逆向进行；

当T_b＝2，D_b＝4时，则T_b＜D_b，进行解单重交织，此处解块间交织，具体按图4的块间交织的流程逆向进行；

步骤6.2：根据公式3计算得出的补零的比特数z来决定对每个码字的去零操作，由于此处z＝0,则不需要去零。

一种采用如上方法的基于双重交织的空间调制装置，包括发送端和接收端，发送端包括：交织与空间调制信息计算模块、块交织模块和空间调制映射模块，接收端包括：解空间调制模块、交织与空间调制信息解析模块和比特解交织模块；

交织与空间调制信息计算模块根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW计算块交织和空间调制参数。参数包括：映射比特块包含的比特数m，其包含天线序号映射比特数T_b和数据星座映射比特数D_b；每个LDPC码字中含有的空间映射块数P以及补零的比特数z；

块交织模块用于根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的补零操作，并根据T_b和D_b的大小关系，确定在每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的双重交织；

空间调制模块根据空间调制参数对交织后的比特数据进行空间调制；

解空间调制模块用于对接收数据进行解空间调制；

交织与空间调制信息解析模块用于从接收帧的信令部分解析得到空间调制映射时所采用的调制方式，并根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW计算块交织和空间调制相关参数；

比特解交织模块用于根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的解交织的方式并完成解交织，并根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的去零操作，恢复交织前的LDPC编码后的比特数据。

为了对比同传统的空间调制系统之间的性能差异，本发明实施案例还提供了同传统的空间调制系统之间的性能对比图。本发明实施例以1080MHz带宽下一个空间流、QPSK和16QAM调制，4个发射天线，2个接收天线为例，对本发明的性能进行了对比说明，具体见图5。可以看出，本发明提供的交织方法，明显优于传统空间调制的方法。

Claims (6)

1.一种基于双重交织的空间调制方法，发送端采用LDPC编码并通过空间调制方法将发送帧从多个天线发射，其特征在于，发送端在空间调制之前还结合空间调制特点对发送帧的数据部分做块交织操作，接收端通过解空间调制和解块交织恢复发送端LDPC编码后的比特数据，具体包括如下步骤：

(1)发送端根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW确定块交织和空间调制参数，所述参数包括：映射比特块包含的比特数m，其包含天线序号映射比特数T_b和数据星座映射比特数D_b；每个LDPC码字中含有的空间映射块数P以及每个LDPC码字需要补零的比特数z；

(2)发送端根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的补零操作，并根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的联合交织的方式并完成块交织；

(3)发送端根据空间调制参数按空间调制映射的规则对交织后的比特数据进行空间调制；

(4)接收端对接收数据进行解空间调制，并从接收帧的信令部分解析得到空间调制映射时所采用的调制方式；

(5)接收端根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW确定块交织和空间调制相关参数；

(6)接收端根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的解交织的方式并完成解交织，并根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的去零操作，恢复交织前的LDPC编码后的比特数据。

2.根据权利要求1所述的基于双重交织的空间调制方法，其特征在于：

步骤(1)的块交织和空间调制参数的计算公式为：

m＝T_b+D_b＝log₂(T)+log₂(M) 公式1

z＝m-mod(L_cw,m) 公式3

其中表示向下取整，mod(a,b)表示a对b取余。

3.根据权利要求1所述的基于双重交织的空间调制方法，其特征在于：

步骤(2)中根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的联合交织的方式具体为：当T_b＝D_b时，对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块内和块间双重交织；当T_b＜D_b时，只对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块间交织；当T_b＞D_b时，只对每个LDPC码字按映射比特块大小进行块内交织。

4.根据权利要求3所述的基于双重交织的空间调制方法，其特征在于：

所述块内交织的方法为：将T_b对应比特的第一位与D_b对应比特的第一位互换；

所述块间交织的方法为：当一个LDPC码字补零后的空间调制映射块数为偶数时，第一块的T_b对应比特与第块的D_b对应比特交换位置，依次这样直到第块的T_b对应比特与第块的D_b对应块交织；当为奇数时，第一块的T_b对应比特与第块的D_b对应比特交换位置，依次这样直到第块的T_b对应比特与第块的D_b对应块交织；

所述块内和块间双重交织的方法为：先按照上述块内交织方法进行块内交织再按照上述块间交织方法进行块间交织，或者先按照上述块间交织方法进行块间交织再按照上述块内交织方法进行块内交织。

5.根据权利要求1所述的基于双重交织的空间调制方法，其特征在于：所述步骤(4)接收端对接收数据进行解空间调制，并从接收帧的信令部分解析得到空间调制映射时所采用的调制方式的具体步骤包括：

(4.1)接收端对接收的符号序列进行天线序号的判决和数据的均衡处理，得到天线序号和数据星座点的估计；

(4.2)按照发送端空间调制映射的规则将天线序号和数据星座逆向映射为原始的数据比特；

(4.3)从步骤(4.2)得出的原始的数据中的信令部分获取空间调制映射时所采用的调制方式。

6.一种采用如权利要求1-5所述的基于双重交织的空间调制方法的基于双重交织的空间调制装置，包括发送端和接收端，其特征在于：

发送端包括交织与空间调制信息计算模块、块交织模块和空间调制映射模块，接收端包括解空间调制模块、交织与空间调制信息解析模块和比特解交织模块；

所述交织与空间调制信息计算模块根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW计算块交织和空间调制参数，参数包括：映射比特块包含的比特数m，其包含天线序号映射比特数T_b和数据星座映射比特数D_b；每个LDPC码字中含有的空间映射块数P以及补零的比特数z；

所述块交织模块根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的补零操作，并根据T_b和D_b的大小关系确定在每个LDPC码字内的按映射比特块大小进行的块内和块间的双重交织；

所述空间调制模块根据空间调制参数对交织后的比特数据进行空间调制；

所述解空间调制模块用于对接收数据进行解空间调制；

所述交织与空间调制信息解析模块用于从接收帧的信令部分解析得到空间调制映射时所采用的调制方式，并根据发射天线数T、调制方式对应的调制阶数M和LDPC码字长度L_CW计算块交织和空间调制相关参数；

所述比特解交织模块用于根据T_b和D_b的大小关系确定每个LDPC码字内按映射比特块大小进行的块内和块间的解交织的方式并完成解交织，并根据补零的比特数z来决定对每个LDPC码字的去零操作，恢复交织前的LDPC编码后的比特数据。