CN104539336A - 一种利用发送分集的空间调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用发送分集的空间调制方法及装置，根据不同发送天线数目和选用的星座映射方式来决定空间调制映射比特块的大小。根据发送天线数组合方式的数目来计算天线号映射包含的比特数，然后根据所选择的星座映射方式来计算星座符号所需的映射比特数。接收端则相应地先对天线号检测，检测出天线号后再均衡出星座符号的估计值，最后组合成原始的发送比特。本发明在不提高系统复杂度的情况下，克服了传统空间调制系统仅仅利用了多输入多输出系统多发射天线的空间复用，而完全没有利用多发射天线的分集增益的缺点，在保留了传统空间调制克服信道间干扰的优点的同时利用了多发射天线的分集增益，可以在明显提高频谱利用率和避免信道间干扰的前提下进一步地改善通信系统性能。

Description

一种利用发送分集的空间调制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用发送分集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和多径干扰，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延时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使用。

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，出现了几种改进或性能提高的方案：1)在空间调制前把纠错编码的技术应用于映射比特方案，以纠正天线序号检测错误的比特来提高系统的误比特率性能；2)在空间调制前对映射比特进行比特交织的方案，也可以纠正误码提高系统的误比特率性能；3)把空时分组编码(Space Time Block Code，STBC)技术和空间调制技术结合在一起的方案，进而利用部分发送分集实现提高系统可靠性的目的，但这种方案一是有发送天线数为偶数的限制，二是空时编码的编码延时大和接收端检测算法复杂度高，这都限制了空间调制技术中多天线发送分集提高系统可靠性的充分发挥。

发明内容

发明目的：为了弥补传统空间调制没有利用多天线发送分集或分集使用受限的不足，本发明提出一种利用发送分集的空间调制的方法和装置，在不提高系统复杂度的情况下，保留了传统空间调制克服信道间干扰(ICI)的优点，同时利用多发射天线的分集增益，在明显提高频谱利用率和避免ICI的前提下进一步地改善MIMO系统性能。

技术方案：一种利用发送分集的空间调制方法，联合利用发射天线数和所选星座映射方式二者信息，在使用该方法的系统中，具体选用多少个发送天线分集发送信息由系统设定，且发送帧包括信令部分和数据部分，其中信令部分的长度固定，所选用的星座映射方式为二进制相移键控(BPSK)。利用发送分集的空间调制方法包括如下步骤：

步骤1：发送机首先利用发送天线数n_T和被选定的发送天线数k(k＜n_T)确定发送天线的组合数目N，具体的计算方式为：

N＝2^p  (公式1)

其中p是满足 $2^p\≤\left(\begin{array}{c}{n}_T\\ k\end{array}\right)$ 的最大正整数，即N是距离 $\left(\begin{array}{c}{n}_T\\ k\end{array}\right)$ 最近的2的整数次幂，将第1组到第N组的天线组合依次编号为1,2,...,N；

步骤2：发送机联合利用发送天线数和所选星座映射方式计算空间调制映射比特块包含的比特数m，包含天线组合序号映射比特数T_b和数据星座映射比特数D_b，其计算公式为：

T_b＝log₂(N),D_b＝log₂(M)  (公式2)

m＝T_b+D_b＝log₂(N)+log₂(M)

其中，N为发送天线的组合数目，M为所选星座映射方式的星座点数，天线组合序号1,2,...,N依次对应的映射比特可以表示为：

$b_1{b}_2{b}_3,...,b_{{\log }_{2}N},b_i=\mathrm{0,1},i=\mathrm{1,2},...{,\log }_{2}N$

步骤3：按步骤1和步骤2所选定空间调制星座映射的方式把原始的用户数据比特映射成空间星座符号，然后将空间星座符号映射到所选择的天线上(各天线的发射空间星座符号之间可以增加适当的相位旋转操作)进行数据发送。

步骤4：接收机接收数据并解析接收帧中发送端的相关信令信息，得出数据部分空间调制映射时所选用的星座映射方式，具体的步骤为：

步骤4.1：由系统接收机已知的发送天线数、信令的固定长度和系统已知的BPSK的星座映射方式等信息对接收到的符号y进行处理，包括天线组合序号的判决和星座符号数据的均衡；

设信道矩阵为其中n_T为发送天线数，为第i个发送天线到所有接收天线的信道响应组成的列向量，n_R为接收天线数，设是天线功率归一化系数，为所有接收天线上的接收信号组成的列向量，为发送端所有发送天线上的信号组成的列向量，其中有k个不是零，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：

$y=\frac{1}{\sqrt{n_T}}\mathrm{Hx}+n$   (公式3)

若另外这k根发射天线的发送值相同，则(公式3)变成如下形式：

(公式4)

$y=\frac{1}{\sqrt{n_T}}{h}_E{x}_i+n$   (公式5)

其中h_E为k个信道叠加后的等效信道；

假设在N种可能的发送天线组合中任一种组合对应的信道叠加后的等效信道为均衡时就用相应的等效信道进行均衡，令则有：

$\cos {\mathrm{\α}}_j=\frac{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^{H}y\left|\right|}{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^H\left|\right|\left|\right|y\left|\right|},j=1,...,N$   (公式6)

发送天线组合的序号r的计算公式为：

$r=\underset{j}{\max }\left\{{\cos \mathrm{\α}}_j\right\}=\underset{j}{\max }\left\{\frac{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^{H}y\left|\right|}{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^H\left|\right|\left|\right|y\left|\right|}\right\}$   (公式7)

得出发送天线的组合序号r，再把r按已知的空间调制的映射表逆向转化为二进制就可得出天线组合号对应的发送比特；

然后是对星座符号数据的均衡操作如下：

$e=E\left\{(\stackrel{\‾}{x}-x){(\stackrel{\‾}{x}-x)}^H\right\},\stackrel{\‾}{x}=\mathrm{wy}$   (公式8)对e取最小得出：

$w=\sqrt{n_T}{h_{E_j}}^H{(h_{E_j}{h_{E_j}}^H+n_T{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}$   (公式9)

为n_R维的行向量，σ²为噪声的方差，这样就可以得出星座点的噪声估计

步骤4.2：接收机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，把天线组合的序号和星座符号数据逆向映射为信息比特，得到用户发送的信令部分的原始比特序列，得到数据部分所采用的星座映射方式；

步骤5：接收机根据发送天线数和选用的星座映射方式进行数据部分星座符号的解空间调制，得到用户发送的数据比特；所述数据部分星座符号的解空间调制和解信令的过程相同，如步骤4所述。

一种利用发送分集的空间调制装置，包括发送机和接收机，其中发送机包括空间调制映射信息计算与配置模块、空间调制映射模块，接收机包括信令部分的解空间调制映射模块、数据部分的解空间调制映射模块；

所述空间调制映射信息计算与配置模块根据系统的发送天线数和所选用的星座映射方式，按照(公式1)计算对应的发送天线的组合数，并按照(公式2)计算天线序号映射所需的比特数和星座符号数据映射所需的比特数；

所述空间调制映射模块根据(公式1)和(公式2)得出的空间调制参数把用户要发送的比特序列映射成空间调制星座符号；

所述信令部分的解空间调制映射模块用于从接收帧中解析出数据部分空间调制时所选用的星座映射方式的相关参数；

所述数据部分的解空间调制映射模块按照发送天线数和选用的星座映射方式，先检测出所选用的发送天线组合的序号，再均衡出星座符号数据，恢复出用户发送的原始比特序列数据。

有益效果：本发明利用发送天线数和所选星座映射方式的信息决定具体的映射方式和计算映射比特块的大小，以实现多发送天线的分集发送。本发明设计的利用多发送天线发送分集的方法及装置，充分利用发送天线数和所选星座映射方式的信息，最大限度地发挥发送分集提高系统可靠性的作用，不但考虑了空间调制固有的克服信道间干扰的优点，也增加了空间调制和发送分集技术的联合使用不受发送天线数限制的灵活性，可以很好的提高系统性能。

附图说明

图1为本发明的系统发送和接收实现流程图。

具体实施方式

下面以无线局域网中的MIMO-OFDM系统为例，结合附图对本发明利用发射天线数和所选用的星座映射方式的利用多发射天线分集发送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，系统中每个OFDM符号对应的数据子载波数为168，信道编码方案采用LDPC编码，码字长度为672，本实施例采用QPSK及码率为1/2，支持不同发送天线和选择不同星座映射方式的场景可以修改本实施例中的例子得到。以4个发送天线的系统，QPSK调制，选用2个发送天线做分集发送，一个空间流为例，一种联合利用发送天线数和所选用星座映射方式的利用多发送天线分集发送的空间调制方法，在使用该方法的系统中，发送帧包括信令部分和数据部分，其中信令部分的长度固定，调制方式为BPSK。对用户的数据比特的具体利用发送分集的空间调制发送和接收方法包括如下步骤：

步骤1：发送机首先利用发送天线数n_T＝4确定被选定的k＝2(k＜n_T)个发送天线的组合数目N，具体的计算公式为：

此种方案下天线具体的组合情形为(1，2),(2，3),(3，4)和(1，4)四种；

步骤2：发送机联合利用发送天线数和所选星座映射方式计算空间调制映射比特块包含的比特数m，具体的计算公式为：

m＝log₂(N)+log₂(M)＝4

其中，天线序号映射比特数T_b＝log₂(N)＝2，数据星座映射比特数D_b＝log₂(M)＝2，N＝4为发送天线的组合数目，M＝4为所选星座映射方式的星座点数；

步骤3：按步骤1和步骤2所选定空间调制星座映射的方式把原始的用户比特映射成空间星座符号，表1为信令部分空间调制星座映像符号的查询表，表2为数据部分空间调制星座映像符号的查询表；

表1n_T＝4,k＝2,M＝2(BPSK)空间调制星座映像符号的查询表

输入比特	发送天线	发送符号	输入比特	发送天线	发送符号
						000	(1，2)	1	100	(3，4)	1
001	(1，2)	-1	101	(3，4)	-1
						010	(2，3)	1	110	(4，1)	1
011	(2，3)	-1	111	(4，1)	-1

表2n_T＝4，k＝2,M＝4(QPSK)空间调制星座映像符号的查询表

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

设映射号的符号为x，则映射后的发送星座符号矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}0& x_j& ...\\ x_i& 0& ...\\ x_i& 0& ...\\ 0& x_j& ...\end{array}\right]$

其中行数共有n_T＝4行，每一列为一个发送时隙，分别设每一列的两个发送符号为x_a和x_b，它们的关系为：

x_b＝x_a或者 $x_b=x_a\·e^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}}$

步骤4：接收机接收数据并解析接收帧中发送端的相关信令信息，得出数据部分空间调制映射时所选用的星座映射方式，具体的步骤为：

步骤4.1：由系统接收机已知的发送天线数、信令的固定长度和系统已知的BPSK的星座映射方式等信息对接收到的符号y进行处理，包括天线组合序号的判决和星座符号数据的均衡；

设信道矩阵为H＝[h₁,h₂,...,h₄]，其中n_T＝4为发送天线数，h_i＝[h_1i,h_2i]^T为第i个发送天线到所有接收天线的信道响应组成的列向量，n_R＝2为接收天线数；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,...,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k＝2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：

$y=\frac{1}{2}\mathrm{Hx}+n$

若x_i，x_j≠0,i,j＝1,2,...,4，i≠j，则由x_i＝x_j，得出：

$y=\frac{1}{2}(h_i+h_j)x_i+n$

$y=\frac{1}{2}{h}_E{x}_i+n$

其中h_E为k＝2个信道叠加后的等效信道；

假设4种可能的发送天线组合中，任一种组合对应的信道叠加后的等效信道为均衡时就用相应的等效信道进行均衡，令则有：

$\cos {\mathrm{\α}}_j=\frac{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^{H}y\left|\right|}{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^H\left|\right|\left|\right|y\left|\right|},j=1,...,4$

发送天线组合的序号值r的计算公式为：

$\underset{j}{\max }\left\{{\cos \mathrm{\α}}_j\right\}=\underset{j}{\max }\left\{\frac{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^{H}y\left|\right|}{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^H\left|\right|\left|\right|y\left|\right|}\right\}$

得出发送天线的组合序号r，再把r按已知的空间调制的映射表逆向转化为二进制就可得出天线组合号对应的发送比特；

然后是对星座符号数据的均衡操作如下：

$e=E\left\{(\stackrel{\‾}{x}-x){(\stackrel{\‾}{x}-x)}^H\right\},\stackrel{\‾}{x}=\mathrm{wy}$

对e取最小得出：

$w=\sqrt{n_T}{h_{E_j}}^H{(h_{E_j}{h_{E_j}}^H+n_T{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}$

w＝[w₁,w₂]为n_R＝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：接收机在得到天线序号和数据星座点的估计后，首先按发送端空间调制映射的规则操作，把天线组合的序号和星座符号数据逆向映射为信息比特，得到用户发送的信令部分的原始比特序列，得到数据部分所采用的星座映射方式；

步骤5：接收机根据发送天线数和选用的星座映射方式进行数据部分星座符号的解空间调制，数据部分星座符号的解空间调制过程和解信令的过程相同，如步骤4中所述，最后得到用户发送的数据比特。

Claims (6)

1.一种利用发送分集的空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：发送机首先利用发送天线数和被选定的发送天线数，确定发送天线的组合数；

步骤2：发送机联合利用发送天线数和所选星座映射方式，计算空间调制映射比特块包含的比特数，所述空间调制映射比特块包含天线组合序号映射比特块和数据星座映射比特块；

步骤3：发送机根据步骤1和步骤2得到的空间调制参数，将原始的用户数据比特映射成空间星座符号，并将空间星座符号映射到所选择的天线上进行数据发送；

步骤4：接收机接收数据，并解析接收帧中发送端的相关信令信息，得出数据部分空间调制映射时所选用的星座映射方式；

步骤5：接收机根据发射天线数和选用的星座映射方式，进行数据部分星座符号的解空间调制，恢复出用户发送的数据比特。

2.如权利要求1所述的利用发送分集的空间调制方法，其特征在于，所述步骤1中确定发送天线组合数N的具体计算公式为：

N＝2^p                     (公式1)

其中，p是满足 $2^p\≤\left(\begin{array}{c}{n}_T\\ k\end{array}\right)$ 的最大正整数，即组合数N是距离 $\left(\begin{array}{c}{n}_T\\ k\end{array}\right)$ 最近的2的整数次幂，n_T是发射天线数，k是被选定的发送天线数。

3.如权利要求1所述的利用发送分集的空间调制方法，其特征在于，所述步骤2中空间调制映射比特块包含比特数m的具体计算公式为：

T_b＝log₂(N),D_b＝log₂(M)                (公式2)

m＝T_b+D_b＝log₂(N)+log₂(M)

其中，T_b是天线组合序号映射比特数，D_b数据星座映射比特数，N为发送天线的组合数目，M为所选星座映射方式的星座点数。

4.如权利要求1所述的利用发送分集的空间调制方法，其特征在于，所述步骤3中发送机进行数据发送时，各天线的发射空间星座符号之间可以增加适当的相位旋转。

5.如权利要求1所述的利用发送分集的空间调制方法，其特征在于，所述步骤4中发送机解析发送端相关信令信息的具体操作为：

(401)进行天线组合序号的判决，计算发送天线组合的序号值r

$r=\underset{j}{\max }\left\{\cos {\mathrm{\α}}_j\right\}=\underset{j}{\max }\left\{\frac{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^{H}y\left|\right|}{\left|\right|{{\stackrel{\‾}{h}}_{E_j}}^H\left|\right|\left|\right|y\left|\right|}\right\},j=1,...,N$        (公式7)

其中，为信道矩阵，n_T为发送天线数，为第i个发送天线到所有接收天线的信道响应组成的列向量，n_R为接收天线数，为一种可能的发送天线组合对应的信道叠加后的等效信道，均衡时则用相对应的等效信道进行均衡，为所有天线上的接收信号组成的列向量；

(402)把r按已知的空间调制的映射表逆向转化为二进制就可得出天线组合号对应的发送比特；

(403)进行星座符号数据的均衡，计算数据星座点的噪声估计

$\stackrel{\‾}{x}=\mathrm{wy}$                         (公式10)

其中， $w=\sqrt{n_T}{h_{E_r}}^H{(h_{E_r}{h_{E_r}}^H+n_T{\mathrm{\σ}}^{2}T)}^{-1},$ n_T为发送天线数， $H=[h_1,h_2,...,h_{n_T}]$ 为信道矩阵，为第i个发送天线到所有接收天线的信道响应组成的列向量，n_R为接收天线数，为公式7得到的天线组合序号值r对应的等效信道，σ²为噪声的方差；

(404)按发送端空间调制映射的规则操作，把天线组合的序号和星座符号估计值逆向映射为信息比特，得到用户发送的信令部分的原始比特序列，得到数据部分所采用的星座映射方式。

6.一种利用发送分集的空间调制装置，包括发送机和接收机，其特征在于，所述发送机包括空间调制映射信息计算与配置模块和空间调制映射模块，其中空间调制映射信息计算与配置模块根据系统的发送天线数和所选用的星座映射方式，计算对应的发送天线的组合数、天线序号映射所需的比特数和星座符号数据映射所需的比特数；空间调制映射模块根据得出的空间调制参数把用户要发送的比特序列映射成空间调制星座符号；

所述接收机包括信令部分的解空间调制映射模块、数据部分的解空间调制映射模块，其中信令部分的解空间调制映射模块用于从接收帧中解析出数据部分空间调制时所选用的星座映射方式的相关参数；数据部分的解空间调制映射模块按照发送天线数和选用的星座映射方式，先检测出所选用的发送天线组合的序号，再均衡出星座符号数据，恢复出用户发送的原始比特序列数据。