CN104868944B - 一种自适应广义空间调制方法及其简化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应广义空间调制方法及其简化方法，自适应广义空间调制方法能够更加灵活的使GSM中不同的天线组合使用不同的星座调制阶数，并且通过天线选择选择最优的组合提高系统的BER性能。LA‑GSM在AGSM的基础上将系统星座调制阶数由多个简化为两个，并且充分利用了GSM中的天线组合数。本发明根据系统要求在总天线数、同时隙激活天线数、星座调制阶数上进行灵活的折中。相比于普通的GSM，AGSM在相同的频谱效率下，由于增加了自适应天线选择算法，有一定的性能增益。而LA‑GSM在同样的频谱效率和天线组合下，比GSM有一定的性能增益，当LA‑GSM总天线数比GSM少时，利用其算法适应星座调制阶数，本发明误比特率同样接近GSM。

Description

一种自适应广义空间调制方法及其简化方法

技术领域

本发明属于多天线无线通信系统中的闭环反馈传输技术领域，特别涉及一种自适应广义空间调制方法及其简化方法。

背景技术

近年来，MIMO技术作为新一代的移动通信技术的核心技术也有它的局限性，如系统的处理复杂度高、射频链路多造成的开销大、信道间干扰问题(ICI)和天线间同步问题(IAS)。空间调制(SM)在一个时隙只激活一根发射天线进行发送，把一部分比特映射到天线序号上，解决了MIMO系统的上述问题。但SM对天线数的要求限制了它的发展，广义空间调制(GSM)应运而生，GSM是在一个时隙激活多根天线进行发送符号，同时激活的多根天线发送的符号即可以相同也可以不同。GSM不仅在总天线数上没有要求，而且还可以灵活的根据系统要求选择同时隙激活的天线数和发送符号，可以很好地在频谱效率和性能上折中。自适应空间调制(ASM)和天线选择空间调制都是最近研究的闭环空间调制，能够很好的利用信道状态信息，提高系统的误码率性能。

空间调制(Spatial Modulation,SM)通过利用空间维度来传输信息，从而提供额外的频谱效率，是很有潜力的MIMO无线通信系统传输技术。然而，在SM中由于系统对天线数的要求以及开环传输系统的特性，由于传统的SM调制虽然解决了传统MIMO中的问题，但是其频谱效率比较低，不具有灵活性。

因此研究者们研究各种具有灵活性的SM技术，其中GSM就是其中一种，GSM能够根据不同的系统要求，同时隙激活多根天线进行发送。自适应调制系统能够根据不同天线的信道状况进行匹配适合的星座点调制阶数，具有灵活性的特点。由于自适应SM系统天线上的限制，不具有灵活性，所以本章提出的自适应广义空间调制算法(AGSM)具有很重要的意义，不仅在天线数上具有灵活性，而且还可以根据不同天线的信道状况灵活的调整星座点调制阶数。

由于SM和GSM是开环的传输技术，很多人开始致力于闭环的SM，ASM就是其中一种，ASM能够有效地利用信道状态信息，接收端根据自适应选择算法算出对应天线适合的星座调制阶数，使系统的误码率性能提高。天线选择空间调制是接收端根据不同的发送天线对应的信道状态信息，从中选择出具有最好性能的几根天线作为空间调制的发射天线进行发送，增加了系统的选择分集增益，提高了系统的误码率性能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种自适应广义空间调制方法及其简化方法，自适应广义空间调制方法，记为AGSM；低复杂度的自适应广义空间调制简化方法，记为LA-GSM。本发明使ASM在天线上更加灵活，使GSM系统的误码率性能提高，而且还解决了自适应空间调制系统中的天线组合选择问题。AGSM能够更好的适应各种不同的系统需求，适应不同的信道条件，同时由于GSM的特性，系统也能够在复杂度和性能方面更好的折中。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种自适应广义空间调制方法，包括以下步骤：

第一步：在慢变化的衰落系统中，接收端根据信道状态信息和系统确定的星座调制阶数，根据AGSM算法，选择出适应该信道的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数；

AGSM算法为：服从于

其中：为选择的组合数；Ω为所有的组合集；为系统选择的天线组合与其对应的调制阶数；B_k为每个组合的频谱效率；B为总的频谱效率；

第二步：将接收天线通过AGSM算法计算得出的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数反馈给发射端，发射端根据此发射模式进行发射信号，接收端再进行解调。

进一步的，步骤一中自适应广义空间调制算法具体为：

在发射端，假设N_s＝2，则考虑两个不同天线组合的码字符号x_i,x_j分别为第i个组合与第j个组合发送的符号：

其中：i₁和i₂表示第i个组合的两根天线序号；j₁和j₂表示第j个组合的两根天线序号，且{i₁,i₂}≠{j₁,j₂}；k和l分别表示信号星座点；除了同时隙激活的天线，其他天线在同时隙内保持静默；

在MIMO系统中，系统基于信道矩阵H的成对差错概率为：

其中：X和表示两个发送码字矩阵；E_s表示各发射天线上每个符号的能量；表示X和欧氏距离；

Q(x)是由下式定义的辅助差错函数：

两个码字x_i和x_j之间的最小欧氏距离表示为：

其中，Φ为所有码字集合；

自适应空间调制算法表示为下式：

服从于

其中：为选择的组合数；Ω为所有的组合集；为系统选择的天线组合与其对应的调制阶数；B_k为每个组合的频谱效率；B为总的频谱效率；

系统把所有的天线组合与所有的星座调制阶数组合遍历了一遍，从中选出具有最大的最小欧氏距离的发送模式组合，然后发射端再按照所选模式进行发送。

本发明还公开了一种低复杂度的自适应广义空间调制简化方法，包括以下步骤：

第一步：在慢变化的衰落系统中，接收端根据信道状态信息和系统确定的星座调制阶数，根据LA-GSM算法，选择出适应该信道的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数；

LA-GSM算法为：

其中：

x_i和x_j为和发送的两个不同的码字；Φ为码字集合；I_ED为算法选择的具有最优性能的组合；Ψ为所有的组合；

第二步：将接收天线通过LA-GSM算法计算得出的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数反馈给发射端，发射端根据此发射模式进行发射信号，接收端再进行解调。

进一步的，步骤一中LA-GSM算法具体如下：

系统根据频谱效率和N，选择两种调制阶数M₁和M₂，系统中N个天线组合发送调制阶数为M₁的星座符号，另外N/t个天线组合发送调制阶数为M₂的星座符号，且M₁,M₂满足：M₂＝M₁·t；

因此系统的模型表示为：

N个天线组合与N/t个天线组合对应的频谱效率是相同的，通过两种组合结合起来，系统增加1bit/s/Hz的频谱效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明自适应广义空间调制方法，根据系统要求在总天线数、同时隙激活天线数、星座调制阶数上进行灵活的折中。相比于普通的GSM，AGSM在相同的频谱效率下，由于增加了自适应天线选择算法，有一定的性能增益。而LA-GSM在同样的频谱效率和天线组合下，比GSM有一定的性能增益，当LA-GSM总天线数比GSM少时，利用其算法适应星座调制阶数，本发明误比特率同样接近GSM。

本发明低复杂度的自适应广义空间调制简化方法相比于AGSM，由于LA-GSM系统把星座调制阶数由多个简化为两个，天线组合由单个的集合简化为两个组合块的形式，因此LA-GSM系统的复杂度更低，而且相比于AGSM和GSM，LA-GSM在天线组合的有效利用和系统选择模式的灵活性上具有优势。

附图说明

图1为本发明的AGSM调制系统框图；

图2为本发明5bit/s/Hz时三种不同LA-GSM方法的BER性能结果图；

图3为本发明SM在4bit/s/Hz和6bit/s/Hz增加1bit/s/Hz时的不同方法的BER结果图；

图4为本发明在频谱效率为5bit/s/Hz时不同方法的BER性能的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

参见图1，本发明自适应广义空间调制方法，包括以下步骤：

第一步：在慢变化的衰落系统中，接收端根据信道状态信息，和系统确定的星座调制阶数，根据AGSM算法，选择出适应该信道的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数。

AGSM算法为：服从于

其中：为选择的组合数；Ω为所有的组合集；为系统选择的天线组合与其对应的调制阶数；B_k为每个组合的频谱效率；B为总的频谱效率；

第二步：将接收天线通过AGSM算法计算得出的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数反馈给发射端，发射端根据此发射模式进行发射信号。接收端再进行解调。

本发明还公开了一种低复杂度的自适应广义空间调制简化方法，具体包括以下步骤：

1、在GSM系统和AGSM系统中，系统的总天线组合数为而可用的天线组合数为系统会有个组合不会被使用，对于这种情况，当系统中且t≥2且为2的指数倍的情况下，本发明除了会使用N个天线组合以外，还会利用剩余组合中的N/t个组合进行发送信号。AGSM中系统会有多种阶数的PSK调制或QAM调制，而本发明中，只选择两种星座调制阶数，一个为低阶，一个为高阶，分别相对应于N个天线组合和N/t个天线组合。

2、系统根据频谱效率和N选择两种调制阶数M₁,M₂，系统中N个天线组合发送调制阶数为M₁的星座符号，另外N/t个天线组合发送调制阶数为M₂的星座符号，且M₁,M₂满足式子：M₂＝M₁·t。

因此系统的模型可以表示为：

N个天线组合与N/t个天线组合对应的频谱效率是相同的，通过两种组合结合起来，系统增加1bit/s/Hz的频谱效率。

3、基于上面的模型，LA-GSM的天线组合选择算法为：

其中：x_i和x_j为和发送的两个不同的码字；Φ为码字集合；I_ED为算法选择的具有最优性能的组合；Ψ为所有的组合；

另外，LA-GSM的系统模型同样可以应用到SM当中，当总天线数N_t不为2的指数倍时，可用天线数为同，对于时，剩余的N/t根天线同样可以发送一部分比特。即系统中N个天线发送调制阶数为M₁，另N/t个天线发送M₂，且M₂＝M₁·t。

本发明的原理

本发明一种低复杂度的自适应广义空间调制算法(LA-GSM)，使ASM的复杂度降低，而且与AGSM不同的是，由于AGSM和GSM系统只能利用所有组合数的一部分，而新的算法LA-GSM还有效的利用了GSM的组合数，而且本发明还解决了LA-GSM中的天线组合选择问题。

1、AGSM系统模型

考虑一个采用AGSM调制算法的MIMO系统模型，系统具有N_t根发射总天线，N_r根接收天线数，以及N_s根选择天线数，即同一时隙激活的天线数。H表示接收端和发射端之间的信道矩阵，为N_r×N_t维。H中的元素表示发射天线到接收天线之间的信道增益系数，是方差为1，均值为0的复高斯随机变量。

由于N_s的值即为系统的射频链路(RF)的个数，所以系统首先根据需要确定N_s的的值，即同一时隙激活天线的数目。然后接收端根据所有的天线组合数和调制阶数的组合数，再根据不同天线对应的信道状况，选择具有最优BER性能的天线组合与调制阶数组合，即此时的组合的最小欧氏距离为最大。

其中可用的为天线组合数为由系统从个所有组合中选出，并且匹配最优的星座调制阶数。系统中每个组合可以匹配相同的星座调制阶数，也可以匹配不同的星座调制阶数，全部由接收端的AGSM算法确定。无论每个组合匹配的星座调制阶数相同还是不同，所有的组合匹配确定后，所有的组合和所有的匹配星座调制阶数组成的发射端发送模式为系统最优性能的发送模式。

系统在接收端先进行激活天线序号的检测，再进行APM解调。

2、AGSM算法

在发射端，假设N_s＝2，则考虑两个不同天线组合的码字符号x_i,x_j分别为第i个组合与第j个组合发送的符号：

其中：i₁和i₂表示第i个组合的两根天线序号；j₁和j₂表示第j个组合的两根天线序号，且；k和l分别表示信号星座点；K和l有可能是相同的。

当k₁＝k₂,l₁＝l₂时，使同时隙激活的天线组合发送相同的符号。除了同时隙激活的天线，其他天线在同时隙内保持静默。

在MIMO系统中，系统基于信道矩阵H的成对差错概率为：

其中：X和表示两个发送码字矩阵；E_s表示各发射天线上每个符号的能量；表示X和欧氏距离；

Q(x)是由下式定义的辅助差错函数：

由于系统的错误概率是由码字之间的欧氏距离确定的，所以最大化最小欧氏距离是提高系统BER性能的手段。

所以两个码字x_i和x_j之间的最小欧氏距离表示为：

其中，Φ为所有码字集合。

AGSM系统算法就是选择具有最大的最小欧式距离的天线组合与星座调制阶数组合。

所以自适应空间调制算法表示为下式：

服从于

其中：为选择的组合数；Ω为所有的组合集；为系统选择的天线组合与其对应的调制阶数；B_k为每个组合的频谱效率；B为总的频谱效率；

在此算法中，既进行了天线组合选择算法，又进行了组合相对应的自适应算法。由于系统的总组合数为从中选出可用的个组合数，在天线组合算则算法的过程中，同时也进行了自适应算法，即系统把所有的天线组合与所有的星座调制阶数组合遍历了一遍，从中选出具有最大的最小欧氏距离的发送模式组合。然后发射端再按照所选模式进行发送。

系统通过AGSM算法之后，不仅增加了系统的天线选择增益，还匹配了最优的星座点调制阶数，因此提高了系统的性能。

在经过AGSM算法之后，除了每个天线组合发送的星座调制阶数不同以外，在发送模式上，与GSM一样。所以接收端接收到的信号为：

接收端接收到信号后，再接收端检测器根据接收到的信号进行译码算法。对接收信号的检测可以用最大似然(ML)检测算法，也可以先检测出天线组合的序号，然后再进行APM解调。

3、AGSM系统简化算法

由于AGSM算法在选择的过程中，需要把所有的天线组合与所有的星座调制阶数组合遍历一遍，复杂度较高，因此研究AGSM的简化算法，降低系统的算法复杂度是非常有必要的。

考虑一个广义空间调制(GSM)模型，当N_s＝2时，个不同天线组合的码字符号x_i,x_j分别为第i个组合与第j个组合发送的码字如式所示，系统的最小欧式距离如式所示。

则最小欧氏距离的展开式可以表示为：

其中，m₁,m₂,...,m₁₀为下式所表示，而且从式中可以看出，m₁,m₂,…,m₁₀为矩阵H^HH里面的元素。

假定系统的发送符号星座功率归一化，则对于PSK调制和QAM调制，其星座图的平均功率是1。则有下式：

因此，最小欧氏距离可以简化为下式：

其中：

因此在AGSM选择算法的计算中，d_min,GSM(H)的计算根据上式可以简化为的计算。

若在AGSM中，同一时隙激活的的天线组合发送相同的符号，即k₁＝k₂,l₁＝l₂，则可以得到：

即：

此时：

此时，AGSM算法得到了简化。根据简化的AGSM算法，首先是计算m₁,m₂,…,m₁₀，这几个数直接在矩阵H^HH里面根据下标取值即可，然后同样符号的内积简化为1，系统需要的计算量显著减少，因此系统能够降低算法的计算复杂度。

4、LA-GSM系统模型

在GSM系统和AGSM系统中，系统的总天线组合数为而可用的天线组合数为系统会有个组合不会被使用，对于这种情况，当系统中且t≥2且为2的指数倍的情况下，我们提出了本方法，本方法除了会使用N个组合以外，还会利用剩余组合中的N/t个组合进行发送信号。

而且，AGSM中系统会有多种阶数的PSK调制或QAM调制，而本方法中，我们只选择两种星座调制阶数，一个为低阶，一个为高阶，分别相对应于N个天线组合和N/t个天线组合。系统根据频谱效率和N选择两种调制阶数M₁,M₂，系统中N个天线组合发送调制阶数为M₁的星座符号，另外N/t个天线组合发送调制阶数为M₂的星座符号，且M₁,M₂满足式子：M₂＝M₁·t。

因此系统的模型可以表示为：

N个天线组合与N/t个天线组合对应的频谱效率是相同的，通过两种组合结合起来，系统增加1bit/s/Hz的频谱效率。

下面举例说明LA-GSM的系统模型：

假设系统N_t＝6,N_s＝2，则采用QPSK调制的算法，同时隙激活的天线发送相同的符号，GSM系统的频谱效率为：bit/s/Hz。其中，8个天线组合数可以映射3bit的码字，星座调制可以映射2bit的码字。同样系统采用LA-GSM模型算法时，由于组合数所以算法达到同样的频谱效率5bit/s/Hz时，系统有3种分配方法。

1)系统分配4个组合数发送QPSK星座调制符号，另8个组合数发送BPSK星座调制符号。

2)系统分配4个组合数发送QPSK星座调制符号，另2个组合数发送8PSK星座调制符号。

3)系统分配8个组合数发送BPSK星座调制符号，另2个组合数发送8PSK星座调制符号。

由于无论是4个组合发送QPSK星座调制符号，或者是8个组合发送BPSK星座调制符号，还是2个组合发送8PSK星座调制符号，其频谱效率均为4bit/s/Hz，所以系统在发射端进行码字映射时，先有1bit的码字0或1选择4个组合数发送QPSK星座调制符号，或者是选择8个组合数发送BPSK星座调制符号，或者是选择2个组合发送8PSK星座调制符号，因此系统总频谱效率达到了5bit/s/Hz。

若LA-GSM系统采用8个组合数发送QPSK调制，4个组合数发送8PSK调制，则系统的频谱效率将会增加1bit/s/Hz。

若LA-GSM系统采用4个组合数发送QPSK调制，2个组合数发送8PSK调制，达到了5bit/s/Hz的频谱效率。则系统需要的总天线数为4根就可以了，此时N_t＝4,N_s＝2，比原系统少用了两根总发射天线。

LA-GSM系统N_t＝6,N_s＝2，系统采用4个组合数发送QPSK星座调制符号，另8个组合数发送BPSK星座调制符号。频谱效率为5bit/s/Hz的具体映射情况如下表所示：

因此，系统既有效地利用了天线组合数，还可以灵活的匹配不同的星座调制阶数，由于总天线组合数要多于使用的组合数，因此在算法过程中，我们同样进行了天线组合选择算法，即通过算法选择出的天线组合和其对应的调制阶数构成的具有最大的最小欧氏距离，因此系统不仅具有灵活性，而且算法提高了系统的性能。

5、LA-GSM算法

基于上面的模型，LA-GSM的天线组合选择算法为：

其中：

x_i和x_j为和发送的两个不同的码字；Φ为码字集合；I_ED为算法选择的具有最优性能的组合；Ψ为所有的组合。

算法的优点：

1)具有灵活性，可以根据系统需求选择不同的模式；

2)同样的可以选择增加至少1bit/s/Hz的频谱效率方案。

3)同样的频谱效率下，既可以选择更少的天线数的方案，也可以选择平均调制阶数低的方案。

相比于AGSM，由于LA-GSM系统把星座调制阶数由多个简化为两个，天线组合由单个的集合简化为两个组合块的形式，因此LA-GSM系统的复杂度更低，而且相比于AGSM和GSM，LA-GSM在天线组合的有效利用和系统选择模式的灵活性上具有优势。

由于LA-GSM在选择最优的算法时，会有几种不同的选择算法，如系统的组合数要求频谱效率5bit/s/Hz时，如上面所列，有3种分配方法可以选择，然而这需要系统遍历的计算每个分配方案的欧氏距离再进行选择，这需要一定的计算量，因此还可以再此基础上进行简化。

图2表示了当系统中N_t＝6,N_s＝2，频谱效率为5bit/s/Hz时，三种匹配方法的误比特率性能情况，从图2中可以看出，虽然每种匹配方法的星座调制阶数组合不同，但三种的误比特率性能相差无几，原因是若达到相同的频谱效率，星座调制阶数与天线组合数成反比，若星座调制阶数低，则需要的天线组合数就高，则增加的天线组合数会与之前的天线序号有重叠，即增加的组合有与之前相同的天线，导致系统欧氏距离变小，同样若星座调制阶数高，则同样系统欧氏距离变小。所以每种方法相差无几，但仍由于普通GSM。所以再计算算法时，可以根据系统要求选择其中一种，不再进行三种的遍历，这样进一步简化了系统的计算复杂度。

LA-GSM的系统模型同样可以应用到SM当中，当总天线数N_t不为2的指数倍时，可用天线数为同，对于时，剩余的N/t根天线同样可以发送一部分比特。即系统中N个天线发送调制阶数为M₁，另N/t个天线发送M₂，且M₂＝M₁·t。同样，此算法对于SM的模型为：

对于SM同理，系统同样需要进行天线选择和天线相对应的调制阶数进行优化，得到具有最大的最小欧氏距离的发送模式。系统还可以根据不同需要选择模式，灵活性选择天线数和星座调制阶数。图3表示了从4bit增加到5bit与6bit增加到7bit，增加天线数和提高调制阶数的误比特率性能情况。

从图3中可以看出，空间调制从4bit/s/Hz增加到5bit/s/Hz，图中实线所示；或从6bit/s/Hz增加到7bit/s/Hz，如图3中虚线所示。一种方法是增加天线数，一种方法是提高星座调制阶数。如图中所示，同样增加1bit/s/Hz后，空间调制在提高星座调制阶数的方案的误比特率性能不如增加天线数的误比特率性能，即提高星座调制阶数对SM误比特率性能的影响比增加天线数对SM误比特率性能的影响要大。所以应当慎重提高系统星座调制阶数。

GSM与SM在这一点上的不同原因在于GSM增加天线组合数时，增加的与原来相同的天线，只是组合不同，而SM增加天线则增加不同的天线。

根据上述所提的算法，我们对GSM、LA-GSM、AGSM的性能进行了仿真比较，来进行验证分析所提算法的性能仿真中我们假设各个天线间的信道为相互独立，并且服从CN(0,1)分布。

频谱效率是5bit/s/Hz，同时隙激活的天线发送相同的符号。

从图4中可以看出GSM与LA-GSM(1)系能相差无几，但LA-GSM(1)总天线数少2根，这是由于LA-GSM(1)系统做了自适应优化而达到的；LA-GSM(2)算法与LA-GSM(1)相同，但总天线数要多，因此天线组合数也变多，因此LA-GSM(2)比LA-GSM(1)增加了天线选择增益，因此后者性能要好与前者，好于GSM；AGSM与GSM天线数相同时，性能为最好，由于AGSM遍历所有组合，因此复杂度较高。

其中AGSM中天线组合选择0，即天线组合静默的情况，只能有一个天线组合进行静默，否则无法检测。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种低复杂度的自适应广义空间调制简化方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：在慢变化的衰落系统中，接收端根据信道状态信息和系统确定的星座调制阶数，根据LA-GSM算法，选择出适应该信道的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数；

LA-GSM算法为：

其中：

x_i和x_j为发送的两个不同的码字；Φ为码字集合；I_ED为算法选择的具有最优性能的组合；Ψ为所有的组合；

其中LA-GSM算法具体如下：

系统根据频谱效率和N，选择两种调制阶数M₁和M₂，系统中N个天线组合发送调制阶数为M₁的星座符号，另外N/t个天线组合发送调制阶数为M₂的星座符号，且M₁,M₂满足：M₂＝M₁·t；其中，N可用天线组合数，N/t剩余可用天线组合数；

因此系统的频谱效率表示为：

N个天线组合与N/t个天线组合对应的频谱效率是相同的，通过两种组合结合起来，系统增加1bit/s/Hz的频谱效率；N_t为根发射总天线，N_s为根选择天线数；

第二步：将接收天线通过LA-GSM算法计算得出的天线选择组合及其相对应的星座调制阶数反馈给发射端，发射端根据此发射模式进行发射信号，接收端再进行解调。