CN104935370B - 一种用于mimo通信系统的空时联合调制的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MIMO系统的空时联合调制传输方案，包括：(1)系统参数初始化步骤；(2)发射端基于空时联合调制的传输方案设计;(3)接收端基于最大似然算法的信号检测。与传统MIMO空间复用技术相比，空间调制技术每个时刻只有一根发射天线被激活用以信息传输，其他天线处于静默状态。输入信息比特可分为两部分，一部分信息比特用于对当前激活发射天线进行选择，另一部分比特则进行符号数字调制。站在接收端的角度，此时系统等效为单发多收系统，可以有效获得接收分集天线增益，降低计算复杂度，提高传输可靠性。本发明的方法可以实现传输效率与传输可靠性之间的灵活折中，并且可以降低天线同步要求及计算复杂度。

Description

一种用于MIMO通信系统的空时联合调制的传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及MIMO系统的空时联合调制的传输方法。

背景技术

MIMO多天线系统与SISO单天线无线通信系统相比，可以在不增加传输功率计带宽的情况下，成倍增加频谱效率，因此在实际系统中得到广泛应用。然而在空间复用传输方式下，虽然可以取得较高的频谱效率，但计算复杂度及同步要求也非常高，且传输可靠性随着发射天线数目的增加而急剧恶化。针对空间复用传输方式下的缺点，空间调制技术应运而生，它将输入信息比特分为两部分，一部分用以选择发射天线，另一部分则用以进行数字调制。由于每个时隙只有一根发射天线被激活，其余发射天线均保持静默状态。空间调制技术不仅可以获得较高的频谱效率，同时可以达到近似单发多收的传输可靠性。结合空间调制的思想，将时域的时隙序号与发射天线进行联合调制，通过输入比特对发射天线及传输时隙进行联合选择，可以达到传输效率与传输可靠性的灵活折中。

发明内容

本发明的目的是设计一种适用于MIMO多天线无线系统的传输方案，使得系统传输效率与传输可靠性能够得到更好的平衡。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于MIMO通信系统的空时联合调制传输方法，主要包括：(1)系统参数初始化步骤；(2)发射端基于空时联合调制的传输方案设计步骤；(3)接收端基于最大似然算法的信号检测；其中，

所述系统参数初始化步骤具体包括对如下MIMO通信系统参数进行初始化：

发射天线数目N_T，接收天线数目N_R，时隙分组块W，数字调制阶数M，单个时隙分组块所能传输的比特总数目为L＝log₂N_T+log₂W+log₂M，时隙w的信道系数矩阵H_w。当发射天线数目不为2^k(k为非负整数)时，需要结合天线选择算法使其满足条件，另外信道系数矩阵可通过信道估计获得。

所述发射端基于空时联合调制的传输方案设计步骤根据输入信息比特选择激活发射天线以及传输时隙，然后再进行数字调制，具体包括如下步骤：

(21).从输入信息比特序列中选取A＝log₂N_T个比特b_axt＝[b₁,b₂,...,b_A]进行发射天线选择，设当前被选择的激活天线序号为k；

(22).从输入信息比特序列中选取B＝log₂W个比特b_sbt＝[b_A+1,b_A+2,...,b_A+B]进行单个时隙分组块中的传输时隙t的选择；

(23).最后从输入信息比特序列中选取log₂M个比特b_con＝[b_A+B+1,b_A+B+2,...,b_L]进行数字调制，可得到数据符号x，如M-QAM调制等；

(24).根据输入比特与空时联合调制映射的关系得当前时隙分组块的传输符号为X，且满足X_kε＝x，X_kε表示传输符号X的第k行第ε列，调制符号x为传输符号X的第k行第ε列。

所述接收端基于最大似然算法的信号检测步骤需根据单个分组块中所有接收天线接收到的信号进行最大似然检测，以对发射天线所传输的比特信息进行解调恢复。具体包括如下步骤：

(31)设在第w个时隙各接收天线接收信号为那么有

y_w＝H_wx_w+z_w

其中，z_w表示第w个时隙接收到的随机噪声信号矢量，x_w为传输符号X的第w列。那么针对该时隙块基于最大似然检测得到的估计信号为

其中|| ||²表示向量二范数。由于每个时隙分组块中只有一个时隙存在非零符号传输，那么上式可写为

(32).计算所有可能的传输符号组合，根据空时联合调制原理，可知每个时隙分组块中只有其中一个时隙的一根天线上存在非零符号，因此可能的组合为W*M*N_T种，可以通过比较所有的发射组合，选择其中欧氏距离最小的组合作为估计信号；

(33).当发射天线及传输时隙确定后便可以根据步骤(2)中的映射规则得到用以空时联合调制的信息比特，另一部分用以数字调制的比特可由数字解调得到。

本发明的有益效果：本发明的方法首先根据MIMO多天线无线通信的特点，引入时间-空间联合调制，即将W个传输时隙合并为时隙分组块，使用部分比特选择当前发射天线及传输时隙，另一部分比特则进行传统的符号数字调制。在接收端依据简化的最大似然算法对传输信号进行估计，通过比较W*M*N_T种可能的传输信号组合便可以得到估计信号。与传统的空间复用最大似然检测算法相比，计算复杂度能够得到大幅度下降。该传输方案可以通过对发射天线数目及分组块时隙数目的进行调整，从而达到灵活平衡传输效率与传输可靠性的目的。

附图说明

图1是本发明的用于MIMO通信系统的空时联合调制传输方法的流程图。

图2是本发明的MIMO通信系统空时联合调制原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。

在阐述具体实施方式之前，首先介绍其中所用的物理数学模型：

本发明方法所使用的物理数学模型为：在MIMO无线通信系统中，设信道衰落系数矩阵为H，发射信号为X，那么接收信号的数学模型可写为：

Y＝HX+Z

其中Z为加性随机噪声信号。

针对发射天线为N_T，接收天线为N_R(N_R ³N_T)的MIMO通信系统的最大似然检测算法可写为

在空间复用传输传输方式下，需要计算欧氏距离的次数为M^NT，其中M为数字调制阶数，即可供选择的星座点符号数目，例如采用BPSK调制时M＝2，而在QPSK调制时则为4。

下面对MIMO通信系统的空时联合调制传输方法进行详细说明，主要包括：主要包括：(1)系统参数初始化步骤；(2)发射端基于空时联合调制的传输方案设计步骤；(3)接收端基于最大似然算法的信号检测；其中，

这里的步骤(1)参数初始化步骤具体包括初始化如下参数：

发射天线数目N_T，接收天线数目N_R，时隙分组块W，数字调制阶数M，单个时隙分组块所能传输的比特总数目为L＝log₂N_T+log₂W+log₂M，时隙w的信道系数矩阵H_w。当发射天线数目不为2^k(k为非负整数)时，需要结合天线选择算法使其满足条件，另外信道系数矩阵可通过信道估计获得。

所述发射端基于空时联合调制的传输方案设计步骤根据输入信息比特选择激活发射天线以及传输时隙，然后再进行数字调制，具体包括如下步骤：

(21).从输入信息比特序列中选取A＝log₂N_T个比特b_axt＝[b₁,b₂,...,b_A]进行发射天线选择，设当前被选择的激活天线序号为k；

(22).从输入信息比特序列中选取B＝log₂W个比特b_sbt＝[b_A+1,b_A+2,...,b_A+B]进行单个时隙分组块中的传输时隙t的选择；

(23).最后从输入信息比特序列中选取log₂M个比特b_con＝[b_A+B+1,b_A+B+2,...,b_L]进行数字调制，可得到数据符号x，如M-QAM调制等；

(24).根据输入比特与空时联合调制映射的关系得当前时隙分组块的传输符号为X，且满足X_kε＝x，X_kε表示传输符号X的第k行第ε列，调制符号x为传输符号X的第k行第ε列。

以发射天线数目为N_T＝4，分组块大小W＝2，数字调制方式为BPSK即M＝2为例，那么只需要,2个比特即可以完成对发射天线的选择，而用以选择传输时隙符号的比特数目则为1，其映射关系如下表所示。

表1 MIMO系统空时联合调制映射表

从表中可以看出，任何时隙分组块下的发射符号矩阵中只有一个非零元素。

所述接收端基于最大似然算法的信号检测步骤需根据单个分组块中所有接收天线接收到的信号进行最大似然检测，以对发射天线所传输的比特信息进行解调恢复。具体包括如下步骤：

(31)设在第w个时隙各接收天线接收信号为那么有

y_w＝H_wx_w+z_w

其中，z_w表示第w个时隙接收到的随机噪声信号矢量，x_w为传输符号X的第w列。那么针对该时隙块基于最大似然检测得到的估计信号为

其中|| ||²表示向量二范数。由于每个时隙分组块中只有一个时隙存在非零符号传输，那么上式可写为

(32).计算所有可能的传输符号组合，根据空时联合调制原理，可知每个时隙分组块中只有其中一个时隙的一根天线上存在非零符号，因此可能的组合为W*M*N_T种，可以通过比较所有的发射组合，选择其中欧氏距离最小的组合作为估计信号；

(33).当发射天线及传输时隙确定后便可以根据步骤(2)中的映射规则得到用以空时联合调制的信息比特，另一部分用以数字调制的比特可由数字解调得到。

当分组块所包含的时隙数目越大时，那么相同发射天线及调制方式下，系统频谱效率越低，反之越高。值得注意的是，当每个分组块中只有一个传输时隙时，本发明的传输方案与传统的空间调制技术等效，因此可认为空间调制技术为本发明在W＝1下的特例。同样为了增加系统频谱效率，可以增大发射天线数目甚至在单个分组块中同时传输多个数据符号，即传输信号X中可存在多个非零信号，那么频谱效率能够得到显著提升。

本发明方法针对MIMO通信系统的空时联合调制传输方法进行了描述，首先根据输入信息比特与空时联合调制映射表，得到单个时隙分组块的发射符号矩阵，最后在接收端采用简化最大似然算法完成对发射符号的估计，并根据空时联合调制映射表进行逆映射得到估计信息比特序列。可以看出，与传统的MIMO空间复用传输方式相比，频谱效率较低，但可以大幅度降低接收端的解调计算复杂度，同时可以减小对天线之间的同步要求。从接收端的角度可知，由于每个时隙最多只有一根发射天线被激活，因此可等效为单发多收通信系统，那么传输可靠性将得到显著改善。另一方面，若想提高系统频谱效率，可以通过增大发射天线数目或者减小分组块时隙数目实现，甚至通过在单个分组块中传输多个非零信号，但是传输可靠性将会有所牺牲。通过对MIMO通信系统中的发射天线数目及时隙分组块大小等参数进行调节，可达到平衡传输效率与传输可靠性之间的目的。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于MIMO系统的空时联合调制传输方法，其特征在于，包括：(1)系统参数初始化步骤；(2)发射端基于空时联合调制的传输方案设计；(3)接收端基于最大似然算法的信号检测；其中，

所述系统参数初始化步骤具体包括对如下MIMO通信系统参数进行初始化：

发射天线数目N_T，接收天线数目N_R，时隙分组块W，其中时隙分组块W＞0且W≠1，W是整数，数字调制阶数M，单个时隙分组块所能传输的比特总数目为L＝log₂N_T+log₂W+log₂M，时隙分组块W的信道系数矩阵H_W；

所述发射端基于空时联合调制的传输方案设计步骤根据输入信息比特选择激活发射天线以及传输时隙，然后再进行数字调制，具体包括如下步骤：

(21).从输入信息比特序列中选取A＝log₂N_T个比特b_axt＝[b₁,b₂,...,b_A]进行发射天线选择，设当前被选择的激活天线序号为k；

(22).从输入信息比特序列中选取B＝log₂W个比特b_sbt＝[b_A+1,b_A+2,...,b_A+B]进行单个时隙分组块中的传输时隙ε的选择；

(23).最后从输入信息比特序列中选取log₂M个比特b_con＝[b_A+B+1,b_A+B+2,...,b_L]进行数字调制，得到调制符号x；

(24).根据输入比特与空时联合调制映射的关系得当前时隙分组块的传输符号为X，且满足X_kε＝x，X_kε表示传输符号X的第k行第ε列，调制符号x为传输符号X的第k行第ε列；

当发射天线数目不为2^k时，其中k为非负整数，需要结合天线选择算法使其满足条件，另外信道系数矩阵通过信道估计获得；

所述接收端基于最大似然算法的信号检测步骤需根据单个分组块中所有接收天线接收到的信号进行最大似然检测，以对发射天线所传输的比特信息进行解调恢复；具体包括如下步骤：

(31)设在时隙分组块W各接收天线接收信号为那么有

y_W＝H_Wx_W+z_W

其中，z_W表示时隙分组块W接收到的随机噪声信号矢量，x_W为传输符号X的第W列；

那么针对该时隙块基于最大似然检测得到的估计信号为

其中|| ||²表示向量二范数；

由于每个时隙分组块中只有一个时隙存在非零符号传输，那么上式写为

(32).计算所有可能的传输符号组合，根据空时联合调制原理，可知每个时隙分组块中只有其中一个时隙的一根天线上存在非零符号，因此可能的组合为W*M*N_T种，通过比较所有的发射组合，选择其中欧氏距离最小的组合作为估计信号；

(33).当发射天线及传输时隙确定后便根据步骤(2)中的映射规则得到用以空时联合调制的信息比特，另一部分用以数字调制的比特由数字解调得到。