CN104994047A - 一种用于空间相位调制的天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，尤其涉及空间调制(Spatial Modulation，SM)技术、发射端的预编码技术(Transmit Precoding)、相位旋转技术(Phase Rotation，PR)、相移键控(Phase Shifting Keying，PSK)、天线选择技术(Antenna Selection)和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)调制技术。接收端根据信道估计得到的信道信息根据本发明提出的算法选择出接收天线集合和发射天线集合，并将发射天线集合反馈给发射端，发射端根据接收端反馈的发射天线集合，对传输数据进行空间调制映射。本发明能够使星座点间最小欧式距离变大，在使系统在引入极小的反馈量和增加很小的复杂度的情况下，使系统的BER性能得到显著的提高。

Description

一种用于空间相位调制的天线选择方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，尤其涉及空间调制(Spatial Modulation，SM)技术、发射端的预编码技术(Transmit Precoding)、相位旋转技术(Phase Rotation，PR)、相移键控(Phase Shifting Keying，PSK)、天线选择技术(Antenna Selection)和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)调制技术。

背景技术

MIMO调制技术是一种在无线环境下的高速传输技术，该技术在发射端和/或接收端配置更多的无线单元，并结合先进的空时编码调制方案，通过对空间自由度的充分利用，可以带来额外的分集增益和复用增益，进而提高通信系统的通信可靠性和效率。

近来，SM技术作为一种新的MIMO调制方案被提出来。该技术的基本原理是通过激活不同的天线，将天线索引值用于调制来传输信息比特。这种传输方案的本质是利用MIMO系统中不同信道的独立性。因为每次只有一根天线被激活，进而在发射端只需要一个射频单元且此过程能传输部分比特。因此，SM技术可以提高传输速率，降低MIMO系统的成本和复杂度。

针对SM系统，许多自适应技术被提出用于提高SM系统的传输可靠性，天线选择技术就是其中一种。然而，目前提出的天线选择方法，复杂度较高，难以用于大规模MIMO系统。

同时，没有一种有效的算法在发射端与接收端进行联合的天线选择。

发明内容

本发明提供一种用于空间相位调制的收发端联合天线选择方法，用以解决现有技术中天线选择复杂度高和不能在发射端与接收端进行联合的天线选择的不足。

为更好地对本发明进行说明，先介绍本发明技术方案所用到的术语和空间调制系统发射机结构。

空间调制：如图1所示，b是需要传输的比特数据，可以被视为一个L×T的矩阵，其中L＝log2(M)+log2(Mary)是一个SM调制符号所携带的比特数量，Mary是正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)阶数。一个SM调制符号所能携带的比特数量由QAM调制阶数和发射天线数量共同决定。SM调制准则是根据SM转化表将b转化成为一个M×T的矩阵x。在矩阵x中，一列代表一个时刻发送的数据，任意一列只有一个非零数据，意味着任意时刻只有一根天线发送数据。

本发明的技术方案：

一种用于空间相位调制的预编码方法，具体步骤如下：

S1、接收端根据估计得到的N_t×N_r的信道矩阵H得到预编码相位旋转矩阵θ，其中，N_t为发射天线数目，N_r为接收天线数目，所述相位旋转矩阵θ为对角阵，用θ_j表示第j个对角元，即第j根发射天线上发送的符号需要旋转的相位值；

S2、进行发射天线数目判定，若N_t＝2则转入S3，若N_t≠2则转入S4；

S3、根据公式 $\begin{array}{c}{{\mathrm{\θ}}_{opt}}^{\′\′}={\arg }_{\mathrm{\θ}\∈\mathrm{\Θ}}{\mathrm{maxd}}_{\min }(H,\mathrm{\θ})\\ d_{\min }(H,\mathrm{\θ})=\left\{\left|\right|h_1{e}^{j\frac{2k\mathrm{\π}}{L}}-h_2{e}^{{\mathrm{j\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_m}\left|\right|\right\}\end{array}$ 选出此时最优的θ作为预编码向量，即θ_opt”，其中，Θ＝{θ|θ_k＝[1,1,...,θ_m,...,1,1]}， k_m＝0,1,2,...,L-1，k_n＝0,1,2,...,L-1，k_m≠k_n，L为调制阶数，k＝0,1,2,...,L-1；

S4、求出N_t≠2时的预编码向量θ′_opt，具体为：

S41、根据公式计算出星座图中任意两点间的最小距离d_min(H,θ₀)，其中，H为信道矩阵，θ₀为长度为N_t×N_t，对象元初始值全为1的与编码矩阵，Λ表示PSK调制符号集合，x_i和x_j为Λ中的元素；

S42、将S41所述Λ中的每一个元素对应一根发射天线，根据S41所得d_min(H,θ₀)确定出距离最近的两个星座点，所述距离最近的两个星座点对应的发射天线的序号记作m和n，其中，m＝1,2,...,N_t，n＝1,2,...,N_t；

S43、若m＝n，则采用S41所述θ₀作为预编码向量，转入S5，若m≠n，则转入S44；

S44、根据公式 $\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{opt}={\arg }_{\mathrm{\θ}\∈\mathrm{\Θ}}{\mathrm{maxd}}_{\min }(h_m,h_n,\mathrm{\θ})\\ d_{\min }(h_m,h_n,\mathrm{\θ})=\left\{\left|\right|h_m{e}^{j\frac{2k\mathrm{\π}}{L}}-h_n{e}^{{\mathrm{j\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_m}\left|\right|\right\}\end{array}$ 选取此时最优的θ作为预编码向量，即θ′_opt；

S45、比较d_min(H,θ₀)与d_min(H,θ′_opt)的大小，若d_min(H,θ₀)＜d_min(H,θ′_opt)，则θ′_opt为最终的相位旋转矩阵对角线上的第m个元素θ_m，若d_min(H,θ₀)≥d_min(H,θ′_opt)，则去除发射天线m和n对应的星座点，返回S41；

S5、由数字化信源产生m＝m₁+m₂位信息比特，前m₁位作为SM调制的天线索引比特，后m₂位根据M的取值做M-QAM调制，得到调制后的符号向量x，其中，m₁为经验值，所述M为SM调制的阶数；

S6、对S5所述符号向量x进行预编码，即x'＝xθ_opt，其中，θ_opt∈{θ_opt”,θ'_opt}；

S7、将S6所述x'经射频发送，通过信道后得到接收信号y，接收端结合θ_opt和信道信息对所述接收信号y进行检测。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于SM-PSK系统提出一种新的预编码算法，该技术通过对相关性最大的两根天线的其中一根天线所发射的符号进行相位旋转，能够使星座点间最小欧式距离变大，在使系统在引入极小的反馈量和增加很小的复杂度的情况下，使系统的BER性能得到显著的提高。

附图说明

图1是传统SM系统框图。

图2是本发明的SM系统框图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

如图2所示，有四根发射天线，调制符号为BPSK。

步骤1、接收端根据估计得到的N_t×N_r的信道矩阵H得到预编码相位旋转矩阵θ，其中，N_t为发射天线数目，N_r为接收天线数目，所述相位旋转矩阵θ为对角阵，用θ_j表示第j个对角元，即第j根发射天线上发送的符号需要旋转的相位值；

步骤2、进行发射天线数目判定；

步骤3、求出N_t≠2时的预编码向量θ′_opt，具体为：

步骤31、根据公式计算出星座图中任意两点间的最小距离d_min(H,θ₀)，其中，H为信道矩阵，θ₀为长度为N_t×N_t，对象元初始值全为1的与编码矩阵，Λ表示PSK调制符号集合，x_i和x_j为Λ中的元素；

步骤32、将步骤31所述Λ中的每一个元素对应一根发射天线，根据步骤31所得d_min(H,θ₀)确定出距离最近的两个星座点，所述距离最近的两个星座点对应的发射天线的序号记作m和n，其中，m＝1,2,...,N_t，n＝1,2,...,N_t；

步骤33、若m＝n，则采用步骤31所述θ₀作为预编码向量，转入步骤4，若m≠n，则转入步骤34；

步骤34、根据公式 $\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{opt}={\arg }_{\mathrm{\θ}\∈\mathrm{\Θ}}{\mathrm{maxd}}_{\min }(h_m,h_n,\mathrm{\θ})\\ d_{\min }(h_m,h_n,\mathrm{\θ})=\left\{\left|\right|h_m{e}^{j\frac{2k\mathrm{\π}}{L}}-h_n{e}^{{\mathrm{j\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_m}\left|\right|\right\}\end{array}$ 选取此时最优的θ作为预编码向量，即θ′_opt；

步骤35、比较d_min(H,θ₀)与d_min(H,θ′_opt)的大小，若d_min(H,θ₀)＜d_min(H,θ′_opt)，则θ′_opt为最终的相位旋转矩阵对角线上的第m个元素θ_m，若d_min(H,θ₀)≥d_min(H,θ′_opt)，则去除发射天线m和n对应的星座点，返回步骤31；

步骤4、由数字化信源产生m＝m₁+m₂位信息比特，前m₁位作为SM调制的天线索引比特，后m₂位根据M的取值做M-QAM调制，得到调制后的符号向量x，其中，m₁为经验值，所述M为SM调制的阶数；

步骤5、对步骤4所述符号向量x进行预编码，即x'＝xθ_m；

S6、将S5所述x'经射频发送，通过信道后得到接收信号y，接收端结合θ_m和信道信息对所述接收信号y进行检测。

Claims (1)

1.一种用于空间相位调制的预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、接收端根据估计得到的N_t×N_r的信道矩阵H得到预编码相位旋转矩阵θ，其中，N_t为发射天线数目，N_r为接收天线数目，所述相位旋转矩阵θ为对角阵，用θ_j表示第j个对角元，即第j根发射天线上发送的符号需要旋转的相位值；

S2、进行发射天线数目判定，若N_t＝2则转入S3，若N_t≠2则转入S4；

S3、根据公式 $\begin{array}{c}{{\mathrm{\θ}}_{opt}}^{\′\′}={\arg }_{\mathrm{\θ}\∈\mathrm{\Θ}}{\mathrm{maxd}}_{\min }(H,\mathrm{\θ})\\ d_{\min }(H,\mathrm{\θ})=\left\{\left|\right|h_1{e}^{j\frac{2k\mathrm{\π}}{L}}-h_2{e}^{{\mathrm{j\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_m}\left|\right|\right\}\end{array}$ 选出此时最优的θ作为预编码向量，即θ_opt ^”，其中，Θ＝{θ|θ_k＝[1,1,...,θ_m,...,1,1]}， k_m＝0,1,2,...,L-1，k_n＝0,1,2,...,L-1，k_m≠k_n，L为调制阶数，k＝0,1,2,...,L-1；

S4、求出N_t≠2时的预编码向量θ′_opt，具体为：

S41、根据公式计算出星座图中任意两点间的最小距离d_min(H,θ₀)，其中，H为信道矩阵，θ₀为长度为N_t×N_t，对象元初始值全为1的与编码矩阵，Λ表示PSK调制符号集合，x_i和x_j为Λ中的元素；

S42、将S41所述Λ中的每一个元素对应一根发射天线，根据S41所得d_min(H,θ₀)确定出距离最近的两个星座点，所述距离最近的两个星座点对应的发射天线的序号记作m和n，其中，m＝1,2,...,N_t，n＝1,2,...,N_t；

S43、若m＝n，则采用S41所述θ₀作为预编码向量，转入S5，若m≠n，则转入S44；

S44、根据公式 $\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{opt}={\arg }_{\mathrm{\θ}\∈\mathrm{\Θ}}{\mathrm{maxd}}_{\min }(h_m,h_n,\mathrm{\θ})\\ d_{\min }(h_m,h_n,\mathrm{\θ})=\left\{\left|\right|h_m{e}^{j\frac{2k\mathrm{\π}}{L}}-h_n{e}^{{\mathrm{j\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_m}\left|\right|\right\}\end{array}$ 选取此时最优的θ作为预编码向量，即θ′_opt；

S45、比较d_min(H,θ₀)与d_min(H,θ′_opt)的大小，若d_min(H,θ₀)＜d_min(H,θ′_opt)，则θ′_opt为最终的相位旋转矩阵对角线上的第m个元素θ_m，若d_min(H,θ₀)≥d_min(H,θ′_opt)，则去除发射天线m和n对应的星座点，返回S41；

S5、由数字化信源产生m＝m₁+m₂位信息比特，前m₁位作为SM调制的天线索引比特，后m₂位根据M的取值做M-QAM调制，得到调制后的符号向量x，其中，m₁为经验值，所述M为SM调制的阶数；

S6、对S5所述符号向量x进行预编码，即x'＝xθ_opt，其中，θ_opt∈{θ_opt”,θ'_opt}；

S7、将S6所述x'经射频发送，通过信道后得到接收信号y，接收端结合θ_opt和信道信息对所述接收信号y进行检测。