CN105119869B - 基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法，包括步骤：通信系统的发射装置离线构建空时矩阵星座图，所述通信系统的发射装置找出空时矩阵中发射天线的所在位置，然后确定该位置上的发送值来构建空时矩阵星座图；依据构建的空时矩阵星座图，将所述发射装置输入的信息比特进行分组，将每组中的信息比特映射到所述空时矩阵星座图中的一个空时矩阵进行信号发射，通信系统的接收装置采用最大似然解调，接收发射装置传送过来的信号。本发明可使空移键控系统取得发射分集增益，提高系统性能；突破原有空移键控系统发射天线数必须为2的幂次方的限定，提高系统设计灵活性；同时保持原有空移键控系统单链路传输特性，降低多天线系统复杂度。

Description

基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，有限的频谱资源逐渐成为制约无线通信系统的瓶颈。采用多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)无线通信系统是提高无线通信频谱效率的有效途径。在众多MIMO技术中，空移键控(Space Shift Keying,SSK)是近期提出的一种低复杂度、高能效的MIMO技术。其核心思想是，使用天线位置传递信息，在任一时隙，激发多根天线中的一根传送信息，避免了天线间的同步以及同信道间的干扰；同时，整个系统只需要单根射频链，大幅降低了系统复杂度以及系统成本。

空移键控虽然降低了多天线系统的复杂度，但是，同时也损失了部分系统性能。分集增益是衡量系统性能的重要指标。传统的分集增益包括时间分集、频率分集。多天线技术的引入，使得系统可取得空间分集。空间分集又包括发射分集以及接收分集。研究表明，空移键控只能取得接收分集，而不能取得发射分集。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法，该通信方法能使空移键控系统取得发射分集增益，提高系统性能，突破原有空移键控系统发射天线数必须为2的幂次方的限定，提高了系统设计灵活性，并保持了原有空移键控系统单链路传输特性，降低了多天线系统复杂度。

一种基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法，运行于通信系统中，其特征在于，该方法包括以下步骤：通信系统的发射装置离线构建空时矩阵星座图，所述空时矩阵星座图包括多个空时矩阵，所述通信系统的发射装置找出所述空时矩阵中发射天线的所在位置，然后确定该位置上的发送值来构建空时矩阵星座图；依据构建的空时矩阵星座图，将所述发射装置输入的信息比特进行分组，将每组中的信息比特映射到所述空时矩阵星座图中的一个空时矩阵进行信号发射，通信系统的接收装置采用最大似然解调，接收发射装置传送过来的信号。

具体地说，考虑一个具有N_t根发射天线，N_r根接收天线的无线通信系统，使用H表示接收端到发射端的信道矩阵。在发射端，对输入的信息比特进行分组，每组包含m＝log₂N_t个比特用于选取多根发送天线中的一根进行信号传输。其数学模型可以表示为：

y＝Hx_j+z

其中，y为接收信号向量，z为系统噪声，x_j＝[0,0,…,1,0,…]^T为发送信号向量，其第j个元素不为1，其余元素都为0，表示选取第j根天线进行信号发送。从本质上看，空移键控将信息比特映射到单个一维的向量x_j上，x_j有仅只有一个非零元素保证了系统的单链路发射。

在本发明中，将输入信息比特映射到一个二维的空时矩阵上，其接收信号向量可以表示为：

Y＝HX+Z；

其中，X为N_t×T维空时矩阵。通过合理的选择矩阵的取值，能使系统在保持单链路发送的同时，获得接收分集与发射分集，提高系统性能。

为了方便描述本发明的内容，首先作术语定义：对于空时矩阵X，定义其对应的发射天线位置矩阵A，其元素之间的关系为：

对于发射天线数目为N_t，传输时隙为T的多天线系统，在准静态衰落信道中，系统所能取得的最大发射分集增益为min(N_t,T)。也就是说，当T>N_t时，增加空时矩阵X的列数，无益于系统发射分集的提高，由此，本发明中，只考虑T≤N_t的情况，即系统所能取得的最大发射增益为T。

一种基于空时星座图的空移键控通信方法，应用于无线通信中，其特征在于：发送端信息比特映射到一个二维(时间维度及空间维度)的空时矩阵X上，设C为空时矩阵X的集合，其元素个数为M，X具有如下形式：

其中，矩阵X的取值必须満足以下条件：

a：X的每一列的有且只有一个元素不为0；

b：X满足功率约束条件：

其中，tr(·)表示矩阵的迹，E(·)表示均值；

c：X的取值能使系统发射分集增益与编码增益最大化。

相较于现有技术，采用本发明提供的基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法，为空移键控系统取得了发射分集，具有优异的误码性能，并突破原有空移键控系统发射天线数必须为2的幂次方的限定，提高了系统设计灵活性，此外，保持了原有空移键控系统单链路传输特性，降低了多天线系统复杂度。

附图说明

图1是通信系统较佳实施例的通信系统的结构示意图。

图2是本发明基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法较佳实施例的原理图。

图3是本发明基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法的流程图。

图4是本发明基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法中确定天线发射位置的流程图。

图5是本发明基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法中选取发送值的流程图。

图6是本发明较佳实施例中误码率性能的对比图。

主要元件符号说明

通信系统	2
		发射装置	20
接收装置	22
		发射天线	200
接收天线	220

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

参阅图1所示，是通信系统较佳实施例的结构示意图。所述通信系统2可以是无线通信系统。该通信系统2包括发射装置20、接收装置22、发射天线200及接收天线220。

其中，发射装置20通过发射天线200将数据传输给接收装置22的接收天线220，使得发射装置20与接收装置22之间能够实现无线数据传输。需要说明的是，所述发射装置20可以安装两根或两根以上的发射天线200，所述接收装置22可以安装一根或一根以上的接收天线220。在本较佳实施例中，所述通信系统2是包括N_t根发射天线200及N_r根接收天线220的无线通信系统，其中，N_t为大于等于2的正整数，N_r大于等于1的正整数。在本较佳实施例中，通信系统2是包括四根发射天线200及四根接收天线220的无线通信系统，如图2所示。

具体而言，一个具有N_t根发射天线200，N_r根接收天线220的通信系统2，使用H表示发射装置20到接收装置22的信道矩阵。在发射装置20中，对输入的信息比特进行分组，每组包含m＝log₂N_t个信息比特，以用于选取多根发射天线200中的一根发射天线200进行信号传输，其数学模型可以表示为：y＝Hx_j+z，其中，y为接收信号向量，z为通信系统2的噪声，x_j＝[0,0,…,1,0,…]^T为发送信号向量，发送信号向量中第j个元素为1，其余元素都为0，表示选取第j根发射天线200进行信号发送。从本质上看，空移键控将信息比特映射到单个一维的向量x_j上，x_j有且仅有一个非零元素保证了通信系统2的单链路发射。

进一步地，在本较佳实施例中，将输入的信息比特映射到空时矩阵上，其接收信号向量可以表示为：Y＝HX_i+Z，其中，X_i为N_t×T形式的空时矩阵。通过合理的选择矩阵的取值，能使通信系统2在保持单链路发送的同时，获得接收分集与发射分集，提高通信系统2的性能。

如图3所示，是本发明基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法的流程图。

步骤S10，发射装置20离线构建空时矩阵星座图，所述空时矩阵星座图包括多个空时矩阵，所述空时矩阵是N_t×T形式的矩阵，其中，N_t为发射天线200的数量，T为传输时隙。

其中，构建空时矩阵星座图的方式包括如下步骤：确定发射天线200的发射位置，即确定使用发射天线200的序号；依据发射位置，选取发送值。

其中，确定发射天线200的发射位置的方式将在图4中做详细描述。而依据发射位置，选取发送值的方式将在图5中做详细描述。

步骤S20，依据构建的空时矩阵星座图，将发射装置20输入的信息比特进行分组，每组包含m＝log₂M个信息比特，发射装置20将每组中的信息比特映射到矩阵星座图中的一个空时矩阵进行信号发射，接收装置22采用最大似然解调，接收发射装置20传送过来的信号。需要说明的是，接收装置22接收的信号表示为：Y＝HX_i+Z，其中，X_i为发射装置20的发送信号向量，且X_i为N_t×T形式的空时矩阵，Y为接收装置22的接收信号向量，Z为通信系统2的噪声。

如图4所示，是本发明基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法中确定天线发射位置的流程图。

首先，步骤S100，找出所有可用的发射天线位置矩阵A的集合C_a，由于一个时隙只选择一根发射天线200进行发送，对于发射天线200的数量为N_t，传输时隙为T的通信系统2，C_a的元素个数为N_t ^T，即C_a包括N_t ^T个发射天线位置矩阵A。为了方便说明，集合C_a中的元素使用A_i表示，其中，1≤i≤N_t ^T。

步骤S110，根据集合C_a，生成空时矩阵集合C_x。具体而言，对于任意发射天线位置矩阵A_i,A_j∈C_a，将矩阵A_i,A_j中值为1的元素用随机数代替，值为0的元素保持不变，生成空时矩阵X_i,X_j，对应的空时矩阵集合为C_x，其中，X_i表示第i个空时矩阵，X_j表示第j个空时矩阵。

所述空时矩阵为X_i，所述空时矩阵共M个，X_i具有如下形式：

其中，空时矩阵X_i的取值必须満足以下条件：X_i的每一列有且只有一个元素不为0；X_i满足功率约束条件为：其中，tr(·)表示矩阵的迹，E(·)表示均值；X_i的取值使通信系统2的发射分集增益与编码增益最大化。

对于发射天线数量为N_t，传输时隙为T的多天线的通信系统2，在准静态衰落信道中，通信系统2所能取得的最大发射分集增益为min(N_t,T)。也就是说，当T>N_t时，增加空时矩阵X_i的列数，无益于系统发射分集的提高，由此，本发明中，考虑T≤N_t的情况，即系统所能取得的最大发射增益为T。

所述空时矩阵X_i的元素与发射天线位置矩阵A_i的元素之间的关系为：

其中，a_nt为发射天线位置矩阵A_i的元素，x_nt为发射天线空时矩阵X_i的元素。

步骤S120，对于任意X_i,X_j∈C_x，记矩阵E₁＝(X_i-X_j)(X_i-X_j)^H，计算E₁的秩rank(E₁)。

步骤S130，用方阵R的元素表示所述发射天线位置矩阵是否满足系统分集度的要求。具体而言，矩阵R的元素r_ij的取值依据以下准则进行设定：若元素r_ij为1，表明发射天线位置矩阵达到系统分集度的要求，若元素r_ij为0，表明发射天线位置矩阵没有达到系统分集度的要求。

步骤S140，将方阵R的对角元素的值设为1。

步骤S150，统计方阵R每行为0的元素个数之和，找出最大值所在的行对应的系数，在方阵R中，去掉该系数对应的行、列。

步骤S160，检查方阵R的元素取值是否存在为0的元素，若存在，则返回步骤S150，直至所有元素值全为1。

步骤S170，找出方阵R每行系数所对应的发射天线位置矩阵A_s，A_s的集合C_as′即为系统可选的天线发射位置。得到发射天线200的可选发射位置后，须确定对应发射位置上的取值。

如图5所示，是本发明基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法中选取发送值的流程图。

步骤S200，在集合C_as′中随机选取M个元素组成集合C_as，并初始化集合C及数值λ，其中，C＝0，λ＝0。具体而言，设M′为集合C_as′的元素个数，取其中表示不大于M的最大整数。在集合C_as′中随机选取M个元素组成的集合C_as。

步骤S210，根据集合C_as，生成空时矩阵集合C_t。具体而言，对于任意发射天线位置矩阵A_i，A_i∈C_as，将发射天线位置矩阵A_i中值为1的元素用随机数代替，值为0的元素保持不变，生成空时矩阵X_i，用C_t表示空时矩阵X_i的集合。

步骤S220，对空时矩阵X_i的能量进行归一化处理，即：其中，||·||_F表示Frobenius范数，X_i∈C_t。

步骤S230，对于任意X_i,X_j∈C_t，记矩阵E₂＝(X_i-X_j)(X_i-X_j)^H，计算E₂的行列式值det(E₂)，找出其中的最小行列式值

步骤S240，判断λ_min是否大于λ，若λ_min大于λ，流程进入步骤S250。若λ_min小于或等于λ，流程进入步骤S260。

步骤S250，记录当前λ_min的值及空时矩阵集合C_t的值，并将λ赋值为λ_min，C赋值为C_t。

步骤S260，对空时矩阵集合C_t的搜索次数加1。

步骤S270，判断搜索次数是否达到上限(上限一般为10⁶数量级)。当搜索次数达到上限时，流程进入步骤S280。当搜索次数没有达到上限时，返回步骤S210。

步骤S280，停止搜索，集合C即为发送空时矩阵集合。发送值从所述发送空时矩阵集合中选取。

由于以上步骤均可离线进行，因此，不会影响系统的复杂度，空时矩阵星座图构造完成后，在发射端对信息比特进行映射，接收端采用最大似然估计即可完成信息的解调。

下面通过一个具有两根发射天线200，两根接收天线220的通信系统2进行说明。

考虑采用空移键控方式进行信息传输，其信息传输速率为1bps。传统的空移键控系统，其星座图可以表示为以下两个向量：

根据输入比特0，1对应选择v₁，v₂进行发送。

而在本发明中，使用空时矩阵传送信息，取T＝2，则系统的星座图为：

在发射装置20中，每两比特分为一组，映射至星座图中的一个空时矩阵，在两个时隙内进行信号发送，与传统的空移键控系统相对比，取得了相同的信息传输速率，同时也取得了发射分集。而图6给出了本发明的基于空时矩阵星座图的空移键控的通信系统与传统的空移键控的通信系统的误码性能图，从图6中可以看出，基于本发明的基于空时矩阵星座图的空移键控的通信系统取得了分集增益，其误码性能明显优于传统的空移键控的通信系统。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法，运行于通信系统中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

通信系统的发射装置离线构建空时矩阵星座图，所述空时矩阵星座图包括M个空时矩阵X_i，

所述空时矩阵X_i的取值満足以下三个条件：(1)X_i的每一列有且只有一个元素不为0；(2)X_i满足功率约束条件为：其中，tr(·)表示矩阵的迹，E(·)表示均值；(3)X_i的取值使通信系统发射分集增益与编码增益最大化；

所述通信系统的发射装置找出所述空时矩阵中发射天线的所在位置，然后确定该位置上的发送值来构建空时矩阵星座图；

所述构建空时矩阵星座图的方式包括如下步骤：

依据系统的分集度要求，确定所述发射装置的发射天线的发射位置；及

依据发射位置，最大化系统编码增益，选取发送值；

其中，所述确定所述发射装置的发射天线的发射位置，包括：

找出所有可用发射天线位置矩阵A的集合C_a，对于发射天线的数量为N_t，传输时隙为T的通信系统，C_a的元素个数为N_t ^T；

根据集合C_a，生成空时矩阵集合C_x，其中，对于任意发射天线位置矩阵A_i,A_j∈C_a，将发射天线位置矩阵A_i,A_j中值为1的元素用随机数代替，值为0的元素保持不变，生成空时矩阵X_i,X_j，对应的空时矩阵集合为C_x；

对于任意X_i,X_j∈C_x，记矩阵E₁＝(X_i-X_j)(X_i-X_j)^H，计算E₁的秩rank(E₁)；

用方阵R表示所述发射天线位置矩阵是否满足分集度要求，并根据矩阵E的秩来设定R元素的值；

将方阵R的对角元素的值设为1；

统计方阵R每行为0的元素个数之和，找出最大值所在的行对应的系数，在方阵R中，去掉该系数对应的行、列；

检查方阵R的元素取值是否存在为0的元素，直至所有元素值全为1；

找出方阵R每行系数所对应的发射天线位置矩阵A_s，A_s的集合C_as′即为系统可选的天线发射位置；

所述选取发送值，包括：

(a)在可选的天线发射位置的集合C_as′中随机选取M个元素组成集合C_as，并初始化集合C及数值λ，其中，C＝0，λ＝0；

(b)根据集合C_as，搜索空时矩阵X_i的集合C_t；

(c)对空时矩阵集合C_t中X_i的能量进行归一化处理，即：其中，||·||_F表示Frobenius范数，X_i∈C_t；

(d)对于任意X_i,X_j∈C_t，记矩阵E₂＝(X_i-X_j)(X_i-X_j)^H，计算E₂的行列式值det(E₂)，找出其中的最小行列式值及

(e)若λ_min大于λ，记录当前λ_min的值及空时矩阵集合C_t的值，并将λ赋值为λ_min，C赋值为C_t，当搜索次数没有达到上限时，返回步骤(b)；

(f)当搜索次数达到上限时，停止搜索，集合C即为发送空时矩阵集，所述发送值从发送空时矩阵集合中选取；及

依据构建的空时矩阵星座图，将所述发射装置输入的信息比特进行分组，将每组中的信息比特映射到所述空时矩阵星座图中的一个空时矩阵进行信号发射，通信系统的接收装置采用最大似然解调，接收发射装置传送过来的信号。

2.如权利要求1所述的基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法，所述空时矩阵X_i的元素与发射天线位置矩阵A_i的元素之间的关系为：

其中，a_nt为发射天线位置矩阵A_i的元素，x_nt为所述空时矩阵X_i的元素。

3.如权利要求1所述的基于空时矩阵星座图的空移键控通信方法，其特征在于，所述矩阵R元素的取值方法为：

其中，rank(E₁)为E₁的秩，若E₁的秩等于传输时隙T时，元素r_ij为1，表明发射天线位置矩阵达到系统分集度的要求，若特定矩阵的秩小于传输时隙T时，元素r_ij为0，表明发射天线位置矩阵没有达到系统分集度的要求。