CN105187355B - 一种天线选择-功率自适应的空间调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明本发明属于通信技术领域，提供一种天线选择‑功率自适应的空间调制方法，用以解决现有的发射天线选择的空间调制MIMO系统的抗干扰能力较弱的问题，本发明接收端通过计算每一组备选功率分配方案下，等效星座点之间的最小欧氏距离，然后从方案集合中选出最小欧氏距离最大得备选功率分配方案作为最最优功率分配方案，并反馈给发射端对基于范数天线选择后的传输信道矩阵H进行等效，得到新的传输方案，增大星座点间的最小欧氏距离，有效降低了数据传输的误码率，进一步提高了空间调制通信系统的性能。

Description

一种天线选择-功率自适应的空间调制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及多输入-多输出(MIMO,Multiple-InputMultiple-Output)的自适应方法，具体为一种发射天线选择-功率自适应的空间调制方法。

背景技术

空间调制(SM,Spatial Modulation)是多输入-多输出系统中特有的一种调制方式，它能够有效地避免传统MIMO系统中的信道间干扰和发射天线间信道同步的问题，成为了未来移动通信的主要候选技术之一。

传统的空间调制系统的基于容量最优的天线选择算法通过选择范数最大的发送向量，具体可以参考文献：Rajashekar R,Hari K V S,Hanzo L.Antenna selection inspatial modulation systems,IEEE Communications Letters,2013。首先根据信道估计的方法获得信道信息H根据具体调制时对各个天线携带的数据比特统一进行等功率的发送，MIMO发送功率没有考虑与信道状态信息的关系。

天线选择技术作为一种能有效降低射频链路成本的手段，将其引入到SM系统中，不仅可以保持SM系统发射端单射频链路及其带来的其他优势，而且还能给SM系统带来分集增益。传统的基于容量最优的天线选择，对于给定的信道实现和信噪比，发射天线为N_SM的空间调制系统的容量是有界的，从总发射天线N_t中选择N_SM根范数最大的天线有利于最大化容量下界。

现有的空间调制方法的主要缺点在于：没有考虑发射-接收信道的差异，对各个发送天线均采用等功率发送，从而造成了基于空间调制的MIMO系统的抗干扰能力弱，误码性能受限；基于容量最优方法选择的范数较大的向量由于取值集中，较容易导致接收端天线出现误判；因此，本发明提供一种发射天线选择-功率自适应的空间调制方法，进一步地提升系统误比特性能(Bit error rate,BER)。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的基于发射天线选择空间调制的MIMO系统的抗干扰能力较弱的问题，提出了一种发射天线选择-功率自适应的空间调制方法，接收端在备选自适应功率分配方案集合中选取最优功率分配方案反馈给发射端，使得发射端能自适应的调整传输方案，有利于增大星座点间的最小欧氏距离，从而进一步降低了系统的误码率，得以提高空间调制通信系统性能。

为了方便的描述本发明的内容，首先作以下定义：

(1)空间调制是指用多输入-多输出系统的天线索引和幅度相位调制作为数据信息携带载体的调制方式，在空间调制中，传输数据被分割成天线索引和幅度相位调制部分，每一个传输时刻只有一根对应索引的天线被激活，并且激活的天线传输幅度相位调制信号。

(2)多输入-多输出系统是指发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收。

(3)幅度相位调制(APM,Amplitude/Phase Modulation)是指将发送的比特数据映射为载波的幅度和相位，以便于信道传输，特别地，正交幅度调制(QAM,QuadratureAmplitude Modulation)是APM的一种，它利用幅度和相位同时携带信息。

(4)Frobenios范数，也叫做2-范数，若向量x＝[x₁,x₂,....,x_n]，那么向量x的Frobenios范数||x||_F可以表示为：

其中，|*|表示*的绝对值大小。

(5)内积是一种矢量运算，假设矢量A＝[a₁,a₂，…,a_n]，B＝[b₁,b₂，…,b_n]，那么矢量A和B的内积表示为：

＜A·B＞＝a₁×b₁+a₂×b₂+…a_n×b_n。

(6)Q(·)表示高斯Q函数，变量x对应的高斯Q函数值为

(7)容量最优的天线选择，对于给定的信道实现和信噪比，发射天线为N_SM的空间调制系统的容量是有界的，

α≤C_SM≤α+log₂(N_SM)

其中，从总发射天线N_t中选择N_SM根范数最大的天线有利于最大化容量下界。

本发明的技术方案是：

一种天线选择-功率自适应的空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.传输数据根据接收端反馈的索引信息在发射端的所有备选天线集合中，利用基于范数天线选择算法，选取适应当前信道下的传输天线，即当前信道矩阵对应的子矩阵，并按照给定的调制方式进行调制传输数据，映射到选取的发射天线单元得到发射信号x，进行发射；

步骤1a.利用信道估计方法获取当前信道状态信息通过对信道状态信息H的N_t个列向量的范数排序，选取其中的N_SM个天线作为发射天线单元；

步骤1b.根据当前系统的天线配置，即实际发射天线数N_SM，接收天线数N_r，给出总的功率约束上限为P_total；

步骤1c.根据步骤1b的总功率约束P_total，确定备选自适应功率分配方案集合Φ，其中，每个方案满足约束条件：

其中，Σ表示数据的求和，N_SM表示发射天线数目，p_i表示第i根天线上分配的功率；

步骤2.利用信道估计方法获得信道状态信息H，计算适用于当前信道状态的最优自适应功率分配方案p_i ^opt，即每根发射天线的最优功率分配，并通过反馈信道反馈给发射端，以调整发射端下次数据映射时采用的传输方案，具体步骤为：

步骤2a.获取当前信道状态信息H，并获取发射端的备选自适应功率分配方案，即收发端共用同样的备选自适应功率分配方案集合，其中备选自适应功率分配方案由满足步骤1c的约束条件所确定；

步骤2b.根据当前的信道状态信息H评估每一个备选自适应功率分配方案的系统成对差错概率P_e(H^adp)，

其中，N₀为加性高斯白噪声的功率谱密度，Q(·)表示高斯Q函数，d_min(H^adp)表示接收星座点的最小欧式距离，λ表示具有接收星座点的最小欧氏距离d_min(H^adp)的邻近个数，由于系统成对差错概率P_e(H^adp)的主要取决于最小欧氏距离d_min(H^adp)，计算每一个备选自适应功率分配方案对应的最小欧氏距离d_min(H^adp)；

步骤2c.根据得到的每个备选自适应功率分配方案对应的最小欧氏距离，获得所有最小欧氏距离的最大值，该最大值对应的备选自适应功率分配方案即确定为当前信道状态信息H的最优自适应功率分配方案p_i ^opt，即p_i ^opt＝arg max{d_min(H^adp)}；

步骤2d.反馈当前信道状态信息H下的最优自适应功率分配方案p_i ^opt至发射端，以调整发射端下一次数据传输时采用的功率分配方案。

进一步地，步骤2b所述的最小欧氏距离d_min(H^adp)的具体计算过程如下:由于空间调制系统的特殊性，每一个时隙只有一根天线传送数据，其余天线均传输数据0，两个不同的发射信号x_i和x_j表示为：

其中，和分别表示第i和j根天线上的来自对应星座m和n星座点，在空间调制系统中接收星座点的最小欧氏距离为:

其中，Φ为备选功率自适应方案集合，Re(·)表示复数取其实部，m₁,m₂,m₃如下：

h_i和h_j分别表示信道状态信息Η的第i和j列，h_1,j表示信道状态信息H第1行第j列上的元素，h_2,j表示信道状态信息H第2行第j列上的元素，表示信道状态信息H第N_r行第j列上的元素，Λ为M-QAM调制下的所有星座点集合。

另外说明的是，本发明中最优自适应功率分配方案p_i ^opt为备选的功率自适应方案集合Φ中d_min(H^adp)最大的自适应功率分配方案，即

实际应用中，发射端发射信号x经过信道后，在接收端接收到信号y，假设接收端同步完美且信道信息H已知，经过本发明步骤1、2等效的信道信息矩阵用极大似然检测方法得到的估计发射数据为：

其中，p_Y(y|x,H)表示在信道信息H已知时，发送信号x接收到的信号y的似然函数，Λ表示发送信号x的所有可能得集合，它由天线的位置和对应天线的发送符号组合而成，即空间调制的星座，||·||_F表示Frobenios范数，表示使得函数f(x)最大时的变量x的值，表示使得函数f(x)最小时的变量x的值。

发明的有益效果为：

本发明提供一种天线选择-功率自适应的空间调制方法，针对空间调制系统，发射端首先采用范数方法进行天线选择选出优越的天线作为传输天线，对每根天线上的比特信息进行空间调制后，在接收端利用备选自适应功率方案集合进行最优自适应功率方案的选择并反馈给发射端。接收端首先计算得每一组备选功率分配方案下，等效星座点之间的最小欧氏距离，然后从中选出最小欧氏距离最大得备选功率分配方案作为最最优功率分配方案，利用此最优功率分配方案将信道传输矩阵进行等效，即H的最佳传输方案；接收端再结合空间调制系统的极大似然检测算法，确定发射天线序号，以及调制符号，进一步恢复出发射信息。本发明通过接收端对最优功率分配方案进行选择，并反馈给发射端对基于范数天线选择后的传输信道矩阵H进行等效，增大星座点间的最小欧氏距离，有效降低了数据传输的误码率，进一步提高了空间调制通信系统的性能。

附图说明

图1为本发明提供天线选择-功率自适应的空间调制方法的系统框图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例；需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。

假设发射端的信息传输速率为m＝3比特/次，发射端天线数N_t＝2，接收端天线数N_r＝1，考虑调制方式为4-QAM，即星座点集合D＝{-0.7071-0.7071i,-0.7071+0.7071i,0.7071-0.7071i,0.7071+0.7071i}。备选的功率传输方案如下：

Φ＝{diag([p₁₁,p₁₂]),diag([p₂₁,p₂₂]),…,diag([p_r1,p_r2])}

其中，p_ik＞0，这里我们假设初始值为p₁₁＝1.9，p₁₂＝0.1，终值p_r1＝0.1，p₁₂＝1.9，化步长Δ＝0.1，即，p_i1＝p₁₁-(i-1)Δ，p_i2＝p₁₂+(i-1)Δ。

则对于候选的功率分配方案集合Φ的每一种方案，对应最多有2⁴＝16个不同的欧氏距离，且在改组合下的所有欧氏距离必有一个值最小的。

例如，若第一根天线上传输调制星座点集合中的第三个调制符号0.7071-0.707i，即第二根天线传输调制星座点集合中的第二个调制符号-0.7071+0.707i，即则对应一个欧氏距离值，对于所有调制符号，比较r个候选功率因子组合下的最小欧式距离的值，选取最小欧式距离d_min(H)最大的一个功率分配方案，作为选出的最佳功率分配因子。

假设发射端已知信道状态信息H＝[-0.3773+0.3677i,-1.4161-0.0142i,0.6818-0.0246i]，首先利用范数天线选择算法选择发射天线，即H_selected＝[-1.4161-0.0142i,0.6818-0.0246i]，接收端利用选择的信道状态信息和候选功率分配方案，用上述欧氏距离的计算方法计算在不同备选功率分配方案下的最小欧氏距离，在r＝18个不同的最小欧氏距离中，值最大为d_min(H)＝0.8684，所对应的最佳功率分配方案为候选集合的第9种，即并将选择的方案反馈给发射端，得到等效的信道传输矩阵，

在接收端进行解调信号，并结合极大似然检测方式估计出原始的发射信息。

对于空间调制系统而言，各个天线位置信息可以独立的携带数据，各个数据被独立的映射到不同的天线上。由于各个天线对应的信道条件差异性，因而不同天线上对应的发送数据有不同的误码率性能。具体而言，当天线对应的信道状态差时，衰落和干扰较多，为此我们提出了根据瞬时信道状态信息为选择的不同发射天线分配不同的功率，同时保持总的平均功率不变，当发射天线信道条件较好的时候分配较大的功率；当发射天线条件差的时候，分配较小的功率，使得系统总的性能的提升进一步加大。

从上面的分析不难知道，这种各天线独立调制的方法在原有空间调制系统的优点上，既保证了传输效率，又进一步降低了误码率。现有的空间调制系统，都是发射天线均采用等功率发射，或者选择天线时没有考虑不同发射天线与当前的信道状态的关系，这不利于进一步降低干扰。本发明对此提出了在保证系统的传输速率且平均功率不变的前提下，改变范数天线选择后的传输天线的发射功率以适应当前信道状态信息，当发射天线信道条件较好的时候分配较大的功率；当发射天线条件差的时候，分配较小的功率，在接收端将备选的自适应功率分配方案反馈给发射端，使得发射端能自适应的调整传输方案，有利于增大星座点间的最小欧氏距离，从而进一步降低了系统的误码率，得以提高性能。

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原理，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)

1.一种天线选择-功率自适应的空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.传输数据根据接收端反馈的索引信息在发射端的所有备选天线集合中，利用基于范数天线选择算法，选取适应当前信道下的传输天线，并按照给定的调制方式进行调制传输数据，映射到选取的发射天线单元得到发射信号，进行发射；

步骤1a.利用信道估计方法获取当前信道状态信息通过对信道状态信息H的N_t个列向量的范数排序，选取其中的N_SM个天线作为发射天线单元；

步骤1b.根据当前系统的天线配置，即实际发射天线数N_SM，接收天线数N_r，给出总的功率约束上限为P_total；

步骤1c.根据步骤1b的总功率约束P_total，确定备选自适应功率分配方案集合Φ，其中，每个方案满足约束条件：

其中，Σ表示数据的求和，N_SM表示发射天线数目，p_i表示第i根天线上分配的功率；

步骤2.利用信道估计方法获得信道状态信息H，计算适用于当前信道状态的最优自适应功率分配方案p_i ^opt，并通过反馈信道反馈给发射端，以调整发射端下次数据映射时采用的传输方案，具体步骤为：

步骤2a.获取当前信道状态信息H，并获取发射端的备选自适应功率分配方案集合Φ；

步骤2b.计算每一个备选自适应功率分配方案p_i对应的最小欧氏距离；

步骤2c.选取所有最小欧氏距离的最大值，确定该最大值对应的备选自适应功率分配方案为当前信道状态信息H的最优自适应功率分配方案p_i ^opt；

步骤2d.反馈当前信道状态信息H下的最优自适应功率分配方案p_i ^opt至发射端，以调整发射端下一次数据传输时采用的功率分配方案。