CN105827287B - 一种角域数字化无线通信系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提出一种基于角域的数字化无线通信系统及实现方法，用于解决现有通信系统的扩容问题。在系统发射端，本发明基于二进制角移键控技术，将多路待传输二进制数字信号码元序列并发地“映射”到阵列天线相应的多个波束出射角上，实现多路二进制数字信号的并行角域调制；在系统接收端，本发明采用基于伪谱估计的角域解调方法，通过对来波信号的空间伪谱进行谱峰搜索，定位波束到达角所处的角域子区间，通过对来波信号的强弱判定，实现对空间来波信号的解调。本发明提供数字无线通信系统及方法能显著地提升频谱资源空间复用率与通信系统容量。

Description

一种角域数字化无线通信系统及其实现方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于角域(Angle-Domain，AD)的数字化无线通信系统及实现方法，特别涉及二进制数字信号角域调制与解调方法。

背景技术

随着无线业务的几何式增长，无线通信系统的通信容量、抗干扰性能以及频谱利用效率等正面临着全新的挑战。虽然通过扩展带宽能显著提升系统通信容量，但由于频谱资源有限以及电子器件的固有带宽限制等，所能提升的容量空间十分有限。因此，寻求全新的无线通信方案已成为无线通信领域中的一个重要研究课题方向。

调制与解调是现代无线通信系统中的一个重要环节，在很大程度上决定了无线系统容量、通信性能以及频谱资源利用效率。所谓调制，是指信号传输时,在发送端将需要传输的信号转换为适于信道传输的信号形式，包括各种模拟调制与数字调制技术。对典型的数字无线通信系统，数字调制技术主要包括星座映射技术及后续处理技术，如多载波调制技术与成形滤波技术等。所谓星座映射就是将携带数字信息的有限域“比特”序列映射成适于传输的符号序列，每个符号的取值可以是一维实数空间、二维实数空间，即复数空间或复数平面，或者更高维的实数空间，例如MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统信号传输对应的空间。目前最为常见的复数空间星座图主要包括正交幅度调制(QuadratureAmplitude Modulation，QAM)、相移键控(Phase Shift Keying，PSK)和幅度相移键控(Amplitude—Phase Shift Keying)调制技术。所谓解调，是指接收端将接收的信号再转换为原始信号的过程，通常采用的是相干解调法，它是在接收端采用一个与发送端载波同频同相的正交载波信号对接收到的信号进行相乘、滤波，从而还原出原始信号；众所周知，高性能的调制解调系统，硬件上依赖大量高性能的滤波器、处理器，并还要使用各种软件技术来实现复杂的算法，其成本比较高。因此，可以预见，在现有技术基础上，按照传统方法实现大幅度提高调制解调系统性能，是有相当难度的。

近年来，有研究者试图将数字信号调制技术与发射天线结合，提出一种新型的用于数字无线通信的调制概念，即空域调制(Spatial Modulation，SM)。如文献”SpatialModulation”(Vehicular Technology,IEEE Transactions on.2008:2228-2241)，SM调制有两个信息携带单元，一个是传统的发射符号，一个是天线序号；在SM中，每一时隙从传统的星座图中选择一个符号，并选一根发射天线激活将此符号发射出去，此符号和此激活天线的天线序号(或空间位置)均携带发射信息。此外专利“一种广义空间调制系统：CN101841397 B，2013.02.06”提出了一种利用广义空间调制(Generalized SpatialModulation,GSM)技术进行信号调制的方法，其原理是将输入比特与发射天线序号构成一种映射关系，将输入比特信息一部分映射到天线组合构成的空域星座图中，剩下部分映射到数字星座图中；每一时隙从传统的数字星座图中选择一个符号，并选择不同的发射天线组合将此符号发射出去；此符号和此激活天线组合的序号(或空间位置)均携带发射信息，以此实现二进制数字信息的空时域混合传输，该方法虽然能够扩充通信系统容量，提高频谱利用率，但只有当天线数量足够多时，该方法才能有效实施，且其空-时联合解调系统在解调过程中既要检测激活的发送天线位置，又要检测每个激活的发送天线上所携带的调制符号，其运算量较大，而且其检测复杂度随着天线数目和数字星座图调制阶数的增加呈指数增长，算法复杂度非常高，并需要事先精确的知道信道状态信息，实现难度较大。

文献“Twisting of light around rotating black holes”(Nature Physics7.2011：195–197)，提出了一种利用轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)进行二进制数字信息调制的方法，其原理是利用涡旋电磁波的轨道角动量来调制信号，由于轨道角动量拥有无限个本征态，理论上可以传输无穷多个比特信息。该方法虽然能够显著提高通信系统容量，但需要将平面电磁波“扭曲”为涡旋电磁波，势必会导致系统结构复杂度增大，成本升高，并且外部环境诸如大气湍流等因素(引起信号的振幅和相位扰动)很可能限制电磁波束的“扭曲”程度，从而限制可用信道的数目；而且，至今尚未提出一种能够针对移动设备的发送和接收涡旋电磁波无线通信方案，距离实际应用要求还有相当大的距离。

发明内容

本发明的目的在于针对上述系统扩容问题，提出一种全新的角域数字化无线通信系统及其实现方法。在系统发射端，本发明基于一种二进制角移键控(Binary Angle ShiftKeying,BASK)技术，将多路待传输二进制数字信号码元序列并发地“映射”到阵列天线相应的多个波束出射角上，实现多路二进制数字信号的并行角域调制；在系统接收端，本发明采用一种基于伪谱估计(Pseudo Spectral Estimation，PSE)的角域解调方法，通过对来波信号的空间伪谱进行谱峰搜索，定位波束到达角所处的角域子区间，通过对来波信号的强弱判定，实现对空间来波信号的解调。较传统的数字信号相干解调、包络解调方法，伪谱解调技术自身具有超分辨率特性和极强的抗电磁干扰能力，能够显著降低通信系统误码率，提高无线通信系统的信息传输质量；并且，由于角域调制能够实现多路数据在空域上并行传输，因此，本发明提供数字无线通信系统及方法能显著地提升频谱资源空间复用率与通信系统容量。

为实现上述目的，本发明技术方案为：

一种角域数字化无线通信系统，其特征在于，所述系统发射端包括数据源(101)、发射端串/并转换器(102)、二进制数字信息角域调制器(103)、波束成形器(104)及空间信号发射天线阵列(105)，数据源(101)产生串行随机二进制比特流，发射端串/并转换器(102)将串行随机二进制比特流转换为并行二进制比特流，并行二进制比特流送入二进制数字信息角域调制器(103)，实现多路二进制数字信息的并行角域调制，调制后输出信号经波束成形器(104)后通过空间信号发射天线阵列(105)发射；所述系统接收端包括空间信号接收天线阵列(106)、数据采样处理器(107)、二进制数字信息角域解调器(108)、接收端串/并转换器(109)及数字信息输出器(110)，空间信号接收天线阵列(106)接收信号后送入数据采样处理器(107)，采样数据送入二进制数字信息角域解调器(108)进行解调，最后经接收端并/串转换器(109)、数字信息输出器(110)输出空间信号携带的二进制码元信息，实现角域数字化无线通信。

上述角域数字化无线通信系统的实现方法，设发射/接收天线阵列的阵元个数为M，阵元间距为d_i,(i＝1,2…M-1)，空间信号个数为D(D＜M)，信号为远场不相干窄带信号，所采用的伪谱估计(Pseudo Spectral Estimation,PSE)技术为MUSIC(MUltile SignalClassificat ion)到达角估计算法，包括以下步骤：

步骤1：数据源(101)产生串行随机二进制比特流，采用串/并转换器(102)将串行随机二进制比特流转换为K路并行二进制比特流；将K路并行二进制比特流送入二进制数字信息角域调制器(103)，实现多路二进制数字信息的并行角域调制；

进一步的，所述角域调制过程为：根据并行传输路径数目，将角域[0°,180°]相应地划分为K个子区间，设定各个角域子区间宽度分别为Δθ_k,k＝1,2…K；在每个时隙利用BASK技术将K个待发送信号码元分别“映射”到阵列天线的多个波束出射角θ_k,k＝1,2…K上，实现多路二进制数字信息的并行角域调制；

更进一步的，将上述调制过程采用数学公式加以精确描述：设定串/并转换器输出的各路角域调制信号{p_k(t),k＝1,2…K}均为单极性二元基带信号，并且二元信息{a_k,k＝1,2…K}取0或1，则各路二进制调制信号表示为：

p_k(t)＝a_kg_T(t-T_b),k＝1,2…K (1)

其中，g(t)为幅度为1的单极性不归零方波，T_b为二进制码元时间间隔；

与之相应的各路载波信号表示为：

c_k(t,θ_k)＝A_k(θ_k)cos(ω_c·t),k＝1,2…K (2)

其中，A_k(θ_k)为各路载波信号对应的幅值，ω_c＝2πf_c、f_c为载波信号频率；

采用二进制角移键控(Binary Angle Shift Keying,BASK)技术，将各路二进制调制信号{p_k(t),k＝1,2…K}调制到与之对应的载波信号{c_k(t,θ_k),k＝1,2…K}上，各路角域调制信号表达式为：

s_k(t,θ_k)＝p_k(t)·c_k(t,θ_k),k＝1,2…K (3)

上式即为多路二进制数字信息经过角域调制器之后的各路输出信号；

步骤2：通过K条平行信号传输线，将信号送至波束成形器(104)处理后由空间信号发射天线阵列(105)发射已调信号；

进一步的，所述波束成形器(104)的具体处理过程为：在自由空间中形成指向不同θ_k,k＝1,2…K的定向波束，合成信号表示为：

步骤3：由M个阵元组成的空间信号接收天线阵列(106)接收信号，在某个时间段内，第i阵元接收的信号为x_i(t),i＝1,2,3…M；

步骤4：将M个信号排列成一个列向量，矢量形式表示为：

x(t)＝As(t)+n(t) (5)

步骤5：将x(t)的每个信号送入数据采样处理器(107)，进行采样数为N的采样，得接收信号的采样阵列数据X_j(t),j＝1,2,3…N；

步骤6：计算采样阵列数据X_j(t)的协方差矩阵：

步骤7：对R_xx进行特征分解，R_xx＝U_S∑_SU_S ^H+U_N∑_NU_N ^H，U_S为大特征值对应的特征矢量张成的信号子空间，U_N为小特征值对应的特征矢量张成的噪声子空间；

步骤8：将经过上述步骤处理后的数据送入二进制数字信息角域解调器(108)，在到达角θ₁,θ₂,…θ_D处获取到达角的尖峰，MUSIC的伪谱为P_MU(θ)＝1/|a(θ)^HU_NU_N ^Ha(θ)|，其中接收天线阵列的信号参数搜索范围θ∈[0°,180°]；

各个到达角θ₁,θ₂,…θ_D的欧式距离：

d²＝a(θ_l)^HU_NU_N ^Ha(θ_l)＝0，θ_l∈{θ₁,θ₂,…θ_D}，(l＝1,2…D)，将该距离表达式放入伪谱P_MU(θ)＝1/|a(θ)^HU_NU_N ^Ha(θ)|的分母中获得到达角的尖峰；

步骤9：设定判决门限值η，若空间伪谱值P_MU(θ)＞η，则判定该θ处取得空间伪谱的谱峰；基于各个角域子区间宽度分别为Δθ_k,(k＝1,2…K)，对角域进行谱峰搜索，定位谱峰所处的角域子区间，到达角θ_l(θ_l∈{θ₁,θ₂,…θ_D},l＝1,2…D)所处的角域子区间则逆映射为二进制码元1，其他子区间则逆映射为二进制码元0；最后经过并/串转换器(109)、数字信息输出器(110)，输出空间信号所携带的二进制码元信息，即实现二进制比特数据的角域数字化无线通信。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种角域数字化无线通信系统及其实现方法，将BASK与阵列天线技术相结合，实现了二进制数字信息的N路并行传输，较以往信息比特只在时频域调制相比，提高了频谱利用率与通信系统容量。此外，针对二进制数字信息的角域调制，提出基于MUSIC伪谱算法进行角域信息解调，伪谱解调自身具有超分辨率特性以及极强的电磁抗干扰能力，因此能够有效降低系统误码率，提高通信系统的性能。

附图说明

图1为本发明所述角域数字化无线通信系统框图。

图2为本发明所述待发送二进制码元序列示意图。

图3为本发明所述角域调制示意图。

图4本发明所述阵列发射天线系统对空间信号辐射示意图。

图5本发明所述阵列接收天线系统对来波信号接收示意图。

图6为本发明所述基于伪谱估计的角域解调示意图。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施例对本发明作进一步描述，以便更清楚的了解本发明的特征和优点。

本实施例中角域数字化无线通信系统，如图1所示，由以下部分组成：数据源(101)、串/并转换器(102)、二进制数字信息角域调制器(103)、波束成形器(104)、空间信号发射天线阵列(105)、空间信号接收天线阵列(106)、数据采样处理器(107)、二进制数字信息角域解调器(108)、并/串转换器(109)、数字信息输出器(110)。该系统基于BASK技术和阵列天线技术，将多路待发送二进制码元序列“映射”到阵列天线的多个波束出射角上，实现多路二进制数字信息的并行角域调制；利用MUSIC伪谱到达角估计算法检测、甄别噪声环境下的自由空间信号到达角度，根据角域调制原理对来波信号进行伪谱解调；最后，获取信号所携带的二进制数字信号码元信息。具体实现方法如下：

步骤1：数据源(101)产生串行随机二进制比特流，如图2所示，假设待传输串行二进制码元序列为001011010；经过串/并转换器(102)后并行传输K＝9路数据；如图3所示，根据并行传输路径数目，将角域相应地划分为9个子区间，此处选择对角域进行均匀划分，设定角域子区间宽度Δθ_k＝20°,(k＝1,2…9)，经过二进制数字信息角域调制器(103)、波束成形器(104)，将K＝9路二进制码元数据并发地“映射”到相应的阵列天线多个波束出射角θ_k,(k＝1,2…9)上，实现多路二进制数字信息的并行角域调制；如图4所示，

步骤2：利用空间信号发射天线阵列(105)将已调信号送入无线信道中传输，设发射天线阵列为均匀线阵，其中天线阵元个数M＝20，阵元间距为d_i＝λ/2,(i＝1,2…M-1)，空间发射信号个数D＝4；

步骤:3：接收系统也是一个均匀线阵，如图5所示，其中阵元个数M＝20，阵元间距d_i＝λ/2,(i＝1,2…M-1)，空间来波信号个数D＝4，而且信号是远场不相干的窄带信号，第l个信号的波达方向为θ_l，θ_l∈{50°,90°,100°,150°}，(l＝1,2,3,4)；首先由空间信号接收天线阵列(106)接收某一时间段内的窄带远场信号，若以第一个阵元为参考点，假设第i个阵元接收的信号为：

式中，λ＝c/f_c为空间信号波长，c为自由空间中电磁波的传播速度，S_l(t)为t时刻等间距M阵元接收天线阵列中第i个阵元对第l个信号的感应信号，θ_l为第l个信号的到达角，(i-1)2πd sinθ_l/λ,(l＝1,2…D)表示第i个阵元与第一个阵元间的波程差所引起的信号相位差，n_i(t)为测量噪声；

步骤4：将M阵元在特定时间段内接收到的信号排列成一个列向量，可得：

式中，写成矢量形式为x(t)＝As(t)+n(t)；式中，x(t)为阵列的M×1维采样数据矢量，n(t)为阵列的M×1维噪声数据矢量，s(t)为信号的D×1维矢量，A为空间阵列的M×D维导向矢量阵：

步骤5：将接收信号送入数据采样处理器(107)，并做如下处理：对x(t)每个信号进行采样数为N＝100的采样，得接收信号的采样阵列数据X_j(t),(i＝1,2…N)；

步骤6：计算采样数据阵列X_j(t)的协方差矩阵，

步骤7：对R_xx进行特征分解，R_xx＝U_S∑_SU_S ^H+U_N∑_NU_N ^H，U_S为大特征值对应的特征矢量张成的信号子空间，U_N为小特征值对应的特征矢量张成的噪声子空间；

步骤8：将经过上述步骤处理后的数据送入二进制数字信息角域解调器(108)，在到达角θ_l∈{50°,90°,100°,150°}，(l＝1,2,3,4)处，噪声子空间特征矢量与接收天线阵列导向矢量正交；在各个到达角θ₁,θ₂,…θ_D处获得到达角的尖峰，MUSIC的伪谱为：

P_MU(θ)＝1/|a(θ)^HU_NU_N ^Ha(θ)|，其中，接收天线阵列的信号参数搜索范围θ∈[0°,180°]；

步骤9：设定判决门限值η＝-20dB，若空间伪谱值P_MU(θ)＞η，则在该θ处取得空间伪谱的谱峰，对角域进行谱峰搜索；如图6所示，空间伪谱分别在θ∈{50°,90°,110°,150°}处取得峰值，设定各个角域子区间宽度为Δθ_k＝20°,(k＝1,2…9)，此处选择对角域进行均匀划分，定位谱峰所在处的角域子区间，基于角域调制原理，到达角θ_l所处的角域子区间则逆映射为二进制码元1；其他子区间则逆映射为二进制码元0；最后经过并/串转换器(109)、数字信息输出器(110)，输出空间信号所携带的二进制码元序列001011010，最终实现二进制比特数据的角域无线传输。

通过图6可以看出，在信噪比为10dB，采用MUSIC伪谱解调技术，将判决门限值设为低于η＝-20dB的情况下，所发送的二进制数字比特信息均可保证无误传输。满足在带宽有限的信道中实现大容量、低误码率等通信要求，符合人们对未来数字无线通信系统的期望，是一种可行的数字无线通信方案。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种角域数字化无线通信系统，其特征在于，所述系统发射端包括数据源(101)、发射端串/并转换器(102)、二进制数字信息角域调制器(103)、波束成形器(104)及空间信号发射天线阵列(105)，数据源(101)产生串行随机二进制比特流，发射端串/并转换器(102)将串行随机二进制比特流转换为并行二进制比特流，并行二进制比特流送入二进制数字信息角域调制器(103)，实现多路二进制数字信息的并行角域调制，调制后输出信号经波束成形器(104)后通过空间信号发射天线阵列(105)发射；所述系统接收端包括空间信号接收天线阵列(106)、数据采样处理器(107)、二进制数字信息角域解调器(108)、接收端串/并转换器(109)及数字信息输出器(110)，空间信号接收天线阵列(106)接收信号后送入数据采样处理器(107)，采样数据送入二进制数字信息角域解调器(108)进行解调，最后经接收端并/串转换器(109)、数字信息输出器(110)输出空间信号携带的二进制码元信息，实现角域数字化无线通信。

2.按权利要求1所述角域数字化无线通信系统的实现方法，设发射/接收天线阵列的阵元个数为M，阵元间距为d_i,i＝1,2…M-1，空间信号个数为D、D＜M，包括以下步骤：

步骤1：数据源产生串行随机二进制比特流，采用串/并转换器将串行随机二进制比特流转换为K路并行二进制比特流；将K路并行二进制比特流送入二进制数字信息角域调制器，角域调制过程为：根据并行传输路径数目，将角域[0°,180°]相应地划分为K个子区间，设定各个角域子区间宽度分别为Δθ_k,k＝1,2…K；在每个时隙利用BASK技术将K个待发送信号码元分别“映射”到阵列天线的多个波束出射角θ_k,k＝1,2…K上，实现多路二进制数字信息的并行角域调制；

步骤2：通过K条平行信号传输线，将信号送至波束成形器处理后由空间信号发射天线阵列发射已调信号；

步骤3：由M个阵元组成的空间信号接收天线阵列接收信号，第i阵元接收的信号为x_i(t),i＝1,2,3…M；

步骤4：将M个信号排列成一个列向量，矢量形式表示为：x(t)＝As(t)+n(t)，其中，n(t)为空间阵列的M×1维噪声数据矢量，s(t)为信号的D×1维矢量，A为空间阵列的M×D维导向矢量阵：A＝[a(θ₁),a(θ₂),...,a(θ_l),...,a(θ_D)]、θ_l为第l个信号的到达角；

步骤5：将x(t)的每个信号送入数据采样处理器，进行采样数为N的采样，得接收信号的采样阵列数据X_j(t),j＝1,2,3…N；

步骤6：计算采样阵列数据X_j(t)的协方差矩阵：

步骤7：对R_xx进行特征分解，R_xx＝U_S∑_SU_S ^H+U_N∑_NU_N ^H，U_S为大特征值对应的特征矢量张成的信号子空间，U_N为小特征值对应的特征矢量张成的噪声子空间；

步骤8：将经过上述步骤处理后的数据送入二进制数字信息角域解调器，在到达角θ₁,θ₂,…θ_D处获取到达角的尖峰，MUSIC的伪谱为P_MU(θ)＝1/|a(θ)^HU_NU_N ^Ha(θ)|，其中接收天线阵列的信号参数搜索范围θ∈[0°,180°]；

步骤9：设定判决门限值η，若空间伪谱值P_MU(θ)＞η，则判定该θ处取得空间伪谱的谱峰；基于各个角域子区间宽度分别为Δθ_k,k＝1,2…K，对角域进行谱峰搜索，定位谱峰所处的角域子区间，到达角θ_l、θ_l∈{θ₁,θ₂,…θ_D},l＝1,2…D所处的角域子区间则逆映射为二进制码元1，其他子区间则逆映射为二进制码元0；最后经过并/串转换器、数字信息输出器，输出空间信号所携带的二进制码元信息，即实现二进制比特数据的角域数字化无线通信。

3.按权利要求2所述角域数字化无线通信系统的实现方法，其特征在于，所述角域调制过程具体为：设定串/并转换器输出的各路角域调制信号{p_k(t),k＝1,2…K}均为单极性二元基带信号，并且二元信息{a_k,k＝1,2…K}取0或1，则各路二进制调制信号表示为：

p_k(t)＝a_kg(t-T_b),k＝1,2…K

其中，g(t)为幅度为1的单极性不归零方波，T_b为二进制码元时间间隔；

与之相应的各路载波信号表示为：

c_k(t,θ_k)＝A_k(θ_k)cos(ω_c·t),k＝1,2…K

其中，A_k(θ_k)为各路载波信号对应的幅值，ω_c＝2πf_c、f_c为载波信号频率；

采用二进制角移键控(Binary Angle Shift Keying,BASK)技术，将各路二进制调制信号{p_k(t),k＝1,2…K}调制到与之对应的载波信号{c_k(t,θ_k),k＝1,2…K}上，各路角域调制信号表达式为：

s_k(t,θ_k)＝p_k(t)·c_k(t,θ_k),k＝1,2…K

上式即为多路二进制数字信息经过角域调制器之后的各路输出信号。

4.按权利要求3所述角域数字化无线通信系统的实现方法，其特征在于，所述波束成形器的具体处理过程为：在自由空间中形成指向不同θ_k,k＝1,2…K的定向波束，合成信号表示为：