CN105827288A - 一种基于时间反演电磁波点阵聚焦的2d-spm数字无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供基于时间反演电磁波点阵聚焦的二维空间位置调制(2D‑SPM)数字无线通信方法，该方法结合天线阵列技术和TR电磁波的空‑时“点状”聚焦原理，在系统发射端，将多路待传输二进制比特序列，并发地“映射”到阵列天线相应的多个TR载波上，实现多路二进制数字信号的并行二维空间位置调制；在系统的接收端，基于TR电磁波聚焦传输机制，预期二维空间格点位置处形成同步聚焦点阵，采用信号峰值强度判定准则，通过观测每个格点位置处聚焦点的有无来实现2D‑SPM信息的解调。本发明能够简化了系统接收机复杂度；实现天线单元在有限空间内的高密度排布；提高数字无线通信系统的通信容量、信息传输速率以及频谱利用效率等性能。

Description

一种基于时间反演电磁波点阵聚焦的2D-SPM数字无线通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种空间位置的调制与解调无线通信方法，具体涉及基于时间反演电磁波点阵聚焦的二维空间位置调制(Two Dimensional Spatial Position Modulation,2D-SPM)数字无线通信方法。

背景技术

随着大数据时代的来临，无线通信系统的通信容量、信息传输速率以及频谱利用效率等正面临着全新的挑战。然而，由于频谱资源有限以及电子器件的固有带宽限制等，单纯依靠通过扩展频谱宽度来提高数据传输速率和频谱利用率等无线通信系统性能的方案难以实现。因此，在现有频谱资源的基础上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。

近年来，有研究者试图将数字无线通信与发射天线结合，提出一种新型的用于数字无线通信系统的方案，即空间调制(Spatial Modulation,SM)技术，如文献”Spatial Modulation”(Vehicular Technology,IEEE Transactions on.2008:2228-2241)。空间调制是多天线传输技术的一种新型应用形式，不同于传统的多进制数字相位调制(Multiple Phase Shift Keying,MPSK)、多进制正交幅度调制(Multiple Quadrature Amplitude Modulation,MQAM)等调制方式将一定数目的信息比特映射为二维信号空间上的一个星座点，SM在这些传统调制方式的基础上又增加了空间维度，即用空间位置作为信息源来传递信息，从而构造了一个三维星座图。SM有两个信息携带单元，一个是传统的发射符号，一个是天线位置索引值。发送信息比特被分成两部分，一部分映射成传统的数字调制符号；另一部分，则将其映射成发送天线中的某一幅天线所在位置，是一种固定的映射关系，实际上，并不需要传输该部分符号信息。在每一传输周期，用映射的发送天线传输数字调制符号，未被激活的发送天线则保持静默，由于SM把空域引入调制的范畴，增加调制自由度，利用发送天线的索引来传递一部分信息，因此提高了信息传输速率、频谱利用率并且扩大了系统容量，但是在每一工作周期，由于其系统发送端只有一幅天线工作而其他天线处于空闲状态，虽然有效地避免了天线间的相互干扰，也降低了射频模块的数量，但是显而易见，其天线利用效率较低，对提高通信系统各项性能的作用十分有限。

文献”Generalized spatial modulation”(Signals,Systems and Computers(ASILOMAR),2010Conference Record of the Forty Fourth Asilomar Conference on.IEEE,2010:1498–1502)提出了广义空间调制(Generalized Spatial Modulation,GSM)技术，其调制原理为：将待传输信息比特分为两部分，一部分映射成天线组合的空间位置，并不需要实际传输；剩余部分比特则采用传统数字星座图进行调制发送。在每一传输周期，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。GSM技术较传统SM技术而言，每一传输周期激活多根发射天线，用来传输信息，提高了系统的信息传输速率以及频谱利用率，扩大了系统容量，并且摆脱了传统空间调制技术对发送端天线数目要求的困扰，然而在发送端激活多根天线传输信息的同时，也引入了天线间干扰(Inter-Channel Interference,ICI)，并且广义空间调制系统的接收机检测复杂度也相对增加。在目前应用于GSM系统的检测算法中，性能最优的为最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测方法，该方法首先对信道进行预先探测，通过对所有可能的发送天线组合进行遍历，搜索出一个最匹配的发送向量，在此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，即其复杂度极高，甚至当天线数目较大、调制阶数较高时，ML检测方法不具有实用性。

此外，SM/GSM系统需要依靠发送天线位置承载信息，多天线信道的差异性和独立性是接收机能够正确检测出发送天线位置的基础。在SM/GSM系统中，由于发送天线空间相关性的广泛存在，使得发送天线所对应的信道相关性较大，在实际的无线环境中，若系统接收机无法正确检测激活的发送天线的位置，将导致系统的误码率以及系统容量严重下降，从而使系统性能严重恶化；并且空间调制系统与其他多天线系统一样要求天线单元间距不小于半个工作波长，如果天线单元间距小于半个工作波长，将导致天线单元间的强耦合，各天线所对应的无线信道相关性极大，从而严重损害系统通信质量；这一限制使得在SM/GSM系统中，天线阵列所占空间较大，无法在有限空间内实现天线单元的高密度排布。

时间反演(Time Reversal,TR)是近年来电波传播领域发展出的一种新型的自适应空间电磁波传输技术，在无线通信中获得关注是由于时间反演电磁波具有多径衰落抑制、同步空-时聚焦和环境自适应等物理特性，这些特性可以使阵列天线间距即便在亚波长状态，天线单元对应的无线信道依然是独立的，如专利“一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线：CN201120073342.8，2011.11.05”中提出的一种亚波长阵列天线，能够实现1/40波长的超分辨率聚焦。但还未见到将TR引入到空域数字无线通信领域，利用时间反演电磁波在二维空间位置上的聚焦状态来传递信息。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于时间反演电磁波点阵聚焦的二维空间位置调制(Two-Dimensional Spatial Position Modulation,2D-SPM)数字无线通信方法，该方法结合天线阵列技术和TR电磁波的空-时“点状”聚焦原理，在系统发射端，将多路待传输二进制比特序列，并发地“映射”到阵列天线相应的多个TR载波上，实现多路二进制数字信号的并行二维空间位置调制；在系统的接收端，基于TR电磁波聚焦传输机制，预期二维空间格点位置处形成同步聚焦点阵，采用信号峰值强度判定准则，通过观测每个格点位置处聚焦点的有无来实现2D-SPM信息的解调。较传统的基于SM/GSM技术的数字无线通信系统，本发明不需要采用数据运算量极大的检测算法，简化了系统接收机复杂度；突破了对阵列天线单元间距的限制，实现了天线单元在有限空间内的高密度排布；能够在复杂多径环境中实现多路数据的并行空域传输，因此提高了数字无线通信系统的通信容量、信息传输速率以及频谱利用效率等性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于时间反演电磁波点阵聚焦的2D-SPM数字无线通信方法，包括以下步骤：

设定系统发送端阵列天线有M个阵元，包围或半包围着系统接收端阵列天线，接收端阵列天线有N个阵元，以一维或二维阵列进行部署，阵元间距均大于时间反演电磁波的聚焦半径；

步骤1：选取系统接收端阵列天线处的第i,i＝1,2…N个阵元发射一个探测信号p(t)，系统发送端阵列天线处的第j,j＝1,2…M个阵元接收，接收到的信号为y_ji(t)；

对y_ji(t)进行时间反演处理，得到接收信号的时间反演信号S_ji(t)＝y_ji(-t)，对发送端阵列天线处每个阵元的接收信号y_ji(t),j＝1,2…M均进行时间反演处理，将M个信号排列成一个列向量，其矢量形式表达为[S_1i(t) S_2i(t) … S_ji(t) … S_Mi(t)]^T；

在接收端阵列天线处，按照天线序号依次发送相同的探测信号p(t)，对系统发送端阵列天线处每个阵元的接收信号y_ji(t)依次重复上述处理过程，得到N个列向量，从而得到载波矩阵：

步骤2：数据源产生串行随机二进制比特序列，经过串/并转换将串行二进制比特序列转换为N路并行二进制比特流，即b^T＝[b₁ b₂ … b_i … b_N]^T(b_i＝1 Or 0 i＝1,2…N)，将N路并行二进制比特流调制到载波上，即：

$X\left(t\right)=S\left(t\right)\·b^T=\left[\begin{array}{c}{X}_1\left(t\right)\\ X_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ X_M\left(t\right)\end{array}\right]$

X(t)中的元素其含义是传输二进制比特序列b时，系统发送端阵列天线处的第j个阵元所发送的信号波形，从而实现2D-SPM调制，利用系统发送端阵列天线将已调信号同步发射并送入无线信道；

步骤3：发送信号被系统接收端阵列天线处的第i,i＝1,2…N个阵元接收，每个阵元的接收信号经过信号峰值检测后，得到各阵元接收信号的峰值A_i，进行信号峰值比较后获得其最大值A_max；

步骤4：计算系统接收端阵列天线处各阵元接收信号的峰值A_i与峰值最大值A_max的比值：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{A_i}{A_{max}}$

根据判决规则：若η_i大于判决门限ρ(判决门限ρ是在固定环境下测试后得出的最佳判决门限)，则判定在该格点位置处实现电磁波聚焦，信号所携带的二进制比特信息为1，否则判定在该格点位置处未实现电磁波聚焦，信号所携带的二进制比特信息为0，即：

$\widehat{b_i}=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&rho;}<{\mathrm{\&eta;}}_i\&le;1\\ 0& 0<{\mathrm{\&eta;}}_i\&le;\mathrm{\&rho;}\end{array}\right.$

从而实现对多路并发2D-SPM信号的解调；

步骤5：按照系统接收端阵列天线的编号顺序将解调出的并行二进制比特进行并/串转换，得到串行二进制比特序列，输出二维空间格点位置处所携带的二进制比特序列，最终实现2D-SPM数字无线通信。

本发明具有以下特点：

(1)本发明利用时间反演电磁波在预期二维空间格点位置处的聚焦状态来传递二进制比特信息，由于时间反演电磁波具有多径衰落抑制功能以及独特的时-空聚焦特性和极强的环境自适应能力，使本发明在无需采用数据运算量极大的检测算法的情况下，采用峰值检测方法，实现了在复杂多径环境中的多路并行数字信息的传输。

(2)本发明利用时间反演电磁波的超分辨率聚焦特性，理论上能突破传统的多天线通信系统对天线单元间距二分之一工作波长的限制，可有效地缩减阵列天线各天线单元之间的间距，减小阵列天线占用的空间体积，实现天线单元在有限空间内的高密度排布，从而极大地提高空间利用效率。

(3)本发明是将系统接收端阵列天线所处的二维平面空间分成相互独立的若干子空间来承载比特信息，系统发送端每个工作周期发送一组并行二进制比特，从而形成空间帧信息流，N个比特能够被接收端同步接收；较传统的数字无线通信系统将时间或频率分成若干段来传递信息相比，本发明对空间维度进行充分分割，在一个工作周期内，能够同步发送多路并行比特信息，从而提高了频谱利用效率和系统容量。

附图说明

图1为本发明所述基于时间反演点阵聚焦的2D-SPM数字无线通信系统框图。

图2为本发明实施例中，系统发送端阵列天线104和系统接收端阵列天线105的平面结构以及阵元编号方式示意图，其中“●”表示天线阵元。

图3为本发明实施例中，发送二进制比特序列Ⅰ时，系统发送端阵列天线104第1个阵元所发送的2D-SPM信号波形图。

图4为本发明实施例中，发送码元序列Ⅰ时，二维空间位置数字无线通信的电磁波聚焦时刻的仿真结果图。

图5为本发明实施例中，发送码元序列Ⅰ时，二维空间位置数字无线通信解调示意图。

注：码元序列Ⅰ为b＝[1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1]

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细描述本发明的技术方案，以便更清楚地了解本发明的特征和优点。

本发明的无线通信系统框图如图1所示。本发明实施例的系统发送端阵列天线单元的中心工作频率为2.45GHz，阵元天线个数M＝40，阵元天线以等间距排布，呈方形包围着系统接收端阵列天线。系统接收端阵列线为4×4的等间距方形天线阵，阵元天线个数N＝16；上述阵元天线间距均小于二分之一个工作波长。如图2所示，为本发明实施例中系统发送端阵列天线104和系统接收端阵列天线106的平面结构以及阵元编号方式示意图。

步骤1：首先选取系统接收端阵列天线106处的第i(i＝1,2…16)个阵元发射一个探测信号p(t)，系统发送端阵列天线104处的第j(j＝1,2…40)个阵元接收到的信号为y_ji(t)。对y_ji(t)进行时间反演处理，得到接收信号的时间反演信号S_ji(t)＝y_ji(-t)，对发送端阵列天线处每个阵元的接收信号y_ji(t)(j＝1,2…40)进行时间反演处理，将M＝40个信号排列成一个列向量，其矢量形式为[S_1i(t) S_2i(t) … S_ji(t) … S_40i(t)]^T；在接收端阵列天线处，按照天线序号依次发送相同的探测信号p(t)，对系统发送端阵列天线处每个阵元的接收信号y_ji(t)依次重复上述处理过程，得到N＝16个列向量，从而得到载波矩阵

步骤2：数据源101产生串行随机二进制比特序列Ⅰ，经过串/并转换102将串行二进制比特流转换为N＝16路并行二进制比特，即b^T＝[1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1]^T，将N＝16路并行二进制比特调制到载波上，得到

$X\left(t\right)=S\left(t\right)\&CenterDot;b^T=\left[\begin{array}{c}{X}_1\left(t\right)\\ X_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ X_{40}\left(t\right)\end{array}\right]$

X(t)中的元素其含义是传输二进制比特序列Ⅰ时，系统发送端阵列天线处的第j个阵元所发送的信号波形；如图3所示为发送二进制比特序列Ⅰ时，系统发送端阵列天线104处第1个阵元所发送的信号波形；经过二维空间位置调制，从而实现2D-SPM调制，利用系统发送端阵列天线104将已调信号同步发射；并送入无线信道105中传输；

步骤3：系统接收端阵列天线106处的第i(i＝1,2…16)个阵元天线接收信号，经过信号峰值检测107后，得到各阵元接收信号的峰值A_i(i＝1,2...16)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_i=0.01705,0.00746,0.01339,0.00681,0.00585,0.01960,0.00286,0.004673,\\ 0.003967,0.008132,0.00533,0.01973,0.02154,0.00496,0.02247,0.01563\end{array}\right\}$

进行信号峰值比较后获得其最大值A_max＝0.02247；

步骤4：将系统接收端阵列天线处各阵元接收信号的峰值A_i除以A_max，得到相应η_i(i＝1,2…16)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_i=0.75,0.33,0.60,0.30,0.26,0.87,0.13,0.21,\\ 0.18,0.36,0.24,0.88,0.96,0.22,1.00,0.98\end{array}\right\}$

根据判决规则：若η_i大于判决门限ρ＝0.5，则判定在该格点位置处实现电磁波聚焦，信号所携带的二进制比特信息为1，否则判定在该格点位置处未实现电磁波聚焦，信号所携带的二进制比特信息为0，即：

$\widehat{b_i}=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&rho;}<0.5\&le;1\\ 0& 0<0.5\&le;\mathrm{\&rho;}\end{array}\right.$

本实施中发送码元序列Ⅰ时，二维空间位置数字无线通信的电磁波聚焦时刻的仿真结果如图4所示；

经过空间位置解调108，输出并行比特信息，发送码元序列Ⅰ时，二维空间位置数字无线通信解调示意图如图5所示；

步骤5：通过并/串转换109，按照系统接收端阵列天线的编号顺序将并行比特信息转换为串行比特流，输出二维空间位置所携带的二进制比特序列为：

$\hat{b}=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}1& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 1& 1\end{array}\right],$

即最终实现空域数字无线通信。

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 (1)

1.一种基于时间反演电磁波点阵聚焦的2D-SPM数字无线通信方法，包括以下步骤：

设定系统发送端阵列天线有M个阵元，包围或半包围着系统接收端阵列天线，接收端阵列天线有N个阵元，以一维或二维阵列进行部署，阵元间距均大于时间反演电磁波的聚焦半径；

步骤1：选取系统接收端阵列天线处的第i,i＝1,2…N个阵元发射一个探测信号p(t)，系统发送端阵列天线处的第j,j＝1,2…M个阵元接收，接收到的信号为y_ji(t)；

对y_ji(t)进行时间反演处理，得到接收信号的时间反演信号S_ji(t)＝y_ji(-t)，对发送端阵列天线处每个阵元的接收信号y_ji(t),j＝1,2…M均进行时间反演处理，将M个信号排列成一个列向量，其矢量形式表达为[S_1i(t) S_2i(t) … S_ji(t) … S_Mi(t)]^Τ；

在接收端阵列天线处，按照天线序号依次发送相同的探测信号p(t)，对系统发送端阵列天线处每个阵元的接收信号y_ji(t)依次重复上述处理过程，得到N个列向量，从而得到载波矩阵：

步骤2：数据源产生串行随机二进制比特序列，经过串/并转换将串行二进制比特序列转换为N路并行二进制比特流，即b^T＝[b₁ b₂ … b_i … b_N]^T,b_i＝1 Or 0,i＝1,2…N，将N路并行二进制比特流调制到载波上，即：

$X\left(t\right)=S\left(t\right)\&CenterDot;b^T=\left[\begin{array}{c}{X}_1\left(t\right)\\ X_2\left(t\right)\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ X_M\left(t\right)\end{array}\right]$

X(t)中的元素其含义是传输二进制比特序列b时，系统发送端阵列天线处的第j个阵元所发送的信号波形，从而实现2D-SPM调制，利用系统发送端阵列天线将已调信号同步发射并送入无线信道；

步骤3：发送信号被系统接收端阵列天线处的第i,i＝1,2…N个阵元接收，每个阵元的接收信号经过信号峰值检测后，得到各阵元接收信号的峰值A_i，进行信号峰值比较后获得其最大值A_max；

步骤4：计算系统接收端阵列天线处各阵元接收信号的峰值A_i与峰值最大值A_max的比值：

${\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{A_i}{A_{max}}$

根据判决规则：若η_i大于判决门限ρ，则判定在该格点位置处实现电磁波聚焦，信号所携带的二进制比特信息为1，否则判定在该格点位置处未实现电磁波聚焦，信号所携带的二进制比特信息为0，即：

$\widehat{b_i}=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&rho;}<{\mathrm{\&eta;}}_i\&le;1\\ 0& 0<{\mathrm{\&eta;}}_i\&le;\mathrm{\&rho;}\end{array}\right.$

从而实现对多路并发2D-SPM信号的解调；

步骤5：按照系统接收端阵列天线的编号顺序将解调出的并行二进制比特进行并/串转换，得到串行二进制比特序列，输出二维空间格点位置处所携带的二进制比特序列最终实现2D-SPM数字无线通信。