CN105846880B - 基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法 - Google Patents

基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，属于无线通信传输技术领域。该系统包括发射机与接收机，两者之间通过MIMO或MISO无线信道进行连接，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机负责空间调制信号的接收与译码。该系统配备多根发射天线，每次发射过程发射机只激活两根发射天线，他们各自的发射星座来自于同一数字调制星座的分割子集，而且分割子集的星座点间距在分割过程中获得了扩大；相对于已有的技术方案，新方案在维持同样复杂度的情况下，获得了传输性能的改善；此外，新方案对发射天线的数目没有严格限制，只要求大于1即可，克服了传统空间调制系统的局限性，大大增加了系统的实用性。

Description

基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法
技术领域
本发明涉及一种多天线传输系统的传输方法，具体地说涉及一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，属于无线通信传输技术领域。
背景技术
多天线技术是指无线通信发射端或接收端采用多根天线的无线通信技术，它是目前无线通信系统获得频谱效率和传输性能提升的主要技术手段之一。针对在发射端采用多根天线配置的情况，包括两种形式：发射端与接收端均采用多根天线的多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)技术与发射端采用多根天线而接收端采用一根天线的多输入单输出(Multiple Input and Single Output，MISO)技术。在MIMO和MISO技术中，传统的实现形式主要包括：空时编码，空间复用，波束赋形和天线选择等，相关技术介绍参见：J.Mietzner,R.Schober,L.Lampe,W.Gerstacker,and P.Hoeher,“Multiple-antenna techniques for wireless communications—Acomprehensiveliterature survey,”vol.11,no.2,pp.87–105,2009。空时编码，空间复用与波束赋形需要多根天线的同时激活，而天线选择需要反馈信道的支持，它们的主要缺点是系统实现的复杂度问题，而且系统的复杂度随着天线数目的增多而迅速增加。随着未来无线通信系统所采用天线数目的增多，问题会变得格外严重。
空间调制技术(Spatial Modulation,SM)是MIMO与MISO传输技术的另一种实现形式。其基本思想为：将待发送信息比特的一部分映射到数字调制星座，剩下的信息比特映射为空间中的一个或者多个发送天线。这样一来，发送天线不仅是形成无线射频链路的媒介，而且具有承载信息比特的功能。在空间调制系统中，由于每个传输时隙只有一个或少数几个发送天线工作，从而既可以降低射频链路成本，又可以避免未来无线通信采用大规模天线所面临的实用化问题。
目前空间调制已出现了多种形式。最初的空间调制只激活一根发射天线，参见文献：R.Mesleh,H.Haas,S.Sinanovic,C.W.Ahn,and S.Yun,“Spatialmodulation,”IEEETrans.Veh.Technol.,vol.57,no.4,pp.2228–2241,Jul.2008,与美国专利U.S.Pat.No.9,985,988,“Space Shift Keying Modulation”。该类空间调制技术的主要缺点为：发射天线的数目必须为2的幂次方，而空间调制可支持的频谱效率为：m+log2(Nt)(m表示每个调制星座点所携带的比特数，2m代表所采用的数字调制星座点数，Nt为发射天线数目，log2()表示以2为底的对数函数)，显然频谱效率只与发射天线数目的对数有关，频谱效率不高。为了提高频谱效率，随后又出现了可同时激活多根发射天线的空间调制技术方案。一类为广义空间调制技术，Generalized SM(GSM)，参见文献：J.Wang,S.Jia,and J.Song,“Generalisedspatial modulation systemwith multiple active transmit antennas and lowcomplexity detectionscheme,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.11,no.4,pp.1605–1615,Apr.2012，和中国专利“一种广义空间调制系统”，申请号：201010144355.X等；另一类是正交空间调制技术，Quadrature Spatial Modulation(QSM)，参见文献：R.Mesleh，S.S.Ikki，and H.M.Aggoune,“Quadrature Spatial Modulation,”IEEETrans.Veh.Technol.,vol.64,no.6,pp.2738–2742,Jun.2015；再就是增强空间调制技术，EnhancedSpatial Modulation(ESM)，参见文献：Chien-Chun Cheng,Hikmet Sari,SerdarSezginer,and Yu T.Su,“Enhanced Spatial Modulation WithMultiple SignalConstellations,”IEEE Trans.Comm.,vol.63,no.6,pp.2237–2248,Jun.2015，和美国专利：“Enhanced Spatial Modulation,”专利号：9,049,676。GSM，ESM和QSM等新型空间调制技术通过同时激活多根发射天线，增加了发射天线的组合数目，从而提高了频谱效率。但是该类空间技术的主要缺点是：信息比特到空间调制符号的映射分成了两部分，一部分映射到天线组合，另一部分映射到数字调制符号，这种分开映射的机制存在两大缺点：第一，对发射天线的数目有限制，具体而言，要求发射天线的组合数目为2的幂次方；第二，分开映射可能会影响到系统的传输性能。
发明内容
本发明旨在克服传统空间调制技术在发射天线数目方面的局限性，并通过对激活天线所采用的数字调制星座的联合优化设计，提出了一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，以进一步提升空间调制系统的传输性能。
本发明的技术方案如下：
一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，该系统包括发射机与接收机，两者之间通过MIMO或MISO无线信道进行连接，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机负责空间调制信号的接收与译码，其中发射机包括依次串行连接的分组器、映射器、调制器与发射天线阵列；分组器的输入为待发送的信息比特流，输出为信息比特流的分组，每组比特对应一个空间调制符号，分组器的输出送入映射器，由映射器依据映射图表完成比特分组到空间调制符号的映射过程，输出空间调制符号所对应的两根待激活的发送天线序号和针对每根发送天线的数字调制符号，映射器的输出结果送给调制器，由调制器完成发射天线的选择与激活，以及每根发射天线所发送基带信号的数字调制、上变频和功率放大等处理过程，形成空间调制信号；最后由激活的两根发射天线将空间调制信号发送给MIMO或MISO无线信道；信号经无线信道传输到达接收机；接收机包括接收天线阵列、解调器、信道估计器、解码器与组合器，其中接收天线阵列和解调器相连接；解调器分别和信道估计器及解码器相连接；信道估计器和解码器相连接；解码器与组合器相连接；接收天线阵列接收由发射机发送来的空间调制信号，该信号送入解调器，由解调器完成接收信号的均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号；基带解调信号同时送给信道估计器和解码器，信道估计器根据解调信号完成对无线信道的估计，然后将估计结果送给解码器；解码器接收来自解调器的解调信号，联合来自信道估计器的信道估计结果，采用最大似然译码准则，完成解调信号到信息比特的译码过程，每个解调信号对应一个译码比特组，最后由组合器将解码器输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流的译码比特流；设传输系统所配置的发射天线数为Nt，Nt为大于1的整数，接收天线数为Nr，Nr为大于等于1的整数，第i(1≤i≤Nt)根发射天线到第m(1≤m≤Nr)根接收天线之间的信道增益为hmi，所有的信道增益组成一个维数为Nr×Nt的无线信道矩阵H，其第m(1≤m≤Nr)行第i(1≤i≤Nt)列的元素即为hmi，每个空间调制符号携带h个信息比特，即每个发送时隙系统所发送的分组比特数为h，两根激活天线所采用的所有星座点集合为Ω，Ω包含的星座点个数为M，M≥2，参数满足：2h≤Nt(Nt-1)M，Nt维列矢量代表空间调制符号，其中T表示矩阵的转置符号，该矢量的第p(1≤p≤Nt)个元素为第q(1≤q≤Nt)个元素为p≠q，除此之外，其他元素均为0，表示该空间调制符号需要激活的发射天线序号为p和q，其中第p根发送天线发送数字调制符号第q根发送天线发送数字调制符号与均来自调制星座Ω，它们在Ω中的序号分别为l和k，该传输方法包括发射机信号处理过程与接收机信号处理过程，其中发射机信号处理过程的步骤如下：
a、在通信链路建立阶段，发射机首先根据系统参数配置，由映射器产生比特分组到空间调制符号的映射图表，供发射机的空间调制符号映射与接收机的空间符号解映射所使用；
b、通信链路建立之后，发射机发送的信息比特流经过分组器，分段成长度为h的比特分组，然后以组为单位依次送入映射器；
c、映射器依据映射图表，将每个长度为h的比特分组映射为一个空间调制符号：送入调制器；
d、调制器依据激活第p根与第q根发送天线，实施数字调制、上变频和功率放大等信号处理过程，产生要发送的空间调制信号：
第p根天线的调制信号为：
第q根天线的调制信号为：
其中，A为功率放大倍数，取决于接收端的期望信噪比，ω0为数字调制和上变频共同决定的射频频率，Real()表示取实部，Imag()表示取虚部；
e、最后由激活的第p根与第q根天线分别将调制信号xp和xq发送出去，从发送天线阵列输出的空间调制信号可表示为：x＝[0, 0, ... xp, ... xq, ...]T；
上述发射机中由映射器产生比特分组到空间调制符号的映射图表，其生成步骤如下：
1)发射机依据每个空间调制符号携带的信息比特数目h和发射天线数目Nt，确定满足公式2h≤Nt(Nt-1)M的最小M值；
2)由上述最小M值，求一个最小的正整数Z＝M1+M2，满足M1≤M2，M1与M2均为正整数，M1×M2≥M；
3)由最小正整数Z，确定一个数字调制星座Ω，以及满足Z＝M1+M2，M1×M2≥M的一个正整数组合{M1,M2}，具体确定方法如下：
第一步，依据整数Z确定一个数字调制星座Ω：
如果Z<8，则以等相位间隔分布的PSK作为调制星座，此时数字调制星座Ω即为ZPSK；
如果Z≥8，分两种情况：
情况1：求满足(2μ)2≥Z最小正整数μ，定义为μmin，令B＝(2μmin)2，以BQAM为基本星座，BQAM星座点的形式为：sJ′＝ρ×{±(2a-1)±j(2b-1)},a与b均为小于等于μmin的正整数，ρ为星座能量归一化因子；在BQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω′；
情况2：求满足(2v+1)2-1≥Z最小正整数v，定义为vmin，令C＝(2vmin+1)2-1，以CQAM为基本星座，CQAM星座点的形式为：sJ″＝σ×{±a′±jb＇}，a′+b＇≠0，a′与b′均为小于等于vmin的非负整数，σ为星座能量归一化因子；在CQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω″；
实际应用中，可从备选星座Ω′和Ω″中，选择其中任意一个作为数字调制星座Ω；也可以在两者之间选择一个星座点间距最大的星座作为数字调制星座Ω；星座点间距的计算以每个空间调制符号的平均发送能量相等为依据进行计算；
第二步，考察第一步所确定的数字调制星座Ω，如果该星座Ω可进一步分割为两个星座子集：Ω1(所含星座点数为M1)和Ω2(所含星座点数为M2)，两者没有公共星座点，Ω1∪Ω2＝Ω，M1+M2＝Z，M1×M2≥M，且星座子集Ω1的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，星座子集Ω2的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，则{M1,M2}组合为一有效组合；如果星座Ω无法进行分割，则将整数Z加1，作为新的最小整数Z，重复上述第一步；如果存在多种{M1,M2}组合满足分割要求，则选择一种使M1×M2数值最大的组合作为优选；
4)依据已产生的数字调制星座Ω和它的两个分割子集Ω1(所含星座点数为M1)和Ω2(所含星座点数为M2)，生成比特分组到空间调制符号的映射图表，包括如下步骤：
第一步，从Nt根发送天线中选择两根天线，共可形成Nt(Nt-1)/2种天线组合；
第二步，对每种天线组合{p,q}(p,q代表两根发送天线的序号)，形成两种空间调制发射模式：第一模式，天线p选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送；第二模式，天线p选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送；对每种模式，共可形成M1×M2个空间调制符号；对所有Nt(Nt-1)/2种天线组合，共可形成Nt(Nt-1)M1M2个空间调制符号，其集合定义为Ψ，且有2h≤Nt(Nt-1)M1M2；如果2h<Nt(Nt-1)M1M2，则从空间调制符号集Ψ中选出能量最大的空间调制符号，进行逐个刨除，直到空间调制符号集Ψ中剩余的空间调制符号个数等于2h；
第三步，每个比特分组包含h个比特，共有2h种可能；经过处理后的空间调制符号集Ψ也包含2h个空间调制符号，因此便可建立输入比特到空间调制符号的一一映射关系，即比特分组到空间调制符号的映射图表；此处仅关注系统的符号差错率，因此对具体映射方式没有限制；
接收机信号的处理过程步骤如下：
a、发送机通过发送天线阵列发出空间调制信号x＝[0, 0, ... xp, ... xq, ...]T，信号经过无线信道传输到达接收机，被接收机的接收天线阵列所接收，所接收的信号为：y＝Hx+n，其中接收信号y＝[y1, y2, ... yNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素yr代表由第r根接收天线所接收的信号，n＝[n1, n2, ... nNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素nr代表由第r根接收天线所引入的加性白噪声；接收信号y＝[y1, y2, ... yNr]T被送入解调器；
b、解调器接收信号y＝[y1, y2, ... yNr]T，实施均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号，表示为：yb＝Hv+nb，其中表示所发射的基带空间调制符号，yb＝[yb1, yb2, ... ybNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素ybr代表由第r根接收天线所接收的基带解调信号，nb＝[nb1, nb2, ... nbNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素nbr代表由第r根接收天线所引入的基带加性白噪声；基带解调信号yb＝[yb1, yb2, ... ybNr]T被同时送入信道估计器和解码器；
c、信道估计器依据基带解调信号yb＝[yb1, yb2, ... ybNr]T，产生对无线信道H的信道估计矩阵其第m(1≤m≤Nr)行第i(1≤i≤Nt)列的元素代表对实际无线信道增益hmi的估计值，具体估计过程可以通过在发送的比特流中插入导频比特来进行实施；信道估计结果送入解码器；
d、解码器接收来自解调器的基带解调信号yb＝[yb1, yb2, ... ybNr]T，联合来自信道估计器的信道估计结果依据映射图表，完成对解调信号到信息比特的译码过程，其最大似然译码准则为：上述符号arg表示对参数n＝0,1,2,...,2h-1实施遍历，寻找一个使值最小的参数n，‖‖2表示欧式范数运算，代表对求欧式范数，非负整数n＝0,1,2,...,2h-1代表输入比特分组所对应的所有整数值，vn代表n所对应的空间调制符号；代表从所有的n＝0,1,2,...,2h-1中，选择一个n使取最小值，此时的n定义为N，然后将N转换为长度为h的比特序列，该比特序列即为译码比特分组；
e、最后由组合器将解码器输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流的译码比特流。
本发明所述的PSK是英文Phase-Shift Keying的缩写，其汉语意思为相移键控。
本发明所述的QAM是英文Quadrature Amplitude Modulation的缩写，其汉语意思为正交幅度调制。
本发明提出了一种新型的同时激活两根发射天线的空间调制传输系统的传输方法，该传输方法只要求发射天线的数目大于1，大大消除了传统空间调制系统对发射天线数目的限制；此外，对于每组激活的两根发射天线，他们各自的发射星座来自于同一数字调制星座的分割子集，而且分割子集的星座点间距在分割过程中获得了扩大，因而提升了空间调制系统的传输性能；相对于已有的技术方案，新方案在维持同样复杂度的情况下，获得了应用的便利性和传输性能的改善，颇具实用性。
附图说明
图1是本发明的空间调制系统结构示意框图；
其中：100、发射机，101、接收机，102、分组器，103、映射器，104、映射图表，105、调制器，106、发射天线阵列，107、接收天线阵列，108、解调器，109、信道估计器，110、解码器，111、组合器。
图2是本发明的ZPSK数字调制星座及其星座分割实例图(Z＝6,h＝4,Nt＝2)；图2中数字调制星座为6PSK，该6PSK星座可进一步分割为两个星座子集：Ω1(图2中的“◇”所示，所含星座点数为M1＝3)和Ω2(图2中的“·”所示，所含星座点数为M2＝3)，两者没有公共星座点，Ω1∪Ω2＝Ω，M1+M2＝Z＝6，2η＝16＜Nt(Nt-1)M＝18；且星座子集Ω1的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，星座子集Ω2的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距。
图3是本发明的比特分组到空间调制符号的映射图表实例图(Z＝6,h＝4,Nt＝2)；图3中空间调制符号中的p＝1,q＝2代表天线序号，l,k代表数字调制符号序号，参见图2。依据图2，对所有天线组合，共可形成Nt(Nt-1)M1M2＝18个空间调制符号，且有2h＝16<Nt(Nt-1)M1M2＝18；因为所有空间调制符号的能量都是相等的，所以从所有的空间调制符号集中选出2个空间调制符号，进行刨除，剩余的空间调制符号个数等于2h，图3中，刨除的空间调制符号为：和
图4是本发明的BQAM调制星座及其星座分割实例图(B＝36,Z＝19,h＝10,Nt＝4)；图4中原始数字调制星座为36QAM，该36QAM星座经过星座点刨除(刨除的星座点在图4中用“×”表示)，留下19个星座点作为数字调制星座Ω，该Ω星座可进一步分割为两个星座子集：Ω1(图4中的“◇”所示，所含星座点数为M1＝9)和Ω2(图4中的“·”所示，所含星座点数为M2＝10)，两者没有公共星座点，Ω1∪Ω2＝Ω，M1+M2＝Z＝19，2h<Nt(Nt-1)M1M2；且星座子集Ω1的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，星座子集Ω2的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距。
图5是本发明的CQAM调制星座及其星座分割实例图(C＝24,Z＝19,h＝10,Nt＝4)；图5中，原始数字调制星座为24QAM，该24QAM星座经过星座点刨除(刨除的星座点在图5中用“×”表示)，留下19个星座点作为数字调制星座Ω，该Ω星座可进一步分割为两个星座子集：Ω1(图5中的“◇”所示，所含星座点数为M1＝8)和Ω2(图5中的“·”所示，所含星座点数为M2＝11)，两者没有公共星座点，Ω1∪Ω2＝Ω，M1+M2＝Z＝19，2h<Nt(Nt-1)M1M2；且星座子集Ω1的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，星座子集Ω2的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距。
图6是本发明的新型空间调制系统与现有空间调制系统的性能对比图。图6中，Nt＝4,Nr＝4,h＝10,Z＝19；MIMO信道为独立Rayleigh衰落信道；横坐标为接收信噪比SNR，单位为分贝(dB)，纵坐标为空间调制符号的错误检测率SER；曲线“UPSM”代表本发明所提的新型空间调制系统，考虑到本发明的星座分割类似于网格编码调制系统中的UngerboeckSetPartitioning(UP)星座分割方法，所以用“UPSM”代表新发明的空间调制系统，在图6中，新型空间调制系统“UPSM”所采用的数字调制星座及其分割方式如图5所示；曲线“QSM”代表传统的正交空间调制技术，Quadrature Spatial Modulation(QSM)，参见文献：R.Mesleh，S.S.Ikki，and H.M.Aggoune,“Quadrature Spatial Modulation,”IEEETrans.Veh.Technol.,vol.64,no.6,pp.2738–2742,Jun.2015，曲线“QSM”所采用的数字调制星座为64QAM；曲线“ESM”表传统的增强空间调制技术，EnhancedSpatial Modulation(ESM)，参见文献：Chien-Chun Cheng,Hikmet Sari,SerdarSezginer,and Yu T.Su,“Enhanced Spatial Modulation WithMultiple Signal Constellations,”IEEETrans.Comm.,vol.63,no.6,pp.2237–2248,Jun.2015，曲线“ESM”所采用的数字调制星座为64QAM。从图6仿真结果来看，在提供同样系统配置和同样传输效率的情况下，本发明所提技术方案可以显著提高系统的传输可靠性，因此更具实用性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例：
本发明实施例如图1所示，一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，该系统包括发射机100与接收机101，两者之间通过MIMO或MISO无线信道进行连接，其中发射机100负责空间调制信号的产生与发射，接收机101负责空间调制信号的接收与译码。发射机100包括依次串行连接的分组器102、映射器103、调制器105与发射天线阵列106，分组器102的输入为待发送的信息比特流b，输出为信息比特流的分组，每组比特对应一个空间调制符号，分组器102的输出送入映射器103，由映射器103依据映射图表104完成比特分组到空间调制符号的映射过程，输出空间调制符号所对应的两根待激活的发送天线序号和针对每根天线的数字调制符号，映射器103的输出结果送给调制器105，由调制器105完成发射天线的选择与激活，以及每根发射天线所发送基带信号的数字调制、上变频和功率放大等处理过程，形成空间调制信号；最后由激活的两根发射天线将空间调制信号发送给MIMO或MISO无线信道；信号经无线信道传输到达接收机101；接收机101包括接收天线阵列107、解调器108、信道估计器109、解码器110与组合器111，其中接收天线阵列107和解调器108相连接；解调器108分别和信道估计器109及解码器110相连接；信道估计器109和解码器110相连接；解码器110与组合器111相连接；接收天线阵列107接收由发射机100发送来的空间调制信号，该信号送入解调器108，由解调器108完成对接收信号的均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号；基带解调信号同时送给信道估计器109和解码器110，信道估计器109根据解调信号完成对无线信道的估计，然后将估计结果送给解码器110；解码器110接收来自解调器108的解调信号，联合来自信道估计器109的信道估计结果，采用最大似然译码准则，完成解调信号到信息比特的译码过程，每个解调信号对应一个译码比特组，最后由组合器110将解码器输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流的译码比特流设传输系统所配置的发射天线数为Nt，Nt为大于1的整数，接收天线数为Nr，Nr为大于等于1的整数，第i(1≤i≤Nt)根发射天线到第m(1≤m≤Nr)根接收天线之间的信道增益为hmi，所有的信道增益组成一个维数为Nr×Nt的无线信道矩阵H，其第m(1≤m≤Nr)行第i(1≤i≤Nt)列的元素即为hmi，每个空间调制符号携带h个信息比特，即每个发送时隙系统所发送的分组比特数为h，两根激活天线所采用的所有星座点集合为Ω，Ω包含的星座点个数为M，M≥2，参数满足：2h≤Nt(Nt-1)M，Nt维列矢量代表空间调制符号，其中T表示矩阵的转置符号，该矢量的第p(1≤p≤Nt)个元素为第q(1≤q≤Nt)个元素为p≠q，除此之外，其他元素均为0，表示该空间调制符号需要激活的发射天线序号为p和q，其中第p根发送天线发送数字调制符号第q根发送天线发送数字调制符号与均来自调制星座Ω，它们在Ω中的序号分别为l和k，该传输方法包括发射机信号处理过程与接收机信号处理过程，其中该系统的发射机信号处理过程步骤如下：
a、在通信链路建立阶段，发射机100首先根据系统参数配置，由映射器103产生比特分组到空间调制符号的映射图表104，供发射机的空间调制符号映射与接收机的空间符号解映射所使用；
b、通信链路建立之后，发射机100发送的信息比特流b经过分组器102，分段成长度为h的比特分组，然后以组为单位依次送入映射器103；
c、映射器103依据映射图表104，将每个长度为h的比特分组映射为一个空间调制符号：送入调制器105；
d、调制器105依据激活第p根与第q根发送天线，实施数字调制、上变频和功率放大等信号处理过程，产生要发送的空间调制信号：
第p根天线的调制信号为：
第q根天线的调制信号为：
其中，A为功率放大倍数，取决于接收端的期望信噪比，ω0为数字调制和上变频共同决定的射频频率，Real()表示取实部，Imag()表示取虚部；
e、最后由激活的第p根与第q根天线分别将调制信号xp和xq发送出去，从发送天线阵列106输出的空间调制信号可表示为：x＝[0, 0, ... xp, ... xq, ...]T；
上述发射机100中由映射器103产生比特分组到空间调制符号的映射图表104，其生成步骤如下：
1)发射机100依据每个空间调制符号携带的信息比特数目h和发射天线数目Nt，确定满足公式2h≤Nt(Nt-1)M的最小M值；
2)由上述最小M值，求一个最小的正整数Z＝M1+M2，满足M1≤M2，M1与M2均为正整数，M1×M2≥M；
3)由最小正整数Z，确定一个数字调制星座Ω，以及满足Z＝M1+M2，M1×M2≥M的一个正整数组合{M1,M2}，具体确定方法如下：
第一步，依据整数Z确定一个数字调制星座Ω：
如果Z<8，则以等相位间隔分布的PSK作为调制星座，此时数字调制星座Ω即为ZPSK；
如果Z≥8，分两种情况：
情况1：求满足(2μ)2≥Z最小正整数μ，定义为μmin，令B＝(2μmin)2，以BQAM为基本星座，BQAM星座点的形式为：sJ′＝ρ×{±(2a-1)±j(2b-1)},a与b均为小于等于μmin的正整数，ρ为星座能量归一化因子；在BQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω′；
情况2：求满足(2v+1)2-1≥Z最小正整数v，定义为vmin，令C＝(2vmin+1)2-1，以CQAM为基本星座，CQAM星座点的形式为：sJ″＝σ×{±a′±jb′}，a′+b′≠0，a′与b′均为小于等于vmin的非负整数，σ为星座能量归一化因子；在CQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω″；
实际应用中，可从备选星座Ω′和Ω″中，选择其中任意一个作为数字调制星座Ω；也可以在两者之间选择一个星座点间距最大的星座作为数字调制星座Ω；星座点间距的计算以每个空间调制符号的平均发送能量相等为依据进行计算；
第二步，考察第一步所确定的数字调制星座Ω，如果该星座Ω可进一步分割为两个星座子集：Ω1(所含星座点数为M1)和Ω2(所含星座点数为M2)，两者没有公共星座点，Ω1∪Ω2＝Ω，M1+M2＝Z，M1×M2≥M，且星座子集Ω1的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，星座子集Ω2的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，则{M1,M2}组合为一有效组合；如果星座Ω无法进行分割，则将整数Z加1，作为新的最小整数Z，重复上述第一步；如果存在多种{M1,M2}组合满足分割要求，则选择一种使M1×M2数值最大的组合作为优选。
4)依据已产生的数字调制星座Ω和它的两个分割子集Ω1(所含星座点数为M1)和Ω2(所含星座点数为M2)，生成比特分组到空间调制符号的映射图表104，包括如下步骤：
第一步，从Nt根发送天线中选择两根天线，共可形成Nt(Nt-1)/2种天线组合；
第二步，对每种天线组合{p,q}(p,q代表两根发送天线的序号)，形成两种空间调制发射模式：第一模式，天线p选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送；第二模式，天线p选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送；对每种模式，共可形成M1×M2个空间调制符号；对所有Nt(Nt-1)/2种天线组合，共可形成Nt(Nt-1)M1M2个空间调制符号，其集合定义为Ψ，且有2h≤Nt(Nt-1)M1M2；如果2h<Nt(Nt-1)M1M2，则从空间调制符号集Ψ中选出能量最大的空间调制符号，进行逐个刨除，直到空间调制符号集Ψ中剩余的空间调制符号个数等于2h；
第三步，每个比特分组包含h个比特，共有2h种可能；经过处理后的空间调制符号集Ψ也包含2h个空间调制符号，因此便可建立输入比特到空间调制符号的一一映射关系，即比特分组到空间调制符号的映射图表；本发明仅关注系统的符号差错率，因此对具体映射方式没有限制。
该系统的接收机信号处理过程步骤如下：
a、发送机100通过发送天线阵列106发出空间调制信号x＝[0, 0, ... xp, ...xq, ...]T，信号经过无线信道传输到达接收机101，被接收机的接收天线阵列107所接收，所接收的信号为：y＝Hx+n，其中接收信号y＝[y1, y2, ... yNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素yr代表由第r根接收天线所接收的信号，n＝[n1, n2, ... nNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素nr代表由第r根接收天线所引入的加性白噪声；接收信号y＝[y1, y2, ... yNr]T被送入解调器108；
b、解调器108接收信号y＝[y1, y2, ... yNr]T，实施均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号，表示为：yb＝Hv+nb，其中表示所发射的基带空间调制符号，yb＝[yb1, yb2, ... ybNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素ybr代表由第r根接收天线所接收的基带解调信号，nb＝[nb1, nb2, ... nbNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素nbr代表由第r根接收天线所引入的基带加性白噪声；基带解调信号yb＝[yb1, yb2, ...ybNr]T被同时送入信道估计器109和解码器110；
c、信道估计器109依据基带解调信号yb＝[yb1, yb2, ... ybNr]T，产生对无线信道H的信道估计矩阵其第m(1≤m≤Nr)行第i(1≤i≤Nt)列的元素代表对实际无线信道增益hmi的估计值，具体估计过程可以通过在发送的比特流中插入导频比特来进行实施；信道估计结果送入解码器110；
d、解码器110接收来自解调器108的基带解调信号yb＝[yb1, yb2, ... ybNr]T，联合来自信道估计器109的信道估计结果依据映射图表，完成对解调信号到信息比特的译码过程，其最大似然译码准则为：上述符号arg表示对参数n＝0,1,2,...,2h-1实施遍历，寻找一个使值最小的参数n，‖ ‖2表示欧式范数运算，代表对求欧式范数，非负整数n＝0,1,2,...,2h-1代表输入比特分组所对应的所有整数值，vn代表n所对应的空间调制符号，代表从所有的n＝0,1,2,...,2h-1中，选择一个n使取最小值，此时的n定义为N，然后将N转换为长度为h的比特序列，该比特序列即为译码比特分组；
e、最后由组合器111将解码器110输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流b的译码比特流

Claims (1)

1.一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，该系统包括发射机与接收机，两者之间通过MIMO或MISO无线信道进行连接，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机负责空间调制信号的接收与译码，其中发射机包括依次串行连接的分组器、映射器、调制器与发射天线阵列；分组器的输入为待发送的信息比特流，输出为信息比特流的分组，每组比特对应一个空间调制符号，分组器的输出送入映射器，由映射器依据映射图表完成比特分组到空间调制符号的映射过程，输出空间调制符号所对应的两根待激活的发送天线序号和针对每根发送天线的数字调制符号，映射器的输出结果送给调制器，由调制器完成发射天线的选择与激活，以及每根发射天线所发送基带信号的数字调制、上变频和功率放大处理过程，形成空间调制信号；最后由激活的两根发射天线将空间调制信号发送给MIMO或MISO无线信道；信号经无线信道传输到达接收机；接收机包括接收天线阵列、解调器、信道估计器、解码器与组合器，其中接收天线阵列和解调器相连接；解调器分别和信道估计器及解码器相连接；信道估计器和解码器相连接；解码器与组合器相连接；接收天线阵列接收由发射机发送来的空间调制信号，该信号送入解调器，由解调器完成接收信号的均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号；基带解调信号同时送给信道估计器和解码器，信道估计器根据解调信号完成对无线信道的估计，然后将估计结果送给解码器；解码器接收来自解调器的解调信号，联合来自信道估计器的信道估计结果，采用最大似然译码准则，完成解调信号到信息比特的译码过程，每个解调信号对应一个译码比特组，最后由组合器将解码器输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流的译码比特流；设传输系统所配置的发射天线数为Nt，Nt为大于1的整数，接收天线数为Nr，Nr为大于等于1的整数，第i根发射天线到第m根接收天线之间的信道增益为hmi，其中1≤i≤Nt，1≤m≤Nr，所有的信道增益组成一个维数为Nr×Nt的无线信道矩阵H，其第m行第i列的元素即为hmi，其中1≤m≤Nr，1≤i≤Nt，每个空间调制符号携带η个信息比特，即每个发送时隙系统所发送的分组比特数为η，两根激活天线所采用的所有星座点集合为Ω，Ω包含的星座点个数为M，M≥2，参数满足：2η≤Nt(Nt-1)M，Nt维列矢量代表空间调制符号，其中T表示矩阵的转置符号，该矢量的第p个元素为第q个元素为其中1≤p≤Nt，1≤q≤Nt，p≠q，除此之外，其他元素均为0，表示该空间调制符号需要激活的发射天线序号为p和q，其中第p根发送天线发送数字调制符号第q根发送天线发送数字调制符号 与均来自调制星座Ω，它们在Ω中的序号分别为l和k，该传输方法包括发射机信号处理过程与接收机信号处理过程，其中发射机信号处理过程的步骤如下：
a、在通信链路建立阶段，发射机首先根据系统参数配置，由映射器产生比特分组到空间调制符号的映射图表，供发射机的空间调制符号映射与接收机的空间符号解映射所使用；
b、通信链路建立之后，发射机发送的信息比特流经过分组器，分段成长度为η的比特分组，然后以组为单位依次送入映射器；
c、映射器依据映射图表，将每个长度为η的比特分组映射为一个空间调制符号：送入调制器；
d、调制器依据激活第p根与第q根发送天线，实施数字调制、上变频和功率放大信号处理过程，产生要发送的空间调制信号：
第p根天线的调制信号为：
第q根天线的调制信号为：
其中，A为功率放大倍数，取决于接收端的期望信噪比，ω0为数字调制和上变频共同决定的射频频率，Real()表示取实部，Imag()表示取虚部；
e、最后由激活的第p根与第q根天线分别将调制信号xp和xq发送出去，从发送天线阵列输出的空间调制信号可表示为：x＝[0,0,...xp,...xq,...]T；
上述发射机中由映射器产生比特分组到空间调制符号的映射图表，其生成步骤如下：
1)发射机依据每个空间调制符号携带的信息比特数目η和发射天线数目Nt，确定满足公式2η≤Nt(Nt-1)M的最小M值；
2)由上述最小M值，求一个最小的正整数Z＝M1+M2，满足M1≤M2，M1与M2均为正整数，M1×M2≥M；
3)由最小正整数Z，确定一个数字调制星座Ω，以及满足Z＝M1+M2，M1×M2≥M的一个正整数组合{M1,M2}，具体确定方法如下：
第一步，依据整数Z确定一个数字调制星座Ω：
如果Z<8，则以等相位间隔分布的PSK作为调制星座，此时数字调制星座Ω即为ZPSK；
如果Z≥8，分两种情况：
情况1：求满足(2μ)2≥Z最小正整数μ，定义为μmin，令B＝(2μmin)2，以BQAM为基本星座，BQAM星座点的形式为：sJ′＝ρ×{±(2a-1)±j(2b-1)},a与b均为小于等于μmin的正整数，ρ为星座能量归一化因子；在BQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω′；
情况2：求满足(2v+1)2-1≥Z最小正整数v，定义为vmin，令C＝(2vmin+1)2-1，以CQAM为基本星座，CQAM星座点的形式为：sJ″＝σ×{±a′±jb′}，a′+b′≠0，a′与b′均为小于等于vmin的非负整数，σ为星座能量归一化因子；在CQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω″；
实际应用中，可从备选星座Ω′和Ω″中，选择其中任意一个作为数字调制星座Ω；也可以在两者之间选择一个星座点间距最大的星座作为数字调制星座Ω；星座点间距的计算以每个空间调制符号的平均发送能量相等为依据进行计算；
第二步，考察第一步所确定的数字调制星座Ω，如果该星座Ω可进一步分割为两个星座子集Ω1和Ω2，Ω1和Ω2所含星座点数分别为M1和M2，两者没有公共星座点，Ω1∪Ω2＝Ω，M1+M2＝Z，M1×M2≥M，且星座子集Ω1的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，星座子集Ω2的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，则{M1,M2}组合为一有效组合；如果星座Ω无法进行分割，则将整数Z加1，作为新的最小整数Z，重复上述第一步；如果存在多种{M1,M2}组合满足分割要求，则选择一种使M1×M2数值最大的组合作为优选；
4)依据已产生的数字调制星座Ω和它的两个分割子集Ω1和Ω2，生成比特分组到空间调制符号的映射图表，包括如下步骤：
第一步，从Nt根发送天线中选择两根天线，共可形成Nt(Nt-1)/2种天线组合；
第二步，对每种天线组合{p,q}，p,q代表两根发送天线的序号，形成两种空间调制发射模式：第一模式，天线p选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送；第二模式，天线p选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送；对每种模式，共可形成M1×M2个空间调制符号；对所有Nt(Nt-1)/2种天线组合，共可形成Nt(Nt-1)M1M2个空间调制符号，其集合定义为Ψ，且有2η≤Nt(Nt-1)M1M2；如果2η<Nt(Nt-1)M1M2，则从空间调制符号集Ψ中选出能量最大的空间调制符号，进行逐个刨除，直到空间调制符号集Ψ中剩余的空间调制符号个数等于2η；
第三步，每个比特分组包含η个比特，共有2η种可能；经过处理后的空间调制符号集Ψ也包含2η个空间调制符号，因此便可建立输入比特到空间调制符号的一一映射关系，即比特分组到空间调制符号的映射图表；此处仅关注系统的符号差错率，因此对具体映射方式没有限制；
接收机信号的处理过程步骤如下：
a、发送机通过发送天线阵列发出空间调制信号x＝[0,0,...xp,...xq,...]T，信号经过无线信道传输到达接收机，被接收机的接收天线阵列所接收，所接收的信号为：y＝Hx+n，其中接收信号y＝[y1,y2,...yNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素yr代表由第r根接收天线所接收的信号，n＝[n1,n2,...nNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素nr代表由第r根接收天线所引入的加性白噪声；接收信号y＝[y1,y2,...yNr]T被送入解调器；
b、解调器接收信号y＝[y1,y2,...yNr]T，实施均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号，表示为：yb＝Hv+nb，其中表示所发射的基带空间调制符号，yb＝[yb1,yb2,...ybNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素ybr代表由第r根接收天线所接收的基带解调信号，nb＝[nb1,nb2,...nbNr]T为Nr维列矢量，其第r个元素nbr代表由第r根接收天线所引入的基带加性白噪声；基带解调信号yb＝[yb1,yb2,...ybNr]T被同时送入信道估计器和解码器；
c、信道估计器依据基带解调信号yb＝[yb1,yb2,...ybNr]T，产生对无线信道H的信道估计矩阵其第m行，1≤m≤Nr、第i列，1≤i≤Nt的元素代表对实际无线信道增益hmi的估计值，具体估计过程可以通过在发送的比特流中插入导频比特来进行实施；信道估计结果送入解码器；
d、解码器接收来自解调器的基带解调信号yb＝[yb1,yb2,...ybNr]T，联合来自信道估计器的信道估计结果依据映射图表，完成对解调信号到信息比特的译码过程，其最大似然译码准则为：上述符号arg表示对参数n＝0,1,2,...,2η-1实施遍历，寻找一个使值最小的参数n，‖‖2表示欧式范数运算，代表对求欧式范数，非负整数n＝0,1,2,...,2η-1代表输入比特分组所对应的所有整数值，vn代表n所对应的空间调制符号；代表从所有的n＝0,1,2,...,2η-1中，选择一个n使取最小值，此时的n定义为N，然后将N转换为长度为η的比特序列，该比特序列即为译码比特分组；
e、最后由组合器将解码器输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流的译码比特流。
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