CN106027126A - Mimo系统中一种基于中继协作的空间调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了MIMO系统中一种基于中继协作的空间调制方法。通过把空间调制方案应用于无线中继协作网络，给出了中继协作的空间调制MIMO系统设计原理与系统模型。源端利用空间调制映射器激活一根发射天线来发送经过星座调制的信息符号到中继节点和目的端，然后中继节点完成对信息符号的放大并转发到目的端。目的端实现信号的合并和分集接收，获得性能有效提高。基于系统原理和模型，利用性能分析和数值计算，分别给出发射天线序号检测的错误概率和星座符号检测的错误概率计算方法。由此提出中继协作的空间调制系统中平均误比特率计算方法，为系统性能评估提供有效方法，避免了通常数值积分和蒙特卡洛仿真的需要。数值结果验证了方法有效性。

Description

MIMO系统中一种基于中继协作的空间调制方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信的中继协作以及空间调制方法，特别是涉及MIMO系统中一种基于中继协作的空间调制方法。

背景技术

多输入多输出(MIMO)技术能够有效抵抗无线通信中多径衰落带来的影响，但是由于受设备体积、成本和硬件性能等条件限制，难以应用在实际的无线通信终端中，因而MIMO技术的应用前景并不乐观。在这种形式驱使下，空间调制(SM)技术和通信协作技术应运而生。空间调制技术作为一种低复杂度，能量有效的技术，其核心思想是每一时隙只有一根天线被激活用来传输信息，其它天线空闲，接收端实现对发送天线序号和符号的解调，从而，空间调制MIMO系统可以实现单链路收发设计，有效克服信道间的干扰以及同步问题，且降低功率消耗，是功率消耗更加有效；吞吐量大，利用天线的序号，“隐形”地携带信息，传输速率随着天线数目的增加呈对数增长。协作通信技术通过利用单天线移动终端之间的相互协作，共享彼此的天线，形成一个虚拟MIMO系统，从而获得空间分集。因此，协作通信技术的提出为MIMO技术走向实用化提供了一条新的途径。协作通信技术是在中继信道模型的基础上提出的，根据中继节点对收到的源端信息处理方式的不同，可以将中继传输方式分为三种，前向放大(AF)传输模式为其中的一种。AF传输模式由Laneman等人提出，其主要思想是：中继节点在收到源端发送给目的端的带有噪声的信号后，对该信号不做任何译码或解调处理，而是直接对该信号直接进行放大，然后将放大后的带有噪声的信号转发到目的端，最后目的端将两个阶段收到的信号进行合并，从而可以得到源端的发送信息。AF传输模式简单易于实现，对中继节点的信号处理能力要求低，只是进行简单的放大转发就能使目的端获得多路相互独立的信号副本，最后通过合并可以获得相应的分集增益，有效地提高系统的性能。

基于以上研究现状，将中继协作通信技术应用到空间调制技术中，使两者有机地结合起来，提出一种MIMO系统中基于中继协作的空间调制方法，凸显各自的优势，进一步提高中继协作通信技术和空间调制技术的灵活性。文献1(R.Mesleh，S.Ikki，andM.Alwakeel.Performance Analysis of Space Shift Keying with Amplify andForward Relaying.IEEE Commun.Lett.，vol.15，no.12，Dec 2011，1350-1352.)介绍了一种基于AF中继协作的空间移相键控(SSK)通信系统，并推导了系统平均误比特率的上界公式，但该文献没有考虑源节点与目的节点之间的信息传输。文献2(S.R.Hussain，S.Shakeera，K.R.Naidu.BER Analysis of Amplify and Forward Scheme with BestRelay Selection in Space Shift Keying System.International Conference onCommunications and Signal Processing(ICCSP)，April 2015，1722-1726)在文献1的基础上增加了源节点到目的端链路，也给出了系统平均 误比特率的上界公式。但文献1和文献2均考虑了SSK技术而不是SM技术，且只考虑了单根接收天线。文献3(A.Afana，R.Mesleh，S.Ikki，I.Atawi.Performance of Quadrature Spatial Modulation in Amplify-and-Forward Cooperative Relaying.IEEE Commun.Lett.，vol.PP，no.99，Dec 2015，1-1.)研究了基于AF中继协议的正交空间调制(QSM)技术，给出了该系统平均误比特率的闭式表达式。上述研究均是在MISO系统中将SSK、QSM技术与AF中继协作协议相结合，然而很少有文献给出MIMO系统中基于中继协作的空间调制方法，因此关于该方法的性能评估方案也没有。

因此目前还没有成熟的方案给出MIMO中联合中继协作和空间调制的系统设计以及相应的性能评估。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种针对MIMO系统，设计基于中继协作的空间调制方法，并提供基于中继协作的空间调制MIMO系统的性能评估方案，给出系统平均误码率的计算方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

MIMO系统中一种基于中继协作的空间调制方法，包括如下步骤：

步骤1：首先给出基于中继协作的空间调制系统的物理模型。源端有N_t副发射天线，目的节点有N_r副接收天线，考虑只有一个中继节点协助源端的发送。根据空间调制的思想，每一时隙只激活一根发射天线来发送经过星座调制的信息，其余天线均不发射符号。调制方式M-QAM和发射天线数目N_t共同决定每时隙传输的比特数为log₂(MN_t)，其中log₂N_t比特用于选择被激活的天线j，j∈[1：N_t]，log₂M用于星座符号调制。调制后的信息符号经过激活的发射天线进行传输。

步骤2：将信息符号的传输过程分为两个阶段。阶段1，源端根据步骤1)中被激活的发射天线将信息符号发送到目的端，同时，中继节点也收到源端发送的信息符号。阶段2，中继节点对接收到的信号进行放大处理，并将处理后的信号向目的端转发。最后目的端合并两步接收到的信号。

步骤3：假定系统能获得完全的信道状态信息(CSI)，对目的端的接收信号采用联合解调法，同时解调被激活的发射天线序号与星座调制符号。

步骤4：根据步骤3反馈的CSI以及瑞利衰落信道下源到中继、源到目的端和中继到目的端链路的接收信噪比的概率密度函数(PDF)和累积分布函数(CDF)，系统的有效接收信噪比γ_up的概率密度函数可以表示为

步骤5：在步骤4)的基础上，给出系统性能评估方案，即系统平均误码率(BER)的计算方法。利用数值分析方法，可以得到系统平均BER的计算方案，并以此来评估系统性能。

有益效果：本发明提供了MIMO系统中一种基于中继协作的空间调制方法：本发明所涉及的基于中继协作的空间调制方法能有效地应用于MIMO系统中，并且发明提供了相应的性能评估方案，即有效地计算基于中继协作的空间调制MIMO系统的平均BER。

附图说明

图1为基于中继协作的空间调制MIMO系统的设计原理图

图2为中继协作的空间调制MIMO系统模型

图3为4×2基于中继协作的空间调制系统在不同调制方式下发射天线序号检测错误概率P_a

图4为4×2基于中继协作的空间调制系统在不同调制方式下星座符号检测错误概率P_d

图5为4×2基于中继协作的空间调制系统在不同调制方式下的平均误比特率P_e

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

1)基于中继协作的空间调制MIMO系统

附图1为基于中继协作的空间调制MIMO系统的设计原理图。基于该系统设计原理，考虑源端有Nt副发射天线，目的端有Nr副接收天线，存在一个中继节点协助源端的信息发送。根据空间调制的思想，每一时隙只激活一根发射天线来发送经过星座调制的信息，其余天线均不发射符号。调制后的信息符号经过激活的发射天线进行传输。将信息符号的传输过程分为两个阶段。阶段1，源端通过被激活的发射天线将信息符号发送到目的端，同时，中继节点也收到源端发送的信息符号。阶段2，中继节点对接收到的信号进行放大处理，并将处理后的信号向目的端转发，最后目的端合并两步接收到的信号。假定目的端能获得完全的信道状态信息(CSI)，采用联合解调法同时解调被激活的发射天线序号与星座调制符号。系统模型图如附图2所示。

2)系统有效接收信噪比的PDF

为了简化分析，系统接收端的有效信噪比γ_up可以近似表示为：

γ_up≤γ_SD+min(γ_SR，γ_RD)＝γ_SD+γ_SRD

γ_SD、γ_SR和γ_RD分别表示源到目的、源到中继以及中继到目的的有效接收信噪比。已知瑞利信道下源节点到目的节点链路的有效接收信噪比的PDF为和CDF为。再根据瑞利衰落信道下，源到中继以及中继到目的链路的有效接收信噪比的PDF和CDF可以得到源到中继再到目的链路的有效接收信噪比γ_SRD的CDF为对进行求导可以得到γ_SRD的PDF为为了得到系统有效接收信噪比的PDF，需要利用矩生成函数(MGF)。

按照MGF函数的定义，可以得到γ_SD的MGF为以及γ_SRD的MGF为

假设γ_SD和γ_SRD是独立的，则有效接收信噪比γ_up的MGF为M_γSD(s)与之积。通过具体运算，γ_up的MGF表示为：

$\begin{array}{c}{M}_{{\mathrm{\γ}}_{up}}\left(s\right)=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}^{N_r-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}^{N_r}}{(s+\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C})}^{-N_r}{(s+\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}})}^{-N_r}+\\ \frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}^{N_r}}(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}-\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}})\underset{n=0}{\overset{N_r-2}{\Σ}}\frac{1}{{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}}^2}{(s+\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C})}^{-(n+1)}{(s+\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}})}^{-N_r}\end{array}---\left(2\right)$

最后，对Mγ_up(s)进行拉布拉斯反变换，即可得到γ_up的PDF：

$\begin{array}{c}{f}_{{\mathrm{\γ}}_{up}}\left(\mathrm{\γ}\right)=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}}^{N_r-1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}^{N_r}}\[\underset{i=0}{\overset{N_r-1}{\Σ}}\frac{A_{N_r-i}}{(N_r-i-1)!}{\mathrm{\γ}}^{N_r-i-1}{e}^{-\frac{\mathrm{\γ}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}}+\underset{j=0}{\overset{N_r-1}{\Σ}}\frac{B_{N_r-j}}{(N_r-j-1)!}{\mathrm{\γ}}^{N_r-j-1}{e}^{-\frac{\mathrm{\γ}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}}\]\\ +\frac{1}{{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}^{N_r}}(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}-\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}})\underset{n=0}{\overset{N_r-2}{\Σ}}\frac{1}{{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}}^n}\[\underset{p=0}{\overset{n}{\Σ}}\frac{C_{n+1-p}}{(n-p^{\′})!}{\mathrm{\γ}}^{n-p}{e}^{-\frac{\mathrm{\γ}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}}+\underset{q=0}{\overset{N_r-1}{\Σ}}\frac{D_{N_r-q}}{(N_r-q-1)!}{\mathrm{\γ}}^{N_r-q-1}{e}^{-\frac{\mathrm{\γ}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}}\]\end{array}---\left(3\right)$

其中，

$C_{n+1-p}=\frac{1}{p!}{\[\frac{1}{{(s+1/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD})}^{N_r}}\]}^{\left(p\right)}{|}_{s=-1/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C},D_{N_r-q}=\frac{1}{q!}{\[\frac{1}{{(s+1/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C)}^{n+1}}\]}^{\left(q\right)}{|}_{s=-1/{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}.$

3)基于中继协作的空间调制MIMO系统的性能评估方法，即系统平均BER的计算方法

令Pa表示星座符号检测完全正确时发射天线序号检测的错误概率，同样，令Pd表示发射天线序号检测完全正确时星座符号检测的错误概率，Pa和Pd均与系统的平均BER有关。下面给出具体的Pa、Pd以及系统平均BER，即Pe的计算方法。

3.1)星座符号检测完全正确时发射天线序号检测的错误概率Pa

Pa表示星座符号检测完全正确时发射天线序号检测的错误概率，对于不同的调制方式，Pa可由下式计算得到：

$P_a\≤\underset{l=1}{\overset{N_r}{\Σ}}\underset{q=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{\tilde{l}=1}{\overset{N_r}{\Σ}}\frac{N(l,\tilde{l})}{{\mathrm{MN}}_t{\log }_2\left(N_t\right)}PEP(x_l\→x_{\tilde{l}})---\left(4\right)$

其中，表示实际被激活的发射天线序号与估计的发射天线序号相比错误的比特数， 表示成对错误概率，为方便计算，取上界近似为：

$\begin{array}{c}PEP(x_l\→x_{\tilde{l}})=\frac{1}{\mathrm{\π}}\[\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}^{N_r-1}}{(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}+\frac{|x_q{|}^2}{2})}^{-Nr}+(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}-\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}})\×\\ \underset{n=0}{\overset{N_r-2}{\Σ}}\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}^n}{(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}+\frac{|x_q{|}^2}{2})}^{-(n+1)}\]\×\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}{(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}+\frac{|x_q{|}^2}{2})}^{-Nr}\end{array}---\left(5\right)$

其中 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C={\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SR}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}/({\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SR}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}).$ 将(5)式带入(4)式即可得到系统的平均Pa。附图3给出了4×2基于中继协作的空间调制系统在4QAM、16QAM、64QAM六种调制方式下的发射天线序号检测错 误概率。由仿真图可以看出理论与仿真基本吻合，证明理论推导的正确性。另外，发射天线序号检测的错误概率随着调制方式阶数的增加而增加，这是因为高阶调制方式的星座图欧氏距离小，信号检测时容易干扰，导致检测错误概率的上升。

3.2)发射天线序号检测完全正确时星座符号检测的错误概率Pd

Pd表示发射天线序号检测完全正确时星座符号检测的错误概率，对于不同的调制方式，Pd可由加性高斯噪声(AWGN)信道下，M-QAM调制方式的BER与系统有效接收信噪比的PDF积分到，即：

$P_d={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}BER\left(\mathrm{\γ}\right)f_{{\mathrm{\γ}}_{up}}\left(\mathrm{\γ}\right)d\mathrm{\γ}---\left(6\right)$

式中erfc(·)为互补误差函数，{α_n，l，β_n，l，π(M_n)}是与具体调制方式n有关的系数。最终Pd的计算结果为：

$\begin{array}{c}{P}_d=\underset{l}{\overset{\mathrm{\π}\left(M_n\right)}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\α}}_{n,l}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}}^{N_r-1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}^{N_r}}\{\underset{i=0}{\overset{N_r-i}{\Σ}}{A}_{N_r-i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}^{N_r-i}{U}_p^{N_r-i-1}+\underset{j=0}{\overset{N_r-j}{\Σ}}{B}_{N_r-j}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}^{N_r-j}{V}_q^{N_r-j-1}\}+\\ \underset{l}{\overset{\mathrm{\π}\left(M_n\right)}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\α}}_{n,l}}{{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}^{N_r}}(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}-\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}})\underset{n=0}{\overset{N_r-2}{\Σ}}\frac{1}{{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{RD}}^n}\{\underset{x=0}{\overset{n}{\Σ}}{C}_{n+1-x}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_C}^{n+1-x}{U}_a^{n-x}+\underset{y=0}{\overset{N_r-1}{\Σ}}{D}_{N_r-y}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}^{N_r-y}{V}_b^{N_r-y-1}\}\end{array}---\left(7\right).$

式中，

$V_u^v=1-\sqrt{{\mathrm{\β}}_{n,l}/\mathrm{\π}}\underset{u=0}{\overset{v}{\Σ}}{\left(\frac{1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{SD}}\right)}^u\mathrm{\Γ}(u+\frac{1}{2})\frac{w_{SD}^{-(u+1/2)}}{u!}.$

附图4给出了4×2基于中继协作的空间调制系统在4QAM、16QAM、64QAM六种调制方式下的平均星座符号检测错误概率。由图可以看出理论与仿真基本吻合，证明理论推导的正确性。另外，星座符号检测的错误概率随着调制方式阶数的增加而增加，同样是因为高阶调制方式的星座图欧氏距离小，信号检测时容易发生错误，导致检测错误概率的上升。

3.3)系统平均BER(Pe)

由上面获得的Pa和Pd，我们可计算出系统平均BER，即Pe如下所示：

P_e≈1-(1-P_a)(1-P_b) (8)

可以得到基于中继协作的空间调制MIMO系统的平均BER。附图5给出了4×2基于中继协作的空间调制系统在4QAM、16QAM、64QAM六种调制方式下的系统平均误比特率。由图可以看出理论与仿真基本吻合，说明系统的理论Pe可以由(8)式近似得到。与附图3、附图4一样，系统总的误比特率随着调制方式阶数的增加而增加，也是因为高阶调制方式的星座图欧氏距离小，信号检测时容易干扰，导致平均误比特率的上升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于中继协作的空间调制方法，其特征在于包括步骤如下：

步骤1)：给出基于中继协作的空间调制系统的物理模型；考虑只存在一个中继节点协助源节点的发送；根据空间调制的思想，每一时隙只激活一根发射天线来发送经过星座调制的信息，其余天线均不发射符号；

步骤2)：将信息符号的传输过程分为两个阶段；阶段1，源节点根据步骤1)中被激活的发射天线将信息符号发送到目的节点，同时，中继节点也收到源节点发送的信息符号；阶段2，中继节点对步接收到的信号进行放大处理，并将处理后的信号向目的节点转发；

步骤3)：在目的端能获得完全的信道状态信息(CSI)的条件下，采用联合解调法同时解调被激活的发射天线序号与星座调制符号；

步骤4)：根据目的端的等效接收信噪比以及瑞利衰落信道下源到中继、源到目的和中继到目的链路的接收信噪比的概率密度函数(PDF)和累积分布函数(CDF)，得到基于中继协作的空间调制系统的矩生成函数(MGF)，进而得到系统的PDF；

步骤5)：在步骤4)的基础上，设计系统性能评估方案，即通过数值分析方法，给出系统平均误比特率(BER)的计算方法和相应的验证分析结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于中继协作的空间调制方法，其特征在于：

(1)所述步骤1)和2)中包括基于中继协作的空间调制系统设计方法；联合中继协作技术和空间调制技术，调制后的信号通过被激活的天线，经由源到目的直达链路和源到中继再到目的协作链路发送到目的节点，最后目的节点合并两路接收到的信号；

(2)所述步骤5)中包括基于中继协作的空间调制系统性能评估方法，给出系统平均BER的计算方法；令Pa为星座符号检测完全正确时发射天线序号检测的错误概率，Pd为发射天线序号检测完全正确时，星座符号检测的错误概率，则系统的平均BER为1-(1-Pa)(1-Pd)；基于此，利用数值分析和计算，给出评估系统错误率性能的计算方法和相应的验证分析结果。