CN106788626A - 一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法，包括步骤：1)源节点将信息比特分成两部分，一部分用来从所设计的空间调制矩阵集合中选择一个空间调制矩阵，一部分用来从实星座图中选择两个调制符号，并将符号乘以满分集矩阵得到发送符号；2)根据被选的空间调制矩阵，源节点将两个发送符号分别在两个激活天线上发送，其中一个在正弦载波，另一个在余弦载波；3)接收端对源节点信息通过最大似然准则解码，并能获得二阶发射分集。仿真结果表明，所提的改进QSM方法在保留传统QSM优势的基础上，还能获得二阶发射分集。相比已有的QSM方案和能获得分集的STBC‑CSM方案，所提的改进QSM方案能获得更低的比特错误概率。

Description

一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法

技术领域：

本发明属于多天线系统的空间调制方法设计，具体涉及一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法。

背景技术：

多输入多输出技术可以提供较高的系统容量与可靠性，是无线通信领域的重要研究课题。多天线传输面临着以下主要问题：1)由于多个发射天线在相同频段上同时传输，导致接收端受到较高的信道间干扰(ICI)；2)解决高ICI问题需要复杂的接收机算法，导致系统复杂度的增高；3)利用满分集时空编码可以解决以上问题，但是空时编码的频谱利用率很低；近年来，空间调制(SM)技术被提出用来解决以上问题，该技术每次传输只激活一个发射天线，因此避免了ICI问题及同步问题。激活天线序号也用来传输信息，以此来提高传输效率。现有关于空间调制技术的研究主要是为了提高频谱效率和分集，例如李晓峰等提出的STBC-CSM方案，该方案将空时分组码与SM技术结合以获得二阶发射分集，利用循环结构以增加频谱效率[1]。

正交空间调制(QSM)[2]在继承了空间调制所有优点的基础上，又提高了整个系统的频谱效率。不同于空间调制技术每次只激活一个发射天线，正交空间调制每次同时激活两个发射天线，第一个激活发射天线发送调制符号的实部，另一个激活发射天线发送调制符号的虚部。传统的空间调制将调制符号的实部和虚部在同一个激活天线上发送以避免接收端的ICI。然而，正交空间调制也可以避免ICI，因为调制符号的实部和虚部是在正交的载波上发送，即，分别在余弦和正弦载波上发送。相比于SM，QSM每次能多传输log₂N_t比特，其中N_t为发射天线个数。现有的相关工作大部分着力于研究QSM在不同衰落 场景下的性能分析，目前尚未发现针对QSM如何获得发射分集的研究。

参考文献

[1]X.F.Li and L.Wang,High rate space-time block coded spatialmodulation with cyclic structure,IEEE Commun.,Lett.,

vol.18,no.4,pp.532-535,Apr.2014.

[2]Mesleh,R.,Ikki,S.,Aggoune,H.:‘Quadrature spatial modulation’,IEEETrans.Veh.Tchnol.,2015,64-6,pp.2738-2742.

发明内容：

本发明的目的在于提出一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法，包括以下步骤：

1)信道估计阶段：在安全传输开始之前，源节点发送训练序列，接收端根据接收到的训练序列对信道进行估计，并假设接收端信道估计准确；

2)安全传输阶段：源节点将发送信息比特分成两部分，一部分比特叫做空间调制比特，源节点根据该部分比特从所设计的空间调制矩阵集合中选择一个空间调制矩阵，该空间调制矩阵中的非零元素决定当前传输的激活天线序号；另一部分比特叫做符号调制比特，这部分比特用来从实星座图中选择两个调制符号，并将两个调制符号乘以满分集矩阵得到两个发送符号；

3)根据被选的空间调制矩阵，源节点将两个发送符号分别在两个激活天线上发送，其中一个在正弦载波，另一个在余弦载波；

4)接收端对源节点信息通过最大似然准则解码，并能获得二阶发射分集。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，空间调制矩阵集合的设计包括如下步骤：

201)源节点的空间调制比特用来选择每次激活的天线对，共比特，其中|A|表示空间调制矩阵集A中元素的个数，表示取2的指数形式的最大整数；定义一个N_t×2维空间调制矩阵，其中1表示天线被激活，0表示天线不工作，定义空间调制矩阵基为：

其中行表示天线，列表示正弦载波和余弦载波，其中1≤p≤N_t，空间调制矩阵基S_B中有2个天线被激活；

202)定义如下形式的一个N_t×N_t维的右移矩阵：

使用式(1)中空间调制矩阵基和式(2)中的右移矩阵形成N_t-1个空间调制矩阵R^lS_B，其中l＝{1,2,…,N_t-1}；

203)基于这些空间调制矩阵，产生的空间调制矩阵集合如下： 当激活天线对为(a₁,a₂)时，选择的空间调制矩阵如下所示：

其中a₁表示发送正弦载波的激活天线序号，a₂表示发送余弦载波的激活天线序号。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，源节点在两个激活天线上的发送符号产生如下：

301)假设符号调制比特共M₂比特，每个实符号采用幅度调制，因此可得两个ASK符号s₁,s₂；

302)源节点将两个ASK符号进行满分集处理，满分集矩阵为：

满分集处理后的符号为[x₁ x₂]^T＝G[s₁ s₂]^T，假设此次传输激活的天线对为(a₁,a₂)，则实符号x₁由天线a₁在正弦载波上发送，实符号x₂由天线a₂在余弦载波上发送，接收端收到正交载波，且两个载波上的信息不产生干扰。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，接收端对接收信号的解码及分集如下：

401)接收端将接收信号分别乘以正弦载波和余弦载波，并通过低通滤波，得到两个正交载波上的信号分别为：

其中，P_s是发送功率，分别表示激活天线a₁,a₂到接收端的信道系数，n_s,n_c分别表示接收端的高斯白噪声在正弦载波和正弦载波上的投影；

写成矩阵形式为：

其中y＝[y_s y_c]，n＝[n_s n_c]，X为发送码字；

402)目的节点的最大似然译码器写成：

其中和表示由估计值和构成的空间调制矩阵及发送符号矩阵；

令

接收端相干解调时成对错误概率的chernoff界是：

其中，s,是两个不同的符号向量，X_s,分别为s,经过空间调制矩阵S和满分集矩阵G产生的发送符号矩阵，γ为信道自相关函数矩阵，由于各信道为独立衰落信道，γ表示为

从(8)式可得，分集增益取决于的秩及γ是否为满秩；由式(9)知γ为满秩，则分集增益取决于的秩；

对于任意的发送码字，定义分集积为：

根据满分集矩阵的性质，只要s,是两个不同的符号向量，就可保证由s,生成的矩阵X,之差满秩，即秩为2，证明通过满分集处理，所获得的发送码字能够获得2阶发射分集。

本发明所提的改进正交空间调制传输方法具有如下优点：

本发明提供的传输方法中调制符号在发送之前先进行满分集旋转，然后选择能够保证发射分集的空间调制矩阵进行发射。经过满分集旋转后的发射符号为两个实符号，分别由激活天线对在正弦和余弦载波上发送出去，因此发射符号之间不会产生干扰。相比于原QSM方案，改进的正交空间调制传输方法(改进QSM)能获得二阶发射分集。相比于能获得二阶发射分集的STBC-CSM方案，改进QSM在几乎相同的频谱效率下能获得更低的比特错误概率(BER)。

本发明通过空间调制矩阵的设计和满分集矩阵的处理，能在接收端获得二阶发射分集，所提改进QSM不仅保持了QSM方案的优势，避免了信道间干扰且提高了频谱效率，同时还能获得二阶的发射分集。

仿真结果表明，所提的改进QSM方案确实能获得二阶发射分集，且相比已有的QSM方案和能获得分集的STBC-CSM方案，所提的改进QSM方案能获得更低的BER。

附图说明：

图1改进QSM方案与已有相关方案的性能对比图，其中，D表示分集，R表示比特速率。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

考虑具有N_t个发射天线一个接收天线的多天线系统，发射天线依次标号为“1,2,…,N_t”。假设在信息传输之前，源节点发送训练序列，接收端根据接收到的训练序列对信道进行估计，由于本发明不涉及信道估计部分，因此假设接收端信道估计准确。整个传输过程描述如下：

1)信道估计阶段：在安全传输开始之前，源节点发送训练序列，接收端根据接收到的训练序列对信道进行估计，并假设接收端信道估计准确。

2)安全传输阶段：信源首先将待发送的M位信息比特分成两部分，一部分比特叫做空间调制比特M₁，另一部分比特叫做符号调制比特M₂，M＝M₁+M₂。信源根据空间调制比特M₁从空间调制矩阵集合A中选择一个空间调制矩阵发送。每次传输的空间调制比特有比特，其中|A|表示集合A中元素的个数，表示取2的指数形式的最大整数。定义一个N_t×2维空间调制矩阵，其中1表示天线被激活，0表示天线不工作，空间调制矩阵集合如下所示：

定义空间调制矩阵基为：

其中行表示天线，列表示正弦载波和余弦载波，其中1≤p≤N_t，空间调制矩阵基S_B中有2个天线被激活。

接下来，定义如下形式的一个N_t×N_t维的右移矩阵

使用式(1)中空间调制矩阵基和式(2)中的右移矩阵形成N_t-1个空间调制矩阵R^lS_B，其中l＝{1,2,…,N_t-1}。

基于这些空间调制矩阵，产生的空间调制矩阵集合如下：例如当激活天线对为(a₁,a₂)时，选择的空间调制矩阵如下所示：

符号调制比特为M₂比特，每个载波的符号调制采用幅度调制，因此可得两个ASK符号s₁,s₂。符号s₁,s₂不能直接发送，为了获得分集，需先进行满分集处理。

源节点将符号进行满分集处理，满分集矩阵为：

满分集处理后的符号为[x₁ x₂]^T＝G[s₁ s₂]^T。假设此次传输激活的天线对为(a₁,a₂)，则实符号x₁由天线a₁在正弦波上发送，实符号x₂由天线a₂在余弦波上发送。接收端收到正交的载波，因此两个载波上的信息不会产生干扰。

3)接收端将接收信号分别乘以正弦载波和余弦载波，并通过低通滤波，得到两个正交载波上的信号分别为

其中，P_s是发送功率，分别表示激活天线a₁,a₂到接收端的信道系数，n_s,n_c分别表示接收端的高斯白噪声在正弦载波和正弦载波上的投影。

写成矩阵形式为：

其中y＝[y_s y_c]，n＝[n_s n_c]，G如(4)所示，X为发送码字。

目的节点的最大似然译码器写成：

其中和表示由估计值和构成的空间调制矩阵及发送符号矩阵。

目的节点可获得的发射分集分析如下：

令

接收端相干解调时成对错误概率的chernoff界是：

其中，s,是两个不同的符号向量，X_s,分别为s,经过空间调制矩阵S和满分集矩阵G产生的发送符号矩阵，γ为信道自相关函数矩阵，由于各信道为独立衰落信道，γ表示为：

从(9)式可得，分集增益只取决于的秩及γ是否为满秩。由式(20)可见γ为满秩，则分集增益取决于的秩。

对于任意的发送码字，定义分集积为：

根据满分集矩阵的性质，只要s,是两个不同的符号向量，总能保证由s,生成的矩阵X,之差满秩。通过以上专门设计的空间调制矩阵处理之后，总能保证矩阵X_s,之差秩为2，即保证了式(10)永远大于零。因此通过以上的空间调制矩阵的设计和满分集矩阵的处理，能在接收端获得二阶发射分集。

为了验证本发明提出的改进QSM的性能，进行了如下仿真：

考虑发射天线个数为4，则激活天线对序号为{(1,2),(2,3),(3,4),(4,1)}，传输的空间调制比特为2比特。假设所有信道的统计参数都一样，即服从标准单位复高斯随机分布。源节点发射功率为P_s，噪声方差为σ²。当比特传输速率R＝6bit/s/Hz，改进的QSM方案每个符号传输2比特，即采用2-ASK调制。当比特传输速率R＝4bit/s/Hz，改进的QSM方案每个符号传输1比特，即采用ASK调制。由仿真结果可见，改进的QSM方案能获得二阶的发射分集。

将改进的QSM方案与已有方案对比。对比方案1为传统的正交空间调制QSM方案[2]，对比方案2为STBC-CSM方案[1]。由仿真结果可见，对比方案1不能获得发射分集，对比方案2能获得二阶发射分集。当比特传输速率R＝6bit/s/Hz，传统的QSM方案空间调制比特为4比特，调制符号每个符号为1比特。STBC-CSM方案采用16-QAM，可得比特速率为5.5bit/s/Hz。由仿真结果可见，改进的QSM方案优于已有的两个对比方案。

因此综上可知，本发明提出的改进QSM方案能获得二阶发射分集，且相比于已有的空间调制方案，改进的QSM方案能获得更好的BER性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信道估计阶段：在安全传输开始之前，源节点发送训练序列，接收端根据接收到的训练序列对信道进行估计，并假设接收端信道估计准确；

2)安全传输阶段：源节点将发送信息比特分成两部分，一部分比特叫做空间调制比特，源节点根据该部分比特从所设计的空间调制矩阵集合中选择一个空间调制矩阵，该空间调制矩阵中的非零元素决定当前传输的激活天线序号；另一部分比特叫做符号调制比特，这部分比特用来从实星座图中选择两个调制符号，并将两个调制符号乘以满分集矩阵得到两个发送符号；

3)根据被选的空间调制矩阵，源节点将两个发送符号分别在两个激活天线上发送，其中一个在正弦载波，另一个在余弦载波；

4)接收端对源节点信息通过最大似然准则解码，并能获得二阶发射分集。

2.根据权利要求1所述的一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法，其特征在于，步骤2)中，空间调制矩阵集合的设计包括如下步骤：

201)源节点的空间调制比特用来选择每次激活的天线对，共比特，其中|A|表示空间调制矩阵集A中元素的个数，表示取2的指数形式的最大整数；定义一个N_t×2维空间调制矩阵，其中1表示天线被激活，0表示天线不工作，定义空间调制矩阵基为：

其中行表示天线，列表示正弦载波和余弦载波，其中1≤p≤N_t，空间调制矩阵基S_B中有2个天线被激活；

202)定义如下形式的一个N_t×N_t维的右移矩阵：

使用式(1)中空间调制矩阵基和式(2)中的右移矩阵形成N_t-1个空间调制矩阵R^lS_B，其中l＝{1,2,…,N_t-1}；

203)基于这些空间调制矩阵，产生的空间调制矩阵集合如下： 当激活天线对为(a₁,a₂)时，选择的空间调制矩阵如下所示：

其中a₁表示发送正弦载波的激活天线序号，a₂表示发送余弦载波的激活天线序号。

3.根据权利要求2所述的一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制传输方法，其特征在于，步骤3)中，源节点在两个激活天线上的发送符号产生如下：

301)假设符号调制比特共M₂比特，每个实符号采用幅度调制，因此可得两个ASK符号s₁,s₂；

302)源节点将两个ASK符号进行满分集处理，满分集矩阵为：

满分集处理后的符号为[x₁ x₂]^T＝G[s₁ s₂]^T，假设此次传输激活的天线对为(a₁,a₂)，则实符号x₁由天线a₁在正弦载波上发送，实符号x₂由天线a₂在余弦载波上发送，接收端收到正交载波，且两个载波上的信息不产生干扰。

4.根据权利要求3所述的一种能够获得二阶发射分集的改进正交空间调制 传输方法，其特征在于，步骤4)中，接收端对接收信号的解码及分集如下：

401)接收端将接收信号分别乘以正弦载波和余弦载波，并通过低通滤波，得到两个正交载波上的信号分别为：

其中，P_s是发送功率，分别表示激活天线a₁,a₂到接收端的信道系数，n_s,n_c分别表示接收端的高斯白噪声在正弦载波和正弦载波上的投影；

写成矩阵形式为：

其中y＝[y_s y_c]，n＝[n_s n_c]，X为发送码字；

402)目的节点的最大似然译码器写成：

其中和表示由估计值和构成的空间调制矩阵及发送符号矩阵；

令

接收端相干解调时成对错误概率的chernoff界是：

其中，是两个不同的符号向量，分别为经过空间调制矩阵S和满分集矩阵G产生的发送符号矩阵，γ为信道自相关函数矩阵，由于各信道为独立衰落信道，γ表示为

从(8)式可得，分集增益取决于的秩及γ是否为满秩；由式(9)知γ为满秩，则分集增益取决于的秩；

对于任意的发送码字，定义分集积为：

根据满分集矩阵的性质，只要是两个不同的符号向量，就可保证由生成的矩阵之差满秩，即秩为2，证明通过满分集处理，所获得的发送码字能够获得2阶发射分集。