CN106982086B - 一种基于收发天线选择的空间调制方法 - Google Patents

一种基于收发天线选择的空间调制方法 Download PDF

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CN106982086B CN201710195203.4A CN201710195203A CN106982086B CN 106982086 B CN106982086 B CN 106982086B CN 201710195203 A CN201710195203 A CN 201710195203A CN 106982086 B CN106982086 B CN 106982086B
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    • H04B7/068—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission using space frequency diversity

Abstract

本发明属于数字无线通信领域，公开了一种新的空间调制(SM)传输方法，即基于收发天线选择的空间调制(TRSM)。在发送端，首先把码字比特划分为两部分，一部分码字比特经过幅度相位调制(AMP)映射成调制星座符号，另一部分码字比特经过空间调制器映射成收发天线的索引号，接着根据收发天线的索引号，设计要发送的空间调制信号向量。本发明集成了发送天线选择的空间调制(TSM)和接收天线选择的空间调制(RSM)，这样既可以通过发送天线的索引号携带信息，又可以通过接收天线索引号来携带信息。与传统的TSM和RSM方法相比，提出的TRSM方法具有更高的谱效率，且具有较低的错误平层。此外，在接收端，为了降低译码复杂度，我们还提出了相应的次优软检测算法。

Description

一种基于收发天线选择的空间调制方法
技术领域
本发明属于数字无线通信领域，特别涉及一种多天线传输方法，即基于收发天线选择的空间调制。
背景技术
多天线(MIMO)技术指无线通信的发射端和接收端均采用多根天线的无线传输技术，可以使通信系统获得更高的谱效率以提升传输性能。空间调制(SM)是一种实用的多天线技术，其基本思想是：传输的信息比特一部分可以映射为传统的幅度相位调制(APM)星座符号，另一部分信息比特映射成空间天线的索引号，使得天线也具备承载信息比特的能力。目前存在的空间调制技术，可以分为两大类：发送端天线选择的空间调制(TSM)和接收端天线选择的空间调制(RSM)。TSM技术只在发送端通过激活发送天线来携带信息，而RSM可以使用预编码技术，通过激活接收天线来携带信息。以上的这两种空间调制技术都减少了信道间的干扰，进而提高了通信系统的可靠性。然而，以上这两类方法存在的主要缺点是：仅能单边地激活天线，即只能激活发射天线或者接收天线，而不能同时激活收发两端的天线，这会使得系统整体的频谱效率降低。
发明内容
为解决上述频谱效率低的问题，本发明同时利用了发射天线的索引号和接收天线的索引号来携带信息，提出了一种基于收发天线选择的空间调制(TRSM)方法。该方法配置的发射天线个数为MT，接收天线的个数为MR，其中MT与MR均为大于1的整数，并且满足MT≥MR。第i(1≤i≤MT)根发射天线传输到第j(1≤j≤MR)根接收天线所对应的信道系数为hj,i，传输的无线信道矩阵
Figure GDA0002497141540000011
的每个元素由信道系数hj,i组成，并且在发送端和接收端都是已知的。接收到信号向量为
Figure GDA0002497141540000012
即y＝Hx+z，其中
Figure GDA0002497141540000013
表示发送向量，
Figure GDA0002497141540000014
是加性高斯白噪声向量，z的每个元素独立同分布的，并且服从
Figure GDA0002497141540000015
该方法包括发射机与接收机信号处理过程，发射机信号处理过程包括以下步骤：
(1.1)发射机每次发送长度为N的编码或者非编码比特序列
Figure GDA0002497141540000016
Figure GDA0002497141540000017
为N维二元有限域集合，N是正整数；把比特流c划分为两部分c＝{cs,ca}，N＝Ns+Na，其中比特流cs的长度为Ns，比特流ca的长度为
Figure GDA0002497141540000021
符号
Figure GDA0002497141540000022
表示向下取整。
(1.2)比特流cs进入幅度相位调制器进行调制，即得到映射后的调制星座点符号
Figure GDA0002497141540000023
Figure GDA0002497141540000024
表示映射关系
Figure GDA0002497141540000025
其中
Figure GDA0002497141540000026
表示调制星座符号集合
Figure GDA0002497141540000027
Figure GDA0002497141540000028
为复数域集合，集合
Figure GDA0002497141540000029
的大小表示为
Figure GDA00024971415400000210
比特流ca进入空间调制器，得到映射后的空间调制符号
Figure GDA00024971415400000211
Figure GDA00024971415400000212
表示映射关系
Figure GDA00024971415400000213
其中
Figure GDA00024971415400000214
结合以上两种映射，我们可以得到整体的符号映射关系
Figure GDA00024971415400000215
(1.3)根据上述映射关系，发射机产生发送的空间调制信号向量
Figure GDA00024971415400000216
其中，Ii是大小MT的单位矩阵的第i列，表示选择第i根发射天线的索引号来携带信息，
Figure GDA00024971415400000217
是矩阵
Figure GDA00024971415400000218
的第j列，表示选择第j根接收天线的索引号来携带信息，其中
Figure GDA00024971415400000219
β是归一化因子。
接收机信号处理过程包括以下步骤：
(2.1)对ca所有可能取值，计算
Figure GDA00024971415400000220
和y之间的相关度，即
Figure GDA00024971415400000221
其中，
Figure GDA00024971415400000222
Figure GDA00024971415400000223
Hi表示矩阵H的第i列，Ij表示大小为MR的单位阵的第j列；把相关度由大到小进行排序，取前L个对应的ca的值，构成备选的天线集合
Figure GDA00024971415400000224
计算‘信号’概率
Figure GDA00024971415400000225
同时，对所得信号概率值由大到小进行排序，取前L个对应的cs的值，构成备选的星座点集合
Figure GDA00024971415400000226
Figure GDA00024971415400000227
计算‘天线’概率
Figure GDA00024971415400000228
计算空间调制信号概率，P(ca,cs)≈P(ca)P(cs)；
(2.2)最后，若发送的是编码序列，则把检测出的概率P(ca,cs)送到译码器进行译码，否则直接进行判决。
上述空间调制信号概率的计算还可以是如下方法步骤：
接收机接收到的信号向量
Figure GDA00024971415400000229
使用最优的最大似然检测算法，遍历向量
Figure GDA00024971415400000230
计算空间调制(TRSM)信号的概率
Figure GDA0002497141540000031
得到似然函数。
本发明结合了发送天线选择的空间调制(TSM)和接收天线选择的空间调制(RSM)，这样既可以通过发送天线的索引号携带信息，又可以通过接收天线索引号来携带信息。与TSM和RSM方案相比，提出的TRSM方案具有更高的谱效率，且具有较低的错误平层。此外，为了降低复杂度，我们还提出了相应的次优软检测算法。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细叙述。
附图说明
图1为收发两端空间调制(TRSM)系统示意图。
图2为收发两端空间调制(TRSM)、发送端空间调制(TSM)和接收端空间调制(RSM)系统的互信息性能图。
图3为收发两端空间调制(TRSM)发送端空间调制(TSM)和接收端空间调制(RSM)系统的误比特率(BER)性能图。
具体实施方式
实施例1
本实施例配置的发射天线个数为MT＝8，接收天线的个数为MR＝4。第i(1≤i≤MT)根发射天线传输到第j(1≤j≤MR)根接收天线所对应的信道系数为hj,i，传输的无线信道矩阵
Figure GDA0002497141540000032
的每个元素由信道系数hj,i组成，并且在发送端和接收端都是已知的。接收到信号向量为
Figure GDA0002497141540000033
即y＝Hx+z，其中
Figure GDA0002497141540000034
表示发送向量，
Figure GDA0002497141540000035
是加性高斯白噪声向量，z的每个元素独立同分布的，并且服从
Figure GDA0002497141540000036
该方法包括发射机与接收机信号处理过程，发射机信号处理过程包括以下步骤：
(1.1)发射机每次发送长度为N＝8的非编码比特序列
Figure GDA0002497141540000037
Figure GDA0002497141540000038
表示N维二元有限域集合；把比特流c划分为两部分c＝{cs,ca}，N＝Ns+Na，比特流cs的长度为Ns＝3，比特流ca的长度为
Figure GDA0002497141540000039
符号
Figure GDA00024971415400000310
表示向下取整；
(1.2)比特流cs进入幅度相位调制器进行调制，即得到映射后的调制星座点符号
Figure GDA00024971415400000311
Figure GDA00024971415400000312
表示映射关系
Figure GDA00024971415400000313
其中
Figure GDA00024971415400000314
表示调制星座符号集合
Figure GDA00024971415400000315
Figure GDA00024971415400000316
为复数域集合，集合
Figure GDA00024971415400000317
的大小表示为
Figure GDA00024971415400000318
比特流ca进入空间调制器，得到映射后的空间调制符号
Figure GDA0002497141540000041
Figure GDA0002497141540000042
表示映射关系
Figure GDA0002497141540000043
其中
Figure GDA0002497141540000044
结合以上两种映射，我们可以得到整体的符号映射关系
Figure GDA0002497141540000045
(1.3)根据上述映射关系，发射机产生发送的空间调制信号向量
Figure GDA0002497141540000046
其中，Ii是大小MT的单位矩阵的第i列，表示选择第i根发射天线的索引号来携带信息，
Figure GDA0002497141540000047
是矩阵
Figure GDA0002497141540000048
的第j列，表示选择第j根接收天线的索引号来携带信息，其中
Figure GDA0002497141540000049
β是归一化因子。
接收机信号处理过程：
(2.1)接收机接收到的信号向量
Figure GDA00024971415400000410
使用最优的最大似然检测算法，遍历向量
Figure GDA00024971415400000411
计算空间调制(TRSM)信号的概率
Figure GDA00024971415400000412
得到似然函数；
(2.2)把检测出的概率P(c)直接进行判决。
仿真结果见图2，我们可以看出，在非编码系统中，使用最优检测算法，TRSM的性能要优于TSM和RSM。此外，上述过程所得似然函数可以用来计算互信息，而互信息可对系统的频谱效率进行度量。图3给出了TRSM、TSM和RSM系统的互信息曲线。我们可以看到，在SNR很宽的范围内，TRSM都比TSM和RSM获得更高的频谱效率。例如当SNR＝10dB时，我们可以观察到TRSM、TSM和RSM的频谱效率分别可以达到7.8bits/channel-use、7.2bits/channel-use和7.0bits/channel-use。
实施例2
本实施例配置的发射天线个数为MT＝8，接收天线的个数为MR＝4。第i(1≤i≤MT)根发射天线传输到第j(1≤j≤MR)根接收天线所对应的信道系数为hj,i，传输的无线信道矩阵
Figure GDA00024971415400000413
的每个元素由信道系数hj,i组成，并且在发送端和接收端都是已知的。接收到信号向量为
Figure GDA00024971415400000414
即y＝Hx+z，其中
Figure GDA00024971415400000415
表示发送向量，
Figure GDA00024971415400000416
是加性高斯白噪声向量，z的每个元素独立同分布的，并且服从
Figure GDA00024971415400000417
该方法包括发射机与接收机信号处理过程，发射机信号处理过程包括以下步骤：
(1.1)发射机每次发送长度为N＝8的编码比特序列
Figure GDA0002497141540000051
Figure GDA0002497141540000052
表示N维二元有限域集合；把比特流c划分为两部分c＝{cs,ca}，N＝Ns+Na，比特流cs的长度为Ns＝3，比特流ca的长度为
Figure GDA0002497141540000053
符号
Figure GDA0002497141540000054
表示向下取整；
(1.2)比特流cs进入幅度相位调制器进行调制，即得到映射后的调制星座点符号
Figure GDA0002497141540000055
Figure GDA0002497141540000056
表示映射关系
Figure GDA0002497141540000057
其中
Figure GDA0002497141540000058
表示调制星座符号集合
Figure GDA0002497141540000059
Figure GDA00024971415400000510
为复数域集合，集合
Figure GDA00024971415400000511
大小表示为
Figure GDA00024971415400000512
比特流ca进入空间调制器，得到映射后的空间调制符号
Figure GDA00024971415400000513
Figure GDA00024971415400000514
表示映射关系
Figure GDA00024971415400000515
其中
Figure GDA00024971415400000516
结合以上两种映射，我们可以得到整体的符号映射关系
Figure GDA00024971415400000517
(1.3)根据上述映射关系，发射机产生发送的空间调制信号向量
Figure GDA00024971415400000518
其中，Ii是大小MT的单位矩阵的第i列，表示选择第i根发射天线的索引号来携带信息，
Figure GDA00024971415400000519
是矩阵
Figure GDA00024971415400000520
的第j列，表示选择第j根接收天线的索引号来携带信息，其中
Figure GDA00024971415400000521
β是归一化因子。
接收机信号处理过程：
2.1)对ca所有可能取值，计算
Figure GDA00024971415400000522
和y之间的相关度，即
Figure GDA00024971415400000523
其中，
Figure GDA00024971415400000524
Figure GDA00024971415400000525
Hi表示矩阵H的第i列，Ij表示大小为MR的单位阵的第j列；把相关度由大到小进行排序，取前L个对应的ca的值，构成备选的天线集合
Figure GDA00024971415400000526
计算‘信号’概率
Figure GDA00024971415400000527
同时，对所得信号概率值由大到小进行排序，取前L个对应的cs的值，构成备选的星座点集合
Figure GDA00024971415400000528
Figure GDA00024971415400000529
计算‘天线’概率
Figure GDA00024971415400000530
计算空间调制信号概率，P(ca,cs)≈P(ca)P(cs)；
(2.2)把检测出的概率P(ca,cs)送到译码器进行马尔科夫叠加传输(BMST)滑窗译码。
仿真结果见图2，我们使用单奇偶校验码[40,39]140、[10,9]608和[8,7]780作为马尔科夫叠加传输(BMST)的基本码，分别构造了BMST-TRSM、BMST-TSM和BMST-RSM系统。从图3中，我们可以看出，在编码系统中，使用最优的检测算法，BMST-TRSM要优于BMST-TSM和BMST-RSM。在低SNR时，使用最优检测算法的BMST-TSM和BMST-RSM要比使用次优检测算法的BMST-TRSM好，但是BMST-TRSM系统比BMST-RSM有更低的错误平层。在BER＝10-5时，使用最优检测的BMST-TRSM系统的性能离香农限有1.2dB，使用次优检测的BMST-TRSM系统相对于最优检测的系统有约2.0dB的性能损失。另外，在高SNR时，BER性能可以通过下界来预测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更已经等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于收发天线选择的空间调制方法，该方法配置的发射天线个数为MT，接收天线的个数为MR，其中MT与MR均为大于1的整数，并且满足MT≥MR，第i根发射天线传输到第j根接收天线所对应的信道系数为hj,i，其中1≤i≤MT，1≤j≤MR；传输的无线信道矩阵
Figure FDA0002497141530000011
的每个元素由信道系数hj,i组成，并且在发送端和接收端都是已知的；接收到信号向量为
Figure FDA0002497141530000012
即y＝Hx+z，其中
Figure FDA0002497141530000013
表示发送向量，
Figure FDA0002497141530000014
是加性高斯白噪声向量，z的每个元素独立同分布的，并且服从
Figure FDA0002497141530000015
该方法包括发射机与接收机信号处理过程，发射机信号处理过程包括以下步骤：
(1.1)发射机每次发送长度为N的编码或者非编码比特序列
Figure FDA0002497141530000016
其中
Figure FDA0002497141530000017
为N维二元有限域集合，N是正整数；把比特流c划分为两部分c＝{cs,ca}，N＝Ns+Na，其中比特流cs的长度为Ns，比特流ca的长度为
Figure FDA0002497141530000018
符号
Figure FDA0002497141530000019
表示向下取整；
(1.2)比特流cs进入幅度相位调制器进行调制，即得到映射后的调制星座点符号
Figure FDA00024971415300000110
Figure FDA00024971415300000111
表示映射关系
Figure FDA00024971415300000112
其中
Figure FDA00024971415300000113
表示调制星座符号集合
Figure FDA00024971415300000114
Figure FDA00024971415300000115
为复数域集合，集合
Figure FDA00024971415300000116
的大小表示为
Figure FDA00024971415300000117
比特流ca进入空间调制器，得到映射后的空间调制符号(i,j)，该映射关系表示为
Figure FDA00024971415300000118
其中
Figure FDA00024971415300000119
结合以上两种映射，得到整体的符号映射关系
Figure FDA00024971415300000120
(1.3)根据上述映射关系，发射机产生发送的空间调制信号向量
Figure FDA00024971415300000121
其中，Ii是大小MT的单位矩阵的第i列，表示选择第i根发射天线的索引号来携带信息，
Figure FDA00024971415300000122
是矩阵
Figure FDA00024971415300000123
的第j列，表示选择第j根接收天线的索引号来携带信息，其中
Figure FDA00024971415300000124
β是归一化因子；
接收机信号处理过程中，包括以下步骤：
(2.1)对ca所有可能取值，计算
Figure FDA00024971415300000125
和y之间的相关度，即
Figure FDA00024971415300000126
其中，
Figure FDA00024971415300000127
Figure FDA00024971415300000128
Hi表示矩阵H的第i列，Ij表示大小为MR的单位阵的第j列；把相关度由大到小进行排序，取前L个对应的ca的值，构成备选的天线集合
Figure FDA0002497141530000021
计算‘信号’概率
Figure FDA0002497141530000022
同时，对所得信号概率值由大到小进行排序，取前L个对应的cs的值，构成备选的星座点集合
Figure FDA0002497141530000023
Figure FDA0002497141530000024
计算‘天线’概率
Figure FDA0002497141530000025
计算空间调制信号概率，P(ca,cs)≈P(ca)P(cs)；
(2.2)若发送的是编码序列，则把检测出的概率P(ca,cs)送到译码器进行译码，否则直接进行判决。
2.根据权利要求1所述的一种基于收发天线选择的空间调制方法，其特征在于步骤(1.2)所述的发射机信号处理过程中，比特流cs映射成任意调制星座点
Figure FDA0002497141530000026
比特流ca映射成发射天线及接收天线的索引号(i,j)，下标i表示选择第i根发射天线的索引号来携带信息，下标j表示选择第j根接收天线的索引号来携带信息，进而产生空间调制信号向量x。
3.根据权利要求1所述的一种基于收发天线选择的空间调制方法，其特征在于步骤(1.3)所述的发射机信号处理过程中，矩阵
Figure FDA0002497141530000027
是矩阵H的伪逆。
4.根据权利要求1所述的一种基于收发天线选择的空间调制方法，其特征在于步骤(2.1)所述的接收机信号处理过程中，参数L灵活选择，实现性能与复杂度的折中。
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