CN107493122A - 一种空间调制传输方法和设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种空间调制传输方法，该方法包括：从N_t根发射天线中选择M根发射天线，其中，0≤M≤N_t；所述M是2的幂次方，对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射；如果M＜N_t，将除所述M根发射天线之外的N_t‑M根发射天线所承载的数据分别与所述M根发射天线中的min{M,(N_t‑M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码；发送编码后的数据。本申请还公开了一种空间调制传输设备。应用本申请公开的技术方案，能够突破传统系统发射天线数量的2幂次方约束，支持灵活的天线配置，并有效的提升系统的性能。

Description

一种空间调制传输方法和设备

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体来说，涉及一种空间调制传输方法和设备。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation，SM)技术是近年来提出的一种新的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)传输技术，该技术也可以看作一种利用天线资源的新型调制技术。该技术的基本原理是：通过激活不同的发射天线，将激活天线的索引值用于调制比特信息。空间调制的每个时隙只有一根天线被激活，因而能够有效地避免传统MIMO系统中的多天线干扰和发射天线间同步的问题，并降低了MIMO系统的实现成本。该技术引起了业界的广泛关注。

空间调制与传统的空时编码(Space Time Block Coding,STBC)和空间复用技术的区别是：在SM中，一部分信息隐含在激活天线的选取中，激活的发射天线的序号作为一种信息调制方式存在。此外，与传统的幅度相位调制(Amplitude Phase Modulation,APM)相比，SM引入了新的空间维度，是一种多维的调制方式。但是，空间调制也继承了传统调制方式的限制：发射天线的数量必须为2的幂次方，如2、4、8、16…….等，不能支持灵活数量的天线配置。因此，需要设计新的调制方法以支持灵活的天线配置。此外，在天线数量满足2的幂次方时，也需要提供新的改进方案以提升其误码率性能。图1、图2分别为传统SM系统框图以及空间调制映射表。图2所示映射表中，发射天线数为4，调制方式为二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)。

发明内容

本申请提供了。针对上述问题，本发明提供了一种适用于任意发射天线的增强型空间调制传输方法和设备，以突破传统系统发射天线数量的2幂次方约束，支持灵活的天线配置。

本申请公开了一种空间调制传输方法，该方法包括：

从N_t根发射天线中选择M根发射天线，其中，0≤M≤N_t；

所述M是2的幂次方，对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射；

如果M＜N_t，将除所述M根发射天线之外的N_t-M根发射天线所承载的数据分别与所述M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码；

发送编码后的数据。

较佳的，如果M不是2的幂次方，则对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射，并从所述M根发射天线中选择K-M根发射天线，对所述K-M根发射天线所承载的数据进行旋转角度为θ的空间调制映射，其中，K为大于M的最小的2的幂次方，

较佳的，该方法还包括：对所述N_t根发射天线进行功率分配。

较佳的，对所述N_t根发射天线进行功率分配包括：

对所述N_t根发射天线采用等功率分配的方式进行功率分配；

或者，对所述N_t根发射天线采用设定的功率分配因子进行功率分配。

较佳的，该方法还包括：接收信道反馈信息，根据信道反馈信息设定所述功率分配因子。

本申请还公开了一种空间调制传输设备，包括：N_t根发射天线、调制模块和空时编码模块，其中：

所述调制模块，用于从N_t根发射天线中选择M根发射天线，其中，0≤M≤N_t；所述M是2的幂次方，所述调制模块对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射；

所述空时编码模块用于判断M和N_t的大小，如果M＜N_t，则将除所述M根发射天线之外的N_t-M根发射天线所承载的数据分别与所述M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码；

所述N_t根发射天线用于发送编码后的数据。

较佳的，如果M不是2的幂次方，则调制模块对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射，并从所述M根发射天线中选择K-M根发射天线，对所述K-M根发射天线所承载的数据进行旋转角度为θ的空间调制映射，其中，K为大于M的最小的2的幂次方，

较佳的，该设备还包括：功率分配模块，其中：

所述功率分配模块，用于对所述N_t根发射天线进行功率分配。

较佳的，所述功率分配模块用于对所述N_t根发射天线采用等功率分配的方式进行功率分配，或者，对所述N_t根发射天线采用预设的功率分配因子进行功率分配。

较佳的，所述功率分配模块，还用于根据接收到的信道反馈信息设定所述功率分配因子。

由上述技术方案可见，在发射天线数量满足2的幂次方的前提下，本发明提出将系统的天线资源分为两部分，一部分用于本发明改进的空间调制映射，另一部分用于空时编码以提供分集增益，空间分集能够降低误码率。采用本发明，能够有效的提升系统的性能。

此外，本申请提供的方案突破了传统空间调制对于天线数量的2的幂次方制约，当发射天线数量低于2的幂次方时，本发明提出一种新的预处理方案，能够通过角度旋转的方式，保证足够的调制图案数量，从而在发射天线数量小于传统技术的前提下达到与传统技术相近的性能。

附图说明

图1为传统SM系统框图；

图2为空间调制映射表；

图3为本发明空时编码辅助的空间调制系统框图；

图4为本申请实施例一中传统SM与本申请方法的BER性能对比示意图；

图5为本申请实施例二中BPSK调制下传统SM与专利所提系统BER性能对比示意图；

图6为本申请实施例二中QPSK调制下传统SM与专利所提系统BER性能对比示意图；

图7为本申请实施例三中传统SM与本申请方法的BER性能对比示意图；

图8为本申请一较佳空间调制传输设备的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

本发明基于传统的空间调制系统，提出一种基于预处理和空时编码辅助的新型空间调制传输方案，旨在突破传统系统发射天线数量的2幂次方约束，支持灵活的天线配置；此外，还进一步提出利用多余的天线进行空时编码辅助以得到额外的分集增益，提升系统的误码率性能。

图3所示为本发明的基本框图。参见图3，假设MIMO系统有N_t根发射天线和N_r根接收天线，选取N_t根发射天线中的任意M(0≤M≤N_t)根发射天线进行空间调制,剩余的(N_t-M)根天线用于空时编码。需要指出的是，当M＝N_t时，所有天线将用于空间调制；当M＝0时，所有的发射天线将用于空时编码。具体来说，分为两种情况：

情况1：若M是2的幂次方，则对所述M根天线所承载的数据进行传统空间调制映射，将剩余的(N_t-M)根发射天线所承载的数据分别与所述M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码。最后，对N_t根发射天线重新进行功率分配，并送达发射机发送。

情况2：若M不是2的幂次方，则为了进行传统空间调制映射，假设大于M的最小的2的幂次方为K，需要再引入(K-M)个天线索引，从M根发射天线中选择(K-M)根天线进行重复利用，即M根天线对应K个天线索引，将K个天线索引用于空间调制映射。对于重复利用的天线，较佳的，可以采用星座点旋转的方法将比特信息区分开来，而剩余的(N_t-M)根天线所承载的数据分别与M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根天线所承载的数据进行空时编码。最后，对N_t根发射天线重新进行功率分配，并送达发射机发送。具体来说，情况2包括如下几个步骤：

步骤1：首先，将选取的M根发射天线的索引分别对应0到(M-1)的二进制编码，并将从M根发射天线中随机选取的(K-M)根发射天线的索引分别对应M到(K-1)的二进制编码，共K个天线索引M根天线。

步骤2：假设系统采用多进制数字相位调制(multiple phase shift keying，MPSK)的调制方式，则天线索引对应0到(M-1)的二进制编码的M根发射天线所承载的数据采用MPSK调制，而天线索引对应M到(K-1)的二进制编码的(K-M)根发射天线所承载的数据采用旋转角度为θ的MPSK调制，较佳的，可以选择星座最小夹角的一半作为所述θ的取值，此时，能够达到最好的性能。

更直观的来说，对于由所述M根发射天线承载的数据而言，若索引比特为区间0到(M-1)的二进制编码，则采用MPSK进行调制，若索引比特为区间M到(K-1)的二进制编码，即对应的发射天线为重复利用的天线，则对MPSK调制所得的星座点乘以旋转因子e^jθ。

步骤3：将余下的(N_t-M)根发射天线分别与M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码。

步骤4：假设每根发射天线的分配的功率分别为p_i(i＝1,2,...,N_t)且对N_t根发射天线所携带的数据分别乘以功率因子p_i(i＝1,2,...,N_t)，再送达发射机发送。

从而，总的信息比特仍然分成两部分，一部分仍然用于选择发射天线单元，其比特数为log₂K，另一部分用于选择APM(幅度相位调制)星座符号，其比特数为log₂M，则该系统的传输速率m为：

m＝log₂K+log₂M(比特/符号)

需要说明的是，上述情况1和情况2是两个相互独立的技术方案，在实际应用中，可以分别独立运用。

本发明所提出的技术方案不仅能够适用于单载波的调制方案，也能够适用于基于OFDM的多载波调制方案(包括SC-FDMA等)。

下面通过三个较佳实施例对本申请技术方案进行进一步详细说明。需要说明的是：本发明所选取的M根发射天线是从N_t根发射天线中任意选取的，在以下实施例中，仅以选取前M根发射天线为例进行说明。

实施例一：

假设空间调制系统有N_t＝M＝3根发射天线，N_r＝1接收天线，三根发射天线对应的索引分别为{1,2,3}，即此时所有的发射天线均用于空间调制。本实施例包括以下步骤：

步骤1：从前M＝3根发射天线即索引值为{1,2,3}的发射天线中，任选1根发射天线作为重复利用的发射天线，不失一般性，假设重复利用的天线索引i为第1根发射天线即i＝1，则进行空间调制映射的发射天线序号为{1,2,3,“1”}，共K＝4个索引对应3根天线，分别对应索引比特00,01,10,11。

步骤2：对这3根发射天线4个天线索引所携带的比特数据进行传统空间调制映射，为了将重复利用的第1根发射天线携带的信息区分开来，对于前3根天线的比特信息采用4-QAM(正交振幅调制)，天线索引为“1”的第“4”根天线传输的比特信息采用星座点旋转45度的4-QAM调制，即在4-QAM调制后的星座点乘以相位因子并进行传统空间调制映射，则这一帧符号为3×10的数据块。

步骤3：对4根发射天线上的发送数据进行功率分配，即分别乘以功率因子p_i,(i＝1,2,3)且并送至发射机进行发送，本实施例中采用等功率分配。

步骤4：经过信道衰落和噪声干扰，接收端通过最大似然准则检测恢复出发送信号。

本实施例的仿真结果如图4所示，从仿真结果不难看出，本申请在发射天线数数量少于传统系统的情况下，能达到与传统SM系统相同的传输效率及误码率(BER)性能，从而更高效的利用了空间资源。

实施例二：

假设空间调制系统有N_t＝4根发射天线，N_r＝1根接收天线，四根发射天线对应的索引分别为{1,2,3,4}。本实施例包括以下步骤：

步骤1：从前M＝3(0＜M＜N_t)根发射天线即索引值为{1,2,3}的发射天线中，任选1根发射天线作为重复利用的发射天线，不失一般性，假设重复利用的天线索引i为第1根发射天线即i＝1，则进行空间调制映射的发射天线序号为{1,2,3,“1”}，共K＝4个索引3根天线，分别对应索引比特00,01,10,11。

步骤2：对这3根发射天线4个天线索引所携带的比特数据进行传统空间调制映射，为了将重复利用的第1根发射天线携带的信息区分开来，对于前3根天线的比特信息采用BPSK/QPSK，天线索引为“1”的第“4”根天线传输的比特信息采用星座点旋转90度的BPSK，或采用星座点旋转45度的QPSK调制，即在QPSK调制后的星座点乘以相位因子在BPSK调制后的星座点乘以相位因子并进行传统空间调制映射，则这一帧符号为3×10的数据块。

步骤3：将发射端的第3根(这里以第3根为例，进行举例说明)发射天线上每相邻两个时隙的符号进行空时编码得到第4根发射天线的发送符号，则这一帧符号为4×10的数据块。

步骤4：对4根发射天线上的发送数据进行功率分配，即分别乘以功率因子p_i,(i＝1,2,3,4)且并送至发射机进行发送，本实施例中采用等功率分配。

步骤5：经过信道衰落和噪声干扰，接收端通过最大似然准则检测恢复出发送信号。

本实施例的仿真结果如图5和图6所示，从仿真结果可以看出，本申请在发射天线数满足2的幂次方的情况下，一部分发射天线用于本发明改进的空间调制映射，另一部分发射天线用于空时编码以提供分集增益，因此在同样的天线资源前提下，BER性能优于传统SM系统。

实施例三：

假设MIMO系统有N_t＝4根发射天线，N_r＝1根接收天线，四根发射天线对应的索引分别为{1,2,3,4}。本实施例包括以下步骤：

步骤1：从前M＝3(0＜M＜N_t)根发射天线即索引值为{1,2,3}的发射天线中，任选1根天线作为重复利用的发射天线，不失一般性，假设重复利用的天线索引i为第1根发射天线即i＝1，则进行空间调制映射的发射天线序号为{1,2,3,“1”}，共K＝4个索引3根天线，分别对应索引比特00,01,10,11。

步骤2：对这3根发射天线4个天线索引所携带的比特数据进行传统空间调制映射，为了将重复利用的第1根发射天线携带的信息区分开来，对于前3根天线的比特信息采用QPSK，天线索引为“1”的第“4”根天线传输的比特信息采用星座点旋转45度的QPSK调制，即在QPSK调制后的星座点乘以相位因子并进行传统空间调制映射,则这一帧符号为3×10的数据块。

步骤3：将发射端的第3根天线上每相邻两个时隙的符号进行空时编码得到第4根天线的发送符号，则这一帧符号为4×10的数据块。

步骤4：对4根发射天线上的发送数据进行功率分配，即分别乘以功率因子p_i,(i＝1,2,3,4)且并送至发射机进行发送，本实施例中采用预设的功率分配因子在接收端有信道反馈的情况下，也可以接收信道反馈信息，并根据信道反馈信息设定所述功率分配因子，从而实现根据信道反馈信息进行功率分配的调整。

步骤5：经过信道衰落和噪声干扰，接收端通过最大似然准则检测恢复出发送信号。

本实施例的仿真结果如图7所示，从仿真结果可以看出，本申请在发射天线数满足2的幂次方的情况下，一部分发射天线用于本发明改进的空间调制映射，另一部分发射天线用于空时编码以提供分集增益，并且，采用预设的功率分配比等功率分配的方法(例如：实施例一和实施例二)以及传统SM系统的BER性能更优，进一步提升了系统性能。

对应于上述方法，本申请还公开了一种空间调制传输设备，包括：N_t根发射天线和调制模块，其中：

所述调制模块，用于从N_t根发射天线中选择M根发射天线，其中，0≤M≤N_t；

如果M是2的幂次方，则调制模块对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射；

如果M不是2的幂次方，则调制模块对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射，并从所述M根发射天线中选择K-M根发射天线，对所述K-M根发射天线所承载的数据进行旋转角度为θ的空间调制映射，其中，K为大于M的最小的2的幂次方，

较佳的，该设备还包括：空时编码模块，其中：

所述空时编码模块用于判断M和N_t的大小，如果M＜N_t，则将除所述M根发射天线之外的N_t-M根发射天线所承载的数据分别与所述M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码。

较佳的，该设备还包括：功率分配模块，其中：

所述功率分配模块，用于对所述N_t根发射天线重新进行功率分配。

较佳的，所述功率分配模块用于对所述N_t根发射天线采用等功率分配的方式进行功率分配；或者，对所述N_t根发射天线采用预设的功率分配因子进行功率分配。

较佳的，所述功率分配模块还用于根据接收到的信道反馈信息设定所述功率分配因子。

本发明提供的基于预处理和空时编码辅助的空间调制传输方法，不仅打破了传统空间调制系统传输天线为2的幂次方的局限，保持了传统空间调制系统的单射频链路及其带来的优势，也有空时编码带来的分集增益，从而相比传统空间调制系统，在相同信噪比条件下，新型空时编码辅助的空间调制系统误码性能更好。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种空间调制传输方法，其特征在于，该方法包括：

从N_t根发射天线中选择M根发射天线，其中，0≤M≤N_t；

所述M是2的幂次方，对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射；

如果M＜N_t，将除所述M根发射天线之外的N_t-M根发射天线所承载的数据分别与所述M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码；

发送编码后的数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

如果M不是2的幂次方，则对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射，并从所述M根发射天线中选择K-M根发射天线，对所述K-M根发射天线所承载的数据进行旋转角度为θ的空间调制映射，其中，K为大于M的最小的2的幂次方，

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

该方法还包括：对所述N_t根发射天线进行功率分配。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

对所述N_t根发射天线进行功率分配包括：

对所述N_t根发射天线采用等功率分配的方式进行功率分配；

或者，对所述N_t根发射天线采用设定的功率分配因子进行功率分配。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

该方法还包括：接收信道反馈信息，根据信道反馈信息设定所述功率分配因子。

6.一种空间调制传输设备，其特征在于，包括：N_t根发射天线、调制模块和空时编码模块，其中：

所述调制模块，用于从N_t根发射天线中选择M根发射天线，其中，0≤M≤N_t；所述M是2的幂次方，所述调制模块对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射；

所述空时编码模块用于判断M和N_t的大小，如果M＜N_t，则将除所述M根发射天线之外的N_t-M根发射天线所承载的数据分别与所述M根发射天线中的min{M,(N_t-M)}根发射天线所承载的数据进行空时编码；

所述N_t根发射天线用于发送编码后的数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

如果M不是2的幂次方，则调制模块对所述M根发射天线所承载的数据进行空间调制映射，并从所述M根发射天线中选择K-M根发射天线，对所述K-M根发射天线所承载的数据进行旋转角度为θ的空间调制映射，其中，K为大于M的最小的2的幂次方，

8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，该设备还包括：功率分配模块，其中：

所述功率分配模块，用于对所述N_t根发射天线进行功率分配。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：

所述功率分配模块用于对所述N_t根发射天线采用等功率分配的方式进行功率分配，或者，对所述N_t根发射天线采用预设的功率分配因子进行功率分配。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：

所述功率分配模块，还用于根据接收到的信道反馈信息设定所述功率分配因子。