CN108173582B - 一种基于收发联合样式的空间调制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于收发联合样式的空间调制方法和系统，该方法将空间信息比特与收发联合空间样式相映射，首先发射机对发射天线的进行分组，通过不同的组发射信号，从而实现发射样式。另外，发射机通过选择预编码向量或预编码矩阵来控制接收机的接收样式，最终实现联合样式的控制。本发明提出的基于收发联合样式的空间调制方法，可以有效利用空间自由度，提高系统的传输速率。本发明不仅适用于单用户多输入多输出系统，还适用于多用户下行传输系统。

Description

一种基于收发联合样式的空间调制方法和系统

技术领域

本发明属于无线通信技术，具体涉及一种基于收发联合样式的空间调制方法和多输入多输出无线通信系统。

背景技术

多输入多输出技术可以提供空分复用增益和分集增益。利用空时编码技术，多输入多输出通信系统可以提供分集增益，来对抗信道的衰落，提高系统传输的鲁棒性。在多输入多输出无线通信系统中，利用空时分层结构，多输入多输出通信系统可以提供空分复用增益，在同一时刻发射多个数据流，提高系统的传输速率。多输入多输出技术的空分复用增益和分集增益之间有个权衡。

空间调制是另一种获得多天线增益的方式。在基于发射天线空间调制的多输入多输出系统中，发射机在同一时刻只有某一根天线或者某几个天线发射信号，天线活跃的状态称为发射模式。这样发射机通过设置不同的发射模式，实现了比特数据与天线发射模式相对应。接收机通过判断发射的模式来对数据进行解调。空间调制的发射机很简单，但是接收机的复杂度太高。为了降低接收机的复杂度，基于接收机天线样式的空间调制也得到了研究，这种空间调制方法的发射机需要知道信道状态信息，发射机通过预编码矩阵来控制接收样式。现有的研究均是独立的考虑基于发射天线样式的空间调制和基于接收天线样式的空间调制。本发明将联合考虑发射天线样式和接收天线样式，从而提高系统的传输速率。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于联合考虑空间调制中的发射样式和接收样式，提供一种基于收发联合样式的空间调制方法和系统，提高系统的传输速率。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于收发联合样式的空间调制方法，包括：

发射机将发送比特数据分成两部分，一部分按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行联合收发样式的空间调制；其中，发射机对发射天线进行分组，每组至少有两根天线，通过不同的组发射信号实现发射样式，发射机通过选择预编码向量或预编码矩阵来控制接收机的接收样式；所述发射样式定义为发射机的某一组或者某几组天线发射信号，其他组不发射信息；所述接收样式定义为接收机的某一根天线或者某几根天线上收到信息符号；所述联合收发样式为发射样式和接收样式的组合；

接收机根据接收信号估计信息符号和收发联合样式，进行空间信息解调。

作为优选，接收机根据每个接收样式相对应天线上的接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定联合收发样式，进行空间信息解调，并根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。

进一步优选，接收机根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离判断出接收样式，确定信息符号，计算误差向量，再根据误差最小准则确定发射样式，从而确定联合样式，进行空间信息解调。

进一步地，所述的一种基于收发联合样式的空间调制方法，对于多用户场景，发射机每组的发射天线数不小于所有用户总的天线数目，当发射机向指定用户发射一个数据流时，该用户与联合样式相对应的预编码向量正交于其他用户的信道向量；当发射机向指定用户发射多个数据流时，该用户与联合样式相对应的预编码矩阵正交于其他用户的信道向量。

作为优选，每个用户根据每个接收样式相对应天线上接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定联合收发样式，进行空间信息解调，并根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。

进一步优选，每个用户根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离判断出接收样式，确定信息符号，计算误差向量，再根据误差最小准则确定发射样式，从而确定联合样式，进行空间信息解调。

一种基于收发联合样式的空间调制系统，包括发射机端装置和接收机端装置；

所述发射机端装置，用于将发送比特数据分成两部分，一部分按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行联合收发样式的空间调制；其中，发射机对发射天线的进行分组，每组至少有两根天线，通过不同的组发射信号实现发射样式，发射机通过选择预编码向量或预编码矩阵来控制接收机的接收样式；所述发射样式定义为发射机的某一组或者某几组天线发射信号，其他组不发射信息；所述接收样式定义为接收机的某一根天线或者某几根天线上收到信息符号；所述联合收发样式为发射样式和接收样式的组合；

所述接收机端装置，用于根据接收信号估计信息符号和收发联合样式，进行空间信息解调。

作为优选，所述接收机端装置包括：

第一样式估计单元，用于根据每个接收样式相对应天线上的接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定联合收发样式；

第一空间解调单元，用于根据联合收发样式进行空间信息解调；

以及，第一符号估计单元，用于根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。

进一步优选，所述接收机端装置包括：

第二符号估计单元，用于根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离判断出接收样式，确定信息符号；

第二样式估计单元，用于计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式，从而确定联合样式；

以及，第二空间解调单元，用于根据联合收发样式进行空间信息解调。

有益效果：本发明提出的一种基于收发联合样式的空间调制方法，将空间信息比特与收发联合空间样式相映射，可以有效利用空间自由度，提高系统的传输速率。并且本发明提出的基于收发联合样式的空间调制方法，不仅适用于单用户多输入多输出系统，还适用于多用户下行传输系统。

附图说明

图1为本发明方法用于单用户多输入多输出空间调制系统的示意图；其中(a)为发射机端示意图，(b)为接收机端示意图。

图2为本发明方法用于多用户多输入多输出空间调制系统的示意图；其中(a)为基站(发射机)端示意图，(b)为用户k(接收机)端示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明实施例公开的一种基于收发联合样式的空间调制方法，将空间信息比特与收发联合空间样式相映射，发射机将发送比特数据分成两部分，一部分按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行联合收发样式的空间调制；其中，发射机对发射天线进行分组，每组至少有两根天线，通过不同的组发射信号实现发射样式，发射机通过选择预编码向量或预编码矩阵来控制接收机的接收样式；发射样式定义为发射机的某一组或者某几组天线发射信号，其他组不发射信息；接收样式定义为接收机的某一根天线或者某几根天线上收到信息符号；联合收发样式为发射样式和接收样式的组合；接收机根据接收信号估计信息符号和收发联合样式，进行空间信息解调。该方法不仅适用于单用户多输入多输出系统，还适用于多用户下行传输系统，可以有效利用空间自由度，提高系统的传输速率。下面分别对单用户和多用户两个场景对本发明实施例作详细说明。

本发明所涉及的多输入多输出无线通信系统，包括发射机和接收机。

场景一：单用户多输入多输出系统

如图1所示，发射机配置有n_t根天线，接收机配置有n_r根天线。从第i根发射天线到第j根接收天线的信道系数为h_j,i。接收机收到的信号向量可以表示为：

y＝Hx+w (1)

其中，H表示信道矩阵，H的第j行、第i列元素为h_j,i，x为发送的信号向量，w为噪声向量，w的元素为均值为零，方差为

的高斯随机变量。在本发明中，假设通过接收机的反馈，发射机知道信道状态信息。

在本发明中，假设n_t＝ημ，其中η和μ为正整数。将发射机的天线分成η组，每组有μ根天线，μ≥2。每次发射信号的时候，发射机选择其中的λ组天线发射信号(η≥λ≥1)。此时，发射机有

种发射样式，其中

表示组合运算。

假设发射机控制接收机的α根天线接收到信号符号，则有

种接收样式。在本发明中，我们将联合考虑发射样式和接收样式，此时总共有

种联合样式。相应的每种联合样式可以与

比特信息相映射，其中

表示向下取整操作。

接收机可以根据每个接收样式相对应天线上的接收信号确定相应的信息符号，并计算误差向量。根据误差向量，联合确定收发样式，从而可以对空间信息进行解调。根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。这里假设发射机只发射一个信息流，并且以λ＝1和α＝1为例对接收机算法进行说明。相应的发射机有η种发射样式，接收机有n_r种接收样式。每种联合样式可以与

比特信息相映射。假设发射机的第i组天线发射(对应于第i个发射样式)，并且控制接收机为第j个接收样式(接收机的第j根天线上是信息数据)，定义误差向量：

其中，H_i表示从第i组发射天线到接收机的信道矩阵，p_j,i为与第i个发射样式和第j个接收样式相对应的预编码向量，

为根据第j根天线的接收信号估计的信息符号，相应的可以采用最大似然估计方法或者最小欧式距离估计方法。那么，根据以下准则确定联合样式：

根据i和j的估计确定联合样式，从而可以对空间信息进行解调。

发送的信息符号s的估计为：

发射机也可以发射多个信息数据流。假设是第i个发射样式和第j个接收样式(接收机的其中α根天线上收到的是信息数据，α≥信息流的个数)，定义误差向量：

其中，P_j,i为与第i个发射样式和第j个接收样式相对应的预编码矩阵，

为根据与第j个接收样式相对应天线上的接收信号估计的信息符号向量。预编码矩阵可以根据破零准则或者最小均方误差准则获得。当采用破零准则时，预编码矩阵可以表示为：

其中,H_j,i从第i组发射天线到第j个接收样式相对应的接收天线的信道矩阵，(·)^H表示共轭装置，(·)^-1表示矩阵求逆。

那么，根据以下准则确定联合样式：

根据i和j的估计确定联合样式，从而可以对空间信息进行解调。发送的信息符号向量s的估计为：

为了简化计算，接收机通过判断哪些天线上接收到信息，首先判断接收出样式，确定信息符号；然后再根据误差向量确定发射样式，从而确定联合样式；最后进行空间信息解调。可以根据接收机每根天线上接收信号与星座点的距离来判断接收样式。当发射机发射一个数据流时，接收样式的判断如下：

其中||·||表示向量的模值，[·]_j表示向量的第j个元素，Ω为可能的星座点。在确定了接收样式后，定义误差向量：

再根据如下准则判断发射样式：

从而确定联合样式。此方法适用于发射多个数据流时的联合样式估计。当发射两个数据流时，假设α＝2，此时接收端的两根天线确定一个接收样式。首先判断是哪两根天线收到的是信息符号，判断准则如下：

其中Ω₁和Ω₂为可能的星座点。根据估计的

确定接收样式

在确定了接收样式后，定义误差向量：

再根据如下准则判断发射样式：

从而确定联合样式。

本发明的收发联合样式空间调制方法在单用户多输入多输出系统中的传输速率为：

其中，A为总的信息流的个数，M_a为第a个数据流上信息的调制阶数，Γ_t为发射样式数，Γ_r为接收样式数。

场景二：多用户多输入多输出系统

这里考虑下行多用户传输，即基站向多个用户同时发送不同的数据。如图2所示，基站(发射机)配置有n_t根天线，第k个用户配置有n_k根天线，总共有K个用户。从第i根发射天线到第k个用户的第j根接收天线的信道系数为h_(k,j),i。第k个用户收到的信号可以表示为：

其中，

表示基站到第k个用户的信道矩阵，

的第j行、第i列元素为h_(k,j),i，x为基站发送的信号向量，w_k为噪声向量，w_k的元素均值为零，方差为

在本发明中，假设通过接收机的反馈，基站知道每个用户的信道状态信息。

基站的发射天线数目大于

并且n_t＝ημ，其中η和μ为正整数。将发射机的天线分成η组，每组有μ根天线，并且

每次发射的时候，发射机选择其中的λ组天线发射信号。此时，发射机有

种发射样式。第k个用户配置有n_k根天线，基站通过控制预编码矩阵，使得第k个用户在同一时刻有l_k根天线接收信息数据，每个用户与联合样式相对应的预编码矩阵正交于其他用户的信道向量。第k个用户有

种接收样式。在本发明中，我们将联合考虑发射样式和接收样式，对于第k个用户，此时总共有

种联合样式，相应的每种联合样式可以与

比特信息相映射。

与场景一中处理方式类似，每个用户根据每个接收样式相对应天线上接收信号确定相应的信息符号，并计算误差向量。根据误差向量，联合确定收发样式，从而可以对空间信息进行解调。根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。这里假设发射机只发射一个信息流，并且以λ＝1和l_k＝1为例对接收机算法进行说明。第k个用户有n_kη种联合样式，每种联合样式可以与

比特信息相映射。对于第k个用户而言，假设第i_k组天线发射信息(第i_k个发射样式)，并且控制第k个用户为第j_k个接收样式(第k个用户的第j_k根天线上是信息数据)。此时接收信号可以表示为：

其中，

表示从第i_z组天线到第z个用户的信道矩阵，

为第z个用户的与(i_z,j_z)联合样式相对应的预编码向量，s_z为发送给第z个用户的信息符号。

定义误差向量：

其中，

为第k个用户根据第j_k根天线上的接收信号对s_k的估计。第k个用户根据以下准则确定联合样式：

根据i_k和j_k的估计确定联合样式，从而可以对空间信息进行解调。

发送的信息符号s_k的估计为：

对于每个用户，基站也可以发射多个信息数据流，接收算法与发射单数据流的相似。与单个信息数据流相比，当发射多个信息数据流时，基站采用预编码矩阵对多个信息数据流进行处理，接收样式对应的接收信息符号的天线数大于等于信息流的个数。对于第k个用户，假设是第i_k个发射样式和第j_k个接收样式，定义误差向量：

其中，

为与第i_k个发射样式和第j_k个接收样式相对应的预编码矩阵，

为根据与第j_k个接收样式相对应天线上的接收信号估计的信息符号向量。根据以下准则确定联合样式：

根据估计的联合样式，对空间信息进行解调。发送的信息符号向量s_k的估计为：

为了简化计算，用户k通过判断哪些天线上接收到信息，首先判断接收样式，确定信息符号；然后再确定发射样式，从而确定联合样式；最后进行空间信息解调。用户k根据接收机每根天线上接收信号与星座点的距离来判断接收样式。当发射机发射一个数据流时，并且接收样式对应于其中一根天线收到信息符号，接收样式的判断如下：

其中[·]_j表示向量的第j个元素，Ω为可能的星座点。在用户k确定了接收样式后，定义误差向量：

再根据如下准则判断发射样式：

从而确定联合样式

此方法适用于发射多个数据流时的联合样式估计。当发射两个数据流时，假设第k个用户的两根天线确定一个接收样式。对于第k个用户，首先判断是哪两根天线收到的是信息符号，判断准则如下：

其中Ω₁和Ω₂为可能的星座点。根据估计的

确定接收样式

在确定了接收样式后，定义误差向量：

再根据如下准则判断发射样式：

从而确定联合样式

在多用户多输入多输出系统中，本发明的收发联合样式空间调制方法的第k个用户的传输速率为：

其中，A_k为第k个用户总的信息流的个数，M_k,a为第k个用户在第a个数据流上信息的调制阶数，Γ_k,t为对应于第k个用户的发射样式数，Γ_k,r为第k个用户的接收样式数。

下面结合具体示例进一步说明本发明单用户收发联合样式空间调制和多用户收发联合样式空间调制。

示例1：单用户收发联合样式空间调制。假设n_t＝4，n_r＝4；发射机发射一个信息流，采用16阶正交幅度调制(quadrature amplitude modulation,QAM)。此时发射机的发射天线分为两组，每组有两根天线。发射机控制预编码矩阵，使得接收机天线的其中一根天线接收信息符号。所以，总共有2×4＝8种联合样式，每个联合样式与3比特空间信息相映射，映射关系如表一所示。

定义h_j,i表示第i组发射天线到第j根接收天线的信道向量。联合样式(i,j)对应的预编码向量为：

表一：空间信息比特与联合样式的映射关系

当空间信息比特为001，信息流为s(为16-QAM星座点)时，接收信号可以表示为：

其中，H_i表示从第i组天线到接收机的信道矩阵，w为均值为0，方差为

的噪声向量。误差向量ε_i,j为：

其中，

那么，根据以下准则确定联合样式：

基于估计的联合样式，参照表一对空间信息比特进行解映射。发送的信息符号s的估计为：

示例2：多用户收发联合样式空间调制。假设基站有8根天线，用户数K＝2，每个用户配置2根天线。基站的8根天线分为两组，每组4根天线。发给每个用户的信息流采用16QAM方式。每个用户可以使用的收发联合样式为2×2＝4种，相应的可以与2比特空间信息相映射。每个用户的空间信息比特与联合样式的映射关系如表二所示。

表二：多用户传输时空间信息比特与联合样式的映射关系

第k个用户的与(i_k,j_k)联合样式相对应的预编码向量

满足如下关系式：

其中，⊥表示垂直，span{·}表示向量张成的空间，

表示从基站的第i_k组天线到第z个用户的第l根天线的信道向量。当发送给第一个用户的空间信息比特为01，信息流为s₁；发送给第二个用户的空间信息比特为10，信息流为s₂时，第一个用户的接收信号可以表示为：

其中，

表示从第i_z组天线到第k个用户的信道矩阵，

为第k个用户的与(i_k,j_k)联合样式相对应的预编码向量，w₁为噪声向量。

定义误差向量：

对于第一个用户，根据以下准则确定联合样式：

根据i₁和j₁的估计确定联合样式，从而可以对空间信息进行解调。

发送的信息符号s₁的估计为：

用户2可以使用相同的方法对空间信息和数据流信息进行解调。

本发明实施例公开的一种基于收发联合样式的空间调制系统，包括发射机端装置和接收机端装置；其中，发射机端装置，用于将发送比特数据分成两部分，一部分按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行联合收发样式的空间调制；其中，发射机对发射天线进行分组，每组至少有两根天线，通过不同的组发射信号实现发射样式，发射机通过选择预编码向量或预编码矩阵来控制接收机的接收样式；接收机端装置，用于根据接收信号估计信息符号和收发联合样式，进行空间信息解调。

具体的，接收机端装置包括：第一样式估计单元，用于根据每个接收样式相对应天线上的接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定联合收发样式；第一空间解调单元，用于根据联合收发样式进行空间信息解调；以及，第一符号估计单元，用于根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。为简化运算，另一种可实施的方式是：接收机端装置包括：第二符号估计单元，用于根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离判断出接收样式，确定信息符号；第二样式估计单元，用于计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式，从而确定联合样式；第二空间解调单元，用于根据联合收发样式进行空间信息解调。本实施例的基于收发联合样式的空间调制系统与前述的空间调制方法属于同一发明构思，具体实施细节与上文一致，此处不再赘述。

Claims (8)

1.一种基于收发联合样式的空间调制方法，其特征在于，包括：

发射机将发送比特数据分成两部分，一部分按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行收发联合样式的空间调制；其中，发射机对发射天线进行分组，每组至少有两根天线，通过不同的组发射信号实现发射样式，发射机根据收发联合样式确定预编码向量或预编码矩阵，通过选择预编码向量或预编码矩阵来控制接收机的接收样式；所述发射样式定义为发射机的某一组或者某几组天线发射信号，其他组不发射信息；所述接收样式定义为接收机的某一根天线或者某几根天线上收到信息符号；所述收发联合样式为发射样式和接收样式的组合；对于多用户场景，发射机每组的发射天线数不小于所有用户总的天线数目，当发射机向指定用户发射一个数据流时，该用户与收发联合样式相对应的预编码向量正交于其他用户的信道向量；当发射机向指定用户发射多个数据流时，该用户与收发联合样式相对应的预编码矩阵正交于其他用户的信道向量；

接收机根据接收信号估计信息符号和收发联合样式，进行空间信息解调。

2.根据权利要求1所述的一种基于收发联合样式的空间调制方法，其特征在于，接收机根据每个接收样式相对应天线上的接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定收发联合样式，进行空间信息解调，并根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。

3.根据权利要求1所述的一种基于收发联合样式的空间调制方法，其特征在于，接收机根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离判断出接收样式，确定信息符号，计算误差向量，再根据误差最小准则确定发射样式，从而确定收发联合样式，进行空间信息解调。

4.根据权利要求1所述的一种基于收发联合样式的空间调制方法，其特征在于，每个用户根据每个接收样式相对应天线上接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定收发联合样式，进行空间信息解调，并根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。

5.根据权利要求1所述的一种基于收发联合样式的空间调制方法，其特征在于，每个用户根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离判断出接收样式，确定信息符号，计算误差向量，再根据误差最小准则确定发射样式，从而确定收发联合样式，进行空间信息解调。

6.一种基于收发联合样式的空间调制系统，其特征在于，包括发射机端装置和接收机端装置；

所述发射机端装置，用于将发送比特数据分成两部分，一部分按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行收发联合样式的空间调制；其中，发射机对发射天线进行分组，每组至少有两根天线，通过不同的组发射信号实现发射样式，发射机根据收发联合样式确定预编码向量或预编码矩阵，通过选择预编码向量或预编码矩阵来控制接收机的接收样式；所述发射样式定义为发射机的某一组或者某几组天线发射信号，其他组不发射信息；所述接收样式定义为接收机的某一根天线或者某几根天线上收到信息符号；所述收发联合样式为发射样式和接收样式的组合；对于多用户场景，发射机每组的发射天线数不小于所有用户总的天线数目，当发射机向指定用户发射一个数据流时，该用户与收发联合样式相对应的预编码向量正交于其他用户的信道向量；当发射机向指定用户发射多个数据流时，该用户与收发联合样式相对应的预编码矩阵正交于其他用户的信道向量；

所述接收机端装置，用于根据接收信号估计信息符号和收发联合样式，进行空间信息解调。

7.根据权利要求6所述的一种基于收发联合样式的空间调制系统，其特征在于，所述接收机端装置包括：

第一样式估计单元，用于根据每个接收样式相对应天线上的接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定收发联合样式；

第一空间解调单元，用于根据收发联合样式进行空间信息解调；

以及，第一符号估计单元，用于根据估计的接收样式，确定估计的信息符号。

8.根据权利要求6所述的一种基于收发联合样式的空间调制系统，其特征在于，所述接收机端装置包括：

第二符号估计单元，用于根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离判断出接收样式，确定信息符号；

第二样式估计单元，用于计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式，从而确定收发联合样式；

以及，第二空间解调单元，用于根据收发联合样式进行空间信息解调。

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