CN108234082B - 一种基于空间调制的满分集空时编码方法 - Google Patents

一种基于空间调制的满分集空时编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于空间调制系统的满分集空时编码方法，属于通信技术领域，用于提高系统的分集增益，包括对输入信息比特序列进行分配，前面部分比特进行空间星座矩阵的选择，后面部分比特进行星座符号的映射，调制后的符号通过P矩阵进行预处理得到新的调制符号，对新的调制符号进行交叉对的处理，编码得到新的空时分组码的码字矩阵X，然后得到新的基于空间调制的满分集空时编码方案的码字C。为了确保满分集，对传输的码字进行相应的相位旋转，保证每个码字彼此不会重叠，实现满分集空时编码的设计。该方法将单个映射符号通过编码后分配到不同的发送天线通过多个时隙进行传输，分集增益得到了明显的提高，从而使系统的误比特率性能得到了提升。

Description

一种基于空间调制的满分集空时编码方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，简称MIMO)系统中的空间调制(SpatialModulation，简称SM)技术中发送端的信道编码设计，特别是基于空间调制系统的满分集空时编码设计。
背景技术
近年来，空间调制作为一种新型的MIMO传输技术被提出并且进行了广泛的研究，与传统的MIMO技术不同，SM可以实现更高的频谱效率和更低的射频链路需求，降低了MIMO系统的复杂度和成本开销，也同时避免了MIMO系统中天线同步、信道间干扰等问题。
SM能够获得较高的传输速率，但是在每次发射信息时只有一副天线处于激活状态，未能获得分集增益。因此，对于SM系统的研究主要集中在更高的数据速率或编码增益。在文献[1]中提出了一种空时分组编码空间调制(Space-Time Block Coded SpatialModulation，简称STBC-SM)，将SM和STBC组合同时获得发射分集和高频谱效率。然而，由于该方案中码字数目的限制，频谱效率和分集增益都还有待改进。在[2-5]中，提出了几种高速率的STBC-SM方案。这几种方案以Alamouti码为核心矩阵，构造新的空时码字，相比传统的STBC-SM方案获得了更高的频谱效率，但均未能实现分集增益的优化。此外，[6]提出了STBC-SM的两种类型的改变码字，以获得比原始STBC-SM更高的频谱效率。总体来说，目前STBC-SM方案仍然具有一定的局限性，特别是分集增益的优化还需要进一步的分析和研究。
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[6]Hua Y,Zhao G,Zhao W,et al.Modified codewords design for space–timeblock coded spatial modulation[J].Iet Communications,2017,11(2):249-257.
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种能够使得分集增益得到了大大的提升、能够有效地进行避免了通道间的干扰、减少复杂度的基于空间调制的满分集空时编码方法方法。本发明的技术方案如下：
一种基于空间调制的满分集空时编码方法，其在发射端，包括以下步骤：首先输入比特序列U＝(u1,…,uk+l)，其中ui(i＝1,…,k+l)为二进制比特0或1，k+l个比特经过T个时隙被发送到发射机，前面k个比特进行空间星座矩阵S的选择，剩余的l个比特进行M-PSK或者QAM的星座符号的映射，调制后的符号通过乘上预处理矩阵P进行处理得到新的调制符号，对新的调制符号进行交叉对的处理，编码得到新的空间调制的满分集空时编码码字矩阵X，则新的基于空间调制的满分集空时编码的码字为C＝XS；通过以上编码方法，之前的任意一个调制符号将通过不同的发射天线和不同的传输时隙进行发送；最后为了确保满分集，对传输的码字进行相应的相位旋转，保证每个码字彼此不会重叠，实现满分集的空时编码。
进一步的，所述输入比特序列U＝(u1,…,uk+l)进行分配得到两个子序列，通过T个时隙进行发送，子序列1的k个比特进行发射天线组合的选择，子序列2的l个比特进行调制符号的映射，其中k＝log2(NT)，l＝T·log2(M)，NT和NR分别为发送天线和接收天线的个数,调制阶数为M。
进一步的，对于四个发射天线情况下的基于空间调制的满分集空时编码的码字方案，发射的码字可以由Alamouti的STBC产生，如下面的四个SC码字：
Figure BDA0001487929340000031
x1、x2表示映射的两个符号，
Figure BDA0001487929340000032
为共轭，每个码字的占用时隙是T＝2，在发射机处4个发射天线的分集阶数是2。
进一步的，使用一个准正交空时分组码QOSTBC结构来构造基于空间调制的满分集空时编码的码字，并且覆盖4个时隙，对于4发射天线的情况，通过2个对角STBC-SM码字来建立简单的码字
Figure BDA0001487929340000033
从公式(1)可以看出，对于前面两个时隙，符号x0和x1只通过第一和第二根天线进行发送，而第三根和第四根天线处于空闲状态，后面两个时隙中符号x2和x3只通过第三和第四根天线进行发送。
进一步的，所述对映射后的符号乘上矩阵P进行预处理，得到新的符号，具体包括：
Figure BDA0001487929340000034
Figure BDA0001487929340000035
符号(c0,c1,c2,c3)进行交叉处理为(c0,c2),(c1,c3)，基于符号对(c0,c2),(c1,c3)编码得到新的STBC码字矩阵可以表示为:
Figure BDA0001487929340000041
经过以上设计(x0，x1，x2，x3)中任意一个符号将通过4根不同的发射天线经过4个时隙进行发送，NSTBC-SM的码字C＝XS，结合激活天线的选择，选择相应的传输矩阵进行发送。
进一步的，所述在传输的码字间加入旋转角θ(0≤θ≤π/2)。
进一步的，在接收端接收信号可表示为：
Figure BDA0001487929340000042
其中ρ是每根接收天线处的平均信噪比，S为空间星座矩阵，H和N分别表示NT×NR维的信道矩阵和T×NR维的噪声矩阵，H和N中的元素均服从均值为0、方差为1的独立同分布的高斯分布，假设H为准静态瑞利衰落信道，在T个时隙内保持不变，且只有接收端已知信道状态信息。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过多根天线和T个时隙发送多个符号，相比传统的STBC-SM在频谱效率上有了明显的提高，通过传输码字的设计把传输符号分散到不同的天线和时隙，使得分集增益得到了大大的提升，在性能上相比传统的STBC-SM方案有了进一步的改进。也可以看出码字结构仍然保持了QOSTBC的正交性，所以能够有效地进行避免了通道间的干扰，与最大似然译码(Maximum Likelihood,简称ML)相比减少了解码的复杂度。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例中基于空间调制的满分集空时编码系统发送端图图2为本发明中空间调制的天线选择和符号映射流程图
图3为本发明的编码方法与传统编码的误比特率性能对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
新提出的基于空间调制的满分集空时编码(novel space-time block codedspatial modulation，简称NSTBC-SM)系统发送端的框图如附图1所示，系统的发射天线数为NT，接收天线数为NR,输入比特序列U＝(u1,…,uk+l)进行分配得到两个子序列，通过T个时隙进行发送，子序列1的k个比特进行发射天线组合的选择,进而得到相应的空间星座矩阵S,子序列2的l个比特进行调制符号的映射，其中k＝log2(NT)，l＝T·log2(M),调制阶数为M。如NT＝4，T＝4，调制阶数M＝4，为QPSK调制，发送比特序列以10个比特为单位进行分组，如“1011110000”前两个比特“10”来选择第发射天线的组合(1,4)，(2,3)，后8个比特“11110000”映射为符号-1-1i，-1-1i，1+1i，1+1i，如附图2所示，为便于下面的描述，映射的四个符号用x0，x1，x2，x3进行表示。
对于四个发射天线情况下的STBC-SM方案，发射的码字可以由Alamouti的STBC产生，如下面的四个SC码字：
Figure BDA0001487929340000051
每个码字的占用时隙是T＝2。在发射机处4个发射天线的分集阶数是2。
使用一个准正交空时分组码(quasi orthogonal Space-Time Block Coded，简称QOSTBC)结构来构造STBC-SM，并且覆盖4个时隙。对于4发射天线的情况，通过2个对角STBC-SM码字来建立简单的码字
Figure BDA0001487929340000061
从公式6可以看出，对于前面两个时隙，符号x0和x1只通过第一和第二根天线进行发送，而第三根和第四根天线处于空闲状态，后面两个时隙中符号x2和x3也是同样的情况。
为了能够获得更高的分集阶数，对映射后的符号乘上矩阵P进行预处理，这里的
Figure BDA0001487929340000062
当然这里P应当满足正交条件，可以任意的取值，从而得到新的符号：
Figure BDA0001487929340000063
Figure BDA0001487929340000064
符号(c0,c1,c2,c3)进行交叉处理为(c0,c2),(c1,c3)，基于符号对(c0,c2),(c1,c3)编码得到新的STBC码字矩阵可以表示为:
Figure BDA0001487929340000065
经过以上设计(x0，x1，x2，x3)中任意一个符号将通过4根不同的发射天线经过4个时隙进行发送。通过这样的编码设计，NSTBC-SM方案如表1所示：
Figure BDA0001487929340000066
Figure BDA0001487929340000071
表1
其中θi(i＝1,2,3)是旋转相位，为了保证满分集的实现，在传输的码字间加入旋转相位，使每个码字彼此不会重叠，从而使获得的分集阶数为4，实现满分集。在表1中根据列举出来的天线组合给出了四个具体码字矩阵S，当然天线的组合还有其他多种情况，可以根据天线组合的具体情况来得到相应的码字矩阵S。
最后，NSTBC-SM码字C＝XS，通过激活的发射天线组合进行发送发射。
在接收端接收信号可表示为：
Figure BDA0001487929340000072
其中ρ是每根接收天线处的平均信噪比(SNR)，H和N分别表示NT×NR维的信道矩阵和T×NR维的噪声矩阵。H和N中的元素均服从均值为0、方差为1的独立同分布的高斯分布，假设H为准静态瑞利衰落信道，在T个时隙内保持不变，且只有接收端已知信道状态信息。
本实施例的仿真平台为天线数4根发射天线，4根接收天线，采用QPSK调制，信道模型为平坦瑞利衰落信道。本实施例在上述仿真平台下，分别使用传统的编码方法、以及本发明提出的编码方法对输入比特进行调制映射，编码，并在接收端采用相同的最大似然算法进行检测恢复。图3展示了分别使用2中编码方法所得到的误比特率(Bit Error Rate,简称BER)性能。如图3所示，使用本发明方法，较传统编码方法，能有效提升系统的BER性能。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于空间调制的满分集空时编码方法，其特征在于，在发射端，包括以下步骤：首先输入比特序列U＝(u1,…,uk+l)，其中ui(i＝1,…,k+l)为二进制比特0或1，k+l个比特经过T个时隙被发送到发射机，前面k个比特进行空间星座矩阵S的选择，剩余的l个比特进行M-PSK或者QAM的星座符号的映射，调制后的符号通过乘上满足正交条件的预处理矩阵P进行处理得到新的调制符号，对新的调制符号进行交叉对的处理，编码得到新的空间调制的满分集空时编码码字矩阵X，则新的基于空间调制的满分集空时编码的码字为C＝XS；通过以上编码方法，之前的任意一个调制符号将通过不同的发射天线和不同的传输时隙进行发送；最后为了确保满分集，对传输的码字进行相应的相位旋转，保证每个码字彼此不会重叠，实现满分集的空时编码。
2.根据权利要求1所述的基于空间调制的满分集空时编码方法，其特征在于，所述输入比特序列U＝(u1,…,uk+l)进行分配得到两个子序列，通过T个时隙进行发送，子序列1的k个比特进行发射天线组合的选择，子序列2的l个比特进行调制符号的映射，其中k＝log2(NT)，l＝T·log2(M)，NT和NR分别为发送天线和接收天线的个数,调制阶数为M。
3.根据权利要求1所述的基于空间调制的满分集空时编码方法，其特征在于，对于四个发射天线情况下的基于空间调制的满分集空时编码的码字方案，发射的码字可以由Alamouti的STBC产生，如下面的四个SC码字：
Figure FDA0002510970160000011
x1、x2表示映射的两个符号，
Figure FDA0002510970160000012
为共轭，每个码字的占用时隙是T＝2，在发射机处4个发射天线的分集阶数是2。
4.根据权利要求3所述的基于空间调制的满分集空时编码方法，其特征在于，使用一个准正交空时分组码QOSTBC结构来构造基于空间调制的满分集空时编码的码字，并且覆盖4个时隙，对于4发射天线的情况，通过2个对角STBC-SM码字来建立简单的码字
Figure FDA0002510970160000021
x0、x3表示映射的两个符号，
Figure FDA0002510970160000022
分别为x0、x3的共轭，从公式(1)可以看出，对于前面两个时隙，符号x0和x1只通过第一和第二根天线进行发送，而第三根和第四根天线处于空闲状态，后面两个时隙中符号x2和x3只通过第三和第四根天线进行发送。
5.根据权利要求4所述的基于空间调制的满分集空时编码方法，其特征在于，所述对调制后的符号乘上矩阵P进行预处理，得到新的符号，具体包括：
Figure FDA0002510970160000023
Figure FDA0002510970160000024
符号(c0,c1,c2,c3)进行交叉处理为(c0,c2),(c1,c3)，基于符号对(c0,c2),(c1,c3)编码得到新的STBC码字矩阵可以表示为:
Figure FDA0002510970160000025
经过以上设计(x0，x1，x2，x3)中任意一个符号将通过4根不同的发射天线经过4个时隙进行发送，NSTBC-SM的码字C＝XS，结合激活天线的选择，选择相应的传输矩阵进行发送。
6.根据权利要求5所述的基于空间调制的满分集空时编码方法，其特征在于，所述在传输的码字间加入旋转角θ，0≤θ≤π/2。
7.根据权利要求1-6之一所述的基于空间调制的满分集空时编码方法，其特征在于，在接收端接收信号可表示为：
Figure FDA0002510970160000031
其中ρ是每根接收天线处的平均信噪比，S为空间星座矩阵，H和N分别表示NT×NR维的信道矩阵和T×NR维的噪声矩阵，H和N中的元素均服从均值为0、方差为1的独立同分布的高斯分布，假设H为准静态瑞利衰落信道，在T个时隙内保持不变，且只有接收端已知信道状态信息。
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