CN108234380A - 频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种频‑模态‑空状态的多维混合调制无线通信信号方法，主要为了进一步提高通信可达速率。具体步骤包括：(1)二进制比特流分块；(2)星座调制和映射；(3)子载波、轨道角动量模态调制；(4)空间调制后的信号发射。本发明通过利用发射天线、轨道角动量模态以及子载波形成的三维调制空间，为传统的调制方法提供了三个额外的调制维度，具有系统计算复杂度低和通信可达速率高的优点，即使在发射端天线数小的情况下，也可以大幅度提高通信可达速率。

Description

频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信多输入多输出正交频分复用MIMO-OFDM(Multiple-Input-Multiple-Output orthogonal frequency divisionmultiplexing)技术领域中的一种频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法。本发明可用于除了频-模态-空状态组成的三维调制空间外，还有传统星座图中的二维调制空间的未来无线移动通信中对无线通信信号进行多维的调制，从而提高通信系统的可达速率和频谱效率。

背景技术

随着无线通信中信号带宽越来越宽，对应的频谱资源却越来越少，人们逐渐开始研究能最大化利用频谱资源的算法和技术，高频谱效率是未来无线通信的主要需求。在现有的技术中，相比单输入单输出系统，多输入多输出MIMO方案利用多根天线同时传输数据到接收端，可以有效的提高频谱效率，但信道间干扰，天线间同步以及多个射频链是任何MIMO技术面临的主要问题。

Tanumay Datta等人在其发表的论文“On Generalized Spatial Modulation”(Proc.2013Asilomar Conf.on Signals,Syst.And Comput,pp.1498-1502,Nov.2013)中提出了一种调制无线通信信号的方法。该方法利用天线索引引入空间域，每个时隙激活多根天线，将激活天线的索引作为携带信息比特的载体来进一步提高通信速率。在发射端，输入的二进制比特流一部分被映射到天线索引上，用来选择特定的激活天线；另一部分比特映射到传统的星座图中，用来选择多个调制符号。最后，被选择的调制符号由激活天线发射出去。该方法存在的不足之处是：发射端需要多条射频链发射信号，而且如果想实现更大的通信速率，终端必须安装大量的天线，这在实际中是不切实际的，使得通信速率严格受发射端天线数目的限制。

Harsha S.Eshwaraiah等人在其发表的论文“Generalized Space-and-FrequencyIndex Modulation”(IEEE Transactions on Vehicular Technology 65.7(2016):4911-4924)中通过将空间域和频域结合提出一种调制方法，该方法将天线和载波组成一个二维的调制空间，为传统的星座调制增加了两个调制维度。在发射端，该方法除了将二进制信息比特映射到传统星座图中，选择调制符号，还会映射到天线和载波形成的二维调制空间，用来选择激活天线和载波，最后，调制符号由激活载波调制后再由激活天线发射出去。该方法可以在使用很少的射频链时，实现较大的频谱效率。该方法存在的不足之处是：随着天线以及载波数目的增加，在发射端从二进制比特流到激活天线和载波的映射复杂度以及接收端的检测复杂度将会非常大。

中铁二院工程集团有限责任公司在其申请的专利文件“基于子载波索引调制的多载波非正交传输方法”(申请号：201510651017.8公开号：CN 105337921 A)中提出了一种多载波信号调制方法。该方法的实施步骤为：第一，根据子载波数目、索引调制参数对原始的二进制比特进行分块；第二，根据索引调制选择激活子载波并在激活子载波上进行传统星座调制；第三，将调制后的数据用非正交载波信号进行调制；第四，接收端根据最大似然检测进行索引解调和星座解调。该方法存在的不足之处在于：子载波之间的非正交性会引起子载波之间的干扰，造成接收信号检测性能的下降，因而误码率比较高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法，在传统二维星座调制的基础上增加三个调制维度，从而大幅度提高系统的可达速率和频谱效率。

实现本发明目的的具体思路是，通过在发射端将二进制比特流映射到两个携带信息的载体上，一个是传统星座图中的调制符号，另一个是发射天线、轨道角动量模态以及子载波组成的三维调制空间中的激活发射天线、轨道角动量模态和子载波，调制符号依次由子载波和轨道角动量模态调制，最终得到携带轨道角动量的电磁涡旋波，空间调制后由激活发射天线发射出去。

实现本发明目的的具体步骤如下：

(1)将发射端输入的二进制比特流信号进行分块：

发射端信号处理器根据发射天线的总数、轨道角动量模态的总数、子载波的总数以及星座调制的阶数，对输入的二进制比特流序列进行分块，获得多块二进制比特流序列；

(2)按照下式，将每块二进制比特流序列分割为星座映射序列和映射索引序列：

B₁＝s·log₂(M)

其中，B₁表示星座映射序列中比特的总数，s表示每个二进制比特流分块中星座映射符号的总数，·表示相乘操作，log₂表示以2为底的对数操作，M表示星座调制的阶数，B₂表示映射索引序列中比特的总数，表示向下取整操作，表示在0至N_t·O_t·C的自然数集合中任意选取s个数的操作，N_t表示发射天线的总数，O_t表示轨道角动量模态的总数，C表示子载波的总数；

(3)对星座映射序列进行星座映射：

映射器采用正交振幅调制方法，将星座映射序列映射到星座图中，每log₂M个比特对应一个星座映射符号；

(4)将映射索引序列映射到子载波、轨道角动量模态、发射天线：

将映射索引序列映射到三维映射空间，确定与星座映射符号一一对应的子载波、轨道角动量模态、发射天线；

(5)用不同频率的子载波调制星座映射符号：

将星座映射符号加载到三维映射空间中与其一一对应的坐标点上，将三维映射空间中发射天线的序号相同且轨道角动量模态的序号相同的坐标点组成一个集合，提取集合中坐标点的信号，频率调制器用频率调制信号，将所提取的信号与坐标点对应的子载波相乘，再将加载了信号的子载波相加，得到多个正交频分复用OFDM符号；

(6)用轨道角动量模态调制正交频分复用OFDM符号：

将每个正交频分复用OFDM符号输入轨道角动量调制器，采用模态调制方法，用对应的轨道角动量模态调制正交频分复用OFDM符号，得到携带轨道角动量模态的涡旋电磁波束；

(7)用不同空间位置的发射天线调制涡旋电磁波束并发射出去：

将对应于相同发射天线序号的多个涡旋电磁波会聚成一个波束，将会聚后的所有波束汇合为一个复合电磁波束，空间调制器对复合电磁波束进行空间调制，将复合电磁波束从对应的发射天线发射出去。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用子载波和轨道角动量模态调制星座映射符号，且用多根发射天线发射涡旋电磁波束，相当于给传统的调制技术增加了三次调制，每次调制都将一部分数据加载到发射信号上，克服了现有技术中存在的通信速率严格受发射端天线数目限制的问题，使得本发明在发射天线数量较少，信号发射速率受限时，发射的信号还携带有被调制到子载波、轨道角动量模态、发射天线上的大量数据，信号被接收解调后可以得到大量信息，提高了通信系统的可达速率。

第二，由于本发明使用三维映射空间将映射索引序列映射到子载波、轨道角动量模态、发射天线，克服了现有技术的映射方法中存在的当天线以及载波数目的增加时，二进制比特流到激活天线和载波的映射复杂度以及接收端的检测复杂度高的问题，使得本发明利用高效的子载波、轨道角动量模态、发射天线映射方案，降低了发射端的映射复杂度和接收端的检测复杂度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明将映射索引序列映射到三维映射空间步骤时的三维调制空间示意图；

图3为本发明与MIMO-OFDM系统的可达速率差值的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明完成频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法的实现步骤做进一步的描述。

步骤1，将发射端输入的二进制比特流信号进行分块。

发射端信号处理器根据发射天线的总数、轨道角动量模态的总数、子载波的总数以及星座调制的阶数，对输入的二进制比特流序列进行分块，获得多块二进制比特流序列。

第一步，按照下式，计算每个分块中二进制比特的个数：

其中，R_b表示第b个分块中二进制比特的个数，表示向下取整操作，log₂表示以2为底的对数操作，·表示相乘操作，表示在0至N_t·O_t·C的自然数集合中任意选取s个数的操作，s表示星座映射符号的个数，N_t表示天线数，O_t表示轨道角动量模态数，C表示子载波数，M表示星座调制阶数。

第二步，信号处理器用比特数对输入的串行二进制比特流进行分块。

步骤2，将每块二进制比特分割为星座映射序列和映射索引序列。

按照下式分别计算星座映射序列和映射索引序列的中比特的总数：

B₁＝s·log₂(M)

其中，B₁表示星座映射序列中比特的总数，s表示每个二进制比特流分块中星座映射符号的总数，·表示相乘操作，log₂表示以2为底的对数操作，M表示星座调制的阶数，B₂表示映射索引序列中比特的总数，表示向下取整操作，表示在0至N_t·O_t·C的自然数集合中任意选取s个数的操作，N_t表示发射天线的总数，O_t表示轨道角动量模态的总数，C表示子载波的总数。

步骤3，对星座映射序列进行星座映射。

映射器采用正交振幅调制方法，将星座映射序列映射到星座图中，每log₂M个比特对应一个星座映射符号。

步骤4，将映射索引序列映射到子载波、轨道角动量模态、发射天线。

参照图2：将映射索引序列映射到三维映射空间，确定与星座映射符号一一对应的子载波、轨道角动量模态、发射天线。

第一步，如图2(a)所示，建立一个三维坐标系中x,y,z轴分别表示子载波序号、轨道角动量模态序号、发射天线序号的三维映射空间，三维空间中的每个点表示一个发射天线、轨道角动量模态和子载波的组合，图2(b)中三维空间中z轴方向的每一层对应一个序号的发射天线的不同状态。

第二步，按照下式，计算三维映射空间中的每个坐标点的映射标识符：

A_i,e,k＝(e-1)·O_t·C+(j-1)·C+(i-1)

其中，A_i,e,k表示三维坐标系中第i个子载波、第e个轨道角动量模态、第k个发射天线坐标点的映射标识符。

第三步，按照下式，将二进制映射索引序列转化为一个十进制数字：

其中，d表示二进制映射索引序列转化后的十进制数字，∑表示求和操作，B₂表示映射索引序列中比特的总数，v_n表示映射索引序列中第n个比特的值。

第四步，按照下式，计算映射索引序列对应的映射标识符集合：

其中，表示在0至c_l的自然数集合中任意选取l个数的操作，l表示每个星座映射序列对应的多个星座映射符号的序号，c_l表示第l个星座映射符号对应的三维映射空间中的映射标识符，∑表示求和操作，n表示l+1到s之间任一星座映射符号的序号，c_n表示第n个星座映射符号对应的三维映射空间中的映射标识符，R＝{c_s，…，c₁，…c₂，c₁}表示映射标识符构成的集合，如图2所示，三维空间中黑色的点表示集合R中的元素。

第五步，搜索三维映射空间中映射标识符集合中的所有映射标识符，得到与星座映射符号一一对应的发射天线、轨道角动量模态、子载波。

步骤5，用不同频率的子载波调制星座映射符号。

将星座映射符号加载到三维映射空间中与其一一对应的坐标点上，将三维映射空间中发射天线的序号相同且轨道角动量模态的序号相同的坐标点组成一个集合，提取集合中坐标点的信号，频率调制器用频率调制信号，将所提取的信号与坐标点对应的子载波相乘，再将加载了信号的子载波相加，得到多个正交频分复用OFDM符号；

步骤6，用轨道角动量模态调制正交频分复用OFDM符号。

将每个正交频分复用OFDM符号输入轨道角动量调制器，采用模态调制方法，用对应的轨道角动量模态调制正交频分复用OFDM符号，得到携带轨道角动量模态的涡旋电磁波束。

将正交频分复用OFDM符号乘以一个对应的空间相位角旋转因子得到涡旋电磁波束，其中，exp表示以自然常数为底的指数操作，l_e表示的第e个轨道角动量模态的值，表示涡旋电磁波的螺旋相位角。

步骤7，用不同空间位置的发射天线调制涡旋电磁波束并发射出去。

将对应于相同发射天线序号的多个涡旋电磁波会聚成一个波束，将会聚后的所有波束汇合为一个复合电磁波束，空间调制器对复合电磁波束进行空间调制，将复合电磁波束从对应的发射天线发射出去。

下面结合仿真实验对本发明的效果做详细描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验是在MATLAB 7.11软件下进行的。在本发明的仿真实验中，发射端采用正交振幅调制的方法对输入的二进制比特流进行星座调制，发射天线为均匀圆阵列天线，数量为2。

2.仿真内容及仿真结果分析：

本发明的仿真实验是分别对本发明中的频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法，以及用现有技术的多输入多输出-正交频分复用MIMO-OFDM方法进行仿真对比，通过比较二者的可达速率来分析频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法的性能。

仿真实验的结果如图3所示，图3的三维坐标系中的x，y轴分别表示频-模态-空状态的多维混合调制中所用轨道角动量模态的总数及子载波的总数,z轴表示频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法可达速率减去多输入多输出-正交频分复用MIMO-OFDM方法可达速率得到的差值。图3的最上层曲面表示采用2阶星座调制进行传输时获得的可达速率差值曲面，图3的中层曲面表示采用4阶星座调制进行传输时获得的可达速率差值曲面，图3的最下层曲面表示采用16阶星座调制进行传输时获得的可达速率差值曲面，从图3中可以看出，当发射天线数量固定时，不论选用多少数量的轨道角动量模态、子载波，可达速率差值始终大于0，因此频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法的可达速率始终优于MIMO-OFDM方法。当调制阶数相同时，轨道角动量模态的总数和子载波的总数越大，可达速率差值也越大，频-模态-空状态的多维混合调制的可达速率性能优势就越明显。当选用相同数量的轨道角动量模态和子载波进行混合调制时，调制阶数越小，可达速率差值越大，频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法可达速率性能越好。

Claims (4)

1.一种频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将发射端输入的二进制比特流信号进行分块：

发射端信号处理器根据发射天线的总数、轨道角动量模态的总数、子载波的总数以及星座调制的阶数，对输入的二进制比特流序列进行分块，获得多块二进制比特流序列；

(2)按照下式，将每块二进制比特流序列分割为星座映射序列和映射索引序列：

B₁＝s·log₂(M)

其中，B₁表示星座映射序列中比特的总数，s表示每个二进制比特流分块中星座映射符号的总数，·表示相乘操作，log₂表示以2为底的对数操作，M表示星座调制的阶数，B₂表示映射索引序列中比特的总数，表示向下取整操作，表示在0至N_t·O_t·C的自然数集合中任意选取s个数的操作，N_t表示发射天线的总数，O_t表示轨道角动量模态的总数，C表示子载波的总数；

(3)对星座映射序列进行星座映射：

映射器采用正交振幅调制方法，将星座映射序列映射到星座图中，每log₂M个比特对应一个星座映射符号；

(4)将映射索引序列映射到子载波、轨道角动量模态、发射天线：

将映射索引序列映射到三维映射空间，确定与星座映射符号一一对应的子载波、轨道角动量模态、发射天线；

(5)用不同频率的子载波调制星座映射符号：

将星座映射符号加载到三维映射空间中与其一一对应的坐标点上，将三维映射空间中发射天线的序号相同且轨道角动量模态的序号相同的坐标点组成一个集合，提取集合中坐标点的信号，频率调制器用频率调制信号，将所提取的信号与坐标点对应的子载波相乘，再将加载了信号的子载波相加，得到多个正交频分复用OFDM符号；

(6)用轨道角动量模态调制正交频分复用OFDM符号：

将每个正交频分复用OFDM符号输入轨道角动量调制器，采用模态调制方法，用对应的轨道角动量模态调制正交频分复用OFDM符号，得到携带轨道角动量模态的涡旋电磁波束；

(7)用不同空间位置的发射天线调制涡旋电磁波束并发射出去：

将对应于相同发射天线序号的多个涡旋电磁波会聚成一个波束，将会聚后的所有波束汇合为一个复合电磁波束，空间调制器对复合电磁波束进行空间调制，将复合电磁波束从对应的发射天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法，其特征在于，步骤(1)中所述对输入的二进制比特流进行分块的步骤如下：

第一步，按照下式，计算每个分块中二进制比特的个数：

其中，R_b表示第b个分块中二进制比特的个数，表示向下取整操作，log₂表示以2为底的对数操作，·表示相乘操作，表示在0至N_t·O_t·C的自然数集合中任意选取s个数的操作，s表示星座映射符号的个数，N_t表示天线数，O_t表示轨道角动量模态数，C表示子载波数，M表示星座调制阶数；

第二步，信号处理器用比特数对输入的串行二进制比特流进行分块。

3.根据权利要求1所述的频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法，其特征在于，步骤(4)中所述的将映射索引序列映射到三维映射空间的具体步骤如下：

第一步，建立一个三维坐标系中x,y,z轴分别表示子载波序号、轨道角动量模态序号、发射天线序号的三维映射空间；

第二步，按照下式，计算三维映射空间中的每个坐标点的映射标识符：

A_i,e,k＝(e-1)·O_t·C+(j-1)·C+(i-1)

其中，A_i,e,k表示三维坐标系中第i个子载波、第e个轨道角动量模态、第k个发射天线坐标点的映射标识符；

第三步，按照下式，将二进制映射索引序列转化为一个十进制数字：

其中，d表示二进制映射索引序列转化后的十进制数字，∑表示求和操作，B₂表示映射索引序列中比特的总数，v_n表示映射索引序列中第n个比特的值；

第四步，按照下式，计算映射索引序列对应的映射标识符集合：

其中，表示在0至c_l的自然数集合中任意选取l个数的操作，l表示每个星座映射序列对应的多个星座映射符号的序号，c_l表示第l个星座映射符号对应的三维映射空间中的映射标识符，∑表示求和操作，n表示l+1到s之间任一星座映射符号的序号，c_n表示第n个星座映射符号对应的三维映射空间中的映射标识符，R＝{c_s,…,c_l,…c₂,c₁}表示映射标识符构成的集合；

第五步，搜索三维映射空间中映射标识符集合中的所有映射标识符，得到与星座映射符号一一对应的发射天线、轨道角动量模态、子载波。

4.根据权利要求1所述的频-模态-空状态的多维混合调制无线通信信号方法，其特征在于，步骤(6)中所述的模态调制方法是指，将正交频分复用OFDM符号乘以一个对应的空间相位角旋转因子得到涡旋电磁波束，其中，exp表示以自然常数为底的指数操作，l_e表示的第e个轨道角动量模态的值，表示涡旋电磁波的螺旋相位角。