CN108809376B - 一种用于增强型空间调制系统的发射天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体的说涉及一种用于增强型空间调制系统的发射天线选择方法。本发明将发射天线选择算法用于增强型空间调制系统中，与传统的增强型空间调制系统模型相比，本发明的方案主要是利用有限反馈链路在发射端增加了一个发射天线选择模块，利用当前信道信息选取最优的子信道，使性能达到最优。与传统增强型空间调制系统相比，本发明适用于发射天线数不为2的幂次方数的情况，且能获得较大的BER性能提升。

Description

一种用于增强型空间调制系统的发射天线选择方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及增强型空间调制(Enhanced SpatialModulation,ESM)技术，发射天线选择(Transmit Antenna Selection，TAS)技术，奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)，以及多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput,MIMO)技术。

背景技术

随着移动用户对通信需求的飞速增长，迫切需要更高的数据速率，更高的频谱利用率和更低的实现复杂度的宽带通信技术来满足无线通信的需求。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术可以实现更高频谱利用率的宽带无线通信，但在实际应用中也存在信道间干扰、天线间同步、多射频链路、系统功耗高等问题。空间调制(Spatial Modulation，SM)技术作为一种新型的多天线技术，可以缓解传统MIMO传输方案中的上述缺陷，成为目前无线通信研究的热点问题。

增强型空间调制(Enhanced Spatial Modulation，ESM)作为一种改进的SM方案，通过天线索引的组合以及传统的幅度相位调制(Amplitude and Phase Modulation，APM)来传送信息比特。与SM不同的是，ESM的APM星座集合包括主星座和二级星座两种，且每个时隙有一根或者两根发射天线激活，因此相同配置下，ESM系统的传输速率高于SM系统且能保持较好的系统性能。

发射天线选择(Transmit Antenna Selection，TAS)技术能通过天线选择准则来选取最优的子信道，然后接收端通过有限反馈链路将子信道信息反馈给发射端，从而提高系统的性能。且发射天线选择技术能有效地拓展增强型空间调制的应用场景，不再局限于发射天线数必须为2的幂次方。

发明内容

本发明的目的，就是将发射天线选择技术应用到增强型空间调制系统中，以获得系统的BER性能增益。

本发明的技术方案如下：

考虑一个N_t根发射天线，N_r根接收天线的MIMO无线传输系统，且主星座的调制阶数为M，二级星座的调制阶数为N(一般N＝M/2)。发射天线选择辅助的增强型空间调制系统首先根据当前信道信息以及天线选择准则从N_t根发射天线中选择L根子天线，然后发射端通过有限反馈链路将该信息反馈给发射端。

用

表示合法的发射天线子集，其中l_i从集合

中选取且可以表示为

l₁＝{1,2,...,L}

l₂＝{1,2,...,L-1,L+1}

l_T＝{N_t-L+1,...,N_t}

与传统的增强型空间调制类似，发射天线选择辅助的增强型空间调制系统将输入比特分为两个部分：在每一个时隙，前

比特用于从集合S_spatial中选取一个空间星座点

其中

可以表示为

也就是说，ESM系统在每一个时隙有一根或者两根发射天线发送信息，其余天线静默。后b₂＝log₂(M)比特用于传统APM符号映射，且APM符号集合为S_signal＝{S₁,S₂}，其中S₁,S₂分别为主星座符号集合和二级星座符号集合，可表示为：

S₁＝{s₁,s₂,...,s_i,...,s_M}

其中θ_i(i＝1,2,...,V)表示旋转角且V＝log₂(M)-1。

发射天线选择辅助的增强型空间调制系统的接收信号为

y＝H_Ix+n

其中

是接收信号向量，

是平坦瑞利衰落子信道矩阵，

是发射信号向量，

为高斯白噪声向量。

在接收端，最大似然检测机可表示为

发射天线选择辅助的ESM系统基于最大似然检测的成对差错概率为

其中Q(·)为Q函数，λ为接收端收到的星座中具有最小欧氏距离d_min的最近邻个数。从上式可以看出，成对差错概率P_e随着d_min(p)的增大而减少，且

因此，可以得到如下的优化模型P1，

根据Rayleigh-Rits定理，有

其中λ(H_I)为信道矩阵H_I的最小奇异值。因此优化问题P1可以等效为：

本发明的有益效果为，与传统的增强型空间调制系统模型相比，本发明的方案主要是利用有限反馈链路在发射端增加了一个发射天线选择模块，利用当前信道信息选取最优的子信道，使性能达到最优。与传统增强型空间调制系统相比，本发明适用于发射天线数不为2的幂次方数的情况，且能获得较大的BER性能提升

附图说明

图1是本发明发射天线选择辅助的增强型空间调制传输结构示意图。

图2是本发明发射天线选择辅助的增强型空间调制系统的BER性能仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

如图1所示，本例简要展示了发射天线选择辅助的增强型空间调制传输结构的基本框架，可以看到与传统的增强型空间调制系统模型相比，该模型在发射端增加了一个天线选择模块，利用有限反馈链路来选择最优的子信道传输信息已获得较优的BER性能增益。

本例为一个6发2收的功率分配辅助的增强型空间调制MIMO通信系统，且选择L＝4根发射天线发送信息。主星座的调制方式为QPSK，二级星座的调制方式为BPSK，则该系统的传输速率为m＝6(bits/symbol)，传输信息比特分为两个部分：前b₁＝4比特用于天线组合选择，后b₂＝2比特用于APM符号映射。

此时，功率分配辅助的增强型空间调制系统响应为：

y＝H_Ix+n

其中，H_I为信道矩阵，x为发射信号向量，n为高斯白噪声。

在接收端，最大似然检测机可表示为

发射天线选择辅助的ESM系统基于最大似然检测的成对差错概率为

其中Q(·)为Q函数，λ为接收端收到的星座中具有最小欧氏距离d_min的最近邻个数。从上式可以看出，成对差错概率P_e随着d_min(p)的增大而减少，且

因此，可以得到如下的优化模型P1，

根据Rayleigh-Rits定理，有

其中λ(H_I)为信道矩阵H_I的最小奇异值。因此优化问题P1可以等效为：

仿真结果见说明书附图2，图2给出了本发明发射天线选择辅助的增强型空间调制MIMO通信系统的BER性能，可以看出：与传统增强型空间调制系统相比，本发明的发射天线选择辅助的增强型空间调制系统有较好的BER性能。

综上所述：本发明将天线选择技术应用到增强型空间调制MIMO通信系统中，能有效地拓展增强型空间调制的应用场景，不再局限于发射天线数必须为2的幂次方且能获得较好的BER性能增益。

Claims (1)

1.一种用于增强型空间调制系统的发射天线选择方法，设定增强型空间调制系统具有N_t根发射天线，N_r根接收天线，主星座的调制阶数为M，二级星座的调制阶数为N，每次选取的有效发射天线数L，则传输的比特信息为

其特征在于，所述发射天线选择方法包括以下步骤：

S1、增强型空间调制映射：

将传输的

比特信息分为两个部分，前

比特用于空间符号映射，且码本为：

其中

C_i表示为：

后log₂(M)比特用于APM符号映射，码本为S_signal＝{S₁,S₂}，其中S₁,S₂分别为主星座符号集合和二级星座符号集合，表示为：

S₁＝{s₁,s₂,...,s_i,...,s_M}

其中θ_i表示旋转角且V＝log₂(M)-1，i＝1,2,...,V；从而可以得到发射向量x＝Cs，系统响应为：

y＝H_Ix+n

其中

是接收信号向量，

是平坦瑞利衰落子信道矩阵，

是发射信号向量，

为高斯白噪声向量；

S2、建立发射天线选择模型：

在接收端，最大似然检测机表示为：

发射天线选择辅助的增强型空间调制系统基于最大似然检测的成对差错概率为：

其中Q(·)为Q函数，λ为接收端收到的星座中具有最小欧氏距离d_min的最近邻个数，从上式可得，成对差错概率P_e随着d_min(p)的增大而减少，且

则建立发射天线选择模型P1：

(P1)

根据Rayleigh-Rits定理，有

其中λ(H_I)为信道矩阵H_I的最小奇异值，因此优化问题P1可以等效为：

S3、求解S2中的优化问题：

遍历所有可能的子天线集合，找出最大的最小奇异值对应的子信道，从而得到发射天线子集。

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