CN109005013B - 一种提高频谱效率的空时编码方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高频谱效率的空时编码方法，包括以下步骤：步骤1、将源比特流增加变量比特b；步骤2、将源比特流进行调制和空时分组编码映射成符号x1和x2；步骤3、根据变量比特b的取值来选择符号x1和x2的传输方式；若b取值为0，则采用第一空时编码来传输符号x1和x2，若b取值为1，则采用第二空时编码来传输符号x1和x2；步骤4、接收端对接收到的信号基于最大似然检测进行解调；基于第一空时编码进行检测，将源符号标记为x(CAP)；基于第二空时编码进行检测，将源符号标记为x(NAP)；若接收到的信号与采用第一空时编码传输的信号的欧式距离小于接收到的信号与采用第二空时编码传输的信号的欧式距离，则解调器的输出为x(CAP)和b＝0；反之，则解调器的输出为x(NAP)和b＝1。

Description

一种提高频谱效率的空时编码方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统领域，尤其涉及一种提高频谱效率的空时编码方法。
背景技术
随着智能个人移动终端的快速发展，例如平板电脑和智能手机，用户对于无线通信系统高可靠性传输和高数据速率的需求日益增加。为了解决这个问题，学者们和工程师们开发出了很多新技术来提升有限频谱资源的频谱效率(SE)。多输入多输出(MIMO)技术是其中的一种新技术，这种技术能够通过引入空间自由来极大地提升SE。特别地，大规模MIMO技术是5G系统关键技术中的其中一个。
理论上来说，通过使用MIMO技术，在保持传输的多样性和多路复用增益的同时，可以提升传输的数据速率和可靠性。根据，在MIMO系统中，多样性和多路复用增益之间存在着一个重要的权衡。为了在实际的MIMO系统中实现多样性与多路复用增益的平衡，Alamouti空时分组编码(STBC)在中被提出。在传统的Alamouti方案中，两根天线被部署在发送端上，两个独立的信源符号分别在两个连续的时隙中同时进行传输。Alamouti方案的本质是编码矩阵在两个时隙内保持一个正交的结构，它允许一个简单的线性最大似然译码器工作在频率准静态平坦的瑞利衰落信道上。总的来说，Alamouti方案可以实现完全的多样性增益。但是，它不能实现完全的多路复用增益，这会导致传输数据速率的下降。对于传统的Alamouti方案，因为相同的信号在两个连续的时隙被传输，SE受到了损失。
发明内容
本发明提供了一种提高频谱效率的空时编码方法，使得系统的频谱效率得到提升。因此，本发明采用以下技术方案。
一种提高频谱效率的空时编码方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将源比特流增加变量比特b；
步骤2、将所述源比特流进行调制和空时分组编码映射成符号x1和x2；
步骤3、根据变量比特b的取值来选择符号x1和x2的传输方式；若b取值为0，则采用第一空时编码来传输符号x1和x2，若b取值为1，则采用第二空时编码来传输符号x1和x2；
步骤4、接收端对接收到的信号基于最大似然检测进行解调；基于第一空时编码进行检测，将源符号标记为x(CAP)；基于第二空时编码进行检测，将源符号标记为x(NAP)；若接收到的信号与采用第一空时编码传输的信号的欧式距离小于接收到的信号与采用第二空时编码传输的信号的欧式距离，则解调器的输出为x(CAP)和b＝0；反之，则解调器的输出为x(NAP)和b＝1。
优选的，采用第一空时编码来传输符号x1和x2，包括：
符号x1和x2在第一个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，符号-x2 *和x1 *在第二个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，其中x1 *和x2 *分别为符号x1和x2的共轭，接收端得到的接收信号Y(C)＝[y1 (C),y2 (C)]，表示为
第一个时隙：
Figure BDA0001745233400000021
第二个时隙：
Figure BDA0001745233400000022
其中，h1是一个Nr×1维向量，用来表示从第一根传输天线到Nr根接收天线的信道增益；h2是一个Nr×1维向量，用来表示从第二根传输天线到Nr根接接收天线的信道增益；N1和N2是服从CN(0，1)高斯分布的高斯白噪声；
Figure BDA0001745233400000023
是每根接收天线的平均信噪比。
优选的，采用第二空时编码来传输符号x1和x2，包括：
符号x1和x2在第二个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，符号-x2 *和x1 *在第一个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，其中x1 *和x2 *分别为符号x1和x2的共轭，接收端得到的接收信号Y(N)＝[y1 (N),y2 (N)]，表示为
第一个时隙:
Figure BDA0001745233400000024
第二个时隙:
Figure BDA0001745233400000025
其中，h1是一个Nr×1维向量，用来表示从第一根传输天线到Nr根接收天线的信道增益；h2是一个Nr×1维向量，用来表示从第二根传输天线到Nr根接接收天线的信道增益；N1和N2是服从CN(0，1)高斯分布的高斯白噪声；
Figure BDA0001745233400000026
是每根接收天线的平均信噪比。
本发明的有益效果是：本发明是一种新的STBC方案，用来提升频谱效率的同时，保留了简单最大似然检测器和经典Alamouti空时编码方案多样性获取的特点。本发明的基本思路是在时域内传输更多的比特，使得系统的频谱效率得到提升。
附图说明
图1是本发明所采用的系统模型。
图2是采用QAM调制时的误码率仿真图。
图3是采用PSK调制时的误码率仿真图。
图4是本发明所采用的算法的流程图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
1、经典Alamouti方案
假设在一个通信系统中，有两根传输天线和Nr根接收天线。信源比特首先被分为两个分流。然后每个二进制流通过一个编码器，被映射为符号x1和x2。每个符号包含了r＝log2(M)比特，其中M是QAM星座图上点的个数。基于Alamouti方案，每一次传输间隔被分为两个连续的时隙。符号x1和x2在第一个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，随后符号-x2 *和x1 *通过这两根天线在第二个时隙被传输出去，接收端得到的接收信号Y(C)＝[y1 (C),y2 (C)]，可表示为
第一个时隙：
Figure BDA0001745233400000031
第二个时隙：
Figure BDA0001745233400000032
这里，h1是一个Nr×1维向量，用来表示从第一根传输天线到Nr根接收天线的信道增益。类似的，h2拥有和h1一样的维度，用来表示从第二根传输天线到Nr根接接收天线的信道增益。h1和h2在传输的过程中不改变，并且服从高斯分布。N1和N2是服从CN(0，1)高斯分布的Nr维向量。
Figure BDA0001745233400000033
是每根接收天线的平均信噪比(SNR)。
当接收端拥有完全信道状态信息(CSI)时，接收端得到的信号为
Figure BDA0001745233400000034
定义
Figure BDA0001745233400000035
然后，接收端计算得到如下矩阵
Figure BDA0001745233400000036
因为Alamouti编码的正交结构，接收端可以得到等效的符号，如下:
Figure BDA0001745233400000041
以及
Figure BDA0001745233400000042
随后，接收端可以通过解调
Figure BDA0001745233400000043
和
Figure BDA0001745233400000044
来恢复发送端传输的符号。因为相同的信号在两个连续的时隙被传输，SE受到了损失。
为了改善这个问题，本发明提出了一个新的空时编码方案，使得在时域内传输更多的比特，使得系统的频谱效率得到提升。
2、多样性模式的STBC
为了提高SE，另一种新的Alamouti编码方式是交换在两个连续时隙内传输的符号。因此接收端得到的信号，Y(N)＝[y1 (N),y2 (N)]，表示为如下
第一个时隙:
Figure BDA0001745233400000045
第二个时隙:
Figure BDA0001745233400000046
其中，h1是一个Nr×1维向量，用来表示从第一根传输天线到Nr根接收天线的信道增益；h2是一个Nr×1维向量，用来表示从第二根传输天线到Nr根接接收天线的信道增益；N1和N2是服从CN(0，1)高斯分布的高斯白噪声；
Figure BDA0001745233400000047
是每根接收天线的平均信噪比。
这里，通过观察式(1),(2),(6)和(7),可以看出新的Alamouti编码模式(记为NAP)和经典Alamouti编码模式(记为CAP)的区别是，-x2 *和x1 *在第一个时隙被传输，x1和x2在第二个时隙被传输。NAP仍然保留了正交结构，所以简单线性最大似然检测器依然可以被用来恢复传输的符号。
本发明的系统模型如图1所示，比特流进行传输时，将源比特流增加一位变量比特b，随后将源比特流进行调制和空时分组编码映射成为符号x1和x2，变量比特b保持不变，传输端基于变量比特b选择NAP或者CAP将符号进行传输。当b为0时，选择用CAP进行传输，当b为1时选择用NAP进行传输。为了恢复接收到的信号中的源符号，接收端使用最大似然检测器分别基于NAP和CAP对收到的信号进行检测。接收端在获得了传输端传输的信号之后，对获得的信号进行解调，获得了
Figure BDA0001745233400000048
和
Figure BDA0001745233400000049
然后接收端基于假设传输端是通过NAP和CAP进行传输，将解调得到的符号标记为x(NAP)＝{x1 (NAP)，x2 (NAP)}和x(CAP)＝{x1 (CAP)，x2 (CAP)}。基于NAP进行检测，则将源符号标为
Figure BDA0001745233400000053
如果是基于CAP进行检测，则标为
Figure BDA0001745233400000054
用x(CAP)或者x(NAP)对下式中的a＝{a1，a2}进行替换，
Figure BDA0001745233400000051
Figure BDA0001745233400000052
分别地，得到接收端基于CAP得到的接收信号
Figure BDA0001745233400000055
和接收端基于NAP得到的接收信号
Figure BDA0001745233400000056
然后接收端分别比较d(CAP)＝||Y-Y(CAP)||2 F和d(NAP)＝||Y-Y(NAP)||2 F的范数，其中，Y为接收端得到的接收信号。如果d(CAP)<d(NAP)，则输出为x(CAP)和b＝0。反之，则输出则为x(NAP)和b＝1。本发明的流程如图4所示。在上述方案中，因为作为变量的b被传输，使得多一个比特被传输，所以当M进制调制被应用于这个系统时，SE提升了1/log2(M)。
3、仿真结果分析
本发明使用蒙特卡洛仿真来验证本发明提出的新方案的误码率(BER)。基于16-QAM和16-PSK情形的STBC被作为参照，用于验证本发明提出的新的空时编码方案的BER近似于传统的STBC。在图2和图3中，可以看到经典STBC和本发明提出的空时编码方案的BER仿真结果拥有相同的衰减趋势，这说明本发明提出的新的空时编码方案与传统的STBC方案的BER相等。
本发明中，|·|和||·||F分别表示欧几里得范数和矩阵范数，(·)*，(·)T和(·)H分别表示复共轭，转置和厄米特矩阵。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种提高频谱效率的空时编码方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将源比特流增加变量比特b；
步骤2、将所述源比特流进行调制和空时分组编码映射成符号x1和x2；
步骤3、根据变量比特b的取值来选择符号x1和x2的传输方式；若b取值为0，则采用第一空时编码来传输符号x1和x2，若b取值为1，则采用第二空时编码来传输符号x1和x2；
步骤4、接收端对接收到的信号基于最大似然检测进行解调；基于第一空时编码进行检测，将源符号标记为x(CAP)；基于第二空时编码进行检测，将源符号标记为x(NAP)；若接收到的信号与采用第一空时编码传输的信号的欧式距离小于接收到的信号与采用第二空时编码传输的信号的欧式距离，则解调器的输出为x(CAP)和b＝0；反之，则解调器的输出为x(NAP)和b＝1；
采用第一空时编码来传输符号x1和x2，包括：
符号x1和x2在第一个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，符号-x2 *和x1 *在第二个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，其中x1 *和x2 *分别为符号x1和x2的共轭，接收端得到的接收信号Y(C)＝[y1 (C)，y2 (C)]，表示为
第一个时隙：
Figure FDA0002891653690000011
第二个时隙：
Figure FDA0002891653690000012
其中，h1是一个Nr×1维向量，用来表示从第一根传输天线到Nr根接收天线的信道增益；h2是一个Nr×1维向量，用来表示从第二根传输天线到Nr根接接收天线的信道增益；N1和N2是服从CN(0，1)高斯分布的高斯白噪声；
Figure FDA0002891653690000013
是每根接收天线的平均信噪比；
采用第二空时编码来传输符号x1和x2，包括：
符号x1和x2在第二个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，符号-x2 *和x1 *在第一个时隙内分别通过天线1和天线2被传输出去，其中x1 *和x2 *分别为符号x1和x2的共轭，接收端得到的接收信号Y(N)＝[y1 (N)，y2 (N)]，表示为
第一个时隙：
Figure FDA0002891653690000014
第二个时隙：
Figure FDA0002891653690000021
其中，h1是一个Nr×1维向量，用来表示从第一根传输天线到Nr根接收天线的信道增益；h2是一个Nr×1维向量，用来表示从第二根传输天线到Nr根接接收天线的信道增益；N1和N2是服从CN(0，1)高斯分布的高斯白噪声；
Figure FDA0002891653690000022
是每根接收天线的平均信噪比。
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