CN109361637B - 用于高维信号传输的正交空间编码调制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高维信号传输的正交空间编码调制系统及方法，本发明的系统包括传输模块，正交空间解调制模块，译码模块，编码模块，天线选择模块，高维信号调制模块，本发明的方法引入了Gallager映射和高维星座，具体步骤包括：(1)对信源序列进行编码；(2)对码字序列进行分组；(3)根据Gallager映射规则选择两根发送天线；(4)用信号比特向量选择高维星座点；(5)传输高维信号；(6)对接收信号进行检测；(7)对信号软信息进行译码。本发明提升了正交空间调制系统的传输谱效率，利用多维信号空间获得了更好的误码性能。

Description

用于高维信号传输的正交空间编码调制系统及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及编码调制技术领域中的一种用于高维信号传输的正交空间编码调制系统及方法。本发明可应用于无线通信和广播通信技术领域中的空间调制系统来根据空域虚拟的星座图调制部分比特序列。

背景技术

作为一种新型多输入多输出MIMO技术，空间调制最早用于抑制多输入多输出MIMO传输方案中天线间的严重干扰，与此同时可以较大地提升传输的频谱效率。其基本思想是，在每个传输时隙，将激活其中一根天线，并在此天线上进行传统的数字调制。由此，天线索引和信号同时传输信息。空间调制技术因为其具有较高的频谱效率和较低的检测复杂度，成为了下一代通信中的关键候选技术。在传统的空间调制技术中，在一个传输时隙，通常只能激活一根天线，其余的天线将保持静默状态，因此天线资源实际是有所浪费的。同时，在第五代移动通信5G中，将大力提升高谱效、超大容量传输技术的应用。在此情况下，许多关于空间调制的研究致力于充分利用闲置的天线，进一步提升传输的谱效率。目前主要有两种改进方案，分别是广义空间调制GSM和正交空间调制QSM。

天津大学在其申请的专利文献“一种广义空间调制系统”(申请公布号：CN101841397A，申请号：201010144355.X)中公开了一种根据空域虚拟的星座图调制部分比特序列的空间调制系统。该系统包括广义空间调制映射器模块、发送天线检测模块以及数字调制解映射模块。其中广义空间调制映射器模块，将一部分带调制信息映射为不同的发送天线组合，将待发送信息中的剩余部分映射到数字调制星座图，数字调制后的符号在所选择的发送天线上同时传输；发送天线检测模块，实现传输数据天线的检测；数字调制解映射模块，根据发送天线校验结果实现解映射。该系统存在的不足之处是：由于每次传输所有选择的天线发送相同的数字调制信号，因此系统的频谱效率低。

Mesleh等人在其发表论文“Quadrature spatial modulation”(IEEETransaction on Vehicular Technology,Volume:64,NO.6,June 2015)中公开了一种根据空域模拟的星座图调制部分比特序列的空间调制方法。该方法通过引入空间星座维度从而提升空间调制技术的谱效率。在同一时隙，最多同时激活两根天线，并在两根天线上联合传输一个复数信号。若空间矢量选择的两根天线不同，则在两根天线上分别传输这个复数信号的实部和虚部；若两次选择的天线相同，则直接在这根天线上传输复数信号。该方法存在的不足之处是：1)由于在一根天线仅传输了一维信号，因此该方法调制信号的自由度受限；2)由于直接对信息序列进行调制，因此该方法的检错能力差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种用于高维信号传输的正交空间编码调制系统及方法，将实现在一个时隙，利用两根不同的激活天线，联合传输一个高维信号，以达到更高效的信息传输目的。

本发明的系统包括传输模块，正交空间解调制模块，译码模块，编码模块，天线选择模块，高维信号调制模块，其中，

所述的传输模块，用于将高维信号分解为正交分量和同向分量的两个分量，用两根不同的激活发送天线分别传输高维信号的两个分量；

所述的正交空间解调制模块，用于对接收信号进行解调，得到激活天线和高维星座点的信号软信息；

所述的译码模块，用于对信号软信息进行译码，恢复出信源序列；

所述的编码模块，用于对信源序列进行编码；

所述的天线选择模块，用于选择两根不同的激活发送天线；

所述的高维信号调制模块，用于将信号比特向量映射为高维信号。

本发明方法的具体步骤如下：

(1)对信源序列进行编码：

(1a)使用信源处理器，对待发送的声音、图像信息进行模数转换，得到信源序列；

(1b)使用编码模块对信源序列编码，得到码字序列；

(2)对码字序列进行分组：

将码字序列分为三部分，第一、二部分为相同长度的空间比特向量，第三部分为信号比特向量；

(3)根据Gallager映射规则选择两根发送天线：

(3a)对第一部分二进制的空间比特向量做十进制转换，得到小于发送天线总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号天线，作为第一根激活发送天线；

(3b)对第二部分二进制的空间比特向量做十进制转换，得到小于发送天线总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号天线，作为第二根激活发送天线；

(3c)当两根发送天线的编号相等时，利用更新公式，计算第二根激活发送天线的编号；

(4)用信号比特向量选择高维星座点：

(4a)利用星座点总数公式，计算高维星座两个复数星座中每个复数星座的星座点总数：

(4b)对两个复数星座做笛卡尔积操作，得到一个高维星座

(4c)判断正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数与高维星座

的星座点总数是否相等，若是，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；

(4d)将高维星座

作为正交空间编码调制系统的高维星座；

(4e)从高维星座

中删除n个欧式距离最小的星座点，得到正交空间编码调制系统的高维星座，其中，n＝m₁×m₂-M，m₁表示高维星座中第1个复数星座的星座点总数，m₂表示高维星座中第2个复数星座的星座点总数，M表示正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数；

(4f)对二进制的信号比特向量做十进制转换，得到小于高维星座星座点总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号星座点，作为待传输的高维信号；

(5)传输高维信号：

(5a)将高维信号在两个复数星座上进行投影，得到正交分量和同向分量的两个分量，其中，正交分量与高维星座中第一个复数星座的星座点相对应，同向分量与高维星座中第二个复数星座的星座点相对应；

(5b)用第一根激活发送天线传输高维信号的正交分量，用第二根激活发送天线传输高维信号的同向分量；

(5c)接收端接收经过无线信道传输的有扰信号；

(6)对接收信号进行检测：

使用正交空间解调制模块，对接收信号进行解调，得到激活天线和高维星座点的信号软信息；

(7)对信号软信息进行译码：

使用译码模块，对信号软信息进行译码，恢复出信源序列。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的系统中的编码模块可用于对信源序列进行编码，再对编码后的码字序列进行调制，克服了现有技术中直接对信源序列进行调制导致系统纠错能力差的不足，使得本发明的系统具有抗噪能力强的优点；

第二，由于本发明的系统中的天线选择模块可用于选择两根不同的激活发送天线，克服了现有技术中当选择一根发送天线时导致分集增益低的不足，使得本发明的系统具有分集增益高的优点；

第三，由于本发明的系统中的高维信号调制模块，用于将信号比特向量映射为高维信号，克服了现有技术中的二维星座星座点间欧式距离小导致系统容错能力差的不足，使得本发明的系统具有更好的容错性能。

第四，由于本发明的方法在两根天线上分别传输一个复数信号，克服了现有技术中多根天线发送相同的数字调制符号而导致频谱效率低的不足，使得本发明的方法可以高效的传输信息序列，提高了空间调制技术的频谱效率；

第五，由于本发明的方法用Gallager映射选择两根不同的天线，用以联合传输高维信号，克服了现有技术中调制信号的自由度受限的不足，使得本发明的方法可以充分利用调制信号的自由度，具有调制信号自由度高的优点；

第六，由于本发明的方法在发送端先对信息序列进行编码，再进行正交空间调制，接收端对接收信号进行解调和译码，克服了现有技术中检错能力差的不足，使得本发明的方法有效地提高了信号传输的可靠性。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明选择高维星座点步骤中星座点总数为16的高维星座示意图；

图4为本发明选择高维星座点步骤中星座点总数为32的高维星座示意图；

图5为本发明仿真1的结果图；

图6为本发明仿真2的结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明系统的结构做进一步的描述。

本发明的系统包括传输模块，正交空间解调制模块，译码模块，编码模块，天线选择模块，高维信号调制模块。图1(a)为本发明系统的发送端，图1(b)为本发明系统的接收端。在图1(a)中的编码模块中将信源序列经过编码器得到码字序列，再将码字序列分为第一、二部分空间比特向量和信号比特向量，然后将空间比特向量送入天线选择模块，在天线选择模块中，使用一对一映射器，用第一部分空间比特向量选择第一根激活发送天线的编号，使用Gallager映射器，用第二部分空间比特向量选择第二根激活发送天线的编号，将信号比特向量送入高维信号调制模块，使用高维信号映射器，将信号比特向量映射为高维信号，在传输模块中，将高维信号分解为正交分量和同向分量的两个分量，“+”表示将两个正交的分量相加，送入发送天线集合中，其中，N_t表示发送天线的总数，用第一根发送激活天线发送高维信号的正交分量，用第二根发送激活天线发送高维信号的同向分量；在图1(b)中，N_r表示接收天线的总数，w_i,i＝0,1,...,N_r-1，表示第i根天线的噪声信号，“+”表示发送信号与噪声相加得到接收信号，将接收信号送入正交空间解调制模块，用正交空间解调器对接收信号进行解调，得到激活天线和高维星座点的信号软信息，再将信号软信息送入译码模块，用译码器对信号软信息进行译码，恢复出信源序列。

参照附图2，对本发明方法的具体步骤做进一步的描述。

步骤1，对信源序列进行编码。

使用信源处理器，对待发送的声音、图像信息进行模数转换，得到信源序列。

使用编码模块对信源序列编码，得到码字序列。

本发明的实施例中编码采用有限域GF(64)上的LDPC码，码长为384，信息位长度为192，码率为1/2，每个符号可以用log₂64＝6比特来表示，对信源序列用LDPC编码器进行编码，得到码字序列。

本发明实施例中编码若采用有限域GF(128)上的LDPC码，码长为328，信息位长度为164，码率为1/2，每个符号可以用log₂128＝7比特来表示。

步骤2，对码字序列进行分组。

将码字序列分为三部分，第一、二部分为相同长度的空间比特向量，第三部分为信号比特向量，其中，空间比特向量的长度等于正交空间编码调制系统发送天线总数以2为底的对数值，信号比特向量的长度为高维星座星座点总数以2为底的对数值。

本发明实施例中正交空间编码调制系统发送天线总数为2，高维星座星座点总数为16，因此，第一、二部分空间比特向量长度均为log₂2＝1，信号比特向量长度为log₂16＝4，正好将第一种编码方式的每个符号分为两个空间比特向量和一个信号比特向量。

本发明实施例中正交空间编码调制系统发送天线总数为2，高维星座星座点总数为32，因此，第一、二部分空间比特向量长度均为log₂2＝1，信号比特向量长度为log₂32＝5，正好将第二种编码方式的每个符号分为两个空间比特向量和一个信号比特向量。

步骤3，根据Gallager映射规则选择两根发送天线。

对第一部分二进制的空间比特向量做十进制转换，得到小于发送天线总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号天线，作为第一根激活发送天线。

对第二部分二进制的空间比特向量做十进制转换，得到小于发送天线总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号天线，作为第二根激活发送天线。

当两根发送天线的编号相等时，利用下式，计算第二根激活发送天线的编号：

l＝(d+1)modN_t

其中，l表示更新后的第二根发送天线的编号，d表示第二部分空间比特向量转换后的十进制数，mod表示求余操作，N_t表示正交空间编码调制系统发送天线的总数。

本发明实施例中给出两个选择天线的例子：

当第一部分空间比特向量为0时，转化为十进制数为0，选择编号为0的天线作为第一根激活发送天线；当第二部分空间比特向量为1时，转化为十进制数为1，选择编号为1的天线作为第二根激活发送天线。

当第一部分空间比特向量为0时，转化为十进制数为0，选择编号为0的天线作为第一根激活发送天线；当第二部分空间比特向量为0时，转化为十进制数为0，选择编号为0的天线作为第二根激活发送天线，此时两根激活发送天线的编号相同，重新计算第二根发送天线的编号为(0+1)mod2＝1。

当选择第一根发送天线时，若空间比特向量为0，对应编号为0的天线；若空间比特向量为1，对应编号为1的天线，因此每根发送天线被激活的概率均为1/2，此时，第一部分空间比特向量与编号天线之间形成一对一映射关系。

当选择第二根发送天线时，每根发送天线的激活概率可能出现不等概的情况，当第一部分空间比特向量选择编号为0的激活发送天线时，第二部分空间比特向量为0或1，均会选择编号为1的激活发送天线，这种映射方式为多对一映射，即Gallager映射，此时，编号为1的激活发送天线被选择的概率为1。

步骤4，用信号比特向量选择高维星座点。

参照附图3，对本步骤选择高维星座点步骤做进一步的描述。

图3为高维星座的星座点总数为16时的示意图。图3(a)表示高维星座的第一个复数星座，横轴表示第一个复数星座的星座点的实部，纵轴表示第一个复数星座的星座点的虚部，

表示第一个复数星座的第i个星座点，第i个星座点上标记的数字表示相应编号的高维星座点的正交分量为第一个复数星座上的第i个星座点。图3(b)表示高维星座的第二个复数星座，横轴表示第二个复数星座的星座点的实部，纵轴表示第二个复数星座的星座点的虚部，

表示第二个复数星座的第i个星座点，第i个星座点上标记的数字表示相应编号的高维星座点的同向分量为第二个复数星座上的第i个星座点。

正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数为16，计算高维星座两个复数星座中每个复数星座的星座点总数为

选择二维平面上的两个4-QAM星座，如图3(a)和图3(b)，做笛卡尔积操作，得到一个高维星座

其星座点总数为4×4＝16。

高维星座

的星座点总数与正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数相等。

高维星座

即可作为正交空间编码调制系统的高维星座。

对二进制的信号比特向量做十进制转换，得到小于高维星座星座点总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号星座点，作为待传输的高维信号。对应于第一种编码方式，如果信号比特向量为0000，转化为十进制数为0，选择编号为0的星座点作为待传输的高维信号。信号比特向量与高维信号之间形成一一对应的关系。

参照附图4，对本步骤选择高维星座点步骤做进一步的描述。

图4为高维星座的星座点总数为32时的示意图。图4(a)表示高维星座的第一个复数星座，横轴表示第一个复数星座的星座点的实部，纵轴表示第一个复数星座的星座点的虚部，

表示第一个复数星座的第i个星座点，第i个星座点上标记的数字表示相应编号的高维星座点的正交分量为第一个复数星座上的第i个星座点。图4(b)表示高维星座的第二个复数星座，横轴表示第二个复数星座的星座点的实部，纵轴表示第二个复数星座的星座点的虚部，

表示第二个复数星座的第i个星座点，第i个星座点上标记的数字表示相应编号的高维星座点的同向分量为第二个复数星座上的第i个星座点。

正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数为32，计算高维星座两个复数星座中每个复数星座的星座点总数为

选择二维平面上的两个6-QAM星座，如图4(a)和图4(b)，做笛卡尔积操作，得到一个高维星座

其星座点总数为6×6＝36。

高维星座

的星座点总数与正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数不相等。

从高维星座

中删除6×6-32＝4个欧式距离最小的星座点，得到正交空间编码调制系统的高维星座。

对二进制的信号比特向量做十进制转换，得到小于高维星座星座点总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号星座点，作为待传输的高维信号。对应于第一种编码方式，如果信号比特向量为00000，转化为十进制数为0，选择编号为0的星座点作为待传输的高维信号。信号比特向量与高维信号之间形成一一对应的关系。

步骤5，传输高维信号。

将高维信号在两个复数星座上进行投影，得到正交分量和同向分量的两个分量，其中，正交分量与高维星座中第一个复数星座的星座点相对应，同向分量与高维星座中第二个复数星座的星座点相对应。

用第一根激活发送天线传输高维信号的正交分量，用第二根激活发送天线传输高维信号的同向分量。

接收端接收经过无线信道传输的有扰信号。

本发明实施例中，若选择编号为0的星座点作为带传输的高维信号，对于正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数为16的情形，则用第一根激活发送天线传输高维信号的正交分量，即第一个复数星座对应的星座点(-1,1)，用第二根激活发送天线传输高维信号的同向分量，即第二个复数星座对应的星座点

本发明实施例中，若选择编号为0的星座点作为带传输的高维信号，对于正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数为32的情形，则用第一根激活发送天线传输高维信号的正交分量，即第一个复数星座对应的星座点

用第二根激活发送天线传输高维信号的同向分量，即第二个复数星座对应的星座点(0,2)。

步骤6，对接收信号进行检测。

使用正交空间解调制模块，对接收信号进行解调，得到激活天线和高维星座点的信号软信息；

本发明实施例中，可根据最大似然检测算法，得到激活天线和高维星座点的信号软信息。

步骤7，对信号软信息进行译码。

使用译码模块，对信号软信息进行译码，恢复出信源序列。

本发明实施例中，可使用基于有限域的快速傅里叶变换和积译码算法FFT-QSPA算法迭代50次对信号软信息进行译码，恢复出信源序列。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的描述：

1.仿真条件：

本发明的仿真实验是在瑞利平坦衰落信道下进行的，正交空间编码调制系统的发送天线总数设置为2，接收天线总数为4。

2.仿真内容：

本发明的仿真实验是采用本发明的方法和现有技术中的正交空间调制方法，分别对高维星座和二维星座的正交空间编码调制系统的误比特率性能进行仿真，得到了仿真实验1和仿真实验2。

仿真实验1中的编码采用有限域GF(64)(384,192)LDPC码，调制星座分别为二维星座16-QAM和星座点总数相同的高维星座，仿真结果如图5所示。

图5中的横轴表示信噪比，单位为分贝dB，纵轴表示误比特率，图5中以“■”标示的曲线表示采用本发明的方法，用有限域GF(64)(384,192)LDPC码编码，高维星座点总数为16的正交空间编码调制系统的误比特率性能曲线，图5中以“▲”标示的曲线表示采用现有技术中的正交空间调制方法，用有限域GF(64)(384,192)LDPC码编码，二维星座为16-QAM的正交空间编码调制系统的误比特率性能曲线。

由图5的仿真结果可见，在谱效率均为3bits/s/Hz的情况下，本发明在误比特率为1×10^-5时，与传输二维信号的正交空间编码调制系统相比有2.18dB的增益，可见本发明相比现有技术中的正交空间调制方法具有更好的性能。

仿真实验2中的编码采用有限域GF(128)(328,164)LDPC码，调制星座分别为二维星座32-QAM和星座点总数相同的高维星座，仿真结果如图6所示。

图6中的横轴表示信噪比，单位为分贝dB，纵轴表示误比特率，图6中以“■”标示的曲线表示采用本发明的方法，用有限域GF(128)(328,164)LDPC码编码，高维星座点总数为32的正交空间编码调制系统的误比特率性能曲线，图6中以“▲”标示的曲线表示采用现有技术中的正交空间调制方法，用有限域GF(128)(328,164)LDPC码编码，二维星座为32-QAM的正交空间编码调制系统的误比特率性能曲线。

由图6的仿真结果可见，在谱效率均为3.5bits/s/Hz的情况下，本发明在误比特率为1×10^-5时，与传输二维信号的正交空间编码调制系统相比有2.52dB的增益，可见本发明相比现有技术中的正交空间调制方法具有更好的性能。

Claims (3)

1.一种用于高维信号传输的正交空间编码调制方法，其特征在于，根据Gallager映射规则，激活两根不同的发送天线，用以联合传输高维信号，该方法的步骤包括如下：

(1)对信源序列进行编码：

(1a)信源处理器对待发送的声音、图像信息进行模数转换，得到信源序列；

(1b)编码模块对信源序列进行编码，得到码字序列；

(2)对码字序列进行分组：

将码字序列分为三部分，第一、二部分为相同长度的空间比特向量，第三部分为信号比特向量；

(3)根据Gallager映射规则选择两根激活发送天线：

(3a)天线选择模块对第一部分二进制的空间比特向量做十进制转换，得到小于发送天线总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号天线，作为第一根激活发送天线；

(3b)天线选择模块对第二部分二进制的空间比特向量做十进制转换，得到小于发送天线总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号天线，作为第二根激活发送天线；

(3c)当两根发送天线的编号相等时，天线选择模块利用下述更新公式，计算第二根激活发送天线的编号：

l＝(d+1)modN_t

其中，l表示更新后的第二根激活发送天线的编号，d表示第二部分空间比特向量转换后的十进制数，mod表示求余操作，N_t表示正交空间编码调制系统发送天线的总数；

(4)用信号比特向量选择高维星座点：

(4a)利用星座点总数公式，计算高维星座两个复数星座中每个复数星座的星座点总数：

(4b)对两个复数星座做笛卡尔积操作，得到一个高维星座

(4c)判断正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数与高维星座

的星座点总数是否相等，若是，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；

(4d)将高维星座

作为正交空间编码调制系统的高维星座；

(4e)从高维星座

中删除n个欧式距离最小的星座点，得到正交空间编码调制系统的高维星座，其中，n＝m₁×m₂-M，m₁表示高维星座中第1个复数星座的星座点总数，m₂表示高维星座中第2个复数星座的星座点总数，M表示正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数；

(4f)高维信号调制模块对二进制的信号比特向量做十进制转换，得到小于高维星座星座点总数的一个十进制数，选择与十进制数相等的编号星座点，作为待传输的高维信号；

(5)传输高维信号：

(5a)传输模块将高维信号在两个复数星座上进行投影，得到正交分量和同向分量的两个分量，其中，正交分量与高维星座中第一个复数星座的星座点相对应，同向分量与高维星座中第二个复数星座的星座点相对应；

(5b)传输模块用第一根激活发送天线传输高维信号的正交分量，用第二根激活发送天线传输高维信号的同向分量；

(5c)接收端接收经过无线信道传输的有扰信号；

(6)对接收信号进行检测：

正交空间解调制模块对接收信号进行解调，得到激活天线和高维星座点的信号软信息；

(7)对信号软信息进行译码：

译码模块对信号软信息进行译码，恢复出信源序列。

2.根据权利要求1所述的用于高维信号传输的正交空间编码调制方法，其特征在于，步骤(2)中所述的空间比特向量的长度等于正交空间编码调制系统发送天线总数以2为底的对数值，信号比特向量的长度为高维星座星座点总数以2为底的对数值。

3.根据权利要求1所述的用于高维信号传输的正交空间编码调制方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的星座点总数公式如下：

其中，m_i表示高维星座中第i个复数星座的星座点总数，

表示向上取整操作，

表示开平方操作，M表示正交空间编码调制系统高维星座的星座点总数。

Images