CN109889242B - 一种中心循环权重广义空移键控调制装置与调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中心循环权重广义空移键控调制装置，其特征在于，包括：串并变换模块；激活天线组映射模块；中心循环权重空移键控符号生成模块；发射向量合成模块。本发明的另一个技术方案是提供了一种中心循环权重广义空移键控调制方法。本发明具有高可靠性和良好的频谱效率，并能灵活激活任意根天线，可适用于车联网中车路通信或车车通信场景中，提升接收与发射天线不平衡链路的通信质量。

Description

一种中心循环权重广义空移键控调制装置与调制方法
技术领域
本发明涉及一种高可靠的中心循环权重广义空移键控(Centre-WeightedCocyclic Matrics Generalized Space Shift Keying，CWCM-SSK)调制装置与调制方法，属于车联网通信技术领域。特别地，当中心循环权重正交变换采用Butson-Hadamard矩阵时，本发明的调制装置简称为Butson-Hadamard广义空移键控(Butson-HadamardGeneralized Space Shift Keying,BHSSK)调制。
背景技术
随着5G移动通信、物联网和智能城市的快速发展，车联网成为智能交通的重要组成部分，车联网通信也是国际标准化组织定义的5G重要场景之一，包括了车对车(V2V)、车对人(V2P)、车对路(V2I)等多种通信应用模式，极大提升驾驶安全和交通效率。实现高效、低时延、高可靠的通信质量、支持各种优先等级的业务通信需求是当前车联网通信亟待解决的问题。
在提升通信频率效率方面，传统MIMO技术通过引入空间资源，通过利用多根天线同时传输数据，实现大容量通信，但由此带来的天线间同步(IAS)和信道间干扰(ICI)的问题使接收机复杂度上升，造成相应的设备体积或成本上升。
在智能交通应用场景中，路边单元可以有更多资源采用复杂的多天线，提供覆盖区内多辆车的通信链路，而车载单元由于体积限制一般采用天线数目小的低配置，以降低成本、减小干扰。而现有的MIMO的技术对于车联网通信接收天线小于发射天线的不平衡链路情况下，应用复杂度高，实际应用受限。
近年来，空间位移键控(SSK)作为空间调制(SM)的一种简化形式，它只利用天线序号来传递信息。由于在被激活的天线上发送相同的信号，在接收端只需检测发送天线的序号，无需判断天线发送的符号，复杂度有所降低。为了提高传输速率，在发送端还可以激活多根天线，称为广义空间位移键控(GSSK)。
但现有空间调制技术用于车联网通信仍面临很多挑战，譬如，GSSK和GSM频谱效率难以满足日益增长的移动流量需求，MA-SM虽具有较高的频谱效率，但实际误码率较高，无法保证可靠通信。
总结而言，当前空间调制技术的原理为：
广义空移键控(GSSK)：通过利用激活天线组合来承载全部比特信息。
广义空间调制(GSM)：通过利用激活天线组合且传输相同的数字调制信息来承载比特信息，比GSSK有更高的频谱效率。
多个激活天线空间调制(MA-SM)：通过利用激活天线组合且传输不同数字调制信息来承载比特信息，比GSM有更高的频谱效率。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高可靠的广义空移键控调制技术。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种中心循环权重广义空移键控调制装置，其特征在于，包括：
串并变换模块，用于将原始比特信息变换为并行的两组比特信息流，两组比特信息流分别为激活天线组合比特信息流bl和符号映射比特信息流bs；
激活天线组映射模块，用于接收激活天线组合比特信息流bl后,依据二进制码顺序激活天线组合l中的各个天线；
中心循环权重空移键控符号生成模块，依据接收到的符号映射比特信息流bs生成空移键控符号s；
发射向量合成模块，用于将符号s调制到相应的激活天线组合l上形成完整的发射向量x，并驱动发射天线将发射信号x发射出去。
优选地，所述中心循环权重空移键控符号生成模块包括符号生成矩阵及符合映射模块，其中：
符号生成矩阵，用于产生中心循环权重正交矩阵后，利用中心循环权重正交矩阵产生空移键控符号生成矩阵Sn；
符合映射模块，符号映射比特信息流bs通过符合映射模块从符号生成矩阵产生的空移键控符号生成矩阵Sn中映射相应的列向量，产生空移键控符号s。
优选地，所述中心循环权重正交矩阵为n阶的Butson-Hadamard矩阵Un，矩阵Un满足[Un]n＝1，且矩阵Un列之间满足共轭正交，有：
Un＝w(u-1)(v-1)，式中，
Figure BDA0001956705080000031
u,v＝1,2,3,...,n；
则，所述空移键控符号生成矩阵Sn有：
Sn＝[Un,w×Un,...,wn-1×Un]。
优选地，所述符号映射比特信息流bs采用格雷码的映射顺序选择所述列向量产生所述空移键控符号s。
本发明的另一个技术方案是提供了一种中心循环权重广义空移键控调制方法，采用上述的调制器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、由串并变换模块将原始比特信息变换为并行的两组比特信息流，两组比特信息流分别为激活天线组合比特信息流bl和符号映射比特信息流bs；
步骤2、激活天线组合比特信息流bl输入激活天线组映射模块后，依据二进制码顺序激活天线组合l中的各个天线，天线组合l中有Np根发射天线，则
Figure BDA0001956705080000032
li表示第i根发射天线；
同时，符号映射比特信息流bs输入中心循环权重空移键控符号生成模块后产生空移键控符号s；
步骤3、由发射向量合成模块将空移键控符号s调制到相应的激活天线组合l上形成完整的发射向量x，并驱动发射天线将发射信号x发射出去。
优选地，所述激活天线组合比特信息流bl包含有
Figure BDA0001956705080000033
比特的信息，式中，Nt表示发射天线总个数；所述符号映射比特信息流bs包含有
Figure BDA0001956705080000034
比特的信息。
优选地，步骤2中，所述空移键控符号s表示为：s＝(s1,...,sn)，则所述发射向量x表示为：
Figure BDA0001956705080000035
本发明具有高可靠性和良好的频谱效率，并能灵活激活任意根天线，可适用于车联网中车路通信或车车通信场景中，提升接收与发射天线不平衡链路的通信质量，具体具有如下优点：
(1)本发明提出的中心循环权重广义空移键控调制技术，主要思想是采用中心循环加权矩阵的正交变换设计出符号生成矩阵，实现空移键控符号映射，因而符号间具有良好的正交性，且格雷码码距远，抗干扰性好、误码率低、可靠性高。
(2)调制装置输出发射向量的全部比特都用于了调制输入比特信息，较通常空移键控方法提升了频谱效率；激活天线数目可依据数据率需求任意选择，激活天线数目不受2的幂级数限制，灵活性好，复杂度低。
(3)新调制装置可适用于车联网通信系统天线不平衡链路，既使在阴影衰落、多径传播等恶劣信道环境下，仍然保持高可靠高效传输。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为中心循环权重广义空移键控调制CWCM-SSK/BHSSK与现有技术的频谱效率对比图；
图3为中心循环权重广义空移键控调制CWCM-SSK/BHSSK与现有技术在瑞利信道下的误码率对比图；
图4为中心循环权重广义空移键控调制CWCM-SSK/BHSSK与现有技术在莱斯信道下的误码率对比图；
图5为中心循环权重广义空移键控调制CWCM-SSK/BHSSK在车联网车路(V2I)通信、车车(V2V)通信应用示例图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明公开了中心循环权重广义空移键控调制装置，包括：
串并变换模块，用于将原始比特信息变换为并行的两组比特信息流，两组比特信息流分别为激活天线组合比特信息流bl和符号映射比特信息流bs。
激活天线组映射模块，用于接收激活天线组合比特信息流bl后依据二进制码顺序激活天线组合l中的各个天线。
中心循环权重空移键控符号生成模块，依据接收到的符号映射比特信息流bs生成空移键控符号s。
中心循环权重空移键控符号生成模块包括符号生成矩阵及符合映射模块，其中：
符号生成矩阵，用于产生中心循环权重正交矩阵后，利用中心循环权重正交矩阵产生空移键控符号生成矩阵Sn；
符合映射模块，符号映射比特信息流bs通过符合映射模块采用格雷码的映射顺序从符号生成矩阵产生的空移键控符号生成矩阵Sn中映射相应的列向量，产生空移键控符号s。格雷码码距远，进一步提高传输可靠性。
在本实施例中，中心循环权重正交矩阵为n阶的Butson-Hadamard矩阵Un，矩阵Un满足[Un]n＝1，且矩阵Un列之间满足共轭正交，有：
Un＝w(u-1)(v-1)，式中，
Figure BDA0001956705080000051
u,v＝1,2,3,...,n；
则，所述空移键控符号生成矩阵Sn有：
Sn＝[Un,w×Un,...,wn-1×Un]。
发射向量合成模块，用于将符号s调制到相应的激活天线组合l上形成完整的发射向量x，并驱动发射天线将发射信号x发射出去。
本发明公开的中心循环权重广义空移键控调制将输入信息比特先分为并行的两部分，分别进行激活天线组映射以及空移键控符号映射；前者以二进制码顺序激活天线组映射天线序号，后者以格雷码顺序映射空移键控符号；最后形成一个完整的合成发射向量输出，即将所映射的空移键控符号调制在所映射的激活天线组的各个天线上，发射调制信息，具体包括以下步骤：
步骤1、由串并变换模块将原始比特信息变换为并行的两组比特信息流，两组比特信息流分别为激活天线组合比特信息流bl和符号映射比特信息流bs。激活天线组合比特信息流bl包含有
Figure BDA0001956705080000052
比特的信息，式中，Nt表示发射天线总个数；所述符号映射比特信息流bs包含有
Figure BDA0001956705080000053
比特的信息。
步骤2、激活天线组合比特信息流bl输入激活天线组映射模块后，依据二进制码顺序激活天线组合l中的各个天线，天线组合l中有Np根发射天线，则
Figure BDA0001956705080000061
li表示第i根发射天线；
同时，符号映射比特信息流bs输入中心循环权重空移键控符号生成模块后产生空移键控符号s，s＝(s1,...,sn)；
步骤3、由发射向量合成模块将空移键控符号s调制到相应的激活天线组合l上形成完整的发射向量x，
Figure BDA0001956705080000062
并驱动发射天线将发射信号x发射出去。
表1为中心循环权重广义空移键控调制CWCM-SSK/BHSSK激活天线组合映射表示例：
比特信息b<sub>s</sub> 激活天线组合数K
0000 0
0001 1
0010 2
0011 3
0100 4
0101 5
0110 6
0111 7
1000 8
1001 9
1010 10
1011 11
1100 12
1101 13
1110 14
1111 15
表2为中心循环权重广义空移键控调制CWCM-SSK/BHSSK格雷码空间键控符号映射表示例：
比特信息b<sub>s</sub> 符号向量s<sup>T</sup>
0000 [1,1,1,1,1]
0001 [1,w,w<sup>2</sup>，w<sup>3</sup>,w<sup>4</sup>]
0011 [1,w<sup>2</sup>,w<sup>4</sup>,w,w<sup>3</sup>]
0010 [1，w<sup>3</sup>，w，w<sup>4</sup>，w<sup>2</sup>]
0110 [1，w<sup>4</sup>，w<sup>3</sup>，w<sup>2</sup>，w]
0111 [w，w，w，w，w]
0101 [w，w<sup>2</sup>，w<sup>3</sup>，w<sup>4</sup>，w<sup>5</sup>]
0100 [w，w<sup>3</sup>，w<sup>5</sup>，w<sup>2</sup>，w<sup>4</sup>]
1100 [w，w<sup>4</sup>，w<sup>2</sup>，w<sup>5</sup>，w<sup>3</sup>]
1101 [w，w<sup>5</sup>，w<sup>4</sup>，w<sup>3</sup>，w<sup>2</sup>]
1111 [w<sup>2</sup>，w<sup>2</sup>，w<sup>2</sup>，w<sup>2</sup>，w<sup>2</sup>]
1110 [w<sup>2</sup>，w<sup>3</sup>，w<sup>4</sup>，w<sup>5</sup>，w]
1010 [w<sup>2</sup>，w<sup>4</sup>，w，w<sup>3</sup>，w<sup>5</sup>]
1011 [w<sup>2</sup>，w<sup>5</sup>，w<sup>3</sup>，w，w<sup>4</sup>]
1001 [w<sup>2</sup>，w，w<sup>5</sup>，w<sup>4</sup>，w<sup>3</sup>]
1000 [w<sup>3</sup>，w<sup>3</sup>，w<sup>3</sup>，w<sup>3</sup>，w<sup>3</sup>]
应当注意的是：本发明具体实施时进行某些调整，譬如：中心循环权重广义空移键控调制装置的符号生成矩阵，也可以用其它中心循环权重矩阵类型等正交变换矩阵替代，包括Butson-Hadamard矩阵，等等，而不改变本发明的基本结构和工作原理。

Claims (5)

1.一种中心循环权重广义空移键控调制装置，其特征在于，包括：
串并变换模块，用于将原始比特信息变换为并行的两组比特信息流，两组比特信息流分别为激活天线组合比特信息流bl和符号映射比特信息流bs；
激活天线组映射模块，用于接收激活天线组合比特信息流bl后依据二进制码顺序激活天线组合l中的各个天线；
中心循环权重空移键控符号生成模块，依据接收到的符号映射比特信息流bs生成空移键控符号s；映射可采用中心循环权重矩阵广义变换；
中心循环权重空移键控符号生成模块包括符号生成矩阵及符合映射模块，其中：
符号生成矩阵，用于产生中心循环权重正交矩阵后，利用中心循环权重正交矩阵产生空移键控符号生成矩阵Sn；
中心循环权重正交矩阵为n阶的Butson-Hadamard矩阵Un，矩阵Un满足[Un]n＝1，且矩阵Un列之间满足共轭正交，有：
Un＝w(u-1)(v-1)，式中，
Figure FDA0003069602220000011
u,v＝1,2,3,...,n；
则生成的所述空移键控符号生成矩阵Sn有：
Sn＝[Un,w×Un,...,wn-1×Un]；
符合映射模块，符号映射比特信息流bs通过符合映射模块从符号生成矩阵产生的空移键控符号生成矩阵Sn中映射相应的列向量，产生空移键控符号s；
发射向量合成模块，用于将符号s调制到相应的激活天线组合l上形成完整的发射向量x，并驱动发射天线将发射信号x发射出去。
2.如权利要求1所述的一种中心循环权重广义空移键控调制装置，其特征在于，所述符号映射比特信息流bs采用格雷码的映射顺序选择所述列向量产生所述空移键控符号s。
3.一种中心循环权重广义空移键控调制方法，采用如权利要求1所述的调制装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、由串并变换模块将原始比特信息变换为并行的两组比特信息流，两组比特信息流分别为激活天线组合比特信息流bl和符号映射比特信息流bs；
步骤2、激活天线组合比特信息流bl输入激活天线组映射模块后，依据二进制码顺序激活天线组合l中的各个天线，天线组合l中有Np根发射天线，则
Figure FDA0003069602220000021
li表示第i根发射天线；
同时，符号映射比特信息流bs输入中心循环权重空移键控符号生成模块后产生空移键控符号s；
步骤3、由发射向量合成模块将空移键控符号s调制到相应的激活天线组合l上形成完整的发射向量x，并驱动发射天线将发射信号x发射出去。
4.如权利要求3所述的一种中心循环权重广义空移键控调制方法，其特征在于，所述激活天线组合比特信息流bl包含有
Figure FDA0003069602220000022
比特的信息，式中，Nt表示发射天线总个数；所述符号映射比特信息流bs包含有
Figure FDA0003069602220000023
比特的信息。
5.如权利要求3所述的一种中心循环权重广义空移键控调制方法，其特征在于，步骤2中，所述空移键控符号s表示为：s＝(s1,...,sn)，则所述发射向量x表示为：
Figure FDA0003069602220000024
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