CN110034808B - 一种面向铁路通信天线分组的增强型空间调制传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向铁路通信天线分组的增强型空间调制传输方法，旨在通过天线分组来增加系统的信息传输速率，与传统的增强型空间调制技术相比，本发明显著提升了频谱效率。该方法首先给定高速铁路通信系统的系统参数，以确定增强型空间调制技术天线分组激活方法；然后，测量出实际环境下高速铁路环境下信道矩阵数据；最后，计算出接收信号表达式，依据最大似然检测算法进行解码。本发明的优点是能够有效地提升发射数据比特的传输速率，进而提升系统的频谱效率。

Description

一种面向铁路通信天线分组的增强型空间调制传输方法

技术领域

本发明涉及一种通信传输方法，具体的说是一种面向铁路通信的天线分组的增强型空间调制传输方法，它是一种可以激活不同个数的天线组，且天线组内采用增强型空间调制技术激活不同根天线来传输数据信息的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线移动通信系统是通过采用空间调制技术来提升频谱效率的，该技术不仅通过传统星座调制传输数据流，同时也通过天线索引携带信息量，是一种全新的物理层技术。作为一种新颖的物理层技术，空间调制(SM)技术在无线通信领域得到了广泛的研究。在一个时隙期间，SM仅使用单个天线在基站处发送数据，并且可以有效减少射频(RF)链的数量，这能够实现非常低的发送机和接收机复杂度。广义空间调制(GSM)和增强空间调制(ESM)都是基于SM技术而产生的。GSM技术可以在一个时隙内同时激活多个天线，与SM相比，有效地提高了传输效率。ESM技术在单个激活天线周期内采用主信号星座调制，在激活2个发射天线时采用辅助信号星座调制。另一方面，随着新一代无线移动通信技术的发展，第五代移动通信将提升系统的传输速率列入重点研究内容。与此同时，追求更高的数据传输速率成为了广大研究人员的创新研究目标。近年来，随着我国高速铁路(HSR)日益发展，对高速铁路移动通信提出了更高的要求。广大科研人员在努力提出各种新的通信系统设计方案来提升现有的高速铁路通信系统性能，因此，从技术角度讲，有可能将ESM技术用于高速铁路通信系统，以实现充分利用空间资源，来提升铁路通信系统的性能。

通过对现有文献的检索发现，Marco Di Renzo等人在《IEEE TRANSACTIONS ONVEHICULAR TECHNOLOGY，2012，(电气电子工程师协会车辆技术通信会议，2012年》上发表了题为“Bit Error Probability of SM-MIMO Over Generalized Fading Channels(SM-MIMO在广义衰落信道下的误码率)”一文，该文详细阐明了SM技术的原理和在不同衰落信道模型下的误码率公式；A.Younis等人在《IEEE Conference Record of the Forty FourthAsilomar Conference on Signals,Systems and Computers，2010，(电气电子工程师协会第四十四届信号，系统和计算机会议记录，2010年》上发表了题为“Generalized spatialmodulation(广义空间调制)”一文，该文论证了GSM技术的原理和系统模型，并且详细分析了其性能，并将其用于实际无线通信系统。另经检索发现，Zhao Li等人在《IEEEInternational Conference on Connected Vehicles and Expo，2013(电气电子工程师连接车辆和博览会国际会议,2013年)》上发表了题为“Spatial Modulation in High SpeedRailway Communication(用于高速铁路的空间调制技术)”一文，该文基于已有的空间调制技术的研究，通过仿真分析了高速铁路上空间调制技术在接收机采用最大似然检测的误码率，同时还分析了其鲁棒性和应用场所等，以上三篇文献分别创新性地研究了空间调制技术和广义空间调制技术。

经检索还发现，Chien-Chun Cheng等人首先关注ESM技术，并在《IEEETransaction on Communications June 2015，(电气电子工程师协会通信领域期刊，2015年6月)》上发表的文章“Enhanced Spatial Modulation with Multiple SignalConstellations(多信号星座增强型空间调制技术)”。该文基于传统的空间调制(SM)技术进行了一些研究，提出了一种提高资源利用率的增强型空间调制算法。在这种算法下，当系统激活1根天线时采用主星座信号调制发送数据流，当系统激活2根天线采用辅助星座信号调制传输数据流。系统不仅能够获得较好的吞吐率、接收机复杂度和误码率相对有所改善，而且算法的复杂度低，对发射机和接收机射频链路的链路数要求变少了。但是，该文只是基于空间调制情况下的改善，即每一个时隙只有一根或者两根天线被激活，其余天线均保持静默，并没有将该项技术用于HSR通信系统中，也没有充分利用天线索引空间资源。

经检索专利发明发现，西安交通大学徐静等人发明了“一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法”(公开号：CN106850012A)。该发明技术公开了一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法，假设发送者能获得合法用户和窃听用户的信道状态信息，发送者利用预编码辅助的广义正交空间调制技术，根据待传输的比特数据，得到接收天线的索引号以及待发送符号，再利用发送者和合法用户间的信道状态信息获得迫零预编码矩阵，并在发送者和合法用户间的信道的零空间添加人工噪声,最后通过最大化保密容量来求得最优功率分配；利用发送者和合法用户间的信道状态信息，合法用户能够顺利解码发送者发送的信息，而窃听用户受到人工噪声的干扰，不能正确译码，从而实现物理层安全，该项发明在相同的信噪比下能稳定获得更高的安全容量。此外，检索还发现清华大学王劲涛等人发明了“广义空间调制通信系统中发射端的活跃天线组的选择方法”(公开号：CN108199756A)。该项发明公开了一种广义空间调制通信系统中发射端的活跃天线组的选择方法，包括：在广义空间调制通信系统中的接收端进行信道估计，并通过反馈信道将估计出的信道状态信息发送到发射端；发射端接收所述信道状态信息，并利用平方极大极小欧式距准则处理所述信道状态信息，确定发射端的各个活跃天线组对应的最小平方欧式距；发射端比较各个活跃天线组对应的最小平方欧式距，将值最大的最小平方欧式距对应的活跃天线组选择为广义空间调制通信系统的活跃天线组。该方法能够提高广义空间调制通信系统中信号传输的效率，在极大极小欧式距准则下能够取得最好的误符号率性能，同时相比现有的穷举算法降低了一半以上的计算复杂度，提升了系统性能。

通过以上的分析和总结，能够很遗憾地发现现有的公开文献和专利极少数有将现有的空间调制技术及其衍生的其他类似调制技术用于铁路通信系统，并且以上所提技术系统容量并不乐观。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足即传统空间调制技术以及增强型空间调制技术频谱效率低，而提供一种面向铁路通信的天线分组的增强型空间调制传输方法。

本发明提供一种面向铁路通信天线分组的增强型空间调制传输方法，包括以下步骤：

第一步，给定高速铁路通信系统的系统参数，以确定增强型空间调制技术天线分组激活方法；

第二步，测量出实际环境下高速铁路环境下信道矩阵数据；

第三步，计算出接收信号表达式，依据最大似然检测算法进行解码。

本发明创新性地在ESM技术上公开了一种基于天线分组的用于铁路通信系统增强型空间调制技术(EGSM)，并通过严密的推理演算，仿真分析论证了其可行性。该技术将所提EGSM技术合理用在铁路通信系统，并且相对于传统地SM、ESM技术而言，提升了系统的吞吐量。

相比于现有的空间调制(SM)技术，本发明的增强型空间调制(ESM)技术通过在每个时隙采用主星座信号和辅助星座信号调制，同时天线组内采用增强型空间调制技术能激活1或者2个天线传输数据信息，是能够进一步提高系统性能的多天线技术，可以进一步有效的提升发射数据比特的传输速率，进而提升系统的频谱效率。本发明针对上述现有技术的不足和一些缺陷，例如系统吞吐量不乐观等进行了方案的改造，提供了一种基于天线分组的增强型空间调制(GESM)技术方法，并可将其用于实际的铁路通信系统中。本发明公开的技术可概括为三部分：首先，根据给定高速铁路通信系统的系统参数，确定增强型空间调制技术天线分组激活方法，给出天线组内和天线组间的天线激活和调制映射关系；其次，测量出实际环境下高速铁路环境下信道矩阵数据，以用于后续信号的解码计算；最后，计算出接收端接收信号的时域表达式，依据最大似然检测算法进行解码，译码求出原发送的信源符号。

作为本发明的进一步技术方案，本发明考虑以下给定的系统模型参数，将基站发射机配备天线总数量设定为N_T，基站发射机天线组的数量设定为N_AB，则每一个天线组中天线的数量为

基站发射端采用主星座信号和辅助星座信号调制，当激活1根发射天线时系统采用主星座信号调制，其调制阶数为M₁，当激活2根发射天线时系统采用辅助星座信号调制，其调制阶数为M₂，M₁和M₂的关系一般满足

设列车上接收机配备天线的数量为N_R，接收机采用N_R根天线来接收基站发射的信息，则标记符号(N_T，N_AB，M₁，M₂，N_R)为系统的参数。

在第一步中，确定增强型空间调制技术天线分组激活方法的具体步骤如下：

(11)确定每个天线组的天线激活组合的情况；

由于每个天线组是被均匀地划分，所以每一个天线组组内天线的选择实际是一样的，每个组内的天线数量均为

根据空间调制的思想可知，可以从这n_t根天线组中选择1根或者2根天线，当选择1根天线时采用的调制阶数为M₁(为便于分析假定M₁＝4)，当选择2根天线时采用的调制阶数为M₂(为便于分析假定M₂＝2)。则可以给出天线组合情况和调制阶数的映射对应关系，如表格1所示：

表格1：天线组内—天线组合与调制映射关系

	Ant<sub>1</sub>	Ant<sub>2</sub>
			Com<sub>1</sub>	QPSK	0
Com<sub>2</sub>	0	QPSK
			Com<sub>3</sub>	BPSK<sub>0</sub>	BPSK<sub>0</sub>
Com<sub>4</sub>	BPSK<sub>1</sub>	BPSK<sub>1</sub>

上述表格中，Com_i代表第i种天线组合数，BPSK₀和BPSK₁分别代表辅助星座这两种星座的不同二进制调制方案。QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin)代表正交相移键控，Ant₁、Ant₂分别代表第一个天线和第二个天线。

(12)确定天线组之间的天线激活组合情况；

由于每个天线组完全一样，且每个天线组内的天线组合情况和调制阶数的映射对应关系如上述讨论的一样，那么总的N_AB(为便于分析假定N_AB＝2)个天线组在不同的激活状态下，可供选择的激活天线组的数量不同，激活天线组的数量为i,1≤i≤N_AB，则天线组合情况和调制阶数的映射对应关系如表2所示:

表2：发射端—天线组合与调制映射选择

上述表格中，Com_i代表低i种天线组合数，BPSK₀和BPSK₁分别代表辅助星座这两种星座的不同二进制调制方案，字母Y、N分别代表天线组激活与否。AB₁代表第一个天线组、AB₂代表第二个天线组、Ant_1-1代表第一个天线组中的第1个天线、Ant_1-2代表第一个天线组中的第2个天线、Ant_2-1代表第二个天线组中的第1个天线、Ant_2-2代表第二个天线组中的第2个天线。

在第二步中，结合高速铁路环境下特殊的传播环境可知高铁信道环境变化很快，基站的发射机和列车上的接收机之间的信道矩阵采用符号H标记，通过实际数据测量构建实际环境下高速铁路环境下信道矩阵H的元素值。

第三步中，解码的具体步骤如下：

(31)根据已测量的高铁信道矩阵H中的数据，计算出下面接收信号数学模型的表达式，

y＝Hs+n

其中，y是接收端接收信号，H是维度为N_R×N_T的信道矩阵，s是发射端信号，n是信道中叠加在信号中的高斯白噪声。

(32)在接收机处根据最大似然检测算法进行译码，它是一种最优的信号检测算法。基于空间调制和广义空间调制的最大似然检测，是一种联合检测天线索引和调制符号的算法，需要穷尽检索所有的天线索引/符号对。本发明的基于天线分组的增强型空间调制技术在接收机处也采用最大似然检测算法。基于天线分组的增强型空间调制技术系统在接收端进行检测时，最大似然检测公式的表达式为

其中，I和S分别是解调后的信号符号和天线索引，P_R(·|·)是条件概率函数，

代表向量的二范数，y是接收端接收信号，H是维度为N_R×N_T的信道矩阵，s是发射端信号。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：能够有效地提升发射数据比特的传输速率，进而提升系统的频谱效率。

附图说明

图1为本发明中用于HSR系统的基于天线分组的增强型空间调制系统模型图；

图2是系统信号空间维度示意图；

图3是不同方案信息容量性能对比示意图；

图4是不同参数下GESM信息容量性能对比示意图；

图5是不同方案接收机复杂度对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例假设在具体方案的实施时考虑以下情况，基站配置的参数为N_AB＝2，即2个天线组，每个天线组的天线数量为n_t＝2，则天线总的数量为N_T＝4，主星座信号调制阶数M₁＝4，辅助星座信号调制阶数M₂＝2。列车顶部车载台上的接收装置天线为N_R＝4。在一个时隙周期内，基站每个天线组内可供激活的天线数量为1或者2，激活的天线用于传输信息，其余未被激活的发射天线不用于传输信息。同时，可以激活不同个数的天线组，被激活的天线组保持工作，未被激活的天线组总体保持静默不携带任何信息。

为了便于分析计算，对系统模型做以下简化，假设列车上的每一个接收机作为一个独立的虚拟用户。基站侧发射采用增强型空间调制技术，每个时隙从N_AB个天线组中选择i(i∈{1，2，L N_AB})个用于激活发射数据流，且i≤N_AB，其它的天线组保持静默；每个天线组内是从n_t根天线中选择1或者2根天线激活，未被激活的天线保持静默状态。因此，在给定系统参数的情况下，总的激活天线总的组合数为

本实施的方法包括步骤如下：

第一步，给定高速铁路通信系统的系统参数，确定增强型空间调制技术天线分组激活方法。

本实施例考虑以下给定的系统模型参数，即基站发射机配备天线总数量为N_T，基站发射机天线组的数量设定为N_AB，则每一个天线组中天线的数量为

基站发射端采用主星座信号和辅助星座信号调制，当激活1根发射天线时系统采用主星座信号调制，调制阶数为M₁，当激活2根发射天线时系统采用辅助星座信号调制，调制阶数为M₂，M₁和M₂的关系一般满足

列车上接收机配备天线的数量为N_R来接收基站发射的信息。标记符号(N_T，N_AB，M₁，M₂，N_R)为系统的参数。

1)首先确定每个天线组的天线激活组合的情况；

由于每个组是被均匀的划分，所以每一个天线组组内天线的选择实际一样，每个组内的天线数量为

根据空间调制的思想可知，可以从这n_t根天线组选择1根或者来根，当选择1根时采用的调制阶数为M₁(为便于分析假定M₁＝4)，当选择2根时采用的调制阶数为M₂(为便于分析假定M₂＝2)。则可以给出天线组合情况和调制阶数的映射对应关系如表格1所示。

表格1：天线组内—天线组合与调制映射关系

	Ant<sub>1</sub>	Ant<sub>2</sub>
			Com<sub>1</sub>	QPSK	0
Com<sub>2</sub>	0	QPSK
			Com<sub>3</sub>	BPSK<sub>0</sub>	BPSK<sub>0</sub>
Com<sub>4</sub>	BPSK<sub>1</sub>	BPSK<sub>1</sub>

表格中，Com_i代表低i种天线组合数，BPSK₀和BPSK₁分别代表辅助星座的两种星座不同的二进制调制方案。QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin)代表正交相移键控，Ant₁、Ant₂分别代表第一个天线和第二个天线。

2)其次确定天线组之间的天线激活组合的情况；

由于每个天线组的完全一样，且每个天线组内的天线组合情况和调制阶数的映射对应关系如上述讨论的一样，那么总的N_AB(为便于分析假定N_AB＝2)个天线组在不同的激活状态下，可供选择的激活天线组的数量不同，激活天线组的数量为i,1≤i≤N_AB，则天线组合情况和调制阶数的映射对应关系如表2所示。

表2：发射端—天线组合与调制映射选择

表格中，Com_i代表低i种天线组合数，BPSK₀和BPSK₁分别代表辅助星座的两种星座不同的二进制调制方案，字母Y、N分别代表天线组激活与否。AB₁代表第一个天线组、AB₂代表第二个天线组、Ant_1-1代表第一个天线组中的第1个天线、Ant_1-2代表第一个天线组中的第2个天线、Ant_2-1代表第二个天线组中的第1个天线、Ant_2-2代表第二个天线组中的第2个天线。

第二步，测量出实际环境下高速铁路环境下信道矩阵数据。

结合高速铁路环境下特殊的传播环境可知高铁信道环境变化很快，基站的发射机和列车上的接收机之间的信道矩阵我们用符号为H标记，通过实际数据测量构建实际环境下高速铁路环境下信道矩阵H的元素值。

第三步，计算出接收信号表达式，依据最大似然检测算法进行解码。

首先，根据已测量的高铁信道矩阵H数据，计算出接收信号数学模型的表达式：

y＝Hs+n

上式中，y是接收端接收信号，H是维度为N_R×N_T的信道矩阵，s是发射端信号，n是信道中叠加在信号中的高斯白噪声。然后在接收机处根据最大似然检测算法进行译码，它是一种最优的信号检测算法。基于空间调制和广义空间调制的最大似然检测，是一种联合检测天线索引和调制符号的算法，需要穷尽检索所有的天线索引/符号对。本发明的基于天线分组的增强型空间调制技术在接收机处也采用最大似然检测算法。基于天线分组的增强型空间调制技术系统在接收端进行检测时，最大似然检测公式的表达式如下：

上式中I和S分别解调后的信号符号和天线索引，P_R(·|·)是条件概率函数，

代表向量的二范数，y是接收端接收信号，H是维度为N_R×N_T的信道矩阵，s是发射端信号。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种面向铁路通信天线分组的增强型空间调制传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，给定高速铁路通信系统的系统参数，以确定增强型空间调制技术天线分组激活方法；将基站发射机配备天线总数量设定为N_T，基站发射机天线组的数量设定为N_AB，则每一个天线组中天线的数量为

基站发射端采用主星座信号和辅助星座信号调制，当激活1根发射天线时系统采用主星座信号调制，其调制阶数为M₁，当激活2根发射天线时系统采用辅助星座信号调制，其调制阶数为M₂，M₁和M₂的关系一般满足

设列车上接收机配备天线的数量为N_R，接收机采用N_R根天线来接收基站发射的信息，则标记符号(N_T，N_AB，M₁，M₂，N_R)为系统的参数；确定增强型空间调制技术天线分组激活方法的具体步骤如下：

(11)确定每个天线组的天线激活组合的情况；

每个天线组是被均匀地划分，每个组内的天线数量均为

从这n_t根天线组中选择1根或者2根天线，当选择1根天线时采用的调制阶数为M₁，当选择2根天线时采用的调制阶数为M₂，天线组合与调制方案具有映射关系；

(12)确定天线组之间的天线激活组合的情况

激活天线组的数量为i,1≤i≤N_AB，天线组合与调制方案具有映射关系；

第二步，测量出实际环境下高速铁路环境下信道矩阵数据；

第三步，计算出接收信号表达式，依据最大似然检测算法进行解码。

2.根据权利要求1所述一种面向铁路通信天线分组的增强型空间调制传输方法，其特征在于，在第二步中，基站的发射机和列车上的接收机之间的信道矩阵采用符号H标记，通过实际数据测量构建实际环境下高速铁路环境下信道矩阵H的元素值。

3.根据权利要求2所述一种面向铁路通信天线分组的增强型空间调制传输方法，其特征在于，第三步中，解码的具体步骤如下：

(31)根据已测量的高铁信道矩阵H中的数据，计算出下面接收信号数学模型的表达式，

y＝Hs+n

其中，y是接收端接收信号，H是维度为N_R×N_T的信道矩阵，s是发射端信号，n是信道中叠加在信号中的高斯白噪声；

(32)在接收机处根据最大似然检测算法进行译码，最大似然检测公式的表达式为

其中，I和S分别是解调后的信号符号和天线索引，P_R(·|·)是条件概率函数，

代表向量的二范数，y是接收端接收信号，H是维度为N_R×N_T的信道矩阵，s是发射端信号。

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