CN110071893B - 基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法，属无线数字传输技术领域。该系统包括信源和信宿，通信过程首先两个时隙的信源信息比特经串并转换分为六部分进入正交空间调制单元，两部分用来映射为两个时隙的调制符号x_q及x_p，再将其进行角度旋转获得x_q’及x_p’；另四部分分别用来选择两个时隙信源激活发送调制符号实部和虚部的天线l，i及k，f；随后，时隙1，信源将x_q’的实部及x_p’的虚部经激活的天线发送至信宿，时隙2，x_p’的实部及x_q’的虚部经激活天线发送至信宿；最后信宿对两个时隙的接收信号进行联合解调。本发明通过信号空间分集有效弥补正交空间调制系统缺乏发送分集的缺点，通过引入信号空间分集提高系统性能。

Description

基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法，属于无线数字传输技术领域。

背景技术

空间调制技术作为一种特殊的多输入多输出技术，在发送端激活一根天线来传输数据，将一部分发送信息映射到空间域来选择需要激活的天线，其余信息比特映射到传统数字调制星座图上。空间调制技术可有效地避免信道间干扰(ICI)和天线间同步(IAS)的问题，同时在保持系统频谱效率和性能的基础上降低了系统的复杂度，是一种非常有潜力的通信传输技术。正交空间调制技术是空间调制技术的发展和变形，将调制符号的实部和虚部分别激活不同发射天线又经余弦载波及正弦载波进行传输，因不同激活发射天线的信号是相互正交的，同样有效避免了信道间干扰问题，同时进一步提高了系统的频谱效率。

信号空间分集是一种不同于时间分集、空间分集等的分集，也可以称为调制分集。信号空间分集通过将任何两个调制符号之间的不同分量的最小数量最大化来获得信号空间分集增益，来提升系统的性能。增加信号空间分集的关键在于将一定的角度旋转应用于经典信号星座符号，使得任何两个星座符号实现最大数量的不同分量。将信号空间分集和空间调制系统相结合的通信系统，可以利用信号空间分集带来的调制分集增益弥补空间调制缺乏发射分集的不足，增加系统的分集增益，从而提高系统的通信质量。Z.Wu等(参见Z.Wu and X.Gao,“An efficient MIMO scheme with signal space diversity forfuture mobile communications,”EURASIP J.Wireless Commun.Netw.,DOI:10.1186/s13638-015-0301-x.)提出了一种基于信号空间分集的高效多输入多输出结构，并通过信号空间分集及空时编码，所提出的方案联合优化了信道编码，调制及MIMO，提高了系统链路的可靠性和能效。S.Althunibat等(参见S.Althunibat and R.Mesleh,“Enhancingspatial modulation system performance through signal space diversity,”IEEECommun.Lett.,vol.22,no.6,pp.1136-1139,Jun.2018.)将空间调制与信号空间分集相结合设计了分集增强型空间调制系统，并分析了分集增强型空间调制的平均误比特率的上界，但该方案的频谱效率受到了一定的限制，系统性能的提升有限。

发明内容

根据现有技术和解决方案的缺点和不足，本发明提供了一种频谱效率更高，系统性能更好的基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法，该系统包括一个信源和一个信宿，信源包括正交空间调制单元和角度旋转单元并配备N_t＝2^m根发射天线，m＝1,2…；正交空间调制单元包括M阶调制符号选择单元、调制符号正交分量选择单元、调制符号同相分量选择单元、调制符号正交分量发送天线选择单元和调制符号同相分量发送天线选择单元；信宿包括联合最大似然检测单元和解调器单元并配备N_r＝2ⁿ根接收天线，n＝0,1…,系统通信过程包括三个步骤，首先，连续两个时隙的信源发送比特序列经串并转换分为六部分进入信源的正交空间调制单元，其中进入正交分量发送天线选择单元的信息序列分别激活第一时隙的调制符号正交分量(即调制符号的虚部)发射天线i和第二时隙的调制符号正交分量发射天线f，进入同相分量发送天线选择单元的信息序列分别激活第一时隙的调制符号同相分量(即调制符号的实部)发射天线l和第二时隙的调制符号同相分量发射天线k，进入M阶调制符号选择单元的比特序列映射为传统的M阶幅度相位调制(APM)星座符号x_q，x_p，其中：q，p∈{1,…,M}，如M-PSK(M阶相移键控调制)星座符号或者M-QAM(M阶正交振幅调制)星座符号，星座符号x_q，x_p分别进入角度旋转单元进行角度θ(θ为使系统的平均误码率性能达到最优的角度，其取值范围为[0,π/2])的旋转获得旋转后的符号x'_q、x'_p；其次，在第一传输时隙，通过调制符号正交分量选择单元和调制符号同相分量选择单元将x'_q的实部和x'_p的虚部分别经激活的发射天线l、i传送到信宿，在第二传输时隙，经调制符号正交分量选择单元和调制符号同相分量选择单元将x'_p的实部和x'_q的虚部分别经激活的k、f天线发送给信宿；最后信宿根据联合最大似然检测单元及解调器单元进行检测恢复得到连续两个时隙的信宿接收比特序列，该方法的具体步骤如下：

1)连续两个时隙的信源发送比特序列按(log₂(M)+log₂(N_t)+log₂(N_t)+log₂(M)+log₂(N_t)+log₂(N_t))个比特分组经串并转换分为六部分进入信源的基于信号空间分集的正交空间调制单元，第一部分的log₂(M)比特信息用来选择第一时隙发送的M阶的APM星座符号x_q，第二部分和第三部分的log₂(N_t)比特信息用来分别激活第一时隙发送APM星座符号实部和虚部的天线l，i，第四部分log₂(M)比特信息映射为第二时隙发送的M阶的APM星座符号x_p，第五部分和第六部分的log₂(N_t)比特信息用来分别激活第二时隙发送APM星座符号实部和虚部的天线k，f，将确定的两个APM星座符号进行角度θ(θ为使系统的平均误码率性能达到最优的角度，其取值范围为[0,π/2])的旋转，获得旋转后的符号x'_q，x'_p，表示为：x'_q＝e^jθx_q，x'_p＝e^jθx_p，其中，e为自然常数，θ为旋转角度，j表示虚数单位；

2)第一通信时隙，信源将x'_q的实部和x'_p的虚部分别通过激活的发射天线l和i向信宿进行传送，基于信号空间分集的正交空间调制系统在第一时隙的发射信号向量表示为s¹＝[0,0,...,Re(x'_q),..,jIm(x'_p),..,0]^T，Re(·)，Im(·)分别表示取复数的实部及虚部的运算，且Re(x'_q)与jIm(x'_p)分别位于向量s¹的第l和第i个位置，T表示向量的转置；第一时隙在信宿接收到的信号向量表示为

其中E_s表示发送符号的能量，

和

分别表示第一时隙信道矩阵H¹的第l列及第i列，H¹是N_r×N_t维矩阵，n¹表示第一时隙信源和信宿之间的N_r维噪声向量；第二通信时隙，信源将x'_p的实部和x'_q的虚部分别通过激活的发射天线k和f向信宿进行传送，基于信号空间分集的正交空间调制系统在第二时隙的发射信号向量表示为s²＝[0,0,...,Re(x'_p),..,jIm(x'_q),..,0]^T，Re(x'_p)与jIm(x'_q)分别位于向量s²的第k和第f个位置；第二时隙在信宿接收到的信号向量表示为

其中

和

表示第二时隙信道矩阵H²的第k列及第f列，H²是N_r×N_t维矩阵，n²表示第二时隙信源和信宿之间的N_r维噪声向量；

3)经过两个传输时隙后信宿中的联合最大似然检测单元及解调器单元对两个时隙的接收信号进行检测恢复得到连续两个时隙的信宿接收比特序列，联合最大似然检测的表达式为：

，其中

表示Frobenius范数的平方，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到的信源信息比特在第一时隙所映射激活调制符号的同相分量和正交分量的发射天线序号，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到的信源信息比特在第二时隙所映射激活调制符号的同相分量和正交分量的发射天线序号，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到第一时隙和第二时隙信源信息比特分别对应的星座符号，argmin表示求

有最小值时对应的发射天线序号以及星座符号。

本发明基于信号空间分集和正交空间调制，提出了一种基于信号空间分集的正交空间调制系统模型，利用信号空间分集带来的调制分集增益弥补空间调制系统发送分集不足的不足，与传统的空间调制，正交空间调制及分集增强型空间调制方案相比，在相同的频谱效率下，有明显的系统平均误码率性能提升。

附图说明

图1是本发明系统的结构方框示意图。

其中信源中：1为M阶调制符号选择单元，2为角度旋转单元，3为调制符号正交分量选择单元，4为调制符号同相分量选择单元，5为正交分量发送天线选择单元，6为调制符号同相分量发送天线选择单元。

信宿中：7为联合最大似然检测单元，8为解调器单元。

9表示连续两个时隙的信源发送比特序列，10表示连续两个时隙的信宿接收比特序列，11表示无线信道。

图2是本发明的系统平均误码率性能仿真图。由图可以看出在相同的频谱效率下，本发明的系统在所示信噪比范围内的平均误码率性能都要优于传统空间调制，正交空间调制及分集增强型空间调制方法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法，如图1所示，该系统包括一个信源和一个信宿，信源包括正交空间调制单元和角度旋转单元2并配备N_t＝2^m根发射天线，m＝1,2…；正交空间调制单元包括M阶调制符号选择单元1、调制符号正交分量选择单元3、调制符号同相分量选择单元4、调制符号正交分量发送天线选择单元5和调制符号同相分量发送天线选择单元6；信宿包括联合最大似然检测单元7和解调器单元8并配备N_r＝2ⁿ根接收天线，n＝0,1…,系统通信过程包括三个步骤，首先，连续两个时隙的信源发送比特序列9经串并转换分为六部分进入信源的正交空间调制单元，其中进入正交分量发送天线选择单元和同相分量发送天线选择单元5和6的信息序列分别激活两个不同时隙的调制符号的同相及正交分量的两根发射天线l、i及k、f，进入M阶调制符号选择单元1的比特序列映射为传统的M阶幅度相位调制(APM)星座符号x_q，x_p，其中：q，p∈{1,…,M}，如M-PSK(M阶相移键控调制)星座符号或者M-QAM(M阶正交振幅调制)星座符号，星座符号x_q、x_p分别进入角度旋转单元2进行角度θ(θ为使系统的平均误码率性能达到最优的角度，其取值范围为[0,π/2])的旋转获得旋转后的符号x'_q、x'_p；其次，在第一传输时隙，通过调制符号正交分量选择单元3和调制符号同相分量选择单元4将x'_q的实部和x'_p的虚部分别经激活的发射天线l、i传送到信宿，在第二传输时隙，通过调制符号正交分量选择单元3和调制符号同相分量选择单元4将x'_p的实部和x'_q的虚部分别经激活的k、f天线发送给信宿；最后信宿根据联合最大似然检测单元7及解调器单元8进行检测恢复得到连续两个时隙的信宿接收比特序列，该方法的具体步骤如下：

1)连续两个时隙的信源发送比特序列按(log₂(M)+log₂(N_t)+log₂(N_t)+log₂(M)+log₂(N_t)+log₂(N_t))个比特分组经串并转换分为六部分进入信源的基于信号空间分集的正交空间调制单元，第一部分的log₂(M)比特信息用来选择第一时隙发送的M阶的APM星座符号x_q，第二部分和第三部分的log₂(N_t)比特信息用来分别激活第一时隙发送APM星座符号实部和虚部的天线l，i，第四部分log₂(M)比特信息映射为第二时隙发送的M阶的APM星座符号x_p，第五部分和第六部分的log₂(N_t)比特信息用来分别激活第二时隙发送APM星座符号实部和虚部的天线k，f，将确定的两个APM星座符号进行角度θ(θ为使系统的平均误码率性能达到最优的角度，其取值范围为[0,π/2])的旋转，获得旋转后的符号x'_q，x'_p，表示为：x'_q＝e^jθx_q，x'_p＝e^jθx_p，其中，e为自然常数，θ为旋转角度，j表示虚数单位；

2)第一通信时隙，信源将x'_q的实部和x'_p的虚部分别通过激活的发射天线l和i向信宿进行传送，基于信号空间分集的正交空间调制系统在第一时隙的发射信号向量表示为s¹＝[0,0,...,Re(x'_q),..,jIm(x'_p),..,0]^T，Re(·)，Im(·)分别表示取复数的实部及虚部的运算，且Re(x'_q)与jIm(x'_p)分别位于向量s¹的第l和第i个位置，T表示向量的转置；第一时隙在信宿接收到的信号向量表示为

其中E_s表示发送符号的能量，

和

分别表示第一时隙信道矩阵H¹的第l列及第i列，H¹是N_r×N_t维矩阵，n¹表示第一时隙信源和信宿之间的N_r维噪声向量；第二通信时隙，信源将x'_p的实部和x'_q的虚部分别通过激活的发射天线k和f向信宿进行传送，基于信号空间分集的正交空间调制系统在第二时隙的发射信号向量表示为s²＝[0,0,...,Re(x'_p),..,jIm(x'_q),..,0]^T，Re(x'_p)与jIm(x'_q)分别位于向量s²的第k和第f个位置；第二时隙在信宿接收到的信号向量表示为

其中

和

表示第二时隙信道矩阵H²的第k列及第f列，H²是N_r×N_t维矩阵，n²表示第二时隙信源和信宿之间的N_r维噪声向量；

3)经过两个传输时隙后信宿中的联合最大似然检测单元及解调器单元对两个时隙的接收信号进行检测恢复得到连续两个时隙的信宿接收比特序列，联合最大似然检测的表达式为：

，其中

表示Frobenius范数的平方，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到的信源信息比特在第一时隙所映射激活调制符号的同相分量和正交分量的发射天线序号，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到的信源信息比特在第二时隙所映射激活调制符号的同相分量和正交分量的发射天线序号，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到第一时隙和第二时隙信源信息比特分别对应的星座符号，arg min表示求

有最小值时对应的发射天线序号以及星座符号。

Claims (1)

1.一种基于信号空间分集的正交空间调制系统的工作方法，该系统包括一个信源和一个信宿，信源包括正交空间调制单元和角度旋转单元并配备N_t＝2^m根发射天线，m＝1,2…；正交空间调制单元包括M阶调制符号选择单元、调制符号正交分量选择单元、调制符号同相分量选择单元、调制符号正交分量发送天线选择单元和调制符号同相分量发送天线选择单元；信宿包括联合最大似然检测单元和解调器单元并配备N_r＝2ⁿ根接收天线，n＝0,1…,系统通信过程包括三个步骤，首先，连续两个时隙的信源发送比特序列经串并转换分为六部分进入信源的正交空间调制单元，其中进入正交分量发送天线选择单元的信息序列分别激活第一时隙的调制符号正交分量发射天线i和第二时隙的调制符号正交分量发射天线f，进入同相分量发送天线选择单元的信息序列分别激活第一时隙的调制符号同相分量发射天线l和第二时隙的调制符号同相分量发射天线k，进入M阶调制符号选择单元的比特序列映射为传统的M阶幅度相位调制即APM星座符号x_q、x_p，其中：q，p∈{1,…,M}，星座符号x_q、x_p分别进入角度旋转单元进行角度θ的旋转，θ的选取为使系统的平均误码率性能达到最优的角度，其取值范围为[0,π/2]，旋转后的符号分别为x'_q、x'_p；其次，在第一传输时隙，通过调制符号正交分量选择单元和调制符号同相分量选择单元将x'_q的实部和x'_p的虚部分别经激活的发射天线l、i传送到信宿，在第二传输时隙，通过调制符号正交分量选择单元和调制符号同相分量选择单元将x'_p的实部和x'_q的虚部分别经激活的k、f天线发送给信宿；最后信宿根据联合最大似然检测单元及解调器单元进行检测恢复得到连续两个时隙的信宿接收比特序列，该方法的具体步骤如下：

1)连续两个时隙的信源发送比特序列按(log₂(M)+log₂(N_t)+log₂(N_t)+log₂(M)+log₂(N_t)+log₂(N_t))个比特分组经串并转换分为六部分进入信源的基于信号空间分集的正交空间调制单元，第一部分的log₂(M)比特信息用来选择第一时隙发送的M阶的APM星座符号x_q，第二部分和第三部分的log₂(N_t)比特信息用来分别激活第一时隙发送APM星座符号实部和虚部的天线l，i，第四部分log₂(M)比特信息映射为第二时隙发送的M阶的APM星座符号x_p，第五部分和第六部分的log₂(N_t)比特信息用来分别激活第二时隙发送APM星座符号实部和虚部的天线k，f，将确定的两个APM星座符号进行角度θ的旋转，获得旋转后的符号x'_q，x'_p，表示为：x'_q＝e^jθx_q，x'_p＝e^jθx_p，其中，e为自然常数，θ为旋转角度，取值范围为[0,π/2]，j表示虚数单位；

2)第一通信时隙，信源将x'_q的实部和x'_p的虚部分别通过激活的发射天线l和i向信宿进行传送，基于信号空间分集的正交空间调制系统在第一时隙的发射信号向量表示为s¹＝[0,0,...,Re(x'_q),..,j Im(x'_p),..,0]^T，Re(·)，Im(·)分别表示取复数的实部及虚部的运算，且Re(x'_q)与j Im(x'_p)分别位于向量s¹的第l和第i个位置，T表示向量的转置；第一时隙在信宿接收到的信号向量表示为

其中E_s表示发送符号的能量，

和

分别表示第一时隙信道矩阵H¹的第l列及第i列，H¹是N_r×N_t维矩阵，n¹表示第一时隙信源和信宿之间的N_r维噪声向量；第二通信时隙，信源将x'_p的实部和x'_q的虚部分别通过激活的发射天线k和f向信宿进行传送，基于信号空间分集的正交空间调制系统在第二时隙的发射信号向量表示为s²＝[0,0,...,Re(x'_p),..,j Im(x'_q),..,0]^T，Re(x'_p)与j Im(x'_q)分别位于向量s²的第k和第f个位置；第二时隙在信宿接收到的信号向量表示为

其中

和

表示第二时隙信道矩阵H²的第k列及第f列，H²是N_r×N_t维矩阵，n²表示第二时隙信源和信宿之间的N_r维噪声向量；

3)经过两个传输时隙后信宿中的联合最大似然检测单元及解调器单元对两个时隙的接收信号进行检测恢复得到连续两个时隙的信宿接收比特序列，联合最大似然检测的表达式为：

其中

表示Frobenius范数的平方，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到的信源信息比特在第一时隙所映射激活调制符号的同相分量和正交分量的发射天线序号，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到的信源信息比特在第二时隙所映射激活调制符号的同相分量和正交分量的发射天线序号，

和

分别表示信宿经联合最大似然检测估计后得到第一时隙和第二时隙信源信息比特分别对应的星座符号，argmin表示求

有最小值时对应的发射天线序号以及星座符号。

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