CN110190880B - 一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法，首先定义广义空间调制系统，计算出每个天线组合的范数η_i，然后将范数最大的天线组合加入到候选集合Φ，再计算剩余的天线组合和候选集合Φ的相关性，将和候选集合Φ相关性最小的天线组合加入到候选集合Φ，接着继续计算剩余的天线组合和候选集合Φ的相关性，重复以上过程，直到候选集合Φ中的天线组合数量符合要求，得到最终的发射天线组合集合。本发明利用广义空间调制系统发射天线发送相同信息的特点，提出天线组合间相关性的概念，通过选取相关性弱的天线组合，可以提高系统的误码率性能，具有较低的计算复杂度。

Description

一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法。

背景技术

随着移动通信技术的发展，5G时代即将到来，大规模多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO)技术作为5G移动蜂窝网络的关键技术之一，其通过在小区基站部署大量的天线形成巨大的天线阵列，极大提高了信道容量和频谱利用率，近年来已经成为无线通信领域的研究热点。传统MIMO技术充分利用所有的天线同时传输数据，通过适当的选取传输或者预编码矩阵，可以使MIMO系统获得多路复用和发送分集增益。然而，不管是空间复用还是空间分集技术，都存在一些缺点。第一，多个发射天线同时发送数据会引入信道间干扰(Inter-Channel Interference，ICI)，尤其在大规模MIMO系统中，问题更严重。第二，大量的发射天线同时工作必须考虑天线间的同步问题，天线数量越多，同步越复杂。第三，所有的天线同时传输数据，需要用到大量的射频链路，不仅会增加基站部署的成本，还会提高能量消耗。因此下一代MIMO系统设计需要考虑到降低复杂性，放宽天线同步的要求以及ICI，还要降低发射端射频链路的部署成本，在保持较高频谱效率的同时提高能量效率。考虑到上述因素，空间调制(Spatial Modulation，SM)被认为是很有前景的能够应用于MIMO系统的传输方案之一。SM系统在任意时刻仅激活一根天线以传输数据，可以完全避免ICI，而且不需要对天线同步，仅需要一个射频链路传输数据，另外这些特性允许SM去设计低复杂度的单流接收机。除此之外，在SM系统中，发射天线在空间中的位置被当做一部分信息源，称为空间符号，通过将发射天线索引和要发送的信息比特建立一对一映射可以获得，该特性能够提高系统的频谱效率。SM的这些特点使得它可以在频谱效率和能量效率之间达到折中，成为5G蜂窝网络通信设计的候选者之一。

SM系统虽然可以利用发射天线的空间位置来增加信息传输速率，但是发射天线的数量必须是2的幂次方，而且相比于空间复用技术，频谱效率有所下降，若要达到和空间复用技术相同的频谱效率，就需要部署相比于传统MIMO技术更多的发射天线。为了避免SM系统对发射天线的数量限制，广义空间调制(Generalised Spatial Modulation，GSM)技术被提出来。GSM系统在每个时刻激活多根天线以同时传输相同的数据符号，空间符号映射在激活天线组合上，只需要天线组合数量是2的幂次方。实现和SM相同频谱效率所需要的天线数量减少很多，同时因为每根激活天线发射相同的数据符号，ICI同样可以避免，而且有空间分集的效果，可以降低系统的误码率。

在实际的MIMO系统中，由于信号传输路径存在障碍物，使得信道之间会存在相关性，可能会导致系统的容量下降以及误码性能恶化。天线选择技术是一种能够改善系统性能的有效手段，通过选取相关性小的天线集合，可以提高系统性能。Rajashekar R等人表明发射天线选择技术可以提高SM系统的符号错误率性能，研究了低复杂度的欧几里德距离优化天线选择(Eucidean Distance Optimized Antenna Selection，EDAS)算法和容量优化天线选择(Capacity Optimized Antenna Selection，COAS)算法，提出的算法不但相比于传统的SM系统有着显著的信噪比(SNR)增益，而且还优于在中低SNR下采用天线选择的传统MIMO系统。Zhou Z等人将成对错误概率应用到SM系统的天线选择中，提出一种基于成对错误概率的低复杂度天线选择方案，除此之外还提出一种基于天线相关性的新型天线选择方法。Sun Z等人将SM系统中天线选择问题制定为组合优化问题，提出基于交叉熵的天线选择方案，显著降低算法的搜索复杂度。目前为止，大多数算法都是针对SM系统，Rajashekar R等人首次将EDAS算法应用在GSM系统中，表明应用EDAS算法的GSM系统可以获得与采用EDAS算法的SM系统相同的发射分集增益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于范数和相关性的广义空间调制递增发射天线组合选择方法，解决广义空间调制系统的天线选择方法复杂度高的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法，首先定义广义空间调制系统，计算出每个天线组合的范数η_k，然后将范数最大的天线组合加入到候选集合Φ，再计算剩余的天线组合和候选集合Φ的相关性，将和候选集合Φ相关性最小的天线组合加入到候选集合Φ，接着继续计算剩余的天线组合和候选集合Φ的相关性，重复以上过程，直到候选集合Φ中的天线组合数量符合要求，得到最终的发射天线组合集合。

具体的，首先计算每个发射天线组合对应的信道状态H_i，然后计算每个天线组合的信道范数η_i如下：

η_i＝||H_i||_F

其中，i∈{1,2,…,l}，||·||_F为F范数，H_i为第i个天线组合对应的信道列向量的叠加。

进一步的，第i个发射天线组合对应的信道列向量的叠加H_i为：

其中，

表示第i个发射天线组合信道矩阵的第1列。

具体的，定义一个空的候选集合Φ，找出F范数最大的天线组合，记范数最大的天线组合是

将该天线组合加入到Φ中。

进一步的，计算剩下的天线组合和范数最大的天线组合

的夹角θ_maxi，找到和H_max夹角最大的天线组合，将其加入到候选集合Φ中，夹角θ_maxi计算如下：

其中，

表示剩下的l-1个天线组合中的任意一个天线组合。

更进一步的，计算剩下的l-2个天线组合和Φ中所有天线组合的夹角，剩下的每一个天线组合与Φ中的天线组合计算后取最小值，作为该天线组合与集合Φ的相似程度，将最小值最大，即相似程度最小的天线组合加入候选集合Φ中。

具体的，当候选集合Φ中天线组合数达到设定值n_c时，停止循环，集合中的天线组合为激活天线选择方案。

进一步的，设定值n_c为：

其中，l为激活天线组合数。

具体的，广义空间调制系统有n_t个发射天线和n_r个接收天线，在每个时隙有n_p根天线被激活用于传输信息比特，所有激活天线组合有

个；信道为平坦瑞利衰落相关信道，接收端有理想的信道估计和同步接收。

进一步的，n_r×1维的接收信号向量y为：

y＝Hx+n

其中，x为n_t×1维的发射信号向量；H为n_r×n_t维的信道矩阵；n为n_r×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法，以较低的计算复杂度选出一组相关性较小的发射天线组合集合，和不进行天线选择相比，方法有较大的信噪比增益。

进一步的，根据广义空间调制激活天线发射相同信息的特点，可以计算出每个天线组合对应的信道状态，以此再计算出每个天线组合的信道范数，从中选出范数最大的天线组合加入到候选集合，选取范数最大的天线组合一方面可以降低系统的误码率，另一方面该方法的计算复杂度极低。

进一步的，通过计算天线组合和候选集合的夹角，依次选出夹角较大的天线组合加入到候选集合，可以减少集合中天线组合之间的相关性，从而降低系统的误码率。

进一步的，依次往候选集合中增加天线组合，直到满足数量要求为止，该方法适合于选取天线组合数量较少的广义空间调制系统。

进一步的，相比于传统MIMO系统，广义空间调制系统拥有很多优点。第一，激活天线发射相同的信息，可以避免信道间干扰问题；第二，只选择部分发射天线激活可以减少射频链路的成本，降低能量消耗。

综上所述，本发明针对广义空间调制系统，利用广义空间调制系统发射天线发送相同信息的特点，提出天线组合间相关性的概念，通过选取相关性弱的天线组合，可以提高系统的误码率性能，且计算复杂度和星座符号调制阶数无关，具有较低的计算复杂度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的发射接收结构框图；

图2为本发明与无天线选择对应的误比特率比较图，其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真；

图3为本发明与无天线选择对应的误比特率比较图，其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真；

图4为本发明与无天线选择对应的误比特率比较图，其中，横坐标为发射角度扩展，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真；

图5为本发明与无天线选择对应的误比特率比较图，其中，横坐标为发射天线间距，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真。

具体实施方式

本发明提供了一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法，首先计算出每个天线组合的范数，将范数最大的天线组合加入到候选集合，然后计算剩余的天线组合和候选集合的相关性，将和候选集合相关性最小的天线组合加入到候选集合，接着继续计算剩余的天线组合和候选集合的相关性，重复以上过程，直到候选集合中的天线组合数量符合要求，可以得到最终的发射天线组合集合。

请参阅图1，设一个有n_t个发射天线和n_r个接收天线的广义空间调制系统，在每个时隙，都有n_p根天线被激活用来传输信息比特，所有可能的激活天线组合有

个；信道为平坦瑞利衰落相关信道，接收端有理想的信道估计和同步接收，接收信号为：

y＝Hx+n

其中，x为n_t×1维的发射信号向量；H为n_r×n_t维的信道矩阵；n为n_r×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²；y为n_r×1维的接收信号向量。

本发明一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法，具体步骤如下：

S1、计算每个发射天线组合对应的信道状态；

第i个发射天线组合对应的信道列向量的叠加H_i为：

其中，

表示第i个发射天线组合信道矩阵的第1列；

S2、计算每个天线组合的信道范数η_i如下：

η_i＝||H_i||_F

其中，i∈{1,2,…,l}，一共有l个天线组合，||·||_F为F范数，H_i为第i个天线组合对应的信道列向量的叠加；

S3、定义一个空的候选集合Φ，找出F范数最大的天线组合，记范数最大的天线组合是

将该天线组合加入到Φ中；

S4、计算剩下的天线组合和范数最大的天线组合

的夹角θ_maxi；

夹角θ_maxi为：

其中，

表示剩下的l-1个天线组合中的任意一个天线组合。找到和H_max夹角最大的天线组合，将其加入到候选集合Φ中；

S5、计算剩下的l-2个天线组合和Φ中所有天线组合的夹角，已经计算过的不需要重复计算，剩下的每一个天线组合与Φ中的天线组合计算后都可以得到2个值，取其中的最小值，作为该天线组合与集合Φ的相似程度，将最小值最大，即相似程度最小的天线组合加入集合Φ中；

S6、重复以上步骤，当候选集合Φ中天线组合数达到设定值n_c时，停止循环，候选集合Φ中的天线组合便是激活天线选择方案。

设定值n_c为：

其中，l为激活天线组合数。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参阅图2，给出了本发明提出的基于范数和相关性的递增发射天线组合选择方法、无天线选择方法的BER性能图，仿真采用的n_t为4，n_p为2，n_r为4根，星座符号采用QPSK调制。信道为瑞利衰落相关信道，天线间距为0.5λ，角度扩展为8°。可以看出，引入天线选择之后，系统的误码性能有了很大的提升。和无天线选择相比，在BER为10^-4时，SNR提高了3dB左右。而且随着SNR的增加，两者的差距越来越大，加入天线选择的GSM系统性能提升更快。

请参阅图3，给出了本发明提出的基于范数和相关性的递增发射天线组合选择方法、无天线选择方法的BER性能图，仿真采用的n_t为4，n_p为2，n_r为4根，星座符号采用QPSK调制。信道为瑞利衰落相关信道，天线间距为0.5λ，角度扩展为20°。可以看出，和图2相比，图3的整体误码性能更高。这是因为当天线间距为0.5λ时，随着角度扩展的增加，天线间的相关性减弱。从图中可以看出，提出算法提高了系统的误码性能，当误码率为10^-4时，提出算法比无天线选择的系统信噪比提升2dB。

请参阅图4，给出了本发明提出的基于范数和相关性的递增发射天线组合选择方法、无天线选择方法随角度扩展变化的BER性能图，仿真采用的n_t为4，n_p为2，n_r为4根，星座符号采用QPSK调制。信道为瑞利衰落相关信道，天线间距为0.1λ，SNR为10dB。可以看出，随着角度扩展的提高，系统的BER下降很快，比无天线选择的BER降低了一个数量级，性能提升很明显，原因是角度越大，相关程度越低。

请参阅图5，给出了本发明提出的基于范数和相关性的递增发射天线组合选择方法、无天线选择方法随天线间距变化的BER性能图，仿真采用的n_t为4，n_p为2，n_r为4根，星座符号采用QPSK调制。信道为瑞利衰落相关信道，角度扩展为5^u，SNR为10dB。可以看出，BER同样降低很多，随着天线间距的增加，曲线趋于平缓，这是相关系数逐渐接近于0，信道几乎不相关。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种广义空间调制递增发射天线组合选择方法，其特征在于，首先定义广义空间调制系统，计算出每个天线组合的范数η_k，定义一个空的候选集合Φ，找出F范数最大的天线组合，记范数最大的天线组合是

然后将范数最大的天线组合加入到候选集合Φ，再计算剩余的天线组合和候选集合Φ的相关性，将和候选集合Φ相关性最小的天线组合加入到候选集合Φ，接着继续计算剩余的天线组合和候选集合Φ的相关性，重复以上过程，当候选集合Φ中天线组合数达到设定值n_c时，停止循环，得到最终的发射天线组合集合；

首先计算每个发射天线组合对应的信道状态H_i，然后计算每个天线组合的信道范数η_i如下：

η_i＝||H_i||_F

其中，i∈{1,2,…,l}，||·||_F为F范数，H_i为第i个天线组合对应的信道列向量的叠加；

计算剩下的天线组合和范数最大的天线组合

的夹角θ_maxi，找到和H_max夹角最大的天线组合，将其加入到候选集合Φ中，夹角θ_maxi计算如下：

其中，

表示剩下的l-1个天线组合中的任意一个天线组合；

广义空间调制系统有n_t个发射天线和n_r个接收天线，在每个时隙有n_p根天线被激活用于传输信息比特，所有激活天线组合有

个；信道为平坦瑞利衰落相关信道，接收端有理想的信道估计和同步接收。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第i个发射天线组合对应的信道列向量的叠加H_i为：

其中，

表示第i个发射天线组合信道矩阵的第1列。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算剩下的l-2个天线组合和Φ中所有天线组合的夹角，剩下的每一个天线组合与Φ中的天线组合计算后取最小值，作为该天线组合与集合Φ的相似程度，将最小值最大，即相似程度最小的天线组合加入候选集合Φ中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定值n_c为：

其中，l为激活天线组合数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，n_r×1维的接收信号向量y为：

y＝Hx+n

其中，x为n_t×1维的发射信号向量；H为n_r×n_t维的信道矩阵；n为n_r×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²。

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