CN110213194A - 一种低复杂度的空间调制比特映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到一种低复杂度的空间调制比特映射方法。包括在发射端，将空间调制符号进行排序，并根据排列顺序按次序将格雷编码的比特映射分配给空间调制符号，然后将空间调制符号所对应的比特块划分为天线选择比特和幅度相位调制比特；在接收端，通过最大似然检测准则估计出接收到的信号。本发明能够保证在低复杂度的情况下，多输入多输出系统性能仍然具有较好的效果。

Description

一种低复杂度的空间调制比特映射方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到一种低复杂度的空间调制比特映射方法。

背景技术

为了在多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统中获得简化的接收结构，在目前的研究中，提出了多种依赖空间调制(SM)的方案。传统的SM在每个时隙中只有单个发射天线被激活，同时激活天线的索引也被用来传输额外的信息。SM作为MIMO传输技术，不仅可以克服MIMO本身的多径干扰问题，并且在保证数据速率和性能的同时降低了复杂度。

比特映射是将比特序列分配给不同符号的过程，比特映射的选择会影响任何调制方案的误码率(bit error rate，BER)性能。在传统的幅度相位调制(amplitude-phasemodulation,APM)过程中，用于比特映射的方法是格雷编码，在同等可能和统计独立APM符号情况下被证明是最优的。在格雷编码中，相邻的符号被分配的比特序列仅有1比特不同。SM与APM方案不同，由于其混合特性，SM的比特映射更具有挑战性，其中使用APM和空间来创建更为复杂的星座结构。因此，在SM系统中，针对APM方案提出的经典格雷映射将不在实现最优的BER性能。

最近国内外学者提出了几种有效的比特映射方案。假设在发射端使用信道状态信息(CSI)，学者针对SSK提出一种比特映射算法，称为原始二进制切换算法(originalbinary switch algorithm,OBSA)。该算法在高的BER情况下，其系统性能接近于BER的下界。然而，OBSA算法的主要问题是计算复杂度较高，计算复杂度为O(K⁴)。随着研究的深入，有学者为SM系统提出一种比特映射器，称为暴力映射器(brute forth mapper,BFM)。BFM找到具有最小距离的两个SM符号，并为这两个符号分配仅有1比特不同的比特组合。对于剩余的SM符号，BFM在空间部分采用自然映射，在APM部分采用格雷编码。BFM在高的SNR情况下实现接近BER下限的性能，并且具有较低的计算复杂度为O(K²)和较低的反馈开销为但是BFM算法的主要问题是在低的SNR下几乎没有性能的改善。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种低复杂度的SM比特到符号映射方法，在发射端使用信道状态信息时，其系统性能接近于SM的BER性能的下界，并且有较低的复杂度。本发明的技术方案如下：

一种低复杂度的空间调制比特映射方法，其包括以下步骤：

步骤1：在发射端，将空间调制符号进行排序；

步骤2：将格雷编码的比特映射按次序逐个分配给排序后的空间调制符号；

步骤3：将空间调制符号所对应的比特块划分为天线选择比特和幅度相位调制比特；

步骤4：在接收端，通过最大似然(ML)检测准则估计出接收到的信号。

进一步的，通过最大似然检测准则估计出的接收到的信号为：

其中，是估计的发射天线索引，是估计的幅度相位调制符号索引；y表示接收信号矢量；ρ是信噪比；h_l是信道矩阵H的第l列；s_m表示第m个幅度相位调制符号；|| ||表示范数。

进一步的，所述接收信号矢量y表示包括如下：

其中，是信道矩阵，是噪声矢量，且n～CN(0,1)；是发射矢量；N_t表示发射天线数；N_r表示接收天线数。

进一步的，步骤1中采用的排序方式包括：

步骤101、初始化：w＝[1,2,3,…,K]代表一共有K个SM符号，用来存储排序后的SM符号。

步骤102、计算出各个空间调制符号之间的距离，并构成距离矩阵d；

步骤103、更新w，更新规则是删除w中值为i的元素；更新d，对矩阵d做降维处理，删除的i行和i列；

步骤104、令v(1)＝i，v(2)＝j，t＝3；

步骤105、找到w中的等于j的元素，记录其坐标索引为p；找到矩阵d的第p行，并找到该行的最小元素，记录其坐标索引为(p,q)，其中p代表行索引，q代表列索引；

步骤106、令p＝i，j＝w(q)，更新w，更新d；

步骤107、令v(t)＝j，t＝t+1；

步骤108、判断矩阵v的长度是否为K，若是，则排序结束；否则，重复步骤105、106、107、108。

进一步的，距离矩阵d包括：

其中，d(k′,k)表示k个空间调制符号和第k′个空间调制符号之间的距离；h_l、h_l′分别表示信道矩阵H的第l列和l′列，s_m、s_m′分别表示第m个和m′个幅度相位调制符号；|| ||表示范数。

在对距离矩阵d的计算过程中，当k＝k′时，令其距离为∞，这样的好处是可以较少计算量，并且在搜索过程中判断其距离为∞时可以直接跳过，较小搜索复杂度；当然也可以令其距离为0，优点同上。

本发明的有益效果：

本发明综合考虑比特到符号的设计对SM系统的适应度和复杂度，提出一种新颖的比特到符号映射方法。该方法第一步是对SM符号进行排序，所设计的排序算法通过将原始SM符号之间的距离矩阵迭代降维处理去得到排列次序，并且通过迭代降维处理可以降低搜索复杂度；第二步是将格雷编码的比特映射按排列次序分配给已排序的SM符号，通过最小化最近SM符号对之间的汉明距离达到提高系统性能的目的。通过分析和仿真结果显示，本方法相比于OBSA计算复杂度较低，并且系统性能与OBSA相当；相比于BFM计算复杂度略有提升，但其系统性能与BFM相比有很大提升；并且该方法在高SNR情况下，其系统性能接近于SM和空间移位键控(space shift keying,SSK)BER性能的下界。

附图说明

图1为本发明采用的系统框图；

图2为本发明优选实施例的排序流程图；

图3为本发明优选实施例的排序过程框图；

图4为本发明在SM系统中，采用4-QAM调制，N_t＝8、N_r＝1,2不同方案的性能比较图；

图5为本发明在SSK系统中，采用4-QAM调制，N_t＝16、N_r＝1,2不同方案的性能比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种低复杂度的空间调制比特映射方法，其包括以下步骤：

步骤1：在发射端，将空间调制符号进行排序；

步骤2：将格雷编码的比特映射按次序逐个分配给排序后的空间调制符号；

步骤3：将空间调制符号所对应的比特块划分为天线选择比特和幅度相位调制比特；

步骤4：在接收端，通过最大似然(ML)检测准则估计出接收到的信号。

进一步的，通过最大似然检测准则估计出的接收到的信号为：

其中，是估计的发射天线索引，是估计的幅度相位调制符号索引；y表示接收信号矢量；ρ是信噪比；h_l是信道矩阵H的第l列；s_m表示第m个幅度相位调制符号；|| ||表示范数。

作为一种可选方式，对于具有SM传输的N_t×N_r的多输入多输出(multiple inputmultiple output,MIMO)系统，其中N_t和N_r分别是发射天线数和接收天线数。SM符号总数为K＝MN_t，其中M是APM大小。假设N_t和M都是2的整数幂，令则k＝k₁+k₂比特用于根据比特映射方案选择APM符号和一个发射天线。

进一步的，所述接收信号矢量y表示包括如下：

其中，是信道矩阵，是噪声矢量，且n～CN(0,1)；是发射矢量；N_t表示发射天线数；N_r表示接收天线数。

进一步的，步骤1中采用的排序方式包括：

步骤101、初始化：w＝[1,2,3,…,K]代表一共有K个SM符号，用来存储排序后的SM符号。

步骤102、计算出各个空间调制符号之间的距离，并构成距离矩阵d；

步骤103、更新w，更新规则是删除w中值为i的元素；更新d，对矩阵d做降维处理，删除的i行和i列；

步骤104、令v(1)＝i，v(2)＝j，t＝3；

步骤105、找到w中的等于j的元素，记录其坐标索引为p；找到矩阵d的第p行，并找到该行的最小元素，记录其坐标索引为(p,q)，其中p代表行索引，q代表列索引；

步骤106、令p＝i，j＝w(q)，更新w，更新d；

步骤107、令v(t)＝j，t＝t+1；

步骤108、判断矩阵v的长度是否为K，若是，则排序结束；否则，重复步骤105、106、107、108。

进一步的，距离矩阵d包括：

其中，d(k′,k)表示k个空间调制符号和第k′个空间调制符号之间的距离；h_l、h_l′分别表示信道矩阵H的第l列和l′列，s_m、s_m′分别表示第m个和m′个幅度相位调制符号；|| ||表示范数。

本实施例采用如图1所示的系统框图，包括在SM发射端，空间调制系统中传输比特k可分为两个部分，即天线索引比特和幅度相位调制(APM)比特。根据设计的比特映射方案，k₁是天线索引比特用于选择某个发射天线，k₂是幅度相位调制比特用于选择APM符号。在SM接收端，对接收到的数据通过最大似然(ML)检测去估计出发射天线索引和APM符号索引，接着解映射得到传输的比特序列。

假设具有K＝4个SM符号，且具有以下任意距离矩阵，如下所示：

其排序过程如图2和图3所示，其中w记录矩阵降维处理后剩余的SM符号，v存储已排序的SM符号。

具体是首先找到具有最小距离的SM符号对，距离为0.6，本发明将其符号设定为#1和#2。任选其一作为第一个SM符号，假设将#1作为第一个SM符号，#2作为第二个SM符号。此时更新矩阵d、w，并将SM符号#1和#2按排列顺序储存到v中。然后找到与SM符号#2距离最近的下一SM符号，此SM符号为#4，将#4作为第三个SM符号。此时更新矩阵d、w，并将SM符号#4储存到v中。然后找到与SM符号#4距离最近的下一SM符号，此SM符号为#2，将#2作为第四个SM符号。此时更新矩阵d、w，并将SM符号#2储存到v中。此时四个符号排序结束，排序结果为v＝[1,2,4,3]。

排序结束后将格雷编码的比特映射按次序分配给SM符号，即将00分配给SM符号#1，01分配给SM符号#3，11分配给SM符号#4，10分给给SM符号#2。

如图4和图5所示，在不同的信噪比情况下对不同方案进行了仿真。从图中可以看出，与BER性能的上界Γ_c相比，SNM可以显著提高系统性能，例如在SNR＝16dB时，图4中Nr＝1时，系统性能提高约2.9dB，Nr＝2时，系统性能提高约3.4dB；图5中Nr＝1时，系统性能提高约3.5dB，Nr＝2时，系统性能提高约3.7dB。与BFM相比，SNM也可以显著的提高系统性能，例如在SNR＝10dB时，图4中Nr＝1时，系统性能提高约1.6dB，Nr＝2时，系统性能提高约1.8dB；图5中Nr＝1时，系统性能提高约1.7dB，Nr＝2时，系统性能提高约1.9dB。虽然SNM的反馈开销大于BFM算法，但SNM提供了较好的系统性能。与OBSA相比，SNM不仅其系统性能与OBSA相当，并且其复杂度也较低。与BER的下界相比，在高的SNR情况下，SNM的系统性能接近于BER下界。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低复杂度的空间调制比特映射方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在发射端，将空间调制符号进行排序；

步骤2：将格雷编码的比特映射按次序逐个分配给排序后的空间调制符号；

步骤3：将空间调制符号所对应的比特块划分为天线选择比特和幅度相位调制比特；

步骤4：在接收端，通过最大似然检测准则估计出接收到的信号。

2.根据权利要求1所述的一种低复杂度的空间调制比特映射方法，其特征在于，通过最大似然检测准则估计出的接收到的信号为：

其中，是估计的发射天线索引，是估计的幅度相位调制符号索引；y表示接收信号矢量；ρ是信噪比；h_l是信道矩阵H的第l列；s_m表示第m个幅度相位调制符号；|| ||表示范数。

3.根据权利要求2所述的一种低复杂度的空间调制比特映射方法，其特征在于，所述接收信号矢量y表示包括如下：

其中，是信道矩阵，是噪声矢量，且n～CN(0,1)；是发射矢量；N_t表示发射天线数；N_r表示接收天线数。

4.根据权利要求1所述的一种低复杂度的空间调制比特映射方法，其特征在于，步骤1中采用的排序方式包括：

步骤101、初始化：w＝[1,2,3,…,K]代表一共有K个SM符号，用来存储排序后的SM符号；

步骤102、计算出各个空间调制符号之间的距离，并构成距离矩阵d；

步骤103、更新w，更新规则是删除w中值为i的元素；更新d，对矩阵d做降维处理，删除的i行和i列；

步骤104、令v(1)＝i，v(2)＝j，t＝3；

步骤105、找到w中的等于j的元素，记录其坐标索引为p；找到矩阵d的第p行，并找到该行的最小元素，记录其坐标索引为(p,q)，其中p代表行索引，q代表列索引；

步骤106、令p＝i，j＝w(q)，更新w，更新d；

步骤107、令v(t)＝j，t＝t+1；

步骤108、判断矩阵v的长度是否为K，若是，则排序结束；否则，返回步骤105。

5.根据权利要求4所述的一种低复杂度的空间调制比特映射方法，其特征在于，距离矩阵d包括：

其中，d(k′,k)表示k个空间调制符号和第k′个空间调制符号之间的距离；h_l、h_l′分别表示信道矩阵H的第l列和l′列，s_m、s_m′分别表示第m个和m′个幅度相位调制符号；|| ||表示范数。