CN110289897B

CN110289897B - 一种空间调制系统的下行波束赋形方法

Info

Publication number: CN110289897B
Application number: CN201910646029.XA
Authority: CN
Inventors: 方舒; 黄润; 王慧; 张邵芳; 谢俊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: CN110289897A

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种空间调制系统的下行波束赋形方法。本发明采用多输入单输出系统二进制数字信号空间调制方法，假设发射端已知信道状态信息。所述系统具有N_t根发射天线和1根接收天线，用于传输每组b₁+b₂比特的数字信号。其中前b₁比特调制后映射为空间符号，即每根发射天线和接收天线之间的信道增益系数，后b₂比特映射为M‑PSK/M‑QAM符号。并对所有天线上传输的符号进行预编码处理，最后激活所有天线传输数据，同时在接收端进行ML检测并译码输出。本发明在不改变发射功率的前提下增大信噪比，提高系统的误码性能。

Description

一种空间调制系统的下行波束赋形方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种空间调制系统的下行波束赋形方法。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指的是在发射端和接收端分别使用多根发射天线和接收天线，进行信息传送和接收，从而达到改善通信质量的目的。MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，具有出较大的优势，同时也被视为下一代移动通信的核心技术。空间调制(Spatial Modulation,SM)是近年来提出的一种新型多天线传输技术，根据输入信息来选择相应的传输天线，每一时隙只有一根天线被激活，所以空间调制具有单射频的特性，从而避免了天线间的干扰，同时也使得接收端的信号检测较为简单，空间调制逐渐地成为了MIMO技术研究的热点之一。

在空间调制系统中，发射端在每个时刻只有一根天线被激活用以传输数据。因此输入的比特数据被分为为两个部分，一部分映射为将要被的激活天线的序号，另一部分映射为激活天线上所发射的星座点符号。因此，空间调制能有效地避免传统多天线传输中信道间干扰的问题。同时，与VBLAST等传统MIMO系统的ML检测相比，空间调制技术在接收端的ML检测算法具有更低的复杂度。

然而，由于空间调制系统的特殊结构要求，其需要在发射天线和射频链之间进行非常频繁的切换，因此，整个系统的传输速率受到硬件的限制，即受限于最大切换频率或最小切换时间。例如，考虑到一个具有发射天线数量为4的空移键控(Space Shift Keying,SSK)系统，4根天线之间的射频链切换可以承载2bit信息。如果该系统的发送符号持续时间为T₁秒，则最终可达到的传输速率为2/T₁bps。考虑到最小的射频开关时间为T₂秒，相应的最大开关频率将为1/T₂Hz。假设T₂>T₁，该系统的实际传输速率将为2/T₂bps。实际工程中，最小开关切换时间(或最大开关切换频率)受到硬件制造工艺的限制，有文章提出最小开关时间T₂＝20ns。在针对未来的无线通信系统中，由于其极高传输速率的要求，硬件实现的射频链间最大切换频率将成为空间调制技术的瓶颈，大大限制该技术地广泛应用。另一方面，由于每个时隙只激活一根发射天线，并没有充分利用所有的空间资源，即使是广义空间调制，也只激活部分天线，仍有很大一部分天线处于闲置状态，造成了资源浪费。

波束赋形是一种常用的多天线技术。接收端的信号处理可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图视角来看，这样做相当于形成了规定指向的波束。即使在严重的衰落情况下，它提供的信号增益也是很大的。同样原理也适用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。其中最大比为最优的加权合成，同时也是分集合并技术中的最优选择。相对于选择合并和等增益合并可以获得最好的性能，带来更高的信噪比，进而提高系统的可靠性。

发明内容

本发明针对接收端只有1根天线的空间调制下行链路，所要解决的就是通过同时激活所有发射天线来避免射频链间的频繁切换问题，其原理是基于最大比发送的分集技术，这样能形成一股指向接收端的强波束，同时还能带来分集增益，提高系统的误码性能。

本发明采用的技术方案是，采用多输入单输出系统二进制数字信号空间调制方法，假设发射端已知信道状态信息。所述系统具有N_t根发射天线和1根接收天线，用于传输每组b₁+b₂比特的数字信号。其中前b₁比特调制后映射为空间符号，即每根发射天线和接收天线之间的信道增益系数，后b₂比特映射为星座点符号。并对所有天线上传输的符号进行预编码处理，最后激活所有天线传输数据，同时在接收端进行ML检测并译码输出。

在传统空间调制技术中，比特信息通过分组分别映射成发射天线序号和调制星座点符号，假设发射端天线数量为N_t，采用M-PSK或者M-QAM，此时系统的频谱效率B＝log₂(N_tM),前log₂(N_t)比特成为空间比特，用来选择激活天线i，后log₂(M)比特成为符号比特，用来选择发送第j个星座点符号x_j，j＝1,2,…,M。那么接收端得到的信号为：

y＝h_ix_j+n (1)

其中h_i为信道矩阵中第i个元素，即被激活的第i根天线到接收天线之间的信道增益因子，i＝1,2,…,N_t，n为加性高斯噪声。最后接收端可以通过ML检测来恢复传输的信息。

当我们采用最大比发送之后，发射符号有所改变。前b₁＝log₂(N_t)比特用来选择空间符号h_i，后b₂＝log₂(M)比特用来选择M-PSK/M-QAM符号，所以我们的发射符号表示如下：

x′＝h_ix_j (2)

其中i＝1,2,…,N_t,j＝1,2,…,M，与传统空间调制最大的不同在于：新技术将全部比特信息都包含在发射符号里，通过所有天线发送出去。然后我们还需对发射符号进行预编码处理，其编码向量如下：

其中

同时为了保持发射功率不变，我们要对发射符号进行功率归一化，设β为功率调整节因子，则最终发射信号可以写成如下形式：

其中β＝1/|h_i|。经过MISO信道后，接收端得到的信号可以表达为如下形式：

在进行ML检测前将收到的信号做如下处理：

本发明的有益效果为：该系统激活全部天线进行数据传输，无需射频链频繁切换；同时从上式可见，与传统的空间调制相比，在采用最大比技术之后，接收端的等效噪声变为n′＝n/α,α＝||h||₂/|h_i|，增益因子α的分子为信道向量的2-范数，β为某根天线的模，两者之比大于1。所以起到了减小噪声的作用，从而获得分集增益，在不改变发射功率的前提下增大信噪比，提高系统的误码性能。

附图说明

图1为空间调制的下行波束赋形系统的发射端框图；

图2为SM/SSK-BF在不同发射天线数量下增益α的概率密度曲线；

图3为SSK与SSK-BF在不同发射天线下的误码性能对比；

图4为SM与SM-BF在不同发射天线下的误码性能对比；

图5为SM/SSK-BF与MISO-MRT在不同发射天线、调制阶数下的误码性能对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1中简要展示了发射端模型的基本框架，与传统的SM系统模型相比，该模型在发射端增加了预编码模块，接收端大致相同。

实施例

本例系统发射天线数量N_t＝4，接收天线数量N_r＝1，采用QPSK调制。发射端通过反馈链路得知信道状态信息为h＝[h₁ h₂ h₃ h₄]。若待传输的比特数据为b＝1000，则前2个比特10为空间比特，映射为空间符号h₃，后2个比特00为符号比特，对应到QPSK星座点符号x₁＝1，所以待发射的符号为x′＝h₃。

接下来进行预编码处理。首先根据发射端已知的信道状态信息求出信道向量2-范数，即

此时每根发射天线的预编码系数为

然后对其进行功率归一化处理，重写发射符号为：

通过以上的步骤实现了系统的调制过程。经过MISO信道之后接收信号可以表示为：

在进行检测前需要除以功率调整因子和信道均衡，处理后的形式如下：

y′＝h₃+n′ (9)

最后通过最大似然检测遍历所有的天线序号与星座点符号的组合即可恢复出原始数据，即：

下面结合仿真结果具体分析本文发明对信噪比的改善和误码性能的提升。

该方案与传统空间调制相比，接收端的噪声为n/α,α＝||h||₂/|h_i|，所以最终误码性能的提升与α的有关。从图1和表1可以看出在随着N_t的增大，||h||₂增大，α随之增大，信噪比提高越明显。

表1 SM/SSK-BF在不同N_t下信道向量的2-范数和α的均值变化表

天线数量	N<sub>t</sub>＝4	N<sub>t</sub>＝8	N<sub>t</sub>＝16	N<sub>t</sub>＝32	N<sub>t</sub>＝64
						信道向量2-范数的均值	1.9389	2.7846	3.9690	5.6340	7.9846
α的均值	3.2013	4.7733	6.9234	9.8849	14.1077

下面结合误码率曲线对比图进行进一步的分析。

图3为空移键控使用下行波束赋形和传统方法在天线数量为4、32时的误码性能对比。可以看出传统的空移键控在随着天线数量(频谱效率)增加的情况下，误码性能逐渐变差。因为提高了传输效率，星座点数量变多，使得星座图的最小欧式距离变小，导致相同信噪比下使用ML检测时误判概率变大，从而使误码性能下降，可靠性变弱。在频谱效率提高3bps/Hz情况下，性能会降低7～8dB。而本文所提方法的性能反而会有略微提升。虽然增加了频谱效率，导致星座图的最小欧式减小，但通过最大比发送的波束赋形带来了很大增益，提高了信噪比，从而使得系统性能增加。当天线数量从4增加到32时，性能反而有1dB的提升。横向对比两种方案，在N_t＝4，误码率为10^-3时，新方案的增益约为6～7dB；在N_t＝32，误码率为10-²时，新方法的增益达到了18dB，波束赋形技术带来了巨大的提升。

图4为空间调制使用下行波束赋形和传统空间调制在天线数量为4、32，分别采用QPSK和BPSK时的误码性能对比。与前文类似，随着天线数量的增加，传统空间调制性能会下降，而新方法的性能得到提升。在N_t＝4时，使用QPSK，新方法在高信噪比下，性能增益约为7dB。在N_t＝32时，使用BPSK，新方法性能得到很大提升，性能增益约为18～19dB。

图5为星座图优化过后空间调制/空移键控使用下行波束赋形与传统MISO系统采用最大比发送在不同情况下的误码性能对比。当天线数量较少时，如N_t＝2时的新方案比传统系统的性能有约为1dB的下降，但随着调制阶数或者天线数量的增加，新方案的误码性能会有所提升。当N_t＝4，采用QPSK时，新方案的性能增益在1～2dB左右；当N_t＝8时，跟相同频谱效率下的MISO-MRT系统相比，低信噪比下增益接近2dB，高信噪比下两者性能大致相同。

Claims

1.一种空间调制系统的下行波束赋形方法，该方法用于多输入单输出系统二进制数字信号空间调制，即系统具有N_t根发射天线和1根接收天线，用于传输每组b₁+b₂比特的数字信号，其中前b₁比特调制后映射为空间符号，即每根发射天线和接收天线之间的信道增益系数，后b₂比特映射为星座点符号，其特征在于，所述方法为：

前b₁＝log₂(N_t)比特用来选择空间符号h_i，后b₂＝log₂(M)比特用来选择M-PSK/M-QAM的符号，得到发射符号表示如下：

x′＝h_ix_j

其中i＝1,2,…,N_t,j＝1,2,…,M，x_j为第j个星座点符号；

对发射符号进行预编码，编码向量为：

其中

对发射符号进行功率归一化，设β为功率调整节因子，则最终发射信号为：

其中β＝1/|h_i|；

接收端得到的信号为：

其中n为高斯噪声；

对接收信号进行处理：

其中α为增益因子，n′为接收端处理后的等效噪声；

进行ML检测并译码输出。