CN110474714B - 面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法，包括以下步骤：1)根据系统初始参数和单符号、双符号的调制阶数，计算单符号的信息传输速率和双符号的信息传输速率，根据上述两种信息传输速率对输入信息比特进行分割；2)将分割后的单符号信息比特采用SM技术映射，双符号信息比特采用DSM技术映射，构造发射信号向量空间，通过发射端射频链路发射；3)接收端接收发射信号，通过最大似然检测算法确定符号索引参数和天线索引参数，恢复原始发射信号。本发明针对高移动性环境中的通信需求，做到最大数据传输速率、接收机计算复杂度、平均比特错误概率良好的性能折衷。

Description

面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法

技术领域

本发明涉及一种空间调制传输方法，特别是涉及一种面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法。

背景技术

空间调制(SM)技术可以通过天线索引(AI)携带额外信息，而不增加带宽和发射功率，仅使用单个天线进行传输，因此可以减少射频(RF)链的数量，降低发射机和接收机的复杂性，并且在接收机有效地避免了信道间干扰(ICI)，是一种全新的物理层多输入多输出技术。2016年土耳其学者提出一种更新的SM技术——双空间调制(DSM)技术，与传统SM相比，它提供了两倍的最大数据速率。DSM信号矢量由两个SM信号矢量叠加，DSM系统在一个时隙中同时发送两个调制符号。第一个调制符号直接从第一个天线索引(AI)发送，另一个调制符号通过旋转一个最佳角度从第二个天线索引(AI)发送，两个发送天线索引(AI)可以相同或不同。传统的空间调制(SM)技术一个时隙规定只能激活一个天线用于传输数据的限制，信息传输速率较低，双空间调制(DSM)方法，它每个时隙同时发射两个调制符号，即第一个符号直接发射，第二个符号通过旋转最优的一个角度发射出去，可以进一步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，并且可有效地改善系统的误码率性能，代价是接收机复杂度相比SM技术会增加。

随着国内高速铁路(HSR)日益发展，对高速铁路无线移动通信系统提出了更高的要求，需要一种在最大数据传输速率、接收机计算复杂度、平均比特错误概率等性能上取得良好折衷的技术，改善高速铁路通信系统的性能指标。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法，解决了当前技术中最大数据传输速率、接收机计算复杂度、平均比特错误概率难以平衡的不足，针对高移动性环境中的通信需求，做到最大数据传输速率、接收机计算复杂度、平均比特错误概率良好的性能折衷。

技术方案：本发明所述的面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法，包括以下步骤：

(1)根据系统初始参数和单符号、双符号的调制阶数，计算单符号的信息传输速率和双符号的信息传输速率，根据上述两种信息传输速率对输入信息比特进行分割；

(2)将步骤(1)中分割后的单符号信息比特采用SM技术映射，双符号信息比特采用DSM技术映射，构造发射信号向量空间，通过发射端射频链路发射；

(3)接收端接收发射信号，通过最大似然检测算法确定符号索引参数和天线索引参数，恢复原始发射信号。

进一步的，步骤(1)具体为：

(1.1)计算单符号的信息传输速率和双符号的信息传输速率，

η_p＝log₂M_p+log₂M_t，

其中，η_p为单符号的信息传输速率，M_p为单符号的调制阶数，M_t为基站发射机的天线数量，η_s为双符号的信息传输速率，M_s为双符号的调制阶数；

(1.2)将信息比特按照η_p和η_s的间隔进行分割，信息比特长度为η_p的信息比特划分为单符号信息比特时隙，信息比特长度为η_s的信息比特划分为双符号信息比特时隙；

(1.3)将双符号信息比特时隙进行均等分割，分割后的前后信息比特长度均为log₂M_s+log₂M_t。

进一步的，步骤(3)具体为：

(3.1)计算接收信号数学模型的表达式，

y＝Hμ+n，

其中，

为接收端接收信号的时域表达式，

为M_r行1列的行向量，H是维度为M_r×M_t的信道矩阵，M_r为接收端的天线数量，

是发射端信号，

是叠加在信号中的高斯白噪声；

(3.2)当发射数据为单符号信息比特，

当发射数据为双符号信息比特，

其中，

分别为单符号解调后的调制符号和天线索引，

分别为双符号解调后第一个符号的调制符号和天线索引，

分别为双符号解调后第二个符号的调制符号和天线索引，

为单符号的发射符号，

为双符号的第一个发射符号，

为双符号的第二个发射符号，

为双符号中第二个发射符号发射的旋转角度，

为双符号调制时信道的增益，

为单符号调制时信道的增益，P_R(·|·)表示条件概率函数，

表示向量的二范数。

本发明所述的控制设备，包括计算机存储器和处理器，所述的存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得处理器执行上述面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法。

本发明所述的存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序在被计算机处理器执行时实现上述面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法。

有益效果：本发明能够在传统SM技术和DSM技术上开发一种三符号空间调制技术，基于发射不同数量调制符号的空间调制技术来高效可靠的传输数据信息，提高了最大数据传输速率，降低了接收机计算复杂度，同时保证了平均比特错误概率，适用于高速移动的通信网络。

附图说明

图1是本发明实施方式的流程图；

图2是不同方案最大数据速率对比示意图；

图3是参数M_s、M_p对本发明最大数据速率影响示意图；

图4是参数M_s、M_t对本发明最大数据速率影响示意图；

图5是参数M_t、M_p对本发明最大数据速率影响示意图；

图6是不同方案接收机复杂度对比示意图。

具体实施方式

本发明提出一种三符号空间调制的方法，简称TSM，具体实施方式的流程如图1所示，具体包括如下步骤：

第一步，信息比特初始化分组。在给定系统参数条件下，将输入发射机的信息比特按照给定的要求进行分割。

本发明考虑以下给定的系统模型参数，基站(BS)发射机(TX)配备天线数量为M_t，无线移动通信的接收端(RX)有M_r个天线，即发射机和接收机之间构成一个M_r×M_t的MIMO传输系统。当基站发射端发射一个调制星座信号用于传输信息时，设该符号的调制阶数为M_p，此时系统的信息传输速率为η_p＝log₂M_p+log₂M_t。发射两个调制星座信号用于传输信息时，设调制阶数为M_s，此时系统的信息传输速率为

(1)首先，确定第一次不均等分割信息比特的情况。

送进发射机的信息比特为随机的、独立的、互不相关的且无限长的信息比特，其他情况可以类似分析。为了便于分析，现在仅考虑两个时隙的信息比特长度为η＝η_p+η_s的情况，它表示前一个时隙发送一个符号用于传输的信息长度为η_p，后一个时隙发送两个符号用于传输的信息长度为η_s；或者η＝η_s+η_p，表示前一个时隙发送两个符号用于传输的信息长度为η_s，后一个时隙发送一个符号用于传输的信息长度为η_p。

(2)其次，确定第二次均等分割信息比特的情况。

在上述步骤(1)中的信息比特分法中，我们可以看出无论哪种分割方式，η_p和η_s只是信息比特的出现先后顺序不同，对于确定的发射一个符号传输信息，其信息比特η_p只属于一个符号，无需再次分割。然而，对于确定的发射两个符号传输信息，其信息比特η_s均等的属于两个符号，仍然需要再次均等的分割。对于

将其均等的分割为η_1s＝log₂M_s+log₂M_t属于前一个符号和η_2s＝log₂M_s+log₂M_t属于后一个符号，其中log₂M_s用来确定星座调制比特，即从M_s个符号中选择一种得到的信息量，log₂M_t用来确定天线索引比特，即从M_t根天线中选择一种得到的信息量。

第二步，符号的映射处理。将第一步中分割的两组不等信息比特，一组通过单符号SM技术映射，另外一组通过双符号DSM技术映射，构造向量映射关系，然后通过发射端的射频链路发射出去。

若系统发射的是单符号，直接采用SM技术发射，则该发射符号标记为μ_k3，q，其中k₃∈{1，2，...M_t}为天线索引编号，表示调制符号μ从该编号为k₃的天线发射，q∈{1，2，3，...M_p}为可能的调制符号种类之一，则此时信号向量表达式为[0，...0，...μ_k3，q....0，...]^T，该信号向量的维度为M_t维，其中T表示向量的转置操作。同样，对于发射双符号的情况，第一个符号μ_k1，p，其中k₁∈{1，2，...M_t}，p∈{1，2，3，...M_s}，不做任何处理，从天线编号为k₁的天线直接发射。发射第二个符号μ_k2，p时，k₂∈{1，2，...M_t}，p∈{1，2，3，...M_s}，并非直接发射出去，在基于第一个符号μ_k1，p的基础上，为了便于在接收端和第一个符号μ_k1，p进行区分，需要将第二个符号μ_k2，p在发射之前旋转一个最优的角度

这样第二个发射符号就应该表示为

则此时信号向量表达式为[0，...0，...μ_k2，q，...μ_k3，q....0，...]^T，对于不同的调制阶数，这里的最优化旋转角度不同。通过以上的分析，我们便可以构造发射信号的向量空间，然后通过射频链路映射发射出去。

假设系统的参数为M_t＝2，M_p＝4，M_s＝2，发射单符号采用数字带通4QAM(Quadrature Amplitude Modulation)，发射双符号时采用BPSK(Binary Phase ShiftKeying)调制，可知第二个发射符号最优的角度为

则可以得到此时的信息比特映射关系和信号向量表达式，如下表1所示。

表1 M_t＝2，M_p＝4，M_s＝2单符号SM，双符号DSM信息比特关系映射表

上表格中符号AI代表天线索引，符号SI代表调制符号索引，符号“j”代表虚数单位。

第三步，信号的接收与检测，发射信号通过射频链路发射出去，经过信道传输衰减后，计算出相应接收信号，接收端通过最大似然检测(ML)算法来确定正确符号索引参数和正确的天线索引参数，从而恢复原始发射信号。

首先，根据高铁信道矩阵H数据，计算出接收信号数学模型的表达式：

y＝Hμ+n

上式中，

是接收端接收信号时域表达式，H是维度为M_r×M_t的信道矩阵，

(μ_k1，p，μ_k2，p或μ_k3，q)是发射端信号，

(n属于M_r行1列的行向量)是信道中叠加在信号中的高斯白噪声。接收到的信号y在接收机根据最大似然检测(ML)算法进行译码，ML算法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。本发明基于高速铁路无线移动通信系统的三符号空间调制技术在接收机处同样采用最大似然检测(ML)算法。基于高速铁路无线移动通信系统的三符号空间调制技术在接收端进行检测时，其最大似然检测(ML)算法公式的表达式如下，

发射数据为单符号：

发射数据为双符号：

上式中

分别单符号解调后的调制符号和天线索引，

代表双符号调制时信道的增益，

为单符号调制时信道的增益，

分别为双符号解调后的调制符号和天线索引，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M_r×M_t的信道矩阵，

(μ_k1，p，μ_k2，p或μ_k3，q)是发射端信号。

本实施方式与其他方案的最大数据速率对比如图2所示，参数M_s、M_p、M_t对本发明最大速率的影响如图3、4、5所示，本实施方式与其他方案的接收机复杂度仿真对比如图6所示。根据以上结果，本发明提高了最大数据传输速率，同时降低了接收机计算复杂度，针对高速移动通信系统达到一个比较好的平衡。

本发明的实施例还提供了一种控制设备，设备包括存储器和至少一个处理器、存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序、至少一条通讯总线。所述至少一个处理器执行所述计算机程序时实现上述面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法实施例中的步骤。

本发明的实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序。当所述计算机程序由处理器执行时，可以实现前述面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法的方法。例如，该计算机存储介质为计算机可读存储介质。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (3)

1.一种面向高移动性无线通信系统的三符号空间调制传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据系统初始参数和单符号、双符号的调制阶数，计算单符号的信息传输速率和双符号的信息传输速率，根据上述两种信息传输速率对输入信息比特进行分割，步骤(1)具体为：

(1.1)计算单符号的信息传输速率和双符号的信息传输速率，

η_p＝log₂M_p+log₂M_t，

其中，η_p为单符号的信息传输速率，M_p为单符号的调制阶数，M_t为基站发射机的天线数量，η_s为双符号的信息传输速率，M_s为双符号的调制阶数；

(1.2)将信息比特按照η_p和η_s的间隔进行分割，信息比特长度为η_p的信息比特划分为单符号信息比特时隙，信息比特长度为η_s的信息比特划分为双符号信息比特时隙；

(1.3)将双符号信息比特时隙进行均等分割，分割后的前后信息比特长度均为log₂M_s+log₂M_t；

(2)将步骤(1)中分割后的单符号信息比特采用SM技术映射，双符号信息比特采用DSM技术映射，构造发射信号向量空间，通过发射端射频链路发射；

(3)接收端接收发射信号，通过最大似然检测算法确定符号索引参数和天线索引参数，恢复原始发射信号，步骤(3)具体为：

(3.1)计算接收信号数学模型的表达式，

y＝Hμ+n，

其中，

为接收端接收信号的时域表达式，

为M_r行1列的行向量，H是维度为M_r×M_t的信道矩阵，M_r为接收端的天线数量，

是发射端信号，

是叠加在信号中的高斯白噪声；

(3.2)当发射数据为单符号信息比特，

当发射数据为双符号信息比特，

其中，

分别为单符号解调后的调制符号和天线索引，

分别为双符号解调后第一个符号的调制符号和天线索引，

分别为双符号解调后第二个符号的调制符号和天线索引，

为单符号的发射符号，

为双符号的第一个发射符号，

为双符号的第二个发射符号，

为双符号中第二个发射符号发射的旋转角度，

为双符号调制时信道的增益，

为单符号调制时信道的增益，P_R(·|·)表示条件概率函数，

表示向量的二范数。

2.一种控制设备，其特征在于：包括计算机存储器和处理器，所述的存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1所述的方法。

3.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述的计算机程序在被计算机处理器执行时实现如权利要求1所述的方法。

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