CN110855333B - 一种基于广义空间调制的差分传输方法 - Google Patents

一种基于广义空间调制的差分传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于广义空间调制的差分传输方法，该方法简称为D‑GSM法，具体是将传输数据帧分为参考块与普通块两部分，每个普通块基于数据帧中的参考块进行差分编码，通过采用最佳功率分配，向参考块分配较大的传输功率，可以实现误码性能的改善，从而为差分检测器提供可靠的CSI参考；该方法可以解决GSM方案差分调制后传输矩阵满足不了封闭性要求、最终使得系统在接收端无法进行差分检测的问题。仿真结果表明，随着数据帧长度的增加，采用本发明所提出的D‑GSM方案误码性能逼近GSM系统的误码性能。

Description

一种基于广义空间调制的差分传输方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及无线通线系统发射端信号的构造方法，具体地说是一种基于广义空间调制的差分传输方法。
背景技术
空间调制是一种高速率，高频谱效率的多输入多输出(MIMO,multiple inputmultiple output)传输方案，它利用发射天线索引以及数字调制符号来传递信息。空间调制(SM,spatial modulation)技术在每个时隙只激活一根发射天线，因此与传统的MIMO系统相比，SM不需要发射天线同步，并且能够消除接收端的信道间干扰(ICI,inter-channelinterference)。但是，SM的传输效率与发射天线数目成对数关系，传输效率较低。广义空间调制(GSM,generalized spatial modulation)拓展了SM的空间域概念，可同时激活多根发射天线用于发射信号。因此，在配置相同数目的发射天线时，GSM系统能获得比SM系统更高的频谱效率。但SM和GSM方案极为依赖信道状态信息(CSI,channel state information)，在实际运用中受到很大影响。
差分空间调制(DSM,differential spatial modulation)方案是SM有吸引力的替代方案之一，因为它无需CSI来实施检测，避免了导频开销并克服了信道估计误差所带来的性能的损失，同时还能保持SM的优势。由此，研究者们又提出了差分正交空间调制(DQSM,differential quadrature spatial modulation)、差分正交空间移位键控(DQSSK,differential quadrature spatial shift keying)以及差分空时移键控(DSTSK,differential space-time shift keying)等方案，但到目前为止，GSM的差分方案还尚未提出。因为GSM方案每时隙激活多根天线的特点导致其符号矩阵无法保持酉特性，从而导致经过差分调制后传输矩阵满足不了封闭性的要求，最终使得系统在接收端无法进行差分检测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于广义空间调制的差分传输方法(differential-generalized spatial modulation，简称为D-GSM)，该方法中数据传输以帧为单位，每个帧由参考块和普通块组成，且只有普通块传送信息。本方案基于参考块对正常块进行差分编码，不同于传统前后块差分的方式，从而避免了上述提到的差分限制条件。与普通块相比，通过向参考块分配更多的发射功率来实现误码性能的改善，从而在检测期间改善对信道矩阵的估计。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于广义空间调制的差分传输方法，包括下列步骤：
1)首先考虑一个发射天线数为Nt，接收天线数为Nr的多输入多输出系统。q＝[q1,q2,…,qn]表示输入比特，数字调制阶数为M，每个时隙发射端激活的发射天线数目为Na。因此，当从Nt根发射天线中选择激活Na根天线时所有的天线组合数为
Figure BDA0002271432530000021
其中
Figure BDA0002271432530000022
表示二项式系数。在这些天线组合中，只有
Figure BDA0002271432530000023
个天线组合用来传输信息比特，其中
Figure BDA0002271432530000024
表示向下取整。
2)在提出的D-GSM系统中，每个发送的数据帧由K＝Nt+L个码字组成，其中前Nt个参考码字作为参考块，不携带信息，剩余的L个普通码字用于传递信息。参考块在Nt个时隙传输，每个发射天线仅被激活一次。首先，在前Nt个时隙发送参考块，则接收的参考信号为：
Yr＝HrXr+Nr (1)
其中
Figure BDA0002271432530000025
是参考块，本文中Xr为Nt行Nt列的单位阵，
Figure BDA0002271432530000026
是接收参考信号，
Figure BDA0002271432530000027
是信道衰落矩阵，
Figure BDA0002271432530000028
是高斯噪声矩阵。Hr和Nr中的元素分别服从CN(0,1),CN(0,σr 2)分布。因此，发送参考码字的平均SNR是
Figure BDA0002271432530000029
3)然后在接下来的L个时隙中发送携带信息的普通码字。在发射端的每个时隙中，信息比特通过以下两种方式进行传递：a)天线索引调制：从Nt个发射天线中选择Na个用来传输
Figure BDA00022714325300000210
比特信息；b)数字调制：每个激活的发射天线发送调制符号(MQAM或者MPSK)，共传输Na log2M比特信息，经过映射得到数字调制符号向量
Figure BDA0002271432530000031
其中
Figure BDA0002271432530000032
表示数字调制符号，
Figure BDA0002271432530000033
假设E[|s|2]＝1。则经过GSM调制的发送向量
Figure BDA0002271432530000034
可以表示为
Figure BDA0002271432530000035
其中s中非零符号的个数为Na。因此，对于第t个时隙(t∈[1:L])，
Figure BDA0002271432530000036
比特确定被激活的天线组合的索引值j，1≤j≤N；m2＝Na log2M比特确定Na个从M-PSK或M-QAM星座中映射的调制符号向量。每个时隙传输的总比特数m＝m1+m2。则普通码字的差分编码公式为
Figure BDA0002271432530000037
其中
Figure BDA0002271432530000038
为GSM调制得到的传输向量，有Na个非零元素，从公式(2)可以看出，发射信号
Figure BDA0002271432530000039
因此可以在该系统中使用M-PSK或M-QAM星座，在相同调制阶数下采用QAM星座可以改善高阶调制的误码率性能。
接收信号为
Figure BDA00022714325300000310
其中
Figure BDA00022714325300000311
是信道衰落矩阵，
Figure BDA00022714325300000312
是高斯噪声向量，分别服从CN(0,1)和CN(0,σn 2)分布。因此，普通码字的平均SNR是
Figure BDA00022714325300000313
4)假设信道为准静态衰落信道，信道矩阵在每一帧内保持不变，在帧与帧之间独立的变化，即Hr＝H(t)，则公式(3)中的接收信号可以表示为
Figure BDA00022714325300000314
结合公式(1)可得到
y(t)＝(Yr-Nr)s(t)+n(t)＝Yrs(t)-Nrs(t)+n(t) (5)
然后将ML检测器用于D-GSM系统，得到
Figure BDA00022714325300000315
从公式(6)可以清楚地看出，利用提供信道矩阵估计的参考信号Yr来恢复y(t)中包含的信息。通过对传输向量候选值进行遍历搜索，可以估计出激活的发射天线组合索引值及其发射的调制符号组合。
5)假设发送的数据块长度为P，其中包括一个参考块和P-1个普通块。然后将约束平均发射功率
Figure BDA0002271432530000041
的优化问题表述为
Figure BDA0002271432530000042
参考块和普通码字之间的最佳功率分配分别由以下公式给出
Figure BDA0002271432530000043
Figure BDA0002271432530000044
从公式(5)可以看出，第t个时隙中的接收信号由两个噪声分量组成，每个噪声分量具有不同的方差。此外，公式(7)中的优化问题使用参考块和正常块的发射功率来约束系统的平均SNR。因此，系统的等效相干噪声方差可以定义为
Figure BDA0002271432530000045
其中
Figure BDA0002271432530000046
在D-GSM中，发送的数据帧长度为K，为了将功率分配应用于D-GSM，则认为每个帧包括K/Nt块，其中第一块是参考块，剩余的L/Nt＝K/Nt-1块是普通块。由此，参考码字和普通码字的平均SNR以及D-GSM的等效相干噪声方差分别由公式(8)，公式(9)和公式(10)给出，其中P＝K/Nt。
按照上述的基于广义空间调制的差分传输方案，本发明的有益效果为：
本发明提出了基于功率分配概念的差分广义空间调制方案(D-GSM,differential-generalized spatial modulation)。该方案的数据传输以帧为单位，其中每个帧由参考块和普通块组成，且只有普通块传送信息。本方案基于参考块对正常块进行差分编码，不同于传统前后块差分的方式，从而避免了差分限制条件。与普通块相比，通过向参考块分配更多的发射功率来实现误码性能的改善，从而在检测期间改善对信道矩阵的估计。仿真结果表明，随着发送帧长度的增加，D-GSM系统的误码性能逼近相干GSM系统的误码性能。
附图说明
图1是基于广义空间调制的差分传输方法的系统框图。
图2是在Nt＝4,Nr＝4,Na＝2时，不同数据帧长度下，D-GSM系统与相干GSM系统的误码率性能对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
按照本发明提出的基于广义空间调制的差分传输方案，如图1所示，按下列步骤进行：
1)首先考虑一个发射天线数为Nt，接收天线数为Nr的多输入多输出系统。q＝[q1,q2,…,qn]表示输入比特，数字调制阶数为M，每个时隙发射端激活的发射天线数目为Na。因此，当从Nt根发射天线中选择激活Na根天线时所有的天线组合数为
Figure BDA0002271432530000051
其中
Figure BDA0002271432530000052
表示二项式系数。在这些天线组合中，只有
Figure BDA0002271432530000053
个天线组合用来传输信息比特，其中
Figure BDA0002271432530000059
表示向下取整。
2)在提出的D-GSM系统中，每个发送的数据帧由K＝Nt+L个码字组成，其中前Nt个参考码字作为参考块，不携带信息，剩余的L个普通码字用于传递信息。参考块在Nt个时隙传输，每个发射天线仅被激活一次。首先，在前Nt个时隙发送参考块，则接收的参考信号为：
Yr＝HrXr+Nr (1)
其中
Figure BDA0002271432530000054
是参考块，本文中Xr为Nt行Nt列的单位阵，
Figure BDA0002271432530000055
是接收参考信号，
Figure BDA0002271432530000056
是信道衰落矩阵，
Figure BDA0002271432530000057
是高斯噪声矩阵。Hr和Nr中的元素分别服从CN(0,1),CN(0,σr 2)分布。因此，发送参考码字的平均SNR是
Figure BDA0002271432530000058
3)然后在接下来的L个时隙中发送携带信息的普通码字。在发射端的每个时隙中，信息比特通过以下两种方式进行传递：a)天线索引调制：从Nt个发射天线中选择Na个用来传输
Figure BDA0002271432530000061
比特信息；b)数字调制：每个激活的发射天线发送调制符号(MQAM或者MPSK)，共传输Na log2M比特信息，经过映射得到数字调制符号向量
Figure BDA0002271432530000062
其中
Figure BDA0002271432530000063
表示数字调制符号，
Figure BDA0002271432530000064
假设E[|s|2]＝1。则经过GSM调制的发送向量
Figure BDA0002271432530000065
可以表示为
Figure BDA0002271432530000066
其中s中非零符号的个数为Na。因此，对于第t个时隙(t∈[1:L])，
Figure BDA0002271432530000067
比特确定被激活的天线组合的索引值j，1≤j≤N；m2＝Na log2M比特确定Na个从M-PSK或M-QAM星座中映射的调制符号向量。每个时隙传输的总比特数m＝m1+m2。则普通码字的差分编码公式为
Figure BDA0002271432530000068
其中
Figure BDA0002271432530000069
为GSM调制得到的传输向量，有Na个非零元素，从公式(2)可以看出，发射信号
Figure BDA00022714325300000610
因此可以在该系统中使用M-PSK或M-QAM星座，在相同调制阶数下采用QAM星座可以改善高阶调制的误码率性能。
接收信号为
Figure BDA00022714325300000611
其中
Figure BDA00022714325300000612
是信道衰落矩阵，
Figure BDA00022714325300000613
是高斯噪声向量，分别服从CN(0,1)和
Figure BDA00022714325300000614
分布。因此，普通码字的平均SNR是
Figure BDA00022714325300000615
4)假设信道为准静态衰落信道，信道矩阵在每一帧内保持不变，在帧与帧之间独立的变化，即Hr＝H(t)，则公式(3)中的接收信号可以表示为
Figure BDA00022714325300000616
结合公式(1)可得到
y(t)＝(Yr-Nr)s(t)+n(t)＝Yrs(t)-Nrs(t)+n(t) (5)
然后将ML检测器用于D-GSM系统，得到
Figure BDA0002271432530000071
从公式(6)可以清楚地看出，利用提供信道矩阵估计的参考信号Yr来恢复y(t)中包含的信息。通过对传输向量候选值进行遍历搜索，可以估计出激活的发射天线组合索引值及其发射的调制符号组合。然后经过比特反映射可以得到输入比特的检测结果
Figure BDA0002271432530000072
5)假设发送的数据块长度为P，其中包括一个参考块和P-1个普通块。然后将约束平均发射功率
Figure BDA0002271432530000073
的优化问题表述为
Figure BDA0002271432530000074
参考块和普通码字之间的最佳功率分配分别由以下公式给出
Figure BDA0002271432530000075
Figure BDA0002271432530000076
从公式(5)可以看出，第t个时隙中的接收信号由两个噪声分量组成，每个噪声分量具有不同的方差。此外，公式(7)中的优化问题使用参考块和正常块的发射功率来约束系统的平均SNR。因此，系统的等效相干噪声方差可以定义为
Figure BDA0002271432530000077
其中
Figure BDA0002271432530000078
在D-GSM中，发送的数据帧长度为K，为了将功率分配应用于D-GSM，则认为每个帧包括K/Nt块，其中第一块是参考块，剩余的L/Nt＝K/Nt-1块是普通块。由此，参考码字和普通码字的平均SNR以及D-GSM的等效相干噪声方差分别由公式(8)，公式(9)和公式(10)给出，其中P＝K/Nt。
图2为不同数据帧长度下的系统误码性能对比，从图2可知，随着数据帧长度的增加，D-GSM系统的仿真误码率性能逼近GSM性能。L值较小时，D-GSM系统与GSM误码率性能相差较大，随着L的增大，差距逐渐减小，同时，减小的速率也在变慢。这表明，当L值足够大时，D-GSM系统的性能可以与相干GSM相同。
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。

Claims (1)

1.一种基于广义空间调制的差分传输方法，其特征在于，在该方法中数据传输以帧为单位，将每个帧由参考块和普通块组成，参考块不携带信息，只有普通块传送信息，由参考块对普通块进行差分编码，且向参考块分配更多的发射功率；包括下列步骤：
1)对于一个发射天线数为Nt、接收天线数为Nr的多输入多输出系统：q＝[q1,q2,…,qn]表示输入比特，数字调制阶数为M，每个时隙发射端激活的发射天线数目为Na，且Na为大于1的整数；当从Nt根发射天线中选择激活Na根天线时所有的天线组合数为
Figure FDA0002931335350000011
其中
Figure FDA0002931335350000012
表示二项式系数，在这些天线组合中，只有
Figure FDA0002931335350000013
个天线组合用来传输信息比特，其中
Figure FDA0002931335350000014
表示向下取整；
2)每个发送的数据帧由K＝Nt+L个码字组成，其中前Nt个参考码字作为参考块，不携带信息，剩余的L个普通码字用于传递信息；参考块在Nt个时隙传输，每个发射天线仅被激活一次；首先，在前Nt个时隙发送参考块，则接收的参考信号为：
Yr＝HrXr+Nr (1)
其中
Figure FDA0002931335350000015
是参考块，为Nt行Nt列的单位阵，
Figure FDA0002931335350000016
是接收参考信号，
Figure FDA0002931335350000017
是信道衰落矩阵，
Figure FDA0002931335350000018
是高斯噪声矩阵；Hr和Nr中的元素分别服从CN(0,1),CN(0,σr 2)分布；
因此，发送参考码字的平均SNR是
Figure FDA0002931335350000019
3)在接下来的L个时隙中发送携带信息的普通码字；
在发射端的每个时隙中，信息比特通过以下两种方式进行传递：a)天线索引调制：从Nt个发射天线中选择Na个用来传输
Figure FDA00029313353500000110
比特信息；b)数字调制：每个激活的发射天线发送调制符号，共传输Na log2M比特信息，经过映射得到数字调制符号向量
Figure FDA0002931335350000021
其中
Figure FDA0002931335350000022
表示数字调制符号，
Figure FDA0002931335350000023
假设E[|s|2]＝1，则经过GSM调制的发送向量
Figure FDA00029313353500000213
表示为
Figure FDA0002931335350000024
其中s中非零符号的个数为Na；因此，对于第t个时隙(t∈[1:L])，
Figure FDA0002931335350000025
比特确定被激活的天线组合的索引值j，1≤j≤N；m2＝Na log2M比特确定Na个从M-PSK或M-QAM星座中映射的调制符号向量，每个时隙传输的总比特数m＝m1+m2，则普通码字的差分编码公式为
Figure FDA0002931335350000026
其中
Figure FDA0002931335350000027
为GSM调制得到的传输向量，有Na个非零元素；
接收信号为
Figure FDA0002931335350000028
其中
Figure FDA0002931335350000029
是信道衰落矩阵，
Figure FDA00029313353500000210
是高斯噪声向量，分别服从CN(0,1)和CN(0,σn 2)分布；
因此，普通码字的平均SNR是
Figure FDA00029313353500000211
4)假设信道为准静态衰落信道，信道矩阵在每一帧内保持不变，在帧与帧之间独立的变化，即Hr＝H(t)，则公式(3)中的接收信号表示为
y(t)＝Hrx( n t)+n(t) (4)
结合公式(1)得到
y(t)＝(Yr-Nr)s(t)+n(t)＝Yrs(t)-Nrs(t)+n(t) (5)
然后将ML检测器用于D-GSM系统，得到
Figure FDA00029313353500000212
5)假设发送的数据块长度为P，其中包括一个参考块和P-1个普通块；约束平均发射功率
Figure FDA0002931335350000031
的优化问题表述为
Figure FDA0002931335350000032
参考块和普通码字之间的最佳功率分配分别由以下公式给出
Figure FDA0002931335350000033
Figure FDA0002931335350000034
系统的等效相干噪声方差定义为
Figure FDA0002931335350000035
其中
Figure FDA0002931335350000036
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