CN110968939B - 基于正交空间调制系统的星座图优化方法、终端及存储介质 - Google Patents

基于正交空间调制系统的星座图优化方法、终端及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于正交空间调制系统的星座图优化方法、终端及存储介质，所述方法，首先给出正交空间调制系统，以及给出发射空间向量之间的平方最小欧式距离公式。根据欧式距离公式特性分析，设计出一种适合正交空间调制系统的星座图。相对于传统的QAM/PSK调制技术，本发明更适用于正交空间调制系统，通过降低发射空间向量的平均能量，以增大发射空间向量之间的平方最小欧式距离，获得更好的传输系统性能，提高无线通信系统的可靠性。

Description

基于正交空间调制系统的星座图优化方法、终端及存储介质
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及基于正交空间调制系统的星座图优化方法、终端及存储介质。
背景技术
正交空间调制(Quadrature Spatial Modulation,QSM)技术已经成为5G无线通信系统中关键技术的研究热点之一，它不仅通过多维正交振幅调制或相移键控(M-aryQuadrature Amplitude Modulation/Phase Shift Keying,M-QAM/PSK)调制符号携带信息，而且通过天线空间维度中同相空间维度和正交空间维度携带信息。这意味着QSM系统中每次发送的一个空间向量信号由M-QAM/PSK调制符号和同相与正交空间维度的两个发射天线索引所形成。
在仅单根发射天线的传统无线通信系统中，由于信道衰落和噪声干扰，两两传统星座点之间的最小欧氏距离(Minimum Euclidean Distance,MED)在高信噪比时对无线通信质量起到决定作用。在多输入多输出(Multi-input Multi-output,MIMO)系统中，一个或多个传统星座点被调制在发射天线上，形成一个发射空间向量(Transmitted spatialvector,TSV)之后被发射出去。也就是说，两两TSVs之间的平方最小欧式距离(squaredminimum Euclidean distance,SMED)在MIMO通信系统中起到关键作用。由于信号星座点的不同分布，星座点映射到多根发射天线上形成不同发射空间向量(Transmitted spatialvector,TSV)。因此，进一步优化信号星座点的分布，可以获得更好的系统性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于正交空间调制系统的星座图优化方法、终端及存储介质，更适用于正交空间调制系统，通过降低发射空间向量的平均能量，以增大发射空间向量之间的平方最小欧式距离，获得更好的传输系统性能，提高无线通信系统的可靠性。
本发明实施例提出一种基于正交空间调制系统的星座图优化方法，包括：
S1、给定传统的M-QAM星座符号sm，计算两两星座符号之间的平方最小欧式距离为：
Figure BDA0002261293260000011
其中，m∈1,2,…,M，Eav为每个星座点的平均能量；
S2、将传统的M-QAM星座符号sm应用于正交空间调制系统QSM中，则两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离为：
Figure BDA0002261293260000021
其中，
Figure BDA0002261293260000022
分别为sm的实部和虚部，Sm由
Figure BDA0002261293260000023
分别通过各自天线索引被调制到同相和正交的空间域得到；
S3、根据
Figure BDA0002261293260000024
和
Figure BDA0002261293260000025
将四个星座点{±1±j}作为优化的正交幅度调制O-QAM星座的最内部四个星座点，则有4-Q-QAM星座点为{±1±j}。
S4、将优化M-QAM星座的问题描述为：
Figure BDA0002261293260000026
其中，S°表示为O-QAM星座点映射到发射天线得到的发射空间向量，
Figure BDA0002261293260000027
表示为O-QAM星座中每个星座点平均能量。
进一步地，所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，还包括：
S5、根据约束条件
Figure BDA0002261293260000028
平方最小欧式距离
Figure BDA0002261293260000029
获得最大化，则有：
Figure BDA00022612932600000210
S6、给定一个M-O-QAM星座符号
Figure BDA00022612932600000211
的实部分量和虚部分量分别为：
Figure BDA00022612932600000212
Figure BDA00022612932600000213
其中，
Figure BDA00022612932600000214
Figure BDA00022612932600000215
表示为离该值最近的最大整数。
S7、在获得M-O-QAM的最内部四个星座点{±1±j}后，根据步骤S5得到M-O-QAM星座点的理想分量值为：
Figure BDA00022612932600000216
进一步地，所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，还包括：
S8、给定O-PSK星座
Figure BDA00022612932600000217
S9、确定
Figure BDA00022612932600000218
根据步骤S2，将两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离描述为：
Figure BDA00022612932600000219
S10、根据步骤S5，给定
Figure BDA0002261293260000031
平方最小欧式距离
Figure BDA0002261293260000032
获得最大化。
进一步地，所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，还包括：
S11、给定一个8-O-PSK星座
Figure BDA0002261293260000033
第一个象限中两个星座点为
Figure BDA0002261293260000034
所有星座点分布在单位圆，以及在
Figure BDA0002261293260000035
条件约束下，有：
Figure BDA0002261293260000036
解方程，得：
Figure BDA0002261293260000037
进而，求出8-O-PSK星座中所有优化的星座点。
本发明实施例还提出一种终端，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法。
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述存储介质所在设备执行如上述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法。
本发明实施例通过优化信号星座点的分布，目的在于最大化两两发射空间向量之间的平方最小欧式距离，最终获得更好的误比特性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为正交空间调制技术的系统发送端模型；
图2为8-O-QAM星座图的设计；
图3为8-O-PSK星座图的设计。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
QSM系统的发送端框图如图1所示，一个调制符号sm,m∈1,2,…,M被分离成同相分量
Figure BDA0002261293260000041
和正交分量
Figure BDA0002261293260000042
通过两个天线索引比特B2和B3，分别激活同相和正交维度的发射天线，然后将这两个分量
Figure BDA0002261293260000043
分别调制在对应的激活发射天线上，最后形成一个发射空间向量(TSV)
Figure BDA0002261293260000044
这样，QSM系统中TSV之间的平方最小欧式距离可以描述为：
Figure BDA0002261293260000045
由上式可见，
Figure BDA0002261293260000046
与
Figure BDA0002261293260000047
Eav三者有关系。
为了最大化平方最小欧式距离
Figure BDA0002261293260000048
本发明提出一种用于QSM系统的信号星座优化设计方法，即优化M-QAM/PSK星座图。星座图优化设计的条件为优化的QAM/PSK(O-QAM/PSK)调制符号之间平方最小欧式距离等于两两发射空间向量之间平方最小欧式距离。
本发明实施例提出一种基于正交空间调制系统的星座图优化方法，首先设计一种O-QAM星座，包括：
S1、给定传统的M-QAM星座符号sm，计算两两星座符号之间的平方最小欧式距离为：
Figure BDA0002261293260000049
其中，m∈1,2,…,M，Eav为每个星座点的平均能量；
S2、将传统的M-QAM星座符号sm应用于正交空间调制系统QSM中，则两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离为：
Figure BDA0002261293260000051
其中，
Figure BDA0002261293260000052
分别为sm的实部和虚部，Sm由
Figure BDA0002261293260000053
分别通过各自天线索引被调制到同相和正交的空间域得到；
S3、根据
Figure BDA0002261293260000054
和
Figure BDA0002261293260000055
将四个星座点{±1±j}作为优化的正交幅度调制O-QAM星座的最内部四个星座点，则有4-Q-QAM星座点为{±1±j}。
S4、将优化M-QAM星座的问题描述为：
Figure BDA0002261293260000056
其中，S°表示为O-QAM星座点映射到发射天线得到的发射空间向量，
Figure BDA0002261293260000057
表示为O-QAM星座中每个星座点平均能量。
进一步地，基于上述优化的问题，O-QAM高阶星座的设计如下：
在步骤S4可推导，平均能量
Figure BDA0002261293260000058
越小，
Figure BDA0002261293260000059
越大。为了最小化
Figure BDA00022612932600000510
且遵循步骤S2所述的平方最小欧式距离的计算公式，需要满足两两星座点之间的平方最小欧式距离大于或等于两两发射空间向量的平方最小欧式距离的条件，即
Figure BDA00022612932600000511
s°表示为O-QAM星座的符号。
则，所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，还包括：
S5、根据约束条件
Figure BDA00022612932600000512
平方最小欧式距离
Figure BDA00022612932600000513
获得最大化，则有：
Figure BDA00022612932600000514
S6、给定一个M-O-QAM星座符号
Figure BDA00022612932600000515
的实部分量和虚部分量分别为：
Figure BDA00022612932600000516
Figure BDA00022612932600000517
其中，
Figure BDA00022612932600000518
Figure BDA00022612932600000519
表示为离该值最近的最大整数。
S7、在获得M-O-QAM的最内部四个星座点{±1±j}后，根据步骤S5得到M-O-QAM星座点的理想分量值为：
Figure BDA00022612932600000520
进一步地，设计一种O-PSK星座，包括：
在传统PSK星座，与4-O-AM星座一样，因为4-PSK星座点为{±1±j}，所以被考虑作为4-O-PSK星座图。在正交空间调制系统中，由于高阶的PSK星座性能比高阶的QAM星座性能差，这里只分析8-PSK星座图的优化设计方法。
则，所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，还包括：
S8、给定O-PSK星座
Figure BDA0002261293260000061
S9、确定
Figure BDA0002261293260000062
根据步骤S2，将两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离描述为：
Figure BDA0002261293260000063
S10、根据步骤S5，给定
Figure BDA0002261293260000064
平方最小欧式距离
Figure BDA0002261293260000065
获得最大化。
进一步地，所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，还包括：
S11、给定一个8-O-PSK星座
Figure BDA0002261293260000066
第一个象限中两个星座点为
Figure BDA0002261293260000067
所有星座点分布在单位圆，以及在
Figure BDA0002261293260000068
条件约束下，有：
Figure BDA0002261293260000069
解方程，得：
Figure BDA00022612932600000610
进而，求出8-O-PSK星座中所有优化的星座点。
本发明涉及正交空间调制(QSM)技术和正交幅度调制/相位调制技术，以及被传输的发射空间向量之间的平方最小欧式距离。具体来说是用于正交空间调制(QSM)系统的星座图优化设计方法。本发明首先给出正交空间调制系统，以及给出发射空间向量之间的平方最小欧式距离公式。根据欧式距离公式特性分析，设计出一种适合正交空间调制系统的星座图。相对于传统的QAM/PSK调制技术，所设计的星座图更适用于正交空间调制系统，可以增大发射空间向量之间的平方最小欧式距离，提高无线通信系统的可靠性。
星座图的优化设计可以降低发射空间向量的平均能量，以至增大发送空间向量之间的平方最小欧式距离，达到获得更好的传输系统性能。
下面结合附图对本发明实施例进一步说明：
实例1：
本例中，设计一个8-O-QAM星座，如图2所示，传统8-QAM星座图中八个星座点{s1,…,s8}。根据星座设计原理，内部的四个星座点sk,k∈{1,3,5,7}被考虑作为
Figure BDA00022612932600000611
其他星座点sk,k∈{2,4,6,8}的分量
Figure BDA00022612932600000612
向
Figure BDA00022612932600000613
轴方向缩小
Figure BDA0002261293260000071
得到新的四个星座点
Figure BDA0002261293260000072
由此得到一个8-O-QAM星座
Figure BDA0002261293260000073
两个8阶星座图如下：
(a)8-QAM星座，s∈{±1±j,±3±j},Eav＝6,
Figure BDA0002261293260000074
(b)8-O-QAM星座，
Figure BDA0002261293260000075
由此可见，
Figure BDA0002261293260000076
实例2：
在本例中，设计一个8-O-PSK星座，如图3所示，设计的八个星座点为
Figure BDA0002261293260000077
假设第一个象限中两个星座点为
Figure BDA0002261293260000078
因为所有星座点分布在单位圆，以及在
Figure BDA0002261293260000079
条件约束下，有
Figure BDA00022612932600000710
解方程得到
Figure BDA00022612932600000711
同理，可以得到其他星座点。
两个8阶星座图如下：
8-PSK星座，s∈{±0.3827±0.9239j,±0.9239±0.3827j},
Figure BDA00022612932600000712
8-O-PSK星座，
Figure BDA00022612932600000713
由此可见，
Figure BDA00022612932600000714
本发明实施例还提出一种终端，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法。
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述存储介质所在设备执行如上述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于正交空间调制系统的星座图优化方法，其特征在于，包括：
S1、给定传统的M-QAM星座符号sm，计算两两星座符号之间的平方最小欧式距离为：
其中，m∈1,2,…,M，Eav为每个星座点的平均能量；sm为M-QAM星座符号；为两两M-QAM星座点之间的平方最小欧式距离；
S2、将传统的M-QAM星座符号sm应用于正交空间调制系统QSM中，则两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离为：
其中，分别为sm的实部和虚部，Sm由分别通过各自天线索引被调制到同相和正交的空间域得到；s为发射空间向量，为两两发射空间向量的平方最小欧式距离；
S3、根据和将四个星座点{±1±j}作为优化的正交幅度调制O-QAM星座的最内部四个星座点，则有4-Q-QAM星座点为{±1±j}；
S4、将优化M-QAM星座的问题描述为：
其中，So表示为O-QAM星座点映射到发射天线得到的发射空间向量，表示为O-QAM星座中每个星座点平均能量；为优化的两两发射空间向量的平方最小欧式距离。
2.根据权利要求1所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，其特征在于，还包括：
S5、根据约束条件平方最小欧式距离获得最大化，则有：
so表示为O-QAM星座的符号，为两两O-QAM星座点之间的平方最小欧式距离；
S6、给定一个M-O-QAM星座符号的实部分量和虚部分量分别为：
其中，表示为离该值最近的最大整数;
S7、在获得M-O-QAM的最内部四个星座点{±1±j}后，根据步骤S5得到M-O-QAM星座点的理想分量值为：
3.根据权利要求2所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，其特征在于，还包括：
S8、给定O-PSK星座
S9、确定根据步骤S2，将两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离描述为：
S10、根据步骤S5，给定平方最小欧式距离获得最大化。
4.根据权利要求3所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法，其特征在于，还包括：
S11、给定一个8-O-PSK星座第一个象限中两个星座点为所有星座点分布在单位圆，以及在条件约束下，有：
解方程，得：
进而，求出8-O-PSK星座中所有优化的星座点。
5.一种终端，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至4任一项所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述存储介质所在设备执行如权利要求1至4任一项所述的基于正交空间调制系统的星座图优化方法。
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