CN111585629B - 一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，属于无线通信技术领域。本发明结合波束切换的思想，借助预编码技术，将信息比特映射到波束空间中的空‑时发送块。首先设定差分波束空间调制发送块矩阵的列数等于发送信号矢量的维数，然后依据差分传输的集合封闭性要求，构造波束空间的空时发送块总集合和差分波束空间调制发送块映射集合，接下来基于奇异值分解的方式构造预编码矩阵，并将其用于发射端差分波束空间调制传输，最后接收端进行差分波束空间调制信号盲检测。本发明所设计的差分波束空间调制方法，具有良好的抗噪声性能，有效提升了通信系统差分传输的可靠性，具有实用性。

Description

一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法

技术领域

本发明涉及一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

空间调制是一种基于切换机制的新型多天线技术，通过在不同时隙激活不同的天线或波束，利用空间域和幅度/相位域同时传输信息。与传统多天线技术相比，空间调制仅使用少量射频链路，具有硬件成本低、能量效率高以及系统复杂度低的优势，在未来通信系统中非常具有应用前景[R.Y.Mesleh,H.Haas,S.Sinanovic,C.W.Ahn and S.Yun,"SpatialModulation,"IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.57,no.4,pp.2228-2241,2008.]。信号检测的性能直接影响通信系统的性能，是整个通信过程中非常重要的一个环节。经典的空间调制信号检测算法，如匹配滤波检测、最大似然检测等，均依赖于接收机信道状态信息。但是，在实际通信场景中要获得精确的信道状态信息的估计，需要较大的导频开销，这降低了系统的频谱效率和能量效率。尤其是在物联网或无线传感器网络中的上行传输场景下，较大的导频开销是能量受限的通信节点无法承受的。

Y.Bian等人通过在基于天线切换的空间调制系统中引入差分机制，提出了差分空间调制传输与盲检测方法[Y.Bian,X.Cheng,M.Wen,L.Yang,H.V.Poor and B.Jiao,"Differential Spatial Modulation,"IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.64,no.7,pp.3262-3268,2015.]。接收端通过差分检测实现发送信号恢复，无需进行信道状态信息估计。虽然基于差分机制可以实现空间调制信号盲检测，但是与传统空间调制传输方案相比，差分空间调制盲检测的误比特率性能损失较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，该方法适用于时分双工多天线系统，本发明首先设定差分波束空间调制发送块矩阵S_t的列数为发送信号矢量的维数，然后依据差分传输的集合封闭性要求构造波束空间的空时发送块集合，接下来基于奇异值分解的方式构造最优波束空间，最后发射端和接收端分别进行差分波束空间调制传输与盲检测。在上行传输时，能量受限的通信节点在完成预编码之后，直接发送通信数据而无需发送导频，基站作为接收端进行盲检测，节省了能量受限节点的导频发送功率和导频发送时间，降低了上行传输的误比特率，提升了通信系统的可靠性。

本发明的技术方案为：

一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，用于时分双工通信系统，该通信系统配备有N_a根发射端天线和N_b根接收天线，发射端第t个发送块内的第j个时隙发送的波束空间调制信号矢量为

N_s表示第t个发送块内时隙的个数，上标T表示转置，s_tj中仅有第i个元素非零，表示发射端第t个发送块内的第j个时隙激活第i个波束，1≤i≤N_s，非零元素s_ij选自M_j阶幅度/相位调制(Amplitude/Phase Modulation,APM)星座符号集合

该方法的具体步骤包括：

(1)设定差分波束空间调制发送块矩阵S_t的列数等于发送信号矢量的维数N_s，矩阵S_t为方阵，其行列数相同，即令连续N_s个时隙的发送信号矢量组成差分波束空间调制的发送块矩阵

(2)依据差分传输的集合封闭性要求，构造波束空间的空时发送块总集合

和差分波束空间调制发送块映射集合

(3)基于奇异值分解的方式求得预编码矩阵F_t，以构造最优波束空间，具体步骤为：

根据时分双工通信系统中信道的互易性，可由下行传输信道估计结果得到上行信道状态信息，设定第t个发送块对应的信道矩阵为

对信道矩阵H_t进行奇异值分解得到矩阵

矩阵V_t的列矢量为H_t的右奇异矢量，对应于按降序排列的所有奇异值；

预编码矩阵

由对应于H_t的N_s个最大奇异值的右奇异矢量组成，即

式(I)中，

是选择矩阵，由N_a阶单位矩阵

的前N_s个列矢量组成；

(4)发射端进行差分波束空间调制传输：在每个信道相干时间，发射端首先发送一个发射端和接收端均已知的差分波束空间调制发送块

S₀为初始发送块；

之后，再基于步骤(3)求得的预编码矩阵F_t，得到在第t个发送块的发送矩阵P_t，进行数据传输；

(5)接收端进行差分波束空间调制信号盲检测：发送矩阵P_t经过准静态信道到达接收端，第t-1个接收信号矩阵Y_t-1表示为：

Y_t-1＝H_t-1F_t-1S_t-1+N_t-1 (IV)

式(IV)中，

表示第t-1个接收块对应的噪声矩阵；H_t-1表示第t-1个发送块对应的信道矩阵，F_t-1表示第t-1个发送块对应的预编码矩阵；S_t-1为第t-1个发送块矩阵；

同理，第t个接收信号矩阵Y_t表示为

Y_t＝H_tF_tS_t+N_t (V)

式(IV)中，N_t表示第t个接收块对应的噪声矩阵；

差分波束空间调制盲检测公式：

式(VIII)中，X表示信息块矩阵，Re(·)表示取实部运算，上标H表示共轭转置，

表示矩阵

的迹，

表示使目标函数取最大值时的对应的变量值X，

表示盲检测到的差分波束空间调制信息块。

与现有的差分空间调制利用发射端空时发送块携带信息比特、预编码辅助的接收差分空间调制，利用接收端空时发送块携带信息比特不同；本发明中，差分波束空间调制将信息比特映射到波束空间中的空时发送块，即利用时间维度和波束索引携带额外的信息比特。

根据本发明优选的，步骤(2)中，波束空间的空时发送块总集合

中的发送块矩阵S_t需要满足三个约束条件：

第一，每个时隙仅激活一个波束，即发送块矩阵S_t的每列仅有一个非零元素；

第二，每个波束在一个发送块内仅被激活一次，即发送块矩阵S_t的每行仅有一个非零元素；

第三，APM星座符号集合需满足等能量约束，即发送块矩阵S_t的每个非零元素均属于等能量的M阶相移键控(Phase Shift Keying，PSK)星座符号集合

其中，

从而能够进行差分传输；

因此，波束空间的空时发送块总集合

由

种可能的发送块组成。

根据本发明优选的，步骤(2)中，差分波束空间调制发送块映射集合

满足：

用于差分波束空间调制信息比特映射的发送块的数目必须为2的整数次幂，按字典顺序从差分波束空间的空时发送块总集合

中选择前

个发送块组成集合

表示向下取整，Π表示连乘。

根据本发明优选的，步骤(4)发射端进行差分波束空间调制传输的过程中，选择任意阶的PSK星座符号集合都包含符号1，令初始发送块

表示N_s阶单位矩阵；

对于第t个发送块矩阵S_t，t＝1，2，...，由每

位输入信息比特映射得到差分波束空间调制信息块

前

比特用于选择波束的激活顺序，后

比特用于选择要发送的PSK星座符号；第t个发送块矩阵S_t满足：

S_t＝S_t-1X_t (II)

式(II)中，S_t-1为第t-1个发送块矩阵；然后进行预编码，如式(III)所示：

P_t＝F_tS_t (III)

由S_t决定波束的激活顺序，从而求得发射端在第t个发送块的发送矩阵P_t。

本发明的有益效果为：

1.本发明针对时分双工多天线系统上行传输场景，提出了一种差分波束空间调制方法。通过进行差分波束空间调制传输，能量受限的通信节点作为发射端在上行传输时无需向基站发送导频，节省了训练开销。

2.与现有差分空间调制方法相比，本发明结合波束切换的思想，借助预编码技术，每个时隙均使用全部发射端天线进行信息传输，而通过波束空间中波束矢量的选择来携带空间域信息，在频谱效率相同的情况下能够获得显著的误比特率性能增益，有效提升了系统的传输可靠性。

附图说明

图1是本发明中差分波束空间调制传输系统图；

图2是发射端天线数目不同的差分波束空间调制方法的传输性能对比图；横坐标为SNR，信噪比(Signal Noise Ratio)，单位dB,即放大器的输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比值。纵坐标为BER，全称Bit Error Rate，误比特率，是一个研究的时间间隔期间错误比特的数目与传送的比特的总数目的比值。

图3是本发明提供的的差分波束空间调制与传统差分空间调制在通信系统中的传输性能对比图。横坐标为SNR，信噪比(Signal Noise Ratio)，单位dB,即放大器的输出信号的功率，与同时输出的噪声功率的比值。纵坐标为BER，全称Bit Error Rate，误比特率，是一个研究的时间间隔期间错误比特的数目与传送的比特的总数目的比值。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明予以进一步说明，但不限于此。

实施例1

本实施例考虑的是物联网或无线传感器网络的上行传输场景，在如图1所示的差分波束空间调制时分双工多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)通信系统中，发射端和接收端分别配备N_a和N_b根天线，二者通过准静态平坦瑞利衰落信道进行差分波束空间调制传输与盲检测。差分波束空间调制将信息比特映射到波束空间中的空时发送块，即利用时间维度和波束索引携带额外的信息比特。在该通信系统中，发射端第t个发送块内的第j个时隙发送的波束空间调制信号矢量为

上标T表示转置，s_tj中仅有第i个元素非零，表示发射端第t个发送块内的第j个时隙激活第i个波束1≤i≤N_s，非零元素s_ij选自M_j阶APM星座符号集合

差分波束空间调制传输与盲检测的具体步骤包括：

(1)设定差分波束空间调制发送块矩阵S_t的列数等于发送信号矢量的维数N_s，矩阵S_t为方阵其行列数相同，即令连续N_s个时隙的发送信号矢量组成差分波束空间调制的发送块矩阵

(2)依据差分传输的集合封闭性要求，构造波束空间的空时发送块总集合

和差分波束空间调制发送块映射集合

其中，步骤(2)中，波束空间的空时发送块总集合

中的发送块矩阵S_t需要满足三个约束条件：

第二，每个时隙仅激活一个波束，即发送块矩阵S_t的每列仅有一个非零元素；

第二，每个波束在一个发送块内仅被激活一次，即发送块矩阵S_t的每行仅有一个非零元素；

第三，APM星座符号集合需满足等能量约束，即发送块矩阵S_t的每个非零元素均属于等能量的M阶PSK星座符号集合

其中，

从而能够进行差分传输；

因此，波束空间的空时发送块总集合

由

种可能的发送块组成。

步骤(2)中，差分波束空间调制发送块映射集合

满足：

用于差分波束空间调制信息比特映射的发送块的数目必须为2的整数次幂，按字典顺序从差分波束空间的空时发送块总集合

中选择前

个发送块组成集合

表示向下取整，Π表示连乘。

(3)基于奇异值分解的方式求得预编码矩阵F_t，以构造最优波束空间；

根据时分双工通信系统中信道的互易性，能量受限的通信节点在进行上行传输时，利用下行传输得到的信道状态信息的估计，设计上行传输的基于发送预编码的差分波束空间调制；

假定第t个发送块对应的实际信道矩阵为

估计所得信道矩阵为

对信道矩阵H_t进行奇异值分解得到矩阵

矩阵V_t的列矢量为H_t的右奇异矢量，对应于按降序排列的所有奇异值；

预编码矩阵

由对应于H_t的N_s个最大奇异值的右奇异矢量组成，即

式(I)中，

是选择矩阵，由N_a阶单位矩阵

的前N_s个列矢量组成；

(4)发射端进行差分波束空间调制传输：在每个信道相干时间，发射端首先发送一个发射端和接收端均已知的差分波束空间调制发送块

S₀为初始发送块；

之后，再基于步骤(3)求得的预编码矩阵F_t，得到在第t个发送块的发送矩阵P_t，进行数据传输；

步骤(4)发射端进行差分波束空间调制传输的过程中，选择任意阶的PSK星座符号集合都包含符号1，令初始发送块

表示N_s阶单位矩阵；

对于第t个发送块矩阵S_t，t＝1，2，...，由每

位输入信息比特映射得到差分波束空间调制信息块

前

比特用于选择波束的激活顺序，后

比特用于选择要发送的PSK星座符号；第t个发送块矩阵S_t满足：

S_t＝S_t-1X_t (II)

式(II)中，S_t-1为第t-1个发送块矩阵；然后进行预编码，如式(III)所示：

P_t＝F_tS_t (III)

由S_t决定波束的激活顺序，从而求得发射端在第t个发送块的发送矩阵P_t。

(5)接收端进行差分波束空间调制信号盲检测：

发送矩阵P_t经过准静态信道到达接收端，第t-1个接收信号矩阵Y_t-1表示为：

Y_t-1＝H_t-1F_t-1S_t-1+N_t-1 (IV)

式(IV)中，

表示第t-1个接收块对应的噪声矩阵；H_t-1表示第t-1个发送块对应的信道矩阵，F_t-1表示第t-1个发送块对应的预编码矩阵；

同理，第t个接收信号矩阵Y_t表示为

Y_t＝H_tF_tS_t+N_t (V)

式(IV)中，N_t表示第t个接收块对应的噪声矩阵；

准静态信道意味着连续两个接收信号矩阵经历了相同的信道衰落，即H_t＝H_t-1，则F_t＝F_t-1。将式(II)和式(IV)代入式(V)可得

Y_t＝Y_t-1X_t-N_t-1X_t+N_t (VI)

那么，发送信息块矩阵X_t的最大似然检测为：

式(VII)中，||·||_F表示矩阵的Frobenius范数，

表示使目标函数取最小值时的变量值X；由式(VII)可知，接收端能够在信道状态信息未知的情况下恢复发送信号；

根据差分波束空间调制发送块X_t为酉矩阵这一特殊性质，经过简化可得差分波束空间调制盲检测公式：

式(VIII)中，第t-1个接收信号矩阵Y_t-1，第t个接收信号矩阵Y_t，Re(·)表示取实部运算，上标H表示共轭转置，

表示矩阵

的迹。

与现有的差分空间调制利用发射端空时发送块携带信息比特、预编码辅助的接收差分空间调制，利用接收端空时发送块携带信息比特不同；本发明中，差分波束空间调制将信息比特映射到波束空间中的空时发送块，即利用时间维度和波束索引携带额外的信息比特。

在实施例中，设定发送信号矢量维数N_s＝2，信道矩阵H是统计独立同分布的复高斯矩阵，其元素是服从零均值、单位方差的复高斯分布的随机变量，频谱效率为2bits/s/Hz，发送块内的前后两个时隙分别采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)和四进制相移键控(Quaternary Phase Shift Keying,QPSK)调制方式。

表1给出了差分波束空间调制的信息比特与信息块矩阵X_t之间的映射关系。

表1差分波束空间调制的信息比特与信息块矩阵X_t之间的映射关系

表1中，波束激活顺序(u,v)表示先激活索引为u的波束，再激活索引为v的波束。每个信息块可以携带4个信息比特，其中第一比特用于选择波束激活顺序(比特0表示对角矩阵，比特1表示副对角矩阵)，第二比特用于选择第一时隙发送的BPSK星座符号(比特0表示符号+1，比特1表示符号-1)，最后两比特用于选择第二时隙发送的QPSK星座符号(比特00表示符号+1，比特01表示符号-1，比特10表示符号+i，比特11表示符号-i)。差分波束空间调制将信息比特映射到波束空间中的空时发送块，即利用时间维度和波束索引携带额外的信息比特。

图2给出了发射端天线数目不同的差分波束空间调制方法的传输性能对比；横坐标为SNR，信噪比(Signal Noise Ratio)，单位dB,即放大器的输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比值。纵坐标为BER，全称Bit Error Rate，误比特率，是一个研究的时间间隔期间错误比特的数目与传送的比特的总数目的比值。接收端天线数目设定为N_b＝8。从图2可以看出，本发明所设计的差分波束空间调制方法的误比特率性能随着发射端天线数目的增加而提升。在实际应用中，可以通过增大发射端天线数目来获取更高的预编码增益。

图3给出了本发明提供的差分波束空间调制与传统差分空间调制在通信系统中的传输性能对比，横坐标为SNR，信噪比(Signal Noise Ratio)，单位dB,即放大器的输出信号的功率，与同时输出的噪声功率的比值。纵坐标为BER，全称Bit Error Rate，误比特率，是一个研究的时间间隔期间错误比特的数目与传送的比特的总数目的比值。其中差分空间调制方案的发送块内的四个时隙均采用BPSK调制方式，发射端天线数目设定为N_a＝4。图3中，差分空间调制4×4表示发射端天线数目设定为N_a＝4，接收端天线数目N_b＝4，差分空间调制4×8表示发射端天线数目设定为N_a＝4，接收端天线数目N_b＝8，差分波束空间调制4×4表示发射端天线数目为N_a＝4，接收端天线数目N_b＝4，差分波束空间调制4×8表示发射端天线数目设定为N_a＝4，接收端天线数目N_b＝8；从图3可以看出，与传统差分空间调制方法相比，尽管所设计的差分波束空间调制方法为了实现相同的传输速率而采用了更高的调制阶数，但是仍能获得显著的误比特率性能增益；在接收端天线数目比较少的时候，差分波束空间调制方法的误比特率性能增益更大。

由图2和图3可知，本发明所设计的差分波束空间调制方法具有良好的抗噪声性能，有效提升了系统的传输可靠性，颇具实用性。

Claims (4)

1.一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，其特征在于，用于时分双工通信系统，该通信系统配备有N_a根发射端天线和N_b根接收天线，发射端第t个发送块内的第j个时隙发送的波束空间调制信号矢量为

1≤j≤N_s，N_s≤N_a，N_s表示第t个发送块内时隙的个数，上标T表示转置，s_tj中仅有第i个元素非零，表示发射端第t个发送块内的第j个时隙激活第i个波束，1≤i≤N_s，非零元素s_ij选自M_j阶幅度/相位调制(APM)星座符号集合

该方法的具体步骤包括：

(1)设定差分波束空间调制发送块矩阵S_t的列数等于发送信号矢量的维数N_s，即令连续N_s个时隙的发送信号矢量组成差分波束空间调制的发送块矩阵

(2)依据差分传输的集合封闭性要求，构造波束空间的空时发送块总集合

和差分波束空间调制发送块映射集合

(3)基于奇异值分解的方式求得预编码矩阵F_t，以构造最优波束空间，具体步骤为：

根据时分双工通信系统中信道的互易性，可由下行传输信道估计结果得到上行信道状态信息，设定第t个发送块对应的信道矩阵为

对信道矩阵H_t进行奇异值分解得到矩阵

矩阵V_t的列矢量为H_t的右奇异矢量，对应于按降序排列的所有奇异值；

预编码矩阵

由对应于H_t的N_s个最大奇异值的右奇异矢量组成，即

式(I)中，

是选择矩阵，由N_a阶单位矩阵

的前N_s个列矢量组成；

(4)发射端进行差分波束空间调制传输：在每个信道相干时间，发射端首先发送一个发射端和接收端均已知的差分波束空间调制发送块

S₀为初始发送块；

之后，再基于步骤(3)求得的预编码矩阵F_t，得到在第t个发送块的发送矩阵P_t，进行数据传输；

(5)接收端进行差分波束空间调制信号盲检测：发送矩阵P_t经过准静态信道到达接收端，第t-1个接收信号矩阵Y_t-1表示为：

Y_t-1＝H_t-1F_t-1S_t-1+N_t-1 (IV)

式(IV)中，

表示第t-1个接收块对应的噪声矩阵；H_t-1表示第t-1个发送块对应的信道矩阵，F_t-1表示第t-1个发送块对应的预编码矩阵；S_t-1为第t-1个发送块矩阵；

同理，第t个接收信号矩阵Y_t表示为

Y_t＝H_tF_tS_t+N_t (V)

式(IV)中，N_t表示第t个接收块对应的噪声矩阵；

差分波束空间调制盲检测公式：

式(VIII)中，X表示信息块矩阵，Re(·)表示取实部运算，上标H表示共轭转置，

表示矩阵

的迹，

表示使目标函数取最大值时的对应的变量值X，

表示盲检测到的差分波束空间调制信息块。

2.根据权利要求1所述的一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，其特征在于，步骤(2)中，波束空间的空时发送块总集合

中的发送块矩阵S_t需要满足三个约束条件：

第一，每个时隙仅激活一个波束，即发送块矩阵S_t的每列仅有一个非零元素；

第二，每个波束在一个发送块内仅被激活一次，即发送块矩阵S_t的每行仅有一个非零元素；

第三，幅度/相位调制(APM)星座符号集合需满足等能量约束，即发送块矩阵S_t的每个非零元素均属于等能量的M阶相移键控(PSK)星座符号集合

其中，

因此，波束空间的空时发送块总集合

由

种可能的发送块组成。

3.根据权利要求1所述的一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，其特征在于，步骤(2)中，差分波束空间调制发送块映射集合

满足：

用于差分波束空间调制信息比特映射的发送块的数目必须为2的整数次幂，按字典顺序从差分波束空间的空时发送块总集合

中选择前

个发送块组成集合

表示向下取整，Π表示连乘。

4.根据权利要求1所述的一种发送预编码辅助的差分波束空间调制传输与盲检测方法，其特征在于，步骤(4)发射端进行差分波束空间调制传输的过程中，选择任意阶的相移键控(PSK)星座符号集合都包含符号1，令初始发送块

表示N_s阶单位矩阵；

对于第t个发送块矩阵S_t，t＝1，2，...，由每

位输入信息比特映射得到差分波束空间调制信息块

前

比特用于选择波束的激活顺序，后

比特用于选择要发送的相移键控(PSK)星座符号；第t个发送块矩阵S_t满足：

S_t＝S_t-1X_t (II)

式(II)中，S_t-1为第t-1个发送块矩阵；然后进行预编码，如式(III)所示：

P_t＝F_tS_t (III)

由S_t决定波束的激活顺序，从而求得发射端在第t个发送块的发送矩阵P_t。

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