CN111600640B - 基于多天线状态的全广义空间调制系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

基于多天线状态的全广义空间调制系统的工作方法，属无线数字传输技术领域。该系统基于全部发射天线组合及多天线状态，由空间域和信号域共同来传输信息。首先发送端对传输信息比特进行分组，根据每组比特对发射天线组合和调制符号进行联合映射，发射天线组合分两部分，第一部分n₁和第二部分n₂个组合分别对应发送两个不同调制阶数的M_J‑PSK调制符号，由相应映射关系确定激活的发射天线组合及其对应发送的调制符号；然后选择的调制符号由激活发射天线通过相应无线信道发送至接收端；最后接收端通过最大似然检测算法对接收到的信号进行解调，以恢复原始信息比特。该系统有效降低了符号的调制阶数，提高了系统性能。

Description

基于多天线状态的全广义空间调制系统的工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于多天线状态的全广义空间调制系统的工作方法，属于无线数字传输技术领域。

背景技术

多输入多输出(MIMO)系统相比单天线系统，显著提高了系统的频谱效率，如Bell实验室提出的V-BLAST(垂直-贝尔实验室分层空时)结构，其将数据流分为多个子数据流，再同时通过多个天线发送，因此频谱效率与发射天线数成正比。但MIMO系统也面临着天线间同步(IAS)及信道间干扰(ICI)等问题，于是为了克服MIMO中的这些缺点，空间调制(SM)系统被提出，其每次只选择激活一个天线来发送传统APM(幅度相位调制)方式(如正交幅度调制QAM、相移键控PSK)中的调制符号。由于每次传输时只激活一个天线，因此解决了不同天线信道间的干扰及天线同步问题。传统SM中天线选择比特为log₂N_t，没有充分利用空间资源，随着N_t的增大，天线选择比特的增长受到了很大的限制，即频谱效率受到了限制。为了克服这种限制，每次传输可激活多个天线的广义空间调制(GSM)被提出，其利用不同的天线组合来传输信息，天线选择比特为

其中

表示向下取整运算，

表示二项式系数运算，N_a(N_a≥2)为激活天线数，但天线组合没有得到充分利用，其舍弃了一部分组合，造成了天线资源的浪费，而基于多天线状态的全广义空间调制系统，能够充分利用天线资源，有效降低了传输符号的调制阶数，从而提高了系统性能，是当前无线通信领域中的研究热点。

Y.Wu等(参见Y.Wu,H.Ying,X.Jiang and H.Hai,“A Joint Data Mapping andDetection for High Performance Generalized Spatial Modulation,”in IEEECommunications Letters,vol.23,no.11,pp.2008-2011,Nov.2019)提出了联合数据映射广义空间调制(JDM-GSM)方案，消除了传统GSM系统中发射天线组合数必须为2的整数次幂的限制，通过增加可用的激活天线组合数，减小信号映射的星座大小，从而提高系统性能，但方案中未完全利用所有的天线及调制组合，需舍弃一部分。Y.Feng等(参见Y.Feng,L.Heand J.Wang,“A novel spectral efficient spatial modulation scheme,”2015IEEEInternational Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting,Jun.2015)提出了一种GSM扩展方案，称为多天线状态空间调制(MAS-SM)，每个天线的状态数为三个，即正开、负开和关，从而增加了可用的天线组合，以提高GSM的频谱效率，但所用的天线组合数仍为2的整数次幂，舍弃了部分天线组合。J.Wang等(参见J.Wang,X.Xing,Y.Zhang and H.Zeng,“Extended Generalised Spatial Modulation with VariableNumber of Activated Transmit Antennas,”2018IEEE 4th International Conferenceon Computer and Communications(ICCC),Dec.2018)提出了一种扩展的广义空间调制(E-GSM)方案，空间符号由可变数目的激活天线表示，频谱效率随天线个数的增加而线性增加，但方案未利用所有的发射天线组合，且激活天线数的不固定也会增加系统的复杂度。以上方案在天线资源利用方面受到了一定限制，不能有效的提升系统性能。

发明内容

根据现有技术和解决方案的缺点和不足，本发明提供了一种适应性更强，性能更好的基于多天线状态的全广义空间调制(FM-GSM)系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于多天线状态的全广义空间调制系统的工作方法，该系统配备N_t个发射天线和N_r个接收天线，每个发射天线有3种激活状态：正开、关、负开，每次激活2个发射天线传输信息，对应的天线向量为

T表示向量的转置，其元素取值为：

1≤i≤N_t，每次激活的2个天线中，第一个天线的状态必须为正开，即每次对应的天线向量中第一个非零元素设置为1，避免两个天线组合所对应的发送信号x是一致的情况，否则解调时将出现错误；第二个激活天线的状态可以是正开或负开，因此全部的发射天线组合数为2N，

其中

表示二项式系数运算；其信息传输分为三个部分：首先，对输入的信息比特进行分组，根据每组信息比特对发射天线组合及其对应发送的M_J-PSK(M_J阶相移键控)星座调制符号进行联合映射，不同天线组合分别对应发送两个不同阶数的星座调制符号，由相应映射关系确定激活的发射天线组合及其对应发送的星座调制符号，M_J-PSK星座调制符号

其中∈表示属于，

1≤k≤M_J，j表示虚数单位；然后由激活发射天线将发送信号x发送到接收端，其中x＝a·s；最后接收端通过最大似然检测算法恢复原始输入信息比特，该方法的具体步骤如下：

1)首先发送端根据频谱效率η，形成2^η个可能的发送信号，其形式为：

其中s′_f，f＝1,2,...,Q₁和s″_m，m＝1,2,...,Q₂分别表示从前n₁个和剩余n₂个发射天线组合发送的调制符号，n₁+n₂＝2N，n₁、n₂分别计算为：

n₂＝2N-n₁，调制符号的阶数Q₁和Q₂分别为：

符号

表示向下取整运算，通过自然映射将η个比特与2^η个可能的发送信号一一对应，将传输信息比特按每组η个比特进行分组，根据每组信息比特对天线组合及调制符号选择进行联合映射，由比特与发送信号间的自然映射关系确定其发送信号x；

2)发送信号经过维度为N_r×N_t的瑞利衰落信道H，在接收端接收的信号y表示为：y＝Hx+n＝h′_ls+n，其中l＝(l₁,l₂)表示激活的发送天线索引，

h′_l表示在发送端选择的激活天线索引在信道矩阵H中的对应列向量的矢量和，

表示与激活天线索引l_p相对应的信道矩阵H的列向量，噪声n是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声；

3)接收端对接收到的信号利用最大似然检测算法进行解调，其表达式为：

从而恢复出原始信号，其中y_b表示第b个接收天线接收到的信号，h′_l,b表示两个激活天线与第b个接收天线间信道系数的和，|·|²表示模值的平方，

和

分别表示经最大似然检测估计后得到的发送天线序号和星座符号，

表示求得

的最小值时所对应的发送天线序号和星座符号。

本发明基于传统广义空间调制的基础上，提出了一种基于多天线状态的全广义空间调制系统方案，与传统GSM方案、只利用全部发射天线组合的GSM方案(F-GSM)相比，该方案具有较为明显的性能提升。

附图说明

图1是本发明系统的示意框图。

图2是本发明的系统误比特率性能仿真图。从图中可以看出本发明的系统在所示信噪比范围内的误比特率性能明显优于传统GSM和F-GSM系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种基于多天线状态的全广义空间调制系统的工作方法，如图1所示，该系统配备N_t个发射天线和N_r个接收天线，每个发射天线有3种激活状态：正开、关、负开，每次激活2个发射天线传输信息，对应的天线向量为

T表示向量的转置，其元素取值为：

1≤i≤N_t，每次激活的2个天线中，第一个天线的状态必须为正开，即每次对应的天线向量中第一个非零元素设置为1，避免两个天线组合所对应的发送信号x是一致的情况，否则解调时将出现错误；第二个激活天线的状态可以是正开或负开，因此全部的发射天线组合数为2N，

其中

表示二项式系数运算；其信息传输分为三个部分：首先，对输入的信息比特进行分组，根据每组信息比特对发射天线组合及其对应发送的M_J-PSK(M_J阶相移键控)星座调制符号进行联合映射，不同天线组合分别对应发送两个不同阶数的星座调制符号，由相应映射关系确定激活的发射天线组合及其对应发送的星座调制符号，M_J-PSK星座调制符号

其中∈表示属于，

1≤k≤M_J，j表示虚数单位；然后由激活发射天线将发送信号x发送到接收端，其中x＝a·s；最后接收端通过最大似然检测算法恢复原始输入信息比特，该方法的具体步骤如下：

1)首先发送端根据频谱效率η，形成2^η个可能的发送信号，其形式为：

其中s′_f，f＝1,2,...,Q₁和s″_m，m＝1,2,...,Q₂分别表示从前n₁个和剩余n₂个发射天线组合发送的调制符号，n₁+n₂＝2N，n₁、n₂分别计算为：

n₂＝2N-n₁，调制符号的阶数Q₁和Q₂分别为：

符号

表示向下取整运算，通过自然映射将η个比特与2^η个可能的发送信号一一对应，将传输信息比特按每组η个比特进行分组，根据每组信息比特对天线组合及调制符号选择进行联合映射，由比特与发送信号间的自然映射关系确定其发送信号x；

2)发送信号经过维度为N_r×N_t的瑞利衰落信道H，在接收端接收的信号y表示为：y＝Hx+n＝h′_ls+n，其中l＝(l₁,l₂)表示激活的发送天线索引，

h′_l表示在发送端选择的激活天线索引在信道矩阵H中的对应列向量的矢量和，

表示与激活天线索引l_p相对应的信道矩阵H的列向量，噪声n是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声；

3)接收端对接收到的信号利用最大似然检测算法进行解调，其表达式为：

从而恢复出原始信号，其中y_b表示第b个接收天线接收到的信号，h′_l,b表示两个激活天线与第b个接收天线间信道系数的和，|·|²表示模值的平方，

和

分别表示经最大似然检测估计后得到的发送天线序号和星座符号，

表示求得

的最小值时所对应的发送天线序号和星座符号。

Claims (1)

1.一种基于多天线状态的全广义空间调制系统的工作方法，该系统配备N_t个发射天线和N_r个接收天线，每个发射天线有3种激活状态：正开、关、负开，每次激活2个发射天线传输信息，对应的天线向量为

T表示向量的转置，其元素取值为：

每次激活的2个天线中，第一个天线的状态必须为正开，即每次对应的天线向量中第一个非零元素设置为1，第二个激活天线的状态可以是正开或负开，全部的发射天线组合数为2N，

其中

表示二项式系数运算；其信息传输分为三个部分：首先，对输入的信息比特进行分组，根据每组信息比特对发射天线组合及其对应发送的M_J阶相移键控即M_J-PSK星座调制符号进行联合映射，不同天线组合分别对应发送两个不同阶数的星座调制符号，由相应映射关系确定激活的发射天线组合及其对应发送的星座调制符号，M_J-PSK星座调制符号

其中∈表示属于，

j表示虚数单位；然后由激活发射天线将发送信号x发送到接收端，其中x＝a·s；最后接收端通过最大似然检测算法恢复原始输入信息比特，该方法的具体步骤如下：

1)首先发送端根据频谱效率η，形成2^η个可能的发送信号，其形式为：

其中s'_f，f＝1,2,...,Q₁和s”_m，m＝1,2,...,Q₂分别表示从前n₁个和剩余n₂个发射天线组合发送的调制符号，n₁+n₂＝2N，n₁、n₂分别为：

n₂＝2N-n₁，调制符号的阶数Q₁和Q₂分别为：

符号

表示向下取整运算，通过自然映射将η个比特与2^η个可能的发送信号一一对应，将传输信息比特按每组η个比特进行分组，根据每组信息比特对天线组合及调制符号选择进行联合映射，由比特与发送信号间的自然映射关系确定其发送信号x；

2)发送信号经过维度为N_r×N_t的瑞利衰落信道H，在接收端接收的信号y表示为：y＝Hx+n＝h'_ls+n，其中l＝(l₁,l₂)表示激活的发送天线索引，

h'_l表示在发送端选择的激活天线索引在信道矩阵H中的对应列向量的矢量和，

表示与激活天线索引l_p相对应的信道矩阵H的列向量，噪声n是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声；

3)接收端对接收到的信号利用最大似然检测算法进行解调，其表达式为：

从而恢复出原始信号，其中y_b表示第b个接收天线接收到的信号，h'_l,b表示两个激活天线与第b个接收天线间信道系数的和，|·|²表示模值的平方，

和

分别表示经最大似然检测估计后得到的发送天线序号和星座符号，

表示求得

的最小值时所对应的发送天线序号和星座符号。

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