CN111865383A - 一种空间调制系统中空间星座设计系统 - Google Patents

一种空间调制系统中空间星座设计系统 Download PDF

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CN111865383A CN202010689770.7A CN202010689770A CN111865383A CN 111865383 A CN111865383 A CN 111865383A CN 202010689770 A CN202010689770 A CN 202010689770A CN 111865383 A CN111865383 A CN 111865383A
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黄福春
詹宜巨
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Abstract

本发明公开了一种空间调制系统中空间星座设计系统，包括比特流分离器将输入的数据流分为三个数据块，一个数据块被映射成一个α维星座符号，一个数据块被用于从一个符号组集中选择一个α维符号组；一个数据块被用于从天线索引矢量集中选择一个天线索引矢量；利用分量相乘器，将一个星座符号的α个分量分别乘以一个符号组的α个分量，得到一个复α维符号，利用天线索引矢量，将一个复多维符号的α个分量分别调制在激活的α根天线上，生成一个发射空间星座符号。除了天线索引资源能够传输额外数据信息外，本发明通过挖掘符号组索引资源，构造一个α维符号组集，从而进一步传输更多额外索引信息比特，与现有技术相比，提高了系统的频谱利用率。此外，本发明设计一个多维星座，进一步提高系统的误码率性能。

Description

一种空间调制系统中空间星座设计系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体为一种空间调制系统中空间星座设计系统。
背景技术
空间调制(Spatial Modulation,SM)技术仅提供以发射天线数量为对数增长的数据速率。换言之，如果仅通过天线索引比特提高频谱效率，采用大规模发射天线会导致更多的空闲天线资源。为了充分利用发射天线资源，GSM系统通过允许多根发射天线同时被激活以发送不同的数据符号(例如，QAM/PSK)来提高频谱效率。然而，GSM系统的检测复杂性随着激活的发射天线数量的增加而呈指数增长。针对这个缺点和为了提高GSM系统的通信可靠性，新的技术方案有待开发和研究。
进一步，将SM系统的空间索引维度扩展成同相和正交维度，QSM系统拓展了发射空间星座的大小。与SM系统相比，它不仅保留了SM系统的几乎所有固有的优点，而且大大提高了频谱效率。近年来，为了增大平方最小欧氏距离(MED)和提高频谱利用率，基于星座点插值方法的ESM系统和基于点阵法的空间点阵调制(Spatial Lattice Modulation，SLM)系统通过天线索引矢量设计和信号星座设计相结合扩展了空间星座的大小。
综上所述，基于以上理论，为了均衡传输速率和接收端的检测复杂度，以及提高无线通信性能，在现有技术中对索引域和信号星座域的有限挖掘，导致数据传输速率低和性能增益有限，无线通信的性能还有待提高，为此我们提出一种空间调制系统中空间星座设计系统用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间调制系统中空间星座(SM-SC)设计系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
步骤2、多维星座符号调制器将一个数据块比特数映射到多维星座集中一个星座点；
步骤3、在符号组选择器中，一个数据块将用于从一个符号组集中选择一个符号组；
步骤4、在天线索引矢量器中，一个数据块将用于从一个天线索引矢量集中选择一个天线索引矢量；
步骤5、在分量相乘器中，从步骤2得到的一个多维星座符号的各个分量分别乘以步骤3得到的一个符号组的各个分量，得到一个复多维星座符号；
步骤6、在一个空间向量生成器中，利用步骤4得到的天线索引矢量将步骤5得到的复多维符号的各个分量分别调制在激活的每根发射天线上，从而生成一个发射空间向量；
优选的一种实施案例，步骤1中，一个输入的数据流分为三个数据块的操作方法为：比特流分离器将一个输入的数据块B比特数分为三个数据块BC，BGI，BAI；步骤2中，在多维星座符号调制器中，一个数据块
Figure BDA0002588914120000021
比特数被馈入并将映射成α-D星座集中一个M-ary多维星座符号sβ(m1,m2,…,mα)，α表示星座的空间维度或分量的数量，β表示星座点索引号。
优选的一种实施案例，步骤3中，所述符号组选择器中符号组选择过程为：在符号组选择器中，一个数据块
Figure BDA0002588914120000022
比特数被馈入，用于从一个符号组集Γ中选择一个符号组gτ，τ∈{1,2，…，L}，L表示符号组集Γ中符号组的数量。
优选的一种实施案例，所述符号组选择器中一个符号组集Γ的设计思想为：一个符号组的每个分量取值于元素{1,j}，根据一个符号组中虚数符号j的个数，设计符号组集Γ中符号组gτ的个数。基于虚数符号j，构造一个符号组集Γ的设计过程为：
a.若在一个α-D符号组中不含有虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000031
种符号组。
b.若在一个α-D符号组中仅含有一个虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000032
种符号组。
c.若在一个α-D符号组中含有两个虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000033
种符号组。
d.以此类推，若在一个α-D符号组中含有α个虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000034
种符号组。因此，一个基于α-D的符号组集Γ表示为
Γ＝{g1,g2,…,gτ,…,gL},
Figure BDA0002588914120000035
式中，gτ表示第τ个符号组。
优选的一种实施案例，步骤4中，所述天线索引选择器中索引矢量选择过程为：在天线索引选择器中，一个数据块
Figure BDA0002588914120000036
Figure BDA0002588914120000037
比特数被馈入，用于从一个天线索引矢量集Ω，
Figure BDA0002588914120000038
中选择一个天线索引矢量vκ，κ∈{1,2，…,NAI}。
优选的一种实施案例，步骤5中，所述产生一个复多维符号的过程为：从步骤2得到的一个多维星座符号sβ(m1,m2,…,mα)的各个分量分别乘以从步骤3得到的一个α-D符号组gτ的各个分量，得到一个含有α个分量的复多维符号。
优选的一种实施案例，步骤6中，在一个空间矢量生成器中，利用步骤4得到的天线索引矢量vκ，将步骤5得到的复多维符号的α个分量分别调制在激活的α根发射天线上，从而生成一个发射空间向量s。
一种空间调制系统中空间星座设计系统的多维星座设计方法，其特征在于：所述α-D星座集中M-ary多维星座符号s(m1,m2,…,mα)的设计，包括如下步骤：
S1、采用传统α-D维星座符号应用于所述调制系统时，因为有min|mε|2＝1，ε∈{1,2,…,α}，则所述调制系统中两两非归一化的发射空间矢量符号之间平方最小欧式距离值的计算可以描述为
Figure BDA0002588914120000041
S2、在高信噪比情况下，因为所述系统的平均误比特率由两两发射空间矢量之间平方最小欧式距离决定，并非α-D星座点之间平方最小欧式距离。因此，根据步骤S1的分析，通过节省发射功率来增强平方最小欧式距离，在α-D星座中两两星座点之间的最小欧式距离只需要等于发射空间向量之间的平方最小欧式距离，在保证步骤S1所述的条件下，则改进的α-D星座可以设计为s(m1,m2,…,mα),mε∈{±1,±2,…,±Z},ε∈{1,2,…,α}
式中，Z表示整数域。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明目的在于丰富索引资源，设计发射空间星座，从而传输更多额外索引信息比特，以及提出一种多维星座的设计方法，进一步提高数据传输速率和无线通信传输的可靠性。涉及空间调制(SM)技术、广义空间调制(GSM)技术和多维星座调制技术，以及发射空间向量之间的平方最小欧式距离。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种空间调制系统中空间星座设计系统的结构示意图；图中：1比特流分离器、2多维星座符号调制器、3符号组选择器、4天线索引选择器、5分量相乘器和发射空间矢量生成器；
图2为本发明实施例提供的一种空间调制系统中空间星座设计系统的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种空间调制系统中空间星座设计系统的调制系统模型；
图4为本发明实施例提供的一种空间调制系统中空间星座设计系统在相同发射天线数量不同传输速率的仿真曲线图，图中为8TX11b，8TX12b和8TX14b且接收天线数量Nr＝8。
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做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。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种空间调制系统中空间星座设计系统包括：
比特流分离器1，用于将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
多维星座符号调制器2，用于将一个数据块比特数映射到多维星座集中一个星座点；
符号组选择器3，将一个数据块用于从一个符号组集中选择一个符号组；
天线索引选择器4，将一个数据块用于从一个天线索引矢量集中选择一个天线索引矢量；
分量相乘器和发射空间矢量生成器5，分量相乘器将一个多维星座符号的各个分量分别乘以一个符号组的各个分量，得到一个复多维符号，空间矢量生成器将复多维符号的各个分量分别调制在激活的每根发射天线上，从而生成一个发射空间向量。
如图2所示，本发明实施例提供的一种空间调制系统中空间星座设计系统，包括如下步骤：
S101、比特流分离器将一个输入的数据块B比特数分为三个数据块BC，BGI，BAI；
S102、在多维星座符号调制器中，一个数据块
Figure BDA0002588914120000061
比特数被馈入并将映射成α-D维星座集中一个M-ary多维星座符号sβ(m1,m2,…,mα)，α表示星座的维度或分量的数量，β表示星座点索引号；
S103、在符号组选择器中，一个数据块
Figure BDA0002588914120000062
比特数被馈入，用于从一个符号组集Γ中选择一个符号组gτ，τ∈{1,2，…，L}，L表示符号组集Γ中符号组的数量，其中，一个符号组集Γ的设计思想为：一个符号组的每个分量取值于元素{1,j}，根据一个符号组中虚数符号j的个数，设计符号组集Γ中符号组gτ的个数。基于虚数符号j，构造一个符号组集Γ的设计过程为：
a.若在一个α-D符号组中不含有虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000063
种符号组，比如：(1,1,…,1α)；
b.若在一个α-D符号组中仅含有一个虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000064
种符号组，比如：{(j,1,1,…,1α),(1,j,1,…,1α),(1,1,…,1,jα)}；
c.若在一个α-D符号组中含有两个虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000071
种符号组，比如：{(j,j,1,…,1α),(j,1,j,1,…,1α),(1,1,…,1,jα-1,jα)}；
d.以此类推，若在一个α-D符号组中含有α个虚数符号j，有
Figure BDA0002588914120000072
中符号组，比如：(j,j,j,…,jα)，因此，一个基于α-D的符号组集Γ表示为
Figure BDA0002588914120000073
式中，gτ表示第τ个符号组。
S104、在天线索引选择器中，一个数据块
Figure BDA0002588914120000074
比特数被馈入，用于从一个天线索引矢量集Ω，
Figure BDA0002588914120000075
中选择一个天线索引矢量vκ，κ∈{1,2，…,NAI}。
S105、将一个多维星座符号的各个分量分别乘以一个符号组的各个分量，得到一个复多维符号，并利用天线索引矢量，将复多维符号的各个分量分别调制在激活的每根发射天线上，从而生成一个发射空间向量，具体方式如下：
S105-1、在分量相乘器中，将S102得到的一个多维星座符号sβ(m1,m2,…,mα)的各个分量分别乘以S103得到的一个α-D符号组gτ的各个分量，得到一个含有α个分量的复多维符号；
S105-2、在空间矢量生成器中，利用S104得到的天线索引矢量vκ，将S105-1得到的复多维符号的α个分量分别调制在激活的α根发射天线上，从而生成一个发射空间向量s。
进一步的，步骤S103中，对过程d进行举例说明，例如：基于3-D的符号组集Γ可以表示为
Figure BDA0002588914120000081
进一步的，本发明提供一种空间调制系统中空间星座设计系统的多维星座设计方法，其特征在于：所述α-D星座集中M-ary多维符号s(m1,m2,…,mα)的设计，包括如下步骤：
S1、采用传统α-D维星座符号应用于所述调制系统时，因为有min|mε|2＝1，ε∈{1,2,…,α}，则所述调制系统中两两非归一化的发射空间矢量符号之间平方最小欧式距离值的计算可以描述为
Figure BDA0002588914120000082
S2、在高信噪比情况下，因为所述系统的平均误比特率由两两发射空间矢量之间平方最小欧式距离决定，并非α-D星座点之间平方最小欧式距离。因此，根据步骤S1的分析，通过节省发射功率来增强平方最小欧式距离，在α-D星座中两两星座点之间的最小欧式距离只需要等于发射空间向量之间的平方最小欧式距离，在保证步骤S1所述的条件下，则改进的α-D星座可以设计为s(m1,m2,…,mα),mε∈{±1,±2,…,±Z},ε∈{1,2,…,α} (4)
式中，Z表示整数域。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图3所示，本发明实施例提供生成发射空间矢量的过程如下：
考虑一种SM-SC设计系统，具有Nt根发射天线和Nr根发射天线，如图3所示。假设在一个发射符号持续时间内，输入的B信息比特分成三个数据块BC，BGI，BAI。首先，在多维星座符号调制器中，一个数据块
Figure BDA0002588914120000091
比特数被馈入并将映射成α-D星座集中一个M-ary多维星座符号sβ(m1,m2,…,mα)。其次，在符号组选择器中，利用一个数据块
Figure BDA0002588914120000092
比特数，从一个符号组集Γ中选择一个α-D维度符号组gτ，τ∈{1,2，…，L}。接着，在天线索引选择器中，利用一个数据块
Figure BDA0002588914120000093
比特数，从一个天线索引矢量集
Figure BDA0002588914120000094
中选择一个天线索引矢量vκ，κ∈{1,2，…,NAI}，用于从Nt根发射天线中激活α根天线，注意每个天线索引矢量vκ中的非零元素都等于“1”。
进一步，在分量相乘器中，将所选符号组gτ的α个分量分别乘以映射得到的星座点sβ(m1,m2,…,mα)中α个分量，得到一个复α-D维度数据符号
Figure BDA0002588914120000095
最后，在空间矢量生成器，将一个复α-D维度数据符号
Figure BDA0002588914120000096
的α个分量分别由天线索引矢量vκ调制在激活的α根天线上，从而生成一个发射空矢量符号s。
进一步说明生成一个发射空间矢量符号的主要工作原理。在表1中给出了生成发射符号的映射规则。假设
Figure BDA0002588914120000097
Nt＝4，α＝3，IAI∈{(2,3,4),(1,3,4),(1,2,4),(1,2,3)}。然后IAI的索引值，有
VAI＝{[0 1 1 1]T,[1 0 1 1]T,[1 1 0 1]T,[1 1 1 0]T}。由于α＝3，可设一个三维星座符号s(m1,m2,m3)。由此，有
Figure BDA0002588914120000098
从而有式子(2)所示的Γ＝{g1,g2,…,gτ,…,g8}。如表1所示：
表1 Nt＝4，所述系统中发射机生成发射空间向量的映射规则
Figure BDA0002588914120000101
接着，在传输速率和发射天线相同情况下，比较各种技术系统中两两发射空间矢量之间的平方最小欧式距离值，如表2所示：
表2不同系统的平方最小欧式距离值
Figure BDA0002588914120000102
最后，下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
为了进一步说明所提出的SM-SC设计系统的优势，在瑞利衰落信道与加性高斯噪声的干扰下，对SM-SC设计系统进行了蒙特卡洛仿真，并与其他空间调制系统(ESM，GSM)作比较。假设接收端已知信道状态信息，发送端未知信道状态信息，发送功率P遵循P＝1；瑞利衰落信道是独立同分布的高斯随机变量，服从均值为0，方差为1；加性高斯噪声服从均值为0，方差为σ2。注意，p1TXp2b表示一个发射符号在p1根发射天线上传输p2比特数，其数据块p2＝IAI+IM。其中，IM，IAI分别表示星座点索引信息数和天线索引信息数。除了GSM系统外，相应系统中星座调制阶数可以由
Figure BDA0002588914120000111
计算得到。此外，我们定义基于参数
Figure BDA0002588914120000112
的GSM系统，其中na，
Figure BDA0002588914120000113
分别表示被激活的发射天线数量和调制阶数，以及定义基于参数(α,M)的SM-SC系统。
如图4所示，Nr＝8时，描述了相同发射天线数和不同传输速率的误比特率性能比较。从仿真图可以看出，在相同传输速率情况下，SM-SC系统比GSM系统具有更显著的性能增益。在误码率为10-3时，8TX11b，8TX12b和8TX14b情况下，比GSM系统获得的信噪比增益大约分别为2.5dB，0.8dB和4.3dB。比ESM系统获得的信噪比增益大约为1dB。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
步骤2、多维星座符号调制器将一个数据块比特数映射到多维星座集中一个星座点；
步骤3、在符号组选择器中，一个数据块将用于从一个符号组集中选择一个符号组；
步骤4、在天线索引矢量器中，一个数据块将用于从一个天线索引矢量集中选择一个天线索引矢量；
步骤5、在分量相乘器中，从步骤2得到的一个多维星座符号的各个分量分别乘以步骤3得到的一个符号组的各个分量，得到一个复多维星座符号；
步骤6、在一个空间向量生成器中，利用步骤4得到的天线索引矢量将步骤5得到的复多维符号的各个分量分别调制在激活的每根发射天线上，从而生成一个发射空间向量。
2.根据权利要求1所述的一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于：步骤1中，一个输入的数据流分为三个数据块的操作方法为：比特流分离器将一个输入的数据块B比特数分为三个数据块BC，BGI，BAI；步骤2中，在多维星座符号调制器中，一个数据块
Figure FDA0002588914110000011
比特数被馈入并将映射成α-D星座集中一个M-ary多维星座符号sβ(m1,m2,…,mα)，α表示星座的空间维度或分量的数量，β表示星座点索引号。
3.根据权利要求1所述的一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于：步骤3中，所述符号组选择器中符号组选择过程为：在符号组选择器中，一个数据块
Figure FDA0002588914110000012
比特数被馈入，用于从一个符号组集Γ中选择一个符号组gτ，τ∈{1,2，…，L}，L表示符号组集Γ中符号组的数量。
4.根据权利要求3所述的一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于：所述符号组选择器中一个符号组集Γ的设计思想为：一个符号组的每个分量取值于元素{1,j}，根据一个符号组中虚数符号j的个数，设计符号组集Γ中符号组gτ的个数。基于虚数符号j，构造一个符号组集Γ的设计过程为：
a.若在一个α-D符号组中不含有虚数符号j，有
Figure FDA0002588914110000021
种符号组；
b.若在一个α-D符号组中仅含有一个虚数符号j，有
Figure FDA0002588914110000022
种符号组；
c.若在一个α-D符号组中含有两个虚数符号j，有
Figure FDA0002588914110000023
种符号组；
d.以此类推，若在一个α-D符号组中含有α个虚数符号j，有
Figure FDA0002588914110000024
种符号组，因此，一个基于α-D的符号组集Γ表示为
Γ＝{g1,g2,…,gτ,…,gL},
Figure FDA0002588914110000025
式中，gτ表示第τ个符号组。
5.根据权利要求1所述的一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于：步骤4中，所述天线索引选择器中索引矢量选择过程为：在天线索引选择器中，一个数据块
Figure FDA0002588914110000026
比特数被馈入，用于从一个天线索引矢量集Ω，
Figure FDA0002588914110000027
中选择一个天线索引矢量vκ，κ∈{1,2，…,NAI}。
6.根据权利要求1所述的一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于：步骤5中，所述产生一个复多维符号的过程为：从权利要求2得到的一个多维星座符号sβ(m1,m2,…,mα)的各个分量分别乘以从权利要求3得到的一个α-D符号组gτ的各个分量，得到一个含有α个分量的复多维符号。
7.根据权利要求1所述的一种空间调制系统中空间星座设计系统，其特征在于：步骤6中，在一个空间矢量生成器中，利用权利要求5得到的天线索引矢量vκ，将权利要求6得到的复多维符号的α个分量分别调制在激活的α根发射天线上，从而生成一个发射空间向量s。
8.根据权利要求1至7所述的一种空间调制系统中空间星座设计系统的多维星座设计方法，其特征在于：所述α-D星座集中M-ary多维星座符号s(m1,m2,…,mα)的设计，包括如下步骤：
1)、采用传统α-D维星座符号应用于所述调制系统时，因为有min|mε|2＝1，ε∈{1,2,…,α}，则所述调制系统中两两非归一化的发射空间矢量符号之间平方最小欧式距离值的计算可以描述为
Figure FDA0002588914110000031
2)、在高信噪比情况下，因为所述系统的平均误比特率由两两发射空间矢量之间平方最小欧式距离决定，并非α-D星座点之间平方最小欧式距离。因此，根据步骤1)的分析，通过节省发射功率来增强平方最小欧式距离，在α-D星座中两两星座点之间的最小欧式距离只需要等于发射空间向量之间的平方最小欧式距离，在保证步骤1)所述的条件下，则改进的α-D星座可以设计为
s(m1,m2,…,mα),mε∈{±1,±2,…,±Z},ε∈{1,2,…,α}。
式中，Z表示整数域。
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