CN111901022B - 一种预编码辅助的信号发送和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种预编码辅助的信号发送和接收方法。本发明的方案与传统TSM相比，在采用原编码技术之后，接收端的的噪声变为了

由理论分析可得，当Nt>N_r1时，β<1，所以起到了减小噪声的作用，从而获得了预编码所带来的发射分集增益，在不改变发射功率的前提下增大信噪比，提高系统的误码性能。同时与传的RSM相比，接收端的APM符号经过了

这样的等效信道，有着多条独立路径增益，可以采用最大似然检测，从而带来接收分集增益。

Description

一种预编码辅助的信号发送和接收方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种预编码辅助的信号发送和接收方法。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation，SM)是近年来提出的一种新型多天线传输技术，根据输入信息来选择相应的传输天线，每一时隙只有一根天线被激活，所以空间调制具有单射频的特性，从而避免了天线间的干扰，同时也使得接收端的信号检测较为简单，空间调制逐渐地成为了MIMO技术研究的热点之一。在未来5G大规模MIMO场景下如何使得空间调制技术能够更好的被应用是未来研究重点所在。传统的空间调制实际上是一种发射天线空间调制(Transmitter SM，TSM)，其单射频性的特点也带来一定的缺陷，由于发射天线仅用于调制比特信息，所以不能带来像全射频链路MIMO系统那样的多天线发射分集增益，增加发射天线只能增加频谱效率，TSM的性能增益来源于接收天线，增加接收天线，在采用最大似然接收机的情况下，会带来接收分集增益，但实际系统接收端天线数量往往较少，这样也大大限制了TSM系统的性能。

一种预编码辅助的接收空间调制(Receiver Spatial Modulation，RSM)是近年来提出的一种新型多天线传输技术，该模式舍弃了传统空间调制的单射频性特点，通过引入预编码算法带来了发射分集增益，同时进一步降低接收端的复杂度，该方法与TSM相反，通过接收天线索引来调制比特信息，其发射天线越多，接收天线越少，带来的性能增益会越强，比较适合未来大规模MIMO的场景。类似地，其接收天线并不能带来接收分集增益，随着接收天线数量增加，频谱效率会增加，预编码算法带来的发射分集增益也会随之减小，RSM系统必须要求发射天线数量不小于接收天线，有着比较严格地限制。现在提出一种空间调制新模型，其同时具有TSM和RSM的部分特性，是一种折中的模式，它能同时带来发射和接收分集增益。

但不论是TSM还是预编码辅助的RSM，都只能带来一种增益，即TSM只存在接收分集增益，RSM只存在发射分集增益，且分别增大其发射天线或者接收天线数量只能带来频谱效率的增加和性能的下降，并不会带来别的优势，所以在未来大规模MIMO场景下并不能很好的被使用。如何能够让传统的空间调制技术同时存在收发天线分集增益是本专利的研究重点，有效地解决该问题可以使得空间调制成为未来具有潜力的新技术之一。

发明内容

本发明针对多发多收的空间调制下行链路，所要解决的就是通过采用预编码的方式同时激活所有发射天线来传输信号，使得能够带来发射分集增益，发射机采用特殊的空间信道符号来调制其中部分比特使其构成特殊的发射信号，在接收机采用最大似然检测下能够带来接收分集增益。同时为了进一步增加其频谱效率，权衡收发分集性能，还引入了接收天线选择技术。

本发明采用的技术方案是，采用多输入多输出系统二进制数字信号空间调制方法，假设发射端已知信道状态信息。所述系统具有N_t根发射天线和N_r根接收天线，用于传输每组b₁+b₂+b₃比特的数字信号。其中前b₁比特映射为空间符号，即某根发射天线和接收天线之间的信道增益系数，b₂比特用来选择接收图样，最后b₃比特映射为APM符号。并对所有符号进行预编码处理，最后激活所有天线传输信号，同时在接收端进行最大似然检测并译码输出。

在传统的TSM技术中，比特信息通过分组分别映射成发射天线序号和调制星座点符号，假设发射端天线数量为N_t，采用M阶APM符号，此时系统的频谱效率B＝log₂(N_tM),前log₂(N_t)比特成为空间比特，用来选择激活天线i，后log₂(M)比特成为符号比特，用来选择发送的星座点符号x_j。那么接收端得到的信号为：

y＝h_ix_j+n (1)

在上式中n为加性噪声，h_i为信道矩阵H中第i列元素，即被激活的第i根天线到接收天线之间的信道增益系数。最后接收端可以通过最大似然检测来恢复传输的信息。

本发明的技术方案，发射符号有所改变。如图1所示，前b₁＝log₂(N_t)比特用来选择空间符号h_i，中间b₂＝log₂(N)比特用来选择接收图样，最后b₃＝log₂(M)比特用来选择APM符号，考虑最简单的正交图样χ，其中

N_r1为接收图样所包含的天线数，所以发射符号表示如下：

x＝R_kh_ix_j,i∈{1,2,…Nt},k∈{1,2,…N},j∈{1,2,…M} (2)

其中R_k为单位矩阵

所对应的接收图样部分，然后还需对发射符号进行预编码处理，假设采用最简单的迫零预编码算法，其预编码矩阵如下：

预编码矩阵为H_k的右逆，H_k为信道矩阵H所对应的第接收图样部分。此外，要对发射符号进行功率归一化，设β为功率归一化因子，则β＝|Wx|²。所以最终的发射信号为

经过信道后，接收端得到的信号可以表达为如下形式：

其中

为发射功率，在进行最大似然检测前先除去功率归一化因子的影响：

从上式可见，与传统TSM相比，在采用原编码技术之后，接收端的的噪声变为了

由理论分析可得，当Nt>N_r1时，β<1，所以起到了减小噪声的作用，从而获得了预编码所带来的发射分集增益，在不改变发射功率的前提下增大信噪比，提高系统的误码性能。同时与传的RSM相比，接收端的APM符号经过了

这样的等效信道，有着多条独立路径增益，可以采用最大似然检测，从而带来接收分集增益。

本发明的有益效果为：通过采用预编码的方式同时激活所有发射天线来传输信号，能够带来发射分集增益，利用特殊的空间信号形式带来接收分集增益，还能够通过选择不同收图样提高频谱效率。

附图说明

图1为本发明的系统的发射端框图；

图2为本发明方案在N_t＝N_r＝8情况下不同N_r1的误码率对比(6bps/Hz)；

图3为本发明方案与SM在发射天线为8情况下误码率对比；

图4为本发明方案与RSM在接收天线为4情况下误码率对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述：

实施例

本例采用QPSK调制，发射天线数量N_t＝4，接收天线数量N_r＝4，接收图样所包含的天线数量N_r1＝2，采用正交图样，则N＝|χ|＝2,χ＝{[1,2],[3,4]}。所以系统的总频谱效率为B＝log₂(N_t)+log₂(N)+log₂(M)＝5。发射端通过反馈链路得知信道状态信息为：

若待传输的比特数据为b＝10000，根据映射规则可知，前2个比特10为空间比特，映射为空间符号h₃＝[h₁₃ h₂₃ h₃₃ h₄₃]^T，中间1个比特0为接收图样比特，对应到接收图样1，最后2个比特00，确定APM符号x₁＝1，所以待发射的符号为x＝R₁h₃x₁。接收图样有两种：

接下来进行预编码，预编码矩阵为

即为信道矩阵前两行的右逆。所以发射端的最终发射信号形式为：

通过以上的步骤实现了系统的调制和预编码过程。经过道之后接收信号在除去功率归一化因子后的形式如下：

最后通过最大似然检测遍历所有的天线序号，接收图样与星座点符号的组合即可恢复出原始数据，即：

由最后的式子可以看出，虽然系统有4根接收天线，但实际用于预编码的等效信道矩阵维度为2×4，相比TSM引入了发射分集增益，而从接收端看来，虽然APM星座点经过了4条路径，但独立的路径数只有2条，相比与预编码辅助的RSM也带来了一定的接收分集增益。该方案对收发天线数量没有限制，比较灵活，且能够带来较大的性能提升。下面结合仿真结果具体分析本发明对误码性能的提升。

图2为本发明所提出方案在收发天线数量为8，不同N_r1情况下的误码率对比，由于接收图样包含天线数量不同，其接收图样数量也不一样，为了保证频谱效率都为6bps/Hz，当N_r1＝2时，接收图样有4种，所以需采用BPSK调制，同理当N_r1＝4时，接收图样有2中，需要采用QPSK调制。3种天线数量配置在低信噪比和高信噪比性能表现正好相反。以0dB为界，低信噪比区域N_r1越小，其性能越好，因为该区域噪声远大于有用信号，所以预编码算法带来发射分集比较重要，直观反映为增加接收端的等效信噪比，整体误码率曲线呈现平移现象。在高信噪比区域，由于噪声较小，所以多天线的接收分集增益变得重要，N_r1越大，其经过的独立路径数量越多，采用最大似然检测的增益也就越大，误码率曲线表现为斜率变大。所以根据不同的信噪比环境可以进行不同的配置，相对传统的发射或接收空间调制更加灵活。

图3为本发明所提出方案与传统SM在发射天线为8时不同接收天线，调制方式情况下的误码率对比。当N_r＝4,N_r1＝2时，新方案由于采用了预编码，所以在低信噪比区域性能增益比较明显，大约提高了5dB，随着信噪比增加，由于N_r1＝2，其接收分集比传统的4天线的SM要少，所以高信噪比区域下传统SM性能提升较大，但从整体性能来看，新方案都优于传统的SM。同理可得，当N_r＝6,N_r1＝3时，误码率曲线表现的趋势也是一致的，在误码率为10^-4以上时，新方案性能全面优于传统的SM。

图4为本发明所提出方案与RSM在接收天线为4时不同发射天线，调制方式情况下的误码率对比。当N_r＝N_t＝4时，即收发天线数量比较接近时，传统的RSM性能会比较差，因为这时候预编码算法带来的发射分集增益会很小，而新方案在采用预编码算法时的等效信道维度为2×4，增大了一定的发射分集增益，同样的，RSM的接收天线只用于调制信息比特，无法带来接收分集增益，新方案则能同时实现收发分集增益，所以在这种天线配置情况下，新方案性能提升尤其突出，增益超过了10dB。随着发射天线数量的增加，RSM的性能会逐渐提升，由于其单流传输的特性，其提升幅度会超过本发明所提方案，新方案等同于一个满流传输的MIMO系统，所以在这种情况下只能在低信噪比区域带来一定增益。所以与RSM相比，新方案更加适合收发射天线数量较为接近的场景和一些低信噪比环境。

Claims (1)

1.一种预编码辅助的信号发送和接收方法，假设无线通信系统为多输入多输出系统，采用二进制数字信号接收空间调制方法，发射端已知信道状态信息，且接收端采用正交对称图样，具有N_t根发射天线和N_r根接收天线，用于传输每组b₁+b₂+b₃比特的数字信号，其特征在于，包括：

信号发送：

将前b₁用于选择空间符号h_i，h_i为信道矩阵H中第i列元素，中间b₂比特用于选择接收图样，最后b₃比特用来选择星座点符号x_j，得到发射信号为：

x＝R_kh_ix_j,i∈{1,2,…N_t},k∈{1,2,…N},j∈{1,2,…M}

其中R_k为单位矩阵

所对应的接收图样部分，假设接收图样为正交图样χ，

N_r1为接收图样所包含的天线数，M为星座点符号阶数；

采用迫零预编码算法，对发射符号进行预编码处理后得到：

其中

H_k＝R_kH，β为功率归一化因子；将发射信号通过发射天线进行发射；

信号接收：

接收天线接收的信号为：

其中，

为发射功率，n为加性高斯白噪声；

通过最大似然检测恢复出原始数据。

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