CN112039562B - 一种逐级编码的空移键控方法 - Google Patents

一种逐级编码的空移键控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种逐级编码的空移键控方法，其中发射端采用逐级多步对信息比特进行编码，从而充分利用了多输入多输出系统的空间自由度，提升系统的传输速率。本发明提出的逐级多步编码方案，在每步的编码过程中，均映射不同的信息比特，最终形成终阶待编码向量。接收端可采用最大似然检测算法，另外本发明还提出了基于正交三角分解的检测方案。与传统的空间域调制方案相比，本发明所提出的逐级编码空移键控方案可以获得更高的传输速率和更优的误比特率性能。

Description

一种逐级编码的空移键控方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种逐级编码的空移键控方法。
背景技术
多输入多输出技术可以提供阵列增益、空分复用增益和分集增益。阵列增益可以提高接收信号的信噪比。利用空时编码技术，多输入多输出通信系统可以提供分集增益，来对抗信道的衰落，提高系统传输的鲁棒性。在多输入多输出无线通信系统中，利用空时分层结构，多输入多输出通信系统可以提供空分复用增益，在同一时刻发射多个数据流，提高系统的传输速率。多输入多输出技术的阵列增益、空分复用增益和分集增益之间存在权衡。
空移键控是实现多输入多输出技术增益的有效方式。空移键控利用发射天线的索引进行信息传输。在空移键控技术中，每个时刻只有一个发射天线是活跃的，活跃天线的状态定义为发射样式。不同的信息比特映射到不同的空间样式，接收机通过估计发射样式来恢复信息。空间调制具有诸多优点，包括：不存在空间子信道之间的干扰；不需要不同发射天线之间的同步；接收算法简单等。
广义空移键控是空移键控技术的扩展，在某一时刻有多根天线处于活跃状态。与空移键控相比，在相同发射天线数条件下，广义空移键控具有更多的空间样式，这也就意味着每个空间样式可以携带更多的信息比特。无论是空移键控还是广义空移键控，发射端活跃的天线数都小于或远小于发射端总的天线数。因此，空移键控/广义空移键控技术需要的射频通道数小于或远小于发射端天线数，这样可以有效的减小硬件成本和功率消耗。在大规模天线系统中，空移键控的这一优点尤为明显。空移键控/广义空移键控技术被认为是未来移动通信的关键技术之一。但是，无论是空移键控，还是广义空移键控，在发射端天线数一定的条件下，空间样式还较少，并且只有通过最大似然接收算法才能获得较好的接收性能，计算复杂度较高。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种逐级编码的空移键控方法，最大限度协调发射天线数、发射的空间样式，从而有效提升传输的速率，获得更优的误比特率性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种逐级编码的空移键控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)发射端将信息比特划分为长度相同的若干个信息块，基准空间样式的维度决定信息块的长度，信息块控制参数决定每次发射能携带的信息块的个数；
步骤2)将所述若干个信息块中的第一个信息块的信息映射到第一个基准空间样式上，按照编码规则，把所述第一个基准空间样式编码为长度为总的发射天线数的第一阶编码向量；
步骤3)将所述若干个信息块中的第二个信息块的信息映射到第二个基准空间样式上，根据编码规则和第一阶编码向量，把所述第二个基准空间样式编码为长度为总的发射天线数的第二阶编码向量；
步骤4)重复上述步骤3)，直到当前发射所能携带的信息块全部进行编码，得到终阶编码向量；
步骤5)根据编码过程，接收端对发射的样式进行估计；估计方法可以采用但不仅限于正交三角分解的检测算法、最大似然检测算法。
步骤6)如果步骤5)采用了基于正交三角分解的检测算法，则接收端利用信道矩阵的正交三角分解得到的酉矩阵对接收信号进行处理；
步骤7)根据步骤6)处理后的信号，以及发射端的逐级编码方案，对发射信号进行估计；
步骤8)根据发射端的逐级编码方案以及估计得到的发射向量，进行信息解码，恢复原始信息比特。
所述的发射端所需天线的最小数量等于基准空间样式的维度加上每次发射所携带的总的所述的信息块的数量减一。
每一级调制中的基准空间样式只有一个元素非零。
在逐级编码过程中，每一级映射得到的基准空间样式的非零元素的值都不相同。
在逐级编码过程中，发射端只发射终阶编码向量，中间步骤得到的编码向量仅用于后续步骤的编码。
有益效果：本发明，有益效果如下：
1)本发明充分利用多天线技术的空间自由度，在发射天线数一定的条件下，增加发射的空间样式，从而有效提升传输速率。
2)与传统的空移键控技术相比，在相同传输速率条件下，本发明可以明显减少发射天线数。
3)与传统的广义空间调制相比，在相同传输速率条件下，本发明可以获得更优的误比特率性能。
4)本发明仍然具有传统空间调制的优点，包括可以有效减少射频通道的个数，能量效率高等。
附图说明
图1是一个实施例的逐级编码空移键控的编码示意图；
图2是一个实施例的发射信号星座设计示意图；
图3是一个实施例的不同方案的误比特率性能对比图；
图4是一个实施例的不同方案的可达速率对比图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。参考图1所示，图1为一个实施例的逐级编码空移键控的编码示意图；
包括如下步骤：
步骤1，发射端将信息比特划分为长度相同的信息块，该信息块为信息比特块；信息比特块的长度由基准空间样式的维度决定，每次发射能携带的信息块的个数由信息块控制参数决定；
步骤2，将第一个信息块的信息映射到第一个基准空间样式上，然后按照编码规则，将该基准空间样式编码为第一阶编码向量，所述第一阶编码向量长度为总的发射天线数；
步骤3，将第二个信息块的信息映射到第二个基准空间样式上，根据编码规则和第一阶编码向量，把第二个基准空间样式编码为长度为总的发射天线数的第二阶编码向量；
步骤4，重复上述步骤，直到当前发射所能携带的信息块全部进行编码，最后得到终阶编码向量。
在一个实施例中，考虑点对点多输入多输出无线通信系统，发射端配置有Nt根天线，接收端配置有Nr根天线。假设基准空间样式的维度为N，其中N为2的幂次方，每个发射向量所携带的信息块的数量为nt，那么Nt的最小值为Nt＝N+nt-1。假设信道是频域平坦信道，信道矩阵H可以表示为：
Figure BDA0002670471990000041
其中hi,j表示从第j根发射天线到第i根接收天线的信道系数。接收信号可以表示为：
y＝Hx+z
其中x表示发射向量，z为复高斯随机向量，并且每个元素的均值为0，方差为
Figure BDA0002670471990000045
(1)逐级编码过程
对于一个发射向量，编码过程由nt步骤构成。信息比特被分为nt块，每块有log2(N)个比特数。在第一步的编码中，假设基准空间样式为p1，p1的元素中只有一个元素为非零元素，假设该非零元素为s1。根据第一块信息比特，确定s1在p1中的位置，从而得到第一步的空间样式p1如下：
Figure BDA0002670471990000042
其中，p1是维度为N的列向量，这里假设s1为p1的第k1个元素，[.]T表示转秩序。在第一步编码过程中，有log2(N)比特映射到基准空间样式p1。编码得到的第一阶编码向量为：
Figure BDA0002670471990000043
其中x1是纬度为Nt的列向量。
在第二步的编码中，假设基准空间样式为p2，p2的元素中只有一个元素为非零元素，假设该非零元素为s2。根据第二块信息比特，确定s2在p2中的位置，从而得到第二步的空间样式p2如下：
Figure BDA0002670471990000044
其中，p2是维度为N的列向量，这里假设s2为p2的第k2个元素。在第二步编码过程中，有log2(N)比特映射到基准空间样式p2。编码得到的第二阶编码向量为：
x2＝[0，0，…，0，s2，0，…，0，s1，0，…，0]T
第二阶编码向量x2的前N+1个元素中，有两个元素非零，并且分别等于s1和s2，s1是向量x2的第k1个元素；如果把s1从向量x2中删除，得到纬度为(Nt-1)的更新后的向量，那么s2是更新后向量的第k2个元素。
在一般情况下，在第j步编码中，假设基准空间样式为pj，pj的元素中只有一个元素为非零元素，假设为sj。根据第j块信息比特，确定sj在pj中的位置，从而得到第j步的空间样式pj如下：
Figure BDA0002670471990000051
其中，pj是维度为N的列向量，这里假设sj为pj的第kj个元素。在第j步编码过程中，有log2(N)比特映射到基准空间样式pj。编码得到的第j阶编码向量为：
xj＝[0，0，…，sj，0，s2，0，…，0，s1，0，…，sj-1，0，0]T
第j阶编码向量xj的前N+j-1个元素中，有j个元素非零，并且分别等于s1，s2，…，sj。如果把s1，s2，…，sj-1从向量xj中删除，删除后更新向量的纬度为Nt-j+1，那么sj为更新向量的第kj个元素。
经过nt步编码后，得到终阶编码向量
Figure BDA0002670471990000054
编码过程完成后，发射端发射信号
Figure BDA0002670471990000055
(2)检测过程
接收端收到的信号可以表示为：
Figure BDA0002670471990000056
(2.1)最大似然检测算法
当采用最大似然检测时，检测准则可以表示为
Figure BDA0002670471990000052
其中，hj表示信道矩阵H的第j列。由估计得到的参数
Figure BDA0002670471990000053
可以构造发射向量的估计。
(2.2)基于正交三角分解的检测算法
假设信道矩阵的正交三角分解可以表示为：
H＝QR
其中Q是Nr×Nr的酉矩阵，R为Nr×Nt的上三角矩阵。接收信号经过处理后可以表示为：
Figure BDA0002670471990000061
其中
Figure BDA0002670471990000062
当采用基于正交三角分解的检测算法时，假设Nr≥Nt。处理后向量
Figure BDA0002670471990000063
的第Nt个元素可以表示为：
Figure BDA0002670471990000064
[·]i表示向量的第i个元素，[·]i,j表示矩阵的第(i,j)个元素。经过信道均衡后，定义
Figure BDA0002670471990000065
根据逐级编码过程，
Figure BDA0002670471990000066
的第Nt个元素为0或者
Figure BDA0002670471990000067
因此，
Figure BDA0002670471990000068
的估计准则为：
Figure BDA0002670471990000069
其中
Figure BDA00026704719900000610
为
Figure BDA00026704719900000611
的估计，d为s1,s2,…,snt相邻点的最小欧式距离。向量
Figure BDA00026704719900000612
的第Nt-1个元素可以表示为：
Figure BDA00026704719900000613
基于
Figure BDA00026704719900000614
的估计将干扰项去除，可以表示为：
Figure BDA00026704719900000615
基于逐级编码过程，
Figure BDA00026704719900000616
的第Nt-1个元素满足
Figure BDA00026704719900000617
的估计准则可以表示为：
Figure BDA00026704719900000618
在一般情况下，
Figure BDA00026704719900000619
的第k个元素可以表示为：
Figure BDA0002670471990000071
采用干扰消除策略后，处理后的信号可以表示为：
Figure BDA0002670471990000072
根据逐级编码策略，
Figure BDA0002670471990000073
的第k个元素满足
Figure BDA0002670471990000074
其中
Figure BDA0002670471990000075
的估计准则可以表示为：
Figure BDA0002670471990000076
定义发射向量xnt的估计为
Figure BDA0002670471990000077
在每一步检测过程中，如果
Figure BDA0002670471990000078
均估计正确，也就是
Figure BDA0002670471990000079
那么发送样式将会被估计正确。
从上述检测过程可以看出，原点在检测过程中起到非常重要的作用。因此，本发明设计了如图2所示的基于等边三角形的星座图。设计的星座图保证了相邻星座点(包含原点)的欧式距离为d。
(3)译码过程
发射样式估计完成后，根据sj(j＝1,...,nt)的位置，对信息进行译码。首先，根据s1在估计向量
Figure BDA00026704719900000710
的前N个元素的位置，确定第一个信息块对应的基准空间样式，从而可以译码出第一个log2(N)比特块。然后，将
Figure BDA00026704719900000711
中的s1元素删除，得到新的向量
Figure BDA00026704719900000712
根据s2在向量
Figure BDA00026704719900000713
的前N个元素的位置，确定第二个信息块对应的基准空间样式，从而可以译码出第二个log2(N)比特块。然后，将
Figure BDA00026704719900000714
中的s2元素删除，得到新的向量
Figure BDA00026704719900000715
这个过程一直持续，直到译码出第nt个log2(N)信息比特块。
本发明所提出的逐级编码空移键控的可达速率为：
RSC-SSK＝ntlog2(N)比特/传输
(4)仿真结果
在仿真中，信道系数hi,j为均值为0，方差为1的复高斯随机变量。信噪比根据发射功率进行定义。首先比较不同空间域调制方案的误比特率性能，包括本发明提出的逐级编码空移键控(Successive-coded spatial shift keying,SC-SSK)，传统的空移键控(Spatial shift keying,SSK)，广义空移键控(Generalized SSK,GSSK)和空间调制(Spatial modulation,SM)。图3、图4中的曲线分别用缩写代替以上方案。为了比较的公平性，所有的调制方案的传输速率均为8比特/传输，所有的接收端的天线数均为8根，并且接收端均采用最大似然检测。
本发明的逐级编码空移键控方案的发射端天线数为7根，其中N＝4，nt＝4。为了达到8比特/传输的传输速率，空移键控方案的发射端配有256根天线。在广义空移键控方案中，发射端配置11根天线，其中活跃天线的数目为4，即NA＝4。
在空间调制方案中，发射端配置8根天线，另外发射的符号采用32阶正交幅度调制。
从图3中可以看出，本发明所提出的逐级编码空移键控方案获得的误比特率性能优于广义空移键控方案和空间调制方案的误比特率性能。空移键控方案的误比特率性能最优，但是空移键控方案发射端的天线数远大于其他方案的发射天线数。
图4给出的是不同的传输方案在配置相同数量发射天线和接收天线条件下的传输速率，可以看出本发明所提出的逐级编码空移键控方案可以获得最大的传输速率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种逐级编码的空移键控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)发射端将信息比特划分为长度相同的若干个信息块，基准空间样式的维度决定信息块的长度，信息块控制参数决定每次发射能携带的信息块的个数；
步骤2)将所述若干个信息块中的第一个信息块的信息映射到第一个基准空间样式上，按照编码规则，把所述第一个基准空间样式编码为长度为总的发射天线数的第一阶编码向量；
步骤3)将所述若干个信息块中的第二个信息块的信息映射到第二个基准空间样式上，根据编码规则和第一阶编码向量，把所述第二个基准空间样式编码为长度为总的发射天线数的第二阶编码向量；
步骤4)重复上述步骤3)，直到当前发射所能携带的信息块全部进行编码，得到终阶编码向量；
步骤5)根据编码过程，接收端对发射的样式进行估计；
步骤6)如步骤5)基于正交三角分解的检测算法，则接收端利用信道矩阵的正交三角分解得到的酉矩阵对接收信号进行处理；
步骤7)根据步骤6)处理后的信号，以及发射端的逐级编码方案，对发射信号进行估计；
步骤8)根据发射端的逐级编码方案以及估计得到的发射向量，进行信息解码，恢复原始信息比特；
所述的发射端所需天线的最小数量等于基准空间样式的维度加上每次发射所携带的总的所述的信息块的数量减一。
2.根据权利要求1所述的一种逐级编码的空移键控方法，其特征在于，每一级调制中的基准空间样式只有一个元素非零。
3.根据权利要求1所述的一种逐级编码的空移键控方法，其特征在于，在逐级编码过程中，每一级映射得到的基准空间样式的非零元素的值都不相同。
4.根据权利要求1所述的一种逐级编码的空移键控方法，其特征在于，在逐级编码过程中，发射端只发射终阶编码向量。
5.根据权利要求1所述的一种逐级编码的空移键控方法，其特征在于，所述步骤5)中接收端可采用最大似然检测算法对发射的样式进行估计。
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