CN113014526B - 一种基于空间调制系统的分层星座图构建及检测方法 - Google Patents

一种基于空间调制系统的分层星座图构建及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间调制系统的分层星座图构建及检测方法，所述构建包括以下步骤：S1：根据调制阶数要求生成传统的QAM星座图；S2：根据比特信息要求的优先级调节不同优先级之间星座点的欧式距离；S3：根据传输天线数目Nt确定前L1个传输比特用于与天线序号相对应，剩余传输比特按格雷映射规则进行分配；S4：将传输比特按照对应序号的天线进行传输。本发明通过用比特信息的优先级对星座图进行分层，在降低了复杂度的同时，既保证传输不同优先级的比特信息，由保证空间调制充分利用空域资源优势。

Description

一种基于空间调制系统的分层星座图构建及检测方法
技术领域
本发明涉及空间调制技术领域，更具体地，涉及一种基于空间调制系统的分层星座图构建及检测方法。
背景技术
在兼顾频谱效率和能量效率的背景下，空间调制(Spatial Modulation，SM)技术被提出并成为研究热点之一。它的发射机采用多根发射天线并配备单射频链路，通过天线序号选择和传统二维信号调制来发射数据。因为仅用单射频链路和多天线信道间差异性即可实现信息传输，所也被认为一种特殊的空间复用技术。相比于传统的空间复用技术，空间调制仅激活一根天线，所并不存在天线间同步(Inter-Antenna synchronization，IAS)问题和共信道干扰(Inter－channel interference，ICI)，也因此它可避免在接收机使用串行干扰消除。除了被认为是一种空间复用技术外，空间调制还被看作是一种三维调制技术，调制星座图由二维信号星座图外加一维空间星座图(发射天线序号)构成。针对空间调制的研究还是将其两种调制分开考虑，采用分开映射、分开分析、分开设计的思路，并非真正地将其看成三维调制，因此并未完全挖掘空间调制的潜力。
目前，对于信号星座图优化设计主要基于二维星座图进行优化设计，分为多环星座图和不规则星座图设计。一、多环星座图相较于传统的星座图具有较好的性能，但因其形状不规则且多变，不具有稳定性，所以不同的调制阶数的星座图具有不同的设计规则和过程，也因其不规则的特性，多环星座图设计的设计过程具有一定的复杂度，由于其星座点数多的原因，调制阶数越高，星座图设计的复杂度高。二、而对于不规则的分层星座图来说，该种星座图只在现有的PSK/QAM星座图的基础上进行相应的星座点之间的距离调节，所以复杂度相对于多环星座图来说要低一些，而且根据分层的要求可以进行相应的优先级设计，以此来满足实际应用中不同传输要求的比特的传输。
目前，关于空间调制系统星座图设计领域主要有以下缺点和不足：
1.传统的调制方式PSK、QAM的星座图虽然布局已固定，不需要复杂的算法来实现星座图的布局问题，但是这样的星座图应用在空间调制系统里时，性能要远远低于穷举算法实现的星座图的性能。2.基于最小化SER的星座设计是个非凸问题，利用穷举算法可求得全局最优解，然而当调制阶数较大时，计算量会非常大，这就意味着算法复杂度会很高，因此，该问题的关键在于如何高效地得到全局最优解。3.不管是PSK、QAM星座图还是穷举算法实现的星座图，均不能实现分层的效果，即不能满足现实中对不同优先级比特信息的传输。公开号为CN106982086A中国发明专利于2017年7月25日公开了一种基于收发天线选择的空间调制方法，该方案一种新的空间调制(SM)传输方法，即基于收发天线选择的空间调制(TRSM)。在发送端，首先把码字比特划分为两部分，一部分码字比特经过幅度相位调制(AMP)映射成调制星座符号，另一部分码字比特经过空间调制器映射成收发天线的索引号，接着根据收发天线的索引号，设计要发送的空间调制信号向量，该方案虽然是一种新的空间调制传输方式但没有解决上述技术问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术空间调制系统的星座图复杂度较高，无法满足对不同优先级的比特信息的传输的缺陷，提供一种基于空间调制系统的分层星座图构建及检测方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明第一方面提出了一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，包括以下步骤：
S1：根据调制阶数要求生成QAM星座图；
S2：根据比特信息要求的优先级调节不同优先级之间星座点的欧式距离；
S3：根据传输天线数目Nt确定前L1个传输比特用于与天线序号相对应，剩余传输比特按格雷映射规则进行分配；
S4：将传输比特按照对应序号的天线进行传输。
进一步的，根据传输天线数目Nt确定前L1个传输比特用于与天线序号相对应，通过如下公式计算L1的值，L1＝㏒2Nt。
进一步的，每个传输比特分为两个部分，即：高优先级部分和低优先级部分，所述高优先级部分对应传输比特的前半部分，同时传输比特前半部分对应天线序列；所述低优先级部分与传输的星座符号S相对应。
进一步的，所述高优先级部分和低优先级部分对应的信息比特所映射的比特信息是不变的，均采用格雷映射规则。
进一步的，所述高优先级部分和低优先级部分对应的信息比特同时进行传输。
进一步的，所述的天线序号为4个，分别即为：第一根天线，第二根天线，第三根天线，第四根天线。
进一步的，步骤S2中所述星座点包括三层星座点：第一层星座点、第二层星座点、第三层星座点，每层星座点之间的边界距离分别记为：d1、d2和d3。
本发明第二方面提供了一种基于空间调制系统的分层星座图检测方法，所述方法应用于分层星座图，包括以下步骤：
A1：定义质量因子Q用于表示激活天线组合的可能性；
A2：对质量因子降序排序，选择最大质量因子，利用最大质量因子完成天线序列的检测；
A3：采用ML量化判决方法对天线的传输符号进行检测；
A4：获取步骤A53中最小的符号S作为判决得到的传输符号完成检测。
进一步的，所述质量因子Q表达式为：
Figure GDA0003760343470000031
其中
Figure GDA0003760343470000032
y表示接受向量，H表示Hermite矩阵，
Figure GDA0003760343470000033
表示矩阵的伪逆，Hi表示第i种天线组合方式所对应的信道矩阵，Qi则表示第i种天线组合方式计算得到的质量因子。
进一步的，ML量化判决方法的计算公式为：
Figure GDA0003760343470000034
Hi为A2中求得的最大的质量因子Qi所对应的第i种天线组合方式的信道矩阵。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过用比特信息的优先级对星座图进行分层，在降低了复杂度的同时，既保证传输不同优先级的比特信息，由保证空间调制充分利用空域资源优势。
附图说明
图1为本发明基于空间调制系统的分层星座图构建方法流程图。
图2为本发明基于空间调制系统的分层星座图检测方法流程图。
图3为本发明星座图与MSHM星座图的误码率性能对比图。
图4为本发明星座图在ML算法、SVD算法与本发明检测方法下的误码率性能对比图。
图5所示为ML算法与本发明检测方法的误码率性能对比图。
图6为不同调制阶数下ML算法、SVD算法与本发明检测方法的复杂度对比图。
图7为不同传输天线数目下ML算法、SVD算法与本发明检测方法的复杂度对比图。
图8为不同接收天线数目下ML算法、SVD算法与本发明检测方法的复杂度对比图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，本发明第一方面提出了一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，包括以下步骤：
S1：根据调制阶数要求(例如调制阶数为16)生成传统的QAM星座图；
S2：根据比特信息要求的优先级调节不同优先级之间星座点的欧式距离；
通过调节不同优先级之间星座点的欧式距离，以满足不同信道接收条件时也能保证高质量的信息比特传输服务。
S3：根据传输天线数目Nt确定前L1个传输比特用于与天线序号相对应，剩余传输比特按格雷映射规则进行分配；
S4：将传输比特按照对应序号的天线进行传输。
需要说明的是，Nt为2的幂次方，在一个具体的实施例中，天线数目可以为4根，每个传输比特中前两个比特00、01、10、11分别对应传输天线的序号1、2、3、4。那么对应的前两比特为00的星座符号由第一根天线传输，前两比特为01、10、11的星座符号分别由第二根天线传输、第三根天线传输、第四根天线传输。
进一步的，根据传输天线数目Nt确定前L1个传输比特用于与天线序号相对应，通过如下公式计算L1的值，L1＝㏒2Nt。
进一步的，每个传输比特分为两个部分，即：高优先级部分和低优先级部分，所述高优先级部分对应传输比特的前半部分，同时传输比特前半部分对应天线序列；所述低优先级部分与传输的星座符号S相对应。所述高优先级部分和低优先级部分对应的信息比特所映射的比特信息是不变的，均采用格雷映射规则，所述高优先级部分和低优先级部分对应的信息比特同时进行传输。
需要说明的是，与现有的分层星座图相似，本发明的星座图可以根据传输比特的重要性来调节星座点之间的距离，以此来满足不同优先级的需要，本发明星座图可以满足分层的需要，与空间调制的空间维(索引)相对应，所以在检测方法上也进行了优化。因传输比特的高优先级在同一象限，且对应同一根传输天线，所以可以先检测传输的天线，得到最有可能的传输天线序列以后，再对对该天线所对应的符号进行解调。因为每一根天线所对应的符号有限，所以分布检测并不需要像ML算法那样进行全局遍历查找，因此分部后的算法复杂度将大大的降低。
进一步的，步骤S2中所述星座点包括三层星座点：第一层星座点、第二层星座点、第三层星座点，每层星座点之间的边界距离分别记为：d1、d2和d3。
本发明第二方面提供了一种基于空间调制系统的分层星座图检测方法，所述方法应用于分层星座图，包括以下步骤：
A1：定义质量因子Q用于表示激活天线组合的可能性；
所述质量因子Q表达式为：
Figure GDA0003760343470000051
其中
Figure GDA0003760343470000052
y表示接受向量，H表示Hermite矩阵，
Figure GDA0003760343470000053
表示矩阵的伪逆，Hi表示第i种天线组合方式所对应的信道矩阵，Qi则表示第i种天线组合方式计算得到的质量因子
A2：对质量因子降序排序，选择最大质量因子，利用最大质量因子完成天线序列的检测；
需要说明的是，步骤A2中得到的天线组合方式只是最优可能被激活的天线组合方式，便不能百分之百确定该组合方式即为发送端激活的天线组合方式。所以需要对传输符号进行进一步的检测。
A3：采用ML量化判决方法对天线的传输符号进行检测；
ML量化判决方法的计算公式为：
Figure GDA0003760343470000054
Hi为A2中求得的最大的质量因子Qi所对应的第i种天线组合方式的信道矩阵；
A4：获取步骤A3中最小的符号S作为判决得到的传输符号完成检测。
验证与分析：
如图3为本发明星座图(SM)与MSHM星座图的误码率(BER)性能对比图，如图4所示为，本发明星座图(SM)在ML算法、SVD算法与本发明检测方法(NEW)下的误码率性能对比图；如图5所示为ML算法与本发明检测方法(NEW)的误码率性能对比图；图6为不同调制阶数下ML算法、SVD算法与本发明检测方法(NEW)的复杂度对比图；图7为不同传输天线数目下ML算法、SVD算法与本发明检测方法(NEW)的复杂度对比图；图8为不同接收天线数目下ML算法、SVD算法与本发明检测方法(NEW)的复杂度对比图。
综上可知图3我们对比了本发明星座图与MSHM星座图的BER性能，从图中我们可以看出本发明星座图在性能上要明显优于MSHM分层星座图。图4对比了本发明星座图在ML算法、SVD算法与本发明新检测方法下的BER性能，我们可以看到，本发明检测方法在性能上要优于其他低复杂度算法(SVD算法)的性能。图4我们对比了本发明检测方法和ML算法的性能，尽管性能上相较于ML算法依然有一些差距，但是从图6、图7、图8中的复杂度对比中可以看出，本发明检测方法要比ML算法低40％～60％的复杂度。而且对于同级别复杂度的检测算法(SVD算法)，本发明检测方法依然具有一定的性能优势。因此，本发明检测方法依然具有一定的实用价值。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据调制阶数要求生成QAM星座图；
S2：根据比特信息要求的优先级调节不同优先级之间星座点的欧式距离；
S3：根据传输天线数目Nt确定前L1个传输比特用于与天线序号相对应，剩余传输比特按格雷映射规则进行分配；
S4：将传输比特按照对应序号的天线进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，其特征在于，根据传输天线数目Nt确定前L1个传输比特用于与天线序号相对应，通过如下公式计算L1的值，L1＝㏒2Nt。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，其特征在于，每个传输比特分为两个部分，即：高优先级部分和低优先级部分，所述高优先级部分对应传输比特的前半部分，同时传输比特前半部分对应天线序列；所述低优先级部分与传输的星座符号S相对应。
4.根据权利要求3所述的一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，其特征在于，所述高优先级部分和低优先级部分对应的信息比特所映射的比特信息是不变的，均采用格雷映射规则。
5.根据权利要求3所述的一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，其特征在于，所述高优先级部分和低优先级部分对应的信息比特同时进行传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，其特征在于，所述的天线序号为4个，分别即为：第一根天线，第二根天线，第三根天线，第四根天线。
7.根据权利要求1所述的一种基于空间调制系统的分层星座图构建方法，其特征在于，步骤S2中所述星座点包括三层星座点：第一层星座点、第二层星座点、第三层星座点，每层星座点之间的边界距离分别记为：d1、d2和d3。
8.一种基于空间调制系统的分层星座图检测方法，所述方法应用于权利要求1-7任一项所述的基于空间调制系统的分层星座图构建方法所构建的分层星座图，其特征在于，包括以下步骤：
A1：定义质量因子Q用于表示激活天线组合的可能性；
A2：对质量因子降序排序，选择最大质量因子，利用最大质量因子完成天线序列的检测；
A3：采用ML量化判决方法对天线的传输符号进行检测；
A4：获取步骤A3中最小的符号S作为判决得到的传输符号完成检测。
9.根据权利要求8所述的一种基于空间调制系统的分层星座图检测方法，其特征在于，所述质量因子Q表达式为：
Figure FDA0003874531080000021
其中
Figure FDA0003874531080000022
y表示接受向量，H表示Hermite矩阵，
Figure FDA0003874531080000023
表示矩阵的伪逆，Hi表示第i种天线组合方式所对应的信道矩阵，Qi则表示第i种天线组合方式计算得到的质量因子。
10.根据权利要求9所述的一种基于空间调制系统的分层星座图检测方法，其特征在于，ML量化判决方法的计算公式为：
Figure FDA0003874531080000024
Hi为A2中求得的最大的质量因子Qi所对应的第i种天线组合方式的信道矩阵。
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