CN113067617A - 一种独立增强型广义正交空间调制方法 - Google Patents

一种独立增强型广义正交空间调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种独立增强型广义正交空间调制方法，通过在同相分量域和正交分量域激活可变数量的发射天线来扩展空间星座图，且同相分量和正交分量的空间星座图的扩展方式相同，从而可以携带更多的数据比特，在相同的误码率下可以传输相对于传统广义正交空间调制技术更多的比特数，也即实现更高的频谱效率。本发明利用激活不同数量的发射天线构建一种增强型广义正交空间调制实现高传输速率，这为构建节能、高速率的空间调制系统提供了一种有效方法，具有一定的参考价值。

Description

一种独立增强型广义正交空间调制方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种独立增强型广义正交空间调制方法。
背景技术
在基于发射天线的索引来传递额外信息比特流的空间调制技术中，发射端在任一时隙同时激活某一根天线或者某几根固定数量的天线同时发射同一个复信号，同一时刻所激活的天线序号的组合方式称为空间星座图。发射端通过空间星座和调制符号两部分传输比特流。接收机通过估计所接收信号的空间星座图和调制符号来解调出发送比特。然而，由于传统广义正交空间调制技术用来传递调制符号同相分量和正交分量的空间星座图都是固定的激活天线数，没有充分利用空间星座图，导致传输的比特率低。
发明内容
本发明所要解决的是传统正交空间调制中空间星座图少导致的比特率低的问题，提供一种独立增强型广义正交空间调制方法，其能够充分发掘空间调制中更多的空间星座图。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种独立增强型广义正交空间调制方法，包括步骤如下：
步骤1、构建空间星座图表，即：
①从编号为1至Nt的发射天线中分别选择1根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt，1)个空间星座图按照该发射天线的编号之和从小到大逐行排列；
②从编号为1至Nt的发射天线中分别选择2根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt，2)个空间星座图按照2根发射天线中的编号之和从小到大逐行排列；
③从编号为1至Nt的发射天线中分别选择l根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt,l)个空间星座图按照l根发射天线中的编号之和从小到大逐行排列；其中l＝3,4,…,Nc-1；
④从编号为1至Nt的发射天线中分别选择Nc根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt,Nc)个空间星座图按照Nc根发射天线中的编号从小到大逐行排列；
将上述①至④逐行排列的空间星座图依次逐行排列组合，得到空间星座图表；
步骤2、确定发送端每次发送的信息比特位数m，其中m＝m1+m2+m3，m1为同相分量携带的比特数，m2为正交分量携带的比特数，且
Figure BDA0002977150630000021
m3为给定的信号星座图调制比特数；此时，每次发送的信息比特由3段组成，第一段包括m1位信息比特，第二段包括m2位信息比特，第三段包括m3位信息比特；
步骤3、利用每次发送的信息比特的第一段的m1位信息比特确定同相天线激活索引行LI，该同相天线激活索引行LI等于每次发送的信息比特的第一段的m1位信息比特由二进制转为十进制数后加1；同时，利用每次发送的信息比特的第二段的m2位信息比特确定正交天线激活索引行LQ，该正交天线激活索引行LQ等于每次发送的信息比特的第二段的m2位信息比特由二进制转为十进制数后加1；
步骤4、利用同相天线激活索引行LI去查询步骤1所构建的构建空间星座图表的相应行，得到实部发射天线组合；并利用正交天线激活索引行LQ去查询步骤1所构建的构建空间星座图表的相应行，得到虚部发射天线组合；
步骤5、利用每次发送的信息比特的第三段的m3位信息比特确定2m3-QAM信号星座图的信号点的序号，该信号点的序号SN等于每次发送的信息比特的第三段的m3位信息比特由二进制转为十进制数后加1；
步骤6、利用步骤4所确定的实部发射天线组合发送步骤5所确定的信号星座图的信号点所对应复信号的实部，并利用步骤4所确定的虚部发射天线组合发送步骤5所确定的信号星座图的信号点所对应复信号的虚部；
上述Nt为发射天线数，Nc为射频链数。
与现有技术相比，本发明利用激活可变数量的天线提出了一种无线通信中的完全广义正交空间调制方法，即独立增强型广义正交空间调制(Independently ExpandedGeneralized Quadrature Spatial Modulation，IEGQSM)，根据每次发送的信息比特的具体内容确定实部发射天线组合和虚部发射天线组合，通过在同相分量域和正交分量域激活可变数量的发射天线来扩展空间星座图，且同相分量和正交分量的空间星座图的扩展方式相同，从而可以携带更多的数据比特，在相同的误码率下可以传输相对于传统广义正交空间调制技术更多的比特数，也即实现更高的频谱效率。本发明利用激活不同数量的发射天线构建一种增强型广义正交空间调制实现高传输速率，这为构建节能、高速率的空间调制系统提供了一种有效方法，具有一定的参考价值。
附图说明
图1为一种独立增强型广义正交空间调制方法的原理图。
图2为传输速率相同且等于8时，本发明IEGQSM方案、传统GQSM方案与理论的BER性能比较。
图3为传输速率相同且等于10时，本发明IEGQSM方案与传统GQSM方案与理论的BER性能比较。
图4为传输速率等于8时，接收天线数量对误码率性能的影响。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
一种独立增强型广义正交空间调制方法，如图1所示，其具体包括步骤如下：
步骤1：构建空间星座图表(AAPs)。
假设发射机配备Nt根发射天线，接收机配备Nr根接收天线，且发射机配备Nc个射频链，且发射机每次激活i根天线(i＝1,2,…,Nt)，所以备选天线组合数有
Figure BDA0002977150630000031
种，其中C(Nt，i)表示从Nt根发射天线中选i根发射天线的组合数操作。
AAPs的生成方式为：①从编号为1至Nt的发射天线中分别选择1根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt，1)个空间星座图(AAP)按照该发射天线的之和从小到大逐行排列；②从编号为1至Nt的发射天线中分别选择2根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt，2)个空间星座图(AAP)按照2根发射天线中的编号之和从小到大逐行排列；③以此类推，从编号为1至Nt的发射天线中分别选择l根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt,l)个空间星座图(AAP)按照l根发射天线中的编号之和从小到大逐行排列；其中l＝3,4,…,Nc-1；④从编号为1至Nt的发射天线中分别选择Nc根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt,Nc)个空间星座图(AAP)按照Nc根发射天线中的编号之和从小到大逐行排列；将上述逐行排列的空间星座图依次逐行排列组合，得到空间星座图表(AAPs)。
步骤2、确定发送端每次发送的信息比特位数m，其中m＝m1+m2+m3，m1为同相分量携带比特数，m2为正交分量携带比特数，且
Figure BDA0002977150630000032
表示向下取整；m3为给定的信号星座图调制比特数；此时，每次发送的信息比特由3段组成，第一段包括m1位信息比特，第二段包括m2位信息比特，第三段包括m3位信息比特。
考虑到m位比特最多只能表示2m种不同的消息符号，所以天线组合数必须为2的整数次幂，需要从所有的备选发射天线组合中选取其中的
Figure BDA0002977150630000033
种，而AAPs表的生成方式的非零元素的数目是按照从小到大排序，假设每根天线采用固定的功率发射信号，故选取AAPs表的前m1行，可以最大限度地节约设备电力能源，尤其是便携移动无线通信设备。由此可以看出，本发明IEGQSM系统的传输速率相对于传统GQSM系统有着明显的提高，这归因于在同相分量和正交分量空间星座图上携带更多的比特数。
步骤3、先利用每次发送的信息比特的第一段和第二段确定同相天线激活索引行LI和正交天线激活索引行LQ；其中同相天线激活索引行LI等于每次发送的信息比特的第一段m1位信息比特(即m1位信息比特的具体内容)由二进制转为十进制数后加1，正交天线激活索引行LQ等于每次发送的信息比特的第二段m2位信息比特(即m2位信息比特的具体内容)由二进制转为十进制数后加1。
步骤4、利用同相天线激活索引行LI去查询步骤1所构建的构建空间星座图表的相应行，得到实部发射天线组合；并利用正交天线激活索引行LQ去查询步骤1所构建的构建空间星座图表的相应行，得到虚部发射天线组合。
步骤5、利用每次发送的信息比特的第三段确定M-QAM信号星座图的信号点的序号SN；其中信号点的序号SN等于每次发送的信息比特的第三段m3位信息比特(即m3位信息比特的具体内容)由二进制转为十进制数后加1。M-QAM中的
Figure BDA0002977150630000049
。在信号星座图中，一个信号元素用一个信号点表示，它携带的位或者位组合一般写在它的旁边。
步骤6、利用步骤4所确定的实部发射天线组合发送步骤5所确定的信号星座图的点所对应复信号的实部，并利用步骤4所确定的虚部发射天线组合发送步骤5所确定的信号星座图的点所对应复信号的虚部。
实部发射天线组合AAPI乘以M-QAM信号星座点的复信号的实部，形成实部发射矢量xI，
Figure BDA0002977150630000041
维度Nt×1，其中
Figure BDA0002977150630000042
分布的位置序号由AAPI的发射天线确定，
Figure BDA0002977150630000043
表示取M-QAM信号矢量S的实部。
虚部发射天线组合AAPQ乘以M-QAM信号星座点复信号的虚部，形成虚部发射矢量xQ，
Figure BDA0002977150630000044
维度Nt×1，其中
Figure BDA0002977150630000045
分布的位置序号由AAPQ的发射天线确定，
Figure BDA0002977150630000046
表示取M-QAM信号矢量S的虚部。
这样，将实部发射矢量xI和虚部发射矢量xQ相加，形成复发射矢量
Figure BDA0002977150630000047
复发射矢量x经过天线组合选择器激活对应的天线组合得以发射到无线空间。此时每个高阶QAM符号携带log2M个信息比特。因此，其传输速率为
Figure BDA0002977150630000048
至此完成了本发明IEGQSM的发送端的信号调制过程。
本发明通过激活不同数量的发射天线在同相分量域和正交分量域同时传输信号的实部和虚部，以此实现了传输速率的提高。同时，为了节约电力能源，截取天线组合非零分量较少的组合排列成天线激活模式AAPs表，有效提高了能源效率。在此基础上利用联合界技术推倒了该方法在高斯信道下的理论误码率上界。
发送端完成了本发明的IEGQSM调制过程中，接收端可以采用现有解调方法对发送端所发送的信号进行解调，接收机的输入信号可以表示为：
y＝Hx+n＝H(xI+jxQ)+n
式中，
Figure BDA0002977150630000051
表示信道矩阵，
Figure BDA0002977150630000052
表示均值为零，方差为
Figure BDA0002977150630000053
的加性高斯白噪声，n表示Nr×1维的噪声矢量，服从均值为零，方差为
Figure BDA0002977150630000054
的高斯白噪声。
假设收发两端均已知当前的信道状态信息，且接收端已知发射端的射频链数Nc，发送端可以根据当前的信道状态信息和AAP选择算法选出合适的天线组合，并完成同相分量和正交分量相应信息比特的映射。在接收端，如何从接收信号中正确检测同相分量和正交分量的天线组合以及QAM信号的实部和虚部是关键。目前，常用的方法是最大似然(Maximum Likelihood，ML)译码算法。ML译码算法通过穷尽搜索方法来检测同相分量的天线组合AAPI和正交分量的天线组合AAPQ，以及QAM信号的实部和虚部，从而通过调制的逆过程来恢复原始的三部分比特数据构成m比特原始比特数据。ML算法具有最高的检测性能，它是以高计算复杂度为代价的，可以表示为
Figure BDA0002977150630000055
其中，||·||F表示F范数，
Figure BDA0002977150630000056
表示x的估计矢量，Ω表示AAPs表截取后的集合。
在IEGQSM系统中，传输信号x和它的估计矢量
Figure BDA0002977150630000057
间的欧氏距离是系统错误概率的决定性因素。所以本发明可以通过联合界技术获得IEGQSM误码率的理论上界。
假设接收端已知信道状态矩阵H，则发送信号x被错误检测为符号
Figure BDA0002977150630000058
的成对错误概率为：
Figure BDA0002977150630000059
应用Q函数近似
Figure BDA00029771506300000510
可以得到无条件成对错误概率PEP，
Figure BDA00029771506300000511
其中
Figure BDA00029771506300000512
K＝E{HHH}是H的协方差矩阵，q1＝1/(2N0)，q1＝2/(3N0)。
在得到无条件PEP后，误码率BER上界可以根据联合界计算方法得出
Figure BDA0002977150630000061
其中
Figure BDA0002977150630000062
表示x与
Figure BDA0002977150630000063
不相同的比特数。
当SNR非常高时(即{q1,q2＞＞1})，Pe可以近似为
Figure BDA0002977150630000064
其中，
Figure BDA0002977150630000065
为KA的非零特征值，r＝rank(A)。Nrrmin＝Nr{minrank(A)}为分集阶数，它取决于接收天线的数目以及A的秩。因为
Figure BDA0002977150630000066
且其最小的秩等于1当只有一个比特不同。因此，可以得出结论，IEGQSM的分集阶数为Nr，它只取决于接收天线的数目。IGQSM与传统广义正交空间调制(Generalised Quadrature SpatialModulation，GQSM)系统相似，分集阶数与发射天线数目Nt，射频链数目Nc以及信号星座图的进制数M无关。
为了验证方案的正确性，我们利用蒙特卡罗仿真方法进行了仿真分析。仿真条件为：假设接收端已知信道状态信息，系统总功率不变，每个激活天线的功率平均分配，接收端采用ML检测算法。GQSM(Nt,Nr,M,Nc)表示传统正交广义正交空间调制方法，IEGQSM(Nt,Nr,M,Nc)表示独立增强型广义正交空间调制方法，其中Nt为发射天线数，Nr为接收天线数，M为信号星座图进制数，Nc为射频链数。图2给出了在相同的m＝8时，GQSM(4,4,16,2)，IEGQSM(4,4,4,2)在不同信噪比下与理论的BER性能曲线。图3给出了在相同的m＝10时，GQSM(4,4,64,2)，IEGQSM(4,4,16,2)在不同信噪比下与理论的BER性能曲线。图4给出了在相同的m＝8时，接收天线数分别为2，4，8时，对IEGQSM系统性能的影响。通过以上理论分析和仿真验证，可以看到IEGQSM性能要由于传统GQSM系统，且接收天线的数目对性能也有很大的影响，这是由于接收天线数越多，接收信号的信噪比越高。
本发明提出适用于无线通信中利用天线索引传递信息的独立增强型广义正交空间调制方法，用于数据传输的天线从仅仅激活一根天线到激活多个甚至所有天线而变化，这使得传输速率相对于传统广义正交空间调制技术获得了极大的提高。同时在同相分量和正交分量空间星座图施行完全的扩展，使增加的比特数可以双倍提高，同相分量和正交分量空间星座图天线组合分别用于传输M-QAM信号的实部和虚部。在此基础上利用联合界技术推倒了该方法在高斯噪声信道下的理论误码率上界。相对于传统的广义正交空间调制，本发明不仅实现了传输速率的极大提高，且解决了传统广义正交空间调制空间星座图少和电力能源消耗多的问题，且解决了天线数量必须为2的整数次幂的问题，显著提高了系统的传输速率和能源效率。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种独立增强型广义正交空间调制方法，其特征是，包括步骤如下：
步骤1、构建空间星座图表，即：
①从编号为1至Nt的发射天线中分别选择1根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt，1)个空间星座图按照该发射天线的编号之和从小到大逐行排列；
②从编号为1至Nt的发射天线中分别选择2根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt，2)个空间星座图按照2根发射天线中的编号之和从小到大逐行排列；
③从编号为1至Nt的发射天线中分别选择l根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt,l)个空间星座图按照l根发射天线中的编号之和从小到大逐行排列；其中l＝3,4,…,Nc-1；
④从编号为1至Nt的发射天线中分别选择Nc根发射天线来组成空间星座图，并将所得的C(Nt,Nc)个空间星座图按照Nc根发射天线中的编号从小到大逐行排列；
将上述①至④逐行排列的空间星座图依次逐行排列组合，得到空间星座图表；
步骤2、确定发送端每次发送的信息比特位数m，其中m＝m1+m2+m3，m1为同相分量携带的比特数，m2为正交分量携带的比特数，且
Figure FDA0002977150620000011
m3为给定的信号星座图调制比特数；此时，每次发送的信息比特由3段组成，第一段包括m1位信息比特，第二段包括m2位信息比特，第三段包括m3位信息比特；
步骤3、利用每次发送的信息比特的第一段的m1位信息比特确定同相天线激活索引行LI，该同相天线激活索引行LI等于每次发送的信息比特的第一段的m1位信息比特由二进制转为十进制数后加1；同时，利用每次发送的信息比特的第二段的m2位信息比特确定正交天线激活索引行LQ，该正交天线激活索引行LQ等于每次发送的信息比特的第二段的m2位信息比特由二进制转为十进制数后加1；
步骤4、利用同相天线激活索引行LI去查询步骤1所构建的构建空间星座图表的相应行，得到实部发射天线组合；并利用正交天线激活索引行LQ去查询步骤1所构建的构建空间星座图表的相应行，得到虚部发射天线组合；
步骤5、利用每次发送的信息比特的第三段的m3位信息比特确定
Figure FDA0002977150620000012
信号星座图的信号点的序号，该信号点的序号SN等于每次发送的信息比特的第三段的m3位信息比特由二进制转为十进制数后加1；
步骤6、利用步骤4所确定的实部发射天线组合发送步骤5所确定的信号星座图的信号点所对应复信号的实部，并利用步骤4所确定的虚部发射天线组合发送步骤5所确定的信号星座图的信号点所对应复信号的虚部；
上述Nt为发射天线数，Nc为射频链数。
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