CN113206695B - 基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法及装置，其中，方法包括：获取输入信息比特，并将输入信息比特分离得到数据块；对所述分离得到的数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；基于所述的天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；基于最大似然算法对所述发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。本申请实施例能够携带更多额外索引信息比特，且在相同频谱利用率情况下，与其他传统空间调制系统相比较时，所设计空间调制系统具有更大的发射符号之间的最小欧式距离，提高了无线通信系统的可靠性。

Description

基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法及装置、设备、存储介质。

背景技术

广义空间调制系统(GSM英文全称Generalized Spatial Modulation)通过从发射天线数目中同时激活多根天线来传输不同的星座符号，并携带了额外

个空间索引信息比特(其中N_t为发射天线数目，n_a为激活天线的数目)，获得空间复用增益。与空间调制(SM)系统相比，GSM提高了传输速率。近来，为了拓展GSM系统的空间维度来携带更多额外索引比特信息，以致提高传输速率，提出了基于多索引的广义空间调制系统(GSM-MIM)。GSM-MIM的主要思想是拓展多个索引资源(比如：角度索引，矢量索引)，用于携带索引比特信息，然后通过改进脉冲幅度调制符号增大发射符号之间平方最小欧式距离，提高无线通信系统的可靠性。然而，GSM-MIM方案仍然是同时传输多个二维(2D)星座符号，没有考虑三维(3D)星座符号存在的优势；其次，没有考虑星座符号的分量与激活天线数目相结合的设计。

综上所述，在现有技术中数据传输速率和性能增益还有待提高，GSM-MIM的频谱利用率和误比特率需要进一步的改善。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本公开提供基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法及装置、设备、存储介质。

本申请第一方面提供一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，获取输入信息比特，并将输入信息比特分离得到数据块；

对分离得到的数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

基于天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

基于最大似然算法对发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

进一步地，获取输入信息比特，并将输入信息比特分离得到数据块，包括：

获取输入信息比特；

基于S/P比特流分离器将输入信息比特分离成第一数据块log₂N，第二数据块τ·log₂M和第三数据块I_SIB；

其中，N,M分别表示3D星座点和2D星座点的调制阶数，用于映射成为3D信号星座中一个星座点和来自于M-QAM信号星座中τ个星座点。

进一步地，对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量，包括：

基于信号星座映射比特对第一数据块log₂N进行处理，得到一个3D星座符号s_3D；

基于信号星座映射比特对第二数据块τ·log₂M进行处理，得到τ个传统星座符号

基于矢量索引比特对第三数据块I_SIB进行处理，选择天线索引矢量和矢量组合。

优选的，通过3D星座分量转换器，将3D星座符号s_3D(x₁,x₂,x₃)变成多种分量组合的星座符号，包括设置：

注意：为了获得更大的发射符号之间平方最小欧式距离，{χ₁,χ₂,χ₃,χ₄}四种形式星座符号中x₁∈{±2，±4，…，2·n,n∈Z}，x₂,x₃∈{±1，±3，…,±(2n-1),n∈Z}；{χ₅,χ₆}两种形式星座符号中x₁,x₂,x₃∈{±2，±4，…，2·n,n∈Z}。

进一步地，基于矢量索引比特对第三数据块I_SIB进行处理，选择天线索引矢量和矢量组，包括：

将第三数据块I_SIB分为三个子数据块I_A、I_B、I_V；

将子数据块I_A转换成十进制数并加1，得到矢量索引号κ,κ∈{1,…,N_A}；

根据索引号κ，从预设的天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量V_κ，其是一个TX1×1维矢量且有2或3个等于“1”的非零元素。其中，矢量集A∈Γ,

进一步地，在星座变换器中，用于调制对应的星座符号

的天线索引矢量集Γ为：

将子数据块I_B转换成十进制数并加1，得到矢量索引号ξ,ξ∈{1,…,N_B}；

根据索引号ξ，从预设的正交天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量

其是一个TX2×1维矢量且有τ个等于“1”的非零元素。其中，

来自TX2×TX2维单位矩阵的列矢量，N_B＝TX2。

注意，上述的TX1<N_t和TX2<N_t且有TX1+TX2＝N_t。

进一步地，通过得到的索引号κ反馈到星座变换器，从天线索引矢量集Γ中确定和调制星座符号

天线索引矢量V_κ调制星座符号

得到一个空间矢量S_κ；

天线索引矢量

调制来自传统星座的τ个星座符号

得到一个空间矢量

由上述得到两个空间矢量S_κ和

通过矢量组合之后，则一个发射空间矢量为

将子数据块I_V从两个矢量{V⁰,V¹}中选择一个矢量。

进一步地，基于天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量，包括：

根据天线索引矢量V_κ和

中非零元素的索引，激活它们对应索引的发射天线，将星座符号映射到激活的发射天线上，并进行发射。

进一步地，基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息，包括：

最大似然算法的计算公式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

表示估计检测的天线索引矢量的索引号，

表示估计检测的矢量索引信息比特，

表示一个接收矢量信号，

表示一个归一化的发射空间矢量信号，

表示一个瑞丽衰落信道矩阵。

本申请第二方面提供了一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制装置，

数据块获取模块，用于获取输入信息比特，并将输入信息比特分离得到数据块；

数据块映射处理模块，用于对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

发射空间矢量获取模块，用于基于的天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

发射空间矢量检测模块，用于基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

本申请第三方面提供了一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制设备

存储器，用于存储指令，指令包括上述基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法；

处理器，用于执行指令。

本申请第四方面提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例能够携带更多额外索引信息比特，且在相同频谱利用率情况下，与其他传统空间调制系统相比较时，所设计空间系统具有更大的发射符号之间平方最小欧式距离，提高了无线通信系统的可靠性。

附图说明

图1为本申请方法实现流程图；

图2是本申请方法控制流程图；

图3为本申请装置模块流程图示意图；

图4为本申请一种实施例环境下，几种调制系统的误比特性能对比图；

图5是本申请另一种实施例环境下，几种调制系统的误比特性能对比图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开一示例性实施例提供了一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，如图1所示，包括：

101：获取输入信息比特，并将输入信息比特分离得到数据块；

103：对分离得到的数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

105：基于天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

107：基于最大似然算法对发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

参考图1和图2，本申请提供了步骤101：获取输入信息比特，并将输入信息比特分离得到数据块的一个实施例，包括：获取输入信息比特；基于S/P比特流分离器将输入信息比特分离成第一数据块log₂N，第二数据块τ·log₂M和第三数据块I_SIB。

本申请提供了步骤103：对分离得到的数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量的一个实施例，包括：基于信号星座映射比特对第一数据块log₂N进行处理，得到一个3D星座符号；基于信号星座映射比特对第二数据块τ·log₂M进行处理，得到τ个传统星座符号；基于矢量索引比特对第三数据块I_SIB进行处理，选择天线索引矢量和矢量组合。

具体来说，基于矢量索引比特对第三数据块I_SIB进行处理，选择天线索引矢量和矢量组合，包括：

将第三数据块I_SIB分为三个子数据块I_A、I_B、I_V；

将子数据块I_A转换成十进制数并加1，得到矢量索引号κ,κ∈{1,…,N_A}；

根据索引号κ，从预设的天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量V_κ，其是一个TX1×1维矢量且有2或3个等于“1”的非零元素。通过索引号κ反馈到星座变换器来确定和调制由3D星座点中的分量转换得到的星座符号

得到一个空间矢量S_κ；

将子数据块I_B转换成十进制数并加1，得到矢量索引号ξ,ξ∈{1,…,N_B}；

根据索引号ξ，从预设的正交天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量

其是一个TX2×1维矢量且有τ个等于“1”的非零元素，用于调制来自传统星座的τ个星座符号

得到一个空间矢量

注意，上述的TX1<N_t和TX2<N_t且有TX1+TX2＝N_t。

本申请提供了步骤105：基于天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量的一个实施例。

通过上述得到的索引号κ反馈到星座变换器来确定和调制由3D星座点s_3D(x₁,x₂,x₃)中的三个分量转换得到的星座符号

然后天线索引矢量V_κ用于调制星座符号

得到一个空间矢量S_κ；

天线索引矢量

用于调制来自传统星座的τ个星座符号

得到一个空间矢量

由上述得到两个空间矢量S_κ和

矢量组合之后得到一个发射空间矢量为

通过子数据块I_V从两个矢量{V⁰,V¹}中选择一个矢量后，根据天线索引矢量中非零元素激活对应位置的天线，然后把所选的矢量中非零元素映射到激活的发射天线上进行发射。

本申请提供了步骤107：基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息的最大似然算法的计算公式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

表示估计检测的天线索引矢量的索引号，

表示估计检测的矢量索引信息比特，

表示一个接收矢量信号，

表示一个归一化的发射空间矢量信号，

表示一个瑞丽衰落信道矩阵。

这里再次举一个实施例作为具体说明。假设一个发射矢量符号持续时间内，获取输入信息比特m，基于S/P比特流分离器将输入信息比特分离成第一数据块log₂N，第二数据块τ·log₂M和第三数据块I_SIB。其中，通过信号星座映射比特对第一数据块log₂N进行处理，得到一个3D星座符号，通过信号星座映射比特对第二数据块τ·log₂M进行处理，得到τ个传统星座符号，这里的N,M分别表示3D星座点和2D星座点的调制阶数，第三数据块I_SIB＝I_A+I_B+I_V，其中I_A＝log₂N_A和I_B＝log₂N_B分别表示用于调制3D和2D星座符号的天线索引矢量索引比特数，N_A和N_B分别表示天线索引矢量集

中天线索引矢量数目和天线索引矢量集

中天线索引矢量数目。这里，天线索引矢量V_κ,κ∈{1,2,…,N_A}是一个TX1×1维矢量且有2或3个等于“1”的非零元素；

是一个TX2×1维矢量且有τ个等于“1”的非零元素。

具体地说，I_A信息比特数，被映射到一个天线索引矢量索引号κ,κ∈{1,…,N_A}，并从天线索引矢量集

中选择一个对应于该索引号κ的索引矢量V_κ；然后，利用索引号κ反馈，索引矢量V_κ调制由3D星座点中三个分量转换而成的星座符号

得到一个空间矢量S_κ。I_B信息比特数，被映射到一个天线索引矢量索引号ξ,ξ∈{1,…,N_B}，并从天线索引矢量集

中选择一个对应于该索引号ξ的索引矢量

然后，索引矢量

调制τ个2D星座符号

得到一个空间矢量

根据I_V信息比特，将所得的空间矢量S_κ和空间矢量

进行组合，得到一个发射矢量X。

进一步说明本发明调制方法的工作原理。如表1所示，假设N_t＝8，TX1＝TX2＝4，

比特数。

设τ＝1,N＝16，16-3D星座s_3D(m_x,m_y,m_z)，m_x,m_y,m_z分别表示在3D星座图对应的坐标值，有两种类型：

(1).第一种：{(±2,±1,±1),(±2,±1,±3)}；

(2).第二种：{(±2,±2,±2),(±2,±2,±4)}。

当所选择的天线索引矢量激活两根天线时，选择第一种类型的16-3D星座，并根据天线索引矢量索引号，将映射得到的星座点s_3D(m_x,m_y,m_z)通过星座转换器变成星座符号

即χ_α,α∈{1,2,3,4}，其中，

当所选择的天线索引矢量激活三根天线时，选择第二种类型的16-3D星座，并根据天线索引矢量索引号，将映射得到的星座点s_3D(m_x,m_y,m_z)通过星座转换器变成星座符号

即χ_β,β∈{5,6}，其中，

χ₅∈{(±2,±2,±2),(±2,±2,±4)},χ₆∈{(±2j,±2j,±2j),(±2j,±2j,±4j)}。s¹是调制阶数为M的正交幅度调制(M-QAM)星座中一个星座点。由于

则有天线索引矢量集A＝Γ＝{V₁,V₂,……,V₃₂}，如下：

式中，a,b,c分别表示3D星座符号

中三个分量m_x,m_y,m_z所在的位置，j为虚数单位。

天线索引矢量集

这里上标T表示矩阵转置运算。表1为形成一个发射矢量符号X的映射规则。

表1

表中，P1＝[0 0m_x m_y+jm_z s¹ 0 0 0]^T，P2＝[0 m_y+jm_z 0 m_x 0 s¹ 0 0]^T，P3＝[0 0s¹ 0 0m_y+jm_z jm_x 0]^T，P4＝[0 0 0 s¹ jm_x jm_y 0 jm_z]^T。

为了说明本发明调制系统(称为：基于三维星座的多索引广义空间调制(3D-GSM-MIM))的优势，在瑞利衰落信道与加性高斯噪声的干扰下，对本发明的技术进行了仿真验证，并与其他调制系统(e.g.垂直分层空时(VBLAST),广义空间调制(GSM),GSM-MIM)作比较。假设接收端已知信道状态信息，发送功率遵循发射功率为1和(N_t,N_r)＝(8,8)。对于基于参数(1,τ,N,M)的本发明3D-GSM-MIM调制系统和基于参数(α,β,N,M)的GSM-MIM调制系统中设计(TX₁,TX₂)＝(4,4)，其中，α,β分别表示PAM和QAM星座符号的个数。此外，我们定义基于参数(n_a,M'-ary)的GSM调制系统，其中n_a，M'-ary分别表示被激活的发射天线数量和调制阶数。

在14、15、16bit/s/Hz情况下，从仿真图4、5可以看出，显然，本发明的技术比其他传统技术的误比特率性能具有更低的误比特率。

本申请实施例还提供了本申请第二方面提供了一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制装置，如图3所示，包括：

数据块获取模块，用于获取输入信息比特，并将输入信息比特分离得到数据块；

数据块映射处理模块，用于对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

发射空间矢量获取模块，用于基于天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

发射空间矢量检测模块，用于基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

本申请第三方面还提供了一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制设备，

存储器，用于存储指令，指令包括上述基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法；

处理器，用于执行指令。

本申请最后提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，其特征在于，

获取输入信息比特，并将所述输入信息比特分离得到数据块；

对分离得到的所述数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

基于所述天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

基于最大似然算法对所述发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息；

所述获取输入信息比特，并将所述输入信息比特分离得到数据块，包括：

获取输入信息比特；

基于S/P比特流分离器将所述输入信息比特分离成第一数据块log₂N，第二数据块τ·log₂M和第三数据块I_SIB；

其中，N,M分别表示3D星座点和2D星座点的调制阶数，用于映射成为3D信号星座中一个星座点和来自于M-QAM信号星座中τ个星座点；

所述对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量，包括：

基于信号星座映射比特对第一数据块log₂N进行处理，得到一个3D星座符号s_3D；

基于信号星座映射比特对第二数据块τ·log₂M进行处理，得到τ个传统星座符号

基于矢量索引比特对第三数据块I_SIB进行处理，选择天线索引矢量和矢量组合；

通过3D星座分量转换器，将3D星座符号s_3D(x₁,x₂,x₃)变成多种分量组合的星座符号，包括设置：

注意：为了获得更大的发射符号之间平方最小欧式距离，{χ₁,χ₂,χ₃,χ₄}四种形式星座符号中x₁∈{±2，±4，…，2·n,n∈Z}，x₂,x₃∈{±1，±3，…,±(2n-1),n∈Z}；{χ₅,χ₆}两种形式星座符号中x₁,x₂,x₃∈{±2，±4，…，2·n,n∈Z}。

2.根据权利要求1所述的基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，其特征在于，

所述基于矢量索引比特对第三数据块I_SIB进行处理，选择天线索引矢量和矢量组，包括：

将所述第三数据块I_SIB分为三个子数据块I_A、I_B、I_V；

将所述子数据块I_A转换成十进制数并加1，得到矢量索引号κ,κ∈{1,…,N_A}；

根据所述索引号κ，从预设的天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量V_κ，其是一个TX1×1维矢量且有2或3个等于“1”的非零元素，其中，矢量集

式中，A表示预设的天线索引矢量集，N_A表示A矢量集中的矢量数目，Γ表示总的天线索引矢量集。

3.根据权利要求2所述的基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，其特征在于，

在星座变换器中，用于调制对应的星座符号

的天线索引矢量集Γ为：

将子数据块I_B转换成十进制数并加1，得到矢量索引号ξ,ξ∈{1,…,N_B}；

根据索引号ξ，从预设的正交天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量

其是一个TX2×1维矢量且有τ个等于“1”的非零元素，其中，

来自TX2×TX2维单位矩阵的列矢量，N_B＝TX2；

注意，上述的TX1<N_t和TX2<N_t且有TX1+TX2＝N_t。

4.根据权利要求3所述的基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，其特征在于，

通过所述得到的索引号κ反馈到所述星座变换器，从所述天线索引矢量集Γ中确定和调制星座符号

所述天线索引矢量V_κ调制星座符号

得到一个空间矢量S_κ；

天线索引矢量

调制来自传统星座的τ个星座符号

得到一个空间矢量

由上述得到两个空间矢量S_κ和

通过矢量组合之后，则一个发射空间矢量为

将子数据块I_V从两个矢量{V⁰,V¹}中选择一个矢量。

5.根据权利要求3所述的基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，其特征在于，

基于天线索引矢量将星座符号映射到激活的发射天线上，得到发射空间矢量，包括：

根据天线索引矢量V_κ和

中非零元素的索引，激活它们对应索引的发射天线，将星座符号映射到激活的发射天线上，并进行发射。

6.根据权利要求5所述的基于星座图和天线联合的索引矢量调制方法，其特征在于，

所述基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息，包括：

最大似然算法的计算公式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

表示估计检测的天线索引矢量的索引号，

表示估计检测的矢量索引信息比特，

表示一个接收矢量信号，

表示一个归一化的发射空间矢量信号，

表示一个瑞丽衰落信道矩阵，

表示3D星座点的调制阶数，

表示2D星座点的调制阶数。

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