CN113472399B - 一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统及调制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统及调制方法，包括发射端模块、信道模块和接收端模块；发射端模块、信道模块和接收端模块依次连接；发射端模块用于将每个时隙的信息比特通过星座调制后的信息发送；信道模块用于发射端的信息将经过无线信道模块进行信息的传输；接收端模块用于将从无线信道中接收到的信息通过检测算法进行的信息恢复。本发明通过激活所有发射天线且使用不同功率模式的星座调制方案，在提高系统频谱效率的前提下，尽可能的降低系统的性能损失。与相同频谱效率下的广义空间调制系统相比，该系统有较大的信噪比增益。与相同频谱效率下的MIMO系统相比，该系统也可以获得较好的性能。

Description

一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统及调制方法
技术领域
本发明属于天线空域资源调制技术领域，特别涉及一种基于双模索引来辅助广义空间 调制系统及调制方法。
背景技术
随着移动通信技术的发展，5G时代即将到来，大规模多输入多输出(Multiple-Input- Multiple-Output，MIMO)技术作为5G移动蜂窝网络的关键技术之一，该技术通过在收 发端设置多根天线，在不增加系统带宽与发射功率的前提下，利用空域资源有效提高系统 容量。然而在采用大规模MIMO技术的5G系统中，配置在同一基站的上百根天线之间 的信道间干扰、天线间同步、多射频等问题会制约传输性能。为了降低干扰和降低射频链 路的数量，传递部分消息的索引调制技术被提出，根据应用场景分为频域索引和空域索引。
频域索引的代表之一为正交频分索引调制(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing Index Modulation，OFDM-IM)系统。为了提高OFDM-IM系统的传输速率， WenM等人提出了一种基于索引调制的双模OFDM(Dual Mode OFDM-IM，DM-OFDM) 系统。随后大量的学者对DM-OFDM系统的接收端检测算法进行了研究，Mao T等人使 用了ML算法对每一个子块所有的子载波组合以及每一种组合对应的所有星座点的组合 进行搜索，联合估计出子载波序号和星座符号，但复杂度随子载波组合数和调制阶数的乘 积呈指数增长。
空域索引代表之一为空间调制(Spatial Modulation，SM)，该系统在每个时隙仅激 活一根天线，输入的信息比特一部分用于确定激活天线的索引序号，其余比特用于星座图 调制。SM系统利用天线索引来隐性传输信息，但是该系统要想实现同MIMO系统相同 的频谱效率，发射天线数量将远远大于MIMO系统。为了提高频谱效率，广义空间调制(Generalized Spatial Modulation，GSM)系统被提出，该系统在每个时隙激活至少两根以上的天线用来同时传输数据符号，此外激活的天线索引组合序号也携带一部分的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统，以解决上述问 题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统，包括发射端模块、信道模块和接收端模 块；发射端模块、信道模块和接收端模块依次连接；发射端模块用于将每个时隙的信息比 特通过星座调制后的信息发送；信道模块用于发射端的信息将经过无线信道模块进行信息 的传输；接收端模块用于将从无线信道中接收到的信息通过检测算法进行的信息恢复。
进一步的，发射端模块为若干根发射天线、索引选择器和星座调制器；发射天线分别 连接索引选择器和星座调制器。
进一步的，发射天线发射的比特的数据分为两部分，分别为连接索引选择器的索引比 特和连接星座调制器的星座调制比特，其中索引比特被送入索引选择器中，利用索引选择 器将所有的发射天线分为两个天线子集，两个天线子集中天线为分别采用两个模式进行星 座调制；剩余的星座调制比特将被分别送入两个模式进行星座调制。
进一步的，信道模块为平坦瑞利衰落相关信道；采用ML最优检测算法来联合检测出 所有的天线子集对和对应的星座调制符号对。
进一步的，一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统，包括以下步骤：
步骤1，计算每个时隙所需的索引比特m1、星座调制比特m2和系统发送的总比特m；
步骤2，每个时隙发射天线已经发送了m比特信息，该信息经过无线信道模块后，接收端接收到的向量y；
步骤3，在接收端模块中对接收到的信息进行检测与解调，采用ML算法来联合检测出所有的天线子集对和对应的星座调制符号对。
进一步的，步骤1具体为：
索引比特m1、星座调制比特m2和系统发送的总比特m：
m2＝klog2(MA)+(nt-k)log2(MB)
m＝m1+m2
其中nt和nr分别为发射天线和接收天线数目；k为使用A模式进行星座调制的天线数目，剩下的(nt-k)根天线使用B模式进行星座调制；
假设x是该系统发射天线组成的矩阵列向量，则x是nt×1维的发送信号，在 x＝[x(1),x(2),...,x(nt)]T中，x(i),i＝1,2,...,nt表示第i根发射天线发送的符号，其中x(i)为
其中表示第i根发射天线发送的是A星座模式调制后的符号；/>表示第i根发射天线发送的是B星座模式调制后的符号。
进一步的，步骤2具体为：
接收端接收到的向量y为
y＝Hx+n
其中y的维度为nr×1，矩阵向量同GSM一样，将H写为
其中在nr×nt维的中，/>表示H的第i行；hij表示发射天线到接收天线的信道增益；[·]T代表矩阵的转置；n为nr×1维的高斯白噪声， 均值为0，方差为σ2。
进一步的，步骤3具体为：
采用ML算法来联合检测出所有的天线子集对和对应的星座调制符号对目标函数为
其中表示选取IA集合中的第i个天线子集IA对应的接收向量y的第r行，表示选取IA集合中的第i个天线子集IA中对应的信道矩阵H中数据的第r列，表示选取IA集合中的第i个天线子集IA对应的发送符号x中的第r行；/>表示选取IB集合中的第i个天线子集IB对应的接收向量y的第q行，/>表示选取 IB集合中的第i个天线子集IB中对应的信道矩阵H中数据的第q列，/>表示选取 IB集合中的第i个天线子集IB对应的发送符号x中的第q行。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明提出了一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统，通过激活所有发射天线 且使用不同功率模式的星座调制方案，在提高系统频谱效率的前提下，尽可能的降低系统 的性能损失。与相同频谱效率下的广义空间调制系统相比，该系统有较大的信噪比增益。 与相同频谱效率下的MIMO系统相比，该系统也可以获得较好的性能。
本发明在相同频谱效率下，广义空间调制系统需要更高阶的星座调制方式，星座图 中相邻星座点间的欧氏距离变小，广义空间调制系统的性能差于基于双模索引辅助广义调 制系统。
本发明在基于双模索引来辅助广义调制系统中，必须保证不同星座模式的功率不同。 在总功率不变的情况下，通过不断的调整A星座模式与B星座模式间的功率比来获得在不同配置下基于双模索引辅助广义调制系统的最佳方案，以此达到提升系统性能的要求。
综上所述，本发明针对GSM系统在每个时隙仅激活部分天线，其余天线保持静默，从而造成系统传输速率低的问题以及激活所有天线来提高系统传输速率而造成的接收端难以恢复发送信号的问题，发明了双模GSM(Dual Modulation GSM，DM-GSM)系统。 该系统利用索引比特将所有发射天线分为两组，两组索引子集中的发射天线发送的符号分 别使用可分辨的星座调制模式进行调制。在传输速率一致情况下，本系统使用更加稀疏的 双模星座模式，故在接收端使用ML检测算法可以成功检测出所有发射天线发送的符号， 使得系统的性能得到提升。
附图说明
图1为本发明的发射接收结构框图；
图2为本发明给出了分配不同功率比且使用A模式进行调制的天线数为1的 DM-GSM的性能仿真图。其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为 误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真；
图3为本发明在平均符号能量一致且在图2获得的最佳功率比下的双种模式星座图。
图4为本发明与给出了GSM和MIMO在发送相同比特数情况下的误码率仿真图， 其中，横坐标为发射角度扩展，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真；
图5为本发明给出了分配不同功率比且使用A模式进行调制的天线数为2的 DM-GSM的性能仿真图。其中，横坐标为接收天线处的平均符号信噪比SNR，纵坐标为 误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真；
图6为本发明与给出了GSM和MIMO在发送相同比特数情况下的误码率仿真图， 其中，横坐标为发射角度扩展，纵坐标为误码率BER，采用蒙特卡罗算法仿真。
具体实施方式
本发明提供了一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统，该系统利用索引比特将所 有发射天线分为两组，两组索引子集中的发射天线发送的符号分别使用可分辨的星座调制 模式进行调制，在传输速率一致情况下，本系统使用更加稀疏的双模星座模式，故在接收 端使用ML检测算法可以成功检测出所有发射天线发送的符号，使得系统的性能得到提升。
请参阅图1，输入的m比特的数据首先分为两部分，分别对应索引比特m1和星座调制比特m2，其中索引比特m1将被送入索引选择器中，利用索引选择器将所有的发射天线 分为IA和IB天线子集。其中IA子集中天线为采用A模式进行星座调制，IB集合中的天线 采用B模式进行星座调制。根据IA与IB天线子集，剩余的星座调制比特m2将被分别送 入A模式与B模式的星座调制器进行调制，此时得到星座点子集为Ω和Φ。
图1中配置了nt根发射天线，nr根接收天线。从nt中选择出k根天线使用A模式进 行星座调制，剩下的(nt-k)根天线使用B模式进行星座调制
信道为平坦瑞利衰落相关信道，接收端有理想的信道估计和同步接收，接收信号为：
y＝Hx+n
其中，x为nt×1维的发射信号向量；假设x＝[x(1),x(2),...,x(nt)]T中，x(i),i＝1,2,...,nt表 示第i根发射天线发送的符号，其中x(i)为
H为nr×nt维的信道矩阵；n为nr×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ2；y为nr×1维的接收信号向量。
在所提的系统中，必须保证发射端的A星座模式与B星座模式有不同的功率，即否则在接收端将难以分辨，造成系统性能损失。在接收端，采用ML最优检 测算法来联合检测出所有的天线子集对/>和对应的星座调制符号对/>目标函数 为
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的 附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本 发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施 例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的 实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实 施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，给出了分配不同功率比且使用A模式进行调制的天线数为1的本发明系 统的性能仿真图。由图2可以看出，随着功率比的增大，DM-GSM系统的性能逐渐提升。 在相同误码率下，Rp＝3与Rp＝1.5相比，获得约2dB的增益，这是由于Rp＝3时，B模式 的星座符号的功率为A模式星座功率的3倍，对于使用A模式进行调制的天线数目仅为 1的DM-GSM系统来说，其余3根发射天线发送的均是大功率的星座符号，该系统发射 的大功率信号占发送总符号的75％，在接收端采用最大似然检测算法，可以准确检测出 大功率发送的符号，从而达到提升系统性能的目的。但是当Rp＝3.5时，系统性能骤降， 这是由于发射总功率一定，当B星座模式的发射功率越大时，意味着A星座模式的发射 功率就越小，这也造成在接收端误码的概率就越大，因此要合理的分配功率比，使得系统 的性能最优。
请参阅图3，给出了在本发明系统与GSM系统每个时隙发送的比特数、发射功率、发射天线、接收天线和星座图的平均能量均相同情况且双星座模式的功率分配为 Rp＝Ph/Pl＝3下，本发明的双模星座图。通过对本发明系统的误码率分析可知，在星座图的 平均能量保持不变的情况下，增加星座点，则星座点间的欧氏距离变小，进而导致误码率 上升，所以低阶星座图比高阶更具可靠性。由图3可知，本发明系统使用的星座模式中的 星座点间的最小欧式距离大于16QAM的星座模式，故在发射相同比特数的前提下，本发 明系统的性能优于GSM系统。
请参阅图4，给出了本发明系统、GSM和MIMO在发送相同比特数情况下的误码率 仿真图，GSM和本发明系统仿真参数为nt＝nr＝4，np＝1，BPSK调制。MIMO的仿真参数 为nt＝nr＝3，QPSK调制。由图4可以看出，本发明系统的性能优于GSM系统和MIMO 系统，这是由于在发射相同比特数的情况下，GSM和MIMO系统需要高阶的调制方式， 故星座点间的最小欧式距离小，导致系统性能差。而本发明系统的天线索引携带额外的信 息，且每个发射天线均发射信息，故需要的双模星座调制阶数小。由于双模星座模式发送 功率不同，故在接收端可以成功检测出发送的信息。在误码率为10-3时，本发明系统相比 MIMO系统性能提升约2dB，相比GSM系统性能提升约4dB。
请参阅图5，给出了分配不同功率比且使用A模式进行调制的天线数为2的本发明系统的性能仿真图。在误码率为10-4时，Rp＝1.6的系统性能相比于Rp＝1.2的系统性能将损失约1.5dB的信道增益，与Rp＝1.4的系统的性能相比将损失约0.5dB的信道增益。由 于在DM-GSM系统中采用高功率与低功率的两种双种模式进行调制的符号均占所有发射 天线发送符号的50％，故系统的功率分配比与图3相比会大幅度降低，且随着功率分配 比的增大，DM-GSM系统的性能逐渐在改善，这也是高功率与低功率的不断均衡的结果。 但是在功率分配比为1.8和2时，DM-GSM系统的性能急剧下降，在误码率为10-4时， Rp＝1.6的DM-GSM系统性能相比于Rp＝1.8的DM-GSM系统性能将获得约1dB的信道增 益，与Rp＝2的DM-GSM系统性能将获得约3dB的信道增益，这是由于在Rp＝1.8与Rp＝2 的情况下，采用A种星座模式的功率太大，在总功率一致的情况下，采用B种星座模式 的功率过小。对于4选2的DM-GSM系统来讲，高功率信号与低功率信号均占总发射天 线符号的一半，故必须要考虑低功率信号在接收端的恢复情况，过高的功率分配比将造成 低功率信号在接收端误码的概率就越大，系统的性能也将降低。
请参阅图6，给出了发射相同比特数的情况下的GSM、本发明系统和MIMO的误码 率仿真图。其中GSM的参数配置为nt＝nr＝4,np＝2,16QAM调制，其中GSM系统中激活天 线均发送相同的信息。本发明系统参数配置为nt＝nr＝4,np＝2,BPSK调制。MIMO系统的仿 真参数为nt＝nr＝3，QPSK调制。由图6可以看出，本发明系统的性能优于GSM系统和 MIMO系统，这也是由于星座点间欧氏距离决定的。从图6可以看出激活两根发射天线 发送相同信息的GSM系统性能同图5的GSM系统相比，二者的性能几乎相同，这主要 因为激活的发射天线数目增加，故天线间有干扰造成系统性能的损失，其次两根发射天线 均发送相同信息的数目，在接收端更加容易检测成功，故两种GSM系统的性能几乎相同。 在误码率为10-3时，本发明系统相比MIMO系统性能提升约1dB，相比GSM系统性能提 升约4dB，其中本发明系统与MIMO系统相比提升系统的性能将略低于图5，这主要是因 为本次仿真中，本发明系统中的高功率信号与低功率信号均占总发射天线符号的一半，虽 然已经调整的最佳的功率分配比，但该系统在接收端进行信号检测相比4选1的本发明系 统的难度较大，故本发明系统的性能有所损失。
由于接收端在恢复发送信号时，需要估计出天线序号和调制符号两部分，基于一致界 的理论分析方法，系统的误码率理论上界可以表示为：
其中M代表空间调制系统的星座图调制阶数，Nt代表该系统的发射天线数目，表示向量xn.l与/>对应比特串之间对应的汉明距离，/>为系统的成 对差错概率(Pairwise Error Probability,PEP)表示发送端发送信号向量为xn.l而将其错误 的估计为/>的概率。在已知的信道条件下,采用ML检测算法的PEP可以表示为
其中Q(·)表示高斯函数，定义为
接收端需要估计出天线序号和调制符号两部分，系统的误码率理论上界可以表示为
由上述公式可以看出系统主要取决于不同星座符号的欧氏距离，还取决于不同符号之 间的汉明距离，而汉明距离只受到比特到星座图之间的映射方式的影响。
在基于双模索引来辅助广义调制系统的设计中使用了格雷码映射，故和 />均为常数，该系统只受不同星座符号间的欧氏距离的影响。
综上所述，本发明系统的性能效果优以下几点
1、在相同频谱效率下，广义空间调制系统需要更高阶的星座调制方式，星座图中相 邻星座点间的欧氏距离变小，广义空间调制系统的性能差于基于双模索引辅助广义调制系 统。
2、在基于双模索引辅助广义调制系统中，必须保证不同星座模式的功率不同。在总 功率不变的情况下，通过不断的调整A星座模式与B星座模式间的功率比来获得在不同配置下基于双模索引辅助广义调制系统的最佳方案，以此达到提升系统性能的要求。
综上所述，本发明针对GSM系统在每个时隙仅激活部分天线，其余天线保持静默，从而造成系统传输速率低的问题以及激活所有天线来提高系统传输速率而造成的接收端难以恢复发送信号的问题，发明了双模GSM(Dual Modulation GSM，DM-GSM)系统。 该系统利用索引比特将所有发射天线分为两组，两组索引子集中的发射天线发送的符号分 别使用可分辨的星座调制模式进行调制。在传输速率一致情况下，本系统使用更加稀疏的 双模星座模式，故在接收端使用ML检测算法可以成功检测出所有发射天线发送的符号， 使得系统的性能得到提升。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照 本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的 保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双模索引来辅助广义空间调制方法，其特征在于，基于一种基于双模索引来辅助广义空间调制系统，包括发射端模块、信道模块和接收端模块；发射端模块、信道模块和接收端模块依次连接；发射端模块用于将每个时隙的信息比特通过星座调制后的信息发送；信道模块用于发射端的信息将经过无线信道模块进行信息的传输；接收端模块用于将从无线信道中接收到的信息通过检测算法进行的信息恢复；
发射端模块为若干根发射天线、索引选择器和星座调制器；发射天线分别连接索引选择器和星座调制器；
所有发射天线发射的比特的数据分为两部分，分别为连接索引选择器的索引比特m1和连接星座调制器的星座调制比特m2，其中索引比特被送入索引选择器中，利用索引选择器将所有的发射天线分为两个天线子集，其中一个天线子集中的天线采用A模式进行星座调制，另一个天线子集中的天线采用B模式进行星座调制；剩余的星座调制比特被分为两个部分，其中一部分采用A模式进行星座调制，另一部分采用B模式进行星座调制；且A模式和B模式的总功率不变、A模式的功率与B模式的功率不同；
信道模块为平坦瑞利衰落相关信道；采用ML最优检测算法来联合检测出所有的天线子集对和对应的星座调制符号对；
包括以下步骤：
步骤1，计算每个时隙所需的索引比特m1、星座调制比特m2和系统发送的总比特m；
步骤2，每个时隙发射天线已经发送了m比特信息，该信息经过无线信道模块后，接收端接收到的向量y；
步骤3，在接收端模块中对接收到的信息进行检测与解调，采用ML算法来联合检测出所有的天线子集对和对应的星座调制符号对；
步骤1具体为：
索引比特m1、星座调制比特m2和系统发送的总比特m：
m2＝klog2(MA)+(nt-k)log2(MB)
m＝m1+m2
其中nt和nr分别为发射天线和接收天线数目；k为使用A模式进行星座调制的天线数目，剩下的(nt-k)根天线使用B模式进行星座调制；
假设x是该系统发射天线组成的矩阵列向量，则x是nt×1维的发送信号，在x＝[x(1),x(2),...,x(nt)]T中，x(i),i＝1,2,...,nt表示第i根发射天线发送的符号，其中x(i)为
其中表示第i根发射天线发送的是A星座模式调制后的符号；/>表示第i根发射天线发送的是B星座模式调制后的符号；
步骤2具体为：
接收端接收到的向量y为
y＝Hx+n，
其中y的维度为nr×1，矩阵向量同GSM一样，将H写为
其中在nr×nt维的中，/>表示H的第i行；hi,j表示发射天线到接收天线的信道增益；[·]T代表矩阵的转置；n为nr×1维的高斯白噪声，均值为0，方差为σ2；
步骤3具体为：
采用ML算法来联合检测出所有的天线子集对和对应的星座调制符号对/>目标函数为
其中表示选取IA集合中的第i个天线子集IA对应的接收向量y的第r行，/>表示选取IA集合中的第i个天线子集IA中对应的信道矩阵H中数据的第r列，/>表示选取IA集合中的第i个天线子集IA对应的发送符号x中的第r行；/>表示选取IB集合中的第i个天线子集IB对应的接收向量y的第q行，/>表示选取IB集合中的第i个天线子集IB中对应的信道矩阵H中数据的第q列，/>表示选取IB集合中的第i个天线子集IB对应的发送符号x中的第q行。
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