CN113541754A - 一种发射天线的空间域传输性能调制系统、方法及应用 - Google Patents

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CN113541754A CN202010285374.8A CN202010285374A CN113541754A CN 113541754 A CN113541754 A CN 113541754A CN 202010285374 A CN202010285374 A CN 202010285374A CN 113541754 A CN113541754 A CN 113541754A
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种发射天线的空间域传输性能调制系统、方法及应用，比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；三维符号调制器将一个数据块比特数映射到一个三维调制符号；同相天线索引选择器利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，由所选的天线索引向量激活的两根天线传输三维调制符号中两个分量，得到一个发射空间向量的实部；正交天线索引选择器利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，由所选择的天线索引向量激活的一根天线传输三维调制符号中一个分量，得到一个发射空间向量的虚部；在接收端中对一个接收空间信号向量进行计算并检测。本发明能够获得更好误比特性能。

Description

一种发射天线的空间域传输性能调制系统、方法及应用
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种发射天线的空间域传输性能调制系统、方法及应用。
背景技术
目前，最近的现有技术：空间域索引调制技术，如：空间调制(SM)和正交空间调制(QSM)，通过挖掘空间域激活发射天线来传输额外信息，备受研究人员的关注。目的之一是在有限的发射天线提高通信系统的频谱效率。为了挖掘来自发射天线中空间域的潜在增益。在多输入多输出(MIMO)系统中，基于SM的索引调制技术，提出了改进的多种广义空间调制(GSM)方案。与SM方案相比，它们不仅解决了单天线线路的限制，而且能够传输更多额外比特数。一方面，GSM方案在一个时隙中允许多根发射天线同时被激活并发射相同的正交幅度调制或相移调制(QAM/PSK)符号，用于实现空间分集增益。然而，GSM方案在一个时隙中允许多根激活的发射天线同时被激活并发射不同的QAM/PSK符号，用于增强高频谱效率和实现空间复用增益。另一方面，利用QSM的索引调制技术，双重空间调制(DSM)借助于一个旋转角，直接叠加两个独立的SM传输矢量，实现高速数据传输。
在高信噪比(SNR)区域，平均误码率(BEP)主要由最坏成对误码率(PEP)决定。它对应于两两发射空间矢量(TSV)之间的平方最小欧氏距离(MED)的关键参数。近年来，为了挖掘信号星座域的潜在增益，人们对信号星座的优化设计(如，幅度/相位调制(APM)和星型正交幅度调制(S-QAM))进行了大量的研究。因此，通过增大两两TSV之间的平方MED，可以进一步提高SM系统的平均误比特性能。依赖于发射天线，研究人员对APM调制符号的同相分量和正交分量进行了优化，以增大两两TSV之间的平方MED。此外，增强型空间调制(ESM)在一个时隙内通过一根激活的发射天线传输一个传统QAM调制符号或者通过两根激活的发射天线传输两个次星座调制符号。其主要思想是考虑激活的发射天线数量与信号星座设计相结合，通过扩展激活发射天线的索引数目来增强额外信息比特的传输，并增大两两TSV之间的平方MED，以获得更好的误比特性能。但是现有技术的挖掘空间域和信号星座域，性能增益有限，无线通信的性能还有待提高。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的空间调制系统存在数据传输速率低，信号星座域的空间增益小。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种发射天线的空间域传输性能调制系统、方法及应用。
本发明是这样实现的，一种发射天线的空间域传输性能调制方法，所述发射天线的空间域传输性能调制方法包括以下步骤：
第一步，比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
第二步，三维符号调制器将一个数据块比特数映射到一个三维调制符号；
第三步，在一个同相天线索引选择器中，利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量；利用所选择的天线索引向量激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输所得的三维调制符号中两个分量，最终得到一个发射空间向量的实部；
第四步，在一个正交天线索引选择器中，利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量；利用所选择的天线索引向量激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输所得的三维调制符号中一个分量，得到一个发射空间向量的虚部；
第五步，所得的发射空间向量经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声后，在接收端中对一个接收空间信号向量进行计算并检测。
进一步，所述第一步具体包括：比特流分离器将一个输入的数据块B比特数分为三个数据块B1，B2，B3，其中数据块B1被用于映射成为一个三维信号星座点，数据块B2被用于从一个天线索引选择器A中选择一个索引向量，激活两根发射天线；数据块B3被用于从另一个天线索引选择器B中选择一个索引向量，激活一个发射天线。
进一步，所述第二步具体包括：三维符号调制器将一个数据块B1比特数映射到一个三维调制符号Sn(mx,my,mz)，Sn∈{S1,…,SN}，N表示三维星座图的星座点数量。
进一步，所述第三步具体包括：在一个同相天线索引选择器A中，利用一个数据块B2比特数选择一个天线索引向量κi，其中，κi∈κ，
Figure BDA0002448331460000031
α表示由两根天线组合的所有可能的天线索引集合，
Figure BDA0002448331460000032
利用所选择的天线索引向量κi激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输所得的三维调制符号中两个分量mx，my；得到一个发射空间向量的实部，比如：
Figure BDA0002448331460000033
向量实部中有2个非零元素值，且非零元素在发射空间向量实部中所处的位置对应于天线索引向量κi激活的两根发射天线所在的位置。
进一步，所述第四步具体包括：在一个正交天线索引选择器B中，利用一个数据块B3比特数来选择一个天线索引向量el，el∈e，
Figure BDA0002448331460000034
其中，
Figure BDA0002448331460000035
是Nt×Nt维单位矩阵
Figure BDA0002448331460000037
的第l列元素；利用所选择的天线索引向量el来激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输所得的三维调制符号中一个分量mz；得到一个发射空间向量的虚部，比如：
Figure BDA0002448331460000036
在向量中仅有一个非零元素值，且该非零元素在发射空间向量虚部中所处的位置对应于天线索引号l所在的位置；
最后，得到发射空间向量为：
Figure BDA0002448331460000041
进一步，所述第五步具体包括：所得的发射空间向量S经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声后，可以计算为：
Figure BDA0002448331460000042
其中，
Figure BDA0002448331460000043
Eav是每个发射空间向量的平均能量，
Figure BDA0002448331460000044
是一个接收信号向量，瑞丽衰落信道矩阵
Figure BDA0002448331460000045
其每项元素服从独立同分布(i.i.d)的均值为0，方差为1的复值高斯随机变量；
Figure BDA0002448331460000046
其每项元素服从独立同分布(i.i.d)的均值为0，方差为
Figure BDA0002448331460000047
的加性高斯白噪声的高斯分布。
Figure BDA0002448331460000048
Figure BDA0002448331460000049
分别对应于由第i个天线索引向量引起的信道矩阵H中第ξ、ψ列向量，
Figure BDA00024483314600000412
对应于由第l个天线索引向量引起的信道矩阵H中第k列向量，
Figure BDA00024483314600000410
Figure BDA00024483314600000411
最后，利用最大似然算法对一个接收空间信号向量进行检测。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述发射天线的空间域传输性能调制方法的空间调制系统，所述发射天线的空间域传输性能调制系统包括：
比特流分离器，用于将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
三维符号调制器，用于将一个数据块比特数映射到一个三维调制符号；
同相天线索引选择器，用于利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，利用所选择的天线索引向量激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输三维调制符号中两个分量，得到一个发射空间向量的实部；
正交天线索引选择器，用于利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，利用所选择的天线索引向量激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输所得的三维调制符号中一个分量，得到一个发射空间向量的虚部。
本发明的另一目的在于提供一种所述发射天线的空间域传输性能调制系统在三维星座图设计中的应用，在三维星座图设计中的应用包括：
步骤一、由QAM调制符号的实部
Figure BDA0002448331460000051
与虚部
Figure BDA0002448331460000052
以及PAM调制符号sP，构成一个三维星座符号的六种情况：
Figure BDA0002448331460000053
步骤二、由得到发射空间向量
Figure BDA0002448331460000054
则两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离为：
Figure BDA0002448331460000055
其中，
Figure BDA0002448331460000056
Figure BDA0002448331460000057
步骤三、给定
Figure BDA0002448331460000058
Z表示整数域，通过步骤一的排序组合，构成传统的三维星座图(N-ary 3DCI)的信号Sn(mx,my,mz)，n∈{1,2,…,N}；
步骤四、根据步骤一、步骤二，两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离等于：
Figure BDA0002448331460000061
由于在三维调制符号中min{|mx|}＝min{|my|}＝min{|mz|}＝1，则
Figure BDA0002448331460000062
步骤五、为了最大化
Figure BDA0002448331460000063
利用QAM调制符号的实部
Figure BDA0002448331460000064
与虚部
Figure BDA0002448331460000065
和改进的PAM调制符号
Figure BDA0002448331460000066
设计一种用于三维空间调制系统的三维星座图
Figure BDA0002448331460000067
步骤六、根据步骤二分析，以及步骤五的三维星座符号中三个分量的设计，两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离等于：
Figure BDA0002448331460000068
其中，
Figure BDA0002448331460000069
Figure BDA00024483314600000610
或
Figure BDA00024483314600000611
或
Figure BDA00024483314600000612
步骤七、由步骤四、六分析，则有：
Figure BDA00024483314600000613
由于
Figure BDA00024483314600000614
结合步骤七，则改进的PAM调制符号
Figure BDA00024483314600000615
设计为：
Figure BDA00024483314600000616
步骤八、通过步骤一的排序组合，结合步骤七中改进的PAM调制符号
Figure BDA00024483314600000617
和QAM调制符号实部
Figure BDA00024483314600000618
与虚部
Figure BDA00024483314600000619
构成N-ary三维星座图N-ary 3DCII。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述发射天线的空间域传输性能调制方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的发射天线的空间域传输性能调制方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明目的在于提高空间调制系统的数据传输速率和无线通信传输的可靠性。为了进一步挖掘信号星座域的空间增益，也提出了一种用于该三维空间调制系统的三维星座图设计方法；与传统三维星座图相比，最大化了两两发射空间向量之间的平方最小欧式距离，最终获得更好的误比特性能。涉及空间调制(SM)技术和正交空间调制(QSM)技术，正交幅度调制/相位调制(QAM/PSK)技术，以及被传输的发射空间向量之间的平方最小欧式距离。
本发明是设计一种基于三维空间调制系统的星座图设计方法。首先设计一个三维空间调制系统，以及计算出两两发射空间向量之间的最小平方欧式距离。根据欧式距离特性分析，设计出一种适合三维空间调制系统的三维星座图。相对于传统的三维星座图，所设计的三维星座图更适用于三维空间调制系统，可以增大发射空间向量之间的最小平方欧式距离，提高无线通信系统的可靠性。
本发明三维星座图的设计可以根据三维空间调制系统的发射空间向量之间的欧式距离特性，设计一种比传统三维星座图具有更大的平方最小欧式距离，获得更好的传输系统性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的发射天线的空间域传输性能调制系统的结构示意图；
图中：1、比特流分离器；2、三维符号调制器；3、同相天线索引选择器；4、正交天线索引选择器；
图2是本发明实施例提供的发射天线的空间域传输性能调制方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的QIM-TDC的调制系统模型；
图4是本发明实施例提供的三维调制符号(3DCII)示意图；
图5是本发明实施例提供的QIM-TDC在相同收发天线数量和不同传输速率的仿真曲线图；
图中：(a)当Nr＝4时，4TX7b和4TX8b情况下；(b)当Nr＝4时，4TX10b和4TX11b情况下；
图6是本发明实施例提供的QIM-TDC在当Nr＝8时8TX12b的情况下的仿真曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种发射天线的空间域传输性能调制系统、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的发射天线的空间域传输性能调制系统包括：
比特流分离器1，用于将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
三维符号调制器2，用于将一个数据块比特数映射到一个三维调制符号；
同相天线索引选择器3，用于利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，利用所选择的天线索引向量激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输三维调制符号中两个分量，最终得到一个发射空间向量的实部；
正交天线索引选择器4，用于利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，利用所选择的天线索引向量激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输所得的三维调制符号中一个分量，最终得到一个发射空间向量的虚部。
如图2所示，本发明实施例提供的发射天线的空间域传输性能调制方法包括以下步骤：
S101：比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
S102：三维符号调制器将一个数据块比特数映射到一个三维调制符号；
S103：在一个同相天线索引选择器中，利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量；利用所选择的天线索引向量激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输所得的三维调制符号中两个分量，最终得到一个发射空间向量的实部；
S104：在一个正交天线索引选择器中，利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量；利用所选择的天线索引向量激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输所得的三维调制符号中一个分量，最终得到一个发射空间向量的虚部；
S105：所得的发射空间向量经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声后，在接收端中对一个接收空间信号向量进行计算并检测。
本发明实施例提供的发射天线的空间域传输性能调制方法包括以下步骤：
步骤一、一个比特流分离器将一个输入的数据块B比特数分为三个数据块B1，B2，B3，其中数据块B1被用于映射成为一个三维信号星座点，数据块B2被用于从一个天线索引选择器A中选择一个索引向量，其能够激活两根发射天线。数据块B3被用于从另一个天线索引选择器B中选择一个索引向量，其能够激活一个发射天线。
步骤二、一个三维符号调制器将一个数据块B1比特数映射到一个三维调制符号Sn(mx,my,mz)，Sn∈{S1,…,SN}，N表示三维星座图的星座点数量。
步骤三、在一个同相天线索引选择器A中，利用一个数据块B2比特数来选择一个天线索引向量κi，其中，κi∈κ，
Figure BDA0002448331460000091
α表示由两根天线组合的所有可能的天线索引集合，即
Figure BDA0002448331460000092
然后利用所选择的天线索引向量κi激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输由步骤二所得的三维调制符号中两个分量mx，my。最终得到一个发射空间向量的实部，比如：
Figure BDA0002448331460000093
注意，该向量实部中有2个非零元素值，且这些非零元素在发射空间向量实部中所处的位置对应于天线索引向量κi激活的两根发射天线所在的位置。
步骤四、在一个正交天线索引选择器B中，利用一个数据块B3比特数来选择一个天线索引向量el，el∈e，
Figure BDA0002448331460000101
其中，
Figure BDA0002448331460000102
是Nt×Nt维单位矩阵
Figure BDA0002448331460000103
的第l列元素。然后，利用所选择的天线索引向量el来激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输由步骤二所得的三维调制符号中一个分量mz。最终得到一个发射空间向量的虚部，比如：
Figure BDA0002448331460000104
注意，在该向量中仅有一个非零元素值，且该非零元素在发射空间向量虚部中所处的位置对应于天线索引号l所在的位置。
因此，从上述设计分析，发射空间向量可以描述为：
Figure BDA0002448331460000105
步骤五、所得的发射空间向量S经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声后，可以计算为：
Figure BDA0002448331460000106
其中，
Figure BDA0002448331460000107
Eav是每个发射空间向量的平均能量，
Figure BDA0002448331460000108
是一个接收信号向量。瑞丽衰落信道矩阵
Figure BDA0002448331460000109
其每项元素服从独立同分布(i.i.d)的均值为0，方差为1的复值高斯随机变量，
Figure BDA00024483314600001010
其每项元素服从独立同分布(i.i.d)的均值为0，方差为
Figure BDA00024483314600001011
的加性高斯白噪声的高斯分布。
Figure BDA00024483314600001012
Figure BDA00024483314600001013
分别对应于由第i个天线索引向量引起的信道矩阵H中第ξ、ψ列向量，
Figure BDA00024483314600001014
对应于由第l个天线索引向量引起的信道矩阵H中第l列向量，
Figure BDA00024483314600001015
Figure BDA00024483314600001016
最后，利用最大似然算法对一个接收空间信号向量进行检测。
其次，本发明提出一种用于三维空间调制系统的三维星座图设计方法，包括以下步骤：
步骤一、由QAM调制符号的实部
Figure BDA0002448331460000111
与虚部
Figure BDA0002448331460000112
以及PAM调制符号sP，可以构成一个三维星座符号的六种情况，如下：
Figure BDA0002448331460000113
步骤二、由发射空间向量
Figure BDA0002448331460000114
则两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离可以描述为：
Figure BDA0002448331460000115
其中，
Figure BDA0002448331460000116
Figure BDA0002448331460000117
步骤三、给定
Figure BDA0002448331460000118
Z表示整数域。通过步骤一的排序组合，可以构成传统的三维星座图(N-ary 3DCI)的信号Sn(mx,my,mz)，n∈{1,2,…,N}。
步骤四、根据步骤一、步骤二，两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离等于：
Figure BDA0002448331460000121
由于在传统的三维调制符号中min{|mx|}＝min{|my|}＝min{|mz|}＝1，则
Figure BDA0002448331460000122
步骤五、为了最大化
Figure BDA0002448331460000123
利用QAM调制符号的实部
Figure BDA0002448331460000124
与虚部
Figure BDA0002448331460000125
和改进的PAM调制符号
Figure BDA0002448331460000126
设计一种用于三维空间调制系统的三维星座图
Figure BDA0002448331460000127
步骤六、根据步骤二分析，以及步骤五的三维星座符号中三个分量的设计，两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离等于：
Figure BDA0002448331460000128
其中，
Figure BDA0002448331460000129
Figure BDA00024483314600001210
或
Figure BDA00024483314600001211
或
Figure BDA00024483314600001212
步骤七、由步骤四、六分析，则有：
Figure BDA00024483314600001213
由于
Figure BDA00024483314600001214
结合步骤七，则该改进的PAM调制符号
Figure BDA00024483314600001215
可以设计为：
Figure BDA00024483314600001216
步骤八、通过步骤一的排序组合，结合步骤七中式(8)和QAM调制符号实部
Figure BDA00024483314600001217
与虚部
Figure BDA00024483314600001218
可以构成N-ary的三维星座图(N-ary3DCII)。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1。
本发明实施例考虑一个有Nt根发射天线和Nr根接收天线的QIM-TDC系统模型，如图3所示。一个发射空间向量的调制过程如下：
首先一组比特流B比特数被送入比特分流器之后，分为三个数据块B1(log2(N))，
Figure BDA0002448331460000131
B3(log2Nt)，其中数据块B1被用于映射成为一个三维信号星座点，数据块B2被用于从一个天线索引选择器A中选择一个索引向量，其能够激活两根发射天线。数据块B3被用于从另一个天线索引选择器B中选择一个索引向量，其能够激活一个发射天线。
具体来说，在一个三维星座符号调制器，一个数据块B1(log2(N))通过调制器映射成一个调制阶数为N的三维调制符号S(mx,my,mz)。然后，为了使一个三维调制符号的三个分量在传输时互相不干扰。可以利用两个天线索引选择器遵循一定规则来传输这三个分量。映射规则如下：
步骤一、在一个同相天线索引选择器A里，当一个数据块B2比特数被输入该同相天线索引选择器时，利用比特--天线索引映射关系，将B2比特映射到一个天线索引向量κi，κi∈κ，
Figure BDA0002448331460000132
其中，κ∈α，α表示能激活两根发射天线的所有可能的天线索引集合，即
Figure BDA0002448331460000133
然后通过所选择的天线索引向量κi激活的两根发射天线分别传输一个三维调制符号S(mx,my,mz)中分量mx，my。最终形成一个空间向量，即发射空间向量的实部，如：
Figure BDA0002448331460000134
该向量实部中有两个非零元素值，且这些非零元素在发射空间向量实部中所处的位置对应于天线索引向量κi选择的两根发射天线所在的位置。
步骤二、在一个正交天线索引选择器B里，当一个数据块B3比特数被输入该正交天线索引选择器时，利用比特--天线索引映射关系，将log2Nt比特数映射到一个天线索引向量el，el∈e，
Figure BDA0002448331460000135
其中，
Figure BDA0002448331460000136
是Nt×Nt维单位矩阵
Figure BDA0002448331460000137
的第l列元素。然后通过所选择的天线索引向量el激活的一根发射天线传输一个三维调制符号S(mx,my,mz)中一个分量mz。最终形成一个空间向量，即发射空间向量的虚部，如：
Figure BDA0002448331460000141
在该向量中仅有一个非零元素值，且该非零元素在发射空间向量实部中所处的位置对应于天线索引向量el选择的一根发射天线所在的位置。
为了进一步理解映射规则，给出形成一个发射空间向量的例子。假设，Nt＝4，一个调制三维星座符号为S(mx,my,mz)，
Figure BDA0002448331460000142
比特数，κ＝{[1 0 1 0]T,[1 0 01]T,[0 1 1 0]T,[0 1 0 1]T}，e＝{e1,e2,e3,e4}，其中“0”，“1”分别表示对应的发射天线的开或关。如表1所示，形成发射空间向量的举例。
表1在QIM-TDC的发送端系统中，生成一个发射空间向量的比特与发射空间向量映射规则
Figure BDA0002448331460000143
实施例2。
在本发明实施例中，设计一个N-ary的三维星座图(N-ary 3DCII)。利用传统的QAM调制符号实部
Figure BDA0002448331460000144
与虚部
Figure BDA0002448331460000145
和三维星座图设计方法步骤七所得的改进的PAM调制符号
Figure BDA0002448331460000146
以及三维星座图设计方法步骤一的排列组合，可以构成N-ary 3DCII调制符号。
1、当
Figure BDA0002448331460000151
和
Figure BDA0002448331460000152
可以构成8,16-ary 3DCII调制符号，如图4所示。
2、当
Figure BDA0002448331460000153
和
Figure BDA0002448331460000154
可以构成更高阶的三维调制符号，如32,64-ary3DCII，如图4所示。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
本仿真实验为了进一步验证QIM-TDC调制系统的优势，在瑞利衰落信道与加性高斯噪声的干扰下，对QIM-TDC调制系统进行了蒙特卡洛仿真，并与其他MIMO空间调制系统(SM，QSM，ESM，DSM)相比较。假设接收端已知信道状态信息，发送端未知信道状态信息，发送功率遵循P＝1。
如图5(a)所示，描述了QIM-TDC，SM，QSM，ESM技术方案，基于接收天线数量为Nr＝4，以及4TX7b和4TX8b的情况下的BER性能比较。根据两两发射空间向量的平方MED分析，在4TX7B的情况下，当BER值为10-4时，与SM、QSM方案相比，采用8-3DCI的QIM-TDC方案比采用32QAM的SM方案上优于5dB信噪比增益，比采用8PSK的QSM优于约2.5dB信噪比增益。对于4TX8b的情况，采用16-3DCII的QIM-TDC的平方MED仅稍逊于采用16QAM的ESM的平方MED。理论上来说，增益之间存在小小的差距。如图5所示，在高信噪比区域，QIM-TDC方案略低于ESM方案。由此，由图5(a)可知，8-3DCI和16-3DCII三维星座是QIM-TDC技术方案的最佳候选。
如图5(b)所示，描述了QIM-TDC，SM，QSM，ESM技术方案，基于接收天线数量为Nr＝4，以及4TX10b和4TX11b情况下的BER性能比较。从图5(b)中观察到，基于64，128-3DCII的QIM-TDC都比其他技术方案的性能好，验证了理论推导的有效性。
如图6所示，描述了QIM-TDC，基于接收天线数量为Nr＝8和8TX12b的情况下的仿真曲线图，并与多个技术方案相比较，如：SM，QSM，DSM，ESM技术方案。从图6可以观察到，无论采用传统的三维星座图还是所提出的三维星座图的QIM-TDC技术方案，都比其他技术方案具有更好的无线通信性能。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发射天线的空间域传输性能调制方法，其特征在于，所述发射天线的空间域传输性能调制方法包括以下步骤：
第一步，比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
第二步，三维符号调制器将一个数据块比特数映射到一个三维调制符号；
第三步，在一个同相天线索引选择器中，利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量；利用所选择的天线索引向量激活发射天线中两根发射天线，由激活的两根发射天线分别传输所得的三维调制符号中两个分量，最终得到一个发射空间向量的实部；
第四步，在一个正交天线索引选择器中，利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量；利用所选择的天线索引向量激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输所得的三维调制符号中一个分量，得到一个发射空间向量的虚部；
第五步，所得的发射空间向量经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声后，在接收端中对一个接收空间信号向量进行计算并检测。
2.如权利要求1所述的发射天线的空间域传输性能调制方法，其特征在于，所述第一步具体包括：比特流分离器将一个输入的数据块B比特数分为三个数据块B1，B2，B3，其中数据块B1被用于映射成为一个三维信号星座点，数据块B2被用于从一个天线索引选择器A中选择一个索引向量，激活两根发射天线；数据块B3被用于从另一个天线索引选择器B中选择一个索引向量，激活一个发射天线。
3.如权利要求1所述的发射天线的空间域传输性能调制方法，其特征在于，所述第二步具体包括：三维符号调制器将一个数据块B1比特数映射到一个三维调制符号Sn(mx,my,mz)，Sn∈{S1,…,SN}，N表示三维星座图的星座点数量。
4.如权利要求1所述的发射天线的空间域传输性能调制方法，其特征在于，所述第三步具体包括：在一个同相天线索引选择器A中，利用一个数据块B2比特数选择一个天线索引向量κi，其中，κi∈κ，
Figure FDA0002448331450000011
α表示由两根天线组合的所有可能的天线索引集合，
Figure FDA0002448331450000021
利用所选择的天线索引向量κi激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输所得的三维调制符号中两个分量mx，my；得到一个发射空间向量的实部，比如：
Figure FDA0002448331450000022
向量实部中有2个非零元素值，且非零元素在发射空间向量实部中所处的位置对应于天线索引向量κi激活的两根发射天线所在的位置。
5.如权利要求1所述的发射天线的空间域传输性能调制方法，其特征在于，所述第四步具体包括：在一个正交天线索引选择器B中，利用一个数据块B3比特数来选择一个天线索引向量el，el∈e，
Figure FDA0002448331450000023
其中，
Figure FDA0002448331450000024
l＝1,2，…,Nt，是Nt×Nt维单位矩阵
Figure FDA0002448331450000025
的第l列元素；利用所选择的天线索引向量el来激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输所得的三维调制符号中一个分量mz；得到一个发射空间向量的虚部，比如：
Figure FDA0002448331450000026
在向量中仅有一个非零元素值，且该非零元素在发射空间向量虚部中所处的位置对应于天线索引号l所在的位置；
最后，得到的发射空间向量为：
Figure FDA0002448331450000027
6.如权利要求1所述的发射天线的空间域传输性能调制方法，其特征在于，所述第五步具体包括：所得的发射空间向量S经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声后，在接收端中可以计算为：
Figure FDA0002448331450000028
其中，
Figure FDA0002448331450000029
Eav是每个发射空间向量的平均能量，
Figure FDA00024483314500000210
是一个接收信号向量，瑞丽衰落信道矩阵
Figure FDA00024483314500000211
其每项元素服从独立同分布(i.i.d)的均值为0，方差为1的复值高斯随机变量；
Figure FDA0002448331450000031
其每项元素服从独立同分布(i.i.d)的均值为0，方差为
Figure FDA0002448331450000032
的加性高斯白噪声的高斯分布，
Figure FDA0002448331450000033
Figure FDA0002448331450000034
分别对应于由第i个天线索引向量引起的信道矩阵H中第ξ、ψ列向量，
Figure FDA0002448331450000035
对应于由第l个天线索引向量引起的信道矩阵H中第l列向量，
Figure FDA0002448331450000036
Figure FDA0002448331450000037
最后，利用最大似然算法对一个接收空间信号向量进行检测。
7.一种实施权利要求1～6任意一项所述发射天线的空间域传输性能调制方法的空间调制系统，其特征在于，所述发射天线的空间域传输性能调制系统包括：
比特流分离器，用于将一个输入的数据块比特数分为三个数据块；
三维符号调制器，用于将一个数据块比特数映射到一个三维调制符号；
同相天线索引选择器，用于利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，利用所选择的天线索引向量激活发射天线中两根天线，由激活的两根发射天线分别传输三维调制符号中两个分量，得到一个发射空间向量的实部；
正交天线索引选择器，用于利用一个数据块比特数选择一个天线索引向量，利用所选择的天线索引向量激活一根发射天线，由激活的一根发射天线传输三维调制符号中一个分量，得到一个发射空间向量的虚部。
8.一种如权利要求7所述发射天线的空间域传输性能调制系统在三维星座图设计中的应用，其特征在于，在三维星座图设计中的应用包括：
步骤一、由QAM调制符号的实部
Figure FDA0002448331450000038
与虚部
Figure FDA0002448331450000039
以及PAM调制符号sP，构成一个三维星座符号的六种情况：
Figure FDA0002448331450000041
步骤二、由得到发射空间向量
Figure FDA0002448331450000042
则两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离为：
Figure FDA0002448331450000043
其中，
Figure FDA0002448331450000044
Figure FDA0002448331450000045
步骤三、给定
Figure FDA0002448331450000046
Z表示整数域，通过步骤一的排序组合，构成传统的三维星座图(N-ary 3DCI)的信号Sn(mx,my,mz)，n∈{1,2,…,N}；
步骤四、根据步骤一、步骤二，两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离等于：
Figure FDA0002448331450000051
由于在三维调制符号中min{|mx|}＝min{|my|}＝min{|mz|}＝1，则
Figure FDA0002448331450000052
步骤五、为了最大化
Figure FDA0002448331450000053
利用QAM调制符号的实部
Figure FDA0002448331450000054
与虚部
Figure FDA0002448331450000055
和改进的PAM调制符号
Figure FDA0002448331450000056
设计一种用于三维空间调制系统的三维星座图
Figure FDA0002448331450000057
步骤六、根据步骤二分析，以及步骤五的三维星座符号中三个分量的设计，两两发射空间向量之间的平方最小欧氏距离等于：
Figure FDA0002448331450000058
其中，
Figure FDA0002448331450000059
Figure FDA00024483314500000510
或
Figure FDA00024483314500000511
或
Figure FDA00024483314500000512
步骤七、由步骤四、六分析，则有：
Figure FDA00024483314500000513
由于
Figure FDA00024483314500000514
结合步骤七，则改进的PAM调制符号
Figure FDA00024483314500000515
设计为：
Figure FDA00024483314500000516
步骤八、通过步骤一的排序组合，结合步骤七中改进的PAM调制符号
Figure FDA00024483314500000517
和QAM调制符号实部
Figure FDA00024483314500000518
与虚部
Figure FDA00024483314500000519
构成N-ary三维星座图N-ary3DCII。
9.一种实现权利要求1～6任意一项所述发射天线的空间域传输性能调制方法的信息数据处理终端。
10.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1～6任意一项所述的发射天线的空间域传输性能调制方法。
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