CN113572507A - 一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法及系统，该方法包括：将一个输入的数据块比特数分为两个数据块；将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量；根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座；将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上；利用索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上。该系统为应用于上述方法的系统。通过使用本发明，与传统QAM星座相结合，基于相邻发射符号之间最小欧式距离理论设计次级QAM星座；利用QAM和次级QAM星座，拓展天线索引矢量的数目，使得发射信号时携带更多额外索引信息比特，从而提高频谱利用率和无线通信的可靠性。本发明可广泛应用于无线通信技术领域。

Description

一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法。

背景技术

通过挖掘空间调制(SM)方案中空间星座的维数，提出的正交空间调制(QSM)，不仅保留了SM方案的内在特性，而且比SM方案多提供了log₂(N_t)额外索引信息比特数。N_t为发射天线数量。另一方面，将星座符号与空间星座设计相结合，提出的增强型空间调制(ESM)、基于多索引调制的广义空间调制(GSM-MIM)和基于三维星座的正交索引调制(QIM-TDC)拓展了用于传输额外索引信息比特的天线索引矢量的数量，提高了数据传输速率和无线通信的可靠性。此外，SQSM进一步利用拓展空间星座的维数来实现数据传输速率的增长，以及基于空间星座设计的空间调制(SM-SC)挖掘出新的符号分组索引维度来实现更多额外索引信息比特数的传输，并通过设计多维星座来提高可靠性。

但是，SM、ESM、QSM、SQSM和QIM-TDC等方案的发射天线总数仅限于2的次幂关系。为了保留SM/QSM方案的内在特性和克服发射天线数量受限于2的次幂的缺点，本发明充分利用空闲天线资源，通过对天线索引矢量的进一步挖掘来实现数据传输速率的提高，但是目前没有一种有效的针对于天线索引矢量的扩展方法，从而导致无法有效的提高数据传输速率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于天线索引矢量拓展的空间调制(EISM)方法，与激活天线组合相结合，利用两个不同星座扩展天线索引矢量的数量，以致传输更多额外天线索引信息比特，提高数据传输速率。

本发明所采用的第一技术方案是：一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，包括以下步骤：

S1、基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块；

S2、基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量；

S3、基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座；

S4、基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到星座符号；

S5、基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号。

进一步，所述基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块这一步骤，其具体包括：

比特流分离器将一个输入的比特数为m的数据块分为两个数据块，得到第一数据块I_A和第二数据块I_M；

所述第一数据块I_A，含log₂(N_A)比特数，被用于从一个天线索引矢量集Ω中选择一个索引矢量；

所述第二数据块I_M，含log₂(L)比特数，被用于映射成为一个QAM或次级QAM星座符号。

进一步，所述基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量这一步骤，其具体包括：

基于天线索引矢量选择器将第一数据块I_A进行二进制转换成十进制的计算，并加1，映射得到一个矢量索引号i,i∈{1,…,N_A}；

根据矢量索引，从天线索引矢量集

中选择该矢量索引号对应的天线索引矢量V_i。其中，

|Ω₁|＝α+β，|Ω₂|＝α+β分别是天线索引矢量子集Ω₁和Ω₂的数量，

进一步，所述基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座这一步骤，其具体包括：

判断到i≤α+β，第二数据块I_M被映射成QAM星座中某个星座点s；

判断到i＞α+β，第二数据块I_M被映射成次级QAM星座中某个星座点

进一步，所述基于天线索引矢量选择器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号这一步骤，其具体包括：

上式中，

表示实部，

表示虚部。

进一步，所述基于空间矢量选择器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号这一步骤，其具体包括：

当所选的索引矢量V_i含有一个等于“1”的非零元素时，将星座符号

调制到激活的那根发射天线上，形成一个发射符号S；

当所选的索引矢量V_i含有两个非零元素(δ₁,δ₂)∈{(1,1),(1,j),(j,1),(j,j)}时，将星座符号

的实部与虚部值分别调制到激活的两根发射天线上，形成一个发射矢量符号S。

进一步，还包括将天线索引矢量进行索引拓展，具体步骤如下：

S6、基于相邻发射符号之间最小欧式距离理论，设计新的次级QAM星座；

S7、根据QAM和次级QAM星座设计拓展天线索引矢量集中天线索引矢量；

S8、基于接收端接收经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声之后的发射矢量信号并对该发射矢量信号进行检测。

进一步，所述经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声之后的发射矢量信号的表达式为：

上式中，

是一个接收发射矢量符号，

为发射矢量信号S的归一化，N_r×N_t维信道矩阵

为瑞丽衰落，其服从基于CN(0,1)的独立同分布的复值高斯随机变量；

其服从基于

的独立同分布的加性高斯白噪声。

进一步，在接收端采用最大似然算法，所述对该发射矢量信号进行检测，具体为对一个接收发射矢量符号进行检测，其表达式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

分别表示检测得到的天线索引矢量索引比特和星座点映射比特。

本发明所采用的第二技术方案是：一种基于天线索引矢量拓展的空间调制系统，包括以下模块：

数据块分离模块，基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块；

矢量选择模块，基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量；

星座选择模块，基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座；

映射模块，基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号；

调制模块，基于空间矢量映射器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号。

本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过挖掘天线索引域，设计一个天线索引矢量集，进一步拓展天线索引矢量的数目，以致发射矢量信号时携带更多额外索引信息比特，从而提高频谱利用率，此外，还设计了一种次级QAM星座图，与传统的空间调制系统(如：QSM、SQSM)相比，增强了相邻发射矢量符号之间的平方最小欧式距离，提高无线通信系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明具体实施例一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法的步骤流程图；

图2是本发明具体实施例一种基于天线索引矢量拓展的空间调制系统的结构框图；

图3是本发明具体实施例系统模型；

图4是一个混合星座(16-QAM和16-ary次级QAM)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1和图3，本发明提供了一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，该方法包括以下步骤：

S1、基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块；

S2、基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量；

S3、基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座；

S4、基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号；

S5、基于空间矢量映射器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号。

进一步作为本方法的优选实施例，所述基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块这一步骤，其具体包括：

比特流分离器将一个输入比特数为m的数据块分为两个数据块，得到第一数据块I_A和第二数据块I_M；

所述第一数据块I_A，含log₂(N_A)比特数，被用于从一个天线索引矢量集Ω中选择一个索引矢量；

所述第二数据块I_M，含log₂(L)比特数，被用于映射成为一个QAM或次级QAM星座符号。

进一步作为本方法优选实施例，所述基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量这一步骤，其具体包括：

基于天线索引矢量选择器将第一数据块I_A进行二进制转换成十进制的计算，并加1，得到一个矢量索引号i,i∈{1,…,N_A}；

根据矢量索引，从天线索引矢量集

中选择该矢量索引号对应的天线索引矢量V_i。其中，

|Ω₁|＝α+β，|Ω₂|＝α+β分别是天线索引矢量子集Ω₁和Ω₂的数量，

进一步作为本发明的优选实施例，所述基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座这一步骤，其具体包括：

判断到i≤α+β，第二数据块I_M被映射成QAM星座中某个星座点s；

判断到i＞α+β，第二数据块I_M被映射成QAM星座中某个星座点

进一步作为本发明优选实施例，所述基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到星座符号的表达式如下：

上式中，

表示实部，

表示虚部。

进一步作为本发明优选实施例，所述基于空间矢量映射器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号这一步骤，其具体包括：

当所选的索引矢量V_i含有一个等于“1”的非零元素时，将星座符号

调制到激活的那根发射天线上，形成一个发射矢量符号S；

当索引矢量V_i含有两个非零元素(δ₁,δ₂)∈{(1,1),(1,j),(j,1),(j,j)}时，将星座符号

的实部与虚部值分别调制到激活的两根发射天线上，形成一个发射矢量符号S。

进一步作为本方法的优选实施例，还包括将天线索引矢量进行索引拓展，具体步骤如下：

S6、基于相邻发射符号之间最小欧式距离理论，设计新的次级QAM星座；

S7、根据QAM和次级QAM星座设计拓展天线索引矢量集中天线索引矢量；

S8、基于接收端接收经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声之后的发射矢量信号并对该发射矢量信号进行检测。

具体地，S601、所述步骤基于相邻发射符号之间最小欧式距离理论，其计算公式为：

S602、根据QSM方案的平方最小欧式距离的分析，

在保证QAM(次级QAM)星座符号之间

前提下，为增强最小欧式距离，需要满足混合星座之间

等于相邻发射矢量符号S之间

混合星座中星座点之间平方最小欧式距离

可以计算为：

式中，

因此，次级QAM星座可以设计为

如图4所示，16-ary次级QAM星座。

具体地，S701、所述步骤S2中的参数Ω，Ω∈Γ＝{Ω₁,Ω₂}，|Ω₁|＝α+β和|Ω₂|＝α+β。为了在拓展天线索引矢量的数量时增大相邻发射矢量符号之间平方最小欧式距离，天线索引矢量子集Ω₁中索引矢量用于调制传统QAM星座符号，天线索引矢量子集Ω₂中索引矢量用于调制次级QAM星座符号，则天线索引矢量集Γ可以设计为：

式中，Γ为含有所有天线索引矢量总集，其中天线索引矢量子集Ω₁中

个索引矢量

和子集Ω₂中

个索引矢量

含有一个非零元素，用于激活一根发射天线；子集Ω₁中

个索引矢量

和子集Ω₂中

个索引矢量

含有两个非零元素(δ₁,δ₂)∈{(1,1),(1,j),(j,1),(j,j)}，用于激活两根发射天线。

S702、上述步骤S2中的参数

天线索引矢量集Ω中所有索引矢量数量满足2的次幂关系。基于最小欧式距离的考虑，索引矢量子集Ω₁中α+β个索引矢量V₁,…,V_τ被考虑作为天线索引矢量集Ω中矢量元素，天线索引矢量子集Ω₂中部分索引矢量被考虑作为天线索引矢量集Ω中矢量元素。比如：N_t＝4，

为了满足N_A＝32，且天线索引矢量集Ω包括子集Ω₁中28个索引矢量和子集Ω₂中4个索引矢量。

S703、根据步骤S4和S5，天线索引矢量子集Ω₁和Ω₂中用于激活一根发射天线的索引矢量

和

含有一个等于“1”的非零元素,将一个星座符号

调制到激活的那根天线上。而用于激活两根发射天线的索引矢量

和

含有两个非零元素(δ₁,δ₂)，将一个星座符号

的实部

和虚部

值分别调制到激活的两根天线上。由此，天线索引矢量可以描述为：

上式中，k∈{1,2}，(δ₁,δ₂)∈{(1,1),(1,j),(j,1),(j,j)}，

注意，当k＝1时，δ₁＝1。

为一个N_t×1维的全零矢量，除了处于

位置上等于

值外，

为激活的发射天线的索引位置。

S704、根据步骤S703,得到天线索引矢量的表达式之后，则发射矢量符号S的表述形式可以表示为：

S705、根据步骤S704，由于发射功率遵循P＝1，因此发射符号S可以规一化为

E_av的表达式为：

上式中，

和

分别表示QAM星座和次级QAM星座中每个星座点的平均能量。

由于单个分量的星座点也有时被考虑作为次级QAM星座中星座点，例如：

如果在构造次级QAM星座时考虑采用星座符号

则发射矢量符号的形式可以表示为：

如果不考虑，发射矢量符号的构成形式为步骤703所述的发射矢量符号S的表述形式。

进一步作为本方法的优选实施例，所述经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声之后的发射矢量信号的表达式为：

上式中，

是一个接收发射矢量符号，

为发射矢量信号S的归一化，N_r×N_t维信道矩阵

为瑞丽衰落，其服从基于CN(0,1)的独立同分布的复值高斯随机变量；

其服从基于

的独立同分布的加性高斯白噪声。

进一步作为本方法优选实施例，所述对该发射矢量信号进行检测，具体为采用最大似然算法对一个接收发射矢量符号进行检测，其表达式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

分别表示检测得到的天线索引矢量索引比特和星座点映射比特。

如图2所示，一种基于天线索引矢量拓展的空间调制系统，包括以下模块：

数据块分离模块，基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块；

矢量选择模块，基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量；

星座选择模块，基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座；

映射模块，基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号；

调制模块，基于空间矢量映射器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号。

上述系统实施例中的内容均适用于本方法实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述系统实施例相同，并且达到的有益效果与上述系统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 (10)

1.一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块；

S2、基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量；

S3、基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座；

S4、基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号；

S5、基于空间矢量映射器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号。

2.根据权利要求1所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，所述基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块这一步骤，其具体包括：

比特流分离器将一个输入比特数为m的数据块分为两个数据块，得到第一数据块I_A和第二数据块I_M；

所述第一数据块I_A，含log₂(N_A)比特数，被用于从一个天线索引矢量集Ω中选择一个索引矢量；

所述第二数据块I_M，含log₂(L)比特数，被用于映射成为一个QAM或次级QAM星座符号。

3.根据权利要求2所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，所述基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量这一步骤，其具体包括：

基于天线索引矢量选择器将第一数据块I_A进行十进制计算，并加1，得到一个矢量索引号i,i∈{1,…,N_A}；

根据矢量索引，从天线索引矢量集

中选择该矢量索引号对应的天线索引矢量V_i。其中，

|Ω₁|＝α+β，|Ω₂|＝α+β分别是天线索引矢量子集Ω₁和Ω₂的数量，

4.根据权利要求3所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，所述基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座这一步骤，其具体包括：

判断到i≤α+β，第二数据块I_M被映射成QAM星座中某个星座点s；

判断到i＞α+β，第二数据块I_M被映射成次级QAM星座中某个星座点

5.根据权利要求4所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，所述基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号的表达式如下：

上式中，

表示实部，

表示虚部。

6.根据权利要求5所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，所述基于空间矢量映射器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号这一步骤，其具体包括：

当所选的索引矢量V_i含有一个等于“1”的非零元素时，将星座符号

调制到激活的那根发射天线上，形成一个发射符号S；

当索引矢量V_i含有两个非零元素(δ₁,δ₂)∈{(1,1),(1,j),(j,1),(j,j)}时，用两个非零元素激活两根天线，将星座符号

的实部与虚部值分别调制到激活的两根发射天线上，形成一个发射符号S。

7.根据权利要求6所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，还包括将天线索引矢量的数量进行索引拓展，具体步骤如下：

S6、基于相邻发射符号之间最小欧式距离理论，设计新的次级QAM星座；

S7、根据QAM和新的次级QAM星座设计拓展天线索引矢量集中天线索引矢量；

S8、基于接收端接收经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声之后的发射矢量信号并对该发射矢量信号进行检测。

8.根据权利要求7所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，所述经过无线瑞丽衰落信道和高斯白噪声之后的发射矢量信号的表达式为：

上式中，

是一个接收发射矢量信号，

为发射矢量信号S的归一化，N_r×N_t维信道矩阵

为瑞丽衰落，其服从基于CN(0,1)的独立同分布的复值高斯随机变量；

其服从基于

的独立同分布的加性高斯白噪声。

9.根据权利要求8所述一种基于天线索引矢量拓展的空间调制方法，其特征在于，所述对该发射矢量信号进行检测，具体为采用最大似然算法对一个接收发射矢量符号进行检测，其表达式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

分别表示检测得到的天线索引矢量索引比特和星座点映射比特。

10.一种基于天线索引矢量拓展的空间调制系统，其特征在于，包括以下模块：

数据块分离模块，基于比特流分离器将一个输入的数据块比特数分为两个数据块，得到第一数据块和第二数据块；

矢量选择模块，基于天线索引矢量选择器将第一数据块映射到天线索引矢量集中一个天线索引矢量，得到一个矢量索引号和对应的索引矢量；

星座选择模块，基于比较器根据矢量索引号确定选择的QAM或次级QAM星座；

映射模块，基于调制器将第二数据块映射到确定的QAM或次级QAM星座点上，得到二维星座符号；

调制模块，基于空间矢量映射器根据索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射矢量信号。

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