CN114629765A - 一种基于空时线码和天线偏移的空间调制方法 - Google Patents

一种基于空时线码和天线偏移的空间调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是基于空时线码和天线偏移的空间调制方法。本发明的基于空时线码和天线偏移的空间调制技术中，比特信息包含天线索引和星座符号，并通过激活发射天线传输，有效解决了射频链和发射天线之间频繁切换的问题。同时通过结合空时线码，在保留传统基于天线偏移的空间调制的单射频的特性外，拓展了基于天线偏移的空间调制系统接收端天线数，降低了接收端的复杂度，提升了系统的分集增益，并有效的提升系统的性能。

Description

一种基于空时线码和天线偏移的空间调制方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种结合空时线码和天线偏移的空间调制方案；本发明涉及基于天线偏移的空间调制(Offset spatial modulation，OSM)，空时线码(Space-time line coding，STLC)和MIMO(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术。
背景技术
传统的空间调制技术利用单射频链传输信息，降低了系统的整体复杂度和硬件成本，且不存在信道间干扰。但也由于发送端配备单射频链，导致空间调制系统在射频链和发射天线之间的频繁切换存在局限性，从而影响了系统的传输速率。OSM在保留传统空间调制单射频的特性外，利用发射端获知的信道状态信息(Channel state information，CSI)进行发射天线选择和预编码，解决了射频链和发射天线之间频繁切换的问题，并且还进一步提升空间调制系统的误码率性能，引起了广泛的关注。
传统的OSM仅为单接收天线系统设计，这限制了它们在高光谱效率要求的部署。同时基于天线偏移的空间调制发送端和接收端都需要获知完整CSI，增加了系统的复杂度。除此之外，对于OSM，其发射分集的潜力尚未被开发。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，基于OSM系统，提出一种结合STLC的新型空间调制传输方案，该方案在保留传统OSM单射频的特性外，拓展了OSM系统接收端天线数，降低了接收端的复杂度，提升了系统的分集增益，并有效的提升系统的性能，适用于高性能发射机和简单接收机之间通信。
本发明的技术方案如下：
设定MIMO系统有Nt根发射天线，Nr根接收天线，每两个时隙发射端选择同1根发射天线发射数据符号，且对于第k组的两个时隙，将长度为Bk的发射信息比特分为
Figure RE-GDA0003611598920000011
和
Figure RE-GDA0003611598920000012
两部分，本方法以结合Nr＝2空时线码为例，具体包括以下步骤：
S1、首先发送端根据获知的完整CSI得到有效信道增益集合
Figure RE-GDA0003611598920000013
Figure RE-GDA0003611598920000021
是第j根发射天线到接收端的有效信道增益。
S2、发射端根据不同传输需求选择OSM传输模式：静态传输或者动态传输。其中，静态传输是在传输过程中，激活随机选择的固定天线j来传递信息，即射频链连接在固定天线上，因此根本不需要进行射频切换。动态传输是通过最大化信道有效增益来选择激活发射天线，即
Figure RE-GDA0003611598920000022
其中，χ是包含p个元素的天线索引子集，1≤p≤Nt。
S3、发射端根据发射天线数Nt和调制阶数M确定信息比特调制方式为Nt环Nt×Mstar-QAM。其中
Figure RE-GDA0003611598920000023
比特映射的天线索引i决定star-QAM的半径ri及旋转角度
Figure RE-GDA0003611598920000024
Figure RE-GDA0003611598920000025
比特为两个M-PSK符号。然后根据
Figure RE-GDA0003611598920000026
映射的天线索引i将
Figure RE-GDA0003611598920000027
比特调制成符号x1和x2。以 Nt＝2,M＝8为例，根据以上规则确定调制方式为2环16-star-QAM。当i＝1时，
Figure RE-GDA0003611598920000028
比特被调制成半径为r1环上的两个8-PSK信号；当i＝2时，
Figure RE-GDA0003611598920000029
比特被调制成半径为r2环上的两个 8-PSK信号；
S4、发射端然后根据
Figure RE-GDA00036115989200000210
映射的天线索引i，实际激活的发射天线索引j，符号和信道状态信息进行编码，该系统两个时隙所发送的信号为
Figure RE-GDA00036115989200000211
Figure RE-GDA00036115989200000212
其中，Ωj是一个Nt×1维向量，且只有第j个元素为1，其他元素均为0，hl,j是第j根发射天线与第l根接收天线对应链路的信道系数，定义
Figure RE-GDA00036115989200000213
是符号x1和x2平均功率，β是满足
Figure RE-GDA00036115989200000214
的归一化因子，可以计算为
Figure RE-GDA0003611598920000031
S5、接收端将两个时隙接收到的信号根据STLC译码过程进行合并处理，可以得到
Figure RE-GDA0003611598920000032
其中，rl,t是第l根天线在第t时隙接收到的信号，nl,t是对应的高斯白噪声。
S6、接收端获取有效信道增益集合
Figure RE-GDA0003611598920000033
并计算得到β，然后进行极大似然解调(Maximum Likelihood，ML)准则检测可以得到
Figure RE-GDA0003611598920000034
本发明的有益效果为：介绍了一种新型的基于空时线码和OSM的MIMO技术。它有效结合了空时编码和OSM的特性。在保留传统OSM特性的同时可以有效获得空时编码带来的分集增益，拓展了OSM系统接收端天线数，并由于不需要而完整CSI降低了接收端的复杂度，提升了系统性能。从仿真结果看出，所提的系统优于现有的其他OSM系统。
附图说明
图1是STLC-OSM系统框图；
图2是发射天线数为2，调制阶数为4时符号星座图；
图3是发射天线数为4时静态STLC-OSM与OSM系统性能对比示意图；
图4是发射天线数为4时动态STLC-OSM与OSM系统性能对比示意图。
具体实施方式
在发明内容部分已经对本发明的技术方案进行了详细描述，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里就被忽略。
本发明的具体实施方案如图1所示的示意图。
发射机结构大致分为如下几步：
步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定发送方天线个数Nt，调制阶数，调制方式，接收天线个数Nr，OSM动态或静态模式。
步骤2：根据发射信息比特及确定的发送天线生成两个时隙的发送符号。
步骤3：接收端收到两个时隙的信号后进行STLC合并，然后通过ML检测及解调恢复信息比特。
图2给出了Nt＝2，调制阶数为M＝4时，发射端采用(a)QPSK；(b)所设计star-QAM，其中r1＝r2＝1时，接收符号星座图。从图中可以看出设计的star-QAM可以提升符号间最小欧式距离，从而提升系统性能。
图3和图4为不同系统参数时所提方法与传统OSM系统的误码率性能比较，其中ri＝1。从图3和图4可以看出，静态模式和动态模式时，所提系统相较于传统OSM性能有很大提升。

Claims (1)

1.一种结合空时线码和天线偏移的空间调制方法，设定MIMO系统有Nt根发射天线，Nr根接收天线，每两个时隙发射端选择同1根发射天线发射数据符号，且对于第k组的两个时隙，将长度为Bk的发射信息比特分为
Figure FDA0003542797770000011
和
Figure FDA0003542797770000012
两部分，其特征在于，空间调制方法包括以下步骤：
S1、发送端根据获知的完整CSI得到有效信道增益集合
Figure FDA0003542797770000013
是第j根发射天线到接收端的有效信道增益，hl,j是第j根发射天线与第l根接收天线对应链路的信道系数，l＝1,2；
S2、发射端根据不同传输需求选择静态传输或者动态传输，其中，静态传输是在传输过程中，激活随机选择的固定天线j来传递信息，即射频链连接在固定天线上，因此不需要进行射频切换；动态传输是通过最大化信道有效增益来选择激活发射天线，即
Figure FDA0003542797770000014
其中，χ是包含p个元素的天线索引子集，1≤p≤Nt；
S3、发射端根据发射天线数Nt和调制阶数M确定信息比特调制方式为Nt环Nt×M star-QAM，其中
Figure FDA0003542797770000015
比特映射的天线索引i决定star-QAM的半径ri及旋转角度
Figure FDA0003542797770000016
Figure FDA0003542797770000017
比特为两个M-PSK符号；根据
Figure FDA0003542797770000018
映射的天线索引i将
Figure FDA0003542797770000019
比特调制成符号x1和x2；
S4、发射端根据
Figure FDA00035427977700000110
映射的天线索引i，实际激活的发射天线索引j，符号和信道状态信息进行编码，得到两个时隙所发送的信号为
Figure FDA00035427977700000111
Figure FDA00035427977700000112
其中，Ωj是一个Nt×1维向量，且只有第j个元素为1，其他元素均为0，定义
Figure FDA0003542797770000021
是符号x1和x2平均功率，β是满足
Figure FDA0003542797770000022
的归一化因子，为
Figure FDA0003542797770000023
S5、接收端将两个时隙接收到的信号根据STLC译码过程进行合并处理，得到
Figure FDA0003542797770000024
其中，rl,t是第l根天线在第t时隙接收到的信号，nl,t是对应的高斯白噪声；
S6、接收端获取有效信道增益集合
Figure FDA0003542797770000025
并计算得到β，然后进行极大似然解调准则检测得到信号：
Figure FDA0003542797770000026
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