CN114826341B - 一种多输入多输出系统的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种多输入多输出系统的传输方法。在本发明的所提的方法中，对传统的垂直分层空时分组编码算法进行了改进，通过利用发射端的功率和各根天线发射信号的差异性，对发射端功率进行分配，同时应用了空间调制，利用系统中进行空时编码的天线索引携带信息，相对于原有的垂直分层空时分组编码系统同时实现了误码率的降低和频谱效率的提高，同时，本发明还有与其他检测算法相结合的潜力。

Description

一种多输入多输出系统的传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种多输入多输出系统中的结合空时分组码和垂直分层空时编码的传输技术；本发明涉及空时分组码(Space-Time BlockCode,STBC)，垂直分层空时编码(Vertical Bell-labs Layered Space-Time,VBLAST)，发射端功率控制(Transmit Power Allocation,TPA)，空间调制(SM spatial modulation)，多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)等技术。

背景技术

在通信领域，多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)技术已经被广泛应用以提升系统的信道容量。空时分组码(Space-Time Block Code,STBC)和垂直分层空时编码(Vertical Bell-labs Layered Space-Time,VBLAST)是MIMO系统中的两种非常重要的技术并且被广泛研究，空时分组码能够提供发射分集，垂直分层空时编码可以为系统提供复用增益。同时，空间调制技术(SM,spatial modulation)被广泛研究，其基本思想是利用信道之间的差异性，通过天线索引传递信息。

近来，一种新的多输入多输出传输技术——垂直分层空时分组编码(Space-TimeBlock Code Vertical Bell-labs Layered Space-Time,STBC-VBLAST)被提出，其关键思想是将多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)系统中的一部分数据流进行空时分组编码，从而提升系统的分集增益，实现了频谱效率和误码率性能的折中。

然而，在传统的STBC-VBLAST系统中对每根发射天线分配了同样的功率，从而限制了系统的误码率性能，同时没有利用进行STBC的天线的索引来承载信息，限制了系统的频谱效率。基于传统的STBC-VBLAST的特性，本发明通过对发射端功率进行分配并且将空时分组码符号的星座集合进行旋转，同时应用了空间调制，利用系统中进行空时编码的天线索引携带信息，提升了传统的STBC-VBLAST系统的频谱效率并且降低了系统的误码率。

发明内容

本发明为传统的STBC-VBLAST系统提出了新的发射端功率控制方法和利用天线索引信息的新方法，与传统的STBC-VBLAST算法相比，能够同时提升系统的频谱效率并且降低系统的误码率。

为了便于理解，对本发明采用的新的发射端功率控制方法和利用天线索引信息的新方法进行如下说明：

传统的STBC-VBLAST系统框图如图1所示，系统中发射端有M根天线，而接收端为N根天线时。假设第i根天线与第j根天线之间的信道是准静态慢衰落瑞利信道，其对应的信道增益h_i,j是独立同分布的，并服从复高斯分布

另外，假设S-QAM或S-PSK符号用s_m表示，其中m∈{1,2,...,S}，S表示调制阶数。

在发射机端，比特流将分成M-(n-1)G个子数据流，M-nG个子数据流在VBLAST层进行传输，G个子数据流在经过大小为n×m的STBC编码后在STBC层进行传输，被传输的矩阵可以表示为：

其中，该矩阵的长度为mL，

表示第i个STBC层的第l个n×mSTBC码块，C_l表示VBLAST层的第l个码块并且可以表示为：

之后在接收端可以经过多种方法进行检测，下面给出STBC-VBLAST系统的最大似然检测(Maximum Likelihood,ML)算法，当调制阶数为S时，则在m个时隙内传输的码字共有

种可能，故可设码字集合为X_γ,γ＝1,2...,a，之后应用ML检测器对传输信号进行检测，ML检测器可以遍历码字集合，找到最符合要求的码字，因此得到发射矩阵的估计为：

其中||y-HX_γ||²表示矩阵的Frobenius范数的平方，是ML检测器的度量，使得||y-HX_γ||²最小的码字

就是发送码字的估计值，就是ML检测的结果，当所有码字等可能发送时，ML方法能够得到最大后验概率检测的最佳性能。

STBC-VBLAST实现了误码率和频谱效率的折中，然而，STBC-VBLAST技术没有有效地分配发射端功率，同时没有充分利用发射端进行STBC码块所对应的天线索引的信息，为了充分利用发射端的功率和空间调制信息，本发明提出了一种改进的STBC-VBLAST技术，也即基于功率分配和空间调制的改进STBC-VBLAST技术，简称为STBC-VBLAST-SM技术。

本发明的技术方案如下：

一种多输入多输出系统的传输方法，定义系统中发射端有M根天线，接收端有N根天线，信道矩阵为：

其特征在于，所述传输方法包括以下步骤：

发射端：

S1、在发射端需要对一部分符号流进行Alamouti编码，因此首先介绍进行Alamouti编码的过程，假设将要发送的符号为x₁,x₂，并且将信道视为准静态信道，即在发送的两个时隙内不发生变化，则两根发送天线在两个时隙内发送的符号矩阵为：

从M根发射天线中选择2根传输Alamouti码，则可选择天线组合的可能性数目为

从中选取

种天线组合传输信息，其中p表示小于

的最大的2的整数次幂的幂次，假设发射符号的调制阶数为S，则在两个时隙内通过空间调制能够传递的信息量为p[bit]，而通过幅相调制传递的信息量为2(M-1)(log₂ S)[bit]。因此将待发射的比特流分成两部分，一部分的占比为

称为K bits，用于进行空间调制，将不同的天线组合对应到不同的信息，另一部分的占比为

称为A bits，经过调制之后分成M-1个符号流，其中1个数据流经过Alamouti编码后在选定的2根天线上发射，将其称为Alamouti符号，其他M-2个符号流在另外的M-2根天线上发射，将其称为VBLAST符号。

S2、为了充分利用系统的自由度和增加Alamouti符号和VBLAST符号的星座点集合之间差异性，对发射矩阵进行功率分配，减小或增大分配到Alamouti符号上的能量占比，并且对Alamouti符号进行旋转，因此可以将发送的符号矩阵表示为：

其中，v_i,j为垂直分层空时编码层数据，

为空时分组码层数据大小为M×M的功率分配矩阵P表示为：

其中功率因子α的取值范围为α>0，在具体应用中可以根据实际情况选取适当的功率因子。

表示旋转矩阵，可以根据实际情况选取适当的旋转角θ，这里给出一种准则，当系统的调制阶数为2时，

其他情况下θ＝0。

E＝E_i,M-1E_j,M,i≠j (9)

其中E_i,M-1和E_j,M表示行置换矩阵，分别能够将RPx的第i行，第j行与第M-1行，第M行交换。

接收端：

S3、假设信道是准静态的，则接收信号可以表示为y＝HERP_x+n或者：

其中，n表示噪声矩阵，大小为M×2且其中的元素都符合独立同分布的方差为σ_n ²的复高斯噪声，这里的方差σ_n ²与接收端信噪比有关。

S4、将ERP_x整体视作传输码字，则每两个连续时隙内的传输码字共有

种可能，故而可设码字集合为X_χ,χ＝1,2...,2^l，之后可以应用ML检测算法对传输信号进行检测，ML检测器可以遍历码字集合，找到最符合要求的码字，因此得到发射矩阵的估计为：

其中，||y-HX_χ||²表示矩阵的Frobenius范数的平方，是ML检测器的度量，从而进一步得到发射符号的估计为

当所有码字等可能发送时，ML方法能够得到最大后验概率检测的最佳性能。

本发明的有益效果为，本发明综合考虑发射端功率的分配，空时分组码所在天线的索引信息，在STBC-VBLAST系统中应用了发射端功率控制和空间调制，在只应用发射端功率控制的条件下降低了原有系统的误码率性能，在同时应用发射端功率控制和空间调制的时候相对于只应用了发射端功率控制的系统误码率性能没有明显的降低，相对于原有的STBC-VBLAST系统同时实现了误码率的降低和频谱效率的提高，同时，本发明还有与其他检测算法相结合的潜力。

附图说明

图1是传统的STBC-VBLAST系统框图；

图2是本发明提出的STBC-VBLAST-SM系统框图；

图3是发射天线数为4，接收天线数为4，调制方式为BPSK时，传统STBC-VBLAST算法与所提议的STBC-VBLAST-SM方法在应用ML检测器时的误码率性能比较示意图；

图4是发射天线数为3，接收天线数为3，调制方式为BPSK时，传统STBC-VBLAST算法与所提议的STBC-VBLAST-SM方法在应用ML检测器时的误码率性能比较示意图；

图5是发射天线数为3，接收天线数为3，调制方式为QPSK时，传统STBC-VBLAST算法与所提议的STBC-VBLAST-SM方法在应用ML检测器时的误码率性能比较示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方法：

以发射天线数为3，接收天线数为3，调制方式为BPSK为例，假设接收端能完美获取信道的状态信息

S1、从3根发射天线中选择2根传输Alamouti码，则可选择天线组合的可能性数目为

从中选取

种天线组合传输信息，其中p＝1，发射符号的调制阶数为4，则在两个时隙内通过空间调制能够传递的信息量为p＝1[bit]，而通过幅相调制传递的信息量为2(M-1)(log₂ S)＝8[bit]。因此将待发射的比特流分成两部分，一部分的占比为

称为K bits，进行空间调制，将不同的天线组合对应到不同的信息，另一部分的占比为

称为A bits，经过调制之后分成2个符号流，将其其中1个符号流经过Alamouti编码后在选定的2根天线上发射，称为Alamouti符号，另一个符号流在另外的1根天线上发射，将其称为VBLAST符号。

S2、为了充分利用系统的自由度和增加Alamouti符号和VBLAST符号的星座点集合之间差异性，对发射矩阵进行功率分配，这里选取功率因子α＝0.5，并且对Alamouti符号进行旋转，因为调制阶数为4，所以设旋转角θ＝0，因此可以将发送的符号矩阵表示为：

其中，v_i,j为垂直分层空时编码层数据，

为空时分组码层数据，其中，功率分配矩阵P为：

而旋转矩阵R为三阶单位阵I₃。选取的两种天线组合分别为(1,2)和(1,3)。

接收端：

S3、假设信道是准静态的，则接收信号可以表示为y＝HERP_x+n或者：

其中，n表示噪声矩阵，大小为M×2且其中的元素都符合独立同分布的方差为σ_n ²的复高斯噪声，这里的方差σ_n ²与接收端信噪比有关。

S4、将ERP_x整体视作传输码字，则每两个连续时隙内的传输码字共有l＝2⁹＝512种可能，故而可设码字集合为X_χ,χ＝1,2...,512，之后可以应用ML检测算法对传输信号进行检测，ML检测器可以遍历码字集合，找到最符合要求的码字，因此得到发射矩阵的估计为：

从而进一步得到发射符号的估计为

Claims (1)

1.一种多输入多输出系统的传输方法，定义系统中发射端有M根天线，接收端有N根天线，信道矩阵为：

其特征在于，所述传输方法包括以下步骤：

发射端：

S1、在发射端对一部分符号流进行Alamouti编码，Alamouti编码的过程为：定义将要发送的符号为x₁,x₂，并且将信道视为准静态信道，即在发送的两个时隙内不发生变化，则两根发送天线在两个时隙内发送的符号矩阵为：

从M根发射天线中选择2根传输Alamouti码，则可选择天线组合的可能性数目为

从中选取

种天线组合传输信息，其中p表示小于

的最大的2的整数次幂的幂次，定义发射符号的调制阶数为S，则在两个时隙内通过空间调制能够传递的信息量为p[bit]，而通过幅相调制传递的信息量为2(M-1)(log₂ S)[bit]；因此将待发射的比特流分成两部分，一部分的占比为

称为K bits，进行空间调制，将不同的天线组合对应到不同的信息；另一部分的占比为

称为A bits，经过调制之后分成M-1个符号流，其中1个数据流经过Alamouti编码后在选定的2根天线上发射，将其称为Alamouti符号，其他M-2个符号流在另外的M-2根天线上发射，将其称为VBLAST符号；

S2、对发射矩阵进行功率分配，将分配到Alamouti符号上的能量占比进行减小或增大，并且对Alamouti符号进行旋转，将发送的符号矩阵表示为：

其中，v_i,j为垂直分层空时编码层数据，s_M,s_M-1,

为空时分组码层数据大小为M×M的功率分配矩阵P表示为：

其中功率因子α的取值范围为α>0；

表示旋转矩阵，θ为旋转角度，θ的选取准则为：当系统的调制阶数为2时，

其他情况下θ＝0；

E＝E_i,M-1E_j,M,i≠j

其中E_i,M-1和E_j,M表示行置换矩阵，分别能够将RPx的第i行，第j行与第M-1行，第M行交换；

接收端：

S3、定义信道是准静态的，则接收信号表示为y＝HERPx+n或者：

其中，n表示噪声矩阵，大小为M×2且其中的元素都符合独立同分布的方差为σ_n ²的复高斯噪声，方差σ_n ²与接收端信噪比有关；

S4、将ERPx整体视作传输码字，则每两个连续时隙内的传输码字共有

种可能，故设码字集合为X_χ,χ＝1,2...,l，然后应用ML检测算法对传输信号进行检测，ML检测器遍历码字集合，找到最符合要求的码字，得到发射矩阵的估计为：

其中，||y-HX_χ||²是ML的度量，从而得到发射符号的估计为

当所有码字等可能发送时，ML方法能够得到最大后验概率检测的最佳性能。

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