CN116800379A - 用于准正交空时编码空间调制系统的低复杂度译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output,MIMO)通信抗干扰技术领域，具体涉及一种用于准正交空时分组码空间调制(Quasi‑Orthogonal Space‑Time Block Coded Spatial Modulation，QOSTBC‑SM)系统的接收端低复杂度译码方法。本发明在发射端采用最低译码复杂度准正交空时分组码码型，从发射天线中选择一组天线来发送QOSTBC码字，比特信息通过天线索引和码字进行传输，在接收端通过遍历天线组合使用单符号译码算法进行解调。该系统在降低接收端解码复杂度的同时，维持系统性能。本发明针对具有最低译码复杂度的QOSTBC码型，采用单符号译码算法，与传统ML译码算法相比，降低了接收端译码复杂度，并且系统BER性能接近ML。

Description

用于准正交空时编码空间调制系统的低复杂度译码方法

技术领域

本发明属于大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output,MIMO)通信抗干扰技术领域，具体涉及一种用于准正交空时分组码空间调制(Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coded Spatial Modulation，QOSTBC-SM)系统的接收端低复杂度译码方法。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation，SM)技术是一种新型的低复杂度、稀疏射频支持的MIMO传输技术，其特点是在每个传输时隙中只激活一根天线，将SM推广为一次激活多根发射天线以传递更多数据符号，成为广义空间调制(GSM)。从调制设计的角度来看，在SM中，信息位不仅由星座符号调制，而且由激活天线索引调制。将一个信息比特块映射到两个信息承载单元，一部分为从传统APM星座图中选择的符号，另一部分为从N_T天线中选择的一组发射天线索引上携带的比特，提高频谱效率log₂N_T。SM结合了数字和空间维度，以增强星座调制的自由度，从而获得比传统MIMO技术更独特的优势，同时考虑在射频链数、检测复杂度和传输速率之间进行折中，以实现灵活的结构。

空时分组码(Space-Time Block Coded，STBC)是利用多天线的高效发射分集技术，当Nt>3时，最高传输速率为3/4，将导致频谱扩展，不能实现全分集。因此提出了准正交空时分组码(Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coded，QOSTBC)，松弛了正交STBC各列间的正交性，以牺牲部分分集增益来换取传输速率的提高，同时由于需要成对译码增加了最大似然译码算法的复杂度。QOSTBC-SM系统的设计用于MIMO传输，通过获得各自的优势，同时提高了与传统空时块编码空间调制(STBC-SM)系统相比的频谱效率。

QOSTBC-SM系统在传统ML检测时译码复杂度随调制阶数和发射天线数呈指数增长，在高阶调制与大规模发射天线传输时不可用。因此，降低系统在接收端的解码复杂度，并保障系统性能成为该系统的主要研究方向之一。

发明内容

本发明基于降低系统接收端译码复杂度并维持系统性能的目的，提出了一种用于多天线QOSTBC-SM系统的接收端低复杂度解码算法设计方案。该方案在发射端采用最低译码复杂度准正交空时分组码码型，从发射天线中选择一组天线来发送QOSTBC码字，比特信息通过天线索引和码字进行传输，在接收端通过遍历天线组合使用单符号译码算法进行解调。该系统在降低接收端解码复杂度的同时，维持系统性能。

为了便于理解，对多天线QOSTBC-SM系统进行以下定义：

对于一个N_T×N_R的多天线QOSTBC-SM系统，N_T是发送天线的数量，N_R是接收天线的数量，N_u是每个传输时隙激活的天线数量。在连续N_u个时隙中，空间调制依据信息比特在N_T根发射天线中选择N_u(1≤N_u≤N_T)根发送数据符号。经过准正交空时编码之后，所选择的N_u根天线被激活并传输QOSTBC编码后的发射符号，与此同时，未被选中的N_T-N_u根天线保持静默，即发送符号为0。可知共有C(N_T,N_u)种激活天线组合方式，且每一种组合的发送概率相等。QOSTBC-SM系统的信息比特通过串并转换后分为两部分，一部分用于选择发射天线组合，其中可用组合数为C(N_T,N_u)；另一部分用于调制为PSK/QAM星座符号，经QOSTBC编码后，在N_u个时隙上通过选择的天线组合进行传输。由于每根天线上可携带log₂M比特，故N_u根天线可传输的比特数为N_u log₂M，其中M为调制阶数。用于传输QOSTBC的码字数量为且QOSTBC-SM系统的最大频谱效率为/>

本发明的技术方案是：

用于准正交空时分组码空间调制系统的接收端低复杂度译码算法，包括：

发射端：

步骤1：产生信息比特流。发送端通过串并转换将要传输的比特数据B_k分为两个部分，其中第一部分/>比特用作天线组合索引来选择一个码字，共有C(N_T,N_u)种天线组合方式，而第二部分/>比特进行传统APM调制后，被调制成N_u个M-QAM/PSK符号，用于准正交空时编码得到所需要传输的码字，共有/>个码字。

步骤2：将APM符号进行准正交空时分组编码得到传输的QOSTBC码本。在4根发射天线的情况下，假设Z₁和Z₂是两个Alamouti的STBC码字，而一个Alamouti STBC码字如下所示：

其中z₁，z₂是传输的APM符号。其中的列和行分别对应发射天线和符号间隔，常见的QOSTBC码字构造为如下3种码型：

而在本发明中所使用的QOSTBC码字类型为译码复杂度最小的MDC-QOSTBC码型，具体形式如下：

其中()^R和()^I分别表示符号的实部和虚部。

步骤3：空间调制映射部分比特向量以选择激活的发射天线索引。假设s_k(k＝1,2,3,4)是QOSTBC码字的第k行，0_pxq表示大小为p x q的矩阵，根据激活天线组合的不同，可以得到如下结构的QOSTBC传输码本：

信息数据经过空间调制映射后通过激活的发射天线发送。

接收端：

步骤4：将接收到的第k个空时块建模表示。接收端的待检测信号传输信道矩阵/>的每一项是高斯随机变量CN(0,1)，噪声矩阵/>的每一项也是高斯随机变量CN(0,σ²)，接收信号可以建模表示为：

Y_k＝H_kZ_k+N_k

步骤5：用单符号检测算法对接收信号进行译码。在静态瑞丽平稳衰落MIMO信道的背景下，QOSTBC-SM系统针对上述MDC码型的检测可以表示为如下4个函数的总和：

其中参数a,β,γ,χ,δ为：

MDC码型QOSTBC的解码度量可以表示为4个f_i函数的总和，每个f_i函数中是对两个实符号的联合检测，即和/>其中()^R和()^I分别表示所求传输符号的实部和虚部。对于1≤i≤4，当i≠k时，z_k是独立的，因此该译码等价于独立地最小化4个f_i函数，译码复杂度相较于传统的ML度量大幅度降低。使用单符号检测算法在每一组天线组合下进行计算，求出4个f_i函数总和最小时所对应的激活天线组合，得出对应的QOSTBC码字中符号对应的比特。

步骤6：解调天线索引与符号，恢复出比特流。将求得的激活天线组合索引对应的比特解调得到天线索引携带的比特信息求得的QOSTBC码字中4个符号解调后得到调制符号携带的比特信息/>恢复出发送的数据比特流。

本发明针对具有最低译码复杂度的QOSTBC码型，采用单符号译码算法，与传统ML译码算法相比，降低了接收端译码复杂度，并且系统BER性能接近ML。

附图说明

图1为QOSTBC-SM系统框图。

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案：

实施例1：

下面以发送天线N_T为6，接收天线N_R为4，每个时隙激活的传输天线N_u为4，调制符号采用BPSK，每个QOSTBC码字中包含4个传输符号，每个符号携带1个比特，每一组激活天线组合携带2个比特，天线索引与比特的对应关系如下：

当天线索引传输“00”时，激活第一组天线组合“1 2 3 4”。信道为准静态平稳瑞利衰落，且接收端已知，为例介绍本发明的具体实施方式，如图1所示，本例具体处理方法为：

发射端：

步骤1：产生信息比特流。发送端通过串并转换将要传输的比特数据B_k＝6分为 两个部分。第一部分/>比特[1 0]用作天线组合索引来选择一个码字，假设共有4种天线组合方式，每一种组合对应一组天线索引比特；第二部分/>比特[1 1 0 1]进行BPSK调制后得到4个符号，用于准正交空时编码得到所需要传输的码字。以第j个QOSTBC码字为例，产生信息比特，它的发送比特[1 1 0 1]，将比特进行BPSK星座映射得到调制符号z_j＝[z_j,1,z_j,2,z_j,3,z_j,4]。

步骤2：将BPSK调制符号进行准正交空时分组编码得到传输的QOSTBC码字。使用的QOSTBC码字类型为译码复杂度最小的MDC-QOSTBC码型，具体形式如下：

其中()^R和()^I分别表示符号的实部和虚部。代入调制符号进行编码并映射到空间调制得到传输码字Z_k如下：

步骤3：空间调制映射部分比特向量以选择激活的发射天线索引。共有6根传输天线，每次传输激活4根天线，将QOSTBC码字映射到4种天线组合方式可得到如下4种码字：

其中Z_i，i＝1,2,3,4，表示包含最低译码复杂度QOSTBC的QOSTBC-SM系统码本，行表示发射天线，0表示天线保持静默，因此，可以利用激活天线的索引来携带信息位。信息数据经过空间调制映射后通过激活的发射天线发送。

接收端：

步骤4：将接收到的第k个空时块建模表示。接收端的待检测信号传输信道矩阵/>的每一项是高斯随机变量CN(0,1)，噪声矩阵/>的每一项也是高斯随机变量CN(0,σ²)，接收信号可以建模表示为：

步骤5：用单符号检测算法对接收信号进行译码。在静态瑞丽平稳衰落MIMO信道的背景下，接收端对信道是已知的。接收到的待检测信号Y_k如下：

代入公式计算所用的信道信息对应于每一种天线组合，如在第一种天线组合(1 23 4)下进行计算，则信道信息为H＝H_k(1:4，:)，将H带入公式进行计算，经过BPSK调制后的符号分别为“-1”、“1”，并取这两种符号的实部和虚部，在这4种天线组合下代入如下4个函数f_i进行计算：

分别计算出在每一种天线组合下4个f函数的总和i＝1,2,3,4，/>对应的天线组合即为所求的天线索引，对应符号z_i，i＝1,2,3,4，即为所求的QOSTBC码字中的4个符号。

步骤6：符号与天线索引解调，恢复发送的数据比特流。计算得出第3组天线组合为所求天线索引，根据天线索引与比特的对应关系可得出，天线索引比特为[1 0]，所求得QOSTBC码字中对应符号通过解调后得出比特[1 1 0 1]，最终恢复出发送的数据比特流[11 0 11 0]。

Claims (1)

1.用于准正交空时编码空间调制系统的低复杂度译码方法，系统中包括N_T根发送天线，N_R根接收天线，定义在连续N_u个时隙中，系统依据信息比特在N_T根发射天线中选择N_u根天线发送数据符号，1≤N_u≤N_T；其特征在于，所述方法包括：

发射端：

步骤1：发送端通过串并转换将要传输的比特数据B_k分为两个部分，其中第一部分/>比特用作天线组合索引来选择一个码字，共有C(N_T,N_u)种天线组合方式，每一种组合对应一组天线索引比特；第二部分/>比特进行APM调制后，被调制成N_u个M-QAM/PSK符号，用于准正交空时编码得到所需要传输的码字，共有/>个码字；

步骤2：将APM调制符号进行准正交空时分组编码得到传输的准正交空时分组码码字Z_k；

步骤3：将准正交空时分组码码字映射到C(N_T,N_u)种天线组合得到对应的码字，从而利用激活天线的索引来携带信息位；信息数据经过空间调制映射后通过激活的发射天线发送；

接收端：

步骤4：定义接收端的待检测信号为传输信道矩阵/>的每一项是高斯随机变量，噪声矩阵/>的每一项也是高斯随机变量，则对接收信号建模得到：

Y_k＝H_kZ_k+N_k

步骤5：用单符号检测算法对接收信号Y_k进行译码，具体为使用单符号检测算法在每一种天线组合下进行计算，代入公式计算的信道信息对应每一种天线组合“antenna_combination”，取调制符号的实部与虚部，信道信息H＝H_k(:,antenna_combination)，根据天线组合索引参数对应取信道矩阵H_k的对应列，将H和接收信号Y_k代入下式进行计算：

其中h_n,r为第n根接收天线与第r根发射天线间的信道衰落因子，分别计算出在每一种天线组合下4个f_i函数的总和i＝1,2,3,4，j＝1,...,C(N_T,N_u)，/>对应的天线组合即为所求的天线索引，对应符号z_i，()^R和()^I分别表示符号的实部和虚部，即为所求的准正交空时分组码码字中的4个符号，从而得出对应的准正交空时分组码码字中符号对应的比特；

步骤6：将求得的激活天线组合索引对应的比特解调得到天线索引携带的比特信息求得的准正交空时分组码码字的符号解调后得到调制符号携带的比特信息/>恢复出发送的数据比特流。