CN117040571A - 基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法及系统 - Google Patents

基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法及系统，对传输信号采用SSB码进行表示，联合空间调制中的天线激活方式与媒介调制技术相结合，能够充分利用了两个时隙上对角和反对角上的空间资源，从而比现有的典型媒介调制方法可获得更高的频谱效率。此外，由于SSB码本身即可以获得二阶分集，再联合空间调制的天线选择及媒介调制的信道状态激活方法，使得本发明所提的方法可以获得二阶发射分集，因而具有较好的抵抗信道衰落能力。

Description

基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法及系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
作为6G中一种新型的数字调制技术，空间调制(Spatial Modulation,SM)技术由于能够利用MIMO系统中天线的索引号来传递额外的信息比特，受到了学术界和工业界的普遍关注。进一步，可以在MIMO系统中采用可重构天线来扩充空间资源使得通信系统获得更高的频谱效率和更好的系统性能。媒质调制(Media-based modulation,MBM)，它可以利用可重构天线的不同辐射模式的索引号来传输信息，与SM相比进一步增加了空间维度。在采用可重构天线的MIMO系统中，每个发射天线上安装了若干个射频反射镜(RF mirrors)，它们的开/关状态由输入的信息比特决定，因而通过输入比特来控制RF反射镜的开关状态则可以传递额外的信息比特。另一方面，射频反射镜的开关状态也形成了不同的信道辐射状态，所以MBM也被称为是信道调制。
近年来，学者们针对可重构天线系统提出了不同的MBM传输方案。“Reconfigurable Antenna-Based Space-Shift Keying(SSK)for MIMO RicianChannels”中提出了基于射频反射镜的空移键控(SSK)传输方案；“Onmedia-basedmodulation usingRF mirrors”中提出了基于广义SM(GSM)的MBM传输方案；“Quadrature spatialmodulation”中基于正交SM(QSM)的思想提出了正交信道调制(QCM)，然而这几种方案中的信号都是只占用一个时隙进行发送的，因而无法获得发射分集来抵抗信道衰落。
为了使媒质调制获得发射分集，必须将媒质调制与一定的空时编码技术相结合。基于这种思路，“Space-time channel modulation”中提出了基于Alamouti编码的MBM方案，简称为空时信道调制(STCM)方案。“Space-timemedia-based modulation”中基于H-R矩阵设计，提出了一种空时MBM(ST-MBM)方案。“Coordinate interleaved orthogonaldesign withmedia-basedmodulation”中将坐标交织正交设计(CIOD)编码应用到MBM系统中，提出了两种CIOD-MBM方案I和II。然而由于CIOD码只有对角结构，因而CIOD-MBM方案I和II中反对角方向上的信道状态没有得到有效利用，所以CIOD-MBM I和II的频谱效率都不高。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法及系统，对传输信号采用SSB码进行表示，联合空间调制中的天线激活方式与媒介调制技术相结合，能够实现充分利用了两个时隙上对角和反对角上的空间资源。
为实现上述目的，本发明的第一个方面提供基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，采用具有多个发射天线和多个接收天线的多进多出系统，发射端采用可重构天线，包括：
将传输信号的信息比特在发射端形成SSB编码矩阵；
所述传输信号在发射端基于空间调制技术选择不同的发射天线，基于媒介调制技术激活所选择的发射天线上的不同信号辐射状态，利用辐射状态索引传递SSB编码矩阵的信息比特；
在接收端对接收到的信号采用最大似然方法进行检测，映射为信息比特。
本发明的第二个方面提供基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制系统，具有多个发射天线和多个接收天线的多进多出系统，发射端采用可重构天线，包括：
发射端，用于将传输信号的信息比特形成SSB编码矩阵；所述传输信号在发射端基于空间调制技术选择不同的发射天线，基于媒介调制技术激活所选择的发射天线上的不同信号辐射状态，利用辐射状态索引传递SSB编码矩阵的信息比特；
接收端，用于对接收到的信号采用最大似然方法进行检测，映射为信息比特。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
在本发明中，对传输信号采用SSB码进行表示，联合空间调制中的天线激活方式与媒介调制技术相结合，利用辐射状态的索引号来传递信息SSB编码矩阵对应的信息比特，能够充分利用了两个时隙上对角和反对角上的空间资源，从而比现有的典型媒介调制方法可获得更高的频谱效率。此外，由于SSB码本身即可以获得二阶分集，再联合空间调制的天线选择及媒介调制的信道状态激活方法，使得本发明所提的方法可以获得二阶发射分集，因而具有较好的抵抗信道衰落能力。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中方法与CIOD-MBM I,II及STCM方案在发射天线数Nt＝2，调制阶数M＝4时的频谱效率比较示意图；
图2为本发明实施例一中方法与CIOD-MBM I,II及STCM方案在发射天线数Nt＝4，调制阶数M＝4时的频谱效率比较示意图；
图3为本发明实施例一中Nt＝2时本发明方法与CIOD-MBM I和II方案在不同的频谱效率下的BER性能比较示意图；
图4为本发明实施例一中Nt＝4时本发明方法与CIOD-MBM I和II方案在不同的频谱效率下的BER性能比较示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，采用具有多个发射天线和多个接收天线的多进多出系统，发射端采用可重构天线，包括：
将传输信号的信息比特在发射端形成SSB编码矩阵；
所述传输信号在发射端基于空间调制技术选择不同的发射天线，基于媒介调制技术激活所选择的发射天线上的不同信号辐射状态，利用辐射状态索引传递SSB编码矩阵的信息比特；
在接收端对接收到的信号采用最大似然方法进行检测，映射为信息比特。
在本实施例中，采用Sezginer-Sari-Biglieri(SSB)码作为基本码块，联合空间调制(spatial modulation，SM)中的天线激活及媒介调制(MBM)中的信道状态激活方法，简称为SSB-MBM方案。采用的基本码块是由Sezginer，Sari和Biglieri三位学者在“On high-rate full-diversity 2x2space-time codes with low-complexity optimumdetection”中提出的SSB码，其编码矩阵为2×2维矩阵：
其中，系数d＝-jb，xi(i＝1,…,4)是从M-PSK/QAM星座里面取出的符号，M为星座调制的阶数。编码矩阵S的第(i,j)个元素用S(i,j)表示。
SSB-MBM方案采用与文献E.Basar and I.Altunbas“Space-time channelmodulation,”和I.Yildirim,E.Basar,and I.Altunbas,“Coordinate interleavedorthogonal design with media-based modulation,”中完全相同的系统模型：在一个具有Nt个发射天线和Nr个接收天线的MIMO系统中，发射端采用了可重构天线，所以每个发射天线上安装了Nrf个射频反射镜(RF mirrors)，这些RF反射镜可以调节成“开”或者“关”的状态，因而从每个发射端发出的信号波形都会形成种不同的信道辐射状态。MBM技术通过激活不同的信道辐射状态，利用辐射状态的索引号来传递额外的信息比特。
在SSB-MBM方案中，Nt个发射天线被平均分为两组G1和G2，G1和G2组分别包含前个和后/>个发射天线，即/>和/>一帧SSB-MBM信号所要传输的m个比特需要占用t1和t2两个时隙，这m个比特被分为五个部分(即m＝m1+m2+m3+m4+m5)，SSB-MBM方案在发射端的实施过程具体包括以下五个步骤：
步骤1：发射端根据第一部分的m1＝4log2(M)个比特从M-PSK/QAM星座中分四次独立地选出SSB码中待传输的4个符号xi(i＝1,…,4)，按照式(1)中的信号格式组成SSB码字矩阵；
步骤2：在t1时刻，第二部分的m2＝log2(Nt/2)个比特用于从第一组发射天线G1中选择一根天线，假设为第一根发射天线k1，用于发送SSB码中的信号S(1,1)＝x1+bx3，与此同时，第三部分的m3＝Nrf个比特用于激活第一根发射天线k1上的第一种信道状态l1，因此G1中的第一根发射天线k1以第一种信道状态l1发送信号S(1,1)＝x1+bx3；
步骤3，在t1时刻，第四部分的m4＝log2(Nt/2)个比特用于从第二组发射天线G2中选择一根天线，假设为第二根发射天线k2，用于发送SSB码中的信号S(2,1)＝x2+bx4，与此同时，第五部分的m5＝Nrf个比特用于激活第二根天线k2上的第二种信道状态l2，因此G2中的第二根发射天线k2以第二种信道状态l2发送信号S(2,1)＝x2+bx4；
步骤4，与t1时刻相对应，在t2时刻，第一组天线G1中的第二根天线k2上的第二个信道状态l2被激活，用于发送SSB码中的信号
步骤5，与t1时刻相对应，在t2时刻，第二组天线G2中的第一根天线k1上的第一个信道l1状态被激活，用于发送SSB码中的信号
按照上述五个步骤，得到的维SSB-MBM发送信号X表示成
其中：上标()T表示对矩阵作转置。将矩阵X中位于第u行第v列的元素的位置用两个参数表示成(u,v)的形式，则S(1,1)位于矩阵X的第位置上，S(2,1)位于矩阵X的第/>位置上，S(1,2)位于矩阵X的第/>位置上，S(2,2)位于矩阵X的第/>位置上。
从上述信号形式可见，在每个SSB-MBM信号X中，除了4个非零元素外，其它元素均为零。SSB-MBM信号服从每个时隙在每个天线上只有一个信道状态被激活的规则。
当发射端发送维SSB-MBM信号X时，则接收端的Nr根接收天线在两个时隙内收到的Nr×2维信号Y可以表示为：
Y＝HX+W (3)
其中：H是维信道矩阵，W是Nr×2维噪声矩阵；H和W中的每个元素分别服从/>和/>的复高斯分布。假定H为准静态Rayleigh平坦衰落，它在每个SSB-MBM信号传输的两个时隙内保持不变，在另一帧内独立变化，此外，接收端知道准确的H信息。接收端需要根据接收信号检测出发送端的发出的四个符号xi(i＝1,…,4)，两组天线G1和G2中的天线索引号k1和k2，以及两个天线上的信道状态索引号l1和l2的估计值，再逆映射成二进制比特信息。
在本实施例中一帧SSB-MBM信号所要传输的m个比特分为五部分的说明，因为所分成的每个部分的比特数都要在信号构造的过程中分别决定符号、激活的天线索引号、以及信道状态索引号。如第一部分的m1个比特用于决定待传输的4个符号；第二部分的m2个比特用于从G1天线组中选择一根天线，第三部分的m3个比特用于决定该天线上的信道状态索引号；第四部分的m4个比特用于从G2天线组中选择一根天线，第五部分的m5个比特用于决定该天线上的信道状态索引号。
SSB-MBM方案在接收端的ML检测方法分为以下几个步骤：
对接收信号式(3)的两边进行拉直运算vec(·)，得到等价的系统模型式
其中：符号/>表示克罗内克积，/>8×1维实信号向量/>其中/>和/>分别表示符号xi(i＝1,…,4)的实部和虚部，/>维生成矩阵G定义为：
其中：和/>分别为SSB-MBM编码矩阵X中/>和/>的分散矩阵(Dispersion matrix)。对于不同的天线索引号k1和k2以及信道状态索引号l1和l2，令矩阵E为/>维单位阵，令列向量e1是矩阵E的第/>列，令列向量e2是矩阵E的第/>列，则上述分散矩阵/>和/>分别表示为
其中：2×2维矩阵Ci和Di分别为SSB编码矩阵S中和/>的分散矩阵，它们定义为：
假设接收端具有准确的信道状态信息(CSI)，基于等价系统模型式(4)，则SSB-MBM方案的最大似然(ML)译码公式可以表示为：
其中：表示信号向量x的估计值；/>和/>分别表示天线索引号k1和k2的估计值；/>和/>分别表示信道状态索引号l1和l2的估计值。
依据发射端的五个步骤的比特映射规则，SSB-MBM方案的频谱效率为
(bpcu,bits per channel use) (9)
图1和图2中给出了SSB-MBM方案与文献E.Basar and I.Altunbas“Space-timechannel modulation,”和I.Yildirim,E.Basar,and I.Altunbas,“Coordinateinterleaved orthogonal design with media-based modulation”中的CIOD-MBM I，II以及STCM方案在采用Nt＝2根和Nt＝4根发射天线数时的频谱效率的比较，可以看出，随着RF反射镜数目Nrf的增多，几种方案的频谱效率都随着Nrf呈线性增长。与CIOD-MBMI，II以及STCM方案相比，由于本实施例方案中的SSB码携带了四个符号，而且SSB-MBM同时利用了对角和反对角方向上的空间资源，因而在频谱效率上具有更为明显的优势。
通过计算SSB-MBM方案的最小码字距离，可以计算出对于两个不同的SSB-MBM信号X和具有/>因而SSB-MBM方案可以在无需做任何参数优化的情况下自动获得二阶发射分集。
本实施例给出了SSB-MBM算法的误码性能仿真结果，并将其与现有的I.Yildirim,E.Basar,and I.Altunbas,“Coordinate interleaved orthogonal design with media-based modulation”中的CIOD-MBM I和II算法的性能进行比较。
仿真实验给出了几种方案的误码率(BER)随着接收天线处的平均信噪比(Eb/N0)变化的情况，其中Eb为每比特上的平均能量。在所有的仿真中，采用的接收天线数Nr＝4，且所有的性能比较都是在BER＝10-5上进行的比较。
图3中给出了采用Nt＝2个发射天线时SSB-MBM与CIOD-MBM II在频谱效率分别为5，5.5和6bpcu时的BER曲线。由图3可见，当每个发射天线处具有Nrf＝1个RF反射镜且频谱效率为5bpcu时，SSB-MBM比CIOD-MBM II具有大约5dB的性能增益；当每个发射天线处具有Nrf＝2和3个RF反射镜时，在CIOD-MBM I和II的频谱效率为5.5bpcu时，SSB-MBM在获得6bpcu的频谱效率时比CIOD-MBM I和II分别具有大约3dB和5dB的性能增益。上述SSB-MBM的性能优势是因为由于SSB-MBM具有比CIOD-MBM I和II更高的频谱效率，当在相同的频谱效率下进行公平比较时，SSB-MBM可以比CIOD-MBM I和II采用更低的调制阶数，如SSB-MBM采用了4QAM的调制，而CIOD-MBM I和II则要采用16QAM才可以达到和SSB-MBM相同或者相当的频谱效率，因而SSB-MBM具有明显的性能增益。
图4中给出了采用Nt＝4个发射天线时SSB-MBM与CIOD-MBM II在不同的频谱效率下的BER曲线。采用Nt＝4个发射天线时，由于SSB-MBM很难和CIOD-MBM II调成相同的频谱效率，所以在相近的频谱效率下进行比较。首先在采用Nrf＝2个RF镜时，比较了CIOD-MBM II在6.5bpcu和SSB-MBM在7bpcu时的性能，SSB-MBM比CIOD-MBM II具有大约4.2dB的性能增益；其次，比较了CIOD-MBM II在采用Nrf＝4个RF镜，频谱效率为7.5bpcu与SSB-MBM在采用Nrf＝3个RF镜，频谱效率为8bpcu时的误码性能，由图可见，SSB-MBM比CIOD-MBM II具有大约4.4dB的性能增益。上述SSB-MBM在误码性能上的优势同样可以解释为它具有比CIOD-MBM更高的频谱效率，所以在相近的频谱效率下比较时，它可以用更低的调制阶数，这里SSB-MBM仅采用4QAM即可。而且，随着射频反射镜数目的增加，SSB-MBM的性能增益更为明显。
媒介调制(Media-Based Modulation，MBM)是可重构天线系统中利用射频镜(RFmirrors)的开/关形成不同的信道状态，从而利用信道状态的索引号来传递信息比特的调制技术。针对现有的MBM技术频谱效率较低的缺陷，本实施例中提出了一种高速率空间调制媒介调制方法。本实施例中采用SSB码作为基本码字，因而称为SSB-MBM方法，其中联合空间调制(spatial modulation，SM)中的天线激活方法，充分利用了两个时隙上对角和反对角上的空间资源，从而比现有的典型MBM方法可获得更高的频谱效率。由于SSB码本身即可以获得二阶分集，再联合适当的天线及信道状态激活方法，使得所提出的SSB-MBM方法可以获得二阶发射分集，因而具有较好的抵抗信道衰落能力。仿真实验表明，在不同的参数配置下和不同的频谱效率下，SSB-MBM方案都具有比已有的MBM方案更好的误码性能。
实施例二
本实施例的目的是提供基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制系统，具有多个发射天线和多个接收天线的多进多出系统，发射端采用可重构天线，包括：
发射端，用于将传输信号的信息比特形成SSB编码矩阵；所述传输信号在发射端基于空间调制技术选择不同的发射天线，基于媒介调制技术激活所选择的发射天线上的不同信号辐射状态，利用辐射状态索引传递SSB编码矩阵的信息比特；
接收端，用于对接收到的信号采用最大似然方法进行检测，映射为信息比特。
在所述发射端包括：将传输信号的信息比特分为多组，根据第一组信息比特从M-PSK/QAM星座中分四次独立地选出SSB码中待传输的4个符号，形成SSB编码矩阵。
在所述发射端还包括：在第一时隙，第二组信息比特用于选择第一组发射天线中第一根发射天线，第三组信息比特用于激活第一组发射天线中第一根发射天线上的第一种信道状态，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在第一时隙，第四组信息比特用于选择第二组发射天线中的第二根发射天线，第五组信息比特用于激活第二组发射天线中的第二根发射天线上的第二种信道状态，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在与第一时隙相对应的第二时隙，第一组发射天线中第二根发射天线的第二种信道状态被激活，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在与第一时隙相对应的第二时隙，第二组发射天线中第一根发射天线的第一种信道状态被激活，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号。
在所述发射端，每个时隙在每个发射天线上只有一个信道状态被激活
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，采用具有多个发射天线和多个接收天线的多进多出系统，发射端采用可重构天线，其特征在于，包括：
将传输信号的信息比特在发射端形成SSB编码矩阵；
所述传输信号在发射端基于空间调制技术选择不同的发射天线，基于媒介调制技术激活所选择的发射天线上的不同信号辐射状态，利用辐射状态索引传递SSB编码矩阵的信息比特；
在接收端对接收到的信号采用最大似然方法进行检测，映射为信息比特。
2.如权利要求1所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，其特征在于，将传输信号的信息比特分为多组，发射端根据第一组信息比特从M-PSK/QAM星座中分四次独立地选出SSB码中待传输的4个符号，形成SSB编码矩阵。
3.如权利要求2所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，其特征在于，所述传输信号在发射端基于空间调制技术选择发射天线，基于媒介调制技术激活所选择的发射天线上的不同信号辐射状态，利用辐射状态索引传递SSB编码矩阵的信息比特，具体为：
在第一时隙，第二组信息比特用于选择第一组发射天线中第一根发射天线，第三组信息比特用于激活第一组发射天线中第一根发射天线上的第一种信道状态，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在第一时隙，第四组信息比特用于选择第二组发射天线中的第二根发射天线，第五组信息比特用于激活第二组发射天线中的第二根发射天线上的第二种信道状态，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在与第一时隙相对应的第二时隙，第一组发射天线中第二根发射天线的第二种信道状态被激活，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在与第一时隙相对应的第二时隙，第二组发射天线中第一根发射天线的第一种信道状态被激活，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号。
4.如权利要求1所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，其特征在于，每个时隙在每个发射天线上只有一个信道状态被激活。
5.如权利要求3所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，其特征在于，根据不同的发射天线索引号和信道索引号，对SSB编码矩阵中对应位置的信号进行发送。
6.如权利要求1所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制方法，其特征在于，在接收端对接收到的信号采用最大似然方法进行检测，映射为信息比特，具体为：
根据发送信号的信号SSB编码表示形式，得到接收信号的表示；
将接收信号的表示进行拉直运算，得到等价公式；
采用最大似然方法对等价公式进行译码检测，得到对应的信息比特。
7.基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制系统，具有多个发射天线和多个接收天线的多进多出系统，发射端采用可重构天线，其特征在于，包括：
发射端，用于将传输信号的信息比特形成SSB编码矩阵；所述传输信号在发射端基于空间调制技术选择不同的发射天线，基于媒介调制技术激活所选择的发射天线上的不同信号辐射状态，利用辐射状态索引传递SSB编码矩阵的信息比特；
接收端，用于对接收到的信号采用最大似然方法进行检测，映射为信息比特。
8.如权利要求7所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制系统，其特征在于，在所述发射端包括：将传输信号的信息比特分为多组，根据第一组信息比特从M-PSK/QAM星座中分四次独立地选出SSB码中待传输的4个符号，形成SSB编码矩阵。
9.如权利要求8所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制系统，其特征在于，在所述发射端还包括：
在第一时隙，第二组信息比特用于选择第一组发射天线中第一根发射天线，第三组信息比特用于激活第一组发射天线中第一根发射天线上的第一种信道状态，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在第一时隙，第四组信息比特用于选择第二组发射天线中的第二根发射天线，第五组信息比特用于激活第二组发射天线中的第二根发射天线上的第二种信道状态，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在与第一时隙相对应的第二时隙，第一组发射天线中第二根发射天线的第二种信道状态被激活，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号；
在与第一时隙相对应的第二时隙，第二组发射天线中第一根发射天线的第一种信道状态被激活，用于发送SSB编码矩阵中对应序号的信号。
10.如权利要求8所述的基于可重构天线的高速率空间调制媒介调制系统，其特征在于，在所述发射端，每个时隙在每个发射天线上只有一个信道状态被激活。
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