CN117335850A - 一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法及系统 - Google Patents

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CN117335850A CN202311153282.4A CN202311153282A CN117335850A CN 117335850 A CN117335850 A CN 117335850A CN 202311153282 A CN202311153282 A CN 202311153282A CN 117335850 A CN117335850 A CN 117335850A
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Abstract

本申请公开了一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法及系统，包括：信息通过三种方式传输：调制比特、天线激活图案AAP索引比特和能量分配图案EAP索引比特；信源比特流经串并变换后分解为：调制比特流、用于选择AAP和EAP的同相比特流以及用于选择AAP和EAP的正交比特流；基于以上比特流选择激活相应的天线，以相应的能量分配值传输调制符号的实部与虚部，构建C‑GQSM的发射信号，以在接收端利用最大似然检测ML算法辅助的ML‑OSIC检测器，完成信号恢复。本申请的方法在保持误码率性能的同时实现显著的频谱效率SE改进，所提出的ML‑OSIC检测器在小规模MIMO场景中能以较低的复杂度获得接近最优ML检测性能。

Description

一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法及系统
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法及系统。
背景技术
在传统的多天线系统中，发射机和接收机都需要大量的射频链，导致硬件成本高，信号处理复杂度高。为了解决这个问题，空间调制(spatial modulation，SM)利用激活的发射天线索引作为一种额外维度，来隐形地传输额外信息比特，且传输无须消耗任何额外能量。尽管SM方案具有许多优点，但其单射频链的结构使得天线利用率很低，限制了传输速率。发射天线数目必须为2的整数次幂，且信息传输速率线性增长时发射天线数呈指数级增长，这都限制了其应用范围。
为了克服这一限制，提出了广义SM(generalized SM，GSM)，在每个时隙，从Nt个发射天线中选取Na个进行激活。也即GSM能够在每个时隙中通过多根发射天线来发送同一调制符号以避免ICI，天线效率和频谱效率更高。
为了在SM的基础上改善系统的频谱利用率(spectral efficiency，SE)和误比特率(the bit error rate，BER)性能，正交空间调制(Quadrature Space Modulation，QSM)技术作为SM的另一种改进而被学者提出。这种技术利用了同相和正交二维空间维度，QSM把调制符号划分为实部和虚部，通过同一或不同的发射天线来分别发送这两部分。因此QSM相对于SM不仅提高了天线的利用率，同时将天线索引部分携带的比特数翻了一倍，SE明显提高。在QSM技术中，发射机通过单一的IQ射频链同步发射两路信号，且无ICI的问题，硬件成本也很低。由于在同相域和正交域都只激活单根发射天线，因此发射天线数必须为2的整数次幂，应用上存在局限性。
针对QSM系统，假定发射机配置Nt根发射天线，接收机配置Nr根接收天线，单个IQ射频链，调制方式采用QAM，阶数为M。信源比特流经过串并变换划分为调制部分、同相索引部分和正交索引部分。调制部分的比特数为log2 M，同相索引部分和正交索引部分的比特数相等，都为log2Nt。因此，QSM系统在每个时隙能够携带的比特总数为m＝2log2Nt+log2 M。
有学者进一步提出了广义正交空间调制(generalized quadrature SM，GQSM)。
基站配备有Nt个发射天线和Na个传输射频链。GQSM方案的信息比特包含三部分，即m＝mI+mQ+ms。具体来说，ms＝Nalog2M，调制比特是指被调制为Na个M进制PSK/QAM符号，可表示为同相索引比特和正交索引比特/>是用于选择天线激活图案的同相部分和正交部分，即/>和表示从Nt个发射天线中选择Na个天线激活，用于传输调制符号的同相部分和正交部分。根据上述映射规则，可表示为：
其中，和/>分别表示sk的实部和虚部，k＝1，2，...Na。
因此，最后的GQSM的可以写成x＝xI+jxQ。
又有学者提出了一种新的能量域索引调制概念，称为CM调制(compositionmodulation，CM)[F.Yarkin，and J.P.Coon，“Index and composition modulation，”IEEECommun.Lett.，vol.25，no.3，pp.911-915，Mar.2021]，其中CM的码字是由整数组合而成的。随后，[J.Li，S.Dang，Y.Huang，P.Chen，X.Qi，M.Wen，and H.Arslan，“Composite multiple-mode orthogonal frequency division multiplexing with index modulation，”IEEETrans.Wireless Commun.，early access，2022.]将CM应用于多模正交频分复用索引调制(multiple mode orthogonal frequency division multiplexing with indexmodulation，MM-OFDM-IM)方案，以提高SE。
针对调制方法来说，尽管SM方案具有许多优点，但其单射频链的结构使得天线利用率很低，限制了传输速率。该系统发射天线数目必须为2的整数次幂，且信息传输速率线性增长时发射天线数呈指数级增长，这都限制了其应用范围。QSM方案由于在同相域和正交域都只激活单根发射天线，因此发射天线数必须为2的整数次幂，应用也存在局限性。
针对检测算法来说，传统的最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测算法需要将所有可能的激活天线及调制符号组合进行穷尽搜索并比较，选择欧式距离最小的组合作为最终的检测信号。但存在的问题是不能适用于接收天线数目小于总发射天线数目的场景，利用ZF算法，在信道矩阵为病态矩阵时，噪声分量会被急剧放大，从而影响激活天线序号检测的可靠性，进而导致误码率急剧恶化；算法较ML存在较大性能损失。
发明内容
本申请实施例提供一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法及系统，在保持误码率性能的同时实现显著的SE改进，所提出的ML-OSIC检测器在小规模MIMO场景中能以较低的复杂度获得接近最优ML检测性能。
本申请实施例提供一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法，包括如下步骤：
定义信息通过三种方式传输：调制比特、天线激活图案(antenna activationpattern，AAP)索引比特和能量分配图案(energy allocation pattern，EAP)索引比特；
在发射端，信源比特流经串并变换后分解为调制比特、用于选择AAP和EAP的同相比特以及用于选择AAP和EAP的正交比特；
基于调制比特、同相比特以及正交比特选择激活相应的天线，以相应的能量分配值传输调制符号的实部与虚部，构建能量域索引辅助广义正交空间调制(C-GQSM)的发射信号；
在接收端，基于ML-OSIC检测器，先利用ML估计AAP，再利用OSIC算法恢复调制符号和EAP，从而完成信号恢复。
可选的，基于调制比特、同相比特以及正交比特选择激活相应的天线，以相应的能量分配值传输调制符号的实部与虚部，构建能量域索引辅助广义正交空间调制(C-GQSM)的发射信号包括：
对于AAP比特和EAP比特的同相部分mI、正交部分mQ，同相部分mI进一步分解为和/>两部分，/>用以确定AAP的同相分量，/>用于确定EAP的同相分量，正交部分mQ进一步分解为/>和/>两部分，/>用以确定AAP的正交分量，/>用于确定EAP的正交分量；
基于AAP的同相和正交分量确定AAP，基于EAP的同相和正交分量确定EAP；
对于调制比特，调制为Na个M进制PSK/QAM符号，生成调制信号矢量，并将所述调制信号矢量分解为同相部分和正交部分；
基于选择的激活天线及其相应能量系数、调制信号矢量分解出的同相部分和正交部分，确定发射的信号矢量的同相部分和正交部分。
可选的，基于确定的发射信号矢量的同相部分和正交部分构建C-GQSM的发射信号包括：
结合发射的信号矢量的同相部分和正交部分，构建C-GQSM的发射信号。
可选的，在接收端ML-OSIC检测器先执行ML检测，对所有可能的AAP组合进行穷举搜索，生成一系列AAP候选方案，将接收信号表示为实值形式：
表示为：
其中，接收信号信道矩阵/>发射信号/>噪声
可选的，对于候选方案中某个特定的AAP组合 利用ML-OSIC检测器再采用如下步骤实现OSIC检测，来获取EAP和调制符号：
生成所述特定的AAP组合Ig对应的信道在Ig组合下将信道按照其系数的范数降序排列；
针对第l(1)个激活的天线，其能量系数和发送的M进制PSK/QAM符号估计为：
其中，Gl(1)表示G的第l(1)行，
针对第l(2)个激活的天线，接收到的为消除了第p(1)个接收信号后的值，满足：
得到相应的能量系数和传输符号：
对所有激活天线重复上述步骤，以获得相应的EAP及传输符号/>
可选的，获得相应的EAP和传输符号之后还包括：
计算欧式距离，基于所计算的欧式距离遍历搜索所有可能的AAP组合，可得：
其中，表示欧式距离；
最终确定的AAP估值满足倒推获得相应的EAP估计值和调制符号。
本申请实施例还提出一种能量域索引辅助广义正交空间调制系统，其特征在于包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法的步骤。
本申请实施例的方法能够在保持误码率性能的同时实现显著的SE改进，所提出的ML-OSIC检测器在小规模MIMO场景中能以较低的复杂度获得接近最优ML检测性能。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请实施例的能量域索引辅助广义正交空间调制方法基本流程示意；
图2为本申请实施例的GQSM与C-GQSM的系统框图对比示意。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了进一步提高传统GQSM的SE，本申请实施例将CM结合到GQSM中，称为C-GQSM，即能量域索引辅助广义正交空间调制方法。与GQSM相比，所提出的C-GQSM利用能量域索引来传递额外的信息比特。也即，在C-GQSM方案中，信息不仅通过天线激活图案(antennaactivation pattern，AAP)和调制符号进行传递，还可通过能量分配图案(antennaactivation pattem，EAP)传递。本申请实施例提供一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法，如图1所示，包括如下步骤：
定义信息通过三种方式传输：调制比特、天线激活图案(antenna activationpattern，AAP)索引比特和能量分配图案(energy allocation pattern，EAP)索引比特。
在步骤S101中，在发射端，信源比特流经串并变换后分解为调制比特ms、用于选择AAP和EAP的同相比特mI以及用于选择AAP和EAP的正交比特mQ。
在步骤S102中，基于以上比特选择激活相应的天线，以相应的能量分配值传输调制符号的实部与虚部，构建能量域索引辅助广义正交空间调制(C-GQSM)的发射信号。
在本申请实施例中，如图2所示，基于调制比特ms、用于选择AAP和EAP的同相比特mI以及用于选择AAP和EAP的正交比特mQ，以确定所需发射的信号矢量的同相部分和正交部分包括：
对于AAP比特和EAP比特的同相部分mI、正交部分mQ，同相部分mI可进一步分解为和/>两部分，/>用以确定AAP的同相分量，/>用于确定EAP的同相分量，正交部分mQ可进一步分解为/>和/>两部分，/>用以确定AAP的正交分量，/>用于确定EAP的正交分量。
具体的，比特用于选择AAP同相分量/> 比特用于选择EAP同相分量，
同样的，用于选择AAP正交分量/> 用于选择EAP正交分量/>
基于AAP的同相和正交分量可确定AAP，即选择激活的天线，基于EAP的同相和正交分量可确定EAP，即激活天线的能量系数。
AAP确定激活哪些天线，EAP确定相应激活天线的能量系数，即其中/>ET是传输总能量。
对于调制比特，调制为Na个M进制PSK/QAM符号，生成调制信号矢量，并将所述调制信号矢量分解为同相部分和正交部分。具体示例中，ms＝Nalog2 M比特被调制为Na个M进制PSK/QAM符号，生成调制信号矢量信号矢量可进一步分解为同相和正交两部分，/>和/>
基于选择的激活天线及其相应能量系数、调制信号矢量分解出的同相部分和正交部分，确定发射的信号矢量的同相部分和正交部分。
发射的信号矢量的同相部分和正交部分分别可表示为
及
在步骤S103中，在接收端，ML-OSIC检测器首先利用ML估计AAP，即天线选择图案，再利用OSIC算法恢复调制符号和EAP，即能量分配图案，从而完成信号恢复。
本申请实施例的方法能够在保持误码率性能的同时实现显著的SE改进，所提出的ML-OSIC检测器在小规模MIMO场景中能以较低的复杂度获得接近最优ML检测性能。
在本申请实施例中，基于确定的发射的信号矢量的同相部分和正交部分构建C-GQSM的发射信号包括：
将确定的发射的信号矢量的同相部分作为实部，发射的信号矢量的正交部分作为虚部，构建C-GQSM的发射信号。
例如，C-GQSM的发射信号表示为：
x＝xI+jxQ
关于映射法则，本申请实施例给出一个例子来更直观地说明细节。下表举例说明了当发射天线Nt＝4，射频链Na＝2，功率等级数L＝4时，C-GQSM方案的I/Q部分的映射法则。
其中，χ∈{1，Q}。
假设输入比特为0011010011，采用QPSK调制，比特分解为mI＝001，mQ＝101，ms＝0011。
对于同相部分mI＝001，前面两比特00用于选择AAP，最后一比特用于选择EAP，ξI＝{3，1}，对应的能量系数为/>
同样地，正交部分mQ＝101，选择的AAP，选择的EAPξQ＝{3，1}。剩余的ms＝0011被调制为QPSK星座符号[s1，s2]＝[1+j，1-j]。
由此，发送信号的同相部分正交部分
结合同相和正交两部分，可得
在接收端，接收信号为y＝Hx+n，其中是均值为0、方差为σ2的高斯白噪声信号。
由此，最优ML检测可表示为
其中，是C-GQSM发送的信号矢量集合，大小为2m。
以最优ML检测为对比基准，提出ML辅助的顺序干扰消除检测器(ML aidedordered successive interference cancellation，ML-OSIC)。在本申请实施例中，在接收端利用ML-OSIC检测器，完成信号恢复包括：
将接收信号表示为：
可表示为：
其中，接收信号信道矩阵/>发射信号/>噪声复数域转化为实数域时，星座点是复数，转化为实数域处理，维度增加一倍。
由此，最优ML检测可表示为：
最优ML检测需要计算种AAP组合，/>种EAP组合，以及/>可能的信号矢量。因此，最优ML检测的计算复杂度为/>当使用大规模天线阵列时，计算复杂度很高。
本申请实施例的ML-OSIC检测器，核心在于其特殊的两阶段信号检测方法，包括：
首先在空间域中执行ML检测，对所有可能的AAP组合进行穷举搜索，以生成候选方案；
对于候选方案中某个特定的AAP组合ML-OSIC检测器再采用OSIC检测，来获取EAP和调制符号。
在本申请实施例中，对于特定的AAP组合采用如下步骤利用OSIC检测，来获取EAP和调制符号包括：
生成所述特定的AAP组合Ig对应的信道在Ig组合下将信道按照其系数的范数降序排列也即：
其中，vecnorm(H)是指信道矩阵H列的范数，sort(a，″descent″)是指将a进行降序排列。
针对第l(1)个激活的天线，其能量系数和发送的M进制PSK/QAM符号估计为：
其中，Gl(1)表示G的第l(1)行，
针对第l(2)个激活的天线，接收到的为消除了第p(1)个接收信号后的值，满足：
可得到相应的能量系数和传输符号：
对所有激活天线重复上述步骤，以获得相应的EAP及传输符号/>
调制符号为：
在本申请实施例中，获得相应的EAP之后还包括：
计算欧式距离，基于所计算的欧式距离遍历搜索所有可能的AAP组合，可得：
其中，表示欧式距离；
最终确定的AAP估值满足可倒推获得相应的EAP估计值/>和调制符号/>
本申请实施例还给出复杂度分析
本申请实施例的复杂度分析根据实值浮点运算数。对于特定的矩阵下表中给出了两种检测算法中操作所需的实值浮点运算数。
因此，最优ML检测器的检测复杂性可表示为
OSIC检测器的检测复杂性可表示为
ML-OSIC检测器的检测复杂性可表示为
其中，是所有可能AAP候选集合的搜索空间。
下表说明了这些检测器在不同参数设置下的计算复杂度比较。从表中可以看出，与最优ML检测器相比，本申请实施例所提出的ML-OSIC检测器检测复杂度明显降低。
其中，Nt为发射天线数，Nr为接收天线数，Na为射频链个数，L为功率等级数，M为调制阶数。
本申请实施例还给出性能分析：
基于C-GQSM的系统模型，可获得其传输速率
GQSM系统的传输速率为
VBLAST系统的传输速率为
RVBLAST＝Ntlog2 M
由分析可得，当Na＜Nt时，提出的C-GQSM方案比传统的GQSM方案具有更高的传输速率。这种优势归因于C-GQSM将索引调制的概念扩展到能量域。此外，当Na＝Nt时，C-GQSM方案和GQSM方案均等同于传统的VBLAST方案，提供相同的传输速率。当时，C-GQSM的传输速率达到最大。
本申请实施例提出了一种新的调制方案C-GQSM，即能量域索引辅助广义正交空间调制方法，在C-GQSM中，信息通过三种方式传输：调制比特、天线激活图案索引比特和能量分配图案索引比特。本申请的方法创新地将能量域索引与空间域索引调制有机结合，在保持误码率性能的同时实现显著的SE改进，本申请所提出的ML-OSIC检测器在小规模MIMO场景中能以较低的复杂度获得接近最优ML检测性能。当存在信道估计误差时，发射天线数越多的系统性能更稳健。造成这种变化的原因是，当传输相同的索引比特时，具有更多发射天线的发射机减少了码字重叠，从而减少了干扰。
本申请实施例还提出一种能量域索引辅助广义正交空间调制系统，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法的步骤。
需要说明的是，在本申各实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (8)

1.一种能量域索引辅助广义正交空间调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
定义信息通过三种方式传输：调制比特、天线激活图案(antenna activationpattern，AAP)索引比特和能量分配图案(energy allocation pattern，EAP)索引比特；
在发射端，信源比特流经串并变换后分解为调制比特、用于选择AAP和EAP的同相比特以及用于选择AAP和EAP的正交比特；
基于调制比特、同相比特以及正交比特选择激活相应的天线，以相应的能量分配值传输调制符号的实部与虚部，构建能量域索引辅助广义正交空间调制(C-GQSM)的发射信号；
在接收端，基于ML-OSIC检测器，先利用ML估计AAP，再利用OSIC算法恢复调制符号和EAP，从而完成信号恢复。
2.如权利要求1所述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法，其特征在于，基于调制比特、同相比特以及正交比特选择激活相应的天线，以相应的能量分配值传输调制符号的实部与虚部，构建能量域索引辅助广义正交空间调制(C-GQSM)的发射信号包括：
对于AAP比特和EAP比特的同相部分mI、正交部分mQ，同相部分mI进一步分解为和/>两部分，/>用以确定AAP的同相分量，/>用于确定EAP的同相分量，正交部分mQ进一步分解为/>和/>两部分，/>用以确定AAP的正交分量，/>用于确定EAP的正交分量；
基于AAP的同相和正交分量确定AAP，基于EAP的同相和正交分量确定EAP；
基站配备有Nt个发射天线和Na个传输射频链，即从Nt个发射天线中选择Na个天线激活，对于调制比特，调制为Na个M进制PSK/QAM符号，生成调制信号矢量，并将所述调制信号矢量分解为同相部分和正交部分；
基于选择的激活天线及其相应能量系数、调制信号矢量分解出的同相部分和正交部分，确定发射的信号矢量的同相部分和正交部分。
3.如权利要求2所述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法，其特征在于，基于确定的发射信号矢量的同相部分和正交部分构建C-GQSM的发射信号包括：
结合发射的信号矢量的同相部分和正交部分，构建C-GQSM的发射信号。
4.如权利要求2所述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法，其特征在于，在接收端ML-OSIC检测器先执行ML检测，对所有可能的AAP组合进行穷举搜索，生成一系列AAP候选方案，将接收信号表示为实值形式：
表示为
其中，接收信号信道矩阵/>发射信号/>噪声/>
5.如权利要求4所述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法，其特征在于，对于候选方案中某个特定的AAP组合利用ML-OSIC检测器再采用如下步骤实现OSIC检测，来获取EAP和调制符号：
生成所述特定的AAP组合Ig对应的信道在Ig组合下将信道按照其系数的范数降序排列；
针对第l(1)个激活的天线，其能量系数和发送的M进制PSK/QAM符号估计为：
其中，Gl(1)表示G的第l(1)行，
针对第l(2)个激活的天线，接收到的为消除了第p(1)个接收信号后的值，满足：
得到相应的能量系数和传输符号：
对所有激活天线重复上述步骤，以获得相应的EAP及传输符号/>
6.如权利要求5所述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法，其特征在于，获得相应的EAP和传输符号之后还包括：
计算欧式距离，基于所计算的欧式距离遍历搜索所有可能的AAP组合，可得：
其中，表示欧式距离；
最终确定的AAP估值满足倒推获得相应的EAP估计值和调制符号。
7.一种能量域索引辅助广义正交空间调制系统，其特征在于包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的能量域索引辅助广义正交空间调制方法的步骤。
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