CN109274411B - 用于大规模mimo***的空间调制方法和大规模mimo*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种结合阵列增益控制和模拟波束赋形的空间调制方法，以及基于此空间调制方法的大规模多输入多输出(MIMO)***。该方法将空间信息比特与发射样式相映射，可以有效利用空间自由度，提高***的传输速率；本发明提出的对多个相邻天线子阵列采用的阵列增益控制方案有效提高天线子阵列的信道增益多样性，降低相邻子阵列的信道相关性；本发明基于信漏噪比准则提出的模拟波束赋形方法，可有效降低多用户大规模MIMO***中射频链路的使用数量，同时减少用户间干扰。本发明所提出的***，不仅适用于单用户混合结构大规模MIMO***，还适用于多用户混合结构大规模MIMO下行传输***。

Description

用于大规模MIMO***的空间调制方法和大规模MIMO***

技术领域

本发明属于无线通信技术，具体涉及一种结合阵列增益控制和模拟波束赋形的空间调制方法，以及基于此空间调制方法的大规模MIMO***。

背景技术

大规模MIMO的天线数较传统MIMO增加了数个量级，具有很高的阵列增益，可有效地对抗路径损耗，提高***的鲁棒性。但在传统的MIMO***中，预编码通常在数字基带进行，并且需要为每根天线提供专用的基带和射频硬件。对于大规模MIMO***，由于射频链路的成本和功率损耗高，很难实现全数字通信。使用模拟波束赋形技术可有效降低射频链路的使用数量，减少硬件实现成本，降低***复杂度和功率损耗。在大规模MIMO下行多用户***中，如果基站处的发射天线数目远远大于用户的接收天线数目，则基站与每个用户之间的信道接近正交。由于基站天线数目越大，用户间干扰越小，因此，大规模MIMO***中用户间干扰趋于零。此时，可通过基于信漏噪比准则进行模拟波束赋形，使其最大化目标用户的功率并最小化泄漏到其他用户信道方向的功率，由此选择最优的波束赋形矢量，以减小用户间干扰。

空间调制是一种获得多天线增益的方式。在基于发射天线空间调制的MIMO***中，发射机在同一时刻只有某一根天线或者某几个天线发射信号。这样发射机可实现比特数据与天线发射模式相对应，从而增加额外的传输信息。接收机通过判断发射的模式来对数据进行解调。本发明将空间调制技术应用于混合结构大规模MIMO***，提高了***的传输速率。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种结合阵列增益控制和模拟波束赋形的空间调制方法，以及基于此空间调制方法的大规模MIMO***，以提高***的传输速率。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于大规模MIMO***的空间调制方法，包括以下步骤：

(1)对发送比特数据进行空间调制，将其分成两部分，一部分作为信息符号按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特，其中，对发射天线进行分组，每组天线为一个天线子阵列，每个天线子阵列中包含多根发射天线，基站根据用户端对应的空间信息比特选定发射天线子阵列；

(2)对某一用户对应的不同发射天线子阵列赋予不同的阵列增益；此外，每个天线子阵列对应的阵列增益在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同，以此降低相邻天线子阵列的信道相关性；

(3)用户端发射信号至基站，基站利用选定的天线子阵列接收信号，同时采用到达角估计算法估计出上行链路信号直达径的到达角，然后，根据信道上下行链路的互易性获得下行链路中信号的发射角，用以形成模拟波束赋形向量，从而对选定的天线子阵列进行波束赋形；

(4)发射机通过空间调制确定的天线子阵列发射信号；

(5)用户端根据接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式，进行空间信息解调。

优选地，在所述步骤(2)中，某一用户的第m个发射天线子阵列的阵列增益因子满足

其中

为在第t帧的传输时间内，对第m个发射天线子阵列赋予的阵列增益因子，T为总帧数。

优选地，在所述步骤(3)中，第m个发射天线子阵列的模拟波束赋形向量表示为：

其中下行链路中信号直达径的发射角为φ，j是虚常数，k₀＝2π/λ，λ是载波波长，μ为发射天线子阵列中的天线数，d表示天线间距。

优选地，在所述步骤(3)中，对于多用户场景，用户端分别发送相互正交的信号至基站。

优选地，在所述步骤(3)中，对于多用户场景，对于活跃的天线子阵列，在获得各用户下行链路中信号的发射角后，基于最大化信漏噪比准则得到模拟波束赋形向量，

其中，第k个用户端的信漏噪比表示为：

其中，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第k个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第q个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，ρ_k,k和ρ_q,k分别表示相应的路径增益，

为方差，分母中的

项表示从目标用户端k的波束赋形方向泄漏到其他用户端的功率，通过最大化SLNR_k，即得到第k个用户端的最优波束赋形向量f_k。

优选地，在所述步骤(5)中，根据误差最小准则确定发射样式，进行空间信息解调进一步包括接收机根据接收信号采用最大似然估计方法或者最小欧式距离估计方法，根据以下准则联合估计发射样式和信息符号：

其中误差向量ε_n,m＝y-β_mH_mf_ms_n，y为接收机收到的信号向量，H_m表示从第m个发射天线子阵列到接收机的信道矩阵，β_m为第m个发射天线子阵列的阵列增益因子，s_n为所设定的N维信息星座图中的第n个星座点对应的信息符号。

在另一实施例中，本发明提供一种基于空间调制的大规模MIMO***，包括发射机端装置和接收机端装置，其中：

所述发射机端装置包括空间调制单元、阵列增益控制单元和模拟波束赋形单元，其中，

所述空间调制单元对发送比特数据进行空间调制，将其分成两部分，一部分作为信息符号按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特，其中，对发射天线进行分组，每组天线为一个天线子阵列，每个天线子阵列中包含多根发射天线，基站根据用户端对应的空间信息比特确定发射天线子阵列；

所述阵列增益控制单元对某一用户对应的不同发射天线子阵列赋予不同的阵列增益，且每个天线子阵列的阵列增益在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同；

所述模拟波束赋形单元采用到达角估计算法估计出上行链路信号直达径的到达角，然后，根据信道上下行链路的互易性获得下行链路中信号的发射角，用以形成模拟波束赋形向量，从而对选定的天线子阵列进行波束赋形；

所述接收机端装置，用于根据接收信号估计信息符号并进行空间信息解调。

优选地，所述模拟波束赋形单元对于多用户场景，对于活跃的天线子阵列，在获得各用户下行链路中信号的发射角后，基于最大化信漏噪比准则得到模拟波束赋形向量，

其中，第k个用户端的信漏噪比表示为：

其中，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第k个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第q个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，ρ_k,k和ρ_q,k分别表示相应的路径增益，

为方差，分母中的

项表示从目标用户端k的波束赋形方向泄漏到其他用户端的功率，通过最大化SLNR_k，即得到第k个用户端的最优波束赋形向量f_k。

优选地，所述阵列增益控制单元使某一用户的第m个发射天线子阵列的阵列增益因子满足

其中

为在第t帧的传输时间内，对第m个发射天线子阵列赋予的阵列增益因子，T为总帧数。

优选地，所述接收机端装置包括：

样式估计单元，用于根据接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式；

空间解调单元，用于根据发射样式进行空间信息解调；以及

符号估计单元，用于采用最大似然估计方法或者根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离确定信息符号。

有益效果：

本发明提出了一种结合阵列增益控制和模拟波束赋形的空间调制方法，以及基于此空间调制方法的大规模MIMO***。该方法将空间信息比特与发射样式相映射，可以有效利用空间自由度，提高***的传输速率；本发明提出的对多个相邻天线子阵列采用的阵列增益控制方案有效提高天线子阵列的信道增益多样性，降低相邻子阵列的信道相关性；本发明基于信漏噪比准则提出的模拟波束赋形方法，可有效降低多用户大规模MIMO***中射频链路的使用数量，同时减少用户间干扰。本发明所提出的***，不仅适用于单用户混合结构大规模MIMO***，还适用于多用户混合结构大规模MIMO下行传输***。

附图说明

图1(a)为本发明方法用于单用户大规模MIMO***的发射机端示意图。

图1(b)为本发明方法用于单用户大规模MIMO***的接收机端示意图。

图2(a)为本发明方法用于多用户大规模MIMO下行传输***的基站(发射机)端示意图。

图2(b)为本发明方法用于多用户大规模MIMO下行传输***的用户k(接收机)端示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明实施例公开一种结合阵列增益控制和模拟波束赋形的空间调制方法，包括：

在多用户混合结构大规模MIMO下行传输***中，发射机将发送比特数据分成两部分，一部分作为信息符号按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行空间调制；其中，发射机对发射天线进行分组，每组天线为一个子阵列；每个用户对应一条射频链路，其中每条射频链路采用分离型子架构模型，连接多个天线子阵列，且每个子阵列中包含多根发射天线。所述分离型子架构模型定义为在某一确定时刻，根据每个用户的发射样式确定发射信号的天线子阵列，将此天线子阵列与该用户对应的射频链路通过相移网络相连；所述发射样式定义为某一时刻，由某个用户的空间信息比特确定的天线子阵列的发射情况。

发射机根据空间调制确定的天线子阵列发射信号。

作为优选，本发明的发射端不需要知道完全的信道状态信息。对于单用户场景，基站根据该用户对应的空间信息比特确定发射天线子阵列。用户端发射信号至基站，基站利用选定的天线子阵列接收信号，同时采用到达角估计算法，如多信号分类算法(MultipleSignal Classification,MUSIC)估计出上行链路信号直达径的到达角。然后，根据信道上下行链路的互易性，可获得下行链路中信号的发射角，用以形成模拟波束赋形向量。

进一步地，当发射机的天线子阵列之间的相关性较强时，对某一用户的多个天线子阵列采取阵列增益控制的方式进行区分。在同一帧传输时间内，为该用户不同的天线子阵列赋予不同的阵列增益；此外，每个天线子阵列的阵列增益分别满足在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同。

进一步优选，对于多用户场景，基站根据每个用户对应的的空间信息比特确定发射天线子阵列。各用户端分别发送相互正交的信号至基站，基站利用各用户的发射天线子阵列接收信号，并采用MUSIC算法估计出各用户上行链路信号直达径的到达角。同样，根据信道上下行链路的互易性，获得各用户下行链路中信号的发射角，用以形成模拟波束赋形向量。

进一步地，对于多用户场景，每个用户对应的空间信息比特控制天线阵列的发射情况。对于活跃的天线子阵列，本发明采用基于最大化信漏噪比准则得到模拟波束赋形向量。

进一步地，当某个用户对应的发射机的天线子阵列之间的相关性较强时，对该用户的多个天线子阵列采取阵列增益控制的方式进行区分。在同一帧传输时间内，为该用户不同的天线子阵列赋予不同的阵列增益；此外，每个天线子阵列的阵列增益分别满足在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同。

接收机根据接收信号估计信息符号和发射样式，进行空间信息解调和确定信息符号。

作为优选，每个用户根据接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式，进行空间信息解调。

进一步优选，每个用户根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离确定信息符号，计算误差向量，再根据误差最小准则确定发射样式，从而进行空间信息解调。

该方法不仅适用于单用户混合结构大规模MIMO***，还适用于多用户混合结构大规模MIMO下行传输***，可以有效利用空间自由度，提高***的传输速率。

本发明实施例公开一种基于空间调制的大规模MIMO***，包括发射机端装置和接收机端装置；

所述发射机端装置，用于将发送比特数据分成两部分，一部分作为信息符号按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行空间调制；其中，发射机对发射天线进行分组，每组天线为一个子阵列；每个用户对应一条射频链路，其中每条射频链路采用分离型子架构模型，连接多个天线子阵列，且每个子阵列中包含多根发射天线。所述分离型子架构模型定义为在某一确定时刻，根据每个用户的发射样式确定发射信号的天线子阵列，将此天线子阵列与该用户对应的射频链路通过相移网络相连；所述发射样式定义为某一时刻，由某个用户的空间信息比特确定的天线子阵列的发射情况。

所述接收机端装置，用于根据接收信号估计信息符号并进行空间信息解调。

作为优选，所述接收机端装置包括：

样式估计单元，用于根据接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式；

空间解调单元，用于根据发射样式进行空间信息解调；

以及符号估计单元，用于根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离确定信息符号。

下面分别对单用户和多用户两个场景对本发明实施例作详细说明。

本发明所涉及的大规模MIMO无线通信***，包括发射机和接收机。

场景一：单用户混合结构大规模MIMO***

如图1(a)和图1(b)所示，在该单用户大规模MIMO***中，发射机配置有n_t根天线，接收机配置有n_r根天线。在某一时刻，由空间信息比特确定发射天线子阵列后，这一发射天线子阵列中，从第i根发射天线到第p根接收天线的信道系数为h_p,i。接收机收到的信号向量可以表示为：

y＝H_mg_mx+w (1)

其中，H_m表示由空间信息比特确定的第m个发射天线子阵列与接收端之间的信道矩阵，H_m的第p行、第i列元素为h_p,i，g_m表示第m个发射天线子阵列的模拟波束赋形向量，x为发送的符号，w为噪声向量，w的元素服从均值为零，方差为

的复高斯分布。

在本实施例中，假设n_t＝ημ，其中η和μ为正整数。将发射机的天线分成η组均匀线性天线子阵列，每组有μ根天线。每次发射信号的时候，发射机根据空间信息比特选择其中的一组天线子阵列发射信号。此时，发射机有

种发射样式，其中

表示组合运算。相应的每种发射样式可以与

比特信息相映射，其中

表示向下取整操作。

在本实施例中，假设采用窄带簇信道模型。毫米波信道中有L条传输路径，那么窄带簇信道模型可以表示为：

其中L表示路径数，α_l表示第l条路径的增益因子，服从均值为0，方差为1的复高斯分布；θ_l和

分别表示第l条路径的到达角和发射角，服从(0,2π]的均匀分布。a_r(θ_l)和

分别表示基站和用户端的第l条路径的天线阵列响应向量。

在本实施例中，基站和用户端的天线阵列皆为均匀线性天线阵列。此时，a_r(θ_l)和

可进一步分别表示为

其中，k₀＝2π/λ，λ是载波波长，d表示天线间距。

在本实施例中，基站根据用户对应的空间信息比特确定发射天线子阵列。假设基站未知信道状态信息，用户端需发射信号至基站，基站的发射天线子阵列根据接收到的信号采用MUSIC算法估计出上行链路信号直达径的到达角。然后根据信道上下行链路的互易性，得到下行链路中信号的发射角，用以形成模拟波束赋形向量，使得波束方向对准最佳路径的方向。

假设估计的下行链路中信号直达径的发射角为φ，则第m个发射天线子阵列的模拟波束赋形向量可表示为：

在本实施例中，当空间信道相关性较强时，对同一用户在不同时刻由空间信息比特选择的不同的天线子阵列采取阵列增益控制方式，从而实现信道区分，即在某一帧传输时间内，对基站的η组天线子阵列，赋予不同的阵列增益；且每个天线子阵列对应的阵列增益在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同，以此降低由发射端大规模天线阵列空间距离相近引起的高信道相关性。阵列增益分配可由下式表示：

y＝β_mH_mg_mx+w (6)

式中，m为某一时刻由空间信息比特选择的天线子阵列编号(m＝1,2,...,η)，β_m为第m组天线子阵列的阵列增益因子，并满足E{|β_m|²}＝1。阵列增益因子β_m在每一帧传输时间内保持不变，在不同的帧的传输时间内不同。

假设接收机已知信道的等效增益β_mH_mg_m，接收机可以根据接收信号采用最大似然检测，联合估计发射样式和信息符号，从而可以对空间信息进行解调，确定发射信息符号。假设利用发射机的第m组天线子阵列发射信号(对应于第m个发射样式)，定义误差向量：

ε_n,m＝y-β_mH_mg_ms_n (7)

其中，H_m表示从第m个发射天线子阵列到接收机的信道矩阵，β_m为第m个发射天线子阵列的阵列增益因子，s_n为所设定的N维信息星座图中的第n个星座点对应的信息符号，相应的可以采用最大似然估计方法或者最小欧式距离估计方法。那么，根据以下准则联合估计发射样式和信息符号：

根据m和n的估计确定发射样式和信息符号，从而可以对空间信息和符号信息进行解调。

发送的信息符号s的估计为：

本实施例在基于空间调制的单用户大规模MIMO***中的传输速率为：

R＝log₂(N)+log₂(Γ_t) (10)

其中，N为信息的调制阶数，Γ_t为发射样式数。

场景二：多用户混合结构大规模MIMO下行传输***

这里考虑下行多用户传输，即基站向多个用户同时发送不同的数据。如图2(a)和图2(b)所示，基站(发射机)对每个用户配置有n_t根天线，第k个用户接收端配置有n_k根天线，总共有K个用户。在某一时刻，由第k个用户的空间信息比特确定发射天线子阵列后，这一发射天线子阵列中，从第i根发射天线到第k个用户的第p根接收天线的信道系数为

第k个用户收到的信号可以表示为：

其中，H_k,k和H_k,q分别表示基站第k个用户和第q个用户的发射天线子阵列到第k个用户的信道矩阵，f_k和f_q分别表示第k个用户和第q个用户的模拟波束赋形向量，x_k和x_q分别为第k个用户和第q个用户发送的符号，w_k为噪声向量，w_k的元素服从均值为零，方差为

的复高斯分布。

在本实施例中，假设基站为每个用户配有n_t根天线，并且n_t＝ημ，其中η和μ为正整数。将每个用户的天线分成η组均匀线性天线子阵列，每组有μ根天线。每次发射信号的时候，发射机选择其中的一组天线子阵列发射信号。此时，第k个用户有

种发射样式，其中

表示组合运算。相应的每种发射样式可以与

比特信息相映射，其中

表示向下取整操作。

在本实施例中，采用窄带簇信道模型。假设毫米波信道中有L条传输路径，那么第k个用户的发射天线子阵列和此用户接收端之间的窄带簇信道模型可以表示为：

其中L_k表示第k个用户的路径数，

表示第k个用户第l条路径的增益因子，服从均值为0，方差为1的复高斯分布；

和

分别表示第k个用户第l条路径的到达角和发射角，服从(0,2π]的均匀分布。

和

分别表示基站第k个用户的发射天线子阵列和第k个用户端的第l条路径的天线阵列响应向量。

在本实施例中，基站和用户端的天线阵列皆为均匀线性天线阵列。此时，

和

可进一步分别表示为

其中，k₀＝2π/λ，λ是载波波长，d表示天线间距。

在本实施例中，对每个用户，基站根据每个用户对应的的空间信息比特确定发射天线子阵列。假设基站未知信道状态信息，各用户端分别发送相互正交的信号至基站，基站利用各用户的发射天线子阵列接收信号，并采用MUSIC算法估计出各用户上行链路信号直达径的到达角。同样，根据信道上下行链路的互易性，获得各用户下行链路中信号的发射角。然后，对于活跃的天线子阵列，本发明采用基于信漏噪比准则得到模拟波束赋形向量f_k，使其最大化目标用户的功率并最小化泄漏到其他用户的功率。

进一步地，第k个用户的信漏噪比可表示为：

其中，

表示基站第k个用户的发射天线子阵列到第k个用户的直达径的发射角对应的导向矢量，

表示基站第k个用户的发射天线子阵列到第q个用户的直达径的发射角对应的导向矢量，ρ_k,k和ρ_q,k分别表示相应的路径增益，分母中的

项表示从目标用户k的波束赋形方向泄漏到其他用户的功率。通过最大化SLNR_k，即可得到第k个用户的最优波束赋形向量f_k。以此类推，可得到基站所有用户的最优波束赋形向量。

在本实施例中，当某个用户对应的发射机的天线子阵列之间的相关性较强时，采取阵列增益控制方式，实现信道区分。即在某一帧传输时间内，对第k个用户的η组天线子阵列赋予不同的阵列增益，且每个天线子阵列对应的阵列增益在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同，以此降低由发射端大规模天线阵列空间距离相近引起的高信道相关性。第k个用户的阵列增益分配可由下式表示：

式中，m为某一时刻由空间信息比特选择的天线子阵列(m＝1,2,...,η)，β_k,m为第k个用户中第m组天线子阵列的阵列增益因子，并满足E{|β_k,m|²}＝1，阵列增益因子β_k,m在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同。

假设接收机已知信道的等效增益β_mH_mf_m，接收机可以根据接收信号采用最大似然检测联合估计发射样式和信息符号，从而可以对空间信息进行解调，确定发射信息符号。由于大规模MIMO的多用户信道间渐进正交，且每个用户都基于信漏噪比准则进行模拟波束赋形，因此可假设发射端各个用户间波束具有强指向性，各用户间干扰几乎为零。与单用户相似，可将多用户分别独立解调。假设第k个用户发射机的第m组天线子阵列发射(对应于第m个发射样式)，定义误差向量：

ε_n,m＝y-β_mH_mf_ms_n (17)

其中，H_m表示从第m个发射天线子阵列到接收机的信道矩阵，β_m为第m个发射天线子阵列的阵列增益，s_n为所设定的N维信息星座图中的第n个星座点对应的信息符号，相应的可以采用最大似然估计方法或者最小欧式距离估计方法。那么，根据以下准则联合估计发射样式和信息符号：

根据m和n的估计确定发射样式和信息符号，从而可以对空间信息和符号信息进行解调。

发送的信息符号s的估计为：

在多用户多输入多输出***中，本发明的基于空间调制的多用户大规模MIMO***中第k个用户的传输速率为：

R_k＝log₂(N_k)+log₂(Γ_k,t) (20)

其中，N_k为第k个用户信息的调制阶数，Γ_k,t为对应于第k个用户的发射样式数。

下面结合具体示例进一步说明本发明提出的结合阵列增益控制和模拟波束赋形的单用户和多用户空间调制大规模MIMO***。

示例1：结合阵列增益控制和模拟波束赋形的单用户空间调制大规模MIMO***。假设n_t＝400，n_r＝2；发射机发射一个信息流，采用并BPSK调制。此时发射机的天线分为η＝4组天线子阵列，每组有μ＝100根天线。所以，总共有4种发射样式，每个样式与2比特空间信息相映射，映射关系如表一所示。

表一：单用户信息比特与发射样式和信息符号的映射关系

当信息比特为001时，接收信号可以表示为：

y＝β₁H₁f₁x+w (21)

其中，β₁为第1组天线子阵列的阵列增益因子，并满足E{|β₁|²}＝1。H₁为第1组发射天线子阵列与接收端之间的信道矩阵。f₁为第1组天线子阵列的最佳模拟波束赋形向量。x为发射的符号。w为噪声向量，w的元素服从均值为零，方差为

的复高斯分布。

进一步地，阵列增益因子β₁在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同。例如，在第一帧传输时间内，

在第二帧传输时间内，

以此类推进行阵列增益控制，并且满足

接收机已知信道的等效增益β_mH_mf_m，则误差向量可表示为：

ε_n,m＝y-β_mH_mf_ms_n (22)

采用最大似然估计方法或者最小欧式距离估计方法，根据以下准则联合估计发射样式和信息符号：

参照表一对空间信息比特进行解映射。并且发送的信息符号s的估计为：

示例2：结合阵列增益控制和模拟波束赋形的多用户空间调制大规模MIMO***。假设用户数K＝2，每个用户连接一个通信射频链路，发射端为每个用户配置n_t＝200根天线，分为η＝2组天线子阵列，每组有μ＝100根天线。每个用户接收端配置n_k＝1根天线；发给每个用户的信息流采用QPSK方式。每个用户可以使用的发射样式为2种，相应的可以与1比特空间信息相映射。总用户的空间信息比特与发射样式的映射关系如表二所示。

表二：多用户传输时信息比特与发射样式的映射关系

当第一个用户发送的空间信息比特为0时，用户1选择第1组均匀线性天线子阵列发射相应的调制符号；当第二个用户发送的空间信息比特为1时，用户2选择第2组均匀线性天线子阵列发射相应的调制符号。此时，用户1的信漏噪比可表示为：

其中，

表示基站端由第1个用户的第1组发射天线子阵列到第1个用户的直达径的发射角对应的导向矢量，

表示基站端由第1个用户的第1组发射天线子阵列到第2个用户的直达径的发射角对应的导向矢量，ρ_1,1和ρ_2,1分别表示相应的路径增益，

表示从目标用户1的波束赋形方向泄漏到第2个用户的功率。基于最大化信漏噪比准则，即可求得用户1的最佳模拟波束赋形向量f₁。

此时，由于大规模天线多用户信道间的渐进正交性，在基于最大化信漏噪比准则确定用户1的模拟波束赋形矢量f₁后，可近似认为

此时，用户2的接收端只接收到来自基站用户2发射的信号。同理可得，用户1的接收端只接收到来自基站用户1发射的信号。

第一个用户的接收信号可以表示为：

y₁＝β_1,1H_1,1f₁x₁+w₁ (26)

其中，β_1,1表示用户1的第1组发射天线子阵列的阵列增益，H_1,1表示用户1的第1组发射天线子阵列到用户1接收端的信道矩阵，f₁表示用户1的第1组发射天线子阵列的最佳模拟波束赋形矢量，x₁为发射的符号，w₁为噪声向量。

对于第一个用户，定义误差向量：

根据以下准则联合估计发射样式和信息符号：

根据表二对空间信息比特进行解映射。并且发送的信息符号s的估计为：

用户2可以使用相同的方法对空间信息和数据流信息进行解调。

本发明实施例公开的一种基于空间调制的大规模MIMO***，包括发射机端装置和接收机端装置；其中，发射机端装置，用于将发送比特数据分成两部分，一部分作为信息符号按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特进行空间调制；发射机对发射天线进行分组，每组天线为一个子阵列；每个用户对应一条射频链路，其中每条射频链路采用分离型子架构模型，连接多个天线子阵列，且每个子阵列中包含多根发射天线。对同一用户在不同时刻由空间信息比特选择的不同的天线子阵列采取阵列增益控制方式，从而实现信道区分，即对不同的天线子阵列赋予不同的阵列增益。每个天线子阵列的阵列增益因子在每一帧传输时间内保持不变，在不同的传输帧上不同。发射机基于最大化信漏噪比准则为每个用户选择最佳波束赋形矢量；接收机根据接收信号估计信息符号和发射样式，进行空间信息解调。本实施例的基于空间调制的大规模MIMO***与前述的结合阵列增益控制和模拟波束赋形的空间调制方法属于同一发明构思，具体实施细节与上文一致，此处不再赘述。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (4)

1.一种用于大规模MIMO***的空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对发送比特数据进行空间调制，将其分成两部分，一部分作为信息符号按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特，其中，对发射天线进行分组，每组天线为一个天线子阵列，每个天线子阵列中包含多根发射天线，基站根据用户端对应的空间信息比特选定发射天线子阵列；

(2)对某一用户对应的不同发射天线子阵列赋予不同的阵列增益，某一用户的第m个发射天线子阵列的阵列增益因子满足

其中

为在第t帧的传输时间内，对第m个发射天线子阵列赋予的阵列增益因子，T为总帧数；此外，每个天线子阵列对应的阵列增益在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同，以此降低相邻天线子阵列的信道相关性；

(3)用户端发射信号至基站，基站利用选定的天线子阵列接收信号，同时采用到达角估计算法估计出上行链路信号直达径的到达角，然后，根据信道上下行链路的互易性获得下行链路中信号的发射角，用以形成模拟波束赋形向量，从而对选定的天线子阵列进行波束赋形；第m个发射天线子阵列的模拟波束赋形向量表示为：

其中下行链路中信号直达径的发射角为φ，j是虚常数，k₀＝2π/λ，λ是载波波长，μ为发射天线子阵列中的天线数，T表示矩阵转置，d表示天线间距；

对于多用户场景，用户端分别发送相互正交的信号至基站；对于多用户场景，对于活跃的天线子阵列，在获得各用户下行链路中信号的发射角后，基于最大化信漏噪比准则得到模拟波束赋形向量，其中，第k个用户端的信漏噪比表示为：

其中，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第k个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第q个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，ρ_k,k和ρ_q,k分别表示相应的路径增益，

为方差，分母中的

项表示从目标用户端k的波束赋形方向泄漏到其他用户端的功率，通过最大化SLNR_k，即得到第k个用户端的最优波束赋形向量f_k；

(4)基站发射机通过空间调制确定的天线子阵列发射信号；

(5)用户端根据接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式，进行空间信息解调。

2.根据权利要求1所述的用于大规模MIMO***的空间调制方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，根据误差最小准则确定发射样式，进行空间信息解调进一步包括接收机根据接收信号采用最大似然估计方法或者最小欧式距离估计方法，根据以下准则联合估计发射样式和信息符号：

其中误差向量ε_n,m＝y-β_mH_mf_ms_n，y为接收机收到的信号向量，H_m表示从第m个发射天线子阵列到接收机的信道矩阵，β_m为第m个发射天线子阵列的阵列增益因子，s_n为所设定的N维信息星座图中的第n个星座点对应的信息符号。

3.一种基于空间调制的大规模MIMO***，包括发射机端装置和接收机端装置，其特征在于：

所述发射机端装置包括空间调制单元、阵列增益控制单元和模拟波束赋形单元，其中，

所述空间调制单元对发送比特数据进行空间调制，将其分成两部分，一部分作为信息符号按照设定的调制方式进行调制，另一部分作为空间信息比特，其中，对发射天线进行分组，每组天线为一个天线子阵列，每个天线子阵列中包含多根发射天线，基站根据用户端对应的空间信息比特确定发射天线子阵列；

所述阵列增益控制单元对某一用户对应的不同发射天线子阵列赋予不同的阵列增益，且每个天线子阵列的阵列增益在每一帧传输时间内保持不变，在不同帧的传输时间内不同；所述阵列增益控制单元使某一用户的第m个发射天线子阵列的阵列增益因子满足

其中

为在第t帧的传输时间内，对第m个发射天线子阵列赋予的阵列增益因子，T为总帧数；

所述模拟波束赋形单元采用到达角估计算法估计出上行链路信号直达径的到达角，然后，根据信道上下行链路的互易性获得下行链路中信号的发射角，用以形成模拟波束赋形向量，从而对选定的天线子阵列进行波束赋形；所述模拟波束赋形单元对于多用户场景，对于活跃的天线子阵列，在获得各用户下行链路中信号的发射角后，基于最大化信漏噪比准则得到模拟波束赋形向量，

其中，第k个用户端的信漏噪比表示为：

其中，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第k个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，

表示基站第k个用户端的发射天线子阵列到第q个用户端的直达径的发射角对应的导向矢量，ρ_k,k和ρ_q,k分别表示相应的路径增益，

为方差，分母中的

项表示从目标用户端k的波束赋形方向泄漏到其他用户端的功率，通过最大化SLNR_k，即得到第k个用户端的最优波束赋形向量f_k；

所述接收机端装置，用于根据接收信号估计信息符号并进行空间信息解调。

4.根据权利要求3所述的一种基于空间调制的大规模MIMO***，其特征在于，所述接收机端装置包括：

样式估计单元，用于根据接收信号估计信息符号，并计算误差向量，根据误差最小准则确定发射样式；

空间解调单元，用于根据发射样式进行空间信息解调；以及

符号估计单元，用于采用最大似然估计方法或者根据每根天线上接收信号与星座点的欧式距离确定信息符号。

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