CN109743082A

CN109743082A - 一种空间调制的映射方法

Info

Publication number: CN109743082A
Application number: CN201910079828.3A
Authority: CN
Inventors: 肖悦; 何燃燃
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空间调制的映射方法。本发明的方法不同于传统的空间调制在一个时刻中选择激活天线来传输信号星座点，该方法联合多个时刻，即将时间维度和空间维度联合起来，待传输数据所构成的索引选择激活时刻和激活天线的联合，选择激活点并传输信号星座点。相对于传统的方法，本方法在传输频谱效率相同的情况下，提高了传输的误比特率性能。

Description

一种空间调制的映射方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空间调制(Spatial Modulation,SM)的映射方法。

背景技术

现今，无线通信用户不仅对无线通信业务的种类需求不断增加，同时对通信的质量和带宽需求提出了新的要求。人们希望传统的移动通信网络不仅能支持移动电话业务，而且能支持新的移动多媒体业务。已有的单输入单输出(Single-Input Single-Output，SISO)天线***的通信可靠性和信息传输能力已经不能满足用户的需求，通信带宽的瓶颈问题已经非常突出。在以3GPP Long-Term Evolution(LTE)-Advanced为代表的移动通信发展过程中，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)传输技术的研究和应用使得无线通信取得了新一轮的蓬勃发展。MIMO***的基本原理是在无线通信传输***的收发设备上均采用多根天线进行数据的发送传输与接收，使空间成为一种可以提高***性能的资源，MIMO技术能够在不占用额外带宽和功率资源的前提下有效的提升***容量与***性能、优化***服务质量、改善***覆盖并降低基站建设成本。尽管MIMO技术存在巨大潜力，但现有的MIMO传输方案尚存在局限，比如射频开销成本过高和收发天线数目约束等问题。另一方面，虽然移动通信***的基站端可放置较多的天线，但随着移动终端体积的缩小，其可支持的天线数量较少。因此，在未来移动通信***的下行链路中，将面临MIMO信道收发天线数目非对称问题。

近年来，空间调制(Spatial Modulation，SM)技术作为一种新的MIMO传输方案被提出，空间调制技术的基本思想是：利用天线的激活状态作为信息传递的载体，从而天线索引可传输一部分比特的信息。同时，激活天线上传输的信息符可来自于传统的幅度相位调制(Amplitude/Phase Modulation，APM)星座。因此，空间调制技术中空间维数成为信息传输的载体，将传统的二维的星座信号扩展为三维形式。依据此思想，空间调制技术又被称为基于信息选择的信道跳频技术(Information Guided Channel Hopping，IGCH)。

空间调制技术区别于其它MIMO传输技术的特点在于：

1.空间调制采用天线的激活作为数字调制手段，故发射天线的索引信息成为一种额外数据携带的方式，相比SISO传输***和MIMO分集传输***，空间调制可达到更高的传输速率。

2.空间调制中，由于每个时刻只有一根天线被激活用来发送数据，因此，使用空间调制可避免传统MIMO复用技术中的天线间干扰(Inter-Antenna Interference，IAI)和天线间同步(Inter-Antenna Synchronization，IAS)问题。

3.在具体硬件实现中，相比于需要多个射频链路的MIMO***，空间调制***发射端仅需单个射频单元，故极大降低了MIMO传输技术实现的硬件开销。

4.此外，空间调制适用于任意数目发射天线和接收天线场景，尤其是发射天线数远大于接收天线数的非对称MIMO信道。

综上所述，空间调制技术不仅能够简化MIMO结构和降低MIMO实现成本，还能满足未来通信***多样化的链路配置要求，是一个非常有前景的新型MIMO传输技术，已经成为MIMO无线通信研究领域的热点和重点。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种改进型的空间调制映射方式，不同于传统的空间调制在一个时刻中选择激活天线来传输信号星座点，该方法联合多个时刻，即将时间维度和空间维度联合起来，待传输数据所构成的索引选择激活时刻和激活天线的联合，选择激活点并传输信号星座点。在所提出的方案中，联合时域对传输数据进行映射，一方面可以增加可选择的状态数从而提升频谱效率；另一方面，由后面的仿真结果可以看出，在相同的频谱效率下，该方法具有比传统的空间调制更好的误码率性能。

本发明的技术方案是：

在发射端，一部分待传输数据作为对应的时刻和天线的联合索引，另一部分待传输数据进行APM调制，如L-PSK星座或L-QAM星座点调制，其中，L表示调制阶数；在接收端，通过最大似然估计算法解调出发送端被激活天线和时刻的序号以及调制符号，然后利用空间调制本恢复出发送比特数据完成数据传输。

假设发射天线和接收数分别为nT_x,nR_x,联合时刻数为nslot，传统的空间调制可传数据比特数为nslot*(log₂(nT_x)+log₂(L))，本发明提出的映射方式可传数据比特数为log₂(nslot*nT_x+nT_x ^nslot)+log₂(L)。

为了叙述方便，以2根发射天线联合2个时刻，当激活1个时刻时采用8PSK调制，当激活两个时刻时，分别采用4PSK和2PSK调制为例，则两个时刻和星座的联合一共可传6比特数据，其中天线和时刻的索引比特数为3，调制比特数为3。具体包括以下步骤：

发射端：

S1、发射端把需要传输的比特数据经串/并转换单元转化为比特数据矩阵，矩阵的每一列即为两个发送时刻内传输的数据比特，此数据比特向量的长度对应为***的传输速率大小的两倍。

S2、空间调制单元把此数据比特向量的索引比特部分用来选取两个时刻和一根发射天线的联合索引，索引选择激活原则为：保证一个时刻最多激活一根天线。在本发明中，索引状态数为8，所有状态可表示为：对这8种状态进行编号为0～7，可以看出，状态0～3只有一个时刻被激活，状态4～7则有两个时刻被激活。把其余的数据比特部分映射为传统的APM星座点x，然后被激活处用来传输相应的传输APM星座点x。

下面将对这种空间调制的映射方式进行举例说明：

比如经串/并转换后的一列传输比特为[0 1 0 0 1 1]，其中前三位比特[0 1 0]为索引比特，将[0 1 0]转为10进制数，即[0 1 0]₂＝(2)₁₀，所以选择状态为编号为2的状态即激活第二个时刻和第一根发射天线；后三位比特[0 1 1]为数据比特，因为只有一个时刻激活，则采用8PSK调制，调制后的星座点为-0.7071+0.7071i，最终两个时隙的发送符号为

比如经串/并转换后的一列传输比特为[1 1 0 1 1 0]，其中前三位比特[1 1 0]为索引比特，将[1 1 0]转为10进制数，[1 1 0]₂＝(6)₁₀，所以选择状态为编号为6的状态即激活第一个时刻的第二根发射天线和第二个时刻的第一根发射天线；后三位比特[1 1 0]为数据比特，因为两个时刻均被激活，则第一个时刻采用4PSK调制，第二个时刻采用2PSK调制，调制后的星座点分别为-0.0000-1.0000i，1.0000+0.0000i，最终两个时隙的发送符号为

接收端：

S3、首先生成发送比特的所有可能的状态，在本发明中，两个时刻和两根发射天线的联合可传输6个数据比特，所以，所有可能的状态数为64种；

S4、类似于S2，将这些状态比特都进行空间调制映射，并与信道冲激响应进行卷积，模拟出所有可能的输出值；

S5、将接收信号一一和这些值进行求二范数，选择二范数最小的一个状态进行解映射。

本发明技术方案，针对MIMO技术，提出一种新的空间调制的映射方式。本发明的有益效果是：在相同的频谱效率下，改善了信号传输的误比特率(Error Bit Rate,BER)。

附图说明

图1为本发明提出的空间调制映射与传统的空间调制映射在发射天线数设置为2，接收天线数设置为4时的误码率性能对比仿真图；

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：

本例中，发射天线数为2，接收天线数为4，当激活1个时刻时采用8PSK调制，当激活两个时刻时，分别采用4PSK和2PSK调制，两个时刻联合天线可传6数据比特，信道为瑞利单径信道，其冲激响应的实部和虚部服从高斯分布。本例采用以下步骤：

步骤1：随机生成一串长度为768的[0 1]数据比特，并进行串/并转换，变成6*128的比特数据矩阵；

步骤2：按照本发明所述，将比特数据矩阵的每一列进行空间调制映射，最终发射信号为2*256的调制符号矩阵，经过瑞利单径衰落信道并加入高斯白噪声；

步骤3：接收端首先生成发送比特的所有可能的状态，并对每一状态进行空间调制映射，然后与信号冲激响应卷积，将接收信号与得到的值一一求二范数，选择二范数最小的一个状态进行解映射，最后经过并/串转换输出；

步骤4：将输出数据与初始数据对比统计得到BER。

根据图1可得，本文提出的一种空间调制的映射方式，在与传统的空间调制频谱效率相同的情况下，可以得到更好的BER性能。

Claims

1.一种空间调制的映射方法，设***有2根发射天线，4根接收天线，激活一个时隙时采用8PSK调制，激活两个时隙时分别采用4PSK和2PSK调制，其特征在于，包括以下步骤：发射端：

S1、发射端把需要传输的比特数据经串/并转换单元转化为比特数据矩阵，矩阵的每一列即为两个发送时刻内传输的数据比特，此数据比特向量的长度对应为***的传输速率大小的两倍；

S2、空间调制单元把步骤S1中数据比特向量的索引比特部分用来选取两个时刻和一根发射天线的联合索引，索引选择激活原则为：保证一个时刻最多激活一根天线；把其余的数据比特部分映射为APM星座点x，然后被激活处用来传输相应的传输APM星座点x；

接收端：

S3、生成发送比特的所有可能的状态，即假设传输n个数据比特，则所有可能的状态数为2ⁿ种；

S4、采用如步骤S2所述的方法，将步骤S3生成的状态比特都进行空间调制映射，并与信道冲激响应进行卷积，模拟出所有可能的输出值；

S5、将接收信号一一和步骤S4得到的输出值进行求二范数，选择二范数最小的一个状态进行解映射。