CN111884692B - 一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制方法，主要解决现有收发天线配置约束及硬件代价高的问题。其技术方案是：在发射天线周围配置多个射频反射镜，并激活一根发射天线进行信号发射；然后，发射机根据所获取的不同射频反射镜激活组合图案的信道信息，完成类发射机迫零功能的交替零空间波束成形预处理矩阵设计，并在不同射频反射镜激活组合的符号子时隙内，完成基于预处理矩阵元素加权的发射信号预处理；最后，接收机对信号观测分别进行最大似然检测和基于接收功率排序的次优多阶段检测。本发明能有效降低收发端联合空间调制的实现代价，提升收发端联合空间调制的可靠性与应用灵活性；此外，本发明在信号传输方面存在安全内生优势。

Description

一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体为一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，可用于5G移动通信多输入多输出MIMO通信***。

背景技术

无线多输入多输出MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术具有扩大***容量、提高传输速率的优势，已经成为现代通信***中应用最为广泛的技术之一。然而，随着天线规模的不断增大，MIMO***的实现成本和复杂度不断增加，还存在信道间干扰、天线间同步及多射频链路消耗等固有技术缺陷。

空间调制SM(Spatial Modulation)技术是一种新型的MIMO传输技术，通过利用激活天线的索引来调制传输额外信息比特，SM技术能够实现空间复用与空间分集之间的理想折中，同时克服传统MIMO中的固有技术缺陷。在每个符号传输时隙，SM-MIMO发射机将信息比特拆分为两部分，一部分信息比特用于调制为待传输基带幅度相位调制符号，另一部分信息比特用于激活对应索引的发射天线来发送基带符号。基于其实现机理，SM-MIMO较好地实现了***能量效率与频谱效率之间的折中。

与SM不同，预编码辅助空间调制PSM(Precoding aided Spatial Modulation)的核心设计思想是通过发射机预编码方案，使得发射信号能量汇聚到某根接收天线上以达到“激活”的目的，从而实现利用接收天线索引号来编码传输附加信息。基于发射机预编码技术辅助，PSM-MIMO***能够有效降低接收端的检测复杂度，并能取得发射分集增益，有效提升无线传输的可靠性。然而，常规PSM-MIMO***通常无法获得复用增益以及接收分集增益。

面向未来通信需求，当PSM辅助的大规模MIMO***配置有大量发射天线时，发射信号预编码操作带来的***花销将极为显著，不利于实际实现。针对这一情况，设计一种基于发射天线子集选择的PSM，可显著降低***实现复杂度，同时可获得额外的复用增益。进一步，提出一种收发端联合的空间调制(Joint Transmitter-Receiver SpatialModulation,JSM)方案，设计利用发射天线子集的索引来调制传输额外信息，SM和PSM的技术优势可以同时被单个MIMO***所取得。现有的JSM-MIMO***能同时获得发射分集、接收分集及空间复用增益，但是对收发天线配置存在约束，一定程度上限制了JSM的应用灵活性。

媒介调制MBM(Media-based Modulation)是一种利用无线信道来承载不同信息的调制技术，其实现机理是将发送信息包含在传输媒介中，利用信道的随机性和独特性来发送不同消息。在MBM***中，通过在发射天线周围配置射频反射镜，发射天线与接收天线间射频辐射特性将随着射频反射镜开合状态组合的变化而变化，从而改变发射机和接收机之间的实时信道状态，实现信息在不同状态信道中的调制传输。

传统的收发端联合空间调制***在信号传输过程中，发射端需要激活多个发射天线用于发射分集并且激活的发射天线图案与预编码接收天线数目之间有严格的限制，因此，多个射频链路之间传输信息，***的频谱效率和灵活度较低且会增加额外的硬件成本。另外，基于发射机迫零的预处理方案，带来的分集增益较低，因此，接收机的检测差错性能有待提升。

发明内容

本发明目的在于针对以上现有技术的不足，提供一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，以解决常规收发端联合空间调制硬件代价高、适应范围有限及分集增益阶数较低等问题。

实现本发明的基本思路是：通过在发射天线周围配置多个具有开关两种模式的射频反射镜，从而创造出一系列相互独立的信道，并在每一时隙，针对不同信道状态进行交替零空间波束形成预处理，得到相应的预处理向量，从而降低***的误码性能并提升***的信道容量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)设多输入多输出***中的发射机包含M根发射天线、接收机配备N根接收天线，且在发射机的每根发射天线上分别部署L块射频反射镜；

2)计算每根发射天线关联的射频反射镜激活图案种类数目U：

U＝2^L；

3)设定射频反射镜数量L≥log₂(N-D)，且M、N-D及D均为2的非负整数幂；其中D为用于实现接收分集增强的接收天线个数，接收机将其前N-D根天线用于实现预编码空间调制符号接收；

4)在时分双工通信模式下，接收机向发射机发送用于信道估计的导频信息，发射机通过控制不同发射天线的射频反射镜开合，完成第i根发射天线到N根接收天线之间等效联合信道的估计，得到信道状态信息W_i：

其中，i∈{1,2,…,M}；

5)在每个发送时隙内，发射机将待传输信息比特分为三个部分：

第一部分为发射空间比特，用于选择并激活M根发射天线中的一根发射天线；

第二部分为符号调制比特，用于映射得到幅度相位调制符号集，记该集合中每个相位调制符号的阶数为M_m，且M_m＝2ⁿ；

第三部分为接收空间比特，用于选择并激活前N-D根接收天线中的一根天线实现符号接收；

6)发射机利用步骤4)得到的信道状态信息W_i，获取交替零空间波束成形预处理向量t_ij；

6.1)移除信道状态信息W_i中的第j行，得到信道矩阵

其中，j∈{1,2,...,N-D}，[·]^T表示转置操作；

6.2)对信道矩阵

进行奇异值分解，得到信道矩阵

右奇异向量矩阵的后v＝U-N+D+1列矩阵

6.3)通过交替零空间波束成形预处理操作，获取接收信号功率修正因子η_ij：

其中，β_i表示接收信号功率归一化因子，||·||^-1表示欧几里得范数；

6.4)计算交替零空间波束成形预处理向量t_ij：

其中，1_v表示长度为v的全一矢量；

7)将幅度相位调制符号集中的每一个M_m阶幅度相位调制符号发送时隙平均分为U个子符号发送时隙，在第u∈{1,2,...,U}个子符号发送时隙内，被激活的第i根发射天线通过射频反射镜开合，在对应的射频反射镜激活图案上，发送预处理向量t_ij中第u个元素t_i,j,_u加权之后的子符号；设待传输基带符号为幅度相位调制符号集中的第m个符号q_m，其中m＝{1,2,…M_m}，则在第u个子符号持续时间内，发射机传输信号为

8)接收机端的前N-D根天线与剩余D根天线分别对U个子符号进行信号接收，获取接收信号；

9)接收机根据发射机共享的信道状态信息W_i，对接收信号进行满足***检测复杂度要求的最大似然检测MLD和基于接收功率排序的次优多阶段检测RPSD，得出收发端联合空间调制的检测符号，实现解码。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一、由于本发明在发射天线端采用了射频反射镜，使得发射方式由多个天线图案变为单个天线单独形成，从而可以有效解除激活发射图案中收发天线数关系的固有约束；

第二、由于本发明对信号采用了交替零空间波束形成预处理，使得收发端联合空间调制无线通信***的分集增益显著增强，从而提升了接收机的检测性能；

第三、由于本发明在检测方面提出了接收功率排序的次优多阶段检测算法，使得接收信号的检测分阶段进行，从而有效降低了检测的复杂度。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图；

图2为本发明信息发送过程的***框图；

图3为本发明与传统预处理方案的误码率BER仿真结果对比图；

图4为本发明中基于接收功率排序的次优多阶段检测算法与现有常规检测算法的误码率BER仿真结果对比图；

图5为本发明采用的组播侦听者MLD检测***可达容量和容量近似值的仿真结果对比图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明进行详细描述：

本发明方法采用的通信***模型包括：发射机、射频反射镜以及接收机。发射机配有M根天线且每根天线附近设置L块射频反射镜，接收机配有N根接收天线，其中令前N-D接收天线来编码传输信息，剩余D根冗余接收天线，用于获取接收分集，天线数目满足M和N-D为2的非负整数幂，并且每根发射天线附近射频反射镜的图案U＝2^L＞N-D。

如图2所示，发射机配有M根天线，每根天线周围配有L块射频反射频镜，仅有一根射频链路与发射天线连接；在每一发送时隙，发射机都将输入信息比特分为三个部分，第一部分称为发射空间比特，用来选择M根发射天线中的一根发射天线，第二部分称为调制比特，用于映射为M_m阶幅度相位调制符号；第三部分称为接收空间比特，用来激活接收天线N-D中的一根天线接收APM符号；之后发射机在每一时隙内传输信息给接收机。

参照图1，本发明提供的一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，具体实现步骤如下：

步骤1：设多输入多输出***中的发射机包含M根发射天线、接收机配备N根接收天线，且在发射机的每根发射天线上分别部署L块射频反射镜，该射频反射镜可以改变开合状态，且不同开合状态对应相互独立的衰落信道，即发射机激活一根发射天线用于传输信息。

步骤2：计算每根发射天线关联的射频反射镜激活图案种类数目U：

U＝2^L；

步骤3：设定射频反射镜数量L≥log₂(N-D)，且M、N-D及D均为2的非负整数幂；其中D为用于实现接收分集增强的接收天线个数，接收机将其前N-D根天线用于实现预编码空间调制符号接收；

步骤4：在时分双工通信模式下，进行预处理交替零空间波束形成之前，发射机首先向接收机发送发射信号请求信息和导频序列信息；接收机利用预共享的导频序列信息向发射机发送用于信道估计的导频信息，发射机通过控制不同发射天线的射频反射镜开合，完成第i根发射天线到N根接收天线之间等效联合信道的估计，得到信道状态信息W_i：

其中，i∈{1,2,…,M}；

步骤5：在每个发送时隙内，发射机将待传输信息比特分为三个部分：

第一部分为发射空间比特，用于选择并激活M根发射天线中的一根发射天线；

第二部分为符号调制比特，用于映射得到幅度相位调制符号集，记该集合中每个相位调制符号的阶数为M_m，且M_m＝2ⁿ；

第三部分为接收空间比特，用于选择并激活前N-D根接收天线中的一根天线实现符号接收；此处选择并激活前N-D根接收天线中的一根天线输出信号功率最大，其余N-D-1根接收天线上的信号功率泄漏最小化。

步骤6：在完成对信道信息的估计之后，发射机利用步骤4)得到的信道状态信息W_i，获取交替零空间波束成形预处理向量t_ij：

6.1)移除信道状态信息W_i中的第j行，得到信道矩阵

其中，j∈{1,2,...,N-D}，[·]^T表示转置操作；

6.2)对信道矩阵

进行奇异值分解，得到信道矩阵

右奇异向量矩阵的后v＝U-N+D+1列矩阵

对信道矩阵

进行奇异值分解，根据如下公式进行：

其中，[·]^H表示共轭转置操作；

为信道矩阵

右奇异向量矩阵的后v＝U-N+D+1列，且

中各列构成信道矩阵

零空间的一组正交基。

6.3)通过交替零空间波束成形预处理操作，获取接收信号功率修正因子η_ij：

其中，β_i表示接收信号功率归一化因子，||·||^-1表示欧几里得范数；

接收信号功率归一化因子β_i根据下式计算得到：

其中，Tr[·]表示矩阵的迹。

6.4)计算交替零空间波束成形预处理向量t_ij：

其中，1_v表示长度为v的全一矢量；

步骤7：将幅度相位调制符号集中的每一个M_m阶幅度相位调制符号发送时隙平均分为U个子符号发送时隙，在第u∈{1,2,...,U}个子符号发送时隙内，被激活的第i根发射天线通过射频反射镜开合，在对应的射频反射镜激活图案上，发送预处理向量t_ij中第u个元素t_i,_j,_u加权之后的子符号；设待传输基带符号为幅度相位调制符号集中的第m个符号q_m，其中m＝{1,2,…M_m}，则在第u个子符号持续时间内，发射机传输信号为

步骤8：接收机端的前N-D根天线与剩余D根天线分别对U个子符号进行信号接收，获取接收信号；该接收信号包括两部分：发射机到接收机前N-D根天线的接收信号向量r_p、发射机到剩余D根天线的接收信号向量r_d；

其中，

表示第i根发射天线的第u个射频反射镜激活图案到前N-D根接收天线的信道矢量，

表示第i根发射天线的第u个射频反射镜激活图案到剩余D根接收天线的信道矢量；n_p和n_d分别为U个子符号发射时隙内前N-D根接收天线与剩余D根接收天线处累积接收噪声的零均值循环对称复高斯矢量；

表示前N-D根接收天线对应U个射频反射镜激活图案的等效联合信道；

表示剩余D根接收天线对应U个射频反射镜激活图案的等效联合信道；

表示根据交替零空间波束成形预处理向量t_ij得到的发射机预处理矩阵。

步骤9：接收机根据发射机共享的信道状态信息W_i，对接收信号进行满足***检测复杂度要求的最大似然检测MLD和基于接收功率排序的次优多阶段检测RPSD，得出收发端联合空间调制的检测符号，实现解码。

根据步骤8中的接收信号以及发射机共享的信道信息，接收机端完成满足不***复杂度设计需求的收发端联合空间调制符号检测：利用信号信息得出交替零空间波束成形预处理矩阵后，对接收信号进行MLD算法，将r_p和r_d相结合，可以得出接收机N根接收信号的观测向量

其中

根据最大似然检测算法:

其中I＝{1,2,...,M}，J＝{1,2,...,(N-D)}，M＝{1,2,...,M_q}。因此，可以实现对发射空间比特，接收空间比特以及调制符号比特的联合检测；

对接收信号观测做基于接收功率排序的次优多阶段检测RPSD算法：首先对接收空间比特进行检测，然后对发射空间比特，调制符号比特进行联合检测。由r_j＝λ_ijq_m+n_j，r_τ＝n_τ,τ∈{1,2,...,(N-D)},τ≠j，其中

r_τ和n_τ分别表示r_p和n_p的第_τ行。采用RPSD实现的收发端联合空间调制符号检测可分步描述如下：

本发明通过采用交替零空间波束形成方案，能够提高***的检测性能。以设定M＝2，L＝2，N∈{2,3,4,6}，M_m＝4(4-QAM)为例，图2描绘了分别采用发射机迫零预处理和交替零空间波束成形预处理辅助收发端联合空间调制***实现时，MLD检测随冗余天线数D逐渐增加的BER性能曲线。由图3可以看出，交替零空间波束成形预处理方案能够提供更高的分集增益，相应***的BER性能优势更为明显。

上述步骤9中分别采用最大似然检测算法和基于接收功率排序的次优多阶段检测算法对接收信号进行检测。以设定M＝2，L＝2，N∈{2,4}，M_m＝4(4-QAM)为例，图3描绘了***配置冗余天线数为D∈{0,2}时，***采用不同复杂度检测算法的BER性能对比曲线。结果印证了，在高信噪比区域，不同复杂度检测算法均可实现收发端联合空间调制符号得可靠接收，且检测性能之间的差异基本可以忽略。

以设定M＝2，L＝2，N∈{2,4,6}，M_m＝4(4-QAM)为例，图4描绘了***在信号输入和不同参数假定下的各态历经可达容量和容量近似性能曲线。与常规收发端联合空间调制相比，图中结果进一步说明了射频反射镜使能的收发端联合空间调制能够获得更显著的性能增益，且可以灵活配置与低成本实现。

本发明的效果可以通过仿真进一步说明：

A.仿真条件

使用matlab仿真工具进行模拟，假定信息在瑞利平坦衰落信道下，发射机获得全部的信道状态信息，具体仿真参数设置如下：

仿真1：设定M＝2，L＝2，N∈{2,3,4,6}，M_m＝4(4-QAM)；

仿真2：设定M＝2，L＝2，N∈{2,4}，M_m＝4(4-QAM)；

仿真3：设定M＝2，L＝2，N∈{2,4,6}，M_m＝4(4-QAM)。

B.仿真内容

仿真1：发射机迫零预处理与交替零空间波束成形预处理下***的最大似然检测误比特率仿真对比曲线，仿真结果如图3所示；

仿真2：发射机迫零预处理与交替零空间波束成形预处理下最大似然检测算法和基于接收功率排序的次优多阶段检测算法***的误码率仿真对比曲线，仿真结果如图4所示；

仿真3：基于交替零空间波束成形预处理***的可达容量和容量近似仿真对比曲线，仿真结果如图5所示。

C.仿真结果

由图3可见，随着每比特平均信噪比的增加，射频反射镜使能的收发端联合空间调制***的误比特率逐渐减小。相比于发射机迫零预处理，基于交替零空间波束成形预处理***的误比特性能可以显著提高。

由图4可见，当D增加到2时，在低至中等的信噪比区域，基于接收功率排序的次优多阶段检测算法的误比特率性能比MLD差，而在高信噪比区域达到收敛。因此，所提出的接收功率排序的次优多阶段检测算法可以实现低复杂度的检测且在高信噪比区域中可替代最大似然检测方案。

由图5可见，随着每比特平均信噪比的增加，***的可达容量逐渐增加并达到上限，***的可达容量与容量近似值都是紧密的且随着D从0增加到2，容量近似值变得更严格。

上述仿真分析证明了本发明所提方法的正确性与有效性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设多输入多输出***中的发射机包含M根发射天线、接收机配备N根接收天线，且在发射机的每根发射天线上分别部署L块射频反射镜；

2)计算每根发射天线关联的射频反射镜激活图案种类数目U：

U＝2^L；

3)设定射频反射镜数量L≥log₂(N-D)，且M、N-D及D均为2的非负整数幂；其中D为用于实现接收分集增强的接收天线个数，接收机将其前N-D根天线用于实现预编码空间调制符号接收；

4)在时分双工通信模式下，接收机向发射机发送用于信道估计的导频信息，发射机通过控制不同发射天线的射频反射镜开合，完成第i根发射天线到N根接收天线之间等效联合信道的估计，得到信道状态信息W_i：

其中，i∈{1,2,…,M}；

5)在每个发送时隙内，发射机将待传输信息比特分为三个部分：

第一部分为发射空间比特，用于选择并激活M根发射天线中的一根发射天线；

第二部分为符号调制比特，用于映射得到幅度相位调制符号集，记该集合中每个相位调制符号的阶数为M_m，且M_m＝2ⁿ；

第三部分为接收空间比特，用于选择并激活前N-D根接收天线中的一根天线实现符号接收；

6)发射机利用步骤4)得到的信道状态信息W_i，获取交替零空间波束成形预处理向量t_ij；

6.1)移除信道状态信息W_i中的第j行，得到信道矩阵

其中，j∈{1,2,...,N-D}，[·]^T表示转置操作；

6.2)对信道矩阵

进行奇异值分解，得到信道矩阵

右奇异向量矩阵的后v＝U-N+D+1列矩阵

6.3)通过交替零空间波束成形预处理操作，获取接收信号功率修正因子η_ij：

其中，β_i表示接收信号功率归一化因子，||·||^-1表示欧几里得范数；

6.4)计算交替零空间波束成形预处理向量t_ij：

其中，1_v表示长度为v的全一矢量；

7)将幅度相位调制符号集中的每一个M_m阶幅度相位调制符号发送时隙平均分为U个子符号发送时隙，在第u∈{1,2,...,U}个子符号发送时隙内，被激活的第i根发射天线通过射频反射镜开合，在对应的射频反射镜激活图案上，发送预处理向量t_ij中第u个元素t_i,j,u加权之后的子符号；设待传输基带符号为幅度相位调制符号集中的第m个符号q_m，其中m＝{1,2,…M_m}，则在第u个子符号持续时间内，发射机传输信号为

8)接收机端的前N-D根天线与剩余D根天线分别对U个子符号进行信号接收，获取接收信号；

9)接收机根据发射机共享的信道状态信息W_i，对接收信号进行满足***检测复杂度要求的最大似然检测MLD和基于接收功率排序的次优多阶段检测RPSD，得出收发端联合空间调制的检测符号，实现解码。

2.根据权利要求1所述的一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，其特征在于：步骤1)中的射频反射镜可以改变开合状态，且不同开合状态对应相互独立的衰落信道，即发射机激活一根发射天线用于传输信息。

3.根据权利要求1所述的一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，其特征在于：所述步骤5)中选择并激活前N-D根接收天线中的一根天线输出信号功率最大，其余N-D-1根接收天线上的信号功率泄漏最小化。

4.根据权利要求1所述的一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，其特征在于：步骤6.2)中对信道矩阵

进行奇异值分解，根据如下公式进行：

其中，[·]^H表示共轭转置操作；

为信道矩阵

右奇异向量矩阵的后v＝U-N+D+1列，且

中各列构成信道矩阵

零空间的一组正交基。

5.根据权利要求1所述的一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输 方法，其特征在于：步骤6.3)中接收信号功率归一化因子β_i根据下式计算得到：

其中，Tr[·]表示矩阵的迹。

6.根据权利要求1所述的一种射频反射镜使能的收发端联合空间调制传输方法，其特征在于：步骤8)中接收信号包括两部分：发射机到接收机前N-D根天线的接收信号向量r_p、发射机到剩余D根天线的接收信号向量r_d；

其中，

表示第i根发射天线的第u个射频反射镜激活图案到前N-D根接收天线的信道矢量，

表示第i根发射天线的第u个射频反射镜激活图案到剩余D根接收天线的信道矢量；n_p和n_d分别为U个子符号发射时隙内前N-D根接收天线与剩余D根接收天线处累积接收噪声的零均值循环对称复高斯矢量；

表示前N-D根接收天线对应U个射频反射镜激活图案的等效联合信道；

表示剩余D根接收天线对应U个射频反射镜激活图案的等效联合信道；

表示根据交替零空间波束成形预处理向量t_ij得到的发射机预处理矩阵。

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