CN112929057A - 一种双重广义空间调制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重广义空间调制方法及其***，该方法包括：获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到数据块；对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；基于天线索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。该***包括：比特流分离模块、星座映射模块、天线索引矢量选择模块、发射空间矢量模块和最大似然检测模块。通过使用本发明，不仅能够提高频率利用率而且达到获得发射分集增益的目的。本发明作为一种双重广义空间调制方法及其***，可广泛应用于无线通信技术领域。

Description

一种双重广义空间调制方法及***

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种双重广义空间调制方法及***。

背景技术

为了解决空间调制(Spatial Modulation,SM)***没有发射分集增益的缺点，Younis等科研人员提出了SM***的扩展方案，广义空间调制(GSM)***。在GSM***中，一个数据符号同时被调制在多根发射天线上，形成一个含有多个版本的数据符号的发射符号。在一定程度，缓解了传输的额外信息比特与发射天线数目之间的关系，以及实现了空间调制***的发射分集增益。

近年来，空间时移键控(Spatial Time Shift Keying，STSK)和基于空间调制的空时分组码(Spatial Time Block Code-SM，STBC-SM)(将空间维度拓展到空间域和时间域，实现更多发射分集和提高无线通信***的可靠性。进一步，正交空间调制(QSM)***将空间维度拓展到同相和正交维度，从而传输的天线索引比特数为2log₂ N_t，N_t表示发射天线的数量。近来，为了传输更多的额外信息比特和可实现的发射分集，将QSM***扩展到空间和时间域，提出了可实现分集的正交空间调制(Diversity-achieving QSM，DA-QSM)***，与STSK和STBC-SM***相比，提高了频谱利用率和无线通信性能。然而，由于时间域的影响，限制了DA-QSM***的频谱利用率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种双重广义空间调制方法及***，实现激活的发射天线数目是灵活、不固定的，进而提高频谱利用率；且在正交/同相维度上激活的天线同时调制一个星座符号，达到获得发射分集增益的目的。

本发明所采用的第一技术方案是：一种双重广义空间调制方法，包括以下步骤：

获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到数据块；

对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

基于天线索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

进一步，所述获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到数据块这一步骤，其具体包括：

获取输入信息比特；

基于比特流分离器将输入信息比特分离成第一数据块I_A，第二数据块I_B和第三数据块I_C。

进一步，所述对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量这一步骤，其具体包括：

基于信号星座映射比特对第三数据块I_C进行处理，得到星座符号；

基于矢量索引比特对第一数据块I_A和第二数据块I_B进行处理，选择对应的天线索引矢量。

进一步，所述基于矢量索引比特对第一数据块I_A和第二数据块I_B进行处理，选择天线索引矢量这一步骤，其具体包括：

将第一数据块I_A转换成十进制数并加1，得到矢量索引号i,i∈{1,…,N_A}，

N_a为激活天线的最大数量。

根据索引号i，从预设的同相天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量V_i，其中矢量集Ω中索引矢量由将k₁,k₁∈{1,…,N_t}个天线索引号进行组合而构成的N_t×1维矢量形成；

将第二数据块I_B转换成十进制数并加1，得到矢量索引号

为激活天线的最大数量。

根据索引号l，从预设的正交天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量

其中矢量集

中索引矢量由将k₂,k₂∈{1,…,N_t}个天线索引号进行组合而构成的N_t×1维矢量形成。

进一步，所述基于天线索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射空间矢量这一步骤，其具体包括：

利用天线索引矢量V_i激活的发射天线同时调制同一个的M-QAM/PSK星座符号s，得到发射空间矢量的实部

利用天线索引矢量

激活的发射天线同时调制同一个的M-QAM/PSK星座符号s，得到发射空间矢量的虚部

基于发射空间矢量的实部和虚部得到发射空间矢量S。

由此，所述***的频谱利用率为：

进一步，所述发射空间矢量S的设计步骤如下：

将含有k₁个非零元素的同相天线索引矢量V_i与含有k₂个非零元素的正交天线索引矢量

相加，得到一个复空间索引矢量x；

通过复空间索引矢量x，星座符号s矢量被调制在同相天线索引矢量V_i激活的k₁根发射天线和正交天线索引矢量

激活的k₂根发射天线上，形成一个发射空间矢量S；

所述发射空间矢量S含有k₁+k₂星座符号版本。

进一步，所述发射空间矢量S的表达式如下：

进一步，所述最大似然算法的计算公式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

分别表示估计检测的同相天线索引矢量的索引号和正交天线索引矢量的索引号，

表示估计检测的星座符号，

表示一个矢量信号，

表示一个归一化的发射空间矢量信号，

表示一个瑞丽衰落信道矩阵。

本发明所采用的第二技术方案是：一种双重广义空间调制***，包括以下模块：

比特流分离模块，用于获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到三个数据块；

星座映射模块，用于对信号星座映射比特进行星座符号映射，得到星座符号；

天线索引矢量选择模块，用于选择天线索引矢量，得到同相/正交维度上的天线索引矢量；

发射空间矢量模块，用于利用所选的同相和正交天线索引矢量将映射得到的一个星座符号调制到各自激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

最大似然检测模块，用于基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

本发明方法及***的有益效果是：首先利用激活天线数目可变的特性，携带更多额外索引信息比特，提高频谱利用率，其次为了获得发射分集增益，在同相/正交维度上所有激活的天线同时调制一个星座符号，得到多个版本的发射星座符号，并在激活的发射天线上进行传输，获得发射分集增益，进一步提高无线通信***的可靠性。

附图说明

图1是本发明一种双重广义空间调制方法的步骤流程图；

图2是本发明一种双重广义空间调制***的结构框图；

图3是本发明具体实施例数据流向图；

图4是本发明具体实施例描述了不同传输速率时DGSM和DA-QSM***的误比特性能；

图5是本发明具体实施例描述了当(N_t,N_r)＝(8,8)时12bps/Hz情况下，QSM、GSM、DSM、ESM、SM-SC、GSM-MIM和DGSM***的误比特性能。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

如图1所示，本发明提供了一种双重广义空间调制方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到数据块。

S2、对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

S3、基于天线索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

S4、根基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

进一步作为本方法的优选实施例，所述获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到数据块这一步骤，其具体包括：

获取输入信息比特；

基于比特流分离器将输入信息比特分离成第一数据块I_A，第二数据块I_B和第三数据块I_C。

具体地，比特流分离器将输入m比特流分离成三个数据块I_A、I_B和I_C。其中，数据块I_C用于映射成为一个QAM/PSK星座符号s；数据块I_A和I_B分别用于从同相和正交天线索引矢量集中选择一个索引矢量。

进一步作为本方法的优选实施例，所述对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量这一步骤，其具体包括：

基于信号星座映射比特对第三数据块I_C进行处理，得到QAM/PSK星座符号；

基于矢量索引比特对第一数据块I_A和第二数据块I_B进行处理，选择对应的天线索引矢量。

具体地，数据块I_C，含log₂(M)个信息比特数，被用于映射成为M-QAM/PSK信号星座集

中某个星座点s，M表示为QAM/PSK星座集

的调制阶数。

进一步作为本方法优选实施例，所述基于矢量索引比特对第一数据块I_A和第二数据块I_B进行处理，选择对应的天线索引矢量这一步骤，其具体包括：

将第一数据块I_A转换成十进制数并加1，得到矢量索引号i,i∈{1,…,N_A}；

根据索引号i，从预设的同相天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量V_i；

矢量集Ω中索引矢量由将k₁,k₁∈{1,…,N_t}个天线索引号进行组合而构成的N_t×1维矢量形成；

基于天线索引矢量V_i，从N_t根发射天线中激活k₁根天线；

具体地，数据块I_A，含有log₂N_A个信息比特数，被转换成十进制数并加1，得到小于或等于天线索引矢量集中所有索引矢量总数的一个十进制数，即矢量索引号i,i∈{1,…,N_A}；N_A表示天线索引矢量集Ω中所有索引矢量的数量，

通过天线索引矢量V_i，激活N_t根发射天线中若干根发射天线(激活的天线数目可变，根据每个天线索引矢量中非零元素个数决定激活天线的数目)。注意，所选的每个天线索引矢量含有一个或多个等于“1”的非零元素(最多有N_a)。进一步，Ω∈Γ，Γ是能够激活N_t根发射天线中1，2，…,N_a根天线的所有可能的天线索引组合的矢量集。

将第二数据块I_B转换成十进制数并加1，得到矢量索引号l,l∈{1,…,N_B}；

根据索引号l，从预设的正交天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量

矢量集

中索引矢量由将k₂,k₂∈{1,…,N_t}个天线索引号进行组合而构成的N_t×1维矢量形成；

基于天线索引矢量

从N_t根发射天线中激活k₂根天线。

同理，数据块I_B，含有log₂N_B个信息比特数，被转换成十进制数并加1，得到小于或等于天线索引矢量集中所有矢量总数的一个十进制数，即矢量索引号l,l∈{1,…,N_B}小于或等于N_B。然后，根据索引号l，从正交天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量

注意，N_B表示天线索引矢量集

中所有索引矢量的数量，

进而，通过天线索引矢量

激活N_t根发射天线中若干根发射天线(激活的天线数目可变，根据每个天线索引矢量中非零元素个数决定激活天线的数目)。注意，所选的每个天线索引矢量含有一个或多个等于“1”的非零元素(最多有

)。进一步，

是能够激活N_t根发射天线中

根天线的所有可能的天线索引组合的矢量集。

另外，预设的同相天线索引矢量集和正交天线索引矢量集设计步骤如下：

同相天线索引矢量集Ω∈Γ中的矢量V_i和正交天线索引矢量集

中的矢量

的数学模型可以描述如下：

对于天线索引矢量V_i，能够激活k₁∈{1,…,N_a}根发射天线的索引，以及对于天线索引矢量

能够激活

根发射天线的索引，它们的表达式可以分别描述为：

I^A＝{i_A(1),…,i_A(k₁)},I^B＝{i_B(1),…,i_B(k₂)}

式中，

且

用于激活k₁根发射天线的天线索引矢量V_i与用于激活k₂根发射天线的天线索引矢量

的表达式可以分别描述为

式中，

是一个N_t×1维的全零矢量，除了位于

索引位置上的非零元素等于“1”外。

同相天线索引矢量集Ω∈Γ和正交天线索引矢量集

的表达式分别表示为：

进一步作为本方法优选实施例，所述基于天线索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射空间矢量这一步骤，其具体包括：

利用天线索引矢量V_i激活的发射天线同时调制同一个M-QAM/PSK星座符号s，得到发射空间矢量的实部

利用天线索引矢量

激活的发射天线同时调制同一个M-QAM/PSK星座符号s，得到发射空间矢量的虚部

基于发射空间矢量的实部和虚部得到发射空间矢量S。

由此，所述***的频谱利用率为：

进一步作为本方法优选实施例，所述发射空间矢量S的设计步骤如下：

将含有k₁个非零元素的同相天线索引矢量V_i与含有k₂个非零元素的正交天线索引矢量

相加，得到一个复空间索引矢量x；

具体地，复空间索引矢量x数学表达式为：

注意，在所有的复空间索引矢量x中，与第n根发射天线对应的第n个分量x(n),n∈{1,2,…,N_t}有x(n)∈{0,1,j,1+j}。

通过复空间索引矢量x，星座符号s矢量被调制在同相天线索引矢量V_i激活的k₁根发射天线和正交天线索引矢量

激活的k₂根发射天线上，形成一个发射空间矢量S；

所述发射空间矢量S含有k₁+k₂星座符号版本。

进一步作为本方法优选实施例，所述发射空间矢量S的表达式如下：

进一步作为本方法的优选实施例，所述最大似然算法的计算公式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

分别表示估计检测的同相天线索引矢量的索引号和正交天线索引矢量的索引号，

表示估计检测的星座符号，

表示一个矢量信号，

表示一个归一化的发射空间矢量信号，

表示一个瑞丽衰落信道矩阵。

具体地，接收端接收经过无线信道传输的有扰矢量信号

n是一个加性高斯白噪声矢量，E_av是每个发射空间矢量的平均能量。

本发明实施例提供依照本发明一种实施方式的生成一个发射空间向量符号的过程如下：

考虑一种双重广义空间调制的***模型，具有N_t根发射天线和N_r根发射天线，如图3所示。假设在一个发射空间矢量符号持续时间内传输m＝I_A+I_B+I_C信息比特，其中I_C＝log₂M表示为星座符号索引信息比特数据块，用于映射成成为M-QAM/PSK信号星座集

中某个星座点s；I_A＝log₂N_A和I_B＝log₂N_B分别表示同相和正交天线索引矢量索引比特数据块，N_A和N_B分别表示同相天线索引矢量集Ω＝{V₁,V₂,…,V_i,…,V_NA}中天线索引矢量数目和正交天线索引矢量集

中天线索引矢量数目。

具体地说，在同相天线索引矢量选择器中，I_A信息比特数，被映射到一个天线索引矢量索引号i∈{1,…,N_A}，并从天线索引矢量集

中选择一个对应于该索引号i的索引矢量V_i。在正交天线索引矢量选择器中，I_B信息比特数，被映射到一个天线索引矢量索引号i∈{1,…,N_A}，并从天线索引矢量集

中选择一个对应于该索引号l的索引矢量

然后，根据具体实施方法步骤3，将所得的索引矢量V_i和索引矢量

相加，得到一个复空间索引矢量x。最后，根据具体实施方法步骤3，将复空间索引矢量x调制一个星座符号s，形成一个发射空间矢量S。

进一步说明本发明调制方法的工作原理。如表1所示，根据具体实施方式的步骤1、2、3、4，假设

N_t＝4，这里N_A＝N_B，

调制符号为s，表1为形成一个发射空间矢量符号S的映射规则。

表1

下面结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步的描述：

仿真条件：假设每个发射矢量符号时隙内发射总功率为1，SNR的取值范围为0～30dB.收发天线数目N_t∈{3,8},N_r∈{4,8}，衰落信道为瑞丽平坦衰落，干扰噪声为加性高斯白噪声，接收端采用最大似然检测，信道状态信息是确知的。这里，定义DGSM***基于参数

GSM***和DA-QSM***基于参数(N_t,N_r,P)，GSM-MIM***基于参数

其中，P表示激活的发射天线数目。α，β分别表示GSM-MIM分别调制α个

星座符号和β个L-QAM星座符号。

仿真内容：如图4所示，描绘了不同传输速率[5(星型标记)、6(方型标记)、7(箭头型标记)bps/Hz]时DGSM和DA-QSM***的误比特性能。基于

的DGSM***在BPSK、QPSK、8PSK调制方式的误比特仿真曲线分别与基于(N_t,N_r,P)＝(3,4,2)的DA-QSM***在16QAM、32QAM、64QAM调制方式的误比特仿真曲线进行比较。由图4可以观察到，DGSM***在不同调制方式的情况下都比DA-QSM***具有显著的平均误比特率性能优势。特别地，6(方型标记)、7(箭头型标记)bps/Hz情况下，当误比率值为10^-4时，与DA-QSM***相比，DGSM***分别优于3，3.2dB信噪比增益。

图5中，在12bps/Hz的传输情况下，描述了基于参数配置

的DGSM***在QPSK调制方式的平均误比特性能，并仿真了采用64QAM调制方式的ESM、采用8PSK调制方式的DSM、采用64QAM调制方式的QSM、以及基于参数(N_t,N_r,P)＝(8,8,4)并采用16QAM调制方式的GSM***的平均误比率仿真曲线。显然，由图5可见，DGSM***比其他技术***获得显著的信噪比增益。例如，当误比特率值为10^-3时，DGSM***的信噪比增益比GSM-MIM***高出0.8dB，比SM-SC***高出1.1dB，比ESM***高出2.1dB，比DSM***的信噪比增益高6dB，比QSM***的信噪比增益高7.5dB，比GSM***的信噪比增益高8.2dB。

如图2所示，一种双重广义空间调制***，包括以下模块：

比特流分离模块，用于获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到三个数据块；

星座映射模块，用于对信号星座映射比特进行星座符号映射，得到星座符号；

天线索引矢量选择模块，用于选择天线索引矢量，得到同相/正交维度上的天线索引矢量；

发射空间矢量模块，用于利用所选的同相和正交天线索引矢量将映射得到的一个星座符号调制到各自激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

最大似然检测模块，用于基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

上述方法实施例中的内容均适用于本***实施例中，本***实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种双重广义空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到数据块；

对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量；

基于天线索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

2.根据权利要求1所述一种双重广义空间调制方法，其特征在于，所述获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到数据块这一步骤，其具体包括：

获取输入信息比特；

基于比特流分离器将输入信息比特分离成第一数据块I_A，第二数据块I_B和第三数据块I_C。

3.根据权利要求2所述一种双重广义空间调制方法，其特征在于，所述对数据块进行星座映射处理和天线索引矢量选择处理，得到对应的星座符号和天线索引矢量这一步骤，其具体包括：

基于信号星座映射比特对第三数据块I_C进行处理，得到星座符号；

基于矢量索引比特对第一数据块I_A和第二数据块I_B进行处理，选择相对应的天线索引矢量。

4.根据权利要求3所述一种双重广义空间调制方法，其特征在于，所述基于矢量索引比特对第一数据块I_A和第二数据块I_B进行处理，选择相对应的天线索引矢量这一步骤，其具体包括：

将第一数据块I_A转换成十进制数并加1，得到矢量索引号i,i∈{1,…,N_A}，

N_a为激活天线的最大数量。

根据索引号i，从预设的同相天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量V_i；

矢量集Ω中索引矢量由将k₁,k₁∈{1,…,N_t}个天线索引号进行组合而构成的N_t×1维矢量形成；

基于天线索引矢量V_i，从N_t根发射天线中激活k₁根天线；

将第二数据块I_B转换成十进制数并加1，得到矢量索引号l,l∈{1,…,N_B}，

为激活天线的最大数量。

根据索引号l，从预设的正交天线索引矢量集

中选择该索引号对应的天线索引矢量

矢量集

中索引矢量由将k₂,k₂∈{1,…,N_t}个天线索引号进行组合而构成的N_t×1维矢量形成；

基于天线索引矢量

从N_t根发射天线中激活k₂根天线。

5.根据权利要求4所述一种双重广义空间调制方法，其特征在于，所述基于天线索引矢量将星座符号调制到激活的发射天线上，得到发射空间矢量这一步骤，其具体包括：

利用天线索引矢量V_i激活的发射天线同时调制映射得到的M-QAM/PSK星座符号s，得到发射空间矢量的实部

利用天线索引矢量

激活的发射天线同时调制映射得到的M-QAM/PSK星座符号s，得到发射空间矢量的虚部

基于发射空间矢量的实部和虚部得到发射空间矢量S。

6.根据权利要求5所述一种双重广义空间调制方法，其特征在于，所述发射空间矢量S的设计步骤如下：

将含有k₁个非零元素的同相天线索引矢量V_i与含有k₂个非零元素的正交天线索引矢量

相加，得到一个复空间索引矢量x；

通过复空间索引矢量x，星座符号s矢量被调制在同相天线索引矢量V_i激活的k₁根发射天线和正交天线索引矢量

激活的k₂根发射天线上，形成一个发射空间矢量S；

所述发射空间矢量S含有k₁+k₂星座符号版本。

7.根据权利要求6所述一种双重广义空间调制方法，其特征在于，所述发射空间矢量S的表达式如下：

8.根据权利要求7所述一种双重广义空间调制方法，其特征在于，所述最大似然算法的计算公式如下：

上式中，||·||²表示Frobenius范数，

分别表示估计检测的同相天线索引矢量的索引号和正交天线索引矢量的索引号，

表示估计检测的星座符号，

表示一个矢量信号，

表示一个归一化的发射空间矢量信号，E_av是每个发射空间矢量的平均能量，

表示一个瑞丽衰落信道矩阵。

9.一种双重广义空间调制***，其特征在于，包括以下模块：

比特流分离模块，用于获取输入信息比特并将输入信息比特分离得到三个数据块；

星座映射模块，用于对信号星座映射比特进行星座符号映射，得到星座符号；

天线索引矢量选择模块，用于选择天线索引矢量，得到同相/正交维度上的天线索引矢量；

发射空间矢量模块，用于利用所选的同相和正交天线索引矢量将映射得到的一个星座符号调制到各自激活的发射天线上，得到发射空间矢量；

最大似然检测模块，用于基于最大似然算法对接收到的发射空间矢量进行检测恢复，得到原始信息。

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