TWI618374B - 束波成型索引空間調變的方法 - Google Patents

束波成型索引空間調變的方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI618374B
TWI618374B TW106113519A TW106113519A TWI618374B TW I618374 B TWI618374 B TW I618374B TW 106113519 A TW106113519 A TW 106113519A TW 106113519 A TW106113519 A TW 106113519A TW I618374 B TWI618374 B TW I618374B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
mimo
channel
index
bism
receiving end
Prior art date
Application number
TW106113519A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201840145A (zh
Inventor
吳仁銘
張量凱
吳建緯
胡祐瑄
Original Assignee
國立臺灣大學
聯發科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立臺灣大學, 聯發科技股份有限公司 filed Critical 國立臺灣大學
Priority to TW106113519A priority Critical patent/TWI618374B/zh
Priority to US15/720,507 priority patent/US10148325B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI618374B publication Critical patent/TWI618374B/zh
Publication of TW201840145A publication Critical patent/TW201840145A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0619—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal using feedback from receiving side
    • H04B7/0636—Feedback format
    • H04B7/0639—Using selective indices, e.g. of a codebook, e.g. pre-distortion matrix index [PMI] or for beam selection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/028—Spatial transmit diversity using a single antenna at the transmitter
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0686—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission
    • H04B7/0695—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission using beam selection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0868—Hybrid systems, i.e. switching and combining
    • H04B7/088—Hybrid systems, i.e. switching and combining using beam selection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/32—Carrier systems characterised by combinations of two or more of the types covered by groups H04L27/02, H04L27/10, H04L27/18 or H04L27/26
    • H04L27/34—Amplitude- and phase-modulated carrier systems, e.g. quadrature-amplitude modulated carrier systems
    • H04L27/3405—Modifications of the signal space to increase the efficiency of transmission, e.g. reduction of the bit error rate, bandwidth, or average power
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/0001—Arrangements for dividing the transmission path
    • H04L5/0003—Two-dimensional division
    • H04L5/0005—Time-frequency
    • H04L5/0007—Time-frequency the frequencies being orthogonal, e.g. OFDM(A), DMT

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

本發明方法係針對多輸入多輸出頻道模組(multiple-input and multiple-output，MIMO)，提供一種束波成型索引空間調變(Beam Index Spatial Modulation，BISM)。該方法不僅提高訊號MIMO模組使用之效能，進一步可相容於傳統空間調變MIMO模組(Spatial Modulation MIMO，SM-MIMO)與正交分頻多工索引調變模組(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Index Modulation,OFDM-IM)，改善其處理速率與頻譜功率的問題。

Description

束波成型索引空間調變的方法
本發明是關於束波成型索引空間的調變方法，特別是，相容多輸入多輸出頻道模組(MIMO)使用之束波成型索引空間調變的方法。
在無線網絡的需求不斷增長情況之下，為了提高通訊傳輸速度同時，提供滿足所有用戶要求的多樣化應用面服務，往往是不可行，促使研究人員尋找新技術以解決更高的頻譜和能量效率，並且得更靈活調整用於頻譜和能量效率組合的系統參數，則針對通信系統的軟體改良更是必要。
多重輸入多重輸出(MIMO)和多載波通信系統的索引調變(index modulation，IM)技術的潛力有機會成為5G系統發展的關鍵技術之一。在過去幾年裡，IM技術越來越受到重視，其所考慮的通信系統的資源的索引被用於傳送附加信息位元的索引調變是具有高頻譜和能 量效率的新數位調變架構。
直至目前為止，索引調變概念的兩個重點和可實施的應用是空間調變(Spatial modulation，SM)和具有索引調變的正交分頻多工索引調變(OFDM-IM)；對於SM架構而言，係以MIMO模組的發射天線電路作為索引調變之對象；對於OFDM-IM架構而言，係以OFDM模組的束波成形作為索引調變之對象。
SM架構透過天線組合來執行索引調變，需要硬體組件來切換所選天線的開關，這種架構不但限制了SM架構的速度，而且因為天線切換同時影響所有使用通道的傳輸，使SM架構不相容於OFDM架構的通信系統，難以應用於實際的通信系統；另一方面，雖然OFDM-IM架構透過束波組合進行索引調變，然而，在MIMO系統中，OFDM-IM架構並無法有效地利用MIMO通道中的自由度。
描述本領域的專業的詞彙解釋
˙大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)
多輸入多輸出(MIMO)是利用傳送端多個天線各自獨立發送訊號，而接收端亦利用多個天線接收，並復原原始資訊訊號，以手機領域運用為例，基地台天線的數量通常會多於手機使用端的數量。
對於5G無線研究領域的現況，大規模多重輸 入多重輸出(Massive MIMO)可針對新一代無線資料網路提供多方面的優勢，除了更高的資料傳輸率容納更多使用者，則加強穩定度之餘，還可降低耗電量。
˙天線選擇(Antenna Selection)
係指在眾多的天線中如何選擇一個最適切的天線作為傳送端與接收端連接通訊的天線同時關閉剩餘的天線，最適切的天線通常取決於最大的雜訊比(signal-to-noise ratio)、通道多樣性或通道容載的最大值。
˙空間調變多輸入多輸出(SM-MIMO)
SM-MIMO架構是以天線組合作為索引調變之對象，系將信息位元映射到對應之一啟動天線，因此，其天線組合可以被解釋為調變空間星座圖(constellation diagram)的新維度。
傳統上，調變技術將固定數量的信息位元映射到一個M-QAM編碼中，每個符號表示複數二維信號空間中的星座點，SM-MIMO將該二維信號空間擴展到第三維度-空間維度，接收端估計符號和有效天線數量，並解讀映射原始信息位元。經由Meslehet al和Jeganathanet al等人提出SM之後，許多關於SM的論文已經陸續出版，其中，多數研究人員係著眼於廣義且低複雜度的檢測模式。
假設N T 為能傳送端的天線個數，n T =1為啟動天線的數量，M為M-ary QAM星座的階層，則頻譜效率 (Spectral efficiency)R則表示為R=log 2(N T )+log 2(M)bps.，係指在通訊系統的頻寬限制下可以傳送的資料總量；而透過使用單RF鏈，SM架構能降低複雜性和具有高能量效率，進一步解決傳送端的通道間干擾(inter-channel interference，ICI)，天線間同步化(inter-antenna synchronization，IAS)和複數RF鏈。
請參考第1圖所示，其敘述SM-MIMO、V-BLAST MIMO和最大比合併(Maximum Ratio Combining，MRC)MIMO的位元誤碼率(Bit Error Rate，BER)比較，雖然該技術在頻譜上表現欠佳，但已優於一般MIMO技術。
˙廣義空間調變多輸入多輸出(Generalized Spatial Modulation MIMO，GSM-MIMO)
請參考第2圖所示，其敘述GSM-MIMO系統的架構圖，GSM-MIMO允許接通超過一個天線並透過該些啟動天線發送M-QAM編碼，即n T 1，因此，頻譜效率R可表示為
請參考表格一所示，係敘述GSM進行編碼的範例，定義N T =4為傳送天線的個數，n T =3為啟動天線的個數，將空間位元映射至啟動天線索引，其中，x1,...,x4為QAM編碼
GSM-MIMO減少了啟動發射天線的數量，以實現增強的能量效率，而當系統在GSM-MIMO中開啟不同數量的天線時，傳送能量效率和頻譜效率彼此之間有取捨的問題，係藉由索引調變編碼來補償。再者，系統還可以透過啟動天線發送相同的信號符號，因此，它只需要單個RF鏈並實現更高的分集增益(diversity gain)。
˙正交分頻多工索引調變(OFDM-IM)
用於OFDM架構的索引調變概念是一種新穎的多載波傳輸技術，作為傳統OFDM的替代方案，在近年來已經引起了研究人員的極大關注，在一些最新發表中，處理OFDM-IM的誤差性能和容量分析，以及其適應到不同的無線通訊架構。
請參考第3圖所示，其敘述OFDM-IM系統的架構圖，係根據信息位元選擇可用束波的集合作為啟動方式，將剩餘的非啟動束波設置為零；以具有N個束波的OFDM系統為例，N個束波可被劃分為G個更小和可管理 的OFDM-IM子區塊，且每個子區塊包含N c個子載波以執行索引調變，則N=G×N c。
對於每個子區塊，可以根據p 1索引選擇位元來選擇N c個可用子載波中的n 0個作為啟動子載波。每個啟動子載波根據p 2調變位元發送M-QAM調變編碼。對於每個OFDM-IM架構，其頻譜效率R可表示為 其中，p=p 1+p 2和p 2=n0．log2M。
請參考第4圖所示，其敘述n Txn R=2x2、4×4和8×8的MIMO-OFDM-IM架構和一般MIMO-OFDM架構的BER比較，其中，OFDM系統參數：M=2(BPSK)，N=4，K=2，N F=512，CP長度=16，具有10個刻度的頻率選擇性瑞利衰落通道(Rayleigh fading channel)，是一種無線電訊號傳播環境的統計模型(statistical model)，係假設訊號通過無線通道之後，其訊號振幅(amplitude)是隨機的且均勻功率延遲分佈。
有鑒於此，為解決了當前無線傳輸系統在SM-MIMO架構和OFDM-IM架構的問題，同時保持索引調變對一般MIMO OFDM的能量效率優勢，本發明提供一種束波成型索引空間的調變(BISM)方法，用在一多輸入多輸出頻道模組(MIMO)通訊，其中，該模組具有一傳送端 及一接收端。
請參考第五圖所示，該方法包含下列步驟：
步驟(a)：確認該模組具有之複數束波個數NB，每一束波係由該傳送端及該接收端間不同天線所構成一獨立通道。
步驟(b)：係透過一通道矩陣H編碼，提供該些束波個數NB對應之一索引編碼，在一實施利中，該索引編碼係由一M-ary正交振幅調變編碼(M-ary quadrature amplitude modulation symbols)或一空間位元(spatial bits)表示，較佳地，該空間位元係由二進制表示，其中，該通道矩陣H表示為 且U及V互為么正矩陣(Unitary matrix)，Σ為該些束波個數的對角矩陣(diagonal matrix)N B×N B，具有與束波個數相同的奇異值個數σ1,σ 2,...,。
又該通道矩陣H亦可表示為 ai為該第i個束波的衰減量，et為出射角向量系表示 et為入射角向量系表示 又△ t 為該接收端天線間距，Ω ti =cos(φ ti )為該傳送端出射角方向餘旋，Ω ri =cos(φ ri )為該接收端入射角方向餘旋。
步驟(c)：評估該些束波的通訊狀況，選擇複數子通道nB作為複數使用通道，在一實施利中，該些使用通道的個數等於該些選擇子通道個數nB加1，較佳地，該索引編碼係包含一零位元(zero bit)表示非該些選擇子通道者，由該些使用通道於該傳送端使用之天線，分別傳送一訊號與對應之該索引編碼，與該接收端進行連接。
以及步驟(d)：該接收端辨識該索引編碼，由該些使用通道於該接收端使用之天線，分別接收該訊號。
與SM架構相比，BISM系統可與OFDM系統相容，並且可以與在基頻中取樣速度一樣快的符號速率實現索引調變，而與OFDM-IM架構相比，BISM系統利用MIMO通道的自由度，此外，可進一步提高頻譜效率。
(a)‧‧‧步驟
(b)‧‧‧步驟
(c)‧‧‧步驟
(d)‧‧‧步驟
第1圖顯示SM-MIMO、V-BLAST MIMO和最大比合併(MRC)MIMO的位元誤碼率(BER)比較；第2圖顯示GSM-MIMO系統的架構圖；第3圖顯示OFDM-IM系統的架構圖；第4圖顯示n Txn R=2x2、4×4和8×8的 MIMO-OFDM-IM架構和一般MIMO-OFDM架構的BER比較；第5圖顯示本發明方法的實施步驟
第6圖顯示SM-MIMO架構執行之天線索引調變；第7圖顯示OFDM-IM架構執行之束波索引調變；第8圖顯示BISM系統的架構圖；第9圖顯示具有N B =4且n B =3的MIMO OFDM系統上的BISM實現範例；第10圖顯示具有N B=4且n B=3的MIMO系統上的BISM實現範例；第11圖顯示關於束波個數為4的BISM和一般MIMO的BER性能；第12(a)圖顯示當束波個數NS=4及使用通道分別為nB=4,3,2,及1 BISM架構的SE與EE狀況；第12(b)圖顯示當束波個數NS=8及使用通道分別為nB=8,7,...,1 BISM模組通訊的SE與EE狀況；第13圖顯示一般MIMO與BISM於不同SNR的遍歷容量(ergodic capacity)；第14圖中顯示BISM系統和一般MIMO系統結合的實現範例； 第15圖顯示具有N個子載波的MIMO OFDM系統在BISM架構的實現範例；第16圖顯示在N s=4及n B=3時BISM架構的編碼範例；以及第17圖顯示N s=4，N c=4和n 0 中具OFDM-IM的BISM實現範例。
請參考第6圖所示，其描述SM-MIMO架構執行之天線索引調變，然而，SM架構需要硬體組件來切換所選擇的天線開關，這實際上限制了SM架構中的空間位元(即索引調變位元)的速度。此外，SM-MIMO架構將不相容於OFDM架構的通信系統，因為天線切換同時影響所有束波成形，使得SM-MIMO架構難以應用於實際的通信系統。
請參考第7圖所示，其描述OFDM-IM架構執行之束波索引調變，該架構雖然相容於OFDM架構的通信系統，然而，OFDM-IM架構無法有效利用在MIMO通道中的自由度，被選擇為關閉束波將失去在子載波中所有MIMO自由度的傳輸機會。
為解決了當前索引調變架構，本發明提出束波索引空間調變(BISM)，利用MIMO通道特徵模式的組合 來執行索引調變，解決了SM-MIMO中的速度問題和OFDM相容性，並且比OFDM-IM有更高的頻譜效率和能量效率。
在MIMO通信系統中，特徵模式表示MIMO通道分解的獨立空間通道，每個特徵模式可以在MIMO通信系統中攜帶獨立的資料流，而在MIMO OFDM系統中，每個束波中的資料流的最大數量表示系統的自由度，資料流選擇的組合被編碼用於BISM中的索引調變。
此外，與OFDM-IM架構相比，BISM技術可以相對於不同的通道和系統配置實現更好的能量效率(bps/Joule)或更高的頻譜效率(bps/Hz)，與一般的MIMO OFDM架構相比，更可以實現改善的頻譜和能量效率，以及更高的靈活性。
以下將描述BISM的技術特徵及其優點，並且還提供性能模擬和容量分析結果。
考慮具有N T 個傳送天線和N R 個接收天線的MIMO通道，同時也代表MIMO通道有效束波的個數，n B 為每次發射束波個數，其中N T >N B>n B 1，束波的產生可以有不同的實施方式。
在一實施例中，使用奇異值分解(SVD)來分解通道矩陣H~C NT×NR產生束波，則通道矩陣H可以表示為 且U及V是么正矩陣(Unitary matrix)，Σ是具有通道的奇異值個數σ 1,σ 2,...,的N B×N B對角矩陣(diagonal matrix)，每個子通道，i=1,2,......，N B 表示第ith個特徵模式亦即第ith個束波。
再一實施例中，使用傳送端出射角(Angle of Departure)φ ti ，及接收端入射角(Angle of Arrival)φ ri 來分解通道矩陣H~CNT×NR產生束波，該通道矩陣H可表示為 ai為第i個束波路徑的衰減量，出射角向量為 入射角向量為 ，△ t 為傳送端天線間距，△ t 為接收端天線間距，Ω ti =cos(φ ti )為傳送端出射角方向餘旋，Ω ri =cos(φ ri )為接收端入射角方向餘旋，每個子通道H i =a i e r (Ω ri )e t *(Ω ti ),i=1,...,N B 表示第ith個第ith個束波。
傳送端可以選擇在每次傳輸時在n B 個發射束波(在N B 個束波之外)上分配不同功率進行索引調變，則接收端可以利用在空間域中檢測獨立空間特徵H i ，因此，可 實現速率R BISM 為空間位元加上信號位元流n B
其中，RBISM右側的第一項是透過在束波空間中廣義空間調變(generalized spatial modulation)的空間位元，右側的第二項是透過n B 空間多工的M-ary振幅相位調變。
選擇複數子通道nB作為複數使用通道來設計BISM編碼，資料流的數量等於n B 加上用於索引調變的空間位元流，由空間位元決定用於發送M-QAM編碼的啟動特徵束波和非啟動特徵束波發送空白信號(null signals)。
請參考第8圖所示，其敘述BISM系統的架構圖，假設束波個數N B =4，通道個數n B =3，則BISM可以設計使用通道的個數為NS=n B +1=4。
請參考表格2所示，其敘述為N B =4,n B =3的BISM空間星座圖的說明，其中，x i 為QAM調變編碼及i=1,2,...,n B .
假設發送數據中的空間位元係由二進制表示，選擇第1，第3，第4子通道(H 1,H 3,H 4)為發送信號，BISM字碼使用相應的索引編碼攜帶不同的QAM調變編碼，例如[x 1,0,x 3,x 4] T 。而透過通道矩陣，由預編碼器，通道和通道組成的有效通道組合器等效於平行通道(例如對角矩陣)，因此，在字碼中的每個編碼可以映射到相應的束波，通過使用不同的字碼來選擇該些束波。
對空間調變(SM)和廣義空間調變(G-SM)來說，BISM技術是使用特徵束波選擇來表示空間位元而不是使用天線選擇，這可以解決原始SM-MIMO和OFDM-IM架構所衍生的諸多問題；更者，本發明束波成型索引空間調變的方法具有通訊應用上的優勢。
˙在不受天線切換的硬體限制下增強的傳輸數據速率
SM-MIMO中索引調變位元速度會受到天線切換的限制，但在BISM中該些束波組合以索引編碼表示空間位元的架構，而不是開關天線的開/關，可以在基頻(baseband)中配置使用通道的束波組合。
再者，BISM的傳輸數據速率與通道頻寬(channel bandwidth)所決定的系統取樣速率一樣快，如IEEE 802.11a，每個子通道的頻寬是20MHz，而在SM-MIMO系統中，索引位元傳輸速率由天線切換速率控制，約為2000切換/秒，因此，不受天線切換的限制，BISM技術可以提高SM-MIMO索引位元傳輸速率至104倍。
˙相容MIMO OFDM系統
如前文所敘，SM-MIMO技術與MIMO OFDM系統並不相容，這是因為OFDM系統中的每個束波容易受到天線電路的延遲影響，而本發明所提出的BISM為透過索引調變束波組合，等效於MIMO OFDM系統中的MIMO通道特徵模式。
請參考第9圖所示，其敘述具有N B=4且n B =3的MIMO系統上的BISM實現範例，每個使用通道攜帶一個獨立的資料流，且資料流攜帶對應之索引調變編碼。
˙能量效率(Energy Efficiency)
與具有N B的秩MIMO系統相比，BISM架構選擇一個子集n B 的秩用以傳輸M-ary QAM編碼，儘管BISM 使用較少的秩(或束波)來傳輸資料，但是它可以使用額外的束波，給予一般MIMO和BISM架構中每個資料流傳輸的固定功率P，在每個資料流中的M-ary QAM編碼的BER將保持與一般MIMO OFDM系統的BER相同，然而，在BISM中的過度功率消耗將減少到n B/N B。
請參考第10圖所示，其敘述具有N B=4且n B =3的MIMO系統上的BISM實現範例，若每個使用通道功率相同，則BISM傳送端的過度功率消耗將減少到3/4。
˙位元誤碼率的性能(Bit error rate，BER performance)
請參考第11圖所示，其敘述關於束波個數為4的BISM和一般MIMO的BER性能，其中，若每次以8bit傳輸速率傳輸每一子載波，當nB=3所傳送資料流(-1.21dB Eb/N0at 10-5BER)，可知BISM與MIMO相比BISM會以較少的Eb/N0達到相同的BER，且在BISM架構中對於減少Eb/N0的要求，呈現的能量效率勝於一般的MIMO架構。
˙頻譜效率及能量效率的取捨
眾所周知，頻譜效率(SE)和能量效率(EE)通常在無線通信系統中有取捨的問題，而在BISM中，考慮當nB=NB-1時的情況，可實現速率RBISM可以表示為
其中，M是M-QAM調變編碼的階數，如果N B M，就頻譜效率而言，利用BISM可以獲得比空間多工更多的空間位元，在這種頻譜效率情況下，本發明只使用N T -1個RF鏈，並降低了全開通空間多工的複雜性。
在另一種極端情況下，當僅使用一個束波時，可實現的速率R BISM 是
在這種情況下，BISM相同於空間調變，具有低複雜性和高能量效率(bps/Joule)。
請參考第12(a)圖所示，其敘述當束波個數NS=4及使用通道分別為nB=4,3,2,及1 BISM架構的SE與EE狀況，其中，當n B =N S=4，則表示一般MIMO系統與BISM系統進行比較，且使用通道係藉由M-ary QAM調變編碼編碼被傳輸。
在BPSK,QPSK,16-QAM及32-QAM的範例中，當使用通道個數越多時，則頻譜效率也逐漸提高；當使用通道個數與一般MIMO系統相同時，BISM具有比一般MIMO較高的EE；一般來說，現有MIMO具有比BISM架構更高的頻譜效率，只有在少數的範例中，在低級數的QAM的情況下，BISM具有較高的SE。
請參考第12(b)圖所示，其敘述當束波個數NS= 8及使用通道分別為nB=8,7,...,1 BISM模組通訊的SE與EE狀況。
BISM的容量可由下列的方程式表示，表示空間域(spatial domain)及信號域(signal domain)，從兩種域之間的取捨得到的容量，或藉由不同的n B 設定重組。
在沒有一般性的損失下，BISM的總和率由子通道與位元調變量的總合表示如下：
其中，E S 為M-ary QAM符號能量，N 0為加性高斯白雜訊(Additive white Gaussian noise，AWGN在通訊領域中指的是一種功率譜函數是常數(即白雜訊)，且振幅服從高斯分布的雜訊訊號。因其可加性、振幅服從高斯分布且為白雜訊的一種而得名)及d(j,k)為兩索引調變字碼之間相差的位元的數量(或稱漢明距離Hamming distance是兩個字符串對應位置的不同字符的個數)，N(j,k)為在兩個選擇子通道之間不同列的數量。
請參考第13圖所示，其敘述一般MIMO與BISM於不同SNR的遍歷容量(ergodic capacity)，其中，BISM被表示為灰色，並且MIMO被表示為黑色。
這可以看出，在低SNR區域時，使用較少的束波可達到有效的頻譜效率，但隨著SNR增加，需要更多的束波被開啟，實現比MIMO更高的數據速率，但在高SNR情況下，如前文所述，當使用足夠的n B 時，BISM的容量與正在使用的束波個數成比例地增加，並超過一般MINO的容量，隨著更多的使用通道被開啟，更多的分集增益和多工增益將被實現。
˙相容多用戶MIMO OFDM通信系統中
在多用戶MIMO OFDM通信系統中，束波會被分割為多個區塊作為無線電資源，然後將無線電資源區塊分配給多個用戶以進行多重存取(multiple access)。
本發明所提出的BISM架構利用索引調變以自然方式與多用戶MIMO OFDM資源分配下相容，相較之下，SM-MIMO架構難以應用於MIMO OFDM中的資源分配的多用戶傳輸，而對於OFDM-IM架構，多用戶資源分配仍不如BISM靈活，這是因為OFDM-IM利用子載波中進行索引調變。
˙在BISM和MIMO之間可切換系統的總圖
請參考第14圖所示，其敘述BISM系統和一般MIMO系統結合的實現範例，在該系統中的預編碼器FBB,FRF和組合器W BB,W RF 由通道信息和硬體限制來決 定，然後，其重配置機制根據通道信息和用戶需求來決定是使用BISM還是一般MIMO，預編碼器和組合器的設置與BISM和一般MIMO之間的切換無關，因此，將BISM系統和重新配置機制加至到目前的通信系統是可行的。
˙MIMO OFDM系統的BISM實施範例
請參考第15圖所示，其敘述具有N個子載波的MIMO OFDM系統在BISM架構的實現範例。當束波個量N S 等於每個MIMO通道的秩時，對於第k個子通道k=1,2,,...N，長度N S 的資料向量d[k]包含N S -n B 個數位調變編 碼(例如M-QAM符號)和n B null元素。資料向量模式表示空間符號。然後發送預編碼符號向量表示為x[k]=F BB [k]d[k]
其中，F BB [k]為基頻預編碼器矩陣，post-IFFT符號向量為s[n],n=1,2,...,N，s[n]表示為
假設在相關時間和相關頻寬內進行操作，類比束波成形矩陣可以在一個OFDM符號期間相同地應用於時域符號。
傳輸符號向量在時間n為b[n]，b[n]=F RF s[n]，n=0,1,...,N-1，其中F RF 為類比預編碼器矩陣，在接收端的基頻的OFDM符號的第k個子載波上的接收符號向量是 y [k]=W RF H[k]F RF F BB [k]d[k]+W RF n[k]
其中，H[k]是第k個子載波的頻域全通道矩陣，W RF 是類比後編碼器矩陣，n[k]是複數AWGN向量。
在MIMO通道k,H[k]藉由使用SVD，使得H[k]=U[k]Σ[k]V H [k]，及在BISM中利用每個子載波中的特徵模式用於索引調變。
請參考第16圖所示，其敘述在N s=4及n B =3時BISM架構的編碼範例，其中，x 1,x 2及x 3為M-ary QAM調變編碼編碼。零位元的位置由輸入的位元以隨機分佈被選出，零位元的位置表達位元。
˙BISM在OFDM-IM的聯合設計
BISM在特徵模維度中的概念可以作為二維索引調變架構與OFDM-IM一併實現。考慮具有N s特徵模式的MIMO系統，並且N個束波被劃分為G個更小和可管理的OFDM-IM子區塊，每個子區塊包含N c 個束波以執行IM，其中，N=GxN c 。
對於每個子區塊，可以根據索引編碼來選擇N c 個可用束波作為啟動n 0 個使用通道。每個使用通道根據p 2調變位元發送M-QAM調變編碼編碼。
對於每個OFDM-IM架構，其頻譜效率R可表示為
請參考第17圖所示，其敘述N s=4，N c =4和n 0 中具 OFDM-IM的BISM實現範例，其中，N sxN c個自由度的每個子區塊可以用於索引調變，具有N sxN c=4x4用於索引調變的自由度。
雖然上文中揭露了本發明的具體實施例，然其並非用以限定本發明方法的實施，即所屬技術領域中具有通常知識者，在不悖離本發明之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。

Claims (7)

  1. 一種束波成型索引空間的第一調變方法，用以一多輸入多輸出頻道模組(multiple-input and multiple-output，MIMO)通訊，其中，該模組具有一傳送端及一接收端，該方法包含下列步驟：步驟(a)：確認該模組具有之複數束波個數NB，每一束波係由該傳送端及該接收端間不同天線所構成一獨立通道；步驟(b)：係透過一通道矩陣H，提供該些束波個數NB對應之一索引編碼，其中，該通道矩陣H表示為且U及V互為么正矩陣(Unitary matrix)，Σ為該些束波個數的對角矩陣(diagonal matrix)N B×N B，具有與束波個數相同的奇異值個數σ 1,σ 2,...,；步驟(c)：評估該些束波的通訊狀況，選擇複數子通道(Sub-channel)個數nB作為複數使用通道，由該些使用通道於該傳送端使用之天線，分別傳送一訊號與對應之該索引編碼，與該接收端進行連接；以及步驟(d)：該接收端辨識該索引編碼，由該些使用通道於該接收端使用之天線，分別接收該訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項之空間調變方法，其中，該多輸入多輸出頻道模組相容於一正交分頻多工模組(Orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM)。
  3. 如申請專利範圍第1項之空間調變方法，其中，該索引編碼係由一M-ary正交振幅調變編碼(M-ary quadrature amplitude modulation symbols)或一空間位元(spatial bits)表示。
  4. 如申請專利範圍第3項之空間調變方法，其中，該空間位元係由二進制表示。
  5. 如申請專利範圍第1項之空間調變方法，其中，該些使用通道的個數等於該些選擇子通道個數nB加1。
  6. 如申請專利範圍第5項之空間調變方法，其中，該索引編碼係包含一零位元(zero bit)表示非該些選擇子通道者。
  7. 一種束波成型索引空間的第二調變方法，用在一多輸入多輸出頻道模組通訊，其中該模組具有一傳送端及一接收端，該方法包含下列步驟：步驟(a)：確認該模組具有之複數束波個數NB，每一束波係由該傳送端及該接收端間不同天線角度所構成一獨立通道；步驟(b)：係透過一角度矩陣H編碼，提供該些束波個數NB對應之一索引編碼，其中，該通道矩陣H表示為且ai為該第i個束波的衰減量，et為出射角向量系表示et為入射角向量系表示又△ t 為該接收端天線間距，Ω ti =cos(φ ti )為該傳送端出射角方向餘旋，Ω ri =cos(φ ri )為該接收端入射角方向餘旋；以及步驟(c)：評估該些束波的通訊狀況，選擇複數子通道個數nB作為複數使用通道，由該些使用通道於該傳送端使用之天線，分別傳送一訊號與對應之該索引編碼，與該接收端進行連接；以及步驟(d)：該接收端辨識該索引編碼，由該些使用通道於該接收端使用之天線，分別接收該訊號。
TW106113519A 2017-04-21 2017-04-21 束波成型索引空間調變的方法 TWI618374B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106113519A TWI618374B (zh) 2017-04-21 2017-04-21 束波成型索引空間調變的方法
US15/720,507 US10148325B2 (en) 2017-04-21 2017-09-29 Methods of beam-indexed spatial modulation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106113519A TWI618374B (zh) 2017-04-21 2017-04-21 束波成型索引空間調變的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI618374B true TWI618374B (zh) 2018-03-11
TW201840145A TW201840145A (zh) 2018-11-01

Family

ID=62189078

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106113519A TWI618374B (zh) 2017-04-21 2017-04-21 束波成型索引空間調變的方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10148325B2 (zh)
TW (1) TWI618374B (zh)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109150275B (zh) * 2018-10-29 2021-10-15 东华大学 基于天线组合和星座图联合映射的广义空间调制方法
CN109347526B (zh) * 2018-11-06 2021-06-22 青岛智能产业技术研究院 一种面向车联网的im-ofdm信号的处理方法
CN109167624A (zh) * 2018-11-09 2019-01-08 重庆邮电大学 一种基于A-Star算法的接收天线最优路径寻找方法
CN109347781A (zh) * 2018-11-28 2019-02-15 广州海格通信集团股份有限公司 基于子载波树搜索的mimo-ofdm-im检测方法
CN109688083B (zh) * 2019-02-26 2021-04-27 中国人民解放军国防科技大学 一种基于子块设计的正交多载波全索引通信传输方法
CN110224782B (zh) * 2019-04-28 2020-06-23 清华大学 一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法及***
CN110213194B (zh) * 2019-05-20 2021-08-10 重庆邮电大学 一种低复杂度的空间调制比特映射方法
US11848727B2 (en) * 2019-08-13 2023-12-19 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Wireless communication system and wireless communication method
CN110855328B (zh) * 2019-10-25 2021-01-19 西安交通大学 一种基于天线分组的差分空间调制方法、设备及存储介质
KR102297614B1 (ko) * 2019-11-26 2021-09-03 한국과학기술원 저전력 통신을 위한 직교 주파수 분할 다중화 및 색인 변조 시스템에서 딥 멀티 암드 밴딧을 활용한 오류 확률 최적화 방법 및 장치
US11563614B2 (en) * 2020-03-03 2023-01-24 Qualcomm Incorporated Spectral efficiency for tone reservation peak-to-average power ratio reduction
CN111585621B (zh) * 2020-04-21 2022-05-03 电子科技大学 基于最大化人工噪声功率的天线选择的通信方法
CN111917678B (zh) * 2020-07-24 2021-06-11 华中科技大学 一种索引调制映射方法
CN113708813B (zh) * 2021-08-25 2024-01-30 东南大学 一种基于波束赋形的多用户空间调制方法
CN114665927B (zh) * 2022-03-10 2023-08-08 成都中科微信息技术研究院有限公司 一种适用于快变信道下的多天线差分空间调制方法
CN115865593A (zh) * 2022-11-18 2023-03-28 重庆邮电大学 一种基于降噪网路的ofdm-im信号检测方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8050344B2 (en) * 2005-04-28 2011-11-01 Qualcomm Incorporated Beamforming techniques for MIMO communication systems
US8094743B2 (en) * 2006-07-11 2012-01-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Spatial modulation method and transmitting and receiving apparatuses using the same in a multiple input multiple output system
US20120250637A1 (en) * 2009-09-11 2012-10-04 The University Court Of The University Of Edinburgh Inter-Carrier Modulation
CN105515658A (zh) * 2015-11-24 2016-04-20 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种预编码mimo-oofdm可见光通信方法
US20160218779A1 (en) * 2015-01-26 2016-07-28 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Beam modulation and demodulation method and apparatus based on beam-space multiple input multiple output (mimo) antenna system

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7020110B2 (en) * 2002-01-08 2006-03-28 Qualcomm Incorporated Resource allocation for MIMO-OFDM communication systems
US6862271B2 (en) * 2002-02-26 2005-03-01 Qualcomm Incorporated Multiple-input, multiple-output (MIMO) systems with multiple transmission modes
US8929550B2 (en) * 2013-02-01 2015-01-06 Department 13, LLC LPI/LPD communication systems
US7613248B2 (en) * 2002-06-24 2009-11-03 Qualcomm Incorporated Signal processing with channel eigenmode decomposition and channel inversion for MIMO systems
US8320301B2 (en) * 2002-10-25 2012-11-27 Qualcomm Incorporated MIMO WLAN system
US7986742B2 (en) * 2002-10-25 2011-07-26 Qualcomm Incorporated Pilots for MIMO communication system
US8116262B2 (en) * 2004-06-22 2012-02-14 Rockstar Bidco Lp Methods and systems for enabling feedback in wireless communication networks
US8130855B2 (en) * 2004-11-12 2012-03-06 Interdigital Technology Corporation Method and apparatus for combining space-frequency block coding, spatial multiplexing and beamforming in a MIMO-OFDM system
US9130706B2 (en) * 2005-05-26 2015-09-08 Unwired Planet, Llc Method and apparatus for signal quality loss compensation in multiplexing transmission systems
ATE442727T1 (de) * 2005-09-29 2009-09-15 Interdigital Tech Corp Einträger-frequenzmultiplex-zugangssystem auf mimo-strahlformungsbasis
US8543070B2 (en) * 2006-04-24 2013-09-24 Qualcomm Incorporated Reduced complexity beam-steered MIMO OFDM system
US8290089B2 (en) * 2006-05-22 2012-10-16 Qualcomm Incorporated Derivation and feedback of transmit steering matrix
HUE053384T2 (hu) * 2006-09-26 2021-06-28 Optis Wireless Technology Llc Kommunikációs séma csatornaminõség információ számára
KR100835285B1 (ko) * 2006-12-06 2008-06-05 한국전자통신연구원 빔 형성 방법 및 이를 위한 빔 형성 장치
US8280444B1 (en) * 2008-02-26 2012-10-02 Adaptix, Inc. Reducing multi-cell interference using cooperative random beam forming
WO2011158302A1 (en) * 2010-06-18 2011-12-22 Nec Corporation Precoding techniques for downlink coordinated multipoint transmission in radio communications system
WO2012051058A1 (en) * 2010-10-11 2012-04-19 Media Tek Singapore Pte. Ltd. Mimo channel matrix feedback in ofdm systems
CN103493395B (zh) * 2011-06-07 2016-03-09 马维尔国际贸易有限公司 用于波束形成的压缩反馈和副载波分组的***和方法
KR101800221B1 (ko) * 2011-08-11 2017-11-22 삼성전자주식회사 무선통신 시스템에서 빔 추적 방법 및 장치
US8798184B2 (en) * 2012-04-26 2014-08-05 Qualcomm Incorporated Transmit beamforming with singular value decomposition and pre-minimum mean square error
US9503170B2 (en) * 2012-06-04 2016-11-22 Trustees Of Tufts College System, method and apparatus for multi-input multi-output communications over per-transmitter power-constrained channels
WO2014158208A1 (en) * 2013-03-29 2014-10-02 Intel Corporation Orthogonal beamforming for multiple user multiple-input and multiple-output (mu-mimo)
KR102175707B1 (ko) * 2014-01-20 2020-11-06 한국전자통신연구원 3차원 안테나 어레이 장치 및 빔포밍 방법
KR102172442B1 (ko) * 2014-02-19 2020-10-30 삼성전자주식회사 우선 순위를 갖는 송신 빔 인덱스 선택 및 할당 방법 및 장치
KR102177804B1 (ko) * 2014-03-25 2020-11-11 삼성전자주식회사 다중입력 다중출력 시스템에서 스케줄링 방법 및 장치
WO2015186531A1 (ja) * 2014-06-02 2015-12-10 シャープ株式会社 端末装置、フィードバック情報生成方法、及び基地局装置
WO2016076657A1 (ko) * 2014-11-13 2016-05-19 엘지전자 주식회사 다중 안테나 무선 통신 시스템에서 참조 신호 송신 방법 및 이를 위한 장치
KR102346981B1 (ko) * 2014-11-28 2022-01-04 삼성전자주식회사 무선 통신 시스템에서 채널 추정 방법 및 장치
WO2016098369A1 (en) * 2014-12-15 2016-06-23 Nec Corporation Method and system for mimo communication
CN107466461B (zh) * 2015-03-27 2021-04-02 瑞典爱立信有限公司 用于为信道状态信息参考信号传送选择波束参考信号的***和方法
US10554280B2 (en) * 2015-05-01 2020-02-04 Futurewei Technologies, Inc. Device, network, and method for CSI feedback of hybrid beamforming
KR102306800B1 (ko) * 2015-05-27 2021-09-30 삼성전자주식회사 무선 통신시스템의 피드백 정보 송수신 장치 및 방법
KR102329730B1 (ko) * 2015-06-08 2021-11-23 삼성전자주식회사 다중 사용자 다중 입력 다중 출력 방식을 지원하는 통신 시스템에서 송신 빔 정보 및 채널 품질 정보 송/수신 장치 및 방법
US10205498B2 (en) * 2015-06-25 2019-02-12 Intel IP Corporation User equipment and codebook search method for 4Tx dual codebook (ran1)
KR102318220B1 (ko) * 2015-07-01 2021-10-27 삼성전자주식회사 무선 통신시스템의 빔 선택 장치 및 방법
KR102062902B1 (ko) * 2015-07-23 2020-02-11 엘지전자 주식회사 다중 안테나 무선 통신 시스템에서 코드북 기반 신호 송수신 방법 및 이를 위한 장치
US20170170885A1 (en) * 2015-12-09 2017-06-15 Qinghua Li Beamforming channel smoothing
US10069555B2 (en) * 2016-04-13 2018-09-04 Qualcomm Incorporated System and method for beam management

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8050344B2 (en) * 2005-04-28 2011-11-01 Qualcomm Incorporated Beamforming techniques for MIMO communication systems
US8094743B2 (en) * 2006-07-11 2012-01-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Spatial modulation method and transmitting and receiving apparatuses using the same in a multiple input multiple output system
US20120250637A1 (en) * 2009-09-11 2012-10-04 The University Court Of The University Of Edinburgh Inter-Carrier Modulation
US20160218779A1 (en) * 2015-01-26 2016-07-28 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Beam modulation and demodulation method and apparatus based on beam-space multiple input multiple output (mimo) antenna system
CN105515658A (zh) * 2015-11-24 2016-04-20 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种预编码mimo-oofdm可见光通信方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW201840145A (zh) 2018-11-01
US20180309481A1 (en) 2018-10-25
US10148325B2 (en) 2018-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI618374B (zh) 束波成型索引空間調變的方法
Jaradat et al. Modulation options for OFDM-based waveforms: Classification, comparison, and future directions
CN103986682B (zh) 一种无线mimo通信***的通信方法
RU2340100C1 (ru) Устройство и способ частотно-пространственно-временного блочного кодирования для повышения производительности
CN102638330B (zh) 在无线通信***中传送信号的方法
KR20050045765A (ko) 직교 주파수 분할 다중 방식을 사용하는 이동통신시스템에서 부반송파 할당을 위한 장치 및 방법
WO2008056928A2 (en) A method of data transmission in a wireless communication system
KR20050016698A (ko) 복수의 채널들을 갖는 통신 시스템에서의 파워 및 비트로딩 할당
CN101378299A (zh) 一种基于空频编码的发射分集方法
CN104092519B (zh) 一种基于加权和速率最大化的多用户mimo协作传输方法
CN110830089A (zh) 一种空间频率索引调制传输方法
CN111224705B (zh) 一种基于随机映射的索引调制正交频分复用安全传输方法
CN1815941A (zh) 多天线传输***中的天线选择和比特分配方法及装置
Wang et al. BER analysis of STBC hybrid carrier system based on WFRFT with frequency domain equalization
WO2009016573A2 (en) System and method of transmitting and receiving mimo-ofdm signals
CN101499988B (zh) 宽带无线移动通信方法、***和设备
Pan et al. Dynamic resource allocation with adaptive beamforming for MIMO/OFDM systems under perfect and imperfect CSI
CN106301693B (zh) 一种基于码本映射的无线信号调制方法
Shivapanchakshari et al. CL-SA-OFDM: cross-layer and smart antenna based OFDM system performance enhancement
Sworo et al. Performance of link adaptation algorithms and reconfigurable antennas for MIMO-OFDM wireless systems
CN106953674B (zh) 空间调制方法和***
CN109617580B (zh) 一种空移键控的映射方法
Muoghalu et al. MIMO-OFDM techniques for wireless communication system: performance evaluation review
Vo Improved Spatial Modulation Techniques for Wireless Communications
Huang et al. A modified Low PAPR space-frequency block coding scheme for SC-FDMA