[发明专利]基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法

摘要

本发明提出一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，属于无线通信传输技术领域。该系统包括发射机与接收机，两者之间通过MIMO或MISO无线信道进行连接，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机负责空间调制信号的接收与译码。该系统配备多根发射天线，每次发射过程发射机只激活两根发射天线，他们各自的发射星座来自于同一数字调制星座的分割子集，而且分割子集的星座点间距在分割过程中获得了扩大；相对于已有的技术方案，新方案在维持同样复杂度的情况下，获得了传输性能的改善；此外，新方案对发射天线的数目没有严格限制，只要求大于1即可，克服了传统空间调制系统的局限性，大大增加了系统的实用性。

主权项

1.一种基于星座分割与双天线激活的空间调制传输系统的传输方法，该系统包括发射机与接收机，两者之间通过MIMO或MISO无线信道进行连接，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机负责空间调制信号的接收与译码，其中发射机包括依次串行连接的分组器、映射器、调制器与发射天线阵列；分组器的输入为待发送的信息比特流，输出为信息比特流的分组，每组比特对应一个空间调制符号，分组器的输出送入映射器，由映射器依据映射图表完成比特分组到空间调制符号的映射过程，输出空间调制符号所对应的两根待激活的发送天线序号和针对每根发送天线的数字调制符号，映射器的输出结果送给调制器，由调制器完成发射天线的选择与激活，以及每根发射天线所发送基带信号的数字调制、上变频和功率放大处理过程，形成空间调制信号；最后由激活的两根发射天线将空间调制信号发送给MIMO或MISO无线信道；信号经无线信道传输到达接收机；接收机包括接收天线阵列、解调器、信道估计器、解码器与组合器，其中接收天线阵列和解调器相连接；解调器分别和信道估计器及解码器相连接；信道估计器和解码器相连接；解码器与组合器相连接；接收天线阵列接收由发射机发送来的空间调制信号，该信号送入解调器，由解调器完成接收信号的均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号；基带解调信号同时送给信道估计器和解码器，信道估计器根据解调信号完成对无线信道的估计，然后将估计结果送给解码器；解码器接收来自解调器的解调信号，联合来自信道估计器的信道估计结果，采用最大似然译码准则，完成解调信号到信息比特的译码过程，每个解调信号对应一个译码比特组，最后由组合器将解码器输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流的译码比特流；设传输系统所配置的发射天线数为Nt，Nt为大于1的整数，接收天线数为Nr，Nr为大于等于1的整数，第i根发射天线到第m根接收天线之间的信道增益为h_mi，其中1≤i≤Nt，1≤m≤Nr，所有的信道增益组成一个维数为Nr×Nt的无线信道矩阵H，其第m行第i列的元素即为h_mi，其中1≤m≤Nr，1≤i≤Nt，每个空间调制符号携带η个信息比特，即每个发送时隙系统所发送的分组比特数为η，两根激活天线所采用的所有星座点集合为Ω，Ω包含的星座点个数为M，M≥2，参数满足：2^η≤Nt(Nt‑1)M，Nt维列矢量代表空间调制符号，其中T表示矩阵的转置符号，该矢量的第p个元素为第q个元素为其中1≤p≤Nt，1≤q≤Nt，p≠q，除此之外，其他元素均为0，表示该空间调制符号需要激活的发射天线序号为p和q，其中第p根发送天线发送数字调制符号第q根发送天线发送数字调制符号与均来自调制星座Ω，它们在Ω中的序号分别为l和k，该传输方法包括发射机信号处理过程与接收机信号处理过程，其中发射机信号处理过程的步骤如下：a、在通信链路建立阶段，发射机首先根据系统参数配置，由映射器产生比特分组到空间调制符号的映射图表，供发射机的空间调制符号映射与接收机的空间符号解映射所使用；b、通信链路建立之后，发射机发送的信息比特流经过分组器，分段成长度为η的比特分组，然后以组为单位依次送入映射器；c、映射器依据映射图表，将每个长度为η的比特分组映射为一个空间调制符号：送入调制器；d、调制器依据激活第p根与第q根发送天线，实施数字调制、上变频和功率放大信号处理过程，产生要发送的空间调制信号：第p根天线的调制信号为：第q根天线的调制信号为：其中，A为功率放大倍数，取决于接收端的期望信噪比，ω0为数字调制和上变频共同决定的射频频率，Real()表示取实部，Imag()表示取虚部；e、最后由激活的第p根与第q根天线分别将调制信号xp和xq发送出去，从发送天线阵列输出的空间调制信号可表示为：x＝[0,0,...xp,...xq,...]T；上述发射机中由映射器产生比特分组到空间调制符号的映射图表，其生成步骤如下：1)发射机依据每个空间调制符号携带的信息比特数目η和发射天线数目Nt，确定满足公式2η≤Nt(Nt‑1)M的最小M值；2)由上述最小M值，求一个最小的正整数Z＝M1+M2，满足M1≤M2，M1与M2均为正整数，M1×M2≥M；3)由最小正整数Z，确定一个数字调制星座Ω，以及满足Z＝M1+M2，M1×M2≥M的一个正整数组合{M1,M2}，具体确定方法如下：第一步，依据整数Z确定一个数字调制星座Ω：如果Z<8，则以等相位间隔分布的PSK作为调制星座，此时数字调制星座Ω即为ZPSK；如果Z≥8，分两种情况：情况1：求满足(2μ)²≥Z最小正整数μ，定义为μ_min，令B＝(2μ_min)²，以BQAM为基本星座，BQAM星座点的形式为：s_J′＝ρ×{±(2a‑1)±j(2b‑1)},a与b均为小于等于μ_min的正整数，ρ为星座能量归一化因子；在BQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω′；情况2：求满足(2v+1)²‑1≥Z最小正整数v，定义为v_min，令C＝(2v_min+1)²‑1，以CQAM为基本星座，CQAM星座点的形式为：s_J″＝σ×{±a′±jb′}，a′+b′≠0，a′与b′均为小于等于v_min的非负整数，σ为星座能量归一化因子；在CQAM星座中从幅度最大的星座点开始进行逐个刨除，直到剩余的星座点个数为Z，则剩余的星座点组成备选星座Ω″；实际应用中，可从备选星座Ω′和Ω″中，选择其中任意一个作为数字调制星座Ω；也可以在两者之间选择一个星座点间距最大的星座作为数字调制星座Ω；星座点间距的计算以每个空间调制符号的平均发送能量相等为依据进行计算；第二步，考察第一步所确定的数字调制星座Ω，如果该星座Ω可进一步分割为两个星座子集Ω1和Ω2，Ω1和Ω2所含星座点数分别为M1和M2，两者没有公共星座点，Ω1∪Ω2＝Ω，M1+M2＝Z，M1×M2≥M，且星座子集Ω1的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，星座子集Ω2的最小星座点间距要大于数字调制星座Ω的最小星座点间距，则{M1,M2}组合为一有效组合；如果星座Ω无法进行分割，则将整数Z加1，作为新的最小整数Z，重复上述第一步；如果存在多种{M1,M2}组合满足分割要求，则选择一种使M1×M2数值最大的组合作为优选；4)依据已产生的数字调制星座Ω和它的两个分割子集Ω1和Ω2，生成比特分组到空间调制符号的映射图表，包括如下步骤：第一步，从Nt根发送天线中选择两根天线，共可形成Nt(Nt‑1)/2种天线组合；第二步，对每种天线组合{p,q}，p,q代表两根发送天线的序号，形成两种空间调制发射模式：第一模式，天线p选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送；第二模式，天线p选择调制星座子集Ω2中的星座点进行发送，天线q选择调制星座子集Ω1中的星座点进行发送；对每种模式，共可形成M1×M2个空间调制符号；对所有Nt(Nt‑1)/2种天线组合，共可形成Nt(Nt‑1)M1M2个空间调制符号，其集合定义为Ψ，且有2η≤Nt(Nt‑1)M1M2；如果2η1,y₂,...y_Nr]^T，实施均衡、下变频和数字解调过程，输出基带解调信号，表示为：y_b＝Hv+n_b，其中表示所发射的基带空间调制符号，y_b＝[y_b1,y_b2,...y_bNr]^T为Nr维列矢量，其第r个元素y_br代表由第r根接收天线所接收的基带解调信号，n_b＝[n_b1,n_b2,...n_bNr]^T为Nr维列矢量，其第r个元素n_br代表由第r根接收天线所引入的基带加性白噪声；基带解调信号y_b＝[y_b1,y_b2,...y_bNr]^T被同时送入信道估计器和解码器；c、信道估计器依据基带解调信号y_b＝[y_b1,y_b2,...y_bNr]^T，产生对无线信道H的信道估计矩阵其第m行，1≤m≤Nr、第i列，1≤i≤Nt的元素代表对实际无线信道增益h_mi的估计值，具体估计过程可以通过在发送的比特流中插入导频比特来进行实施；信道估计结果送入解码器；d、解码器接收来自解调器的基带解调信号y_b＝[y_b1,y_b2,...y_bNr]^T，联合来自信道估计器的信道估计结果依据映射图表，完成对解调信号到信息比特的译码过程，其最大似然译码准则为：上述符号arg表示对参数n＝0,1,2,...,2^η‑1实施遍历，寻找一个使值最小的参数n，‖‖²表示欧式范数运算，代表对求欧式范数，非负整数n＝0,1,2,...,2^η‑1代表输入比特分组所对应的所有整数值，v_n代表n所对应的空间调制符号；代表从所有的n＝0,1,2,...,2^η‑1中，选择一个n使取最小值，此时的n定义为N，然后将N转换为长度为η的比特序列，该比特序列即为译码比特分组；e、最后由组合器将解码器输出的译码比特分组进行合并，输出对应发送比特流的译码比特流。