基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其涉及基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，有限的頻譜資源逐漸成為制約無(wú)線通信系統(tǒng)的瓶頸。 采用多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output, ΜΙΜΟ)無(wú)線通信系統(tǒng)是提高無(wú)線通 信頻譜效率的有效途徑。在眾多MHTO技術(shù)中，空移鍵控（Space Shift Keying，SSK)是近 期提出的一種低復(fù)雜度、高能效的MMO技術(shù)。其核心思想是，使用天線位置傳遞信息，在 任一時(shí)隙，激發(fā)多根天線中的一根傳送信息，避免了天線間的同步以及同信道間的干擾；同 時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)只需要單根射頻鏈，大幅降低了系統(tǒng)復(fù)雜度以及系統(tǒng)成本。
[0003] 空移鍵控雖然降低了多天線系統(tǒng)的復(fù)雜度，但是，同時(shí)也損失了部分系統(tǒng)性能。分 集增益是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的分集增益包括時(shí)間分集、頻率分集。多天線技 術(shù)的引入，使得系統(tǒng)可取得空間分集?？臻g分集又包括發(fā)射分集以及接收分集。研究表明， 空移鍵控只能取得接收分集，而不能取得發(fā)射分集。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法，該通 信方法能使空移鍵控系統(tǒng)取得發(fā)射分集增益，提高系統(tǒng)性能，突破原有空移鍵控系統(tǒng)發(fā)射 天線數(shù)必須為2的冪次方的限定，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性，并保持了原有空移鍵控系統(tǒng)單 鏈路傳輸特性，降低了多天線系統(tǒng)復(fù)雜度。
[0005] -種基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法，運(yùn)行于通信系統(tǒng)中，其特征在于， 該方法包括以下步驟：通信系統(tǒng)的發(fā)射裝置離線構(gòu)建空時(shí)矩陣星座圖，所述空時(shí)矩陣星座 圖包括多個(gè)空時(shí)矩陣，所述通信系統(tǒng)的發(fā)射裝置找出所述空時(shí)矩陣中發(fā)射天線的所在位 置，然后確定該位置上的發(fā)送值來(lái)構(gòu)建空時(shí)矩陣星座圖；依據(jù)構(gòu)建的空時(shí)矩陣星座圖，將所 述發(fā)射裝置輸入的信息比特進(jìn)行分組，將每組中的信息比特映射到所述空時(shí)矩陣星座圖中 的一個(gè)空時(shí)矩陣進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，通信系統(tǒng)的接收裝置采用最大似然解調(diào)，接收發(fā)射裝置傳 送過(guò)來(lái)的信號(hào)。
[0006] 具體地說(shuō)，考慮一個(gè)具有Nt根發(fā)射天線，L根接收天線的無(wú)線通信系統(tǒng)，使用H 表示接收端到發(fā)射端的信道矩陣。在發(fā)射端，對(duì)輸入的信息比特進(jìn)行分組，每組包含m = Iog2Nt個(gè)比特用于選取多根發(fā)送天線中的一根進(jìn)行信號(hào)傳輸。其數(shù)學(xué)模型可以表示為：
[0007] y = HXj+z
[0008] 其中，y為接收信號(hào)向量，z為系統(tǒng)噪聲，Xj= [0,0,…，1，0,…]τ為發(fā)送信號(hào)向量， 其第j個(gè)元素不為1，其余元素都為〇,表示選取第j根天線進(jìn)行信號(hào)發(fā)送。從本質(zhì)上看，空 移鍵控將信息比特映射到單個(gè)一維的向量 X]上，L有僅只有一個(gè)非零元素保證了系統(tǒng)的單 鏈路發(fā)射。
[0009] 在本發(fā)明中，將輸入信息比特映射到一個(gè)二維的空時(shí)矩陣上，其接收信號(hào)向量可 以表示為：
[0010] Y = HX+Z ；
[0011] 其中，X為NtXT維空時(shí)矩陣。通過(guò)合理的選擇矩陣的取值，能使系統(tǒng)在保持單鏈 路發(fā)送的同時(shí)，獲得接收分集與發(fā)射分集，提高系統(tǒng)性能。
[0012] 為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作術(shù)語(yǔ)定義：對(duì)于空時(shí)矩陣X，定義其對(duì)應(yīng)的發(fā) 射天線位置矩陣A，其元素之間的關(guān)系為：
[0013]
[0014] 對(duì)于發(fā)射天線數(shù)目為Nt，傳輸時(shí)隙為T(mén)的多天線系統(tǒng)，在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道中，系統(tǒng) 所能取得的最大發(fā)射分集增益為min (Nt，T)。也就是說(shuō)，當(dāng)T>NJt，增加空時(shí)矩陣X的列數(shù)， 無(wú)益于系統(tǒng)發(fā)射分集的提高，由此，本發(fā)明中，只考慮T <隊(duì)的情況，即系統(tǒng)所能取得的最 大發(fā)射增益為T(mén)。
[0015] -種基于空時(shí)星座圖的空移鍵控通信方法，應(yīng)用于無(wú)線通信中，其特征在于：發(fā)送 端信息比特映射到一個(gè)二維（時(shí)間維度及空間維度）的空時(shí)矩陣X上，設(shè)C為空時(shí)矩陣X 的集合，其元素個(gè)數(shù)為M，X具有如下形式：
[0016]
[0017] 其中，矩陣X的取值必須満足以下條件：
[0018] a :X的每一列的有且只有一個(gè)元素不為0 ;
[0019] b :X滿足功率約束條件：
[0020]
其中，tr( ·)表示矩陣的跡，E( ·)表示均值；
[0021] c :X的取值能使系統(tǒng)發(fā)射分集增益與編碼增益最大化。
[0022] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，采用本發(fā)明提供的基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法， 為空移鍵控系統(tǒng)取得了發(fā)射分集，具有優(yōu)異的誤碼性能，并突破原有空移鍵控系統(tǒng)發(fā)射天 線數(shù)必須為2的冪次方的限定，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性，此外，保持了原有空移鍵控系統(tǒng)單 鏈路傳輸特性，降低了多天線系統(tǒng)復(fù)雜度。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是通信系統(tǒng)較佳實(shí)施例的通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法較佳實(shí)施例的原理圖。
[0025] 圖3是本發(fā)明基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法的流程圖。
[0026] 圖4是本發(fā)明基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法中確定天線發(fā)射位置的 流程圖。
[0027] 圖5是本發(fā)明基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法中選取發(fā)送值的流程圖。
[0028] 圖6是本發(fā)明較佳實(shí)施例中誤碼率性能的對(duì)比圖。
[0029] 主要元件符號(hào)說(shuō)明
[0030]
[0031] 如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 參閱圖1所示，是通信系統(tǒng)較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。所述通信系統(tǒng)2可以是無(wú) 線通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)2包括發(fā)射裝置20、接收裝置22、發(fā)射天線200及接收天線220。
[0033] 其中，發(fā)射裝置20通過(guò)發(fā)射天線200將數(shù)據(jù)傳輸給接收裝置22的接收天線220， 使得發(fā)射裝置20與接收裝置22之間能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。需要說(shuō)明的是，所述發(fā)射裝 置20可以安裝兩根或兩根以上的發(fā)射天線200，所述接收裝置22可以安裝一根或一根以上 的接收天線220。在本較佳實(shí)施例中，所述通信系統(tǒng)2是包括N t根發(fā)射天線200及N j艮接 收天線220的無(wú)線通信系統(tǒng)，其中，Nt為大于等于2的正整數(shù)，N ^大于等于1的正整數(shù)。在 本較佳實(shí)施例中，通信系統(tǒng)2是包括四根發(fā)射天線200及四根接收天線220的無(wú)線通信系 統(tǒng)，如圖2所示。
[0034] 具體而言，一個(gè)具有Nt根發(fā)射天線200, N ^根接收天線220的通信系統(tǒng)2,使用H 表示發(fā)射裝置20到接收裝置22的信道矩陣。在發(fā)射裝置20中，對(duì)輸入的信息比特進(jìn)行分 組，每組包含m = Iog2Nt個(gè)信息比特，以用于選取多根發(fā)射天線200中的一根發(fā)射天線200 進(jìn)行信號(hào)傳輸，其數(shù)學(xué)模型可以表示為：y = HX]+z，其中，y為接收信號(hào)向量，z為通信系統(tǒng)2 的噪聲，X]= [0, 0,…，1，0,…]tS發(fā)送信號(hào)向量，發(fā)送信號(hào)向量中第j個(gè)元素為1，其余元 素都為〇,表示選取第j根發(fā)射天線200進(jìn)行信號(hào)發(fā)送。從本質(zhì)上看，空移鍵控將信息比特 映射到單個(gè)一維的向量 X]上，X 有且僅有一個(gè)非零元素保證了通信系統(tǒng)2的單鏈路發(fā)射。
[0035] 進(jìn)一步地，在本較佳實(shí)施例中，將輸入的信息比特映射到空時(shí)矩陣上，其接收信號(hào) 向量可以表示為：Y = HXfZ，其中，X1S NtXT形式的空時(shí)矩陣。通過(guò)合理的選擇矩陣的取 值，能使通信系統(tǒng)2在保持單鏈路發(fā)送的同時(shí)，獲得接收分集與發(fā)射分集，提高通信系統(tǒng)2 的性能。
[0036] 如圖3所示，是本發(fā)明基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法的流程圖。
[0037] 步驟S10,發(fā)射裝置20離線構(gòu)建空時(shí)矩陣星座圖，所述空時(shí)矩陣星座圖包括多個(gè) 空時(shí)矩陣，所述空時(shí)矩陣是N tXT形式的矩陣，其中，Nt為發(fā)射天線200的數(shù)量，T為傳輸時(shí) 隙。
[0038] 其中，構(gòu)建空時(shí)矩陣星座圖的方式包括如下步驟：確定發(fā)射天線200的發(fā)射位置， 即確定使用發(fā)射天線200的序號(hào)；依據(jù)發(fā)射位置，選取發(fā)送值。
[0039] 其中，確定發(fā)射天線200的發(fā)射位置的方式將在圖4中做詳細(xì)描述。而依據(jù)發(fā)射 位置，選取發(fā)送值的方式將在圖5中做詳細(xì)描述。
[0040] 步驟S20,依據(jù)構(gòu)建的空時(shí)矩陣星座圖，將發(fā)射裝置20輸入的信息比特進(jìn)行分組， 每組包含m = Iog2M個(gè)信息比特，發(fā)射裝置20將每組中的信息比特映射到矩陣星座圖中的 一個(gè)空時(shí)矩陣進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，接收裝置22采用最大似然解調(diào)，接收發(fā)射裝置20傳送過(guò)來(lái)的 信號(hào)。需要說(shuō)明的是，接收裝置22接收的信號(hào)表示為：Y = HXJZ，其中，X1為發(fā)射裝置20 的發(fā)送信號(hào)向量，且&為N tXT形式的空時(shí)矩陣，Y為接收裝置22的接收信號(hào)向量，Z為通 信系統(tǒng)2的噪聲。
[0041] 如圖4所示，是本發(fā)明基于空時(shí)矩陣星座圖的空移鍵控通信方法中確定天線發(fā)射 位置的流程圖。
[0042] 首先，步驟S100,找出所有可用的發(fā)射天線位置矩陣A的集合Ca，由于一個(gè)時(shí)隙只 選擇一根發(fā)射天線200進(jìn)行發(fā)送，對(duì)于發(fā)射天線200的數(shù)量為N t，傳輸時(shí)隙為T(mén)的通信系統(tǒng) 2, Ca的元素個(gè)數(shù)為NtT，即Ca包括Nt T個(gè)發(fā)射天線位置矩陣A。為了方便說(shuō)明，集合Ca中的 元素使用A1表示，其中，1彡i彡N Λ
[0043] 步驟S110,根據(jù)集合Ca，生成空時(shí)矩陣集合Cx。具體而言，對(duì)于任意發(fā)射天線位置 矩陣A 1, AjG Ca，將矩陣A1, Aj中值為1的元素用隨機(jī)數(shù)代替，值為0的元素保持不變，生成 空時(shí)矩陣X1, Xj，對(duì)應(yīng)的空時(shí)矩陣集合為Cx，其中，X1表示第i個(gè)空時(shí)矩陣，X j表示第j個(gè)空 時(shí)矩陣。
[0044] 所述空時(shí)矩陣為X1，所述空時(shí)矩陣共M個(gè)，X1具有如下形式：
[0045]
[0046] 其中，空時(shí)矩陣X1的取值必須満足以下條件：X i的每一列有且只有一個(gè)元素不為 Od1滿足功率約束條件為：其中，tr(·)表示矩陣的跡，Ε(·)表示 均值；X1的取值使通信系統(tǒng)2的發(fā)射分集增益與編碼增益最大化。
[0047] 對(duì)于發(fā)射天線數(shù)量為Nt，傳輸時(shí)隙為T(mén)的多天線