一種差分空間調(diào)制方法
【專利摘要】一種差分空間調(diào)制方法，用于解決現(xiàn)有調(diào)制方法占用信道資源多，信息傳輸成本高的問題，其技術(shù)方案是，所述方法在二元天線的發(fā)射信號(hào)中設(shè)置由激活天線確定的二進(jìn)制序列，并用前后相鄰時(shí)刻激活天線是否改變來表示該二進(jìn)制序列的碼元；在接收端根據(jù)前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻收到的信號(hào)差來判斷激活天線是否改變，從而恢復(fù)出由激活天線確定的二進(jìn)制序列，實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制信息的準(zhǔn)確解調(diào)。本發(fā)明針對發(fā)送端為兩根天線的情況提出了一種新的差分空間調(diào)制方案，在信道狀態(tài)信息未知的情況下實(shí)現(xiàn)了空間調(diào)制信息的準(zhǔn)確解調(diào)。同傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明能夠節(jié)省信道資源，并可在高速移動(dòng)場景下實(shí)現(xiàn)信息的低成本傳輸。
【專利說明】
一種差分空間調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種適用于二元天線信息發(fā)送系統(tǒng)的差分空間調(diào)制(DSM)方案，屬于 信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] R. Mesleh及H. Haas等人提出的空間調(diào)制（SM)概念，其基本思想是：在任意發(fā)送時(shí) 隙，只有一根天線處于激活狀態(tài)來傳輸數(shù)據(jù)，其余天線不發(fā)射信號(hào)，發(fā)送信息通過信號(hào)域和 空間域一齊傳輸，一部分發(fā)送信息比特映射到空間域用來選擇需要激活的天線，其余信息 比特映射用來選擇實(shí)際需要發(fā)送的調(diào)制信息。
[0003] 相比其他的多輸入多輸出(ΜΙΜΟ)技術(shù)，空間調(diào)制具有的特征包括：1)每個(gè)發(fā)送時(shí) 隙只激活一根天線；2)發(fā)送天線的空間位置作為傳輸信息的一部分。這些特征使SM完全避 免了信道間干擾（ICI)和天線間同步（IAS)的問題，并且單天線檢測復(fù)雜度較低。這種空間 調(diào)制有效提高了系統(tǒng)的頻譜效率和傳輸性能，是一個(gè)非常有潛力的新型多天線技術(shù)，是5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)的有力競爭者。
[0004] 空間調(diào)制技術(shù)利用發(fā)送端天線序號(hào)來表示信息，在接收端通過計(jì)算判斷天線序 號(hào)，獲取序號(hào)表示的信息，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸?，F(xiàn)有空間調(diào)制技術(shù)存在的主要缺點(diǎn)是求解天線 序號(hào)需要信道的狀態(tài)信息，在信道狀態(tài)信息未知時(shí)，解調(diào)無法完成，而信道狀態(tài)信息的傳 輸，需要占用信道資源。另外，在信道狀態(tài)改變慢于符號(hào)傳輸速率時(shí)，信道參數(shù)更新不快，現(xiàn) 有的空間調(diào)制技術(shù)雖然適合于實(shí)際應(yīng)用，但在高速移動(dòng)的場景，信道改變迅速，接收端若要 獲得精確的信道狀態(tài)信息就要不斷更新信道參數(shù)，從而增加了信息傳輸成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種差分空間調(diào)制方法，在信道狀 態(tài)信息未知的情況下實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制信息的準(zhǔn)確解調(diào)，以節(jié)省信道資源，降低信息傳輸成本。
[0006] 本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案解決的：
[0007] -種差分空間調(diào)制方法，所述方法在二元天線的發(fā)射信號(hào)中設(shè)置由激活天線確定 的二進(jìn)制序列，并用前后相鄰時(shí)刻激活天線是否改變來表示該二進(jìn)制序列的碼元;在接收 端根據(jù)前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻收到的信號(hào)差來判斷激活天線是否改變，從而恢復(fù)出由激活天線 確定的二進(jìn)制序列，實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制信息的準(zhǔn)確解調(diào)。
[0008] 上述差分空間調(diào)制方法，由激活天線確定的二進(jìn)制序列中碼元的表示方法如下：
[0009] 當(dāng)二進(jìn)制碼元為0時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線號(hào)不改變，當(dāng)二進(jìn)制碼元為1時(shí)，下一個(gè) 時(shí)刻激活天線號(hào)改變;或者相反，即當(dāng)二進(jìn)制碼元為〇時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線號(hào)改變，當(dāng)二 進(jìn)制碼元為1時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線號(hào)不改變。
[0010] 上述差分空間調(diào)制方法，所述空間調(diào)制信息的解調(diào)步驟如下：
[0011]以二進(jìn)制碼元為〇時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線號(hào)不改變，當(dāng)二進(jìn)制碼元為1時(shí)，下一個(gè) 時(shí)刻激活天線號(hào)改變的編碼規(guī)則為例；
[0012] a ·符號(hào)解調(diào)，接收端收到信號(hào)后按照Λ-⑷=Q(.v⑷)和Λ-(々+ 1) = + u)進(jìn)行解 調(diào)，其中Q( ·)是星座量子化函數(shù)，即功能函數(shù)，依據(jù)二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制方式固有 的星座圖直接反映射完成BPSK等調(diào)制方式的符號(hào)解調(diào)，對符號(hào)的解調(diào)不影響對天線號(hào)的判 決，y(k)和y(k+l)分別是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻接收端收到的信號(hào)，._：)和4匕1；>分別是k時(shí)刻和 k+Ι時(shí)刻解調(diào)得到的解調(diào)符號(hào)；
[0013] b ·歸一化信號(hào)幅度，利用 A) = V⑷X[χ('Α-)]' /1 |和+1) = y(A- +1}^^ 對接收端收到的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，其中[4?]'和Wf+l)丨分別是k時(shí)刻和k+1時(shí)刻解調(diào) 符號(hào)的共輒，1丨和| X.P： +1_> |分別是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻解調(diào)符號(hào)的模值，和1丨分別 是歸一化后k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻的接收信號(hào)；
[0014] c.計(jì)算J二'十丨)-j⑷和a = AH X A的值，其中AH為矩陣A的共輒轉(zhuǎn)置矩陣，若a小 于設(shè)定的閾值，則將此時(shí)刻解調(diào)判定為二進(jìn)制碼元〇,否則判定為二進(jìn)制碼元1，從而完成空 間調(diào)制信息的解調(diào)。
[0015] 上述差分空間調(diào)制方法，所述閾值的確定方法為：記錄若干個(gè)較大的a值，計(jì)算其 平均值，以平均值的二分之一作為閾值。
[0016] 本發(fā)明針對發(fā)送端為兩根天線的情況提出了一種新的差分空間調(diào)制方案，在信道 狀態(tài)信息未知的情況下實(shí)現(xiàn)了空間調(diào)制信息的準(zhǔn)確解調(diào)。同傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明能夠節(jié) 省信道資源，并可在高速移動(dòng)場景下實(shí)現(xiàn)信息的低成本傳輸。
【附圖說明】
[0017] 圖1是BPSK方式下不同空間調(diào)制方法的抗噪聲性能仿真結(jié)果；
[0018]圖2為正交相移鍵控(QPSK)方式下不同空間調(diào)制方法的抗噪聲性能仿真結(jié)果；
[0019] 圖3為16種符號(hào)的正交幅度調(diào)制（16QAM)方式下不同空間調(diào)制方法的抗噪聲性能 仿真結(jié)果。
[0020] 文中各符號(hào)為:Q( ·)是星座量子化函數(shù)，即功能函數(shù)，依據(jù)BPSK等調(diào)制方式固有 的星座圖直接反映射完成BPSK等調(diào)制方式的符號(hào)解調(diào)，對符號(hào)的解調(diào)不影響對天線號(hào)的判 決;y(k)和y(k+l)分別是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻接收端收到的信號(hào)；分別是k時(shí)刻 和k+Ι時(shí)刻解調(diào)得到的解調(diào)符號(hào)，丨和卜認(rèn)+ 分別是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻解調(diào)符號(hào)的共 輒，| > |和| +1 > |分別是k時(shí)刻和k+1時(shí)刻解調(diào)符號(hào)的模值，和_分別是歸一 化后k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻的接收信號(hào)，P為信道傳輸矩陣。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022] 本發(fā)明針對發(fā)送端兩根天線的情況提出了一種新的差分空間調(diào)制(DSM)方案，突 破了信號(hào)星座是等能量的限制，在發(fā)送端結(jié)合差分編碼的思想激活天線，接收端結(jié)合差分 的思想，給出了解調(diào)方法和誤碼率性能曲線。
[0023] 采用差分編碼的思想，發(fā)送端設(shè)計(jì)選擇天線的方法為(發(fā)射天線數(shù)目為2,二者的 天線序號(hào)分別為〇和1):若當(dāng)前時(shí)刻工作的天線號(hào)為〇號(hào)，當(dāng)輸入二進(jìn)制碼元為〇時(shí)，下一個(gè) 時(shí)刻激活天線號(hào)不改變，仍然選擇〇號(hào)天線激活，當(dāng)輸入二進(jìn)制碼元為1時(shí)，則下一個(gè)時(shí)刻改 變激活天線號(hào)為1號(hào)?；蛘咭?guī)定相反，即若當(dāng)前時(shí)刻工作的天線號(hào)為0號(hào)，當(dāng)輸入二進(jìn)制碼元 為0時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線改變?yōu)?號(hào)天線，當(dāng)輸入二進(jìn)制碼元為1時(shí)，則下一個(gè)時(shí)刻激活 的天線號(hào)不改變，仍然為0號(hào)天線。即用前后相鄰時(shí)刻的天線號(hào)是否改變來表示碼元0或1。 天線選擇確定后，信號(hào)域傳輸信號(hào)與傳統(tǒng)的空間調(diào)制相同。接收端根據(jù)前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻 收到的信號(hào)差來判斷天線號(hào)是否改變，然后恢復(fù)出激活天線的二進(jìn)制序列。差分檢測可在 不知道信道狀態(tài)信息的情況下完成解調(diào)，這也是差分直接檢測法最大的優(yōu)點(diǎn)。
[0024] 天線選擇方法如表1所示，以輸入二進(jìn)制碼元1改變天線序號(hào)，輸入二進(jìn)制碼元0天 線序號(hào)不變?yōu)槔?br>[0025] 表1天線工作狀態(tài)
[0027] 在天線選擇確定后，信號(hào)域與傳統(tǒng)的空間調(diào)制相同。
[0028] 本發(fā)明提出的差分空間調(diào)制采用差分直接檢測方法解調(diào)。為了說明解調(diào)原理，先 不考慮信道噪聲的影響，即接收信號(hào)中不含有噪聲。
[0029]設(shè)信道傳輸矩陣如下：
[0031]其中hn至hNrNt是Nt根發(fā)射天線與Nr根接收天線間的信道參數(shù)，寫成向量形式：
[0034]接收端k時(shí)刻收到的信號(hào)為y(k)，發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)為x(k)，利用信道傳輸矩陣P， 則由式(1)可知，k時(shí)刻的接收信號(hào)幅度為：
[0035] y(k)=PXx(k) (3)
[0036] 同理，k+1時(shí)刻的接收幅度為：
[0037] y(k+l)=PXx(k+l) (4)
[0038] 則前后相鄰的兩個(gè)時(shí)刻的信號(hào)幅度差值為：
[0039] y(k+l)-y(k)=PX(x(k+l)-x(k)) (5)
[0040] 由式(5)可得，在接收端，如果信道矩陣前后時(shí)刻不發(fā)生變化，則當(dāng)前時(shí)刻收到的 信號(hào)幅度與前一時(shí)刻收到的信號(hào)幅度的差別只有發(fā)送信息的改變而引起的，因此，能準(zhǔn)確 解調(diào)空間調(diào)制信息。如果信道是慢衰落的，信道矩陣變化較小，可以忽略信道參數(shù)的微小波 動(dòng)，近似認(rèn)為前后時(shí)刻的信道矩陣參數(shù)近似相等，此時(shí)，可以認(rèn)為接收幅度的變化是由發(fā)送 信息的變化而引起的，因此，能準(zhǔn)確解調(diào)空間調(diào)制信息。
[0041]在實(shí)現(xiàn)差分空間調(diào)制過程中，如果符號(hào)幅度變化，對解調(diào)性能具有顯著影響。當(dāng)符 號(hào)具有恒定幅度時(shí)，如BPSK和QPSK方式，其前后空間碼元之間信號(hào)幅度本身沒有差別，因 此，可以通過比較前后空間碼元的信號(hào)幅度，即隨天線號(hào)的改變引起幅度變化來判別空間 調(diào)制的信息比特。但是，如果符號(hào)的幅度本身是變化的，如調(diào)制方式為正交幅度調(diào)制(QAM) 等，即使天線號(hào)沒有變化，因發(fā)送符號(hào)模值不同而導(dǎo)致幅度變化，相鄰兩時(shí)刻接收信號(hào)差值 也會(huì)很大，此時(shí)，需要修正上述差分檢測。
[0042]差分解調(diào)的具體計(jì)算步驟如下：
[0043] Stepl:符號(hào)解調(diào)，接收2而收到彳目號(hào)后技照.v(A-) =- Q(.r(幻)和x(/: +丨）二Q(.r(A_ +丨))進(jìn) 行解調(diào)，其中Q( ·)是星座量子化函數(shù)，即功能函數(shù)，依據(jù)BPSK等調(diào)制方式固有的星座圖直 接反映射完成BPSK等調(diào)制方式的符號(hào)解調(diào)，對符號(hào)的解調(diào)不影響對天線號(hào)的判決，y(k)和y (k+1)是前后相鄰兩時(shí)刻接收端收到的信號(hào)，Λ(Α·；)和;分別對應(yīng)解調(diào)得到的解調(diào)符號(hào)， 得到解調(diào)符號(hào)后依該調(diào)制方式下固有的星座圖反映射可得輸入序列。
[0044] Step2:歸一化信號(hào)幅度，為減少Q(mào)AM調(diào)制中因發(fā)送符號(hào)模值不同給接收信號(hào)帶來 影響。技照..v(/c) 'ν(々)χ[Λ·.(左)]/1 .r(々）|和.ν(Λ +1) = .v(A + l)x[.r(々十 1)] /1 一化，其中
[x(0]和[ji(A：+.l)]是角軍調(diào)符號(hào)的共輒，| .jc(l)_|和| x(A： + 1) |是角軍調(diào)符號(hào)的豐旲值，丨(|:)和少(左+ 1): 是歸一化后的接收信號(hào)。
[0045] Step3:計(jì)算』+ 〇-..v(幻和a=AHXA的值，若a小于設(shè)定的閾值，則將此時(shí)刻解 調(diào)判定為二進(jìn)制碼元〇,否則判定為二進(jìn)制碼元1，從而完成了解調(diào)。
[0046] 圖1、圖2和圖3分別是BPSK、QPSK、16QAM方式下不同空間調(diào)制方法的抗噪聲性能仿 真結(jié)果。從圖1、圖2和圖3可見，雖然差分空間調(diào)制(DSM)比直接空間調(diào)制（SM)的性能略差卻 很接近，但差分空間調(diào)制不需要傳輸信道參數(shù)，節(jié)省了信道資源。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種差分空間調(diào)制方法，其特征是，所述方法在二元天線的發(fā)射信號(hào)中設(shè)置由激活 天線確定的二進(jìn)制序列，并用前后相鄰時(shí)刻激活天線是否改變來表示該二進(jìn)制序列的碼 元;在接收端根據(jù)前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻收到的信號(hào)差來判斷激活天線是否改變，從而恢復(fù)出 由激活天線確定的二進(jìn)制序列，實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制信息的準(zhǔn)確解調(diào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分空間調(diào)制方法，其特征是，由激活天線確定的二進(jìn)制 序列中碼元的表示方法如下： 當(dāng)二進(jìn)制碼元為O時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線號(hào)不改變，當(dāng)二進(jìn)制碼元為1時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻 激活天線號(hào)改變;或者相反，即當(dāng)二進(jìn)制碼元為O時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線號(hào)改變，當(dāng)二進(jìn)制 碼元為1時(shí)，下一個(gè)時(shí)刻激活天線號(hào)不改變。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種差分空間調(diào)制方法，其特征是，所述空間調(diào)制信息的 解調(diào)步驟如下： a.符號(hào)解調(diào)，接收端收到信號(hào)后按照Λ-⑷=(5(._))和雄+丨）=Q(.r〇t +1))進(jìn)行解調(diào)，其 中Q( ·)是星座量子化函數(shù)，即功能函數(shù)，依據(jù)BPSK等調(diào)制方式固有的星座圖直接反映射完 成BPSK等調(diào)制方式的符號(hào)解調(diào)，對符號(hào)的解調(diào)不影響對天線號(hào)的判決，y(k)和y(k+l)分別 是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻接收端收到的信號(hào)，丨和Λ·α + 1丨分別是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻解調(diào)得到的解 調(diào)符號(hào)； b ·歸一化?目號(hào)幅度，利用= ⑷x[x(/c)] /1 x(/c) I和j你 +1). =火灸+ (左+1:)]' / 丨 λ(左+ 1) I 對接收端收到的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，其中幻丨和|Λ.α:+U丨分別是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻解調(diào) 符號(hào)的共輒，I λ·(^> I和丨Λ·# + 1>丨分別是k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻解調(diào)符號(hào)的模值，和+ 1>分別 是歸一化后k時(shí)刻和k+Ι時(shí)刻的接收信號(hào)； c.計(jì)算』=1#%1卜#幻和3=八11\八的值，其中八11為矩陣八的共輒轉(zhuǎn)置矩陣，若 &小于設(shè) 定的閾值，則將此時(shí)刻解調(diào)判定為二進(jìn)制碼元〇，否則判定為二進(jìn)制碼元1，完成空間調(diào)制信 息的解調(diào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種差分空間調(diào)制方法，其特征是，所述閾值的確定方法為： 記錄若干個(gè)較大的a值，計(jì)算其平均值，以平均值的二分之一作為閾值。
【文檔編號(hào)】H04L1/06GK106027207SQ201610362626
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】高強(qiáng), 范麗敏, 余萍
【申請人】華北電力大學(xué)（保定）