空间调制方法和系统与流程

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本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种空间调制方法和系统。

背景技术：

多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)是一种多天线的无线通信系统。它在发射端和接收端配置多个天线，并结合精心设计的各种发射、接收处理技术，充分利用空间自由度以获得额外的分集或者复用增益。然而，传统的mimo系统存在着信道间干扰、发射天线间同步、多射频链路、接收机复杂性高等问题，给mimo系统的实际应用带来高成本、设计复杂等困难。

空间调制技术(spatialmodulation，sm)是一种全新的mimo传输技术。从原理上讲，空间调制技术联合传统数字调制和天线位置对信源进行调制，使发射天线的索引信息成为一种额外的数据携带方式，且每个发射时隙只激活一根发射天线。这使得空间调制不存在类似传统mimo系统中的信道间干扰、天线间同步、多射频链路等问题，但却能保持较高的传输效率和较低的误码率。空间调制技术不仅能够简化多天线发射机结构，降低实现成本，还能充分利用空间信道资源，实现高速、可靠传输。

然而，传统的空间调制技术无法获得发射分集增益，导致信号传输误码率较高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对信号传输误码率较高的问题，提供一种空间调制方法和系统。

一种空间调制方法，包括以下步骤：

获取待发射的原始比特数据流，根据发射天线的数量将所述原始比特数据流划分为至少三组数据流；

从所述至少三组数据流中选择一组目标数据流，按照预先选定的调制方式对所述目标数据流进行调制，得到包括实部和虚部的调制信号；

将余下的每一组数据流均划分为第一子数据流和第二子数据流；

根据第一子数据流的比特值选择对所述实部进行调制的第一发射天线，根据第二子数据流的比特值选择对所述虚部进行调整的第二发射天线；

根据所述调制信号、第一发射天线和第二发射天线对所述原始比特数据流进行空间调制。

一种空间调制系统，包括：

划分模块，用于获取待发射的原始比特数据流，根据发射天线的数量将所述原始比特数据流划分为至少三组数据流；

第一调制模块，用于从所述至少三组数据流中选择一组目标数据流，按照预先选定的调制方式对所述目标数据流进行调制，得到包括实部和虚部的调制信号；

选择模块，用于将余下的每一组数据流均划分为第一子数据流和第二子数据流，根据第一子数据流的比特值选择对所述实部进行调制的第一发射天线，根据第二子数据流的比特值选择对所述虚部进行调整的第二发射天线；

第二调制模块，用于根据所述调制信号、第一发射天线和第二发射天线对所述原始比特数据流进行空间调制。

上述空间调制方法和系统，通过将原始比特数据流划分为至少三组数据流，对划分出的目标数据流进行调制，得到包括实部和虚部的调制信号，根据余下的每组数据流选择发送所述实部和虚部的天线，并根据调制信号以及选择的天线对所述原始比特数据流进行空间调制，能够同时获得空间复用和空间分集增益，不仅可以提高频谱效率，还能够提高数据传输可靠性；同时还继承了传统的空间调制技术不会产生信道间干扰的优点。

附图说明

图1为一个实施例的空间调制方法流程图；

图2为一个实施例的空间调制系统模型图；

图3为一个实施例的8*8天线的系统中的频谱效率对比图；

图4为一个实施例的16*16天线的系统中的频谱效率对比图；

图5为一个实施例的空间调制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明提供一种空间调制方法，可包括以下步骤：

s1，获取待发射的原始比特数据流，根据发射天线的数量将所述原始比特数据流划分为至少三组数据流；

s2，从所述至少三组数据流中选择一组目标数据流，按照预先选定的调制方式对所述目标数据流进行调制，得到包括实部和虚部的调制信号；

s3，将余下的每一组数据流均划分为第一子数据流和第二子数据流；

s4，根据第一子数据流的比特值选择对所述实部进行调制的第一发射天线，根据第二子数据流的比特值选择对所述虚部进行调整的第二发射天线；

s5，根据所述调制信号、第一发射天线和第二发射天线对所述原始比特数据流进行空间调制。

将原始比特数据流划分为至少三组数据流的作用在于提供分集增益。在一个实施例中，可将原始比特数据流划分为三组数据流，这样，既能降低系统复杂度，又能够提供分集增益。具体地，可通过以下方式划分三组数据流：首先，可以获取所述调制方式的调制阶数，根据所述调制阶数计算第一数据长度，根据所述第一数据长度从所述原始比特数据流中划分出对应长度的第一数据流；其次，可以根据所述发射天线的数量计算第二数据长度和第三数据长度，分别根据所述第二数据长度和第三数据长度从所述第一数据流之外的原始比特数据流中划分出对应长度的第二数据流和第三数据流。

在一个可选实施例中，第二数据流和第三数据流的长度可以相等。这样可以进一步减少计算量，降低系统复杂度。考虑一个配置有nt根发射天线和nr根接收天线的mimo系统，其中nt＞2和nr≥1，nt是2的整数次幂，所述第一数据长度可为log2(m)，所述第二数据长度和第三数据长度可均为2log2(nt/2)；其中，m为调制阶数。调制方式可以是，例如，m阶正交振幅调制(quadratureamplitudemodulation，qam)。在划分的三组数据流中，第一数据流的作用是用于星座图符号选择，即，对第一数据流进行调制，得到包括实部和虚部的调制信号。例如，在m阶qam星座图中，可选出一个符号x＝xr+jxs，然后将调制信号x分为xr和jxs两部分。

其余部分的数据流的作用是用于天线选择。假设原始比特数据流除所述第一数据流以外的部分一共划分为k(k为正整数)组数据流，则可以将天线对应分为k组，对于第i(1≤i≤k)组数据流，可以将该数据流划分为第一子数据流和第二子数据流，以第一子数据流的比特值为目标编号numi1(1≤numi1≤nt/k)，从对应的第i组发射天线中选择编号为(i-1)nt/k+numi1的发射天线用来发射调制信号的实部；以第二子数据流的比特值为目标编号numi2(1≤numi2≤nt/k)，从对应的第i组发射天线中选择编号为(i-1)ntk/+numi2的发射天线用来发射调制信号的虚部。其中，天线可预先进行编号为1,2,…,nt。

在一个具体实施例中，假设将原始比特数据流划分为三组数据流，包括1组用于进行星座图符号选择的第一数据流和2组用于进行天线选择的数据流(第二数据流和第三数据流)，对于第二数据流，可以以所述第二数据流对应的第一子数据流的比特值作为第一目标编号num11；从编号为1至nt/2的发射天线中选出编号与所述第一目标编号相同的发射天线作为第一发射天线发送xr符号。类似地，可以以所述第二数据流对应的第二子数据流的比特值作为第二目标编号num12；从编号为1至nt/2的发射天线中选出编号与所述第二目标编号相同的发射天线作为第二发射天线发送符号jxs。对于第三数据流，可以以所述第三数据流对应的第一子数据流的比特值与nt/2的和作为第三目标编号num21；从编号为nt/2+1至nt的发射天线中选出编号与所述第三目标编号相同的发射天线作为第一发射天线发送xr符号。类似地，可以以所述第三数据流对应的第二子数据流的比特值与nt/2的和作为第四目标编号num22；从编号为nt/2+1至nt的发射天线中选出编号与所述第四目标编号相同的发射天线作为第二发射天线发送符号jxs。

进一步地，假设第二数据流和第三数据流的长度均为2log2(nt/2)，可以将第二部分的2log2(nt/2)个比特数据流分为相等的两部分，也就是每部分比特数为log2(nt/2)。前log2(nt/2)个比特数据在天线指数为1到nt/2中选择一根天线发送xr符号，后log2(nt/2)个比特数据同样在1到nt/2天线中选择一个天线，但发送符号jxs。还可以将剩下的2log2(nt/2)个比特数据流同样分为相等的两部分，也就是每部分比特数为log2(nt/2)。前log2(nt/2)个比特数据在天线指数为nt/2+1到nt中选择一根天线发送xr符号，后log2(nt/2)个比特数据同样在nt/2+1到nt天线中选择一个天线，但发送符号jxs。本实施例的空间调制系统模型图如图2所示。本实施例具有以下优点：

(1)将天线分为相等的两部分，然后分别对其进行天线选择，从而提高了频谱效率。

(2)在正交空间调制的基础上，将一个qam符号的虚实两部分，在第一部分天线为虚实两部分信号选择天线进行发射，同时也在第二部分天线为虚实两部分信号的副本选择天线进行发射，也就是同一时刻发射两个相同qam符号，从而获得发射分集增益。

采用本实施例生成的空间调制信号可根据以下方式进行解调：

假设mimo系统的nr×nt维信道矩阵h服从瑞利衰落信道。也就是说，h的第(i,j)个元素hm,n表示第从n(1≤n≤nt)根发射天线到第m(1≤m≤nr)根接收天线的复信道增益，hm,n服从均值为零，方差为σ的相互独立的高斯分布。用和分别表示信道矩阵h前半部分的第列和第列用和分别表信道矩阵h后半部分的第列和第列即和其中，表示第i行，第列用于传输信号实部的信道的衰落值，表示第i行，第列用于传输信号虚部的信道的衰落值，表示第j行，第列用于传输信号实部的信道的衰落值，表示第j行，第列用于传输信号虚部的信道的衰落值。表示白噪声，其服从均值为零、方差为n0的加性高斯白噪声。那么，接收机的接收信号可以表示为：

其中es表示被发送符号的能量。

假设接收机获得了理想的信道状态信息，利用最大似然法则对接收信号进行解调。那么，解调后的信号可以表示为：

其中h表示共轭转置，||||表示范数，且g定义为

与常规的单天线空间调制和两天线正交空间调制相比较，本发明的双正交空间调制在同一个时刻能多发送一个符号副本，因此能够获得额外的空间发射分集增益，使得系统可以获得更优的可靠性能。

传统单天线空间调制的频谱效率为log2m+log2nt；传统两天线正交空间调制的频谱效率为log2m+2log2nt。本发明提出的双正交空间调制频谱效率为log2m+4log2(nt/2)。为了更清楚地显示本方案的频谱效率优势，假设都采用4-qam星座图(m＝4)，表1列出了在不同发射天线数时各调制方案的频谱效率：

表1不同调制方案频谱效率比较

由表1可见，在激活天线数最多为4的时候，本发明提出的双正交空间调制与常规的两天线正交空间调制的频谱效率相同，但是，本发明的方案可以获得额外的发射分集增益。另一方面，随着发射天线数的增加，本发明提出的双正交空间调制的频谱效率相对传统单天线空间调制或者两天线正交空间调制都有明显的提高。所以，本发明提出的双正交空间调制技术更适用于大规模天线阵列。

本发明具有以下优点：

(1)将天线分为多组，然后分别对各组天线进行天线选择，从而提高了频谱效率。

(2)在正交空间调制的基础上，将一个调制信号分为虚实两部分，每组天线为虚实两部分信号选择天线进行发射，也就是同一时刻发射多个相同的调制信号，从而获得发射分集增益。

下面结合一个具体实施例对本发明的技术方案进行说明。

假设一个mimo系统配为(nt,nr)＝(8,8)，采用4-qam调制，即调制阶数m＝4，本实施例的空间调制系统模型如图2所示。

1)假设将要发送的比特流为先将其分为[01]、和三部分。

2)第一部分比特数据[01]从4-qam调制中选择符号x＝-1+j。将x分为实部xr＝-1和虚部jxs＝+j两部分。

3)第二部分数据在第1根到第4根天线中选择发射天线。前2个比特[10]选择第三根天线发送符号xr＝-1，后2个比特[11]选择第4根天线发送符号jxs＝+j。(如果后2比特也为[10]，即选择第3根天线，则两个射频链路分别同时通过第三根天线发送符号xr＝-1和jxs＝+j)。

4)第三部分数据在第5根天线到第8根天线中选择发射天线。前2个比特[11]选择第8根天线发送符号xr＝-1，后2个比特[01]选择第5根天线发送符号jxs＝+j。因此，最后的发射向量为：

s＝[00-1+j+j00-1]^t。

假设传输信道服从瑞利衰落，加性高斯白噪声的均值为零、方差为1。对本发明提出的双正交空间调制(doublequadraturespatialmodulation，dqsm)方案和常规正交空间调制(quadraturespatialmodulation，qsm)方案在相同频谱效率的情况下的错误比特率性能进行仿真试验，结果如下面的图3和图4所示。

如图3所示，当(nt,nr)＝(8,8)，为了到达同样的频谱效率，即10bps/hz，常规qsm调制需要采用16-qam星座图(m＝16)，而本发明提出的双正交空间调制方案只需要采用4-qam调制(m＝4)。从图3可见，当误比特率为10^-3时，本发明提出的方案相对常规qsm有大约4db的snr增益。

如图4所示，当(nt,nr)＝(16,16)，为了到达同样的频谱效率，即14bps/hz，常规qsm调制需要采用64-qam星座图(m＝64)，而本发明提出的双正交空间调制方案只需要采用4-qam调制((nt,nr)＝(16,16))。从图4可见，当误码率为10^-3时，本发明提出的方案相对常规qsm有大约10db的snr增益。

相对常规正交调制方案，本发明提出的双正交空间调制方案在相同频谱效率的时，能够获得更优的误码性能，其主要原因在于常规方案需要采用更高阶的星座图，而调制阶数越高，意味着星座点之间的距离越小，这就会导致整个传输系统的误码性能越差。我们可以预见：随着发射天线数的进一步增大，本发明提出的双正交空间调制方案相对于常规正交调制方案的误码性能增益会越来越大。因此，本发明提出的双正交空间调制方案更适合应用于大规模的天线阵列当中。

如图5所示，本发明还提供一种空间调制系统，可包括：

划分模块10，用于获取待发射的原始比特数据流，根据发射天线的数量将所述原始比特数据流划分为至少三组数据流；

第一调制模块20，用于从所述至少三组数据流中选择一组目标数据流，按照预先选定的调制方式对所述目标数据流进行调制，得到包括实部和虚部的调制信号；

选择模块30，用于将余下的每一组数据流均划分为第一子数据流和第二子数据流，根据第一子数据流的比特值选择对所述实部进行调制的第一发射天线，根据第二子数据流的比特值选择对所述虚部进行调整的第二发射天线；

第二调制模块40，用于根据所述调制信号、第一发射天线和第二发射天线对所述原始比特数据流进行空间调制。

将原始比特数据流划分为至少三组数据流的作用在于提供分集增益。在一个实施例中，可将原始比特数据流划分为三组数据流，这样，既能降低系统复杂度，又能够提供分集增益。具体地，划分模块可包括：第一划分单元，用于获取所述调制方式的调制阶数，根据所述调制阶数计算第一数据长度，根据所述第一数据长度从所述原始比特数据流中划分出对应长度的第一数据流；以及第二划分单元，用于根据所述发射天线的数量计算第二数据长度和第三数据长度，分别根据所述第二数据长度和第三数据长度从所述第一数据流之外的原始比特数据流中划分出对应长度的第二数据流和第三数据流。

其余部分的数据流的作用是用于天线选择。假设原始比特数据流除所述第一数据流以外的部分一共划分为k(k为正整数)组数据流，则可以将天线对应分为k组，对于第i(1≤i≤k)组数据流，可以将该数据流划分为第一子数据流和第二子数据流，以第一子数据流的比特值为目标编号numi1(1≤numi1≤nt/k)，从对应的第i组发射天线中选择编号为(i-1)nt/k+numi1的发射天线用来发射调制信号的实部；以第二子数据流的比特值为目标编号numi2(1≤numi2≤nt/k)，从对应的第i组发射天线中选择编号为(i-1)nt/k+numi2的发射天线用来发射调制信号的虚部。其中，天线可预先进行编号为1,2,…,nt。