一种基于广义空间调制的差分传输方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及无线通线系统发射端信号的构造方法，具体地说是一种基于广义空间调制的差分传输方法。

背景技术：

空间调制是一种高速率，高频谱效率的多输入多输出(mimo,multipleinputmultipleoutput)传输方案，它利用发射天线索引以及数字调制符号来传递信息。空间调制(sm,spatialmodulation)技术在每个时隙只激活一根发射天线，因此与传统的mimo系统相比，sm不需要发射天线同步，并且能够消除接收端的信道间干扰(ici,inter-channelinterference)。但是，sm的传输效率与发射天线数目成对数关系，传输效率较低。广义空间调制(gsm,generalizedspatialmodulation)拓展了sm的空间域概念，可同时激活多根发射天线用于发射信号。因此，在配置相同数目的发射天线时，gsm系统能获得比sm系统更高的频谱效率。但sm和gsm方案极为依赖信道状态信息(csi,channelstateinformation)，在实际运用中受到很大影响。

差分空间调制(dsm,differentialspatialmodulation)方案是sm有吸引力的替代方案之一，因为它无需csi来实施检测，避免了导频开销并克服了信道估计误差所带来的性能的损失，同时还能保持sm的优势。由此，研究者们又提出了差分正交空间调制(dqsm,differentialquadraturespatialmodulation)、差分正交空间移位键控(dqssk,differentialquadraturespatialshiftkeying)以及差分空时移键控(dstsk,differentialspace-timeshiftkeying)等方案，但到目前为止，gsm的差分方案还尚未提出。因为gsm方案每时隙激活多根天线的特点导致其符号矩阵无法保持酉特性，从而导致经过差分调制后传输矩阵满足不了封闭性的要求，最终使得系统在接收端无法进行差分检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于广义空间调制的差分传输方法(differential-generalizedspatialmodulation，简称为d-gsm)，该方法中数据传输以帧为单位，每个帧由参考块和普通块组成，且只有普通块传送信息。本方案基于参考块对正常块进行差分编码，不同于传统前后块差分的方式，从而避免了上述提到的差分限制条件。与普通块相比，通过向参考块分配更多的发射功率来实现误码性能的改善，从而在检测期间改善对信道矩阵的估计。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于广义空间调制的差分传输方法，包括下列步骤：

1)首先考虑一个发射天线数为nt，接收天线数为nr的多输入多输出系统。q＝[q1,q2,…,qn]表示输入比特，数字调制阶数为m，每个时隙发射端激活的发射天线数目为na。因此，当从nt根发射天线中选择激活na根天线时所有的天线组合数为其中表示二项式系数。在这些天线组合中，只有个天线组合用来传输信息比特，其中表示向下取整。

2)在提出的d-gsm系统中，每个发送的数据帧由k＝nt+l个码字组成，其中前nt个参考码字作为参考块，不携带信息，剩余的l个普通码字用于传递信息。参考块在nt个时隙传输，每个发射天线仅被激活一次。首先，在前nt个时隙发送参考块，则接收的参考信号为：

yr＝hrxr+nr(1)

其中是参考块，本文中xr为nt行nt列的单位阵，是接收参考信号，是信道衰落矩阵，是高斯噪声矩阵。hr和nr中的元素分别服从cn(0,1),cn(0,σr²)分布。因此，发送参考码字的平均snr是

3)然后在接下来的l个时隙中发送携带信息的普通码字。在发射端的每个时隙中，信息比特通过以下两种方式进行传递：a)天线索引调制：从nt个发射天线中选择na个用来传输比特信息；b)数字调制：每个激活的发射天线发送调制符号(mqam或者mpsk)，共传输nalog2m比特信息，经过映射得到数字调制符号向量其中表示数字调制符号，假设e[|s|²]＝1。则经过gsm调制的发送向量可以表示为其中s中非零符号的个数为na。因此，对于第t个时隙(t∈[1:l])，比特确定被激活的天线组合的索引值j，1≤j≤n；m2＝nalog2m比特确定na个从m-psk或m-qam星座中映射的调制符号向量。每个时隙传输的总比特数m＝m1+m2。则普通码字的差分编码公式为

其中为gsm调制得到的传输向量，有na个非零元素，从公式(2)可以看出，发射信号因此可以在该系统中使用m-psk或m-qam星座，在相同调制阶数下采用qam星座可以改善高阶调制的误码率性能。

接收信号为

其中是信道衰落矩阵，是高斯噪声向量，分别服从cn(0,1)和cn(0,σn²)分布。因此，普通码字的平均snr是

4)假设信道为准静态衰落信道，信道矩阵在每一帧内保持不变，在帧与帧之间独立的变化，即hr＝h^(t)，则公式(3)中的接收信号可以表示为

结合公式(1)可得到

y^(t)＝(yr-nr)s^(t)+n^(t)＝yrs^(t)-nrs^(t)+n^(t)(5)

然后将ml检测器用于d-gsm系统，得到

从公式(6)可以清楚地看出，利用提供信道矩阵估计的参考信号yr来恢复y^(t)中包含的信息。通过对传输向量候选值进行遍历搜索，可以估计出激活的发射天线组合索引值及其发射的调制符号组合。

5)假设发送的数据块长度为p，其中包括一个参考块和p-1个普通块。然后将约束平均发射功率的优化问题表述为

参考块和普通码字之间的最佳功率分配分别由以下公式给出

从公式(5)可以看出，第t个时隙中的接收信号由两个噪声分量组成，每个噪声分量具有不同的方差。此外，公式(7)中的优化问题使用参考块和正常块的发射功率来约束系统的平均snr。因此，系统的等效相干噪声方差可以定义为

其中

在d-gsm中，发送的数据帧长度为k，为了将功率分配应用于d-gsm，则认为每个帧包括k/nt块，其中第一块是参考块，剩余的l/nt＝k/nt-1块是普通块。由此，参考码字和普通码字的平均snr以及d-gsm的等效相干噪声方差分别由公式(8)，公式(9)和公式(10)给出，其中p＝k/nt。

按照上述的基于广义空间调制的差分传输方案，本发明的有益效果为：

本发明提出了基于功率分配概念的差分广义空间调制方案(d-gsm,differential-generalizedspatialmodulation)。该方案的数据传输以帧为单位，其中每个帧由参考块和普通块组成，且只有普通块传送信息。本方案基于参考块对正常块进行差分编码，不同于传统前后块差分的方式，从而避免了差分限制条件。与普通块相比，通过向参考块分配更多的发射功率来实现误码性能的改善，从而在检测期间改善对信道矩阵的估计。仿真结果表明，随着发送帧长度的增加，d-gsm系统的误码性能逼近相干gsm系统的误码性能。

附图说明

图1是基于广义空间调制的差分传输方法的系统框图。

图2是在nt＝4,nr＝4,na＝2时，不同数据帧长度下，d-gsm系统与相干gsm系统的误码率性能对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

按照本发明提出的基于广义空间调制的差分传输方案，如图1所示，按下列步骤进行：

1)首先考虑一个发射天线数为nt，接收天线数为nr的多输入多输出系统。q＝[q1,q2,…,qn]表示输入比特，数字调制阶数为m，每个时隙发射端激活的发射天线数目为na。因此，当从nt根发射天线中选择激活na根天线时所有的天线组合数为其中表示二项式系数。在这些天线组合中，只有个天线组合用来传输信息比特，其中表示向下取整。

2)在提出的d-gsm系统中，每个发送的数据帧由k＝nt+l个码字组成，其中前nt个参考码字作为参考块，不携带信息，剩余的l个普通码字用于传递信息。参考块在nt个时隙传输，每个发射天线仅被激活一次。首先，在前nt个时隙发送参考块，则接收的参考信号为：

yr＝hrxr+nr(1)

其中是参考块，本文中xr为nt行nt列的单位阵，是接收参考信号，是信道衰落矩阵，是高斯噪声矩阵。hr和nr中的元素分别服从cn(0,1),cn(0,σr²)分布。因此，发送参考码字的平均snr是

3)然后在接下来的l个时隙中发送携带信息的普通码字。在发射端的每个时隙中，信息比特通过以下两种方式进行传递：a)天线索引调制：从nt个发射天线中选择na个用来传输比特信息；b)数字调制：每个激活的发射天线发送调制符号(mqam或者mpsk)，共传输nalog2m比特信息，经过映射得到数字调制符号向量其中表示数字调制符号，假设e[|s|²]＝1。则经过gsm调制的发送向量可以表示为其中s中非零符号的个数为na。因此，对于第t个时隙(t∈[1:l])，比特确定被激活的天线组合的索引值j，1≤j≤n；m2＝nalog2m比特确定na个从m-psk或m-qam星座中映射的调制符号向量。每个时隙传输的总比特数m＝m1+m2。则普通码字的差分编码公式为

其中为gsm调制得到的传输向量，有na个非零元素，从公式(2)可以看出，发射信号因此可以在该系统中使用m-psk或m-qam星座，在相同调制阶数下采用qam星座可以改善高阶调制的误码率性能。

接收信号为

其中是信道衰落矩阵，是高斯噪声向量，分别服从cn(0,1)和分布。因此，普通码字的平均snr是

4)假设信道为准静态衰落信道，信道矩阵在每一帧内保持不变，在帧与帧之间独立的变化，即hr＝h^(t)，则公式(3)中的接收信号可以表示为

结合公式(1)可得到

y^(t)＝(yr-nr)s^(t)+n^(t)＝yrs^(t)-nrs^(t)+n^(t)(5)

然后将ml检测器用于d-gsm系统，得到

从公式(6)可以清楚地看出，利用提供信道矩阵估计的参考信号yr来恢复y^(t)中包含的信息。通过对传输向量候选值进行遍历搜索，可以估计出激活的发射天线组合索引值及其发射的调制符号组合。然后经过比特反映射可以得到输入比特的检测结果

5)假设发送的数据块长度为p，其中包括一个参考块和p-1个普通块。然后将约束平均发射功率的优化问题表述为

参考块和普通码字之间的最佳功率分配分别由以下公式给出

从公式(5)可以看出，第t个时隙中的接收信号由两个噪声分量组成，每个噪声分量具有不同的方差。此外，公式(7)中的优化问题使用参考块和正常块的发射功率来约束系统的平均snr。因此，系统的等效相干噪声方差可以定义为

其中

在d-gsm中，发送的数据帧长度为k，为了将功率分配应用于d-gsm，则认为每个帧包括k/nt块，其中第一块是参考块，剩余的l/nt＝k/nt-1块是普通块。由此，参考码字和普通码字的平均snr以及d-gsm的等效相干噪声方差分别由公式(8)，公式(9)和公式(10)给出，其中p＝k/nt。

图2为不同数据帧长度下的系统误码性能对比，从图2可知，随着数据帧长度的增加，d-gsm系统的仿真误码率性能逼近gsm性能。l值较小时，d-gsm系统与gsm误码率性能相差较大，随着l的增大，差距逐渐减小，同时，减小的速率也在变慢。这表明，当l值足够大时，d-gsm系统的性能可以与相干gsm相同。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。