多输入多输出系统信号发送和接收方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多输入多输出系统信号发送和接收方法。

背景技术：

空间调制(spatialmodulation，sm)是近年来提出的一种新型多天线传输技术，根据输入信息来选择相应的传输天线，每一时隙只有一根天线被激活，所以空间调制具有单射频的特性，从而避免了天线间的干扰，同时也使得接收端的信号检测较为简单，且具有较低的复杂性和较低的成本，空间调制逐渐地成为了mimo技术研究的热点之一。mimo技术是指在发射机和接收机上分别使用多个天线，使系统的频谱效率成倍提高，而不增加发射功率和频谱资源。在未来5g大规模mimo场景下如何使得空间调制技术能够更好波束赋形是一种有效的多天线传输技术，通过形成一个定向和强大的波束来显著提高接收机的信噪比。它作为空间滤波的一种关键方法，起源于阵列信号处理技术，通过对来自不同天线的发射信号进行称重和梳理，形成能量聚焦光束。最常用的波束形成方法包括最大传输比(maximumratiotransmission，mrt)和迫零(zeroforcing，zf)。到目前为止，在不同的场景下，对波束形成向量的设计和优化有许多研究。为了充分发挥mimo系统的潜力，波束赋形已被广泛应用，成为5g系统的研究热点。的被应用是未来研究重点所在。

在现有的许多mimo系统中，空间复用，空间分集和波束赋形(beamforming，bf)等技术得到了广泛发展，以提高mimo系统的性能，比如垂直贝尔实验室分层时空(v-blast)和alamouti空时块编码(stbc)。

但不论是传统空间调制还是波束赋形技术辅助的mimo系统，都只能部分地达成性能优化的目标。如何能够将传统空间调制与zf波束赋形技术有机结合以获得更大的性能增益是本专利的研究重点，有效地解决该问题可以使得空间调制成为未来具有潜力的新技术之一。

技术实现要素：

本发明针对多发多收的空间调制下行链路，所要解决的就是通过空间调制技术确定将要发射信号的天线，使得发射端每次只有一根天线被激活并进行进行信号发送，并且通过波束赋形技术对所发信号进行预编码操作以实现速率和误码率的优化。在接收端采用最大似然法检测考虑了时间弥散对接收信号的影响，并用整个接收信号确定最有可能被发送的序列。

本发明采用的技术方案是，采用多输入多输出系统二进制数字信号空间调制方法，假设发射端已知信道状态信息。所述系统具有nt根发射天线和nr根接收天线，用于传输每组b1+b2比特的数字信号。其中前b1比特映射为天线序号，即本来空间调制后要激活的天线，最后b2比特映射为apm符号。通过射频偏移原则选择发射天线后，对所得符号进行预编码处理，最后激活被偏移天线传输信号，同时在接收端进行最大似然检测并译码输出。

在传统sm技术中，比特信息通过分组分别映射成发射天线序号和星座点符号，假设发射端天线数量为nt，采用m阶调制，此时系统的频谱效率b＝log2(nt)+log2(m),前log2(nt)比特成为空间比特，用来选择激活天线i，后log2(m)比特成为符号比特，用来选择发送的星座点符号xj。那么接收端得到的信号为：

y＝hixj+n(1)

在上式中n为加性噪声，hi为信道矩阵h中第i列元素，即被激活的第i根天线与所有接收天线之间的信道增益系数矩阵。最后接收端可以通过最大似然检测来恢复传输的信息。

本发明的方案中，发射符号有所改变。前b1＝log2(nt)比特用来选择空间符号i，即被选择的发射天线序号，后b2＝log2(m)比特用来选择apm符号，这些传统的调制星座可以是多级相移键控星座(psk)或正交调幅星座(qam)，于是此系统在波束赋形前的发射符号表示如下：

其中hi为发射空间信号，即被选择的发射天线和所有接收天线之间的信道矢量，xj是apm星座的映射符号，α是对发射信号进行归一化的因子，是发射功率。如果xj＝1，那这就是ssk-bf系统，如果xj是一个传统apm符号，那这就是一个sm-bf系统。

值得注意的是，本方案的创新之处在于所设计的发射信号，如公式(2)所示。因为对于传统的空间调制，其发射信号为这只是传递从被激活的第i根天线发射出的apm符号xj。然而对于本发明提出的sm-bf，发出的信号不仅包括apm符号xj，还包括空间信道hi。发射机将信道信息hi直接发送到接收机，在这一点上与传统sm不同，但它仍然利用空间信道来传递信息，因此本文提出的sm-bf方案实际上属于空间调制范畴，因为部分传输信号仍来自空间域。

然后需对发射符号进行预编码处理，假设采用最简单的迫零(zf)预编码算法，其预编码矩阵如下：

w＝h^h(h^hh)^-1(3)

其中，w为预编码矩阵，h为信道矩阵。此外，要对发射符号进行功率归一化，设α为功率归一化因子，则α＝|whi|2，其中并且经过预编码后的发射信号为

经过信道后，接收端得到的信号可以表达为如下形式：

其中为发射功率，待功率归一化后，接下来对接收端得到的信号进行的最大似然检测：

本发明的有益效果是：与传统sm相比，加入了zf波束赋形技术。由理论分析可得，当nt>nr时，α<1，所以起到了减小噪声的作用，从而获得了预编码所带来的发射分集增益，在不改变发射功率的前提下增大信噪比，提高系统的误码性能。

附图说明

图1为系统的发射端框图；

图2为本发明的方案在nt＝8，nr＝4情况下sm和zf+sm的误码率对比(5bps/hz)；

图3为本发明的方案与ssk在发射天线为8，接收天线为4情况下误码率对比(3bps/hz)；

图4为ssk-zf和sm-zf在发射天线为8，接收天线为4情况下误码率对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述：

图1中简要展示了发射端模型的基本框架，与传统的sm系统模型相比，该模型加了预编码模块和利用csi构造的空间符号模块，接收端大致相同。

实施例

本例中系统采用qpsk调制，发射天线数量nt＝8，接收天线数量nr＝4。所以系统的总频谱效率为b＝log2(nt)+log2(m)＝5。发射端通过反馈链路得知信道状态信息为：

若待传输的比特数据为b＝10000，根据映射规则可知，前3个比特100为空间比特，映射为空间符号h5＝[h15h25h35h45]^t，最后2个比特00，确定apm符号x1＝1，所以待发射的符号为x＝h5x1。

接下来进行预编码，预编码矩阵为w＝h^h(h^hh)^-1，并设α为功率归一化因子，为α＝|wh5|2。所以发射端的最终发射信号形式为：

通过以上的步骤实现了系统的调制和预编码过程。经过道之后接收信号在除去功率归一化因子后的形式如下：

其中为发射功率，最后通过最大似然检测遍历所有的天线序号，接收图样与星座点符号的组合即可恢复出原始数据，即：

由最后的式子可以看出，此系统作为8发4收的mimo系统，通过结合波束赋形技术引入了性能增益，而从接收端看来，只有第i根天线需要被检测。该方案对收发天线数量没有限制，比较灵活，且能够带来较大的性能提升。下面结合仿真结果具体分析本文发明对误码性能的提升。

图2为本发明所提出方案在发射天线数量为8，接收天线数量为4情况下的误码率对比，采用qpsk调制，使得频谱效率都为b＝log2(nt*m)＝5bps/hz。总体上可以直观看出通过在sm基础上加入zf波束赋形技术，虽然两者误码率曲线表现的趋势相近，但同一信噪比下误码率有很大下降，并且随着信噪比的增加，增益也越来越大。所以在传统空间调制上加入波束赋形技术的配置，相对传统的空间调制性能更优化。

图3为本发明所提出方案与ssk在发射天线为8，接收天线为4情况下的误码率对比。频谱效率均为b＝log2(nt)＝3bps/hz。ssk-zf相当于是m＝1的一种特殊sm-zf的情况，当nt＝8，nr＝4时，新方案由于采用了zf预编码，总体上可以直观看出通过在ssk基础上加入zf波束赋形技术，虽然两者误码率曲线表现的趋势相近，但同一信噪比下误码率有很大下降，并且随着信噪比的增加，增益也越来越大。所以在传统空间调制上加入波束赋形技术的配置，相对传统的空间调制性能更优化。