一种广义空间调制系统的天线选择方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种广义空间调制系统的天线选择方法。

背景技术：

目前，以空间调制(Spatial Modulation，SM)、广义空间调制(Generalized Spatial Modulation，GSM)为代表的新型MIMO技术，成为4G以及5G的关键技术。空间调制系统在一个符号周期内，发送端只选择部分发送天线发送信号，从而大大提高了频谱效率，是大规模MIMO系统的重大突破。SM系统在一个符号周期内，发送端只选择一根激活天线，其余天线不发送信号，避免了MIMO系统中的信道间干扰；GSM系统在一个符号周期内，选择多根激活天线发送信号，其余天线保持静默。因此GSM系统比SM系统进一步提高了频谱效率。由于数根激活天线均发送相同的调制符号，因此GSM系统可有效避免信道间干扰，是一种极具前景的MIMO技术。

由于GSM系统在发送端只选择部分天线作为激活天线，选择激活不同的天线，将对系统性能产生影响。许多研究表明，在发送端进行有效的天线选择，可以提高MIMO系统性能，降低链路成本。在不同的符号周期内，信道的状态发生改变，因此需要根据不同的信道选择不同的天线组合。GSM系统天线选择已有的方法是基于最大化接收向量间最小欧式距离准则天线选择算法(Euclidean Distance optimized Antenna Selection，EDAS)。EDAS使用穷举搜索，遍历所有可能的结果，从中寻求最佳解。从误码性能的角度而言，该算法是性能最优的天线选择方法，然而由于穷举搜索带来了极高的复杂度，实际应用中将难以满足其对复杂度的要求。因此尽管EDAS能最大程度地降低误码率，但其复杂度极高，应用范围受限。

由上可知，现有技术中，EDAS的复杂度极高，许多实际应用难以满足EDAS的复杂度要求。因而，寻找能够改善系统性能且具有较低复杂度的天线选择方法，是GSM-MIMO系统中急待解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种广义空间调制系统的天线选择方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种广义空间调制系统的天线选择方法，包括以下步骤：

步骤1、在GSM-MIMO系统中，对所有激活天线组合对应的信道列求和；

步骤2、在每种天线选择方案下，根据步骤1的结果，计算天线组合间余弦相似程度最大值；

步骤3、选取天线组合间余弦相似程度最大值最小的天线选择方案，作为最终的天线选择结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)发送端选用相关程度较小的一些天线组合，改善了接收端信号检测的误码率性能；2)本发明的方法用天线相关性准则取代穷举搜索的最大化接收向量间最小欧式距离准则，大大减小了算法的复杂度；3)和传统的EDAS方法相比，本发明的方法与发送端的调制方式无关，即本发明在调制信息未知的情况下也可以实施。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例的系统组成图。

图2是本发明实施例的处理流程图。

图3是本发明实施例的误码率随信噪比的变化曲线。

图4是本发明实施例的复杂度柱状图。

具体实施方式

本发明为一种低复杂度的GSM-MIMO系统发送端天线选择方法。发送端将原始数据比特流进行串并变换，同时根据获得的信道状态信息进行发送天线选择。再根据天线选择结果，对串并变换后的数据进行调制并发送。接收端根据接收到的数据进行性能最优的最大似然检测，将检测后的数据进行并串变换，恢复出原始数据，完成GSM-MIMO系统的一次发收过程。

本发明的一种广义空间调制系统的天线选择方法，包括以下步骤：

步骤1、在GSM-MIMO系统中，对所有激活天线组合对应的信道列求和；具体为：

步骤1-1、确定激活天线组合总数，所用公式为：

$m=C_{N_t}^{n_t}$

式中，m表示激活天线组合总数，N_t为发送天线数目，n_t为激活天线数目；

步骤1-2、确定所有激活天线组合对应的信道列之和，所用公式为：

$I_l=\underset{i=1}{\overset{n_t}{\Σ}}{h}_{l_i}$

式中，表示第l个天线组合对应的信道矩阵列之和，N_r为接收天线数目，l∈[1,m]，表示信道矩阵H的第l_i列，l_i表示天线组合I_l中第i根激活天线，令I＝[I₁I₂I₃...I_m]表示所有天线组合。

步骤2、在每种天线选择方案下，根据步骤1的结果，确定天线组合间余弦相似程度最大值；具体步骤为：

步骤2-1、确定天线选择方案总数，所用公式为：

$P=C_m^L$

式中，P表示天线选择方案总数，最终选择的天线组合数

步骤2-2、对于每个天线选择方案选取的确定其两两间的余弦相似程度，所用公式为：

${\mathrm{cos\θ}}_{{\mathrm{jj}}^{\′}}=\frac{\left|{I_j}^H{I}_{j^{\′}}\right|}{\left|\right|I_j\left|{|}_F\right|\left|I_{j^{\′}}\right|{|}_F}$

式中，cosθ_jj'表示I_j和I_j'间的余弦相似程度；

步骤2-3、确定每个天线选择方案中的最大余弦相似值，记为Max_t，t∈[1,P]。

步骤3、选取天线组合间余弦相似程度最大值最小的天线选择方案，作为最终的天线选择结果。具体为：

根据步骤2-3求得的Max_t，求令Max_t取最小值时的t，该t对应的方案为最终的天线选择方案。

本发明改善了广义空间调制系统的误码率性能，且具有极低的计算复杂度。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

整个系统组成如图1，本发明实施例采用4发4收的GSM-MIMO系统，激活天线根数为2，调制方式为4-QAM调制，原始数据比特流长度为4×10⁶。则从4根发送天线中选取2根激活天线共有种不同组合，从6种结果中选择种作为最终天线选择的结果，用于发送端调制映射。具体天线选择步骤如下：

在GSM-MIMO系统中，基于天线相关性准则的广义空间调制系统的发送天线选择方法具体步骤为：

步骤1：对于种天线组合，求每种天线组合对应信道矩阵H中的列之和：

$I_l=\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{h}_{l_i}---\left(9\right)$

其中，表示第l个天线组合对应的列之和，l∈[1,6]，表示信道矩阵H的第l_i列，l_i表示天线组合I_l中第i根激活天线。令I＝[I₁ I₂ I₃ ... I₆]表示所有天线组合；

步骤2：对于每个天线选择方案选取的求其两两间的余弦相似程度，所用公式如下：

${\mathrm{cos\θ}}_{{\mathrm{jj}}^{\′}}=\frac{\left|{I_j}^H{I}_{j^{\′}}\right|}{\left|\right|I_j\left|{|}_F\right|\left|I_{j^{\′}}\right|{|}_F}$

式中，cosθ_jj'表示I_j和I_j'间的余弦相似程度。记录每个天线选择方案下余弦相似程度的最大值，则将得到个最大值；

步骤3：从步骤2中求出的15个最大值中，选取最小的对应的天线选择方案作为最终的天线选择结果。

关于本发明及EDAS的计算复杂度。以一次复数乘法运算为一个计算单位，用算法所需复数乘法运算次数来衡量算法的计算复杂度。则性能最佳的EDAS算法的计算复杂度为：

$(2\×n_t\×N_r+N_r)\×C_m^L\×(L\×C_M^2+C_L^2\×M^2)$

其中，M为调制进制数。

本发明的基于最大化天线相关性准则的天线选择算法的计算复杂度为：

$3N_r\×C_L^2\×C_m^L$

在本发明实施例采用的系统下可以计算出，传统EDAS方法的复杂度为36000，本发明的复杂度为1080。可见，本发明的复杂度远低于EDAS算法的复杂度，可以满足实际应用对复杂度的要求，具有较强的实用性。

图3中的EDAS表示传统的EDAS天线选择方法，AC表示本发明的天线选择方法。从图3可以看出，发送端使用本发明的天线选择方法，和原始的不采用天线选择的系统相比，误码率性能得以改善，这说明可以通过天线选择来提高GSM系统的误码率性能。信噪比较低时，本发明的性能和EDAS性能几乎一致。随着信噪比增加，本发明的误码率性能稍有降低。

图4中的EDAS表示传统的EDAS天线选择方法，AC表示本发明的天线选择方法。由图4可知，本发明的复杂度远低于EDAS的复杂度。

从复杂度和误码率性能仿真结果可以看出，本发明提出的方法以很小的误码率增加为代价，取得了低于EDAS的复杂度，是一种很好的广义空间调制系统的发送天线选择方法。