一种天线选择-功率自适应的空间调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，特别涉及多输入-多输出（MHTO，Multiple-Input Multiple-Output)的自适应方法，具体为一种发射天线选择-功率自适应的空间调制方 法。
【背景技术】
[0002] 空间调制（SM，SpatialModulation)是多输入-多输出系统中特有的一种调制方 式，它能够有效地避免传统MM0系统中的信道间干扰和发射天线间信道同步的问题，成为 了未来移动通信的主要候选技术之一。
[0003] 传统的空间调制系统的基于容量最优的天线选择算法通过选择范数最大的发送 向量，具体可以参考文献：RajashekarR，HariKVS，HanzoL.Antennaselectionin spatialmodulationsystems,IEEECommunicationsLetters,2013。首先根据信道估计的 方法获得信道信息H根据具体调制时对各个天线携带的数据比特统一进行等功率的发送， MIM0发送功率没有考虑与信道状态信息的关系。
[0004] 天线选择技术作为一种能有效降低射频链路成本的手段，将其引入到SM系统中， 不仅可以保持SM系统发射端单射频链路及其带来的其他优势，而且还能给SM系统带来分 集增益。传统的基于容量最优的天线选择，对于给定的信道实现和信噪比，发射天线为Nsm 的空间调制系统的容量是有界的，从总发射天线队中选择Nsm根范数最大的天线有利于最 大化容量下界。
[0005] 现有的空间调制方法的主要缺点在于：没有考虑发射-接收信道的差异，对各个 发送天线均采用等功率发送，从而造成了基于空间调制的MM0系统的抗干扰能力弱，误码 性能受限；基于容量最优方法选择的范数较大的向量由于取值集中，较容易导致接收端天 线出现误判；因此，本发明提供一种发射天线选择-功率自适应的空间调制方法，进一步地 提升系统误比特性能（Biterrorrate,BER)。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决现有的基于发射天线选择空间调制的MM0系统的抗干 扰能力较弱的问题，提出了一种发射天线选择_功率自适应的空间调制方法，接收端在备 选自适应功率分配方案集合中选取最优功率分配方案反馈给发射端，使得发射端能自适应 的调整传输方案，有利于增大星座点间的最小欧氏距离，从而进一步降低了系统的误码率， 得以提高空间调制通信系统性能。
[0007] 为了方便的描述本发明的内容，首先作以下定义：
[0008] (1)空间调制是指用多输入-多输出系统的天线索引和幅度相位调制作为数据信 息携带载体的调制方式，在空间调制中，传输数据被分割成天线索引和幅度相位调制部分， 每一个传输时刻只有一根对应索引的天线被激活，并且激活的天线传输幅度相位调制信 号。
[0009] (2)多输入-多输出系统是指发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天 线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收。
[0010] (3)幅度相位调制（APM,Amplitude/PhaseModulation)是指将发送的比特数 据映射为载波的幅度和相位，以便于信道传输，特别地，正交幅度调制（QAM，Quadrature AmplitudeModulation)是APM的一种，它利用幅度和相位同时携带信息。
[0011](4)Frobenios范数，也叫做2-范数，若向量x= [Xi,x2,? ? ??，xj，那么向量x的 Frobenios范数| |x||p?可以表示为：
[0012]
[0013] 其中，| * |表示*的绝对值大小。
[0014] (5)内积是一种矢量运算，假设矢量A= [a^a2, ? ? ?，aj，B= [h，b2, ? ? ?，bj，那 么矢量A和B的内积表不为：
[0015] <A?B> =a:Xb1+a2Xb2+. . .anXbn〇
[0016] (6)Q( ?)表示高斯Q函数，变量x对应的高斯Q函数值为
。
[0017] (7)容量最优的天线选择，对于给定的信道实现和信噪比，发射天线为NSM的空间 调制系统的容量是有界的，
[0018] a彡CSM彡a+l〇g2(NSM)
[0019] 其中
从总发射天线Nt中选择NSM根范数最大的 天线有利于最大化容量下界。
[0020] 本发明的技术方案是：
[0021] -种天线选择_功率自适应的空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0022] 步骤1.传输数据根据接收端反馈的索引信息在发射端的所有备选天线集合中， 利用基于范数天线选择算法，选取适应当前信道下的传输天线，即当前信道矩阵对应的子 矩阵，并按照给定的调制方式进行调制传输数据，映射到选取的发射天线单元得到发射信 号X，进行发射；
[0023] 步骤la.利用信道估计方法获取当前信道状态信息H通过对信道状态 信息H的Nt个列向量的范数排序，选取其中的NSM个天线作为发射天线单元；
[0024] 步骤lb.根据当前系统的天线配置，即实际发射天线数NSM，接收天线数队，给出总 的功率约束上限为Ptotal;
[0025] 步骤lc.根据步骤lb的总功率约束Ptotal，确定备选自适应功率分配方案集合〇， 其中，每个方案R. = !/V/々……满足约束条件：
[0026]
[0027]其中，2表示数据的求和，NSM表示发射天线数目，pi表示第i根天线上分配的功 率；
[0028] 步骤2.利用信道估计方法获得信道状态信息H，计算适用于当前信道状态的最优 自适应功率分配方案P1°pt，即每根发射天线的最优功率分配，并通过反馈信道反馈给发射 端，以调整发射端下次数据映射时采用的传输方案，具体步骤为：
[0029] 步骤2a.获取当前信道状态信息H，并获取发射端的备选自适应功率分配方案，即 收发端共用同样的备选自适应功率分配方案集合，其中备选自适应功率分配方案由满足步 骤lc的约束条件所确定；
[0030] 步骤2b.根据当前的信道状态信息H评估每一个备选自适应功率分配方案的系统 成对差错概率PjHadp)，
[0031]
[0032] 其中，N。为加性高斯白噪声的功率谱密度，Q( ?)表示高斯Q函数，d_(Hadp)表示 接收星座点的最小欧式距离，A表示具有接收星座点的最小欧氏距离(1_〇14)的邻近个 数，由于系统成对差错概率PjHadp)的主要取决于最小欧氏距离d_ (Hadp)，计算每一个备选 自适应功率分配方案对应的最小欧氏距离d_(Hadp);
[0033] 步骤2c.根据得到的每个备选自适应功率分配方案对应的最小欧氏距离，获得所 有最小欧氏距离的最大值，该最大值对应的备选自适应功率分配方案即确定为当前信道状 态信息H的最优自适应功率分配方案Pl°pt，即Pl°pt=argmax{d_(Hadp)};
[0034] 步骤2d.反馈当前信道状态信息H下的最优自适应功率分配方案Pl°pt至发射端， 以调整发射端下一次数据传输时采用的功率分配方案。
[0035] 进一步地，步骤2b所述的最小欧氏距离(1_〇14)的具体计算过程如下：由于空间 调制系统的特殊性，每一个时隙只有一根天线传送数据，其余天线均传输数据〇,两个不同 的发射信号^和X表示为：
[0036]
[0037]
[0038] 其中，af和^分别表示第i和j根天线上的来自对应星座m和n星座点，在空间 调制系统中接收星座点的最小欧氏距离为：
F'
[0040] 其中，①为备选功率自适应方案集合，Re( ?)表示复数取其实部，如下：
[0041]
[0042] 匕和h汾别表示信道状态信息H的第i和j列，hij表示信道状态信息H第1行 第j列上的元素，h2ij表示信道状态信息H第2行第j列上的元素，表示信道状态信息 H第队行第j列上的元素，A为M-QAM调制下的所有星座点集合。
[0043] 另外说明的是，本发明中最优自适应功率分配方案口广1为备选的功率自适应方案 集合①中d_(Hadp)最大的自适应功率分配方案，即
[0044]
[0045] 实际应用中，发射端发射信号x经过信道后，在接收端接收到信号y，假设接收端 同步完美且信道信息H已知，经过本发明步骤1、2等效的信道信息矩阵Hp</ 用极大 似然检测方法得到的估计发射数据:S为：
[0046]
[0047] 其中，pY(y|X，H)表示在信道信息H已知时，发送信号x接收到的信号y的似然函 数，A表示发送信号x的所有可能得集合，它由天线的位置和对应天线的发送符号组合而 成，即空间调制的星座，II?I|F表示Fro