一种有序相位旋转预编码设计方法与流程

本发明涉及一种有序相位旋转预编码设计方法，尤其涉及一种用于空移键控调制多天线传输系统中的有序相位旋转预编码设计方法，属于通信系统技术领域

背景技术：

空移键控(Space Shift Keying,SSK)调制通过选择天线激活来传输信息，是一种新型的多天线调制技术。因其在每个工作时隙仅激活一根发送天线，它仅需一条发送射频链路即可满足通信需求，可以有效地解决传统多天线传输中共信道干扰、发端天线同步等问题，并且可以有效地降低接收机检测算法的复杂度。

在基于空移键控调制的多天线传输系统中，系统平均误符号概率性能由空间星座点(无线信道)之间欧氏距离决定，增大空间星座点之间的欧氏距离可以有效地降低系统的平均误符号概率。已有研究中，存在两种方法可以增大空间星座点之间的欧氏距离：第一，利用功率分配的方法来调整空间星座点的幅度；相关技术参见文献[1]和文献[2]，文献[1]：M.Di Renzo,H.Haas“Improving the performance of space shift keying(SSK)modulationvia opportunistic power allocation,”IEEE Commun.Lett.,vol.14,no.6,pp.500-502,2010.文献[2]：M.Maleki,H.-R.Bahrami,S.Beygi,M.Kafashan,and N.H.Tran,“Space modulation with CSI:Constellation design and performanceevaluation,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.62,no.4,pp.1623-1634,2013.)。第二，利用相位旋转预编码来调整空间星座点的相位；相关技术参见文献[2]和文献[3]，文献[3]：K.Ntontin,M.Di Renzo,A.Perez-Neira,and C.Verikoukis,“Adaptivegeneralized space shift keying(GSSK)modulation for MISO channels:Anew method for high diversity and coding gains,”in Proc.IEEE VTC fall,Yokohama,Japan,2012,pp.1-5。其中，利用相位旋转预编码来调整空间星座点的相位，只需在发送天线端配置相应的相位旋转器，根据信道相位信息实时调整相位旋转角度使空间星座图各点的相位均分到[0，2π]之间,无需配置额外的功率放大器，因其设计复杂度低且性能改善明显受到广泛关注。但现有相位旋转预编码设计方法只关注于相位差异对空间星座点之间欧氏距离的影响，忽略幅值差异对空间星座点之间欧式距离的影响。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于空移键控调制多天线传输系统中的有序相位旋转预编码设计方法；

本发明针对基于空移键控调制的多天线传输系统，充分利用信道相位信息和信道增益排序信息，利用信道增益排序信息以最大化幅值相近的空间星座点之间的欧氏距离为原则进行空间星座图的设计，本发明以较低的复杂度有效降低了系统的平均误符号率，进一步提高了系统的性能。

本发明概述：

本发明考虑基于空移键控调制的多天线传输系统，该系统由N_t根发射天线、N_r根接收天线组成，N_t＝2ⁿ，n为正整数信息比特数据流首先进行分组，每n比特信息划分成一组，经过空移键控调制后，映射到相应的发送天线上，在进行有序相位旋转预编码后经过相应信道进行发送，接收端通过检测信道的冲激响应确定发送天线序号进而解调得到信息比特。本发明利用信道增益排序信息和信道相位信息设计旋转预编码器将空间星座图中不同幅值排序的星座点的相位调整到[0，2π]相位固定均分位置，达到提升系统的平均误符号率性能的目的。

本发明的技术方案为：

一种用于空移键控调制多天线传输系统中的有序相位旋转预编码设计方法；所述多天线传输系统包括N_t根发射天线、N_r根接收天线，N_t＝2ⁿ，n为正整数具体步骤包括：

(1)对N_r根接收天线进行编号，依次编号为1，2，…，l，…，N_r，对N_t根发射天线进行编号，依次编号为1，2，…，i，…，N_t，编号为l的接收天线和N_t根发射天线的信道矢量记作h_l，i为编号为i的发射天线到编号为l的接收天线的信道衰落系数，将h_l，i表示成信道增益与信道相位的形式，即是指相位，具体是编号为i的发射天线到编号为l的接收天线间的信道相位信息；

(2)对h_l按信道增益信息即信道h_l，i的模值||h_l，i||由大到小的降序排列，编号依次为1，2，…，i，…，N_t，得到任意h_l，i的增益排序i^⊥；

(3)根据h_l中的任意h_l，i的增益排序，计算增益排序编号为i的发射天线对应的相位旋转预编码ω_l，i，如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，是参考相位，order(i^⊥)是空间星座图的相位顺序向量order的第i^⊥个元素的值；

根据h_l，所有发射天线对应的相位旋转预编码矩阵表述为对角矩阵w_l，

(4)对于编号为1，2，…，l，…，N_r的N_r根接收天线，重复步骤(2)和(3)，得到所有备选相位旋转预编码矩阵集合，备选相位旋转预编码矩阵集合中会有N_r个预编码器；由于每一个接收天线与N_t根发射天线都可以构成一个多天线发射单天线接收系统，可以为这样的系统设计一个预编码器，接收端总共有N_r根接收天线，所以备选相位旋转预编码矩阵集合中会有N_r个预编码器。

(5)以最小化平均误符号概率的性能上界为准则，在所有N_r个预编码器中选择最优的预编码器w作为最后设计的预编码器，如式(Ⅱ)所示：

$W=\arg {\min }_{W_l,l=1,2,\mathrm{...},N_r}{\stackrel{\‾}{P}}_s(H,W_l)---\left(II\right)$

式(Ⅱ)中，是信道矩阵，为平均误符号概率的性能上界，的表达式如式(Ⅲ)所示：

${\stackrel{\‾}{P}}_s(H,W_l)=\frac{1}{N_t}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_t}{\mathrm{\Σ}}_{k=1,k\≠i}^{N_t}Q\left(\frac{\left|\right|{\mathrm{HW}}_l(e_i-e_k)\left|\right|}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}}\right)---\left(III\right)$

式(Ⅲ)中，Q是高斯Q函数，e_i和e_k分别为第i个和第k个基向量，σ为高斯噪声的标准差。

根据本发明优选的，空间星座图的相位顺序向量order是1到N_t的一组排列数构成的向量,具体生成步骤为：

a、计算n＝log₂(N_t)确定需要进行变量更新的次数n；

b、初始化order＝[1]，初始化更新变量m＝1；

c、如果m＞n说明相位顺序向量的计算完成，否则，进行步骤d；

d、生成一个1×2^m-1的全1矩阵，记为设中间变量矩阵利用中间变量矩阵更新order,更新操作为order＝reshape(X，1，2^m)，reshape(X，1，2^m)表示将矩阵x按照列顺序重新排列为一个1×2^m的矩阵，同时将m加1，返回步骤c。

本发明的有益效果是：

与现有空移键控系统中的相位旋转预编码设计相比，本发明充分考虑了信道增益对空间星座点之间欧式距离的影响，该方法利用各信道的相位信息进行基于相位旋转的预编码设计，不同于传统相位旋转预编码的按照天线序号顺序排列旋转后的相位，本发明旋转后的相位是依据信道增益排序信息进行调整，以最大化幅值相近的空间星座点之间的欧氏距离为原则进行空间星座图的设计。该发明以较低的设计复杂度降低了系统的平均误符号概率，达到了进一步提升系统性能的目的。

附图说明

图1是本发明中基于空移键控调制的多天线传输系统的系统模型图；

图2是本发明中有序相位旋转预编码器设计方法的流程图。

图3是本发明中生成空间星座图的相位顺序向量order的流程图。

图4是本发明中N_r＝1且时采用有序相位旋转预编码之后的空间星座图的说明示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例

一种用于空移键控调制多天线传输系统中的有序相位旋转预编码设计方法，如图2所示，所述多天线传输系统包括N_t＝16根发射天线，N_r＝2根接收天线，多天线传输系统的系统模型图如图1所示，具体步骤包括：

(1)对2根接收天线进行编号，编号为1、2，对16根发射天线进行编号，依次编号为1，2，…，i，…，16，编号为l的接收天线和16根发射天线的信道矢量记作h_l，i为编号为i的发射天线到编号为1的接收天线的信道衰落系数，将h_l，i表示成信道增益与信道相位的形式，即是指相位，具体是编号为i的发射天线到编号为1的接收天线的信道相位信息；

(2)对h_l按信道增益信息即信道h_l，i的模值||h_l，i||由大到小的降序排列，编号依次为1，2，…，i，…，N_t，得到任意h_l，i的增益排序i^⊥；

(3)根据h_l中的任意h_l，i的增益排序，计算增益排序编号为i的发射天线对应的相位旋转预编码ω_l，i，如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，是参考相位，order(i^⊥)是空间星座图的相位顺序向量order的第i^⊥个元素的值；

根据h_l，所有发射天线对应的相位旋转预编码矩阵表述为对角矩阵w_l，

(4)对于编号为1，2，…，l，…，N_r的N_r根接收天线，重复步骤(2)和(3)，得到所有备选相位旋转预编码矩阵集合，备选相位旋转预编码矩阵集合中会有N_r个预编码器；由于每一个接收天线与N_t根发射天线都可以构成一个多天线发射单天线接收系统，可以为这样的系统设计一个预编码器，接收端总共有N_r根接收天线，所以备选相位旋转预编码矩阵集合中会有N_r个预编码器。

(5)以最小化平均误符号概率的性能上界为准则，在所有N_r个预编码器中选择最优的预编码器w作为最后设计的预编码器，如式(Ⅱ)所示：

$W=\arg {\min }_{W_l,l=1,2,\mathrm{...},N_r}{\stackrel{\‾}{P}}_s(H,W_l)---\left(II\right)$

式(Ⅱ)中，是信道矩阵，为平均误符号概率的性能上界，的表达式如式(Ⅲ)所示：

${\stackrel{\‾}{P}}_s(H,W_l)=\frac{1}{N_t}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_t}{\mathrm{\Σ}}_{k=1,k\≠i}^{N_t}Q\left(\frac{\left|\right|{\mathrm{HW}}_l(e_i-e_k)\left|\right|}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}}\right)---\left(III\right)$

式(Ⅲ)中，Q是高斯Q函数，e_i和e_k分别为第i个和第k个基向量，σ为高斯噪声的标准差。

空间星座图的相位顺序向量order是1到16的一组排列数构成的向量,具体生成步骤为：

由N_t＝16根据计算得n＝4需要进行四次更新操作，首先,order＝[1]，m＝1，order＝[1]，m＝1，进行中间变量的计算得到更新的orde＝[1 2]；然后,m＝2，进行第二次中间变量的计算得到第二次更新的order＝[1 3 2 4]；接着m＝3，进行第三次中间变量的计算得到第三次更新的order＝[1 5 3 7 2 6 4 8]最后m＝4，进行第四次中间变量的计算得到第四次更新的order＝[1 9 5 13 3 11 7 15 2 10 6 14 4 12 8 16].此时已经进行四次更新，说明计算完毕，即[1 9 5 13 3 11 7 15 2 10 6 14 4 12 8 16]是天线数N_t＝16的相位顺序向量。本实施例中生成空间星座图的相位顺序向量order的流程如图3所示，本实施例中采用有序相位预编码之后的空间星座图的说明示意图如图4所示。