一种差分空间调制方法
【专利摘要】一种差分空间调制方法，用于解决现有调制方法占用信道资源多，信息传输成本高的问题，其技术方案是，所述方法在二元天线的发射信号中设置由激活天线确定的二进制序列，并用前后相邻时刻激活天线是否改变来表示该二进制序列的码元；在接收端根据前后相邻两个时刻收到的信号差来判断激活天线是否改变，从而恢复出由激活天线确定的二进制序列，实现空间调制信息的准确解调。本发明针对发送端为两根天线的情况提出了一种新的差分空间调制方案，在信道状态信息未知的情况下实现了空间调制信息的准确解调。同传统方法相比，本发明能够节省信道资源，并可在高速移动场景下实现信息的低成本传输。
【专利说明】
一种差分空间调制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种适用于二元天线信息发送系统的差分空间调制(DSM)方案，属于 信息传输技术领域。
【背景技术】
[0002] R. Mesleh及H. Haas等人提出的空间调制（SM)概念，其基本思想是：在任意发送时 隙，只有一根天线处于激活状态来传输数据，其余天线不发射信号，发送信息通过信号域和 空间域一齐传输，一部分发送信息比特映射到空间域用来选择需要激活的天线，其余信息 比特映射用来选择实际需要发送的调制信息。
[0003] 相比其他的多输入多输出(ΜΙΜΟ)技术，空间调制具有的特征包括：1)每个发送时 隙只激活一根天线；2)发送天线的空间位置作为传输信息的一部分。这些特征使SM完全避 免了信道间干扰（ICI)和天线间同步（IAS)的问题，并且单天线检测复杂度较低。这种空间 调制有效提高了系统的频谱效率和传输性能，是一个非常有潜力的新型多天线技术，是5G 移动通信系统无线传输关键技术的有力竞争者。
[0004] 空间调制技术利用发送端天线序号来表示信息，在接收端通过计算判断天线序 号，获取序号表示的信息，实现信息的传输。现有空间调制技术存在的主要缺点是求解天线 序号需要信道的状态信息，在信道状态信息未知时，解调无法完成，而信道状态信息的传 输，需要占用信道资源。另外，在信道状态改变慢于符号传输速率时，信道参数更新不快，现 有的空间调制技术虽然适合于实际应用，但在高速移动的场景，信道改变迅速，接收端若要 获得精确的信道状态信息就要不断更新信道参数，从而增加了信息传输成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种差分空间调制方法，在信道状 态信息未知的情况下实现空间调制信息的准确解调，以节省信道资源，降低信息传输成本。
[0006] 本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
[0007] -种差分空间调制方法，所述方法在二元天线的发射信号中设置由激活天线确定 的二进制序列，并用前后相邻时刻激活天线是否改变来表示该二进制序列的码元;在接收 端根据前后相邻两个时刻收到的信号差来判断激活天线是否改变，从而恢复出由激活天线 确定的二进制序列，实现空间调制信息的准确解调。
[0008] 上述差分空间调制方法，由激活天线确定的二进制序列中码元的表示方法如下：
[0009] 当二进制码元为0时，下一个时刻激活天线号不改变，当二进制码元为1时，下一个 时刻激活天线号改变;或者相反，即当二进制码元为〇时，下一个时刻激活天线号改变，当二 进制码元为1时，下一个时刻激活天线号不改变。
[0010] 上述差分空间调制方法，所述空间调制信息的解调步骤如下：
[0011]以二进制码元为〇时，下一个时刻激活天线号不改变，当二进制码元为1时，下一个 时刻激活天线号改变的编码规则为例；
[0012] a ·符号解调，接收端收到信号后按照Λ-⑷=Q(.v⑷)和Λ-(々+ 1) = + u)进行解 调，其中Q( ·)是星座量子化函数，即功能函数，依据二进制相移键控(BPSK)调制方式固有 的星座图直接反映射完成BPSK等调制方式的符号解调，对符号的解调不影响对天线号的判 决，y(k)和y(k+l)分别是k时刻和k+Ι时刻接收端收到的信号，._：)和4匕1；>分别是k时刻和 k+Ι时刻解调得到的解调符号；
[0013] b ·归一化信号幅度，利用 A) = V⑷X[χ('Α-)]' /1 |和+1) = y(A- +1}^^ 对接收端收到的信号进行归一化处理，其中[4?]'和Wf+l)丨分别是k时刻和k+1时刻解调 符号的共辄，1丨和| X.P： +1_> |分别是k时刻和k+Ι时刻解调符号的模值，和1丨分别 是归一化后k时刻和k+Ι时刻的接收信号；
[0014] c.计算J二'十丨)-j⑷和a = AH X A的值，其中AH为矩阵A的共辄转置矩阵，若a小 于设定的阈值，则将此时刻解调判定为二进制码元〇,否则判定为二进制码元1，从而完成空 间调制信息的解调。
[0015] 上述差分空间调制方法，所述阈值的确定方法为：记录若干个较大的a值，计算其 平均值，以平均值的二分之一作为阈值。
[0016] 本发明针对发送端为两根天线的情况提出了一种新的差分空间调制方案，在信道 状态信息未知的情况下实现了空间调制信息的准确解调。同传统方法相比，本发明能够节 省信道资源，并可在高速移动场景下实现信息的低成本传输。
【附图说明】
[0017] 图1是BPSK方式下不同空间调制方法的抗噪声性能仿真结果；
[0018]图2为正交相移键控(QPSK)方式下不同空间调制方法的抗噪声性能仿真结果；
[0019] 图3为16种符号的正交幅度调制（16QAM)方式下不同空间调制方法的抗噪声性能 仿真结果。
[0020] 文中各符号为:Q( ·)是星座量子化函数，即功能函数，依据BPSK等调制方式固有 的星座图直接反映射完成BPSK等调制方式的符号解调，对符号的解调不影响对天线号的判 决;y(k)和y(k+l)分别是k时刻和k+Ι时刻接收端收到的信号；分别是k时刻 和k+Ι时刻解调得到的解调符号，丨和卜认+ 分别是k时刻和k+Ι时刻解调符号的共 辄，| > |和| +1 > |分别是k时刻和k+1时刻解调符号的模值，和_分别是归一 化后k时刻和k+Ι时刻的接收信号，P为信道传输矩阵。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0022] 本发明针对发送端两根天线的情况提出了一种新的差分空间调制(DSM)方案，突 破了信号星座是等能量的限制，在发送端结合差分编码的思想激活天线，接收端结合差分 的思想，给出了解调方法和误码率性能曲线。
[0023] 采用差分编码的思想，发送端设计选择天线的方法为(发射天线数目为2,二者的 天线序号分别为〇和1):若当前时刻工作的天线号为〇号，当输入二进制码元为〇时，下一个 时刻激活天线号不改变，仍然选择〇号天线激活，当输入二进制码元为1时，则下一个时刻改 变激活天线号为1号。或者规定相反，即若当前时刻工作的天线号为0号，当输入二进制码元 为0时，下一个时刻激活天线改变为1号天线，当输入二进制码元为1时，则下一个时刻激活 的天线号不改变，仍然为0号天线。即用前后相邻时刻的天线号是否改变来表示码元0或1。 天线选择确定后，信号域传输信号与传统的空间调制相同。接收端根据前后相邻两个时刻 收到的信号差来判断天线号是否改变，然后恢复出激活天线的二进制序列。差分检测可在 不知道信道状态信息的情况下完成解调，这也是差分直接检测法最大的优点。
[0024] 天线选择方法如表1所示，以输入二进制码元1改变天线序号，输入二进制码元0天 线序号不变为例。
[0025] 表1天线工作状态
[0027] 在天线选择确定后，信号域与传统的空间调制相同。
[0028] 本发明提出的差分空间调制采用差分直接检测方法解调。为了说明解调原理，先 不考虑信道噪声的影响，即接收信号中不含有噪声。
[0029]设信道传输矩阵如下：
[0031]其中hn至hNrNt是Nt根发射天线与Nr根接收天线间的信道参数，写成向量形式：
[0034]接收端k时刻收到的信号为y(k)，发送端发出的信号为x(k)，利用信道传输矩阵P， 则由式(1)可知，k时刻的接收信号幅度为：
[0035] y(k)=PXx(k) (3)
[0036] 同理，k+1时刻的接收幅度为：
[0037] y(k+l)=PXx(k+l) (4)
[0038] 则前后相邻的两个时刻的信号幅度差值为：
[0039] y(k+l)-y(k)=PX(x(k+l)-x(k)) (5)
[0040] 由式(5)可得，在接收端，如果信道矩阵前后时刻不发生变化，则当前时刻收到的 信号幅度与前一时刻收到的信号幅度的差别只有发送信息的改变而引起的，因此，能准确 解调空间调制信息。如果信道是慢衰落的，信道矩阵变化较小，可以忽略信道参数的微小波 动，近似认为前后时刻的信道矩阵参数近似相等，此时，可以认为接收幅度的变化是由发送 信息的变化而引起的，因此，能准确解调空间调制信息。
[0041]在实现差分空间调制过程中，如果符号幅度变化，对解调性能具有显著影响。当符 号具有恒定幅度时，如BPSK和QPSK方式，其前后空间码元之间信号幅度本身没有差别，因 此，可以通过比较前后空间码元的信号幅度，即随天线号的改变引起幅度变化来判别空间 调制的信息比特。但是，如果符号的幅度本身是变化的，如调制方式为正交幅度调制(QAM) 等，即使天线号没有变化，因发送符号模值不同而导致幅度变化，相邻两时刻接收信号差值 也会很大，此时，需要修正上述差分检测。
[0042]差分解调的具体计算步骤如下：
[0043] Stepl:符号解调，接收2而收到彳目号后技照.v(A-) =- Q(.r(幻)和x(/: +丨）二Q(.r(A_ +丨))进 行解调，其中Q( ·)是星座量子化函数，即功能函数，依据BPSK等调制方式固有的星座图直 接反映射完成BPSK等调制方式的符号解调，对符号的解调不影响对天线号的判决，y(k)和y (k+1)是前后相邻两时刻接收端收到的信号，Λ(Α·；)和;分别对应解调得到的解调符号， 得到解调符号后依该调制方式下固有的星座图反映射可得输入序列。
[0044] Step2:归一化信号幅度，为减少QAM调制中因发送符号模值不同给接收信号带来 影响。技照..v(/c) 'ν(々)χ[Λ·.(左)]/1 .r(々）|和.ν(Λ +1) = .v(A + l)x[.r(々十 1)] /1 一化，其中
[x(0]和[ji(A：+.l)]是角军调符号的共辄，| .jc(l)_|和| x(A： + 1) |是角军调符号的丰旲值，丨(|:)和少(左+ 1): 是归一化后的接收信号。
[0045] Step3:计算』+ 〇-..v(幻和a=AHXA的值，若a小于设定的阈值，则将此时刻解 调判定为二进制码元〇,否则判定为二进制码元1，从而完成了解调。
[0046] 图1、图2和图3分别是BPSK、QPSK、16QAM方式下不同空间调制方法的抗噪声性能仿 真结果。从图1、图2和图3可见，虽然差分空间调制(DSM)比直接空间调制（SM)的性能略差却 很接近，但差分空间调制不需要传输信道参数，节省了信道资源。
【主权项】
1. 一种差分空间调制方法，其特征是，所述方法在二元天线的发射信号中设置由激活 天线确定的二进制序列，并用前后相邻时刻激活天线是否改变来表示该二进制序列的码 元;在接收端根据前后相邻两个时刻收到的信号差来判断激活天线是否改变，从而恢复出 由激活天线确定的二进制序列，实现空间调制信息的准确解调。2. 根据权利要求1所述的一种差分空间调制方法，其特征是，由激活天线确定的二进制 序列中码元的表示方法如下： 当二进制码元为O时，下一个时刻激活天线号不改变，当二进制码元为1时，下一个时刻 激活天线号改变;或者相反，即当二进制码元为O时，下一个时刻激活天线号改变，当二进制 码元为1时，下一个时刻激活天线号不改变。3. 根据权利要求1或2所述的一种差分空间调制方法，其特征是，所述空间调制信息的 解调步骤如下： a.符号解调，接收端收到信号后按照Λ-⑷=(5(._))和雄+丨）=Q(.r〇t +1))进行解调，其 中Q( ·)是星座量子化函数，即功能函数，依据BPSK等调制方式固有的星座图直接反映射完 成BPSK等调制方式的符号解调，对符号的解调不影响对天线号的判决，y(k)和y(k+l)分别 是k时刻和k+Ι时刻接收端收到的信号，丨和Λ·α + 1丨分别是k时刻和k+Ι时刻解调得到的解 调符号； b ·归一化?目号幅度，利用= ⑷x[x(/c)] /1 x(/c) I和j你 +1). =火灸+ (左+1:)]' / 丨 λ(左+ 1) I 对接收端收到的信号进行归一化处理，其中幻丨和|Λ.α:+U丨分别是k时刻和k+Ι时刻解调 符号的共辄，I λ·(^> I和丨Λ·# + 1>丨分别是k时刻和k+Ι时刻解调符号的模值，和+ 1>分别 是归一化后k时刻和k+Ι时刻的接收信号； c.计算』=1#%1卜#幻和3=八11\八的值，其中八11为矩阵八的共辄转置矩阵，若 &小于设 定的阈值，则将此时刻解调判定为二进制码元〇，否则判定为二进制码元1，完成空间调制信 息的解调。4. 根据权利要求3所述的一种差分空间调制方法，其特征是，所述阈值的确定方法为： 记录若干个较大的a值，计算其平均值，以平均值的二分之一作为阈值。
【文档编号】H04L1/06GK106027207SQ201610362626
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】高强, 范丽敏, 余萍
【申请人】华北电力大学（保定）