一种适用于空间调制传输系统的数字调制星座产生方法技术方案

一种适用于空间调制传输系统的数字调制星座产生方法，属无线通信传输技术领域。该方法可获得具有多圈结构的PSK调制星座，其每圈的星座点符合等相位间隔分布的传统PSK调制星座；除半径最大圈，其余每个圈所具有的星座点个数大于等于3；除了半径最大的圈，其余的圈中，半径大的圈所具有的星座点数不得小于半径小的圈所具有的星座点数；整个调制星座的星座点之间的最小欧式距离由半径最小圈的星座点间的最小欧式距离决定；相邻圈间的星座点相位差满足最小相位差最大化的条件。所有满足这种特征的多圈PSK调制星座还要经过度量准则进行优选。实验证明，通过本发明专利技术的多圈PSK星座图优于传统PSK和QAM数字调制的性能，因此具有极大的应用价值和积极效果。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于空间调制传输系统的数字调制星座产生方法
本专利技术涉及一种多天线传输技术，具体地说是涉及一种适用于空间调制传输系统的数字调制星座产生方法，属于无线移动通信领域。
技术介绍
近年来，无线移动通信系统获得了巨大的发展与应用。在无线移动通信系统的发展过程中，系统容量的不断提升一直是无线移动通信得以迅速发展的前提和基础。然而，近几十年来，随着无线移动通信种类和规模的迅速扩张，两个提高系统容量最有效、最直接的技术手段：扩展频谱宽度和提高发射功率，已经逐步趋于应用的极限状态。换句话说，频谱受限和能耗受限已逐渐成为阻碍系统容量提升的关键因素。而且，随着绿色环保意识的快速觉醒，使得无线移动通信必须从单一的容量最大化向着兼顾容量和绿色的双重角度进行改进和转变。在这个转变过程中，多天线(MultipleInputandMultipleOutput，MIMO)技术无疑是其中的佼佼者。从3G到4G，甚至到5G移动通信传输技术来看，MIMO技术是当之无愧的容量倍升第一功臣。可以讲，随着无线移动通信的发展，系统所采用的天线数会越来越多。在4G通信之后，业界更是看好大规模天线技术，希望它的采用能够为未来移动通信提供可依赖的传输技术支撑。空间调制技术(SpatialModulation,SM)技术是多天线(MIMO)传输技术的一种应用形式。它的基本思想为：将待发送信息比特的一部分映射到数字调制星座，剩下的信息比特映射为空间中的一个或者多个发送天线，由不同天线所对应信道增益的不同区分不同的信息比特。这样一来，发送天线不仅是形成无线射频链路的媒介，而且承载着信息比特本身。显然，在空间调制中，由于每个传输时隙只有一个或少数几个发送天线工作，从而既可以降低射频链路成本，又可以完全避免大规模天线所面临的实用化问题。正是基于空间调制的上述优点，空间调制已成为目前MIMO技术研究的热点之一，颇受业界所青睐。但是空间调制作为一种新兴技术，本身需要解决的问题还很多。其中的一个关键问题就是，空间调制星座实际表现为一种多维调制星座，其一为传统的数字调制维，如采用相移键控(Phase-ShiftKeying，PSK)或正交振幅调制(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)，其二为天线维，用不同的天线区分不同的信息比特。那么在空间调制传输系统中，传统的数字维调制星座(如PSK，QAM调制)是否还具有最佳性能，最近研究成果(可参见文献：M.DiRenzoandH.Haas,“BiterrorprobabilityofSM-MIMOovergeneralizedfadingchannels”,IEEETrans.Veh.Technol.,vol.61,no.3,pp.1124-1144,Mar.2012.,或S.SugiuraandL.Hanzo,“Onthejointoptimizationofdispersionmatricesandconstellationsfornear-capacityirregularprecodedspace-timeshiftkeying”,vol.12,no.1,pp.380-387,Jan.2013.，或J.M.Luna-Rivera,D.U.Campos-Delgado,andM.G.Gonzalez-Perez,“Constellationdesignforspatialmodulation”,ProcediaTechnology,vol.7,pp.71-78,2013.)已初步告诉我们，当传统的数字调制星座，如PSK或QAM应用到空间调制传输系统时，未必能获得最优的传输效果。如文献M.DiRenzoandH.Haas,“BiterrorprobabilityofSM-MIMOovergeneralizedfadingchannels”,IEEETrans.Veh.Technol.,vol.61,no.3,pp.1124-1144,Mar.2012.就告诉我们，当采用空间调制时，很多情况下PSK可能会优于QAM。因此针对空间调制传输系统如何设计性能良好的数字调制星座便具有一定的理论意义和实际应用价值。区别于传统的PSK和QAM调制，在针对空间调制系统的新调制星座研究方面，目前主要还是体现在寻找新的幅度相位调制(AmplitudePhaseModulation，APM)星座上，而为了简化寻找的过程，多假定APM星座具有多圈PSK调制的特点。文献J.M.Luna-Rivera,D.U.Campos-Delgado,andM.G.Gonzalez-Perez,“OnthePerformanceofSpatialModulation:OptimalConstellationBreakdown”,IEEETrans.Commun.,vol.62,No.1,pp.144–157,2014.指出当天线数目可以自由选择时，4PSK将是最佳的星座选择，但是当天线数目受限，或者需要更高的传输效率时，可能仍需要维数大于4的数字调制星座，此时就需要设计新的调制星座。在新的调制星座设计中，显然APM调制星座更具有普遍化的意义，其中PSK和QAM调制星座都是APM调制星座的特例。其中，文献S.Sugiura,C.Xu,S.X.Ng,andL.Hanzo,“Reducedcomplexitycoherentversusnon-coherentQAM-aidedspace-timeshiftkeying”,IEEETrans.Commun.,vol.59,no.11,pp.3090-3101,Nov.2011.指出在空间调制系统中具有星形结构的QAM(Star-QAM)调制星座将优于传统的QAM调制星座。但是这里采用的Star-QAM并没有在圈的半径之间做优化。针对这个问题，最新由PingYang,MarcoDiRenzo,YueXiao,ShaoqianLi,和LajosHanzo于2014年发表在IEEECommunicationsSurveys&Tutorials上的综述性文献“DesignGuidelinesforSpatialModulation”，详细总结了目前有关调制星座设计的最新研究成果，同时就Star-QAM调制星座在空间调制系统中进行了优化设计，优化的目标是各个星座圈的半径比例。显然，这种优化设计仍存在很大的局限性：星座的圈数和每圈的点数是固定的，能够优化的只是各圈的半径比例。换句话说，如果星座的圈数、每圈的点数以及每圈的半径比例都能够获得优化，那么完全可以获得更好的性能。这也是本专利技术的出发点。就目前所知，还未发现类似的具体设计方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对一条MIMO通信链路，设计一个具有多圈结构的PSK调制星座，以配合空间调制系统的传输过程。本专利技术的技术方案是按以下方式实现的：一种适用于空间调制传输系统的数字调制星座产生方法，由以下空间调制传输系统来实现，该系统包括发射机和接收机，两者之间构建MIMO空中链路作为无线信道，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机完成空间调制信号的接收和译码，该系统的发射机包括比特流串并转换器、天线选择器、数字调制星座产生器、数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于空间调制传输系统的数字调制星座产生方法，由以下空间调制传输系统来实现，该系统包括发射机和接收机，两者之间构建MIMO空中链路作为无线信道，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机完成空间调制信号的接收和译码，该系统的发射机包括比特流串并转换器、天线选择器、数字调制星座产生器、数字调制器和发送天线阵列，其中比特流串并转换器分别和天线选择器及数字调制器相连接，天线选择器和数字调制器分别连接到发送天线阵列；数字调制器与数字调制星座产生器相连接；发送天线阵列包括预处理电路与发送天线组，两者相互连接；预处理电路由上变频电路连接功率放大器而成，预处理电路前面连接天线选择器及数字调制器，后面与发送天线组相连接；要发送的信息比特流首先经过比特流串并转换器，分成两路，一路进入天线选择器，进行天线选择；另一路进入数字调制器进行数字调制；最后由天线选择器选择要激活的发送天线，将数字调制器产生的数字调制符号发送给接收机，其中数字调制器进行调制所参考的调制星座图由数字调制星座产生器产生；接收机包括接收天线阵列、信道估计器和空间调制译码器，其中接收天线阵列分别和信道估计器及空间调制译码器相连接；信道估计器和空间调制译码器相连接；接收天线阵列包括后处理电路与接收天线组，两者相互连接；后处理电路由下变频电路和滤波均衡器连接而成，后处理电路前面连接接收天线组，后面连接信道估计器和空间调制译码器；接收天线阵列接收由发射机发送来的空间信号，该信号同时送给信道估计器和空间调制译码器，信道估计器根据接收信号完成对信道的估计，然后将估计结果送给空间调制译码器；空间调制译码器据此完成对接收信号的译码过程，而后输出针对原始发送信号的译码信号；设发射天线数为Nt，其值等于2的幂次方，接收天线数为Nr，Nr为大于等于1的整数，第i(1≤i≤Nt)个发射天线到第j(1≤j≤Nr)个接收天线之间的信道增益为hij，信道增益彼此之间是独立的Rayleigh衰落信道，该方法包括系统的发射机信号处理过程、数字调制星座产生器产生多圈PSK数字调制星座的过程，其中系统的发射机信号处理过程步骤如下：a、发射机首先根据系统参数配置，由数字调制星座产生器产生多圈PSK数字调制星座图，交给数字调制器；b、发射机发送的信息比特流经过比特流串并转换器，分成两路，一路进入天线选择器，进行天线选择；另一路进入数字调制器进行数字调制；每次进入天线选择器的比特数目为log2(Nt)，其中Nt为发射天线数；每次进入数字调制器的比特数目为log2(L)，其中L为数字调制星座点数；c、由天线选择器根据每次输入的log2(Nt)比特，唯一地选择一个发射天线进行激活；d、由数字调制器根据每次输入的log2(L)比特，进行数字调制，即从调制星座中唯一地选择一个数字调制符号；e、最后由步骤c中激活的天线将步骤d中产生的数字调制符号发送给MIMO空中链路；上述数字调制星座产生器产生多圈PSK数字调制星座的具体过程步骤如下：步骤1、发射机获取空间调制传输系统的基本参数空间调制传输系统的基本参数包括发射天线数Nt，其值等于2的幂次方；接收天线数Nr，Nr为大于等于1的整数；系统在每个时隙发送的总比特数M，所有参数均需在系统实施具体传输之前通过用户接入阶段的参数交互获得；步骤2、依据步骤1所提供的参数产生多圈PSK调制星座由数字调制星座产生器负责完成，采用有限遍历的方法进行，具体遍历方法如下：第一步，确定星座图的大小，即L＝2M/Nt；确定多圈PSK调制星座的圈数范围，即从1到ceil(L/3)，其中函数ceil(x)表示离x最近且不小于x的整数；第二步，圈数从1到ceil(L/3)，每圈内的点数从1到L，实施遍历，构建所有可能的多圈PSK星座图；遍历过程中，星座图必须符合如下条件：条件1，调制星座具有多圈结构，圈数从1到ceil(L/3)，每圈内的点具有PSK调制的特征，即按照相位取等间隔分布；条件2，除了半径最大的圈，其余的圈中，每个圈所具有的星座点个数大于等于3；当只有一个圈时，该圈即为半径最大的圈；条件3，除了半径最大的圈，其余的圈中，半径大的圈所具有的星座点数不得小于半径小的圈所具有的星座点数；条件4，在半径最小的圈中，星座点之间的最小欧式距离决定了整个调制星座的星座点之间的最小欧式距离；话句话说，遍历过程中，先放第一圈的点，然后计算出第一圈的星座点之间的最小欧式距离，以此为依据，依次放其他圈的点，在放其他圈的点时，要保证任意星座点之间的最小欧式距离不得小于由第一圈星座点决定的最小欧式距离；条件5，相邻圈间的星座点相位差满足最小相位差最大化的条件，即任意半径相邻的两个圈，当两圈的星座点个数固定时，来自其中一圈的任意一点与来自另一圈的任意一点之间的所有相位差中的最小值应该获得最大化；换句话说，当两圈满足这个最...

【技术特征摘要】
1.一种适用于空间调制传输系统的数字调制星座产生方法，由以下空间调制传输系统来实现，该系统包括发射机和接收机，两者之间构建MIMO空中链路作为无线信道，其中发射机负责空间调制信号的产生与发射，接收机完成空间调制信号的接收和译码，该系统的发射机包括比特流串并转换器、天线选择器、数字调制星座产生器、数字调制器和发送天线阵列，其中比特流串并转换器分别和天线选择器及数字调制器相连接，天线选择器和数字调制器分别连接到发送天线阵列；数字调制器与数字调制星座产生器相连接；发送天线阵列包括预处理电路与发送天线组，两者相互连接；预处理电路由上变频电路连接功率放大器而成，预处理电路前面连接天线选择器及数字调制器，后面与发送天线组相连接；要发送的信息比特流首先经过比特流串并转换器，分成两路，一路进入天线选择器，进行天线选择；另一路进入数字调制器进行数字调制；最后由天线选择器选择要激活的发送天线，将数字调制器产生的数字调制符号发送给接收机，其中数字调制器进行调制所参考的调制星座图由数字调制星座产生器产生；接收机包括接收天线阵列、信道估计器和空间调制译码器，其中接收天线阵列分别和信道估计器及空间调制译码器相连接；信道估计器和空间调制译码器相连接；接收天线阵列包括后处理电路与接收天线组，两者相互连接；后处理电路由下变频电路和滤波均衡器连接而成，后处理电路前面连接接收天线组，后面连接信道估计器和空间调制译码器；接收天线阵列接收由发射机发送来的空间信号，该信号同时送给信道估计器和空间调制译码器，信道估计器根据接收信号完成对信道的估计，然后将估计结果送给空间调制译码器；空间调制译码器据此完成对接收信号的译码过程，而后输出针对原始发送信号的译码信号；设发射天线数为Nt，其值等于2的幂次方，接收天线数为Nr，Nr为大于等于1的整数，第i(1≤i≤Nt)个发射天线到第j(1≤j≤Nr)个接收天线之间的信道增益为hij，信道增益彼此之间是独立的Rayleigh衰落信道，该方法包括系统的发射机信号处理过程、数字调制星座产生器产生多圈PSK数字调制星座的过程，其中系统的发射机信号处理过程步骤如下：a、发射机首先根据系统参数配置，由数字调制星座产生器产生多圈PSK数字调制星座图，交给数字调制器；b、发射机发送的信息比特流经过比特流串并转换器，分成两路，一路进入天线选择器，进行天线选择；另一路进入数字调制器进行数字调制；每次进入天线选择器的比特数目为log2(Nt)，其中Nt为发射天线数；每次进入数字调制器的比特数目为log2(L)，其中L为数字调制星座点数；c、由天线选择器根据每次输入的log2(Nt)比特，唯一地选择一个发射天线进行激活；d、由数字调制器根据每次输入的log2(L)比特，进行数字调制，即从调制星座中唯一地选择一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彭，高进，王成端，陈光军，
申请(专利权)人：潍坊学院，
类型：发明
国别省市：山东;37