一种面向大规模MIMO系统的叠加空间调制技术及解调方法与流程

本发明涉及无线通信，具体为一种面向大规模mimo系统的叠加空间调制技术及解调方法。

背景技术：

1、多输入多输出(multiple-input multiple-output,mimo)是5g及下一代移动通信技术的核心关键技术之一，通过多个发送天线同时发送调制符号，极大地提高了信息吞吐量和信息传输过程中的可靠性，成为近年来无线通信领域的研究热点。通过在不同发送天线发送不同信息，通过空间复用实现的信道容量和频谱效率，实现了信息传输速率成倍的提升。当发送天线数量较多时会引入严重的信道间干扰，使得mimo的接收端的信号处理变得更加复杂。空间调制(spatial modulation,sm)通过在任意发送时隙中激活一个发送天线发送信息，同时通过激活天线构成的激活天线模式图案发送信息，可有效避免信道间干扰，并降低mimo系统收发两端的信号处理的计算复杂度。

2、sm系统虽然通过传统调制符号和激活天线模式图案两种方式传输信息比特，但其频谱效率比传统mimo系统有较大的损失。广义空间调制(generalized spatialmodulation,gsm)在任意发送时隙激活多个发送天线发送调制符号，利用多个天线构成的激活天线模式图案发送信息比特，即突破了sm系统中对发送天线必须为2的幂次方个限制，同时极大地提升了系统的频谱效率，使得gsm成为了近年来的研究热点之一。在gsm系统中，激活天线模式图案的数量为序号调制参数的组合数，其随着发送天线的数量的增加快速增长，使得gsm技术在大规模mimo系统中的调制及解调计算复杂度非常高。为了降低调制解调计算复杂度，基于发射天线分组的gsm通过对每组发送天线执行独立的序号调制，可以有效降低了发送端空间调制中激活天线模式图案的数量，但会导致gsm系统有一定的频谱效率损失。如何设计出低复杂度的高效空间调制方法仍是大规模mimo系统中具有挑战的难题。

3、针对上述传统方法复杂度高和效率低的缺陷与需求，就需要一种面向大规模mimo系统的叠加空间调制技术及解调方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向大规模mimo系统的叠加空间调制技术及解调方法。本发明解决了在大规模mimo系统中广义空间调制中激活天线模式图案随发送天线及激活天线快速增长的问题，通过叠加空间调制方法将每个子块的激活天线模式图案构成完整的激活天线模式图案，有效降低大规模mimo系统中的调制与解调计算复杂度。

2、本发明是这样实现的，本发明提供一种面向大规模mimo系统的叠加空间调制技术及解调方法,具体按以下步骤执行：

3、s1：基于叠加空间调制方法实现大规模mimo系统的发送端广义空间调制，信息传输包括信息发送端和信息接收端，所述信息发送端设有nt个发送天线，接收端设有nr个接收天线；

4、s2：在每个空间调制的发送时隙内，nt个发送天线中只有固定数量的k个天线发送调制符号，每个时隙设有k个激活天线；

5、每个时隙的nt个发送天线中激活天线的数量是固定的，在不同叠加空间调制的参数组合中两个子块的激活天线数量之和为k，即k1+k2＝k。

6、s3：在叠加空间调制中，将nt个发送天线分成两个子块，其中每个子块包含t＝nt/2个发送天线，索引调制过程中基于每个子块建立基本激活天线模式图案集合；

7、在每个子块中设有kj个发送天线激活发送调制符号，其中记第一个子块有k1个激活天线发送调制符号，第二个子块有k2个激活天线发送调制符号，每个子块的基本激活天线模式图案集合为其中j＝1，2；

8、s4：在叠加空间调制中，每个发送时隙的激活天线模式图案设有两个关联的子块，天线模式图案由两个子块的激活模式图案组成，其中两个子块的序号调制参数之间是关联的，定义{k1，k2}k表示叠加空间调制中第一个子块和第二个子块的激活天线数量的参数组合，其中k1+k2＝k，k＝1，2，3，...β为激活天线模式参数组合的索引，用于区分不同参数组合；叠加空间调制的参数组合确定每个子块的基本激活天线模式图案集合，则第k个参数组合中第1个子块的基本激活天线模式图案为第2个子块的基本激活天线模式图案为

9、s5：在基于参数组合{k1，k2}k的序号调制中，可用的激活天线模式图案的数量为：ck＝c(t，k1)×c(t，k2)，则在叠加空间调制中所有参数组合可用的激活天线模式图案共有个，选择其中的用于发送端的序号调制，为向下取整计算；每个发送天线块的完整的激活天线模式图案数量为每个参数组合{k1，k2}k对应的激活天线模式图案之和，在调制解调中需要首先计算序号比特对应于哪一个参数组合对应的激活天线模式图案。

10、s6：定义叠加空间调制中通过将输入的p1个二进制序号比特流p1计算得到的十进制数值d0，在叠加空间调制方法将十进制数值d0与cuse个激活天线模式图案建立对应关系，实现信息比特到激活天线模式图案之间的映射；

11、根据每个参数组合{k1，k2}k的激活天线模式图案的数量ck，将序号0到cuse之间的十进制数字分成多个区间，即

12、cindex＝{0，1，...，c1-1，c1，...，c1+c2-1，...，c1+c2+…+cβ-1，...，cuse-1}，分别对应参数组合{k1，k2}1的c1个激活天线模式组合，参数组合{k1，k2}2的c2个激活天线模式组合，到第β个参数组合{k1，k2}β的cβ个激活天线模式组合；

13、完整的激活天线模式图案集合由每个参数组合的激活天线模式图案组成，构成方式为在叠加空间调制中，十进制数值d0∈{0，1，...，c1-1}对应为参数组合{k1，k2}1的序号调制，十进制数值d0∈{c1，c1+1，...，c1+c2-1}对应为参数组合{k1，k2}2的序号调制，十进制数值d0∈{c1+c2+…+cβ-1，...，cuse-1}对应为参数组合{k1，k2}β的序号调制。

14、s7：将输入的信息比特分为两个部分，一部分p1个信息比特用于叠加空间调制，第二部分p2个信息比特用于映射生成k个传统m-psk/qam调制符号；

15、根据由p1个序号比特得到的十进制数字d0在cindex中对应的区间位置，计算得到d0在对应的参数组合{k1，k2}k中的绝对序号索引值即当d0对应于第k个参数组合的区间时，绝对序号索引值如式(1)：

16、

17、将序号比特转为十进制数值d0，通过计算d0在cindex中位于第k个参数组合的区间，然后计算得到叠加空间调制中在参数组合{k1，k2}k的绝对序号索引值用于第k个参数组合的序号调制，其中k∈{1，2，...，β}。

18、s8：基于在第k个参数组合对应的十进制绝对序号索引值计算得到最终的激活天线模式图案组合，在第k个参数组合模式中，基于序号索引多项式可得如式(2)；

19、

20、其中q1，k＝1，q2，k＝c(t，k1)为基于第k个参数组合时的序号调制多项式系数，定义为lj为第j个子块的激活天线模式图案在中的序号索引值，其中j＝1，2，不同参数组合对应的q系数是不同的；

21、根据多项式计算公式可得，每个子块的激活天线模式图案的序号索引可以通过逐步计算得到，其中基于得到的l2计算得到

22、根据得到的激活天线模式组合的索引序号{l1，l2}，可得完整的空间调制的激活天线模式图案由每个子块的激活天线模式图案组成的，可以表示为其中为第一个子块的激活天线模式图案，为第二个子块的激活天线模式图案，此时第n个时隙的完整的激活天线模式图案为

23、

24、在计算第k个参数组合时的激活天线模式组合的索引序号{l1，l2}时，使用的参数q1，k，q2，k是基于参数组合{k1，k2}k中的参数k1，k2计算得到，因此不同参数组合对应的参数q1，k和q2，k会不同的，基于计算得到的索引序号{l1，l2}为第一个子块和第二个子块的激活天线模式图案在参数组合{k1，k2}k对应的激活天线模式图案集合中的索引序号。

25、s9：根据第二部分p2＝klog2m个信息比特映射得到k个传统调制符号，则传统调制符号矢量为其中前k1个传统调制符号映射到第一个子块，剩余k2个传统调制符号映射到第二个子块；

26、根据得到的完整的激活天线模式图案映射到激活天线对应的位置上，可得发送符号矢量为

27、s10：收发两端的mimo信道为平坦瑞利衰落相关信道，在接收端通过信道估计算法获得精确到信道状态信息；

28、s11：在接收端有nr个接收天线接收信号，根据mimo信号模型，对于第n个时隙的接收信号，第r(1≤r≤nr)个接收天线的接收信号如式(3)；

29、

30、其中xn表示第n个时隙的发送符号矢量，wr为均值为0方差为n0的高斯白噪声；

31、s12：将nr个接收天线的接收信号组成接收信号矢量yn，则第n个时隙的接收信号矢量可以表示如式(4)；

32、yn＝hnxn+wn  式(4)

33、其中为nr×1的接收信号矢量，hn为第n个时隙的nr×nt的信道响应矩阵，为nr×1的高斯白噪声矢量；

34、将接收信号模型写成矩阵形式，则第n个时隙的接收信号矢量yn的矩阵形式接收信号模型可以表示如式(5)；

35、

36、s13：计算第n个时隙的信道响应矩阵的预处理矩阵an＝((hn)hhn)1/2，对接收信号矢量yn预处理后可得如式(6)；

37、yn，a＝(an)-1(hn)hyn＝anxn+wn，a   式(6)

38、其中wn，a＝(an)-1(hn)hwn为经过预处理的高斯白噪声矢量；对矩阵an做qr分解，可得如式(7)；

39、an＝qnrn    式(7)

40、其中qn为nt×nt的酉矩阵，rn为nt×nt的上三角矩阵，左乘预处理后的接收信号矢量yn，a，可得如式(8)

41、

42、其中将接收信号模型写成矩阵形式可得

43、

44、根据叠加空间调制中的参数组合，对每个子块对应的计算结果约束激活天线的个数；

45、s14：基于上三角接收信号模型，从最后一个天线的接收信号开始解调计算，即从第二个子块的的最后一个天线的接收信号开始计算，如式(9)；

46、

47、其中表示基于计算的度量值保留的第i个计算结果矢量，i＝1，2，...，θ，θ为每一步计算中保留的最大计算结果矢量的数量；需要对每个子块的计算结果基于基本激活天线模式图案检测，在保留计算结果中删除激活模式图案不合法的计算结果矢量。

48、s15：基于上一步的计算结果建立第t∈{t，nt-1}个接收信号的计算模型则计算过程如式(10)；

49、

50、其中为矩阵rn的第t行元素中非零元素组成的矢量；

51、根据计算结果保留≤θ个计算结果矢量，保留中参考叠加空间调制组合参数{k1，k2}k中的参数k2，确保激活天线数量小于最大激活天线的数量；

52、s16：当计算完第二个子块时，根据叠加空间调制的组合参数{k1，k2}k中的参数k2，对每个参数组合保留小于等于θβ个计算结果矢量用于下一步的计算；

53、根据对应的叠加空间调制组合参数设置第一个子块的激活天线数量为k1，以叠加空间调制的组合参数{k1，k2}k为单元进行第一个子块的解调计算，即当第二个子块属于组合参数{k1，k2}k时，此时第一个子块的激活天线数量为对应的k1，同时基于第一个子块的基本激活天线模式图案集合检测计算结果矢量的激活天线模式图案；

54、在第一个子块的计算中，对第t∈{1，t}个发送天线对应的接收信号的计算过程，根据计算结果矢量在计算过程中根据第一个子块的参数k1约束第一个子块的激活天线模式图案，此时第t个天线对应的计算符号矢量为则计算过程如式(11)；

55、

56、基于计算结果保留最多θβ个计算结果矢量，在完成第个天线的所以计算后，所有计算结果矢量保留θ个，且θ个计算结果矢量对应的激活天线模式图案大于1；

57、第二个子块的计算中按照每一个参数组合中的激活天线模式图案来删除激活天线模式图案不合法的计算结果矢量，在步骤s17中，对于第一个子块的计算中，在每个计算符号矢量的计算中按照第二个子块的激活天线模式图案对应的参数组合来确定第一个子块的激活天线模式图案集合。

58、s17：计算过程到达第一个发送天线后，得到θ个发送天线激活模式图案合法的计算结果矢量，表示如式(12)；

59、

60、选择具有最优度量值作为第个n时隙的发送符号矢量的估计

61、s18：基于得到的发送符号矢量估计，得到对应的激活模式图案的索引序号估计计算得到对应的十进制绝对索引数值则十进制数值的估计如式(13)；

62、

63、则序号比特估计为十进制数值的二进制比特，根据中激活天线发送的调制符号估计解调得到符号比特。

64、进一步，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被主控制器执行时实现如上述中的任一项所述的方法。

65、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

66、通过对发送天线分块后提出叠加空间调制方法，将发送天线分成两个子块，按照每个子块的空间调制参数进行联合序号调制，利用小维度的子块激活天线模式图案构成完整的激活天线模式图案，有效降低发送端和接收端的调制及解调计算复杂度。

67、每个子块的激活天线模式图案查找表仅和子块的发送天线和激活天线数量有关，通过叠加空间调制分块有效降低的收发两端存储激活天线模式图案查找表的难度，对智能终端使用基于mimo的空间调制技术提供可行的低复杂度调制及解调方法。