CN100591065C - 多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法 - Google Patents

Abstract

多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法是用于多天线正交频分复用系统差分酉空时调制信号星座映射方法，在发送端，将0、1二进制信息比特映射成L＝2^RM进制的信息符号Z_k，Z_k＝0，1，....L-1，映射是为对信息比特做变换成适合发送的形式；信息符号Z_k再进行酉星座映射，映射为M×M个的酉矩阵

，矩阵的每一列通过对应的天线发送出去；以时间块为单位，即第k个符号时间块内的发送空时星座X_k为前一个时间块的发送星座X_k-1与酉星座映射获得的酉矩阵

的乘积；在接收端，接收的信号组合成2M×M矩阵，采用最大似然方法进行译码，得到发送信息。

Description

多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法

技术领域

本发明涉及一种用于多天线正交频分复用(OFDM)系统差分酉空时调制信号星座映射方案，属于通信技术领域。

背景技术

移动通信的不断发展和人们对通信需求的日益增长，要求在有效的频谱资源上实现综合业务的快速传输，需要频谱效率极高的技术。MIMO(Multiple InputMultiple Output)技术，即在发送端和接收端采用多个天线，可以在不增加带宽的情况下，成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率，因而得到越来越广泛的关注。OFDM(Orthogonal Frequency Division Modulation)技术，是一种多载波传输技术，利用多载波之间的正交性，高效利用频谱资源。MIMO和OFDM两者相结合，充分利用了时间，频率，空间三种分集技术，使无线系统对噪声，干扰和多径的容限大大增加，有效的克服了多径效应和频率选择性衰落的不良影响，提高传输的可靠性，增加系统容量，提高频谱利用率，现已成为第四代移动通信的热点技术。

近几年，人们对空时编码进行了广泛的研究。常用的空时编码有：空时格栅码STTC(Space-Time Trellis Codes)、空时分组码STBC(Space-Time Block Codes)和分层空时码BLAST(Bell Labs Layered Space-Time Architecture)。这些空时编码都需要信道信息，这就需要从发射机到接收机发送训练比特或者导频序列来进行信道估计。然而，信道估计在衰落较快或者发送天线数目较多时变得越来越困难，这将严重制约这些空时编码的应用。因而Hochwald和Marzetta提出了一种不需要任何信道信息的酉空时编码。由于酉空时码中星座设计方法复杂，星座结构推广性差，星座中关键参数的搜索算法复杂度高，因此在酉空时码的基础上，Hochwald又提出了一种结合差分调制的差分酉空时码DUSTM(DifferentialUnitary Space-Time Modulation)。这种方法是在单天线DPSK(Differentialphase-shift keying)的概念上引申出来的，这种方法星座设计简单，星座表示简洁，而且搜索算法复杂度适中，因此成为近年来人们研究的热点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法，该方法基于分集乘积最大化的设计准则，调整搜索步长，扩大搜索空间范围，对传统的差分酉空时星座映射方法进行了改善，使分集乘积增大，提高了系统性能。

技术方案：本发明的多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法采用传统的差分酉空时调制方法，酉星座的设计采用一种较为简单的最优酉群码设计方案——对角酉群码，该设计方案采用对角矩阵作为酉空时星座，并且保证星座集合构成一循环群，在酉空时星座的参数选择上，采用调整搜索步长的方法，将搜索空间从整数范围扩大到小数范围的方法，使分集乘积增大，得到更优对角酉群码设计参数。

改进的参数搜索方法是将搜索空间从整数范围扩大到小数范围，在{0，0.01，0.02，…1，1.01，1.02，…，L-1}中找到使分集增益ζ最大的u₁，…，u_m的值。

本发明的多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法是：在发送端，将0、1二进制信息比特映射成L＝2^RM进制的信息符号Z_k，Z_k＝0，1，....L-1，映射是为对信息比特做变换成适合发送的形式；信息符号Z_k再进行酉星座映射，映射为M×M个的酉矩阵矩阵的每一列通过对应的天线发送出去；以时间块为单位，即第k个符号时间块内的发送空时星座X_k为前一个时间块的发送星座X_k-1与酉星座映射获得的酉矩阵

的乘积；在接收端，接收的信号组合成2M×M矩阵，采用最大似然方法进行译码，得到发送信息；其中：L为进制数，R为数据速率，M为发射天线数，k＝1，2，3…。

在发送端，信息符号Z_k进行酉星座映射为M×M的酉矩阵

采用对角矩阵作为酉星座，并且保证星座集合构成一循环群，其数学表达如下：定义循环群的生成矩阵V₁，它为单位矩阵的第L个单位根，即：

其中：u_m∈{0，…，L-1}，为所要设计的参数；m＝0，1，…，M；j表示虚部，π表示圆周率；星座集合中的各个元素可以表示成：

$V_l=V_1^l---2)$

l＝0，…，L-1。

在接收端采用最大似然方法译码，信息符号的估计值

可以表示为：

${\hat{Z}}_k=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }\left\{{\left|\right|Y_{k-1}+V_l^H{Y}_k\left|\right|}_F\right\}=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }\left\{\mathrm{Retr}\right\{V_l{Y}_{k-1}{Y}_k^H\left\}\right\}---3)$

其中Re表示取实部，tr{□}表示“迹”运算，||□||_F表示取范数，X^H表示矩阵X的复共轭矩阵，

表示令l＝0，…，L-1，取最大值运算，Y_k表示接收到的第k个符号。

u_m的设定采用分集乘积最大化准则设计准则，即

寻找合适的u₁，…，u_m∈{0，…，L-1}，使分集增益ζ尽可能大；

$\mathrm{\ζ}=\arg \underset{l=1,...,L-1}{\max }\left\{{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}{u}_{m}l}{L}\right)\right|}^{1/M}\right\}---\left(4\right)$

表示求积运算，|□|表示取模，

表示令l＝1，…，L-1，取最小值运算；sin(□)表示求正弦值运算；在参数u_m的搜索过程中，令l＝1，…，L-1，计算式(4)，取其最小值赋给一个变量gama，若该变量gama大于变量ζ，将变量gama赋值给变量ζ，同是保存此时u_m的值给变量U_m，令u_m ∈{0，…，L/2}，重复以上步骤，搜索到最大的变量ζ和其对应的U_m值，可调整搜索步长，将搜索空间从整数范围扩大到小数范围，分集乘积增大，得到更优对角酉星座。

有益效果：本发明基于差分酉空时调制方法，提出了改进的差分酉空时星座映射方案，得到了比传统方案更大的分集增益。该方法在系统设计上基于分集增益最大化设计准则，采用循环群的对角酉群码，调整星座参数的搜索步长，扩大搜索空间，对传统的星座参数设计方案进行了改善，增大了分集增益，提高了系统性能。以两发一收的多天线系统为例，从表1中可以看出，当数据传输速率为R为1bit/s/Hz，即L＝4时，采用改进的方案得到的最大分集增益的值为0.74767，原来方案得到的值为0.7071；当R为2bit/s/Hz，即L＝16时，采用改进的方案得到的最大分集增益的值为0.39552，而原来方案得到的值为0.3826。从性能图5，图6中也可以看出，采用改进的方案得到的星座映射的系统的性能要好大约1-3dB。

附图说明

图1是MIMO-OFDM差分酉空时调制系统整体架构图，

图2是差分空时调制系统发送端框图，

图3是差分空时调制系统接收端框图，

图4是酉空时星座参数搜索过程流程图，

图5是表1所列的参数的系统性能仿真结果比较(L＝4)，

图6是表1所列的参数的系统性能仿真结果比较(L＝16)。

具体实施方式

本发明的MIMO-OFDM系统的整体构架如图1所示，假设采用的是两发一收的结构。输入的串行信息比特流被分成p个并行数据流，其中p为载波数，各行数据流分别进行差分酉空时调制(DUSTM)，然后各行差分酉空时调制的输出结果的第一行数据和第二行数据分别合并，进行反傅立叶变换(IFFT)，再加入循环前缀(CP)，并串转换，在两根天线上同时发出，在接收端，进行一系列的反变化，采用最大似然方法(ML)进行解调。

差分酉空时调制解调的具体方案如下所述：

1)在发送端，差分酉空时调制方案可以分为以下几步进行，如图2所示：

1.信息符号映射：在时刻t＝kM+1(k＝0，1，…)，RM个信息比特被映射成L＝2^RM进制的信息符号Z_k，即Z_k∈{0，1，…，L-1}；

2.酉星座映射：构造酉空时星座集合Ω，由L＝2^RM个M×M的酉矩阵构成，Ω＝{V₀，V₁，…，V_L-1}，其中V_l∈□^M×M且

本设计采用技术方案中所提到过的基于循环群的对角酉群码，信息符号Z_k被映射成酉矩阵

3.差分发送：差分空时调制是DPSK在多天线情况下的扩展，其发送过程以时间块为单位，即第k个符号时间块内的发送空时星座X_k为前一个时间块(第k-1个时间块)的发送星座X_k-1与酉星座映射获得的酉矩阵

的乘积，即：

X₀＝I_M，k＝1，2，…4)其中I_M为M×M的单位。

2)在接收端，假设在两个相邻时间块(2M个时间间隔)内信道衰落稀疏保持不变，即H_k＝H_k-1，并以H表示。第k个符号时间块内的接收矩阵Y_k可表示为：

$Y_k=X_{k}H+N_k$

$=V_{Z_k}{X}_{k-1}H+N_k$

$=V_{Z_k}{Y}_{k-1}+N_k-V_{Z_k}{N}_{k-1}---5)$

$=V_{Z_k}{Y}_{k-1}+\sqrt{2}{N}_k^{\′}$

其中N′_k为均值为0，方差为1的白高斯噪声。根据最大似然准则，信息符号的估计值可以表示为：

${\hat{Z}}_k=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }{\left|\right|Y_{k-1}+V_l^H{Y}_k\left|\right|}_F=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }\mathrm{Retr}\left\{V_l{Y}_{k-1}{Y}_k^H\right\}---\left(6\right)$

其中Re表示取实部，tr{□}表示“迹”运算，||□||_F表示取范数。X^H表示矩阵X的复共轭矩阵。

3)差分酉空时星座参数设计：差分酉空时星座的设计采用一种较为简单的最优酉群码设计方案-对角酉群码。其定义如技术方案中所示。星座参数的搜索基于分集乘积最大化准则，即寻找合适的u₁，…，u_m∈{0，…，L-1}，使分集增益ζ尽可能大。ζ如式3)定义。

为了降低计算量，使用以下一些简化准则：

1.由于每根天线相对于其他的天线都是统计上等价的，因此假设顺序有u₁≤u₂≤…≤u_M；

2.可以假设u_m＞0，因为如果u_m＝0，那么第m根天线仅能发送符号1，就相当于不起任何作用；

3.如果把u_m用L-u_m代替，式3)不会改变，因此可以限制搜索范围在u_m∈{0，…，L/2}。

具体的搜索步骤见图4。首先各变量初始化为0，L＝2^RM，令l＝1，…，L-1，计算式3)，取其最小值赋给一个变量gama，若该变量gama大于变量G，将变量gama赋值给变量G，同是保存此时u_m的值给变量U_m，令u_m∈{0，…，L/2}，重复以上步骤，搜索到最大的变量G和其对应的U_m值。

传统的搜索方法仅限在整数范围内搜索u_m的值，即令u_m∈{0，1，2…，L/2}，搜索步长为1，改进的搜索方法将搜索步长调整为0.01，将搜索范围从整数空间扩大的小数空间，即u_m∈{0，0.01，…，1，1.01，…，L/2}。

下表给出了采用以两发一收系统，R分别为1和2，即星座大小L＝4和16情况下的搜索结果的比较。从计算结果可以看出，将搜索空间扩大的小数范围，可以得到更大的分集乘积。我们同时采用了MALAB对该系统进行仿真，如图5，图6所示。从图中我们可以看出，在相同的信道条件下，对L＝4，采用改进的星座参数的系统性能要比采用传统的星座参数的系统性能好2.5dB，对L＝16，采用改进的星座参数的系统性能可提高约1dB左右。

下表是采用两发一收系统，R分别为1和2，即星座大小L＝4和16情况下的搜索结果的比较。

Claims (2)

1、一种多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法，其特征在于：在发送端，将0、1二进制信息比特映射成L＝2^RM进制的信息符号Z_k，Z_k＝0，1，....L-1，映射是为对信息比特做变换成适合发送的形式；信息符号Z_k再进行酉星座映射，映射为M×M个的酉矩阵

，矩阵的每一列通过对应的天线发送出去；以时间块为单位，即第k个符号时间块内的发送空时星座X_k为前一个时间块的发送星座X_k-1与酉星座映射获得的酉矩阵

的乘积；在接收端，采用最大似然方法进行译码，得到发送信息；

在接收端，假设在两个相邻时间块，2M个时间间隔内信道衰落稀疏保持不变，即H_k＝H_k-1，并以H表示，第k个符号时间块内的接收矩阵Y_k可表示为：

$Y_k=X_{k}H+N_k$

$=V_{Z_k}{X}_{k-1}H+N_k$

$=V_{Z_k}{Y}_{k-1}+N_k-V_{Z_k}{N}_{k-1}$

$=V_{Z_k}{Y}_{k-1}+\sqrt{2}{N_k}^{\′}$

其中N′_k为均值为0，方差为1的白高斯噪声，根据最大似然准则，信息符号的估计值可以表示为：

${\hat{Z}}_k=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }{\left|\right|Y_{k-1}+V_l^H{Y}_k\left|\right|}_F=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }\mathrm{Retr}\left\{V_l{Y}_{k-1}{Y}_k^H\right\}$

其中Re表示取实部，tr{·}表示“迹”运算，‖·‖_F表示取范数，X^H表示矩阵X的复共轭矩阵；

其中：L为进制数，R为数据速率，M为发射天线数，k＝1，2，3…；

在发送端，信息符号Z_k进行酉星座映射为M×M的酉矩阵

，采用对角矩阵作为酉星座，并且保证星座集合构成一循环群，其数学表达如下：定义循环群的生成矩阵V₁，它为单位矩阵的第L个单位根，即：

其中：u_m∈{0，…，L-1}，为所要设计的参数；m＝0，1，…，M；j表示虚部，π表示圆周率；星座集合中的各个元素可以表示成：

$V_l=V_1^l---2)$

l＝0，…，L-1；

u_m的设定采用分集乘积最大化准则设计，即寻找

合适的u₁，…，u_m∈{0，…，L-1}，使分集乘积ζ尽可能大；

$\mathrm{\ζ}=\arg \underset{l=1,...,L-1}{\min }\left\{{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}{u}_{m}l}{L}\right)\right|}^{1/M}\right\}---4)$

(·)表示求积运算，|·|表示取模，

表示令l＝1，…，L-1，取最小值运算；sin(·)表示求正弦值运算；在参数u_m的搜索过程中，令l＝1，…，L-1，计算式(4)，取其最小值赋给一个变量gama，若该变量gama大于变量ζ，将变量gama赋值给变量ζ，同时保存此时u_m的值给变量U_m，令u_m∈{0，…，L/2}，重复以上搜索最大的变量ζ和其对应的U_m值的步骤，搜索到最大的变量ζ和其对应的U_m值，可调整搜索步长，将搜索空间从整数范围扩大到小数范围，分集乘积增大，得到更优对角酉星座。

2.根据权利要求1所述的多天线正交频分复用系统中差分酉空时调制星座映射方法，其特征在于：在接收端采用最大似然方法译码，信息符号的估计值

可以表示为：

${\hat{Z}}_k=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }{\{\left|\right|Y_{k-1}+V_l^H{Y}_k\left|\right|}_F\}=\arg \underset{l=0,...,L-1}{\max }\{\mathrm{Retr}\left\{V_l{Y}_{k-1}{Y}_k^H\right\}\}---)$

其中Re表示取实部，tr{·}表示“迹”运算，‖·‖_F表示取范数，X^H表示矩阵X的复共轭矩阵，

表示令l＝0，…，L-1，取最大值运算。

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