CN107911152A

CN107911152A - 适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法

Info

Publication number: CN107911152A
Application number: CN201711027423.2A
Authority: CN
Inventors: 白宝明; 冯丹; 刘孟孟; 郑贱平; 徐恒舟
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-04-13
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN107911152B

Abstract

本发明公开了一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法，解决了空间调制受限于发送天线数目为2幂次方以及因模转换导致错误传播和天线间干扰问题。本发明空间编码调制系统采用了多对一映射；调制方法具体步骤：计算发送天线空间比特数；设定并选取天线空间映射方式；计算信号空间映射比特数；对信息序列多元LDPC编码；对编码后的码字分组为空间比特向量和信号比特向量；空间比特向量映射为发送天线索引，信号比特向量映射为调制星座点；用激活的发送天线发送调制信息。本发明采用多对一映射，实现了任意发送天线数量的空间编码调制，减小了天线数量，提高了传输可靠性和检测效率，降低了系统检测复杂度。用于空间编码调制。

Description

适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的空间编码调制技术，具体是一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法，用于MIMO技术的空间编码。

背景技术

空间调制(SM)作为一种新型多输入多输出(MIMO)技术，从它被提出以来就受到无线通信研究领域广泛关注，空间调制的基本思想就是，在每个传输时隙，空间调制将所要发送的信息比特分为两部分，选择其中的一部分信息比特进行传统的数字调制，另一部分则用来激活一根发送天线用于发送调制符号，即利用天线的激活状态作为信息传递的载体，将这部分比特信息蕴含在活跃发送天线索引中，由接收端检测得到信息。空间调制技术独特的调制方式使其具有良好的传输性能、较高的频谱效率和较低的复杂度，也使得空间调制技术成为未来通信的关键候选技术。

目前，国内外通信系统中，传统空间调制技术要求发送天线数目只能为2的幂次方，并且，随着高速列车的普及，通信系统对谱效率的要求也在不断提高，5G更是将谱效率提升为4G的5倍至15倍作为其目标。那么随着系统谱效率的提高，所需发送天线数目以指数倍增长，就会增加系统发送端的复杂度，使得空间调制技术的性能受限于发送天线数目要求。因此，无论是降低系统复杂度还是提高系统谱效率均需要设计一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制技术以实现空间调制的信号传输。典型的任意发送天线数量的空间调制技术有分数比特编码空间调制(Fractional bit encoded spatial modulation，FBE-SM)和广义空间调制(Generalized spatial modulation，GSM)。

第一种方法，分数比特编码空间调制。

作者N.Serafimovski，M.Di Renzo，S.Sinanovic，R.Y.Mesleh，H.Hass发表在期刊“IEEE Communications Letters”上的论文“Fractional bit encoded spatialmodulation(FBE–SM)”(IEEE Commun.Lett.,vol.14,no.5,pp.429-431,May2010)中给出了基于模转换技术实现任意发送天线数量的空间调制技术的空间调制方法。该方法首先给定任意整数的发送天线数目M，然后将此整数设定为模转换的系数，接下来计算系统的最大空间复用增益K＝log₂M，并选定用来进行发送天线空间映射的发送天线索引的整数对(S,n)，利用此整数对将基于M的长度为S的比特流映射到天线空间选取发送天线，实现了非整数的数据传输速率，优化了空间域资源的利用率。但是，该方案仍然存在着一些不足之处，有：1)不易与纠错码结合，当发送天线数量不为2的幂次方时，空间符号的解调信息很难转换为纠错码译码器所需要的软信息；2)该方案所用的模转换技术会带来一定的错误传播，从而影响系统的性能。

第二种方法，广义空间调制。

作者为AbdelhamidYounis，Nikola Serafimovski，Raed Mesleh HaraldHaas发表在“2010Conference Record ofthe Forty FourthAsilomar Conference on Signals,Systems and Compulters”上的论文“Generalised spatial modulation”给出了实现任意发送天线数量的广义空间调制技术。该方法是每一传输时隙选择激活多根发送天线组合而不是一根发送天线来传输发送信息。其实现过程为，首先给定数目为任意整数的发送天线和系统实现谱效率；其次，确定每次激活发送天线的数目(两根或者多根发送天线)，列举发送天线中所有发送天线组合，并构成一个发送天线组合集合，计算出集合大小，通过计算成对错误概率选择集合中的部分发送天线组合构成天线索引空间；最后再将空间比特信息一一映射到天线索引空间中选择发送天线组合进行激活，传送调制信息。但是，广义空间调制也存在着一些不足之处，有：1)每一时隙是激活一个发送天线组合，但是这个天线组合包含两根或者多根发送天线，当组合中包含的发送天线同时被激活时，天线间同步将会难以保证，接收端也会有信道间的干扰，从而降低系统性能；2)随着激活发送天线数目的增加，接收端检测复杂度也会随之增加。

分数比特编码空间调制技术和广义空间调制技术虽然在某种程度上克服了空间调制技术要求的发送天线数目必须为2的幂次方的难题，实现了任意发送天线数量下的空间信息传输。但是，分数比特编码空间调制技术存在着不易与纠错码结合和错误传播的问题；广义空间调制技术存在着天线间同步、干扰和接收端复杂度较高的问题。

分数比特编码空间调制技术和广义空间调制技术中存在的一些不足之处不容忽视，需要不断地对其进行改进，优化空间调制技术。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种不要求发送天线数量必须是2的幂次方的适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法。

本发明是一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统，包括有编码模块、空间调制模块、空间解调模块和译码模块，其中空间调制模块并联包含信号映射单元和空间映射单元，信号映射单元完成信号比特向量与传统调制星座点间的映射，空间映射单元完成空间比特向量与发送天线索引之间的映射，其特征在于，在空间调制模块的空间映射单元中，空间比特向量与发送天线索引之间的映射方式或为一对一映射方式或为多对一映射方式。

本发明还是一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制方法，在权利要求1-2所述的适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统上实现，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)给发送天线空间分配所需的空间比特数：给定任意整数的发送天线总数N_t，对发送天线总数N_t进行对数运算，即a＝log₂N_t；若a为整数，即给定的天线总数为2的幂次方，设空间比特数为m_l＝a＝log₂N_t；否则，设空间比特数为其中表示向上取整，即取大于等于·的最小整数；

(2)设定发送天线空间映射方式：发送天线空间映射的方式有两种：一对一映射和多对一映射；一对一映射是指每根发送天线的激活概率是等概的，一个空间比特向量和一个发送天线索引形成映射；多对一映射是指每根发送天线的激活概率是不等概的，多个空间比特向量和一个发送天线索引形成映射；

(3)根据空间比特数选择发送天线空间映射方式：在步骤(1)中，若空间比特数为m_l＝a＝log₂N_t，空间比特向量与发送天线索引之间采取一对一的映射方式；若空间比特数为空间比特向量与发送天线索引之间采取多对一的映射方式；

(4)给信号空间映射分配所需的信号比特数：设定系统需要实现的谱效率以及纠错码码率，计算未编码系统的谱效率m，利用谱效率公式，计算信号空间映射所需的比特数m_s＝m-m_l；

(5)对信息序列进行信道编码：使用纠错能力强的码，例如：Turbo码、LDPC码，对信息序列进行信道编码，利用相应的编码公式，通过编码器产生码字；

(6)对经过信道编码之后的码字进行码字分组：若(5)中采用的信道编码为多元码，则先将编码器产生的码字用二元比特向量表示，然后进行分离，分为长为m_s的信号比特向量和长为m_l的空间比特向量；

(7)对码字分组后的信号比特向量和空间比特向量进行相应映射：将长为m_s的信号比特向量和长为m_l的空间比特向量分别进行映射，信号比特向量映射为传统调制星座点，空间比特向量映射为发送天线索引；

(8)信息传输：利用上述空间编码调制方法，将调制符号通过激活的发送天线传输，而空间比特向量的信息就蕴含在发送天线的索引中，通过接受端的检测得到任意发送天线索引中的信息。

本发明根据任意整数的发送天线总数计算天线空间映射所需要的比特数，设定每根发送天线的激活概率，对天线空间进行多对一映射，将调制信号发送至信道。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用了多对一映射(GallagerMapping)，并将其应用于空间调制系统中，只需规定好天线空间的映射规则，避免了现有技术中模转换带来的不便和检测延迟，易于与系统中的纠错码相结合，同时避免了现有技术中模转换造成的错误传播对系统性能带来的损失。

第二，本发明采用的多对一映射，减小了系统天线空间大小，使系统检测复杂度降低。同时采用多元LDPC编码，采用符号之间的映射，避免了与二元比特转换带来的性能损失，提高了信息传输的可靠性。

第三，由于本发明依然采用激活一根发送天线传输数据信息，集成了传统空间调制的所有优点，同时避免了现有技术带来的天线之间的相互干扰和同步问题，以及高系统检测复杂度。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为Gallager映射的示例图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明实施例中不同发送天线数目下的互信息曲线图；

图5为本发明使用GF(64)多元LDPC码在谱效率相同条件下不同发送天线数目与接收天线数为6的误比特性能仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细描述。

实施例1

随着通信技术的不断发展，空间调制技术的应用开始受限于它对发送天线数目的要求，即发送天线数目必须为2的幂次方。为了克服这种限制，有学者提出了基于模转换技术的分数比特编码空间调制技术和基于天线组合映射的广义空间调制技术。但是这两种现有技术仍存在不易与纠错码结合、错误传播、天线间同步、干扰和接收端复杂度较高的问题，任意发送天线数量的空间调制技术也需要进一步优化。

本发明对此展开了研究，提出一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统。参见图1，本发明的空间编码调制系统结构包括有编码模块、空间调制模块、空间解调模块和译码模块，其中空间调制模块并联包含信号映射单元和空间映射单元，信号映射单元完成信号比特向量与传统调制星座点间的映射，空间映射单元完成空间比特向量与发送天线索引之间的映射。本发明在空间调制模块的空间映射单元中，设定空间比特向量与发送天线索引之间的映射方式或为一对一映射方式或为多对一映射方式。

参见图1，在本发明的空间编码调制系统的发送端，信息序列u先经过编码模块进行信道编码，然后进入空间调制模块，在空间调制模块中，先对进入的编码后的码字向量进行分离处理，将码字向量分为长为m_s的信号比特向量和长为m_l的空间比特向量，分离完成后，信号比特向量进入信号映射单元，将信号比特向量映射为传统调制星座点，从而将信号比特向量的信息蕴含在传统调制星座点中，空间比特向量进入空间映射单元，将空间比特向量映射为发送天线索引，从而将空间比特向量的信息蕴含在发送天线索引中，完成映射后，利用任意数量发送天线中被激活的发送天线将调制信号发送出去；在接收端，从空间接收到的信号先经过检测模块检测出活跃发送天线索引号，再经过空间解调模块结合检测模块检测出的活跃天线索引号得到调制信息，最后将发送天线索引中的信息和调制信息结合再通过译码模块得到所发送的原始数据信息。

本发明在空间调制模块的空间映射单元部分，使用一对一或者多对一的映射方式，完成空间比特向量和发送天线索引之间的映射，实现了任意数量发送天线的空间调制。并且，由于本发明在发送天线空间采用了多对一映射，规避了比特编码空间调制技术和广义空间调制技术的缺点；除此之外，本发明提出的系统集合了传统空间调制的所有优点，使任意发送天线数量的空间调制技术的适用范围更为广阔。

实施例2

适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统的总体构成同实施例1，在进行空间调制时，当发送天线数目为2的幂次方时，空间比特向量与发送天线索引之间形成一对一映射，即一个空间比特向量对应于一个发送天线索引，一个发送天线索引只包含一个空间比特向量的信息；当发送天线数目不为2的幂次方时，空间比特向量与发送天线索引之间形成多对一映射，即多个空间比特向量对应于一个发送天线索引，那么多个空间比特向量的信息就蕴含在了发送天线索引中。

1968年，Gallager在“Information Theory and Reliable Communication”一书中曾提出了一种“多对一”的映射方案，称为“Gallager Mapping”，用此方案来实现离散无记忆信道的非等概输入。“Gallager Mapping”这一思想虽然也应用到其他技术中，但是在空间调制技术中目前还没有人应用过。

多对一映射的基本思想是将多个处于有限域GF(q)的代码符号映射到同一个信道符号上，而不是使用“一对一”映射，其灵活性在于可以控制每个信道符号的概率，实现离散无记忆信道的非等概输入。通常来说，使用此方法时属于有限域GF(q)的代码字母表要大于信道输入字母表。参见图2，举例说明一下多对一的思想，假设有有限域GF(4)上的非二进制代码，则要传输的信道字母表为A＝a,b,c。对于多对一Gallager映射有：多元符号“0”映射为“a”，多元符号“1”和“2”均映射为“b”，多元符号“3”映射为“c”，则信道符号的概率分别为P(a)＝P(c)＝1/4，P(b)＝1/2，显而易见，各信道符号的概率是不相等的。

本发明在空间编码调制系统和方法中应用了多对一映射(Gallager Mapping)，即在系统的空间映射单元中设定映射方式可为多对一映射，使多个空间比特向量映射为一个发送天线索引，任意发送天线被激活的概率是不相等的，也方便设计不同的概率以改善系统的各项性能以及为空间调制方法提高更多的选择模式，同时，本发明采用多对一映射方式，只需要规定好发送天线空间的映射规则，避免了现有技术中模转换带来的错误传播和检测延迟，易于与系统中的纠错码相结合；也避免了天线间干扰问题，进一步提高了检测精度和可靠性。

实施例3

本发明还是适用于任意发送天线数量的空间编码调制方法，在上述的适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统上实现，适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统的总体构成同实施例1-2，参见图3，本发明的空间编码调制方法包括有如下步骤：

(1)给发送天线空间分配所需的空间比特数：给定任意整数的发送天线总数N_t，对发送天线总数N_t进行对数运算，即a＝log₂N_t；若a为整数，即给定的天线总数目为2的幂次方，设空间比特数为m_l＝a＝log₂N_t；否则，设空间比特数为其中表示向上取整，即取大于等于·的最小整数；例如：若发送天线总数为N_t＝4，则m_l＝a＝log₂4＝2；若发送天线总数为N_t＝7，则

(2)设定发送天线空间映射方式：发送天线空间映射的方式有两种：一对一映射和多对一映射；一对一映射是指每根发送天线的激活概率是等概的，一个空间比特向量和一个发送天线索引形成映射；多对一映射是指每根发送天线的激活概率是不等概的，多个空间比特向量和一个发送天线索引形成映射。也就是在本发明的适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统的空间调制模块的空间映射单元中，空间比特向量与发送天线索引之间的映射方式或为一对一映射方式或为多对一映射方式

(3)根据空间比特数选择发送天线空间映射方式：在步骤(1)中，若空间比特数为m_l＝a＝log₂N_t，即a为整数，发送天线数目为2的幂次方，空间比特向量与发送天线索引之间采取一对一的映射方式；若空间比特数为即a不为整数，发送天线数目不为2的幂次方，空间比特向量与发送天线索引之间采取多对一的映射方式。例如：若送天线总数为N_t＝8，m_l＝a＝log₂8＝3，a为整数，选取一对一映射方式；若发送天线总数为N_t＝6，a不为整数，选取多对一映射方式。

(4)给信号空间映射分配所需的信号比特数：设定系统需要实现的谱效率以及纠错码码率，计算未编码系统的谱效率m，利用谱效率公式，计算信号空间映射所需的比特数m_s＝m-m_l。例如：系统统需要实现的谱效率为3bits/s/Hz，纠错码码率为0.5，空间比特数为m_l＝2因此未编码系统的谱效率为m＝6bits/s/Hz，则信号空间映射所需的比特数为m_s＝m-m_l＝6-2＝4。

(5)对信息序列进行信道编码：使用纠错能力强的码，例如：Turbo码、LDPC码，对信息序列进行信道编码，利用相应的编码公式，通过编码器产生码字。例如，使用多元LDPC码进行编码。若未编码系统谱效率为m＝5bits/s/Hz，则使用有限域为GF(32)的多元LDPC码，给定校验矩阵H，由校验矩阵得到生成矩阵G，根据c＝uG便可得到编码后对应的码字c。

(6)对经过信道编码之后的码字进行码字分组：若(5)中采用的信道编码为多元码，则先将编码器产生的码字用二元比特向量表示，然后进行分离，分为长为m_s的信号比特向量和长为m_l的空间比特向量。例如：将长为6的码字向量分为长为4的信号比特向量和长为2的空间比特向量。

(7)对码字分组后的信号比特向量和空间比特向量进行相应映射：将步骤(6)中分离的长为m_s的信号比特向量和长为m_l的空间比特向量分别进行映射，信号比特向量映射为传统调制星座点，空间比特向量映射为发送天线索引。例如：使用QAM调制对信号比特向量进行调制，将信号比特向量映射为QAM调制星座图的星座点，用空间比特向量来选择发送天线索引，选择后将所选的发送天线进行激活。

在本发明实施的过程中，不仅在发送天线映射空间中采用了一对一或者多对一的映射方式，避免了现有技术中存在的问题，还使用了纠错能力较强的码进行信道编码，从而提升了信息的可靠性和系统的性能。同时，映射方式的多样化使该方法的应用范围更为广阔。

实施例4

适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法同实施例1-3，在本发明空间编码调制方法的步骤(2)中所述的设定发送天线空间映射方式，包括有如下步骤：

(2a)在空间比特单元中，设定空间比特向量和发送天线索引之间一对一映射函数为设定每根发送天线的激活概率∑P_i＝1，即每根发送天线的激活概率是等概的，一个空间比特向量映射为一个发送天线索引。例如：空间比特数为m_l＝3，发送天线总数为N_t＝8＝2³，每根发送天线的激活概率为

(2b)在空间比特单元中，设定空间比特向量和发送天线索引之间多对一映射函数设定每根发送天线的激活概率且满足∑P_i＝1，即每根发送天线的激活概率是非等概的，多个空间比特向量映射为一个发送天线索引。例如：空间比特数为m_l＝3，发送天线总数为N_t＝6＜2³，每根发送天线的激活概率可任意设定，只需满足且

由于本发明在进行发送天线空间映射时定义了一对一映射方式和多对一映射方式供选择，这拓展了本发明的适用范围，做到了任意发送天线数量的空间编码调制，并且，多对一映射方式的适用，减小了系统天线索引空间的大小，降低了系统检测复杂度。

实施例5

适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法同实施例1-4，其中步骤(5)中所述的对信息序列进行信道编码，包括有如下步骤：采用多元LDPC码对信息序列进行信道编码，根据选定的信号空间映射所需的信号比特数，确定多元LDPC码的域GF(q)，定义q＝2^m，给定稀疏校验矩阵H，由校验矩阵H得到生成矩阵G，再利用多元LDPC码的编码公式c＝uG，通过编码器产生多元LDPC的码字c。

给定有限域GF(q)，其中q为素数幂，α为有限域GF(q)里的一个素元，则有α⁰＝1，1,α,…,α^q-2构成了有限域GF(q)的所有元素。长度为N和维数为K的q-ary LDPC码C由GF(q)上的M×N维矩阵H＝[h_i,j]的零空间给出，其中，M为校验方程的数量，H为稀疏校验矩阵，若H是满秩矩阵，则有M＝N-K。令c＝(c₀,c₁,…,c_N-1)为码C中的码字，则，奇偶校验约束关系表示为

其中乘法和加法的运算在有限域GF(q)上是有意义的。如果矩阵H具有恒定的行重d_c和列重d_v，则相应的字码称为(d_v,d_c)—不规则q-ary LDPC码。

在本发明的系统和方法中，假设给定有限域GF(q)(且q>2)上的长度为N，维数为K的LDPC码C[N,K]，输入信息流u＝(u₀,u₁,…,u_K-1)，(其中u_k∈GF(q))，首先经过LDPC编码器编码成码字c＝(c₀,c₁,…,c_N-1)∈C，c_j∈GF(q)，相对应的码率为R_c＝K/N。属于有限域GF(q)的每个元素c_j由一个长度为m的二进制向量b＝(b₀,b₁,…,b_m-1)表示，其中b_i∈0,1，m＝log₂q。

由于本发明采用多元LDPC编码，采用符号之间的映射，避免了与二元比特转换带来的性能损失，提高了系统的性能，同时，使用多元LDPC码进行信道编码，提高了信息传输的可靠性。

实施例6

适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法同实施例1-5，步骤(7)中所述的进行相应码字映射，也就是分别在天线空间和信号空间设定映射方式；包括有如下步骤：

(7a)若空间比特向量与发送天线索引映射选取一对一映射方式，则长度为m_l的空间比特向量通过映射函数映射到天线空间激活对应的发送天线，本例中m_l＝2，发送天线总数为N_t＝4＝2²，一对一映射函数为：每根发送天线的激活概率为若空间比特向量与发送天线索引映射选取多对一映射方式，则长度为m_l的空间比特向量用映射函数映射到天线空间激活对应的发送天线，本例中m_l＝3，发送天线总数为N_t＝5＜2³，多对一映射函数为：每根发送天线的激活概率且也就是说每根发送天线的激活概率是从集合中任选的一个元素，但前提是所有发送天线的激活概率之后为1。

(7b)将长度为m_s的信号比特向量映射到信号空间选择调制星座点。例如，m_s＝2使用QAM调制，QAM调制的星座点用坐标表示为(1，1)，(-1，1)，(-1，-1)和(1，-1)，二元比特向量(00)映射到点(1，1)上，二元比特向量(01)映射到点(-1，1)上，二元比特向量(11)映射到点(-1，-1)上，二元比特向量(10)映射到点(1，-1)上。

在码字映射的过程中，长为m_s的信号比特向量映射到信号星座上选择调制星座点，长为m_l的空间比特向量映射为发送天线的索引，进而激活对应的发送天线，通过激活的发送天线将调制信号发送出去，这一过程集成了空间调制的优点，避免了广义空间调制技术中的天线间干扰和同步问题，同时提高了系统性能。

下面给出一个更加详尽具体的例子对本发明进一步说明

实施例8

适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法同实施例1-7，参照附图3，因为传统的空间调制技术采用的是一对一映射方式，并且现有的与空间调制相关的技术也均采用一对一映射方式，一对一映射已应用的十分广泛，所以，本实施例中，对多对一映射方式专门进行了举例说明，当发射天线总数设置给定以及空间比特数给定后，本发明的映射方式就已确定，本例的详细步骤如下：

步骤1，给定任意整数的发送天线总数N_t，计算发送天线空间映射所需的比特数

本实施例中采用发送天线总数为N_t＝9，计算出发送天线索引空间映射所需的比特数为当发送天线总数N_t等于其它数时，都可以根据得出相应的比特数。

步骤2，设定发送天线空间映射方式：对发送天线空间的一对一映射方式和多对一映射方式分别进行定义，映射方式函数的定义适用任意发送天线数量下的空间调制系统，使用时只需将函数中的参数代入即可。

(2a)设定空间比特向量和发送天线索引之间一对一映射函数设定每根发送天线的激活概率∑P_i＝1；

(2b)设定空间比特向量和发送天线索引之间多对一映射函数设定每根发送天线的激活概率且满足∑P_i＝1。

步骤3，本例详细说明的是多对一映射方案的实施，本例设定的发送天线总数为N_t＝9，空间比特数为m_l＝4，天线总数不为2的幂次方，且则选取空间比特向量与发送天线索引之间的映射方式为多对一映射方式，并将参数N_t＝9代入步骤2中的多对一映射函数中，则本例使用的多对一映射函数为：每根发送天线的激活概率且

实际中，若将长为m_l的空间比特向量与发送天线索引之间进行一对一映射，需要2⁴＝16根发送天线。本发明在本例中采用多对一映射，用9根发送天线就可以完成。与现有空间调制技术相比，减少了7根发送天线，约为空间调制技术采用一对一映射天线使用量的44％，减少了对天线的浪费，降低了接收端检测复杂度。

步骤4，设定系统需要实现的谱效率以及纠错码码率，利用谱效率公式，计算未编码系统的谱效率m，计算信号空间映射所需的比特数m_s＝m-m_l。

本实施例中系统需要实现的谱效率为3bits/s/Hz，纠错码码率为0.5，因此未编码系统的谱效率为m＝6bits/s/Hz，计算信号空间映射所需的比特数为m_s＝m-m_l＝6-4＝2。

步骤5，使用纠错性能较强的码对信息系列进行信道编码。

本实施例中采用0.5码率的有限域为GF(64)多元LDPC码。给定稀疏校验矩阵H，由H得到生成矩阵G，信息序列表示为u，利用编码公式c＝uG，通过编码器产生多元LDPC码的码字c。

步骤6，对编码器产生的多元LDPC码的码字进行码字分组：

(6a)将每个多元LDPC码的码字向量表示为长度为m的二元比特向量；

(6b)将每个二元比特序列分成两组，得到一个长度为m_l的空间比特向量和另一个长度为m_s的信号比特向量。

本实施例中，将多元LDPC编码的码字向量表示成长度为6的二元比特向量，然后，将长度为6的二元比特向量，分为两组，第一组空间比特向量长度为4，第二组信号比特向量长度为2。

步骤7，对分组后的二元比特向量进行码字映射：

(7a)将长度为m_l＝4的空间比特向量通过多对一映射函数映射到发送天线索引空间，选择对应的发送天线进行激活；

(7b)将长度为m_s＝2的信号比特向量映射到信号空间，选择信号星座上的调制星座点。

本实施例中的信号空间映射如下表1所示、

表1信号比特向量与调制星座点映射表

二进制信号比特向量	调制符号
		00	(+1，+1)
01	(+1，-1)
		10	(-1，-1)
11	(-1，+1)

本实施例中多对一映射如下表2所示。

表2空间比特向量与发送天线索引映射表

二进制空间比特向量	天线索引
		0000	0
0001	1
		0010	2
0011	3
		0100	4
0101	5
		0110	6
0111	7
		1000	8
1001	0
		1010	1
1011	2
		1100	3
1101	4
		1110	5
1111	6

步骤8，利用空间调制，将调制信息通过激活的发送天线传输出去，实现适用于任意发送天线数量的空间编码调制。

本发明采用激活一根发送天线传输数据信息，集成了传统空间调制的所有优点，，避免了天线之间的相互干扰和同步问题，本发明采用多对一的映射方式，避免了降低了系统接收端检测复杂度。

下面结合仿真图和仿真数据对本发明的技术效果再做说明。

实施例9

适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统和方法同实施例1-8，

仿真条件和内容：本发明的仿真使用Microsoft Visual Studio 2012仿真软件，在Windows7系统平台上对不同数量发送天线下的空间编码调制系统的互信息和误比特性能进行了仿真。传输信道为平缓衰落瑞利信道(flat-Rayleigh)信道，得到不同数量发送天线下的空间编码调制系统互信息曲线如图4所示，得到的误比特性能曲线如图5所示。

参见图4，图4的横坐标表示系统仿真时的信噪比，纵坐标表示系统传输最大可达速率。图4给出了不同数量发送天线下系统的互信息曲线，“▲”线表示发送天线数为9的系统互信息曲线，“▼”线表示发送天线数为10的系统互信息曲线，右三角标志所在线表示发送天线数为11的系统互信息曲线，“◆”线表示发送天线数为12的系统互信息曲线，“■”线表示发送天线数为13的系统互信息曲线，左三角标志所在线表示发送天线数为14的系统互信息曲线，“●”线表示发送天线数为15的系统互信息曲线，无符号标志的黑实线表示发送天线数为16的系统互信息曲线。从图4中，可以看到不同数量发送天线下系统的最大可达速率不同。在系统设定谱效率为ρ时，可以得到不同数量发送天线下系统其容许的最大信道容量C，理论上当传输速率R小于等于信道容量C时，认为信息传输是可靠的。因此，本发明无论天线数目是多少都保证了信息传输的可靠性。

从图4可以看出，在低信噪比下这几种不同数量发送天线的系统的传输速率增长近似一致的，在图4中间位置的插图是对-3dB处曲线的局部放大图，由于天线数目不同造成的传输速率误差非常小，如图中所示，在仿真天线数为9根和16根之间的总误差仅有0.18bits/channel use，相邻曲线间的误差就更小，这个误差率均是可以忽略不计的。具体天线数为9的系统虽然最大传输速率小于信道容量，但是相较于由于天线数目减少带来的低接收端复杂度，对整个系统性能而言，减小传输速率是可以接受的。

参见图5，图5的横坐标表示系统仿真时的信噪比，纵坐标表示系统的比特错误率。图5给出了不同数量发送天线下系统的误比特性能曲线，“□”实线表示发送天线数为9的系统误比特性能曲线，“▲”线表示发送天线数为10的系统误比特性能曲线，“▼”线表示发送天线数为11的系统误比特性能曲线，“○”线表示发送天线数为12的系统误比特性能曲线，左三角标志所在线表示发送天线数为13的系统误比特性能曲线，“◇”左三角标志所在线表示发送天线数为14的系统误比特性能曲线，右三角标志所在线表示发送天线数为15的系统误比特性能曲线，“★”线表示发送天线数为16的系统误比特性能曲线，“□”虚线表示发送天线数为7的广义空间调制系统误比特性能曲线。从图5可以看出，在给定的相同谱效率下，发送天线数目小于16的使用多对一映射的空间编码调制系统的误比特性能相较于天线数目为16的采用一对一映射的空间调制系统性能最多相差0.5dB，这个误差是可以容忍的，所以，本发明提出的基于多对一映射的空间编码调制系统和方法可以使用任意数量的发送天线并且提供可靠的传输性能，具有适用性更强的工程应用性。

本发明公开了一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制方法，解决了空间调制技术受限于发送天线数目必须为2的幂次方的问题，同时解决了现有任意发送天线数量的空间调制技术存在的模转换问题、错误传播问题和天线间干扰问题。具体步骤：(1)计算发送天线空间映射所需比特数；(2)设定发送天线空间映射方式；(3)根据发送天线数和空间比特数选取映射方式；(4)对信息序列进行信道编码；((5)码字分组；(6)码字映射；(7)发送调制信息。由于本发明采用了Gallager映射，并将其应用于空间调制系统中，只需规定好天线索引空间的映射规则，避免了现有技术中模数转换带来的不便和检测延迟，易于与系统中的纠错码相结合，同时避免了现有技术中模数转换造成的错误传播对系统性能带来的损失。本发明采用的多对一映射，减小了系统天线空间大小，使系统检测复杂度降低。同时采用多元LDPC编码，采用符号之间的映射，避免了与二元比特转换带来的性能损失，提高了信息传输的可靠性。由于本发明依然采用激活一根发送天线传输数据信息，集成了传统空间调制的所有优点，同时避免了现有技术带来的天线之间的相互干扰和同步问题，以及高系统检测复杂度。

Claims

1.一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统，包括有编码模块、空间调制模块、空间解调模块和译码模块，其中空间调制模块并联包含信号映射单元和空间映射单元，信号映射单元完成信号比特向量与传统调制星座点间的映射，空间映射单元完成空间比特向量与发送天线索引之间的映射，其特征在于，在空间调制模块的空间映射单元中，空间比特向量与发送天线索引之间的映射方式或为一对一映射方式或为多对一映射方式。

2.根据权利要求1所述的适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统，其特征在于，在进行空间调制时，当发送天线数目为2的幂次方时，空间比特向量与发送天线索引之间形成一对一映射，即一个空间比特向量对应于一个发送天线索引，一个发送天线索引只包含一个空间比特向量的信息；当发送天线数目不为2的幂次方时，空间比特向量与发送天线索引之间形成多对一映射，即多个空间比特向量对应于一个发送天线索引，那么多个空间比特向量的信息就蕴含在了发送天线索引中。

3.一种适用于任意发送天线数量的空间编码调制方法，在权利要求1-2所述的适用于任意发送天线数量的空间编码调制系统上实现，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)给发送天线空间分配所需的空间比特数：给定任意整数的发送天线总数N_t，对发送天线总数N_t进行对数运算，即a＝log₂N_t；若a为整数，即给定的天线总数目为2的幂次方，设空间比特数为m_l＝a＝log₂N_t；否则，设空间比特数为其中表示向上取整，即取大于等于·的最小整数；

(7)对码字分组后的信号比特向量和空间比特向量进行相应码字映射：将长为m_s的信号比特向量和长为m_l的空间比特向量分别进行映射，信号比特向量映射为传统调制星座点，空间比特向量映射为发送天线索引；

4.根据权利要求3所述的适用于任意发送天线数量的空间编码调制方法，其特征在于，步骤(2)中所述的设定发送天线空间映射方式，包括有如下步骤：

(2a)在空间比特单元中，设定空间比特向量和发送天线索引之间一对一映射函数设定每根发送天线的激活概率i＝0,1,……,N_t-1，∑P_i＝1，一个空间比特向量映射为一个发送天线索引；

(2b)在空间比特单元中，设定空间比特向量和发送天线索引之间多对一映射函数设定每根发送天线的激活概率 i＝0,1,…,N_t-1，且满足∑P_i＝1，其中∑·为求和运算，多个空间比特向量映射为一个发送天线索引。

5.根据权利要求3所述的适用于任意发送天线数量的空间编码调制方法，其特征在于，步骤(5)中所述的对信息序列进行信道编码，包括有如下步骤：采用多元LDPC码对信息序列进行信道编码，根据选定的信号空间映射所需的信号比特数，确定多元LDPC码的域GF(q)，定义q＝2^m，给定稀疏校验矩阵H，由稀疏校验矩阵H得到生成矩阵G，再利用多元LDPC码的编码公式c＝uG，通过编码器产生多元LDPC的码字c。

6.根据权利要求3所述的适用于任意发送天线数量的空间编码调制方法，其特征在于，步骤(7)中所述进行相应码字映射包括有如下步骤：

(7a)若为一对一映射，则长度为m_l的空间比特向量通过映射函数映射到天线空间激活对应的发送天线；若为多对一映射，则长度为m_l的空间比特向量通过映射函数映射到天线空间激活对应的发送天线；

(7b)将长度为m_s的信号比特向量映射到信号空间选择调制星座点。