一种无线通信系统中的信号发送和接收方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线通信系统中的信号发送和接收方法。
背景技术
预编码辅助的接收空间调制(Receiver Spatial Modulation，RSM)是近年来提出的一种新型多天线传输技术，该系统舍弃了传统空间调制单射频性的特点，通过发射端的预编码算法带来发射分集增益，同时降低了接收端的检测复杂度。传统的空间调制实际上是一种发射天线空间调制(Transmitter SM，TSM)，由于发射天线仅用于调制比特信息，所以不能带来像全射频链路MIMO系统那样的多天线发射分集增益，增加发射天线数量只能增加频谱效率， TSM的性能增益来源于接收天线，在采用最大似然接收机的情况下，会带来接收分集增益，实际系统的接收端天线数量往往比较少，这样也大大限制了TSM系统的性能。RSM则与TSM 相反，通过接收天线索引来调制比特信息，其发射天线越多，接收天线越少，带来的性能增益会越强，比较适合未来大规模MIMO的场景。类似地，其接收天线并不能带来接收分集增益，随着接收天线数量增加，频谱效率会增加，预编码算法带来的发射分集增益也会随之减小，RSM系统必须要求接收天线数量不大于发射天线数量，且为2的n次幂，有着比较严格地限制，每个时刻只有一根天线在接收数据，相比于TSM或者传统MIMO空间复用技术造成了一定意义上的资源浪费，这也限制了RSM在实际系统中的广泛应用。
后续有研究提出一种改进的RSM系统以同时实现发射和接收分集增益称为(Transmit and Receive Diversity RSM,TRD-RSM)，该系统通过增加额外的接收天线，通过这部分天线带来接收分集增益。所以总接收天线被分为两部分，第一部分用作接收空间调制，调制比特信息，其数量为2的n次幂，剩余部分用作分集接收，在利用最大似然接收机的情况下带来性能提升。这样总接收天线数量也比较灵活，只需要第一部分天线数量不大于发射天线即可。此外，也有研究提出广义接收空间调制(Generalized RSM，GRSM)。在原系统基础上激活多根天线来接收多流数据，带来了空间复用的增益，再利用额外的天线分集接收，带来分集增益。
但不论是RSM还是后续的改进技术，其中用作接收空间调制的那部分天线始终只能用于调制比特信息，不能带来发射分集增益，除开接收信号的其余天线并没参与任何工作，还是存在一定的资源浪费。如何有效的利用所有的接收天线，使其既能用作接收空间调制，又能带来收发分集增益，成为了RSM后续的研究热点，有效地解决这些缺陷能够让RSM在未来场景下更好的被应用。
发明内容
本发明针对多发多收的接收空间调制下行链路，所要解决的就是通过采用预编码的方式同时激活所有发射天线传输信号，使得能够带来发射分集增益，在接收端时利用剩余天线分集接收和最大似然检测下能够带来接收分集增益。
本发明采用的技术方案是，采用多输入多输出输出系统二进制数字信号接收空间调制方法，假设发射端已知信道状态信息。所述系统具有Nt根发射天线和Nr根接收天线，用于传输每组b1+b2比特的数字信号。其中前b1比特映射为空间符号，即某根接收天线和所有发射天线之间的信道增益系数，最后b2比特映射为APM符号。然后对传输符号进行预编码并映射到Nt根天线上，最后激活所有天线传输数据，同时在接收端进行最大似然检测并译码输出。
在传统的RSM技术中，比特信息通过分组分别映射成接收天线序号和调制星座点符号，假设接收端天线数量为Nr，发射天线为Nt，采用M阶APM符号，此时系统的频谱效率 B＝log2(NrM)，前log2(Nr)比特为空间比特，用来选择接收天线序号i，后log2(M)比特成为符号比特，用来选择发送的星座点符号xj。假设发射机使用迫零预编码算法，那么最终的发射信号为：
在上式中W为预编码矩阵，即W＝HH(HHH)-1，ei为单位矩阵
其中
本发明的技术方案，如图1所示，与RSM仅有一个地方不同，即预编码矩阵。RSM的预编码矩阵为整个信道矩阵H迫零之后再根据空间比特所映射得到。而新方案是先由空间比特选取i根接收天线所对应的信道元素，即H的第i行元素hi，然后再对其迫零得到预编码矩阵，由于是对行向量进行迫零，则可以简化为共轭转置操作，即
其中Ri＝HHHei为信道相关矩阵的第i列，假设采用最大似然检测，其形式如下：
对比接收信号形式可以看出本发明的方案在所有天线上都会有接收信号，其中某一根天线的信号最强，其等效于经过了最大比合并传输，这根接收天线的位置就是由空间比特所对应，对于这根天线的信号来说，有着预编码算法带来的发射分集增益。其余剩下的天线所接收的信号则用作分集接收，进行最大似然检测。从另一方面讲，本发明的方案可以看出是接收信道相关矩阵调制，发送符号所经过的等效信道增益可以看作是相关矩阵的某一列，跟传统的发射空间调制类似，信号进过多条独立的路径衰落，所以会带来接收分集增益。
本发明的有益效果是：通过采用特殊预编码的方式激活所有发射天线传输信号，降低复杂度，在能够带来发射分集增益的同时，相比传统RSM还能利用剩余天线分集接收，带来接收分集增益。
附图说明
图1为本发明的系统的发射端框图；
图2为本发明方案在不同收发天线数量下的误码率对比；
图3为本发明方案与RSM在发射天线为4情况下误码率对比；
图4为本发明方案与TRD-RSM在不同收发天线情况下误码率对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述：
实施例
本例采用QPSK调制，发射天线数量Nt＝4，接收天线数量Nr＝4，所以系统的总频谱效率为B＝log2(Nr)+log2(M)＝4。发射端已知的信道状态信息为：
若待传输的比特数据为b＝1100，根据映射规则可知，前2个比特11为空间比特，映射为第4根接收天线所对应的信道系数h4＝[h41 h42 h43 h44]，最后2个比特00，确定APM 符号x1＝1。接下来进行预编码，预编码矩阵为
经过上述步骤实现了本方案的调制和预编码过程。过信道之后，接收信号的形式如下：
最后通过最大似然检测遍历所有的接收天线序号星座点符号的组合即可恢复出原始数据，即：
由最后的式子可以看出，系统配置了4根接收天线，APM符号进过了4条独立的路径衰落，其中第4根天线上的信号等效为经过了最大比合并发送，其增益会明显高于其余路径，即带来了发射分集增益，提高等效信噪比，而其余路径由于都是独立的，在采用最大似然检测下，能够带来接收分集增益，进一步改善系统性能。与传统RSM相比，该方案合理利用了所有天线，且对收发天线数量无限制，更加的灵活。下面结合仿真结果具体分析本文发明对误码性能的提升。
图2为本发明所提出方案在不同收发天线数量的误码率对比图，其频谱效率为4bps/Hz。可以发现新方案对收发天线数量没有严格的限制，只需要接收天线数量为2的n次幂即可。保持接收天线不变，增加发射天线数量，即增加发射分集增益，提高等效信噪比，带来误码性能的改善。另一方面，保持发射天线不变，增加接收天线数，可以带来频谱效率和接收分集增益的增加。在误码率为10-3时，新方案采用天线配置Nt＝6,Nr＝8比Nt＝Nr＝4提升性能大约为5dB。
图3为本发明所提出方案与RSM在发射天线为4时不同接收天线，调制方式情况下的误码率对比。由于传统RSM的接收天线不能超过发射天线数量，这里接收天线最多设定为4。当Nr＝Nt＝4时，传统的RSM性能会比较差，这时候预编码算法并不会带来发射分集增益。而对于新方案，由于参与预编码的等效信道始终只有一行，所以不论接收天线数量为多少，都能带来很好的发射分集增益，同时其余天线还能接收多条独立路径的发射信号，进行最大似然检测带来接收分集增益。此时性能增益超过10dB。当接收天线数减少为2时，传统RSM的性能会很快提升，但新方案性能也几乎全面优于RSM。对比可以发现，新方案在各种收发天线配置下，都能带来明显的性能提升，尤其是收发天线数量比较接近的时候。
图4为本发明所提出方案与TRD-RSM在不同收发天线，调制方式情况下的误码率对比。其频谱效率分别为2bps/Hz和4bps/Hz。当Nr＝Nt＝8时，TRD-RSM由于前4根接收天线用于接收空间调制，后4根天线用于分集接收，实际用于预编码的等效矩阵维度为4×8，所以相比于传统的RSM，能够带来一定性能的提升。对比发现，在这种配置下，本文所提出新方法仍优于TRD-RSM，约有1～2dB的性能增益。在Nr＝Nt＝4时，TRD-RSM两部分天线数量都为2，由图3可知，在这种配置下，RSM的性能会比较好，再加上额外的2根天线用作分集接收，其进一步改善了误码性能，所以新方案在这种情况下只在低信噪比区域有着一定优势，高信噪比下会略差于TRD-RSM。
