CN111756666B - 一种基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，属于无线通信技术领域。首先使用了等增益合并接收方法，等增益合并接收方法不需要将加权系数按照各路信噪比进行自适应调整，因此设备简单，复杂度低，且不需要精确的信道估计；其次，引入了星座旋转，即通过星座图的旋转得到同相和正交分量，再将同相和正交分量分别通过不同天线发送以消除两路分量之间的相关性，使得发送后的信号独立地在各自的衰落信道上传输。本发明提出的方法对于基于等增益合并的调制系统性能有明显改善，且星座旋转的引入在获得调制分集增益的同时不会牺牲频带的带宽和功率，且由于不使用分量交织方式，因此不需要交织器和解交织器，可以降低系统实现的复杂度。

Description

一种基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

信号空间分集(SSD,Signal Space Diversity)是应对衰落而产生的一种有效的改善方案，它具有分集增益高且不需要占用额外时间和频带资源的优点，能够有效的改善衰落带来的性能影响，并且已经广泛应用于无线通信中。星座旋转与分量交织相结合是SSD的关键技术。我们用分集度来定义多维符号集合中可区分分量的最小数，星座旋转可以使得任意两个星座点之间的分集度达到最大化，从而获得性能改善。分量交织可以消除分量之间的相关性，使得发送后的信号独立地分别在衰落信道上传输，因此，即使一路分量经历了严重的衰落，接收机也可以仅通过一个分量还原信号。

众所周知，在移动通信中，等增益合并(EGC,Equal Gain Combining)和最大比合并(MRC,Maximal-ratio Combining)接收技术是两种最常用的分集合并技术。学者SunghoJeon于2009年发表的文章《Component-Interleaved Receive MRC with RotatedConstellation for Signal Space Diversity》中研究了单输入天线多输出天线条件下星座旋转与分量交织方式相结合在最大比合并系统中的性能。但是MRC是对多路信号进行同相加权合并，权重是由各支路信号所对应的信噪比所决定的，MRC的输出信噪比等于各支路信噪比之和，由于它采用了信道估计，可以根据信道的具体情况对各支路的信号进行处理，因此它的性能最好，但它的实现也最复杂。而EGC无须对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，相对于最大比合并，EGC不需要信道估计，简化了加权值的计算，电路简单，容易实现，但是性能略逊于最大比合并。因此我们提出一种多输入天线多输出天线条件下基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法来提升EGC的性能，据文献查找这方面没有人研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种在多输入天线多输出天线条件下，基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，能够节约硬件资源，降低系统实现的复杂度，相比星座未旋转的等增益合并系统获得了更加优秀的抗衰落性能。

本发明的技术方案如下：

一种基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，步骤如下：

(1)首先将输入符号流格雷映射到复频域；设发送信号向量为s＝[s₀,s₁,...,s_n,...,s_N-1]，N为输入符号流的长度，其中s_n表示发送的第n个信号所对应的星座点，它的值为s_n＝s_I,n+js_Q,n，其中的s_I,n和s_Q,n分别是s_n的实部和虚部，分别表示星座图的同相和正交分量，j表示虚数单位；

(2)将信号星座进行旋转，设旋转后的发送信号向量为x＝[x₀,x₁,...,x_n,...,x_N-1]，其中x_n为旋转后的第n个信号所对应的星座点，它的值为x_n＝x_I,n+jx_Q,n，同样，x_I,n和x_Q,n分别是x_n的实部和虚部，分别表示星座图旋转后的同相和正交分量，j表示虚数单位；而x_I,n和x_Q,n可用s_I,n和s_Q,n表示，即x_I,n＝s_I,ncosθ+s_Q,nsinθ,x_Q,n＝-s_I,nsinθ+s_Q,ncosθ，θ是使得系统误码率性能最优的旋转角度，取值范围为[0,π/2]；

(3)为了消除两个分量之间的相关性，可以使这两个分量经历独立的衰落，即通过不同天线分别发送同相分量x_I＝[x_I,0,x_I,1,...,x_I,n,...,x_I,N-1]以及正交分量x_Q＝[x_Q,0,x_Q,1,...,x_Q,n,...,x_Q,N-1]；为了更加简洁的表示，这里用矩阵表示发送信号为

矩阵的第1、2行表示两路发送信号，显然，优选的，发送天线数为2；

(4)在信号的接收端采用等增益合并的接收方式。当系统应用于平坦衰落信道时，设接收天线数为M_R，每根天线要分别接收同相与正交两部分，可将其看作一对，M_R也表示同相和正交分量分别进行等增益合并时的分集支路数；那么第k对接收信号可以表示为Y_k＝H_k·X+N_k，其中

的第1、2行分别表示第k对接收的信号，

的第1、2行分别为第k对信号经历的独立衰落下的独立同分布随机变量，而

是第k对信号所加的加性高斯白噪声，这里的"·"表示矩阵的点乘；计算第k对信号的加权系数

这里的"*"表示共轭，得到归一化的接收信号矢量为

那么，可以得到等增益合并器的输出信号为

(5)最后，将等增益合并器的输出信号

采用最小欧式距离准则来进行判决，判决后得到最终的输出符号流，即恢复的输入符号流。

优选的，步骤(1)中，对于QPSK调制以及8PSK调制，s_I,n和s_Q,n各自的取值范围分别是

和

优选的，步骤(2)中，QPSK调制最佳旋转角度θ的取值为θ＝30.3°，8PSK调制最佳旋转角度θ的取值为θ＝9.5°。

优选的，步骤(4)中，平坦衰落信道包括平坦瑞利衰落信道。

优选的，步骤(5)中，将判决后得到最终的输出符号流与输入符号流对比就可以得到误码率，在最佳旋转角度θ处的误码率应低于未旋转时的误码率值。

优选的，步骤(5)中，欧式距离的计算方法为

r_I,n和r_Q,n为接收到的第n个r_I和r_Q信号，其中

h_k,I,n和h_k,Q,n分别表示第n个h_k,I和h_k,Q值，而

和

分别表示旋转后各星座点的横纵坐标。

本发明的有益效果在于：

本发明是在等增益合并系统中引入了星座旋转，即通过星座图的旋转得到同相(I路)和正交(Q路)分量，再将同相和正交分量分别通过不同天线发送以消除两路分量之间的相关性，使得发送后的信号独立地在各自的衰落信道上传输。本发明提出的方法对于基于等增益合并的调制系统性能有明显改善，且星座旋转的引入在获得调制分集增益的同时不会牺牲频带的带宽和功率，且由于不使用分量交织方式来消除两路分量之间的相关性，因此不需要交织器和解交织器，可以节约硬件资源，降低系统实现的复杂度。从技术角度来看，本发明思路简洁，易于实施。

附图说明

图1为本发明提出的基于星座旋转的等增益合并系统框图。

图2为基于星座旋转的QPSK调制等增益合并系统误码率的比较图。在图2的2条曲线中，自上而下分别为①采用等增益合并，星座未旋转(θ＝0°)的QPSK调制系统的误码率曲线；②采用等增益合并，星座旋转(最佳旋转角度θ＝30.3°)的QPSK调制系统的误码率曲线。

图3为基于星座旋转的8PSK调制等增益合并系统误码率的比较图。在图3的2条曲线中，自上而下分别为①采用等增益合并，星座未旋转(θ＝0°)的8PSK调制系统的误码率曲线；②采用等增益合并，星座旋转(最佳旋转角度θ＝9.5°)的8PSK调制系统的误码率曲线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，以接收端天线数目为M_R＝2的基于星座旋转的等增益合并系统为例来介绍本发明。系统框图如图1所示：首先，将输入数据序列经过格雷映射到复频域，得到同相与正交分量，即s_I,s_Q；之后，进行星座旋转得到x_I,x_Q，将它们分别通过不同天线发射；通过平坦瑞利衰落信道后，再通过等增益合并得到信号r_I,r_Q，最后进行最小欧氏距离判决得到输出序列。

具体步骤如下：

(1)首先将输入符号流格雷映射到复频域；设发送信号向量为s＝[s₀,s₁,...,s_n,...,s_N-1]，N为输入符号流的长度，其中s_n表示发送的第n个信号所对应的星座点，它的值为s_n＝s_I,n+js_Q,n，其中的s_I,n和s_Q,n分别是s_n的实部和虚部，分别表示星座图的同相和正交分量，j表示虚数单位；对于QPSK调制以及8PSK调制，s_I,n和s_Q,n各自的取值范围分别是

和

(2)将信号星座进行旋转，设旋转后的发送信号向量为x＝[x₀,x₁,...,x_n,...,x_N-1]，其中x_n为旋转后的第n个信号所对应的星座点，它的值为x_n＝x_I,n+jx_Q,n，同样，x_I,n和x_Q,n分别是x_n的实部和虚部，分别表示星座图旋转后的同相和正交分量，j表示虚数单位；而x_I,n和x_Q,n可用s_I,n和s_Q,n表示，即x_I,n＝s_I,ncosθ+s_Q,nsinθ,x_Q,n＝-s_I,nsinθ+s_Q,ncosθ，θ是使得系统误码率性能最优的旋转角度，取值范围为[0,π/2]；QPSK调制最佳旋转角度θ的取值为θ＝30.3°，8PSK调制最佳旋转角度θ的取值为θ＝9.5°。

(3)为了消除两个分量之间的相关性，可以使这两个分量经历独立的衰落，即通过不同天线分别发送同相分量x_I＝[x_I,0,x_I,1,...,x_I,n,...,x_I,N-1]以及正交分量x_Q＝[x_Q,0,x_Q,1,...,x_Q,n,...,x_Q,N-1]；为了更加简洁的表示，这里用矩阵表示发送信号为

矩阵的第1、2行表示两路发送信号，显然，发送天线数为2；

(4)在信号的接收端采用等增益合并的接收方式。系统应用任何平坦衰落信道时步骤均一样，本实施例以平坦瑞利衰落信道为例。当系统应用于平坦瑞利衰落信道时，设接收天线数为M_R，每根天线要分别接收同相与正交两部分，可将其看作一对，M_R也表示同相和正交分量分别进行等增益合并时的分集支路数；那么第k对接收信号可以表示为Y_k＝H_k·X+N_k，其中

的第1、2行分别表示第k对接收的信号，

的第1、2行分别为第k对信号经历的独立瑞利衰落下的独立同分布随机变量，而

是第k对信号所加的加性高斯白噪声，这里的"·"表示矩阵的点乘；计算第k对信号的加权系数

这里的"*"表示共轭，得到归一化的接收信号矢量为

那么，可以得到等增益合并器的输出信号为

(5)最后，将等增益合并器的输出信号

采用最小欧式距离准则来进行判决，判决后得到最终的输出符号流，即恢复的输入符号流。将判决后得到最终的输出符号流与输入符号流对比就可以得到误码率，在最佳旋转角度θ处的误码率应低于未旋转时的误码率值。

欧式距离的计算方法为

r_I,n和r_Q,n为接收到的第n个r_I和r_Q信号，其中

h_k,I,n和h_k,Q,n分别表示第n个h_k,I和h_k,Q值，而

和

分别表示旋转后各星座点的横纵坐标。

本发明以误码率作为衡量系统性能的指标，将本发明提出的方法与未进行星座旋转的方法进行比较，比较结果如图2、3所示。

图2、3中，本发明的方法在接收端天线数目为2，明显可以看出，QPSK调制以及8PSK调制中，在最佳旋转角度处，得到的EGC系统性能都要优于星座未旋转时的EGC系统性能。

Claims (6)

1.一种基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，其特征在于，步骤如下：

(1)首先将输入符号流格雷映射到复频域；设发送信号向量为s＝[s₀,s₁,...,s_n,...,s_N-1]，N为输入符号流的长度，其中s_n表示发送的第n个信号所对应的星座点，它的值为s_n＝s_I,n+js_Q,n，其中的s_I,n和s_Q,n分别是s_n的实部和虚部，分别表示星座图的同相和正交分量，j表示虚数单位；

(2)将信号星座进行旋转，设旋转后的发送信号向量为x＝[x₀,x₁,...,x_n,...,x_N-1]，其中x_n为旋转后的第n个信号所对应的星座点，它的值为x_n＝x_I,n+jx_Q,n，同样，x_I,n和x_Q,n分别是x_n的实部和虚部，分别表示星座图旋转后的同相和正交分量，j表示虚数单位；而x_I,n和x_Q,n可用s_I,n和s_Q,n表示，即x_I,n＝s_I,ncosθ+s_Q,nsinθ,x_Q,n＝-s_I,nsinθ+s_Q,ncosθ，θ是使得系统误码率性能最优的旋转角度，取值范围为[0,π/2]；

(3)为了消除两个分量之间的相关性，使这两个分量经历独立的衰落，即通过不同天线分别发送同相分量x_I＝[x_I,0,x_I,1,...,x_I,n,...,x_I,N-1]以及正交分量x_Q＝[x_Q,0,x_Q,1,...,x_Q,n,...,x_Q,N-1]；用矩阵表示发送信号为

矩阵的第1、2行表示两路发送信号，发送天线数为2；

(4)在信号的接收端采用等增益合并的接收方式，当系统应用于平坦衰落信道时，设接收天线数为M_R，每根天线要分别接收同相与正交两部分，可将其看作一对，M_R也表示同相和正交分量分别进行等增益合并时的分集支路数；那么第k对接收信号可以表示为Y_k＝H_k·X+N_k，其中

的第1、2行分别表示第k对接收的信号，

的第1、2行分别为第k对信号经历的独立衰落下的独立同分布随机变量，而

是第k对信号所加的加性高斯白噪声，这里的"·"表示矩阵的点乘；计算第k对信号的加权系数

这里的"*"表示共轭，得到归一化的接收信号矢量为

那么，可以得到等增益合并器的输出信号为

(5)最后，将等增益合并器的输出信号

采用最小欧式距离准则来进行判决，判决后得到最终的输出符号流，即恢复的输入符号流。

2.根据权利要求1所述的基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，其特征在于，步骤(1)中，对于QPSK调制以及8PSK调制，s_I,n和s_Q,n各自的取值范围分别是

和

3.根据权利要求1所述的基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，其特征在于，步骤(2)中，QPSK调制最佳旋转角度θ的取值为θ＝30.3°，8PSK调制最佳旋转角度θ的取值为θ＝9.5°。

4.根据权利要求1所述的基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，其特征在于，步骤(4)中，平坦衰落信道包括平坦瑞利衰落信道。

5.根据权利要求1所述的基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，其特征在于，步骤(5)中，将判决后得到最终的输出符号流与输入符号流对比就可以得到误码率，在最佳旋转角度θ处的误码率应低于未旋转时的误码率值。

6.根据权利要求1所述的基于星座旋转的等增益合并系统的工作方法，其特征在于，步骤(5)中，欧式距离的计算方法为

r_I,n和r_Q,n为接收到的第n个r_I和r_Q信号，其中

h_k,I,n和h_k,Q,n分别表示第n个h_k,I和h_k,Q值，而

和

分别表示旋转后各星座点的横纵坐标。

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