基于最大化信道容量准则的广义空间调制系统天线选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种基于最大化信道容量准则的广义空间调制系统天线选择方法。

背景技术

MIMO技术是第四代移动通信中极具发展前景的技术，通过在发送端和接收端配置多根天线，提高了系统容量以及频谱利用率。然而，由于发送端多根天线同时发送多个数据信号，因此信道间干扰成为制约MIMO技术广泛应用的一大瓶颈。为了解决MIMO系统中存在信道间干扰的问题，出现了空间调制(Spatial Modulation，SM)以及广义空间调制(Generalized Spatial Modulation，GSM)技术。GSM系统在一个符号周期内，选择多根激活天线发送信号，其余天线保持静默，因此GSM系统进一步提高了频谱效率。由于数根激活天线均发送相同的调制符号，因此GSM系统避免了信道间干扰，是大规模MIMO系统的重大突破。

GSM系统在发送端只选择部分天线作为激活天线，给通信系统设计者们提供了设计空间。许多研究表明，在发送端进行有效的天线选择，可以提高MIMO系统性能，降低链路成本。在不同的符号周期内，信道的状态发生改变，因此需要根据不同的信道选择不同的天线组合。GSM系统天线选择已有的方法是基于最大化接收向量间最小欧式距离准则天线选择算法(EDAS，Euclidean Distance optimized Antenna Selection)。EDAS使用穷举搜索，遍历所有可能的结果，从中寻求最佳解。因此从误码率角度而言，该算法是性能最优的天线选择方法。然而由于穷举搜索带来了极高的复杂度，实际应用将难以满足其对复杂度的要求。因此尽管EDAS能最大程度地降低误码率，但其复杂度极高，应用范围受限。因而，寻找能够改善系统性能且具有较低复杂度的天线选择方法，是GSM-MIMO系统中一个急待解决的技术难题。

由上可知，现有技术中，EDAS的复杂度极高，许多实际应用难以满足EDAS的复杂度要求。因而，寻找能够改善系统性能且具有较低复杂度的天线选择方法，是GSM-MIMO系统中急待解决的技术难题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于最大化信道容量准则的广义空间调制系统天线选择方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于最大化信道容量准则的广义空间调制系统的发送天线选择方法，包括以下步骤：

步骤1、在GSM-MIMO系统中，对所有激活天线组合对应的信道列求和；

步骤2、根据步骤1的结果，计算该天线选择方案下的信道容量；

步骤3、选取能够获得最大信道容量的天线选择方案，作为最终的天线选择结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)发送端选用能够使信道容量最大化的天线组合，改善了接收端信号检测的误码率性能，提高了信道容量；2)本发明用最大化信道容量准则取代穷举搜索的最大化接收向量间最小欧式距离准则，大大减小了算法的复杂度；3)本发明和传统的EDAS方法相比，本发明与发送端的调制方式无关，即本发明在调制信息未知的情况下也可以实施。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例的系统组成图。

图2是本发明实施例的处理流程图。

图3是本发明实施例的误码率随信噪比的变化曲线图。

图4是本发明实施例的复杂度柱状图。

具体实施方式

本发明是一种低复杂度的基于最大化信道容量准则的GSM系统发送天线选择方法。发送端将原始数据比特流进行串并变换，同时根据获得的信道状态信息进行基于最大化信道容量准则的发送天线选择。再根据天线选择结果，对串并变换后的数据进行调制并发送。接收端根据接收到的数据进行性能最优的最大似然检测，将检测后的数据进行并串变换，恢复出原始数据，完成GSM-MIMO系统的一次发收过程。

本发明的一种基于最大化信道容量准则的广义空间调制系统天线选择方法，包括以下步骤：

步骤1、在GSM-MIMO系统中，对所有激活天线组合对应的信道列求和；具体为：

步骤1-1、确定激活天线组合总数，所用公式为：

$>m=C_{N_t}^{n_t}$>

式中，m表示激活天线组合总数，N_t为发送天线数目，n_t为激活天线数目；

步骤1-2、确定所有激活天线组合对应的信道列之和，所用公式为：

$>h^l=\underset{j=l_1}{\overset{l_{n_t}}{\Sigma }}{\left(H\right)}_j$>

式中，表示第l个天线组合对应的信道列之和，l∈[1,m]，l_i表示第l个天线组合中第i根激活天线，(H)_j为信道矩阵H的第j列。

步骤2、根据步骤1的结果，确定该天线选择方案下的信道容量；具体步骤为：

步骤2-1、确定天线选择方案总数，所用公式为：

$>P=C_m^L$>

式中，P表示天线选择方案总数，最终选择的天线组合数

步骤2-2、对于每个天线选择方案，确定其信道容量，所用公式为：

$>C={\log }_2|I+\frac{\rho }{n_{t}L}{H}_q{H_q}^H|$>

式中，C表示信道容量，I为单位阵，ρ为接收端天线处平均信噪比，q表示第q个天线选择方案，q∈[1,P]。

步骤3、选取能够获得最大信道容量的天线选择方案，作为最终的天线选择结果。具体步骤为：根据步骤2-2求得的P个信道容量值，选择信道容量值最大的天线选择方案作为最终的天线选择结果。

本发明用最大化信道容量准则取代穷举搜索的最大化接收向量间最小欧式距离准则，大大减小了算法的复杂度。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

本发明实施例系统组成图如图1。系统采用4发4收的GSM-MIMO系统，激活天线根数为2，调制方式为4-QAM调制，原始数据比特流长度为4×10⁶。则从4根发送天线中选取2根激活天线共有种结果，从6种结果中选择种作为最终选择的天线选择结果，用于发送端调制。具体天线选择步骤如下：

步骤1：从4根发送天线中选出2根激活天线有种选择，求每种选择对应信道矩阵H中的列之和，所用公式如下：

$>h^l=\underset{j=l_1}{\overset{l_2}{\Sigma }}{\left(H\right)}_j$>

其中，表示第l个天线组合对应的列之和，l∈[1,6]，l_i表示第l个天线组合中第i根激活天线。

步骤2：天线选择方案总数为对于每个天线选择方案，确定其信道容量，所用公式如下：

$>C={\log }_2|I+\frac{\rho }{n_{t}L}{H}_q{H_q}^H|$>

式中，C表示信道容量，I为单位阵，q表示第q个天线选择方案，q∈[1,15]；

步骤3：对步骤2中求出的15个信道容量值，选取信道容量最大的天线选择方案为最终的天线选择结果。

关于本发明及EDAS的计算复杂度。以一次复数乘法运算为一个计算单位，用算法所需复数乘法运算次数来衡量算法的计算复杂度。则性能最佳的EDAS算法的计算复杂度为：

$>(2\times n_t\times N_r+N_r)\times C_m^L\times (L\times C_M^2+C_L^2\times M^2)$>

其中，M为调制进制数。

本发明的基于最大化信道容量准则的天线选择方法的计算复杂度为：

$>N_r\times L\times N_r!\times (N_r-1)\times C_m^L$>

在本发明实施例采用的系统下，可计算出，传统EDAS方法的复杂度为36000，本发明的复杂度为17280。可见，EDAS使用穷举搜索方法，复杂度极高，实际情况中将难以应用。本发明的天线选择方法则大大降低了计算复杂度，可以满足实际应用对复杂度的要求，具有较强的实用性。

图3中的EDAS-GSM表示传统的EDAS天线选择方法，CO-GSM表示本发明的天线选择方法。从图3可以看出，发送端使用本发明的天线选择方法，和原始的不采用天线选择的系统相比，误码率性能得以改善，这说明可以通过天线选择来提高GSM系统的误码率性能。信噪比较低时，本发明的性能和EDAS性能几乎一致。随着信噪比增加，本发明的误码率性能稍有降低。

图4中的EDAS表示传统的EDAS天线选择方法，CO表示本发明的天线选择方法。由图4可知，在本发明实施例采用的系统下，本发明的复杂度不及EDAS复杂度的一半。

从复杂度和误码率性能仿真结果可知，本发明提出的方法以较小的误码率增加为代价，取得了低于EDAS的复杂度，是一种低复杂度、性能良好的广义空间调制系统的发送天线选择方法。