适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法.pdf

一种用于移动通信技术领域的适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法，包括星座分割差分空时调制方法和解调方法，星座分割差分空时调制方法是：通过差分酉空时调制获得原始差分空时星座矩阵，将原始差分空时星座矩阵按时间轴分割成若干子星座矩阵，并将所得子星座矩阵按照数据帧长进行等时间间隔延迟，将相应子矩阵数据发送到对应的天线上；星座分割差分空时解调方法是：根据调制方法所采用的星座分割方法，对按时间顺序接收到的数据采用相应的时间延迟后，进行合并，保证合并所得矩阵信号为原始差分空时星座矩阵的等价接收矩阵，最后进行差分酉空时解调。本发明有效地缩短了相邻差分空时星座间的时间间隔，更适用于快速衰落信道。

1、  一种适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法，其特征在于，包括星座分割差分空时调制方法和星座分割差分空时解调方法，所述的星座分割差分空时调制方法是指：首先通过差分酉空时调制获得原始差分空时星座矩阵，然后将原始差分空时星座矩阵按时间轴分割成若干子星座矩阵，并将所得子星座矩阵按照数据帧长进行等时间间隔延迟，最后将相应子矩阵数据发送到对应的天线上；所述的星座分割差分空时解调方法是指：根据调制方法所采用的星座分割方法，对按时间顺序接收到的数据采用相应的时间延迟后，进行合并，保证合并所得矩阵信号为原始差分空时星座矩阵的等价接收矩阵，最后进行差分酉空时解调。

2、  根据权利要求1所述的适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法，其特征是，所述的星座分割差分空时调制方法，其具体实现步骤如下：
第一步，根据数据传输速率和发送天线数，确定原始差分空时星座矩阵集合，并将其存储到发送星座存储器中，然后根据数据帧长和硬件情况确定星座分割方法，即如何将原始差分空时星座矩阵按时间轴分割成K个子矩阵；
第二步，将输入的一帧信息比特进行格雷映射，生成信息符号序列，并在序列之前加入符号0作为差分调制的初始值，所得符号序列长度为L，然后将所得序列以速率f_s依次存储到相应数据符号存储器中；
第三步，根据第一步中确定的星座分割方法，采用高采样率Kf_s将数据符号存储器中的数据依次重复读出K次，重复次数通过重复次数控制器进行控制；
第四步，对从数据符号存储器中读出的数据进行差分调制，采用酉星座群的设计方法，此时差分所得数据表示对应酉星座矩阵在发送星座群中的位置；
第五步，根据差分所得的位置数据m，以及该数据对应的重复次数k，从发送星座存储器中选择第m个星座矩阵的第k列从K个天线同时发送出去。

3、  根据权利要求2所述的适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法，其特征是，第一步中，为了获得最优性能，选择子矩阵个数等于发送天线数。

4、  根据权利要求1所述的适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法，其特征是，所述的星座分割差分空时解调方法，其具体实现步骤如下：
第一步，根据发送端调制所用星座分割方法，首先将时刻1到时刻KL-L期间接收到的数据符号按时间依次送入到K-1个Buffer中，即时刻1到L接收到的数据送到第1个Buffer，时刻L+1到2L接收到的数据存储到第2个Buffer，依此类推，直到时刻KL-2L+1到KL-L接收到的数据存储到第K-1个Buffer中，该操作通过数据存储切换器实现；第1个到第K-1个Buffer的长度分别为(K-1)L，(K-2)L，…，L。延迟线与差分检测单元相连；
第二步，对于时刻KL-L+1到KL接收到的数据，直接送到后续差分检测单元，根据第一步中延迟线的设计，对应于时刻KL-L+1到KL接收到的数据，K-1根延迟线同时有相应的数据送入差分检测单元，这些数据构成的矩阵对应于原始差分空时星座矩阵的等价接收星座矩阵；
第三步，对时间上相邻的两个接收星座矩阵进行差分检测，获得对应输入信息符号的估计值，其结果送入格雷逆映射器；
第四步，对信息符号的估计值进行格雷逆映射，获得输入信息比特的估计值。

适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法
技术领域
本发明涉及的是一种用于移动通信技术领域的差分空时调制解调方法，特别是一种适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法。
背景技术
多媒体业务和数据网络的飞速发展要求未来无线通信系统在保证通信质量的同时能够提供更快的数据传输速率，并能更有效地利用已有的频谱资源。在瑞利平衰落信道中，采用多天线技术能够有效地提高系统的频谱利用率。但是，随着数据传输速率的增大和发送接收天线数目的增加，要在接收端及时准确地估计出信道信息，其难度和复杂度也越来越大。而且随着天线数目的增加，需要更多的训练序列来获得准确的信道估计，这样不可避免地会减小数据的传输速率。
经检索发现，B.M.Hochwald和W.Sweldens在IEEE Transaction onCommunications(电气和电子工程师协会通信学报)上发表文献“Differentialunitary space-time modulation”(差分酉空时调制)，将传统的差分相移键控(Differential Phase Shift Keying，DPSK)应用到多天线环境中，提出了适用于连续衰落信道的差分酉空时调制(Differential Unitary Space-TimeModulation，DUSTM)及其相应的解调方法。该方法不仅能够获得全天线分集增益，而且在未知信道状态信息的情况下仍然具有较好的系统性能。差分酉空时调制解调要求相邻两个空时符号对应的信道衰落近似保持不变，所以该技术仅适用于慢衰落信道下的数据传输。在快速衰落信道中，多普勒频移很大，这导致差分酉空时调制解调中相邻两个空时符号相距较长的时间间隔，所以二者对应的信道衰落无法近似看作不变，因而系统性能急速恶化。显然，差分酉空时调制解调方法不适用于快速衰落信道下的数据传输。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种适用于快速衰落信道的星座分割差分空时调制解调方法。与传统差分酉空时调制解调方法相比，本发明能够有效克服多普勒频移的影响，不仅在慢速衰落信道环境中具有与传统差分酉空时调制解调方法类似的性能，且在快速衰落信道环境中仍能保持良好的系统性能，结构简单，易于实现。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括星座分割差分空时调制方法和星座分割差分空时解调方法，所述的星座分割差分空时调制方法是指：首先通过差分酉空时调制获得原始差分空时星座矩阵，然后将原始差分空时星座矩阵按时间轴分割成若干子星座矩阵，并将所得子星座矩阵按照数据帧长进行等时间间隔延迟，最后将相应子矩阵数据发送到对应的天线上；所述的星座分割差分空时解调方法，是指：根据调制方法所采用的星座分割方法，对按时间顺序接收到的数据采用相应的的时间延迟后，进行合并，保证合并所得矩阵信号为原始差分空时星座矩阵的等价接收矩阵，最后进行差分酉空时解调。
以下对本发明进行进一步的限定，具体内容如下：
1、所述的星座分割差分空时调制方法，其具体实现步骤如下：
第一步，根据数据传输速率和发送天线数，确定原始差分空时星座矩阵集合，并将其存储到发送星座存储器中，然后根据数据帧长和硬件情况确定星座分割方法，即如何将原始差分空时星座矩阵按时间轴分割成多个子矩阵。为了获得最优性能，一般选择子矩阵个数等于发送天线数；
第二步，将输入的一帧信息比特进行格雷映射，生成信息符号序列，并在序列之前加入符号0作为差分调制的初始值(假设所得符号序列长度为L)，然后将所得序列以速率f_s依次存储到相应数据符号存储器中；
第三步，根据第一步中确定的星座分割方法(假设分割成K个子矩阵)，采用高采样率Kf_s将数据符号存储器中的数据依次重复读出K次，重复次数通过重复次数控制器进行控制；
第四步，对从数据符号存储器中读出的数据进行差分调制。为了简化差分调制，采用酉星座群的设计方法，此时差分所得数据表示对应酉星座矩阵在发送星座群中的位置；
第五步，根据差分所得的位置数据(假设为m)，以及该数据对应的重复次数(假设为第k次重复，显然k＜＝K)，从发送星座存储器中选择第m个星座矩阵的第k列从K个天线同时发送出去(假设星座矩阵的不同列代表发送到不同发送天线的数据)。
显然从K个发送天线将一帧信息比特全部发出共需KL个信道符号时间。
2、所述的星座分割差分空时解调方法，其具体实现步骤如下：
第一步，根据发送端调制所用星座分割方法，首先将时刻1到时刻KL-L期间接收到的数据符号按时间不同依次送入到K-1个延迟线(Buffer)中，即时刻1到L接收到的数据送到第1个Buffer，时刻L+1到2L接收到的数据存储到第2个Buffer，依此类推，直到时刻KL-2L+1到KL-L接收到的数据存储到第K-1个Buffer中，该操作通过数据存储切换器实现；第1个到第K-1个Buffer的长度分别为(K-1)L，(K-2)L，…，L。延迟线与差分检测单元相连；
第二步，对于时刻KL-L+1到KL接收到的数据，直接送到后续差分检测单元，根据第一步中延迟线的设计，对应于时刻KL-L+1到KL接收到的数据，K-1根延迟线同时有相应的数据送入差分检测单元，这些数据构成的矩阵对应于原始差分空时星座矩阵的等价接收星座矩阵；
第三步，对时间上相邻的两个接收星座矩阵进行差分检测，获得对应输入信息符号的估计值，其结果送入格雷逆映射器；
第四步，对信息符号的估计值进行格雷逆映射，获得输入信息比特的估计值。
采用本发明星座分割的方法，有效地缩短了相邻差分空时星座间的时间间隔，即使在快速衰落信道环境中仍能保证相邻两个差分空时星座经历的信道衰落近似不变，所以与传统差分酉空时调制解调方法相比，本发明提出的星座分割差分空时调制解调方法更适用于快速衰落信道。
附图说明
图1星座分割差分空时调制示意图
图2星座分割差分空时解调示意图
具体实施方式
如图1、图2所示，结合本发明的内容提供以下实施例：
本实施例采用两发一收的结构，即发送端采用两个发送天线，接收端采用一个接收天线。数据传输速率为2比特/秒/赫兹，图1所示星座存储器中预先存入如下四个星座矩阵： 1 0 0 1 , ]]> 0 - 1 1 0 , ]]> - 1 0 0 - 1 , ]]> 0 1 - 1 0 ; ]]>这四个矩阵构成基于矩阵乘法的酉群结构，这样能简化差分调制的复杂度。星座存储器根据输入的星座位置信息(从0到3)，输出对应矩阵。假设发送端输入的一帧信息比特数据为[0111]。
发送端调制一帧数据地流程如下：
1)将输入信息比特按数据传输速率进行分组，本例中每2个比特分为一组，通过格雷映射生成信息符号。即，00映射为0，01映射为1，10映射为3，11映射为2。所得信息符号数据存入信息符号存储器。信息符号数据从地址1开始依次存储，信息符号存储器的地址0预先存储数据0，作为差分调制的初始值。本例中，经过格雷映射，信息符号存储器所存数据为[0 1 2]，此时L＝3。
2)因为本例中只有两个发送天线，所以原始星座矩阵分割方法只有一种，即沿时间轴分割成2组。因此，需要从信息符号存储器重复2次读出信息符号送入差分调制模块。重复次数控制标记出读出数据所对应的重复次数。
3)因为星座存储器中星座矩阵满足群的特性，所以可以采用简化的差分调制方法：通过相邻两个输入信息符号的相加，获得输出星座矩阵对应的位置信息，然后根据该位置信息从星座存储器中读出相应差分调制星座矩阵。具体操作如下：假设连续两个输入信息符号为b_τ-1和b_τ，那么输出位置信息为c_τ＝(b_τ+b_τ-1)mod(4)。输出位置信息为[013013]，其中前3个输出对应重复次数控制为1，后3个输出对应重复次数控制为2。
4)差分调制输出的位置信息送入星座分割映射模块，该模块根据输入的位置信息，从星座存储器中读出相应的星座矩阵，然后根据输入的位置信息对应的重复次数控制值对读入的星座矩阵进行分割取舍。本例中，第一个位置信息值为0，对应重复次数控制值为1，则从星座存储器中读出矩阵 1 0 0 1 , ]]>然后取出其第一列 1 0 , ]]>并从相应天线发送出去。本实施例中，发送端的输出依次为： 1 0 , ]]> 0 1 , ]]> 0 - 1 , ]]> 0 1 , ]]> - 1 0 , ]]> 1 0 , ]]>第一行的数据从第一根天线发送，第二行数据从第二根天线发送。
接收端解调一帧数据的流程如下：
1)对于接收数据，采用一个计数器对其计数，并控制数据存储切换模块，每计到L，切换一次。本例中，计数器从1开始计数，从1到3，数据通路oa连通，即接收数据送入延迟线模块，当计数器计到4时，oa断开，ob连通。延迟线长度为L＝3。当第4个接收数据送到星座合并单元时，第1个接收符号也通过延迟线同时到达星座合并单元。
2)由步骤1)可以看出，同时到达星座合并单元的数据构成了原始星座矩阵经过信道的等价接收矩阵。星座合并单元的作用就是将相应子矩阵的接收矩阵合并成原始差分星座矩阵的接收矩阵。
3)对星座合并单元获得的接收矩阵进行传统的差分检测，估计出相应的信息符号。
4)通过格雷逆映射，将信息符号的估计值映射为对应的比特估计值。
实验表明，在慢速衰落信道环境中(例如，归一化多普勒频移为0.001)，星座分割差分空时调制解调方法具有与传统差分酉空时调制解调方法类似的性能，在快速衰落信道环境中(例如，归一化多普勒频移为0.05)，它仍能保持良好的系统性能，而此时传统差分酉空时调制解调方法已经无法正常工作。