一種基于時間反演電磁波點陣聚焦的2d-spm數字無線通信方法

一種基于時間反演電磁波點陣聚焦的2d-spm數字無線通信方法
【專利摘要】本發明屬于無線通信技術領域，提供基于時間反演電磁波點陣聚焦的二維空間位置調制(2D?SPM)數字無線通信方法，該方法結合天線陣列技術和TR電磁波的空?時“點狀”聚焦原理，在系統發射端，將多路待傳輸二進制比特序列，并發地“映射”到陣列天線相應的多個TR載波上，實現多路二進制數字信號的并行二維空間位置調制；在系統的接收端，基于TR電磁波聚焦傳輸機制，預期二維空間格點位置處形成同步聚焦點陣，采用信號峰值強度判定準則，通過觀測每個格點位置處聚焦點的有無來實現2D?SPM信息的解調。本發明能夠簡化了系統接收機復雜度；實現天線單元在有限空間內的高密度排布；提高數字無線通信系統的通信容量、信息傳輸速率以及頻譜利用效率等性能。
【專利說明】
-種基于時間反演電磁波點陣聚焦的2D-SPM數字無線通信 方法
技術領域
[0001] 本發明屬于無線通信技術領域，設及一種空間位置的調制與解調無線通信方法， 具體設及基于時間反演電磁波點陣聚焦的二維空間位置調制(Two Dimensional Spatial Position Mo dulation,2D-SPM)數字無線通信方法。
【背景技術】
[0002] 隨著大數據時代的來臨，無線通信系統的通信容量、信息傳輸速率W及頻譜利用 效率等正面臨著全新的挑戰。然而，由于頻譜資源有限W及電子器件的固有帶寬限制等，單 純依靠通過擴展頻譜寬度來提高數據傳輸速率和頻譜利用率等無線通信系統性能的方案 難W實現。因此，在現有頻譜資源的基礎上尋求全新的無線通信方案已成為無線通信領域 中的一個重要研究課題方向。
[0003] 近年來，有研究者試圖將數字無線通信與發射天線結合，提出一種新型的用于數 字無線通信系統的方案，即空間調制（Spatial Modulation , SM)技術，如文獻"Spatial Modulation"(V ehi州Iar Technology,IE邸 IYansactions on.2008:2228-2241)。空間調 制是多天線傳輸技術的一種新型應用形式，不同于傳統的多進制數字相位調制(Multiple 曲ase 化ift Keying,MPSK)、多進制正交幅度調制（Multiple Qua化ature Amplitude Modulation，MQAM)等調制方式將一定數目的信息比特映射為二維信號空間上的一個星座 點，SM在運些傳統調制方式的基礎上又增加了空間維度，即用空間位置作為信息源來傳遞 信息，從而構造了一個S維星座圖。SM有兩個信息攜帶單元，一個是傳統的發射符號，一個 是天線位置索引值。發送信息比特被分成兩部分，一部分映射成傳統的數字調制符號；另一 部分，則將其映射成發送天線中的某一幅天線所在位置，是一種固定的映射關系，實際上， 并不需要傳輸該部分符號信息。在每一傳輸周期，用映射的發送天線傳輸數字調制符號，未 被激活的發送天線則保持靜默，由于SM把空域引入調制的范疇，增加調制自由度，利用發送 天線的索引來傳遞一部分信息，因此提高了信息傳輸速率、頻譜利用率并且擴大了系統容 量，但是在每一工作周期，由于其系統發送端只有一幅天線工作而其他天線處于空閑狀態， 雖然有效地避免了天線間的相互干擾，也降低了射頻模塊的數量，但是顯而易見，其天線利 用效率較低，對提高通信系統各項性能的作用十分有限。
[0004] 文南犬"Generalized spatial modulation" (Signals , Systems and Computers (ASILOMAR),2010Conference Record of the Forty Fourth Asilomar Conference on. IE邸，2010:1498-1502)提出了廣義空間調制（Generalized Spatial Modulation,GSM) 技術，其調制原理為:將待傳輸信息比特分為兩部分，一部分映射成天線組合的空間位置， 并不需要實際傳輸;剩余部分比特則采用傳統數字星座圖進行調制發送。在每一傳輸周期， 從傳統的數字星座圖中選擇一個符號，并選擇不同的發射天線組合將此符號發射出去。GSM 技術較傳統SM技術而言，每一傳輸周期激活多根發射天線，用來傳輸信息，提高了系統的信 息傳輸速率W及頻譜利用率，擴大了系統容量，并且擺脫了傳統空間調制技術對發送端天 線數目要求的困擾，然而在發送端激活多根天線傳輸信息的同時，也引入了天線間干擾 (Inter-化annel InterferenceJCI)，并且廣義空間調制系統的接收機檢測復雜度也相對 增加。在目前應用于GSM系統的檢測算法中，性能最優的為最大似然(Maximum UkeUhoocU ML)檢測方法，該方法首先對信道進行預先探測，通過對所有可能的發送天線組合進行遍 歷，捜索出一個最匹配的發送向量，在此過程中既要檢測激活的發送天線位置，又要檢測每 個激活的發送天線上所攜帶的調制符號，其運算量較大，而且其檢測復雜度隨著天線數目 和數字星座圖調制階數的增加呈指數增長，即其復雜度極高，甚至當天線數目較大、調制階 數較高時，ML檢測方法不具有實用性。
[0005] 此外，SM/GSM系統需要依靠發送天線位置承載信息，多天線信道的差異性和獨立 性是接收機能夠正確檢測出發送天線位置的基礎。在SM/GSM系統中，由于發送天線空間相 關性的廣泛存在，使得發送天線所對應的信道相關性較大，在實際的無線環境中，若系統接 收機無法正確檢測激活的發送天線的位置，將導致系統的誤碼率W及系統容量嚴重下降， 從而使系統性能嚴重惡化;并且空間調制系統與其他多天線系統一樣要求天線單元間距不 小于半個工作波長，如果天線單元間距小于半個工作波長，將導致天線單元間的強禪合，各 天線所對應的無線信道相關性極大，從而嚴重損害系統通信質量;運一限制使得在SM/GSM 系統中，天線陣列所占空間較大，無法在有限空間內實現天線單元的高密度排布。
[0006] 時間反演(Time Reversal,TR)是近年來電波傳播領域發展出的一種新型的自適 應空間電磁波傳輸技術，在無線通信中獲得關注是由于時間反演電磁波具有多徑衰落抑 審IJ、同步空-時聚焦和環境自適應等物理特性，運些特性可W使陣列天線間距即便在亞波長 狀態，天線單元對應的無線信道依然是獨立的，如專利"一種無線移動終端用時間反演亞波 長陣列天線:CN201120073342.8,2011.11.05"中提出的一種亞波長陣列天線，能夠實現1/ 40波長的超分辨率聚焦。但還未見到將TR引入到空域數字無線通信領域，利用時間反演電 磁波在二維空間位置上的聚焦狀態來傳遞信息。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提出了一種基于時間反演電磁波點陣聚焦的二維空間位置調 審Ij(Two-Dimensional Spatial Position Modulation,2D-SPM)數字無線通信方法，該方法 結合天線陣列技術和TR電磁波的空-時"點狀"聚焦原理，在系統發射端，將多路待傳輸二進 制比特序列，并發地"映射"到陣列天線相應的多個TR載波上，實現多路二進制數字信號的 并行二維空間位置調制;在系統的接收端，基于TR電磁波聚焦傳輸機制，預期二維空間格點 位置處形成同步聚焦點陣，采用信號峰值強度判定準則，通過觀測每個格點位置處聚焦點 的有無來實現2D-SPM信息的解調。較傳統的基于SM/GSM技術的數字無線通信系統，本發明 不需要采用數據運算量極大的檢測算法，簡化了系統接收機復雜度;突破了對陣列天線單 元間距的限制，實現了天線單元在有限空間內的高密度排布;能夠在復雜多徑環境中實現 多路數據的并行空域傳輸，因此提高了數字無線通信系統的通信容量、信息傳輸速率W及 頻譜利用效率等性能。
[0008] 為實現上述目的，本發明的技術方案為：
[0009] -種基于時間反演電磁波點陣聚焦的2D-SPM數字無線通信方法，包括W下步驟：
[0010] 設定系統發送端陣列天線有M個陣元，包圍或半包圍著系統接收端陣列天線，接收 端陣列天線有N個陣元，W-維或二維陣列進行部署，陣元間距均大于時間反演電磁波的聚 焦半徑；
[0011]步驟1:選取系統接收端陣列天線處的第i，i = l，2…N個陣元發射一個探測信號p (*)，系統發送端陣列天線處的第^'^ = 1，2-1個陣元接收，接收到的信號為7^如）；
[0012]對yw(t)進行時間反演處理，得至暇收信號的時間反演信號站(t)=化(-t)，對發 送端陣列天線處每個陣元的接收信號yw(t) J = I,均進行時間反演處理，將M個信號排 列成一個列向量，其矢量形式表達為[Sli(t) S2i(t)…Sji(t)…SMi(t)]T;
[0013] 在接收端陣列天線處，按照天線序號依次發送相同的探測信號p(t)，對系統發送 端陣列天線處每個陣元的接收信號yw(t)依次重復上述處理過程，得到N個列向量，從而得 到載波矩陣：
[0014]
[0015] 步驟2:數據源產生串行隨機二進制比特序列，經過串/并轉換將串行二進制比特 序列轉換為N路并行二進制比特流，即bT=[bi b2…bi…bN]T(bi = l Or 0 i = l，2-'N)， 將N路并行二進制比特流調制到載波上，即：
[0016]
[0017] ，其含義是傳輸二進制比特序列b時，系統 發送端陣列天線處的第j個陣元所發送的信號波形，從而實現2D-SPM調制，利用系統發送端 陣列天線將已調信號同步發射并送入無線信道；
[0018] 步驟3:發送信號被系統接收端陣列天線處的第i，i = l，2…N個陣元接收，每個陣 元的接收信號經過信號峰值檢測后，得到各陣元接收信號的峰值Al,進行信號峰值比較后 獲得其最大值Amax;
[0019] 步驟4:計算系統接收端陣列天線處各陣元接收信號的峰值Al與峰值最大值Amax的 比值：
[0020]
[0021] 根據判決規則:若IU大于判決口限P(判決口限P是在固定環境下測試后得出的最
佳判決口限），則判定在該格點位置處實現電磁波聚焦，信號所攜帶的二進制比特信息為1， 否則判^ W ^ +心? ^ 葉，信號所攜帶的二進制比特信息為0，即：
[0022]
[0023] 從而實現對多路并發2D-SPM信號的解調；
[0024] 步驟5:按照系統接收端陣列天線的編號順序將解調出的并行二進制比特進行并/ 串轉換，得到串行二進制比特序列，輸出二維空間格點位置處所攜帶的二進制比特序列G， 最終實現2D-SPM數字無線通信。
[0025] 本發明具有W下特點：
[0026] (1)本發明利用時間反演電磁波在預期二維空間格點位置處的聚焦狀態來傳遞二 進制比特信息，由于時間反演電磁波具有多徑衰落抑制功能W及獨特的時-空聚焦特性和 極強的環境自適應能力，使本發明在無需采用數據運算量極大的檢測算法的情況下，采用 峰值檢測方法，實現了在復雜多徑環境中的多路并行數字信息的傳輸。
[0027] (2)本發明利用時間反演電磁波的超分辨率聚焦特性，理論上能突破傳統的多天 線通信系統對天線單元間距二分之一工作波長的限制，可有效地縮減陣列天線各天線單元 之間的間距，減小陣列天線占用的空間體積，實現天線單元在有限空間內的高密度排布，從 而極大地提高空間利用效率。
[0028] (3)本發明是將系統接收端陣列天線所處的二維平面空間分成相互獨立的若干子 空間來承載比特信息，系統發送端每個工作周期發送一組并行二進制比特，從而形成空間 帖信息流，N個比特能夠被接收端同步接收;較傳統的數字無線通信系統將時間或頻率分成 若干段來傳遞信息相比，本發明對空間維度進行充分分割，在一個工作周期內，能夠同步發 送多路并行比特信息，從而提高了頻譜利用效率和系統容量。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發明所述基于時間反演點陣聚焦的2D-SPM數字無線通信系統框圖。
[0030] 圖2為本發明實施例中，系統發送端陣列天線104和系統接收端陣列天線105的平 面結構W及陣元編號方式示意圖，其中"?"表示天線陣元。
[0031] 圖3為本發明實施例中，發送二進制比特序列I時，系統發送端陣列天線104第1個 陣元所發送的2D-SPM信號波形圖。
[0032] 圖4為本發明實施例中，發送碼元序列I時，二維空間位置數字無線通信的電磁波 聚焦時刻的仿真結果圖。
[0033] 圖5為本發明實施例中，發送碼元序列I時，二維空間位置數字無線通信解調示意 圖。
[0034] 注:碼元序列I為b = [l 01001000001101 U
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖和實施例詳細描述本發明的技術方案，W便更清楚地了解本發明的 特征和優點。
[0036] 本發明的無線通信系統框圖如圖1所示。本發明實施例的系統發送端陣列天線單 元的中屯、工作頻率為2.45GHz，陣元天線個數M=40，陣元天線W等間距排布，呈方形包圍著 系統接收端陣列天線。系統接收端陣列線為4X4的等間距方形天線陣，陣元天線個數N = 16;上述陣元天線間距均小于二分之一個工作波長。如圖2所示，為本發明實施例中系統發 送端陣列天線104和系統接收端陣列天線106的平面結構W及陣元編號方式示意圖。
[0037]步驟I:首先選取系統接收端陣列天線106處的第i(i = l，2-，16)個陣元發射一個 探測信號P(t)，系統發送端陣列天線104處的第j(j = l，2'''40)個陣元接收到的信號為yji (t)。對yw(t)進行時間反演處理，得到接收信號的時間反演信號站(t)=yw(-t)，對發送端 陣列天線處每個陣元的接收信號yw(t)(j = l，2-，40)進行時間反演處理，將1=40個信號排 列成一個列向量，其矢量形式為[Sli(t) S2i(t)…Sji(t)…S40i(t)]T;在接收端陣列天 線處，按照天線序號依次發送相同的探測信號P(t)，對系統發送端陣列天線處每個陣元的 接收信號yji(t)依次重復上述處理過程，得到N=16個列向量，從而得到載波矩陣
[00；3 引
[0039] 步驟2:數據源101產生串行隨機二進制比特序列I，經過串/并轉換102將串行二進 制比特流轉換為N= 16路并行二進制比特，即bT=[l 010010000011011 ]T， 將N=16路并行二進制比特調制到載波上，得到
[0040]
[0041] 其含義是傳輸二進制比特序列I 時，系統發送端陣列天線處的第j個陣元所發送的信號波形；如圖3所示為發送二進制比特 序列I時，系統發送端陣列天線104處第1個陣元所發送的信號波形;經過二維空間位置調 審IJ，從而實現2D-SPM調制，利用系統發送端陣列天線104將已調信號同步發射;并送入無線 信道105中傳輸；
[0042] 步驟3:系統接收端陣列天線106處的第i(i = l，2-，16)個陣元天線接收信號，經過 信號峰值檢測107后，得到各陣元接收信號的峰值AiQ = I, 2...16)，其中：
[0043]
[0044] 進行信號峰值比較后獲得其最大值Amax = 0.0 2247;
[0045] 步驟4:將系統接收端陣列天線處各陣元接收信號的峰值Al除WAmax,得到相應化Q = 1,2...16)，其中：
[0046]
[0047] 根據判決規則:若IU大于判決口限P = O. 5,則判定在該格點位置處實現電磁波聚 焦，信號所攜帶的二進制比特信息為1，否則判定在該格點位置處未實現電磁波聚焦，信號 所攜帶的二進制比特信息為0，即：
[004引
[0049] 本實施中發送碼元序列I時，二維空間位置數字無線通信的電磁波聚焦時刻的仿 真結果如圖4所示；
[0050] 經過空間位置解調108,輸出并行比特信息，發送碼元序列I時，二維空間位置數字 無線通信解調示意圖如圖5所示；
[0051] 步驟5:通過并/串轉換109,按照系統接收端陣列天線的編號順序將并行比特信息 轉換為串行比特流，輸出二維空間位置所攜帶的二進制比特序列為：
[0化2]
[0053] 即最終實現空域數字無線通信。
[0054] W上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，本說明書中所公開的任一特征，除非特別 敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加W替換;所公開的所有特征、或所有方 法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟W外，均可W任何方式組合。
【主權項】
1. 一種基于時間反演電磁波點陣聚焦的2D-SPM數字無線通信方法，包括以下步驟： 設定系統發送端陣列天線有Μ個陣元，包圍或半包圍著系統接收端陣列天線，接收端陣 列天線有Ν個陣元，以一維或二維陣列進行部署，陣元間距均大于時間反演電磁波的聚焦半 徑； 步驟1:選取系統接收端陣列天線處的第i，i = 1，2···Ν個陣元發射一個探測信號p(t)， 系統發送端陣列天線處的第」，」=1義^個陣元接收，接收到的信號為5^(〇; 對y#⑴進行時間反演處理，得到接收信號的時間反演信號SWthyW-t)，對發送端 陣列天線處每個陣元的接收信號}^(0，」=1，2-1均進行時間反演處理，將1個信號排列成 一個列向量，其矢量形式表達為[Sii(t) S2i(t)…Sji(t)…SMi(t)]T; 在接收端陣列天線處，按照天線序號依次發送相同的探測信號P(t)，對系統發送端陣 列天線處每個陣元的接收信號5^(t)依次重復上述處理過程，得到N個列向量，從而得到載 波矩陣：步驟2:數據源產生串行隨機二進制比特序列，經過串/并轉換將串行二進制比特序列 轉換為N路并行二進制比特流，即bT=[bi b2…bi…bN]T，bi = l Or 0 4 = 并行二進制比特流調制到載波上，即：其含義是傳輸二進制比特序列b時，系統發送 端陣列天線處的第j個陣元所發送的信號波形，從而實現2D-SPM調制，利用系統發送端陣列 天線將已調信號同步發射并送入無線信道； 步驟3:發送信號被系統接收端陣列天線處的第1，1 = 1，2^々個陣元接收，每個陣元的 接收信號經過信號峰值檢測后，得到各陣元接收信號的峰值六1，進行信號峰值比較后獲得 其最大值Amax; 步驟4:計算系統接收端陣列天線處各陣元接收信號的峰值仏與峰值最大值Amax的比值：根據判決規則:若m大于判決門限P，則判定在該格點位置處實現電磁波聚焦，信號所攜 帶的二進制比特信息為1，否則判定在該格點位置處未實現電磁波聚焦，信號所攜帶的二進 制比特信息為0,即：從而實現對多路并發2D-SPM信號的解調； 步驟5:按照系統接收端陣列天線的編號順序將解調出的并行二進制比特進行并/串轉 換，得到串行二進制比特序列，輸出二維空間格點位置處所攜帶的二進制比特序列?，最終 實現2D-SPM數字無線通信。
【文檔編號】H04L1/06GK105827288SQ201610137833
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月11日
【發明人】趙德雙, 郭子珍, 郭洪龍, 王秉中
【申請人】電子科技大學