一种基于极化信道容量的极化调制星座设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于极化信道容量的极化调制星座设计方法及装置。本方法为：1)建立极化调制通信场景下的无线通信极化信道模型H

A polarimetric modulation constellation design method and device based on polarimetric channel capacity

【技术实现步骤摘要】
一种基于极化信道容量的极化调制星座设计方法及装置
本专利技术属于通信
，涉及一种采用无线信号极化状态传输信号情况下，极化调制星座图的设计方法。
技术介绍
电磁波极化状态作为描述电磁波在传播过程中的电场旋向信息，在传统的调幅、调频调相的基础上，提供了额外的自由度来传输信息，提高频谱使用效率，进一步增加信道传输容量。采用极化状态传输的一个关键步骤是调制，调制过程中极化星座图的设计，对极化调制的传输效率和准确率有着直接的影响。目前的星座图设计主要包含以下三种方法：1.当存在符合调制阶数的多面体时，直接将信号星座点安排在对应阶数的多面体顶点上，这种方法可以保证星座图是最优的，但是只能应用于4,6,8,12,20阶数调制，当调制阶数不符合上述限制时，无法找到最优星座。2.最大化最优星座距离的方法。这种方法通过优化手段，寻找最优星座，使得星座点中的临近星座点的距离最大化。3.最小化误符号率的方法。这种方法通过优化手段，寻找最优星座，使得接收端的误符号率最小。目前的极化调制星座的设计方法，一方面，已有的星座设计方法采用经典欧式距离度量星座临近距离，极化星座图分布在庞加莱球面上，采用传统的欧氏距离去度量星座的最小星座距离，不能保证设计星座的最优性。另一方面，在实际采用极化调制进行通信的系统中，无线信道的去极化效应对于通信系统的性能有着非常大的影响，已有的星座设计方法没有考虑信道的去极化效应，因此，当信道存在去极化效应的时候，基于几何或者基于最小星座距离等设计出来的星座图，将不能保证星座最优。r>
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的星座设计方法的问题，考虑极化调制星座特殊的分布特性和无线信道的去极化效应，提出一种基于极化信道容量的星座设计方法，在信道去极化效应存在的情况下，提升极化调制通信的效率。本专利技术是一种新颖的星座设计的方法，本方法将信道的去极化效应考虑在内，可以在信道具有去极化效应的影响下，达到更大的信道容量。本专利技术提出了一种遗传算法来解决优化问题，这种优化方法可以搜索到接近最优的极化星座结构。本专利技术的技术方案为：一种基于极化信道容量的极化调制星座设计方法，其步骤包括：1)建立极化调制通信场景下的无线通信极化信道模型HP；其方法为：通过极化相关矩阵RP求得所述无线通信极化信道模型HP，即vec(HpH)＝Rp1/2vec(HwH)；其中矩阵Hw中四个元素都符合独立循环复指数分布幅度|αk|＝1并且相位βk服从[0,2π)的均匀分布。所述极化相关矩阵其中，μ表示共极化比鉴别度，χ表示交叉极化鉴别度；σ表示垂直或水平极化天线发射，垂直与水平极化天线接收的接收相关系数；表示垂直与水平极化天线发射，垂直或水平极化天线接收的发射相关系数；δ1表示垂直极化天线发送垂直极化天线接收与水平极化天线发送，水平极化天线接收信道间的主极化相关系数；δ2表示垂直极化天线发送水平极化天线接收与水平极化天线发送垂直极化天线接收信道间的反极化相关系数。2)根据设定的调制阶数M，确定极化调制通信条件下的星座限制信道容量CΓ计算模型；Γ为M阶极化状态调制符号集，其方法为：选取等符号概率p(γs,φs)＝1/M确定星座限制信道容量CΓ计算模型其中p(γs,φs)是接收极化状态的概率密度函数，是接收和发送极化状态的互信息。进一步的，其中为接收端极化状态在庞加莱球上的概率密度分布函数，为发射极化状态已知条件下，接收端极化状态在庞加莱球上的条件概率密度分布函数。3)根据无线通信极化信道模型HP的信道参数，优化计算调制阶数M时星座限制信道容量CΓ最大值；其方法为：a)种群初始化：随机生成NP个个体，每个个体包含M个星座点，并对每一个体进行染色体编码；b)适应值计算：选取星座限制信道容量CΓ作为个体适应值f＝CΓ，测试是否满足优化结束条件k≥NG，如果符合，则结束计算；否则进行步骤c)；其中k为当前进化代数，NG为最大进化代数；c)动态标定：对步骤b)中的适应值进行动态线性标定；标定方法为其中为进化代数k时群体适应值最小值，ξk-1为进化代数k时的选择压力值，ξ0为选择压力值初始值，c为选择压力值缩放因子；d)选择：根据轮盘赌原则选择下一代父母，然后通过交叉和变异生成子代；其中以自适应交叉概率交叉；以自适应变异概率变异；其中，Pm为交叉概率，Pm1为设定最大变异概率，Pm2为设定最小变异概率；Pc为交叉概率，Pc1为设定最大交叉概率，Pc2为设定最小交叉概率，Fmax为动态标定后群体适应值最大值，Favg为动态标定后群体适应值的平均值；e)重复步骤b)～d)，得到星座限制信道容量CΓ最大值；4)将星座限制信道容量CΓ最大值对应的极化调制星座作为最优星座。一种基于极化信道容量的极化调制方法，其特征在于，利用所得到的最优星座对极化调制通信的信道容量进行极化调制。一种基于极化信道容量的极化调制星座设计装置，其特征在于，包括无线通信极化信道模型HP建模模块、星座限制信道容量CΓ计算模型和星座限制信道容量CΓ最大值解析模块；其中，所述无线通信极化信道模型HP建模模块，用于建立极化调制通信场景下的无线通信极化信道模型HP；所述星座限制信道容量CΓ计算模型为根据设定的调制阶数M，确定的极化调制通信条件下的星座限制信道容量CΓ计算模型；Γ为M阶极化状态调制符号集；所述星座限制信道容量CΓ最大值解析模块，用于根据无线通信极化信道模型HP的信道参数，优化计算调制阶数M时星座限制信道容量CΓ最大值，将星座限制信道容量CΓ最大值对应的极化调制星座作为最优星座；星座限制信道容量CΓ最大值的解析方法为：a)种群初始化：随机生成NP个个体，每个个体包含M个星座点，并对每一个体进行染色体编码；b)适应值计算：选取星座限制信道容量CΓ作为个体适应值f＝CΓ，测试是否满足优化结束条件k≥NG，如果符合，则结束计算；否则进行步骤c)；其中k为当前进化代数，NG为最大进化代数；c)动态标定：对步骤b)中的适应值进行动态线性标定；标定方法为其中为进化代数k时群体适应值最小值，ξk-1为进化代数k时的选择压力值，ξ0为选择压力值初始值，c为选择压力值缩放因子；d)选择：根据轮盘赌原则选择下一代父母，然后通过交叉和变异生成子代；其中以自适应交叉概率交叉；以自适应变异概率变异；其中，Pm为交叉概率，Pm1为设定最大变异概率，Pm2为设定最小变异概率；Pc为交叉概率，Pc1为设定最大交叉概率，Pc2为设定最小交叉概率，Fmax为动态标定后群体适应值最大值，Favg为动态标定后群体适应值的平均值；e)重复步骤b)～d)，得到星座限制信道容量CΓ最大值。与现有技术相比，利用本专利技术提供的方法对极化星座进行设计，具有以下优点：1、在信道没有去极化效应下，本方法可以找到接近规则几何星座的极化星座，达到最大星座容量。2、在信道存在去极化效应条件下，本方法找到的最优极化星座，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于极化信道容量的极化调制星座设计方法，其步骤包括：/n1)建立极化调制通信场景下的无线通信极化信道模型H

【技术特征摘要】
1.一种基于极化信道容量的极化调制星座设计方法，其步骤包括：
1)建立极化调制通信场景下的无线通信极化信道模型HP；根据设定的调制阶数M，确定极化调制通信条件下的星座限制信道容量CΓ计算模型；Γ为M阶极化状态调制符号集；
2)根据无线通信极化信道模型HP的信道参数，优化计算调制阶数M时星座限制信道容量CΓ最大值；其方法为：
a)种群初始化：随机生成NP个个体，每个个体包含M个星座点，并对每一个体进行染色体编码；
b)适应值计算：选取星座限制信道容量CΓ作为个体适应值f＝CΓ，测试是否满足优化结束条件k≥NG，如果符合，则结束计算；否则进行步骤c)；其中k为当前进化代数，NG为最大进化代数；
c)动态标定：对步骤b)中的适应值进行动态线性标定；标定方法为其中为进化代数k时群体适应值最小值，ξk-1为进化代数k时的选择压力值，ξ0为选择压力值初始值，c为选择压力值缩放因子；
d)选择：根据轮盘赌原则选择下一代父母，然后通过交叉和变异生成子代；其中以自适应交叉概率交叉；以自适应变异概率变异；其中，Pm为交叉概率，Pm1为设定最大变异概率，Pm2为设定最小变异概率；Pc为交叉概率，Pc1为设定最大交叉概率，Pc2为设定最小交叉概率，Fmax为动态标定后群体适应值最大值，Favg为动态标定后群体适应值的平均值；
e)重复步骤b)～d)，得到星座限制信道容量CΓ最大值；
3)将星座限制信道容量CΓ最大值对应的极化调制星座作为最优星座。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过极化相关矩阵RP求得所述无线通信极化信道模型HP，即vec(HpH)＝Rp1/2vec(HwH)；其中矩阵Hw中四个元素都符合独立循环复指数分布幅度|αk|＝1并且相位βk服从[0,2π)的均匀分布。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述极化相关矩阵其中，μ表示共极化比鉴别度，χ表示交叉极化鉴别度；σ表示垂直或水平极化天线发射，垂直与水平极化天线接收的接收相关系数；θ表示垂直与水平极化天线发射，垂直或水平极化天线接收的发射相关系数；δ1表示垂直极化天线发送垂直极化天线接收与水平极化天线发送，水平极化天线接收信道间的主极化相关系数；δ2表示垂直极化天线发送水平极化天线接收与水平极化天线发送垂直极化天线接收信道间的反极化相关系数。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选取等符号概率p(γs,φs)＝1/M确定星座限制信道容量CΓ计算模型其中p(γs,φs)是接收极化状态的概率密度函数，是接收和发送极化状态的互信息。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中为接收端极化状态在庞加莱球上的概率密度分布函数，为发射极化状态已知条件下，接收端极化状态在庞加莱球上的条件概率密度分布函数。


6.一种基于极化信道容量的极化调制方法，其特征在于，利用权利要求1所得到的最优星座对极化调制通信的信道容量进行极化调制。


7.一种基于极化信道容量的极化调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张巧遇，魏冬，黄伟庆，张萌，王文，
申请(专利权)人：中国科学院信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11