空間調(diào)制技術(shù)及發(fā)展*

郭鵬程,關(guān)勝勇,許 拔

(1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京210007;2.南京電訊技術(shù)研究所,江蘇南京210007)

空間調(diào)制技術(shù)及發(fā)展*

郭鵬程1,2,關(guān)勝勇2,許 拔2

(1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京210007;2.南京電訊技術(shù)研究所,江蘇南京210007)

作為一種多天線傳輸技術(shù),空間調(diào)制(SM)近年來發(fā)展迅速,與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比,能有效地避免信道間干擾(ICI)和多天線發(fā)射的同步問題。分析了空間調(diào)制技術(shù)的基本原理,并對(duì)天線接收算法進(jìn)行了分類比較。通過仿真比較了SM與垂直貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)結(jié)構(gòu)(V-BLAST),證明了SM性能上的優(yōu)勢(shì),同時(shí)分析了SM對(duì)獨(dú)立信道條件的依賴性。最后,空間調(diào)制研究熱點(diǎn)以及一些亟待解決的問題得到了深入的討論。

空間調(diào)制 信道間干擾 空移鍵控

0 引 言

近十年來,基于多天線的MIMO[1]傳輸技術(shù)無線通信領(lǐng)域發(fā)展迅速。MIMO系統(tǒng)是一種有多個(gè)發(fā)射與接收信道的通信系統(tǒng),它能夠有效地將通信鏈路分解成為許多并行的子信道,通過空間復(fù)用提高傳輸速率,如V-BLAST[2]系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)還能采用波束成形技術(shù)及多用戶檢測(cè)技術(shù)來抑制干擾[3],同時(shí)還具有空間分集的優(yōu)勢(shì),使系統(tǒng)具有很好的抗衰落和抗噪聲性能,可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

但MIMO系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在以下一些問題如:①當(dāng)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)送頻率相同的信號(hào)時(shí),接收端會(huì)形成強(qiáng)烈的信道間干擾(ICI);②多天線間的同步難以得到保證;③多個(gè)射頻鏈路使MIMO系統(tǒng)成本增大;④需要的接收天線數(shù)要多于發(fā)射天線數(shù),但受限于如手機(jī)等終端通信場(chǎng)景,影響了MIMO中空間復(fù)用等技術(shù)的應(yīng)用。

空間調(diào)制技術(shù)(SM)[4]的出現(xiàn)一定程度上解決了這些問題,可以有效避免信道間干擾(ICI)和多天線發(fā)射的同步性問題?？臻g調(diào)制技術(shù)具有如下特點(diǎn):①只需要一條射頻鏈路,實(shí)現(xiàn)的成本有較大下降;②空間調(diào)制技術(shù)將數(shù)字調(diào)制二維映射擴(kuò)展為三維映射,增加了空間維,從而增大了星座圖上的歐式距離,因此一定程度上降低了誤碼率;③可以在接收天線數(shù)目小于發(fā)射天線情況下正常工作,這避免了部分MIMO技術(shù)對(duì)接收天線數(shù)目的要求;④在空間調(diào)制系統(tǒng)中,每次發(fā)送信息只通過一根天線,這樣就大大簡(jiǎn)化了收發(fā)端的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

自2008年至今,空間調(diào)制技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注[5],尤其在最近幾年內(nèi)發(fā)展十分迅速,廣義空間調(diào)制(GSM)、空間調(diào)制與編碼的結(jié)合等技術(shù)都極大地?cái)U(kuò)展了SM。

1 空間調(diào)制原理

空間調(diào)制的基本原理是將一組發(fā)送比特信息分為兩部分,一部分經(jīng)過傳統(tǒng)的調(diào)制,如PSK、QAM等,另一部分是將調(diào)制信息映射到相應(yīng)的天線上進(jìn)行發(fā)送,這樣天線序號(hào)也承載了部分發(fā)送信息,大大提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。空間調(diào)制的基本模型如圖1所示。

圖1 空間調(diào)制模型Fig.1 Spatial modulation model

如圖1,假定發(fā)送天線數(shù)目為Nt,接收天線數(shù)目Nr,發(fā)送比特流x首先經(jīng)過比特分割為兩部分,一部分用來選擇天線,另一部分用來符號(hào)調(diào)制。調(diào)制后的比特經(jīng)過選擇的天線傳輸,發(fā)送符號(hào)矢量可表達(dá)為:x=[0…0 xv0…0]T,MIMO信道為H,H是一個(gè)Nr×Nt復(fù)數(shù)矩陣,矩陣中元素代表相應(yīng)發(fā)送天線到接收天線的信道增益。

這樣,接收端可以表示為[4]:y=Hx+n。其中γ表示所有接收天線的平均接收信噪比,n為復(fù)加性高斯白噪聲。通過對(duì)y的檢測(cè)與解調(diào)可以得出相應(yīng)的發(fā)送天線序號(hào)與調(diào)制信息,從而恢復(fù)發(fā)送信息。

空間調(diào)制在傳統(tǒng)調(diào)制方式上進(jìn)行了擴(kuò)展,增加了空間維,天線序號(hào)也作為表示信息的一個(gè)參數(shù),表1為一種單符號(hào)為3比特的空間調(diào)制映射示例。

表1 映射方式選擇Table1 Mapping mode selection

調(diào)制方式M和發(fā)射天線數(shù)目Nt共同決定了每時(shí)隙的傳輸比特?cái)?shù)k[6]:

由式(1)可知,在每時(shí)隙傳輸信息比特總數(shù)不變(即頻譜利用率不變)的情況下,調(diào)制方式和發(fā)射天線數(shù)目的選擇具有一定的靈活性,這種靈活的機(jī)制適合高速數(shù)據(jù)傳輸。

2 信號(hào)檢測(cè)算法

由于發(fā)送信息比特信息蘊(yùn)含在調(diào)制信息與傳送的天線序號(hào)上,接收端的解調(diào)也需進(jìn)行天線序號(hào)檢測(cè)與獨(dú)立的調(diào)制信息解調(diào),如果天線序號(hào)的檢測(cè)出現(xiàn)錯(cuò)誤,那么接收端即使遍歷所有的星座點(diǎn)也無法準(zhǔn)確地恢復(fù)信息,誤比特性能會(huì)急劇下降,嚴(yán)重影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。目前已知的天線序號(hào)估計(jì)算法主要有三種:迭代最大合并比算法(i-MRC)、最大似然算法、最優(yōu)譯碼算法。

2.1 i-MRC算法

設(shè)H為Nr×Nt時(shí)不變頻響信道矩陣,y為Nr的相關(guān)解調(diào)向量。定義:

在AWGN中,天線預(yù)測(cè)序號(hào)?為g(k)在k時(shí)刻取絕對(duì)值的最大點(diǎn)[7]。

獲取了天線序號(hào)?,就可以估計(jì)傳輸符號(hào):

式中,Q(·)為判決函數(shù)。

這種算法的實(shí)質(zhì)是迭代計(jì)算每個(gè)發(fā)送天線對(duì)應(yīng)的結(jié)果,選擇具有最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的發(fā)送天線序號(hào)。

2.2 最大似然算法(ML)

記傳輸符號(hào)x,信道符號(hào)xch屬于{#h1,#h2,…, #hM},#hm(m=1,2,…,M)表示第m信道。如果xch=#hm,則接收信號(hào)可表示為:

式中,x∈{s1,s2,…,sN},當(dāng)且僅當(dāng)

從上面的公式可以看出,ML[8]就是遍歷調(diào)制星座點(diǎn)和發(fā)射天線,聯(lián)合考慮天線序號(hào)和調(diào)制信號(hào)解調(diào),找出與接收向量之間歐式距離最小的一組數(shù)據(jù)。

2.3 最優(yōu)譯碼算法

最優(yōu)譯碼算法[6]是在最大似然算法(ML)的基礎(chǔ)上,對(duì)傳輸符號(hào)和天線序號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。記經(jīng)過SM映射的發(fā)送向量為:xjq=[0 0…xq…0]T,其中j代表接收天線序號(hào),xq表示第q個(gè)傳輸符號(hào),發(fā)送天線Nt=4。接收端的信號(hào)為:

式中,hj表示信道H第j列元素。基于最大合并比(MRC)接收的次最優(yōu)檢測(cè)天線估計(jì)序號(hào)^j以及傳輸符號(hào)^q可表示為:

式中,gjq=hjxq,1≤j≤Nt,1≤q≤M。

相比之下,i-MRC算法復(fù)雜度最低,最大似然算法實(shí)用性較好,適用于一般信道,最優(yōu)譯碼算法檢測(cè)誤碼率最低,但譯碼的復(fù)雜度較大。文中第三部分性能分析采用的是MRC算法。

3 性能分析

圖2為在獨(dú)立瑞利衰落信道下單符號(hào)分別攜帶4 bit時(shí)的空間調(diào)制與V-BLAST系統(tǒng)的誤碼率性能仿真曲線。在相同的頻帶利用率的條件下,SM與V-BLAST下相比,SM調(diào)制方式和天線組合方式更為靈活,如:2根發(fā)送天線和8QAM的組合或者4根發(fā)送天線和QPSK均可以實(shí)現(xiàn)4比特傳輸。從圖3中可以看出空間調(diào)制的性能在獨(dú)立信道條件下對(duì)于V-BLAST系統(tǒng)沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)Nt=Nr時(shí),SM性能優(yōu)于V-BLAST,在BER=1×10-3時(shí)增益為3 dB左右;當(dāng)Nt＜Nr時(shí),V-BLAST性能要優(yōu)于SM。同時(shí)還可以看出,不同發(fā)送天線下SM的兩條曲線在20 dB處會(huì)出現(xiàn)差異,2發(fā)送天線的性能會(huì)逐漸優(yōu)于4發(fā)送天線,這是因?yàn)殡S著信噪比的增加,天線數(shù)目增多會(huì)導(dǎo)致接收端檢測(cè)復(fù)雜度增大,對(duì)SM性能影響更嚴(yán)重。

圖2 4比特傳輸時(shí)SM與V-BLAST性能比較,Nr=4Fig.2 SM VS V-BLAST with 4 bits/Hz/s,Nr=4

圖3為在相關(guān)與非相關(guān)MIMO衰落信道條件下SM性能的比較,頻譜利用率分別為4～6 bit傳輸。從圖3中可以看出,在非相關(guān)信道條件下SM性能明顯優(yōu)于相關(guān)信道條件,說明SM對(duì)信道條件的依賴性很強(qiáng)。空間調(diào)制聯(lián)合了天線維和調(diào)制符號(hào)維,兩者相互交叉在一起,且天線域的信息比特和調(diào)制符號(hào)域的信息比特之間是相互獨(dú)立的,因此可以分析出空間調(diào)制在相關(guān)信道條件下,對(duì)天線序號(hào)的檢測(cè)準(zhǔn)確度將會(huì)嚴(yán)重下降,從而影響到整體空間調(diào)制的性能。

圖3 SM在相關(guān)非相關(guān)信道條件下性能比較,Nt=Nr=4Fig.3 SM performance comparison in correlated and uncorrelated channels

圖4分析了在不同接收天線數(shù)目條件下SM的仿真性能,可以看出:隨著Nr的增加,SM的性能會(huì)越來越好,這是因?yàn)楦嗟慕邮仗炀€可以提供更多的接收信息副本,增加了接收分集,從而提高了接收端的檢測(cè)譯碼準(zhǔn)確性。同時(shí),還知道當(dāng)Nt＞Nr時(shí), V-BLAST系統(tǒng)無法工作而SM性能正常,從這個(gè)角度來也可以看出SM的優(yōu)越性。

圖4 不同接收天線數(shù)目下SM性能比較,Nr=1-7Fig.4 SM performance comparison

4 空間調(diào)制技術(shù)的發(fā)展

自從R.Mesleh和H.Haas提出空間調(diào)制技術(shù)以來,空間調(diào)制很快成為研究熱點(diǎn),近年來又有了許多新的拓展。

4.1 廣義空間調(diào)制(GSM)

文獻(xiàn)[9-10]將空間調(diào)制與空間分集技術(shù)結(jié)合到一起提出了廣義空間調(diào)制(GSM)。在GSM系統(tǒng)中,選擇發(fā)送天線組合的一個(gè)子集進(jìn)行發(fā)射,與SM中單個(gè)天線發(fā)送相比可以顯著增加發(fā)送模式的選擇數(shù),可以達(dá)到更高的頻譜利用率,但代價(jià)是額外引入多天線的同步并且提高了系統(tǒng)復(fù)雜度。仿真表明,GSM系統(tǒng)比SM系統(tǒng)有更大的性能增益,而且GSM在調(diào)制星座圖大小與天線數(shù)目選擇上有更大的靈活性。

廣義空間調(diào)制更加充分地利用了空間資源,相對(duì)于SM引入了空間分集,同時(shí)在發(fā)送天線組合上發(fā)送相同的信息,這樣也避免了ICI。

4.2 SSK與GSSK

文獻(xiàn)[11]提出了空移鍵控(SSK),僅通過發(fā)射端激活天線的序號(hào)攜帶信息以完成對(duì)輸入比特流的調(diào)制,并與APM、V-BLAST以及SM進(jìn)行了性能比較,證明了SSK的優(yōu)越性。

文獻(xiàn)[12]在空移鍵控基礎(chǔ)上引入了空間分集技術(shù),充分利用了空間資源,提出了廣義空移鍵控(Generalized Space Shift Keying)調(diào)制的概念,創(chuàng)造性地提出了如何選擇多根天線組合形成空域星座點(diǎn)以達(dá)到系統(tǒng)性能最優(yōu),為以后無線通信領(lǐng)域的探索提供了新的思路。

在SSK和GSSK調(diào)制技術(shù)中,所有信息比特都用采用不同的發(fā)送天線組合來表示,發(fā)送的符號(hào)不攜帶任何比特信息,僅僅用來表示發(fā)送天線的工作狀態(tài)。GSSK相比于SSK引入了空間分集,提高了頻譜利用率。

4.3 STBC-SM

文獻(xiàn)[13]將空間調(diào)制技術(shù)與MIMO系統(tǒng)中的空時(shí)分組碼(STBC)結(jié)合起來,提出了一種新的高速率、低復(fù)雜度的傳輸體制,稱為 STBC-SM。在STBC-SM中,信息通過STBC矩陣進(jìn)行傳輸,對(duì)發(fā)送符號(hào)進(jìn)行編碼,既獲得了一定的分集增益,又提高了系統(tǒng)的頻帶利用率。采用最優(yōu)譯碼檢測(cè)時(shí),在不同天線數(shù)目和調(diào)制方式下,性能仿真表明STBC-SM比SM、V-BLAST約有大概3～5 dB的性能增益。

4.4 TCSM

文獻(xiàn)[14]將網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)應(yīng)用到空間調(diào)制(SM)中,稱為TCSM,其主要思想是將發(fā)送天線劃分成幾塊,使相鄰傳輸符號(hào)之間有最大可能的歐式距離,從而降低天線間的相關(guān)性。與SM、Alamouti及V-BLAST系統(tǒng)相比,在相同的頻譜利用率條件下,TCSM在瑞利衰落信道中呈現(xiàn)出更好的性能,而復(fù)雜度只有V-BLAST系統(tǒng)的80%。

4.5 CIOD-SM

文獻(xiàn)[15]在坐標(biāo)交織正交設(shè)計(jì)(CIOD)的空時(shí)編碼基礎(chǔ)上,提出了一種新型空間調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)具有4根發(fā)射天線,在一個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)天線發(fā)射符號(hào),降低了符號(hào)間干擾。仿真表明,在接收天線分別為2和4時(shí),采用最大似然檢測(cè)算法,CIOD-SM系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的空時(shí)分組碼和空間調(diào)制。

空間調(diào)制與編碼的結(jié)合如空時(shí)編碼、網(wǎng)格編碼等可以提供更好的分集增益,而接收端利用空域冗余信息來進(jìn)行發(fā)送符號(hào)的糾錯(cuò),因此檢測(cè)的準(zhǔn)確度會(huì)得到大幅度的提升。

5 結(jié) 語

空間調(diào)制技術(shù)作為一種開創(chuàng)性的調(diào)制技術(shù),在無線通信領(lǐng)域已經(jīng)體現(xiàn)出其性能優(yōu)勢(shì),但仍有許多問題與瓶頸亟待解決:

1)空間調(diào)制對(duì)發(fā)射天線數(shù)目有限制,必須為2的n次方,同時(shí)缺乏對(duì)天線陣列的充分應(yīng)用,會(huì)存在一些調(diào)制星座點(diǎn)的浪費(fèi),如何能做到最大限度地利用空間資源以使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳是一個(gè)需要深入研究的問題。

2)SM作為一種新的調(diào)制概念,其性能的好壞取決于發(fā)射天線間信道增益的差異性,因此空間調(diào)制對(duì)信道條件的依賴性較強(qiáng),而目前的研究比較局限于理想信道或者平坦衰落信道。

3)空間調(diào)制本身不能提供發(fā)射分集,需要借助其他手段來獲得,而與編碼技術(shù)(特別是空時(shí)編碼)的結(jié)合這方面的研究剛剛起步,具體的設(shè)計(jì)方案與接收算法仍有待進(jìn)一步研究。

4)空間調(diào)制技術(shù)需要進(jìn)行天線選擇,天線需要長(zhǎng)時(shí)間保持選擇狀態(tài),而在發(fā)送天線切換中由于脈沖成形會(huì)使傳輸信號(hào)延遲幾個(gè)符號(hào)周期,限制了射頻鏈路的快速切換,影響高數(shù)據(jù)速率傳輸。

隨著近些年研究不斷增多,空間調(diào)制已經(jīng)被應(yīng)用到一些重要研究領(lǐng)域,但還有許多值得探索的方向,如SM與Turbo碼、LDPC碼、網(wǎng)絡(luò)編碼等關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)合。SM屬于一種物理層傳輸技術(shù),結(jié)合綠色通信理念,折中優(yōu)化系統(tǒng)容量和能量消耗,這也會(huì)是個(gè)新穎的研究領(lǐng)域。

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郭鵬程(1990—),男,碩士,主要研究方向?yàn)闊o線通信抗干擾與編碼調(diào)制;

GUO Peng-cheng(1990-),male,M. Sci.,mainly engaged in wireless communication anti-jamming and code modulation.

關(guān)勝勇(1967—),男,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闊o線通信抗干擾與信號(hào)處理;

GUAN Sheng-yong(1967-),male,Ph.D.,senior engineer,majoring in wireless communication anti-jamming and signal processing.

許 拔(1981—),男,博士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o線通信抗干擾與編碼調(diào)制。

XU Ba(1981-),male,Ph.D.,engineer,mainly working at wireless communication anti-jamming and code modulation.

Spatial Modulation Technique and Development

GUO Peng-cheng1,2,GUAN Sheng-yong2,XU Ba2
(1.Institute of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Nanjing Telecommunication Technology Institute,Nanjing Jiangsu 210007,China)

Spatial modulation(SM)is a rapidly developing transmission technique with multiple antennas in recent years.Compared with the traditional MIMO technology,SM can avoid interchannel interference (ICI)and multiple antennas synchronization effectively.This paper analyses the basic theory of SM and classifis the receiving algorithms of multiple antennas.Compared with the vertical Bell lab layered spacetime structure(V-BLAST),SM has more superior performance.In addition,the dependence of SM on incorrelied channel condition through simulation is also analyzed.At last,the hot spot of SM research and some problems needed to be addressed will be further discussed.

spatial modulation(SM);ICI;space shift keying

TN911.3

A

1002-0802(2014)04-0343-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.04.001

解放軍理工大學(xué)預(yù)先研究青年基金資助項(xiàng)目(No.KY63ZLXY1301)

Foundation Item:Advanced Research Foundation of PLA University of Science and Technology for Youths(No.KY63ZLXY1301)