基于卷積編碼的發(fā)射天線星座圖空間調(diào)制系統(tǒng)

辛秀，楊芷華，方澤凱

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基于卷積編碼的發(fā)射天線星座圖空間調(diào)制系統(tǒng)

辛秀，楊芷華，方澤凱

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

為了提高空間調(diào)制系統(tǒng)的可靠性，本文提出了一種基于卷積編碼輔助設(shè)計(jì)發(fā)射天線星座圖的空間調(diào)制系統(tǒng)，有效利用卷積碼的糾錯(cuò)能力，提高M(jìn)IMO通信系統(tǒng)的誤碼性能. 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在同一條件下，基于卷積編碼輔助設(shè)計(jì)發(fā)射天線星座圖的空間調(diào)制系統(tǒng)優(yōu)于漢明碼輔助設(shè)計(jì)星座圖的空移鍵控調(diào)制系統(tǒng)和網(wǎng)格編碼空間調(diào)制系統(tǒng)，分別有和的增益.

卷積編碼；空間調(diào)制；MIMO

多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)能充分利用空間資源，通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍提高系統(tǒng)信道容量[1]. Mesleh等[2]學(xué)者提出了空間調(diào)制傳輸技術(shù)（spatial modulation，SM），即在每一個(gè)傳輸時(shí)隙，SM系統(tǒng)通過(guò)由發(fā)送的信息比特選擇的一根天線發(fā)送調(diào)制符號(hào)，因此SM不僅通過(guò)傳統(tǒng)的調(diào)制符號(hào)傳輸信息，而且通過(guò)選擇天線的空間位置也能傳送信息. 為了進(jìn)一步提高SM通信系統(tǒng)的性能，2010年，Elkalagy和Basar等[3]在此基礎(chǔ)上提出了廣義空間調(diào)制（generalized spatial modulation，GSM），GSM在每個(gè)傳輸時(shí)隙發(fā)送的信息比特可以同時(shí)映射多根發(fā)射天線，與傳統(tǒng)的SM相比提高了系統(tǒng)容量. 同年，Mesleh等[4]提出了網(wǎng)格編碼空間調(diào)制（trellis coded spatial modulation，TCSM）傳輸方案，TCSM把映射天線索引號(hào)的信息比特進(jìn)行網(wǎng)格編碼，再用網(wǎng)格編碼器輸出的碼字映射發(fā)射天線索引號(hào)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的誤碼性能. 該方案中，所提出的網(wǎng)格編碼技術(shù)還可以進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)更高性能是通信傳輸.

2009年Jeganathan等[5]提出了空移鍵控調(diào)制（space shift keying，SSK），SSK工作原理是只利用發(fā)射天線星座來(lái)傳輸信息，而發(fā)射天線不發(fā)射傳統(tǒng)的星座調(diào)制符號(hào)，因此在解調(diào)的時(shí)候只需要檢測(cè)出發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的星座就可以恢復(fù)全部的發(fā)射信息. 為了提高SSK系統(tǒng)的誤碼性能，2012年Ronald Y等[6]提出了漢明碼輔助設(shè)計(jì)星座圖的空移鍵控調(diào)制（SSK with Hamming code-aided constellation design，HSSK），HSSK是先把發(fā)送的信息比特進(jìn)行漢明編碼，編碼后的碼字就是對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線調(diào)制星座.

為了進(jìn)一步提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的誤碼性能，本文把卷積編碼應(yīng)用到空間調(diào)制系統(tǒng)中，提出了一種基于卷積編碼輔助設(shè)計(jì)發(fā)射天線星座圖的空間調(diào)制系統(tǒng)（SM with Convolution code-aided constellation design，CSM）. 在每個(gè)傳輸時(shí)隙，CSM把用于選擇發(fā)送天線的信息比特經(jīng)過(guò)卷積編碼，再利用碼字對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線星座中的發(fā)射天線發(fā)送調(diào)制符號(hào). 該系統(tǒng)的接收端采用最大似然檢測(cè)和維特比譯碼算法[7].

1 MIMO模型

在坡頂打入木樁或鋼釬，作為錨樁用，兩錨之間為每塊模袋混凝土的澆筑范圍，模袋上端穿插鋼管，每邊外露約25cm，鋼管端部焊系環(huán)，用5／8鋼絲扣串5T葫蘆系在陸上錨樁上，鋼絲扣長(zhǎng)度事先按現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡的斜長(zhǎng)計(jì)算好，5T葫蘆用來(lái)調(diào)節(jié)模袋上沿的位置，宜與現(xiàn)澆邊坡下沿重疊0.5m。模袋下端穿插鋼管，外露25cm，由潛水員向下將模袋理平，直至下沿鋼管，用繩扎牢。

當(dāng)信道為瑞利衰落時(shí)，式（2）中每個(gè)元素都是獨(dú)立同分布、均值為0、方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)變量.

當(dāng)信道為萊斯衰落時(shí)，式（2）中的信道矩陣可以表示為：

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模型

圖1是卷積碼輔助設(shè)計(jì)發(fā)射天線星座圖的空間調(diào)制系統(tǒng)方框圖. 假設(shè)長(zhǎng)度為的信息比特經(jīng)過(guò)個(gè)傳輸時(shí)隙傳輸，在第個(gè)傳輸時(shí)隙，發(fā)送端將長(zhǎng)度為的信息比特經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換分成（長(zhǎng)度為）和（長(zhǎng)度為）兩部分. 信息比特用來(lái)映射到QAM調(diào)制星座圖，形成調(diào)制符合. 信息比特經(jīng)過(guò)卷積編碼器編碼后產(chǎn)生比特的碼字，按發(fā)射天線星座圖映射成激活天線向量，是開(kāi)關(guān)電路控制向量，碼字與向量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示.

圖1 卷積編碼輔助設(shè)計(jì)發(fā)送天線星座圖的空間調(diào)制系統(tǒng)方框圖

表1 與對(duì)應(yīng)關(guān)系

表1 與對(duì)應(yīng)關(guān)系

全0碼字 非全0碼字

. （4）

2.2 通信機(jī)制

為了進(jìn)一步說(shuō)明卷積碼輔助設(shè)計(jì)發(fā)射天線星座的工作原理，考慮如圖2所示碼率為的卷積編碼器為例來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射天線星座.

圖2 卷積碼示意圖

表2 卷積編碼與發(fā)射天線星座間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證所提傳輸方案的系統(tǒng)性能，本文進(jìn)行了蒙托卡羅仿真實(shí)驗(yàn). 在MIMO系統(tǒng)中，，表示為的MIMO系統(tǒng)，CSM采用卷積編碼與BPSK調(diào)制.

圖3 MIMO系統(tǒng)中CSM和HSSK誤比特率曲線圖

圖4 MIMO系統(tǒng)中CSM和TCSM誤比特率曲線圖

4 結(jié)論

本文提出的卷積碼輔助設(shè)計(jì)發(fā)射天線星座圖的空間調(diào)制傳輸方案利用卷積碼較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，可以很好地提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的誤碼性能. 經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，在相同配置的MIMO系統(tǒng)中，系統(tǒng)傳輸速率相等時(shí)，在瑞利信道下，誤碼率為時(shí)，CSM比HSSK約有的增益；在萊斯信道下，誤碼率為時(shí)，CSM比TCSM約有的增益. 與網(wǎng)格編碼空間調(diào)制和漢明碼輔助設(shè)計(jì)星座圖的空移鍵控調(diào)制相比，本方案具有明顯的優(yōu)越性. 由此可以猜測(cè)，選擇更好的編碼設(shè)計(jì)發(fā)射天線圖，跟編碼技術(shù)有一定的相關(guān)性. 下一步將通過(guò)仿真運(yùn)用低密度奇偶校驗(yàn)碼（low density parity check code，LDPC）編碼和Polar極化碼編碼設(shè)計(jì)的天線星座圖，驗(yàn)證編碼技術(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)射天線圖與通信系統(tǒng)性能的關(guān)系.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

New Spatial Modulation with Convolutional Code-Aided Constellation

XINXiu, YANGZhi-hua, FANGZe-kai

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to improve the reliability of the space modulation system, this paper proposes a type of spatial modulating system based on convolution code-aided transmitting antenna constellation spatial modulation system. The proposed scheme employs the error-correcting ability of the convolution code to improve the performance of the MIMO communication system. Simulation results show that under the same conditions, the spatial modulation system based on the transmitting antenna constellation diagram aided by convolutional coding is superior to the shift keying modulation system based on the constellation graph aided by the Hamming code and to the spatial modulation system based on the trellis code, respectively with an extra gain ofand.

the convolutional code; spatial modulation; multiple-input multiple-output

1006-7302（2015）04-0052-05

TN919.3

A

2015-03-15

辛秀（1991—）女，江西撫州人，在讀碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)；楊芷華，副教授，博士，研究生導(dǎo)師，通信作者，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)的研究.