結(jié)合天線選擇和索引組合映射調(diào)制的MIMO系統(tǒng)研究

謝 欣，金 寧,金小萍，倪鑫鑫

(1.中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國計量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.南京郵電大學(xué)通達學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

結(jié)合天線選擇和索引組合映射調(diào)制的MIMO系統(tǒng)研究

謝 欣1，金 寧2,金小萍2，倪鑫鑫3

(1.中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國計量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.南京郵電大學(xué)通達學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

空間調(diào)制是一種高數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的多輸入多輸出無線傳輸技術(shù)，因其發(fā)射天線被信息序列隨機激活，若被激活的信道狀態(tài)不佳將導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼性能下降.于是，提出一種結(jié)合天線選擇和索引組合映射調(diào)制的傳輸方案.該方案將傳統(tǒng)空間調(diào)制的激活天線索引比特和星座符號索引比特組合映射為一個新的調(diào)制符號，結(jié)合天線選擇算法確定最佳發(fā)射天線子集，將新的調(diào)制符號通過最佳信道進行傳輸.在算法實現(xiàn)過程中采用了奇異值分解和硬限制檢測等方法降低計算復(fù)雜度.實驗分別仿真了兩種天線選擇算法下的系統(tǒng)性能.結(jié)果表明，提出的方案比傳統(tǒng)的空間調(diào)制系統(tǒng)具有更好的誤比特率特性.

天線選擇;索引值調(diào)制;空間調(diào)制;MIMO系統(tǒng)

Abstract: Spatial modulation (SM) is a high data rate low complexity multi-input multi-output (MIMO) wireless communication technology. Since the transmit antenna is activated randomly by the spatial modulated information sequence, bad conditions of the activated channels will cause a performance reduction inevitably. In this paper, an index mapping MIMO system with antenna selection (MIMO-IM-AS) is proposed. The traditional SM’s activated antenna index bits and the constellation symbol index bits are combined to form a new modulation symbol. The antenna selection algorithms are employed to determine the optimum transmit antenna subset. The new modulation symbols are then transmitted over the optimal channels. The singular value decomposition(SVD) and hard-limiting detection methods are adopted to reduce the computation complexity of the algorithms. The system performances under two different antenna selection algorithms are presented. The simulation results show that the proposed MIMO-IM-AS system has better Bit error rate characteristics than the traditional SM system.

Keywords: antenna selection; index mapping; spatial modulation; MIMO system

多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMIO)技術(shù)在發(fā)射端和接收端配置多根天線可以有效對抗無線傳輸多徑衰落和提高系統(tǒng)容量，但是需要解決信道間干擾、天線同步、多射頻鏈路等問題，且其接收機復(fù)雜度過高，適用性不強[1].空間調(diào)制(Spatial Modulation，SM)是近些年提出的一種MIMO傳輸方案，在一個傳輸時隙中只有一根天線被激活用于發(fā)送信息，其余天線均不發(fā)射信號，不存在信道間干擾，也不需要進行多天線同步，從而有效降低了接收機復(fù)雜度.同時，被激活的發(fā)送天線索引用于攜帶信息比特(空域調(diào)制信息比特)，故SM系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率[2-3].

在空間調(diào)制中，由于發(fā)射天線被信息比特序列隨機激活，當(dāng)被激活天線對應(yīng)的信道狀態(tài)很差時，將導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率增大.文獻[4] 提出一種基于索引調(diào)制(Index Modulation, IM)的MIMO方案(以下簡稱為MIMO-IM)，該方案將星座調(diào)制符號索引值和激活天線索引值組合映射到一個新的調(diào)制符號中，然后通過最好的信道進行傳輸.與傳統(tǒng)SM系統(tǒng)相比，MIMO-IM方案改善了系統(tǒng)的誤比特性能，通過激活多根天線同時傳輸還可以獲得額外的分集增益.然而，該文獻沒有論及具體的天線選擇方法，同時，接收端采用的最大似然檢測(Maximum Likelihood, ML)算法由于遍歷搜索策略具有高的計算復(fù)雜度.

天線選擇(Antenna Selection，AS)技術(shù)作為一種提高性能的方法在多天線系統(tǒng)中被廣泛研究[5].經(jīng)典的天線選擇算法有基于最大化最小歐式距離(Euclidean Distance optimized Antenna Selection, EDAS)、基于最大化信道容量(Capacity Optimized Antenna Selection, COAS)以及基于范數(shù)的天線選擇算法等，這些算法近年被研究應(yīng)用于傳統(tǒng)的SM系統(tǒng)中，獲得了比傳統(tǒng)SM更好的誤碼率性能[6-7].

本文將天線選擇技術(shù)引入索引調(diào)制MIMO系統(tǒng)，提出一種結(jié)合發(fā)射天線選擇和索引組合映射的MIMO(MIMO-IM-AS)方案，并且分析了最大化最小歐式距離、最大化信道容量兩種天線選擇準則在MIMO-IM-AS中的應(yīng)用性能.其接收端采用硬限制(Hard-Limiting, HL)技術(shù)以簡化ML算法來有效降低接收端的復(fù)雜度和計算量.

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)發(fā)射天線總數(shù)為Nt，接收天線數(shù)為Nr,發(fā)射天線選擇的過程：接收端根據(jù)信道狀態(tài)為發(fā)射端選擇與接收射頻鏈路相匹配、滿足SM系統(tǒng)數(shù)目要求的最優(yōu)天線子集Nselected，并通過反饋通道通知發(fā)射端，使發(fā)射端可以選取具有最好信道的天線來發(fā)送信息.假設(shè)發(fā)射端需要激活的天線數(shù)是nt，為與傳統(tǒng)的SM系統(tǒng)做比較，文中取nt=1.圖1為MIMO-IM-AS系統(tǒng)模型.

在圖1中，b是K×1的二進制信息向量，將向量b改寫成l行、K/l列的矩陣P.其中l(wèi)是每個符號傳輸?shù)谋忍啬?，每個時隙發(fā)送矩陣P的一列，矩陣P的每一列向量l×1進一步的分割log2(Nt)和log2(M)兩部分，M為星座符號的調(diào)制階數(shù).前l(fā)og2(Nt)比特映射為激活天線索引值(a部分)，后log2(M)比特映射為符號索引值(b部分)，經(jīng)過組合映射后得到一個新的發(fā)射符號索引值x=a+bj.

圖1 MIMO-IM-AS方案的系統(tǒng)模型Figure 1 System model of MIMO-IM-AS

M=4M=1600T1S1101T2S2210T3S3311T4S441+j 2+j 3+j 4+j1+2j2+2j3+2j4+2j1+3j2+3j3+3j4+3j1+4j2+4j3+4j4+4jé?êêêêù?úúúú 1+j -3+j 3+j -1+j1-3j-3-3j3-3j-1-3j1+3j-3+3j3+3j-1+3j1-j-3-j3-j-1-jé?êêêêù?úúúú

圖時對信號星座圖的修正Figure 2 Reshape of signal constellation points

根據(jù)映射規(guī)則，發(fā)送信號可表示為Xj,m=

(1)

接收端的接收信號y=[y1,y2,…,yNr]T可表示為

(2)

接收端只要估計出兩個量(即天線組合序號與發(fā)射符號)就可以逆映射出發(fā)射端的信號.隨著調(diào)制階數(shù)M的增大，采用ML算法檢測的復(fù)雜度成指數(shù)級增大，故本文采用硬限制檢測算法來估計發(fā)射端天線序號組合與調(diào)制符號.

2 天線選擇算法

2.1 EDAS準則

基于最大化最小歐氏距離天線選擇準則(Euclidean Distance optimized Antenna Selection, EDAS)假定L代表從Nt根發(fā)射天線中選取Nselected(Nselected≤Nt)根天線的所有可能的集合，共有n種情況.從所有備選天線子集中選出最小歐氏距離最大的子集[8]，即

(3)

由于該算法的計算需要遍歷所有可能的信道矩陣和向量差，復(fù)雜度較高,故本文采用一種基于信道矩陣奇異值分解的低復(fù)雜度歐氏距離天線選擇算法(low-complexity Euclidean Distance optimized Antenna Selection based on SVD, lc-EDAS).該方案對子信道矩陣進行奇異值分解，得到不同天線子集對應(yīng)的上三角矩陣，并通過硬限制策略對搜索符號進行估計，以此達到降低計算復(fù)雜度的目的.算法具體流程如下.

(4)

其中，D(I)是L的一個Nselected×Nselected的上三角子矩陣,{minD(I)}代表矩陣D(I)的非零元素的最小值.

其中,R是對[hi-hj]進行奇異值分解后得到的一個4×4的上三角矩陣，在矩陣(1,2)和(3,4)位置是0,i=1,2.siI是si的虛部，siQ是si的實部s2I、s2Q、s1I、s1Q能夠直接通過如下的硬限制算法獲得:

(6)

(7)

其中，ui=(ri,3s2I+ri,4s2Q)/ri,i，i=1,2;ri,j是R的第(i,j)th個元素.硬限制符號搜索策略確定選擇的點是包括在Ni-PAM(M=N1N2，i∈1,2)中的星座調(diào)制中,s2的估計則是與上式得到的硬限制估計得到的s1之間歐式距離最小的符號.

在基于最大化信道容量的天線選擇準則(Capacity Optimized Antenna Selection, COAS)中，從Nt根發(fā)射天線中選擇合適的Nselected根天線來使得系統(tǒng)容量最大[8].

在MIMO-IM-AS中，由于空域調(diào)制信息比特已經(jīng)通過組合映射包含在傳輸符號中.因此，這里的最優(yōu)天線子集不需攜帶信息,Nselected可以為1，若Nselected>1則系統(tǒng)還可以具有額外的分集增益.

3 硬限制檢測算法

接收端的檢測器采用硬限制檢測算法(Hard-Limiting, HL),若符號S是一個方格星座圖的一點，例如正方形或長方形的QAM星座圖，QAM信號可以是兩個PAM信號的笛卡爾積，S1=N1-PAM，S2=N2-PAM,則接收端的檢測為

(9)

(10)

(11)

4 仿真結(jié)果

圖3 傳統(tǒng)MIMO-SM與MIMO-IM的性能對比Figure 3 Performance comparison of traditional MIMO-SM and MIMO-IM

圖4 MIMO-IM-lcEDAS在不同天線數(shù)目下的誤比特率Figure 4 Bit error rate of MIMO-IM-lcEDAS under different antenna numbers

圖5 MIMO-IM-COAS在不同天線數(shù)目下的誤比特率Figure 5 Bit error rate of MIMO-IM-COAS under different antenna numbers

圖6 MIMO-IM-COAS與MIMO-IM-lcEDAS在相同天線數(shù)目下的誤比特率Figure 6 Bit error rate of MIMO-IM-COAS and MIMO-IM-lcEDAS under the same antenna numbers

5 結(jié) 論

本文將基于索引組合映射的調(diào)制方案和不同的天線選擇算法相結(jié)合，分析對比索引組合映射調(diào)制在不通天線選擇方案的情況下的誤碼率性能，并將該方案與傳統(tǒng)的空間調(diào)制系統(tǒng)進行了對比,發(fā)現(xiàn)該方案提升了系統(tǒng)性能.基于索引組合映射的調(diào)制方案將重新映射得到的符號進行點對點通信，同時天線選擇方案將該符號通過信道條件最佳的天線來進行傳輸,接收端采用硬限制檢測，從而有效的降低了檢測復(fù)雜度.

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ResearchofindexmappingspatialmodulationMIMOsystemswithantennaselection

XIE Xin1, JIN Ning2, JIN Xiaoping2, NI Xinxin3

(1.College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China； 2.College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China；3. College of Electronic Engineering, Tongda College of Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210000, China)

2096-2835(2017)03-0340-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.012

2017-03-03 《中國計量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址zgjl.cbpt.cnki.net

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(No.LY17F010012)，浙江省教育廳項目(No.Y201432108)，浙江省寧波大學(xué)信息與通信工程重中之重學(xué)科開放基金項目(No.xkx11414).

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