一種結(jié)合卷積編碼的新型空移鍵控系統(tǒng)

郭鵬程，周長征，鄭家祥

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000)

一種結(jié)合卷積編碼的新型空移鍵控系統(tǒng)

郭鵬程，周長征，鄭家祥

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000)

提出了一種與卷積編碼結(jié)合的新型空移鍵控系統(tǒng)，并給出了三種卷積編碼結(jié)構(gòu)。首先，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的傳輸模型以及卷積編碼構(gòu)造；其次，分析了系統(tǒng)接收端天線檢測所采用的譯碼算法，并對接收算法復(fù)雜度作了比較；最后，在萊斯衰落信道下對該方案的傳輸性能進(jìn)行了仿真分析，比較了不同卷積編碼構(gòu)造下的方案與傳統(tǒng)的空移鍵控技術(shù)的優(yōu)劣勢。結(jié)果表明：該方案可以很好地提高系統(tǒng)的抗信道衰落性能。

卷積編碼；萊斯衰落信道；空移鍵控

0 引言

MIMO技術(shù)發(fā)展迅速，其通過并行的子信道來實現(xiàn)空間復(fù)用，從而能顯著提高系統(tǒng)傳輸速率與頻譜利用率，如貝爾實驗室的垂直分層空時編碼技術(shù)(V-BLAST)[1-2]。MIMO技術(shù)通過增加系統(tǒng)復(fù)雜度和費(fèi)用為代價換取更好的誤碼率性能和數(shù)據(jù)傳輸速率。但在實際應(yīng)用中會存在一些問題，如信道間干擾以及多天線間的同步問題。

由R.Mesleh和H.Haas提出的空間調(diào)制技術(shù)(Spatial Modulation，SM)[3-5]一定程度上克服了這些問題，其核心思想是：在所有的發(fā)送天線中每時刻只有一根天線處于激活狀態(tài)，被選擇用來發(fā)送信息，其余天線處于靜默狀態(tài)。天線序號攜帶部分發(fā)送信息，其余信息通過常規(guī)調(diào)制來實現(xiàn)，而接收端通過天線序號的估計和發(fā)送符號的解調(diào)來恢復(fù)信息。這樣，空間調(diào)制[6]可以有效避免信道間干擾和多天線發(fā)射的同步性問題，同時打破了傳統(tǒng)MIMO中對收發(fā)天線數(shù)目的限制。

J.Jeganathan和A.Ghrayeb等人在空間調(diào)制的基礎(chǔ)上提出了空移鍵控技術(shù)(Space Shift Keying，SSK)[7]，僅通過激活發(fā)送端天線序號來實現(xiàn)信息調(diào)制，與空間調(diào)制相比取消了數(shù)字調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)，通過與單天線調(diào)制、V-BLAST以及SM的性能比較，在相同的頻譜利用率的情況下，SSK具有與SM相似的性能，并優(yōu)于傳統(tǒng)的單天線調(diào)制，考慮到其低復(fù)雜度，一定程度上可以說明SSK的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[8]在SSK基礎(chǔ)上引入了空間分集技術(shù)，提出了廣義空移鍵控調(diào)制(Generalized Space Shift Keying，GSSK)的概念，通過從多根發(fā)送天線中選擇天線組合的形式來調(diào)制信號，可以以較小的天線成本滿足系統(tǒng)性能的要求，更充分地利用了空間資源，提高了頻譜利用率。

為了提高SSK的傳輸性能，本文提出了將卷積編碼與SSK結(jié)合的天線映射方案，為方便描述，將其稱為CSSK，并通過仿真對比分析了兩種調(diào)制模式在萊斯信道下的性能。

1 CSSK原理

1.1CSSK傳輸模型

空移鍵控(Space Shift Keying，SSK)調(diào)制的基本原理是：發(fā)送端信息全部映射在天線序列上，每時刻只有一根天線處于激活狀態(tài)，發(fā)送信息通過選擇不同的天線選擇來表示，發(fā)送脈沖符號并未調(diào)制任何信息，僅僅用來表示發(fā)送天線的工作狀態(tài)。而其余天線處于靜默狀態(tài)，天線本身的位置信息攜帶了發(fā)送信息。在接收端，只需檢測發(fā)射天線位置序號即可，然后通過解映射規(guī)則恢復(fù)信息序列。在空移鍵控技術(shù)中，空移鍵控沒有數(shù)據(jù)調(diào)制，在發(fā)送裝置上更加簡單，如減少了功放、射頻濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等調(diào)制裝置，因此具有更低的系統(tǒng)復(fù)雜度。

CSSK傳輸模型如圖1所示，輸入數(shù)據(jù)首先進(jìn)行卷積編碼，編碼輸出后，經(jīng)過一定的天線調(diào)制規(guī)則選擇發(fā)送天線，此時發(fā)送符號與SSK一致，可表達(dá)為矢量形式:x“1”所處的位置代表被激活的天線位置，“0”表示天線靜默。萊斯信道為矩陣H，H是一個Nr×Nt復(fù)數(shù)矩陣，對應(yīng)萊斯因子k，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。

圖1 CSSK傳輸模型

發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過卷積編碼后進(jìn)行天線選擇，此時須滿足一定的天線調(diào)制規(guī)則，由于系統(tǒng)發(fā)送功率一定，即E[XHX]=1，舉例說明，當(dāng)發(fā)送天線數(shù)目Nt=8時，SSK映射如表1所示。

表1 SSK映射

表1表示一種Nt=8的天線調(diào)制規(guī)則，每時刻從8根天線中選擇一根發(fā)送天線，表示3 bit發(fā)送信息。M維SSK映射可以表示的有效信息位為log2(M)，此時發(fā)送天線數(shù)Nt須滿足Nt=M。

在萊斯信道條件下，接收信號可以表示為[7]：

(1)

其中，ρ為每根接收天線的平均信噪比(SNR)；h表示信道矩陣H第列，說明信道H中只有第列處于激活狀態(tài)；η為Nr維噪聲信號，滿足復(fù)高斯分布CN(0,1)。經(jīng)過萊斯信道H后，接收端首先進(jìn)行天線檢測，解調(diào)信息后再進(jìn)行Viterbi反饋譯碼，最后恢復(fù)發(fā)送信息。

1.2卷積編碼構(gòu)造

CSSK中采用的卷積編碼構(gòu)造如圖2所示。

圖2 卷積編碼構(gòu)造

圖中x表示每一次天線切換所傳輸?shù)男畔⒈忍貍€數(shù)，s表示輸出位數(shù)。輸入數(shù)據(jù)Xn進(jìn)入卷積構(gòu)造進(jìn)行卷積編碼，通過與寄存器中的數(shù)據(jù)運(yùn)算，輸出信息通過數(shù)值轉(zhuǎn)換后選擇發(fā)送天線序號，而且輸出位數(shù)s對應(yīng)發(fā)送天線數(shù)目Nt，對應(yīng)關(guān)系為Nt=2s。因此，卷積構(gòu)造主要由兩個要素決定，即x和s，x決定信息卷積輸入，s決定卷積輸出，兩者改變?nèi)我庖粋€意味著卷積結(jié)構(gòu)的改變。

輸入數(shù)據(jù)與寄存器之間的卷積關(guān)系具有一定靈活性，而探索一種有效的卷積結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。本文列舉了3種卷積結(jié)構(gòu)，分別為構(gòu)造1：x=1，s=3，發(fā)送天線Nt=8；構(gòu)造2：x=1，s=4，發(fā)送天線Nt=16；構(gòu)造3：x=2，s=3，發(fā)送天線Nt=8。構(gòu)造1如圖3所示。

圖3 Nt=8、x=1的卷積編碼構(gòu)造

在圖3中，輸入數(shù)據(jù)Xn進(jìn)入卷積編碼器，通過與兩個寄存器中的數(shù)據(jù)運(yùn)算得到三位輸出值(yn,3,yn,2,yn,1)，通過轉(zhuǎn)換選擇相應(yīng)的發(fā)送天線。

構(gòu)造2對輸出位數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，即發(fā)送天線數(shù)目由8增加到16，輸入數(shù)據(jù)與寄存器之間的卷積關(guān)系不變，如圖4所示。

當(dāng)改變輸入數(shù)據(jù)位數(shù)，每次天線跳變由傳輸1 bit信息變?yōu)? bit，同時發(fā)送天線數(shù)目不變時，即為構(gòu)造3，如圖5所示。當(dāng)x=2時，卷積函數(shù)的構(gòu)造會有更多選擇的空間，復(fù)雜度也會大大增加，同時不同的卷積構(gòu)造形式對系統(tǒng)性能影響較大，圖5采取一種兩輸入三輸出的構(gòu)造形式。

圖4 Nt=16、x=1的卷積編碼構(gòu)造

圖5 Nt=8、x=2的卷積編碼構(gòu)造

2 接收算法

(2)

(3)

得到天線位置序號后，對天線序號進(jìn)行解映射，恢復(fù)相應(yīng)的信息比特，這種解映射屬于簡單的十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制過程，因此，天線檢測與解映射可以看作一個整體?？梢詫⑦@個整體作為天線位置進(jìn)行路徑搜索，進(jìn)行Viterbi反饋譯碼，對檢測錯誤的天線進(jìn)行糾錯，從而恢復(fù)信息序列。

3 復(fù)雜度分析

從復(fù)數(shù)乘法的角度分析，CSSK與SSK有著相同的運(yùn)算量[3]，即：

δCSSK=δSSK=NrM

(4)

M表示整個星座調(diào)制大小，相當(dāng)于發(fā)送天線數(shù)目，即M=Nt；從復(fù)數(shù)加法的角度考慮，對SSK而言，運(yùn)算量為：

ζSSK=2NrM-M

(5)

再來分析CSSK的復(fù)數(shù)加法運(yùn)算量，接收端在進(jìn)行天線檢測后，對解映射信息進(jìn)行Viterbi反饋譯碼，從而恢復(fù)信息序列。以圖3中卷積編碼函數(shù)構(gòu)造為例，信息狀態(tài)有4個，在譯碼過程中，取譯碼深度為3，可以保證所有狀態(tài)都能匯合，狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖6所示。

圖6 卷積函數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

其加法運(yùn)算量可以表示為:

ζCSSK=2NrM-M+2L

(6)

L表示狀態(tài)個數(shù)，此外，CSSK在每時刻會有L次比較運(yùn)算。因此，CSSK相比于SSK會有更大的算法復(fù)雜度。

4 CSSK性能仿真分析

仿真條件1：萊斯衰落信道，萊斯因子k=1，仿真點(diǎn)數(shù)num=200 000，接收天線數(shù)目Nr=8，發(fā)送天線數(shù)目分別為Nt=8和Nt=16，卷積編碼構(gòu)造1與構(gòu)造2下的CSSK與SSK性能比較。

仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出：在萊斯衰落信道中，當(dāng)占用相同的天線資源時，構(gòu)造1下的CSSK傳輸性能優(yōu)于SSK，在BER為10-3時，CSSK優(yōu)于SSK約2 dB；而構(gòu)造2下的CSSK傳輸性能優(yōu)于SSK約3 dB，但代價是每次天線切換傳輸信息比特數(shù)的下降。同時，對相同接收天線數(shù)目條件下，構(gòu)造1條件下SSK與CSSK均優(yōu)于構(gòu)造2，說明發(fā)送與接收天線數(shù)目的相對數(shù)目對系統(tǒng)傳輸性能影響較大。

圖7 萊斯信道下CSSK、SSK性能比較

仿真條件2：萊斯衰落信道，萊斯因子k～(0～3)，仿真點(diǎn)數(shù)num=200 000，收發(fā)天線數(shù)目Nr=8和Nt=8， 卷積編碼構(gòu)造3下的CSSK與SSK性能比較。

仿真結(jié)果如圖8所示，可以看出：在相同的收發(fā)天線數(shù)目下，隨著萊斯因子的增大，SSK與CSSK的傳輸性能都在逐漸下降，由k=0到k=1時，性能下降最明顯，在BER為10-3時，SSK與CSSK性能均下降約3 dB左右,而從k=1到k=2,k=2到k=3時，SSK與CSSK性能均下降約1 dB左右。CSSK與SSK相比，當(dāng)占用相同的天線資源時，在相同k值情況下，CSSK性能均要優(yōu)于SSK，在BER為10-3、k=1時，CSSK性能優(yōu)于SSK約1.5 dB左右。

圖8 不同萊斯因子條件下CSSK、SSK性能比較

CSSK經(jīng)過卷積編碼及Viterbi譯碼，對系統(tǒng)的傳輸性能有了較大的提升，但也存在一定的限制。例如，發(fā)送端天線的數(shù)目對應(yīng)信息卷積結(jié)構(gòu)輸出，而每次切換所傳輸比特數(shù)對應(yīng)卷積結(jié)構(gòu)輸入，而兩者任一改變意味著卷積結(jié)構(gòu)的改變。此外，當(dāng)發(fā)送天線為Nt=8，每次天線切換時，SSK能傳輸3 bit信息，而構(gòu)造3下CSSK只能傳輸2 bit信息，這也是CSSK提升信道抗衰落性能所付出的代價。

CSSK通過卷積構(gòu)造產(chǎn)生的天線序列隨機(jī)性有了較大改觀，這種卷積構(gòu)造除了改善系統(tǒng)傳輸性能外，也使得天線序號由直接映射轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性運(yùn)算，獲得了較好的隨機(jī)性，從而增加了系統(tǒng)的抗破譯與抗截獲性能[10]。

5 結(jié)論

本文提出了一種將卷積編碼與SSK結(jié)合的新型空移

鍵控技術(shù)(CSSK)，對CSSK的傳輸模型以及卷積編碼構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對接收端天線檢測與復(fù)雜度進(jìn)行了深入分析。通過在萊斯信道下對SSK與CSSK的性能仿真比較，證明了CSSK相比于SSK提高了系統(tǒng)的抗信道衰落性能，代價是每次天線切換傳輸比特數(shù)的下降，但這一點(diǎn)也可以通過改進(jìn)卷積編碼構(gòu)造進(jìn)行完善。此外，CSSK提升了發(fā)送端天線序列的隨機(jī)性，這樣可以額外增加系統(tǒng)的抗截獲性能。下一步可以考慮將卷積編碼構(gòu)造與GSSK相結(jié)合，這樣不僅能節(jié)省天線資源，提高傳輸效率，其組合樣式也會大大增加。

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A new type of space shift keying modulation combined with convolutional coding

Guo Pengcheng, Zhou Changzheng, Zheng Jiaxiang

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China, Luoyang 471000, China)

In this paper, a new space shift keying modulation scheme combined with convolutional coding is proposed, and three convolutional coding structures are given. Firstly, the transmission model and the convolutional coding structure of the system are introduced. Secondly, the decoding algorithm of antenna detection used in the receiver is analyzed, and the complexity of the receiving algorithm is compared. Finally, the transmission performance of the scheme is simulated and analyzed in the Rician fading channel, and the advantages and disadvantages of the scheme under different convolution coding structures and traditional space shift keying modulation are compared. The results show that the proposed scheme can prove the anti-channel fading performance of the system.

convolutional coding; Rician fading channel; space shift keying

TP918

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.018

郭鵬程，周長征，鄭家祥.一種結(jié)合卷積編碼的新型空移鍵控系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：62-65,69.

2017-05-12)

郭鵬程(1991-)，通信作者，男，碩士，研究實習(xí)員，主要研究方向：通信抗干擾與編碼調(diào)制。E-mail: kaka_pc@163.com。