基于補(bǔ)碼的差分空間調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任靖淵 許翎靖 金小萍

摘? 要：為了提出一種基于補(bǔ)碼的差分空間調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)（complement code-differential spatial modulation，CC-DSM）設(shè)計(jì)方案，來(lái)克服差分空間調(diào)制（differential spatial modulation，DSM）技術(shù)應(yīng)用在協(xié)作系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的干擾，本文在DSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合協(xié)作系統(tǒng)，將復(fù)雜的DSM系統(tǒng)移入中繼，并在系統(tǒng)中加入補(bǔ)碼以增強(qiáng)抗干擾能力，最后對(duì)CC-DSM系統(tǒng)進(jìn)行仿真并與其他系統(tǒng)比較性能差異。繪制CC-DSM系統(tǒng)與Gold-DSM系統(tǒng)在準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落信道下的誤碼率性能圖。同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)DSM系統(tǒng)與CC-DSM系統(tǒng)之間的誤碼率性能。研究得出，基于補(bǔ)碼的差分空間協(xié)作調(diào)制系統(tǒng)在相同信噪比條件下，系統(tǒng)抗干擾能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的差分空間調(diào)制系統(tǒng)和基于Gold碼的差分空間調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)Gold-DSM。

關(guān)鍵詞：差分空間調(diào)制;協(xié)作系統(tǒng);補(bǔ)碼

中圖分類號(hào)：TN911? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）19-0061-04

Abstract：To propose a complement code-differential spatial modulation （CC-DSM） design scheme to compensate for the interference generated by differential spatial modulation （DSM） technology when applying collaborative systems. Based on the DSM system，combined with the cooperative system，the complex DSM system is moved into the relay，and the complement code is added to the system to enhance the anti-interference ability. Finally，the CC-DSM system is simulated and compared with other systems. The BER performance charts of CC-DSM system and Gold-DSM system in quasi-static flat rayleigh fading channel are plotted. At the same time，the BER performance between the traditional DSM system and the CC-DSM system is compared. It is concluded that the anti-jamming capability of DSM system based on complement code is better than that of traditional DSM system and Gold-DSM system based on Gold code under the same SNR.

Keywords：differential spatial modulation;collaboration system;complement code

0? 引? 言

空間調(diào)制技術(shù)（spatial modulation，SM）[1]作為一種新型的多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）調(diào)制技術(shù)，通過(guò)每次只激活一根發(fā)射天線，借助一條射頻鏈路，有效地克服了多輸入多輸出系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題，如發(fā)射天線間的干擾、同步及系統(tǒng)的高能耗問(wèn)題。然而SM技術(shù)要求接收端對(duì)當(dāng)前信道狀態(tài)（channel state information，CSI）進(jìn)行精確估計(jì)以檢測(cè)所有傳遞信息。但在移動(dòng)場(chǎng)景下，由于對(duì)高速變化的信道進(jìn)行精確估計(jì)是相當(dāng)困難的，因此差分空間調(diào)制技術(shù)（differential spatial modulation，DSM）[2，3]被提出。

正是DSM獨(dú)特的性質(zhì)，使其在新興的無(wú)線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，其中DSM多與協(xié)作通信、可見(jiàn)光通信等系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合。協(xié)作通信系統(tǒng)在多用戶通信環(huán)境中，利用信道的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)單天線終端偵聽另一終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，同時(shí)按照一定的方式向目的端轉(zhuǎn)發(fā)另一終端數(shù)據(jù)。因此協(xié)作通信系統(tǒng)在一定程度上解決了傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中終端設(shè)備在能耗、復(fù)雜度方面所面臨的硬件問(wèn)題，使多輸入多輸出技術(shù)具有更強(qiáng)的可行性。目前協(xié)作系統(tǒng)應(yīng)用主要有雙跳半雙工正交信道模型和連續(xù)中繼（successive-relaying，SR）兩種協(xié)作模式，其中SR因能彌補(bǔ)半雙工協(xié)作通信的損失，因而得到廣泛利用。DSM系統(tǒng)與協(xié)作系統(tǒng)相結(jié)合能夠有效提升系統(tǒng)性能，但是協(xié)作系統(tǒng)在非正交的模式下，容易引起中繼間和天線間的干擾。

因此，本文提出一種新的協(xié)作通信系統(tǒng)方案，即基于補(bǔ)碼的差分空間調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)（complement code-differential spatial modulation，CC-DSM），利用補(bǔ)碼降低中繼間的干擾。將信號(hào)從時(shí)間維度和空間維度上進(jìn)行差分調(diào)制和解調(diào)，同時(shí)保持單條射頻鏈路的優(yōu)勢(shì)，降低能耗的同時(shí)又可以為任意數(shù)量的天線信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果顯示該方案的誤碼率性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的DSM系統(tǒng)和基于Gold碼的差分空間調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)（Gold-DSM）。

1? 基于補(bǔ)碼的差分空間調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本節(jié)介紹了基于補(bǔ)碼的差分空間調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖及設(shè)計(jì)原理。如圖1中系統(tǒng)框圖所示，以差分空間索引調(diào)制技術(shù)為核心，在外圍搭載抗干擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用。由于DSM系統(tǒng)要求較大的天線陣列以滿足信道容量需求，考慮到目標(biāo)信源端（Source Node）為便攜式的移動(dòng)設(shè)備，故將較為龐大的DSM移動(dòng)到中繼端（Relay）中，通過(guò)中繼端的進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)的目的。圖1中，以一個(gè)用戶作為發(fā)射端（信源端S），已調(diào)信號(hào)通過(guò)中繼端，再經(jīng)過(guò)差分空間索引調(diào)制后，發(fā)送到另一個(gè)用戶（目的端D）。

1.1? 信源端

假設(shè)在信源端有一串長(zhǎng)度為l的比特流S有待發(fā)送，為了能夠?qū)⑵鋫鬟f到中繼端進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的發(fā)射，先對(duì)其進(jìn)行L-PSK/QAM調(diào)制，得到已調(diào)信號(hào)xr，xr為q個(gè)L階的調(diào)制符號(hào)的矩陣，xr為一個(gè)一行q列的矩陣，r為當(dāng)前得到的符號(hào)矩陣的序號(hào)，下同。則有：

該信息通過(guò)移動(dòng)設(shè)備的天線進(jìn)入信道，（A）T代表A的轉(zhuǎn)置矩陣，其中A為任意矩陣。

1.2? 中繼端

從信源端發(fā)出的信息經(jīng)過(guò)信道后，得到信息Y：

其中H為信道系數(shù)，且服從復(fù)高斯分布CN（0，），為方差。其中N為噪聲向量，且服從復(fù)高斯變量CN（0，N0），其中N0為噪聲方差。在中繼端接收到該信號(hào)后，先進(jìn)行補(bǔ)碼解碼得到信息：

然后進(jìn)行差分解碼與解調(diào)，得到原始的比特流S。接著對(duì)該串比特流做串并轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)DSM，將該串比特流分為兩部分，其中一部分用作天線矩陣的選擇，另一部分用作信號(hào)的調(diào)制，兩串比特流的長(zhǎng)度應(yīng)分別為log2Q與Ntlog2L比特，其中用于發(fā)射天線矩陣構(gòu)造的比特流映射出天線矩陣。令Nt為發(fā)射天線數(shù)目，經(jīng)過(guò)映射關(guān)系可得到天線矩陣A（m），A（m）∈。在用作信號(hào)調(diào)制的比特流中，對(duì)其作L-PSK調(diào)制，得到Nt個(gè)M進(jìn)制的L-PSK調(diào)制符號(hào)組成的矩陣? ，其中? 是一個(gè)一行q列的符號(hào)矩陣。

其中當(dāng)m=0時(shí)，St（0）=I∈。最后將差分后的信號(hào)矩陣St（m）通過(guò)補(bǔ)碼得到Sct（m），其通過(guò)中繼端的發(fā)射天線陣列轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)入信道。

1.3? 目的端

當(dāng)前在目的端接收到的信號(hào)為YDN（m）。由于信號(hào)在發(fā)送之前經(jīng)過(guò)多次調(diào)制，因此先進(jìn)行補(bǔ)碼解碼，得到信號(hào)矩陣Ym：

其中Sm是中繼端最后送入信道的信號(hào)矩陣Sct（m），m表示當(dāng)前接收的信號(hào)矩陣的序號(hào)。且上一次目的端接收到的信號(hào)為：

在DSM系統(tǒng)中，可以認(rèn)為信道系數(shù)H在兩次連續(xù)的發(fā)射過(guò)程中是不變的，即Hm=Hm-1。再由式（11）可知：

其中=Nm-Nm-1Sm。依據(jù)最大似然檢測(cè)（maximum-likelihood，ML）規(guī)則，最大似然檢測(cè)的目的是找到能夠以較高概率產(chǎn)生觀察數(shù)據(jù)的系統(tǒng)發(fā)生樹，ML的公式為：

其中? 與? 分別代表發(fā)射天線矩陣與調(diào)制符號(hào)矩陣。根據(jù)預(yù)先可知的所有可能信號(hào)矩陣集合，得到中繼端調(diào)制的信號(hào)矩陣：

最后解調(diào)得原始比特流S。

2? 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

本節(jié)借助MATLAB R2014a對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中設(shè)定信源端（SN）中繼端（RN）發(fā)射天線數(shù)分別為1、4;中繼端（RN）目的端（DN）接收天線數(shù)分別為1、2;且SN調(diào)制為BPSK，DN調(diào)制為QPSK，來(lái)驗(yàn)證CC-DSM無(wú)線通信系統(tǒng)的抗干擾性能，并與Gold-DSM系統(tǒng)和傳統(tǒng)的DSM系統(tǒng)進(jìn)行比較。

圖2與表1給出了CC-DSM系統(tǒng)與Gold-DSM系統(tǒng)在準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落信道下的誤碼率性能。仿真過(guò)程采用控制單一變量原則，因此為保證兩種碼具有近似相等的擴(kuò)頻因子，互補(bǔ)碼采用（4，4，16）的完全互補(bǔ)碼，Gold碼采用63位長(zhǎng)度的碼。CC-DSM系統(tǒng)與Gold-DSM系統(tǒng)分別采用互補(bǔ)碼與Gold碼來(lái)降低中繼間的干擾，因此在理論上我們可以對(duì)這兩種碼的自相關(guān)特性進(jìn)行分析。因?yàn)榛パa(bǔ)碼在偶周期、奇周期和非周期相關(guān)函數(shù)定義下皆可以獲得理想的自相關(guān)和互相關(guān)特性，而Gold碼僅在偶周期相關(guān)定義下可以獲得近似理想的自相關(guān)特性，因此，理論上采用補(bǔ)碼的系統(tǒng)抵抗干擾的能力應(yīng)高于Gold碼。在實(shí)際仿真中，由圖2可以明顯看出，在相同條件下，當(dāng)信噪比不小于5時(shí)，CC-DSM系統(tǒng)的誤碼率性能均優(yōu)于Gold-DSM系統(tǒng)。由此可以得出結(jié)論：CC-DSM系統(tǒng)的性能總體要優(yōu)于Gold-DSM系統(tǒng)。

因?yàn)镃C-DSM通信系統(tǒng)在發(fā)射端進(jìn)行補(bǔ)碼編碼（見(jiàn)式（3）），同時(shí)在中繼端對(duì)發(fā)射信息Sc（m）進(jìn)行補(bǔ)碼解碼，為最大程度發(fā)揮DSM系統(tǒng)無(wú)需估計(jì)信道狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，其在中繼端對(duì)補(bǔ)碼解碼后的比特流S做傳統(tǒng)DSM發(fā)射端對(duì)比特流的處理。并在其通過(guò)發(fā)射天線陣列進(jìn)入信道前，對(duì)差分編碼后的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)碼編碼，來(lái)降低中繼間的干擾。CC-DSM系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)DSM系統(tǒng)結(jié)合了補(bǔ)碼與協(xié)作系統(tǒng)，理論上擁有更好的誤碼率性能。在實(shí)際仿真中，從圖3可以明顯看出，CC-DSM系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)DSM系統(tǒng)，具有更好的抗干擾性，在相同的信噪比條件下，誤碼率性能更優(yōu)，系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3? 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）基于傳統(tǒng)DSM系統(tǒng)，CC-DSM系統(tǒng)結(jié)合了協(xié)作系統(tǒng)。引入中繼端，并將信號(hào)的發(fā)射部分移至中繼端，在一定程度上解決了DSM系統(tǒng)終端設(shè)備在能耗、復(fù)雜度方面所面臨的硬件問(wèn)題，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的可行性。

（2）CC-DSM系統(tǒng)結(jié)合了補(bǔ)碼。根據(jù)其在偶周期、奇周期和非周期相關(guān)函數(shù)定義下皆可以獲得理想的自相關(guān)和互相關(guān)特性的性質(zhì)，在系統(tǒng)信源端、中繼端及目的端對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)碼、編碼和解碼，以提高系統(tǒng)整體的抗干擾能力，更好地發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

4? 結(jié)? 論

本文在傳統(tǒng)差分空間調(diào)制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合協(xié)作系統(tǒng)和補(bǔ)碼技術(shù)提出CC-DSM系統(tǒng)。通過(guò)仿真對(duì)CC-DSM系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。該系統(tǒng)借助協(xié)作系統(tǒng)，簡(jiǎn)化信源端硬件設(shè)備，同時(shí)利用補(bǔ)碼增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：任靖淵（1998.08-），男，漢族，浙江臺(tái)州人，本科在讀，主要研究方向：差分空間調(diào)制;許翎靖（1998.07-），女，漢族，安徽淮北人，本科在讀，主要研究方向：空間調(diào)制;通訊作者：金小萍（1978.11-），女，漢族，浙江衢州人，副教授，博士，主要研究方向：無(wú)線通信物理層關(guān)鍵技術(shù)。