基于SM調(diào)制的Massive MIMO信號檢測算法*

楊大江，鐘子發(fā)，宋常建，朱然剛

（電子工程學(xué)院安徽省電子制約技術(shù)重點實驗室，合肥230037）

基于SM調(diào)制的Massive MIMO信號檢測算法*

楊大江，鐘子發(fā)，宋常建，朱然剛

（電子工程學(xué)院安徽省電子制約技術(shù)重點實驗室，合肥230037）

近幾年來，大規(guī)模多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）的信號檢測問題已經(jīng)引起了人們的關(guān)注，在研究了置信度傳播（Belief Propagation，BP）算法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的空間調(diào)制下的基于信息傳遞過程的Massive MIMO（Message Passing Detection for Spatial Modulation，MPD-SM）檢測算法，給出了兩種不同用戶天線數(shù)下的仿真對比圖，結(jié)果表明，在這兩種仿真下，所提算法性能要優(yōu)于M-MIMO下傳統(tǒng)的檢測算法，且在一定程度上降低了大規(guī)模MIMO多用戶檢測的復(fù)雜度，提高了檢測效率。

大規(guī)模MIMO，信號檢測，多用戶，調(diào)制階數(shù)

0 引言

基站配置幾十到幾百個天線的Massive MIMO系統(tǒng)，具有很高的頻譜利用率、很高的能量利用率和很高的鏈路可靠性的特點，是Beyond-4G、5G和綠色無線通信等下一代無線電框架的潛在技術(shù)解決方案，近年來引起了國內(nèi)外的極大關(guān)注，成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點［1］。然而Massive MIMO技術(shù)要在實際中得以運用卻還存在以下一些問題：①當(dāng)多個發(fā)射天線在相同的頻段上同時發(fā)送相同的信號時，接收端會形成很強地信道間干擾［2］；②大規(guī)模的天線間的同步很難保證；③由于多個射頻鏈路的存在，Massive MIMO的實際運用成本會增大?？臻g調(diào)制（Spatial Modulation，SM）技術(shù)［3］的出現(xiàn)在一定程度上能夠解決這些問題，這里定義SM調(diào)制下的MIMO系統(tǒng)為SM-MIMO，SM-MIMO具有如下特點：①在SM-MIMO系統(tǒng)中雖然有多個發(fā)送天線，但是只有一條射頻鏈路；②發(fā)送的比特信息經(jīng)過傳統(tǒng)的調(diào)制映射到相應(yīng)的天線上進行發(fā)送，這樣天線序號也能承載部分發(fā)送信息，能進一步提高系統(tǒng)的頻譜利用率，降低硬件實現(xiàn)的難度及耗費成本。針對多用戶SM-MIMO系統(tǒng)，國外已有研究［4-5］，文獻［5］中仿真結(jié)果表明在同樣頻譜利用率的情況下，SM-MIMO多用戶的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)MIMO多用戶，性能提升達數(shù)dBs，不足在于僅僅是考慮了最大似然（Maximum Likelihood，ML）算法［6］檢測的情況，但該算法在Massive MIMO系統(tǒng)中檢測復(fù)雜度極大，很難得到實際應(yīng)用，本文在于將Massive MIMO系統(tǒng)中的置信度傳播（message passing）算法引入到SM-MIMO系統(tǒng)中，提出MPD-SM（Message Passing Detection，MPD）算法；仿真結(jié)果表明該算法在檢測復(fù)雜度與檢測性能可達到很好的平衡。

1 多用戶SM-MIMO系統(tǒng)模型

1.1 空間調(diào)制的基本原理［7］

在SM調(diào)制下，一個時刻只有一根發(fā)射天線發(fā)送信息，其他天線不發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，發(fā)送天線間的同步問題和信道間的干擾問題就得到了很好的解決。與此同時，發(fā)射天線數(shù)可看作是一個空域上的調(diào)制星像圖，而不是一個純發(fā)送信號的載體，從而提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。

SM系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 SM通信系統(tǒng)框圖

如圖1所示SM-MIMO通信系統(tǒng)中，配置N根發(fā)送天線，M根接收天線，采用BPSK的調(diào)制方式，在SM-mapping table中，以N=4 BPSK的為例，調(diào)制規(guī)則如下：

（1）首先對發(fā)送天線進行選擇，在SM調(diào)制中，根據(jù)發(fā)送地二進制比特信息選擇相應(yīng)的發(fā)射天線的；

（2）對要發(fā)送的二進制比特信息進行BPSK數(shù)字調(diào)制；

（3）根據(jù)（2）中得到地調(diào)制符號和發(fā)射天線的序號，得到發(fā)射信息矩陣；

（4）在接收端，通過最大比合并（MRC）算法估計出此時刻的發(fā)射天線序號，依據(jù)估計出的發(fā)射天線序號，解調(diào)出發(fā)送符號，再按照SM-mapping table中的調(diào)制解調(diào)規(guī)則解調(diào)出相應(yīng)地發(fā)送比特信息。

SM技術(shù)具有如下幾個特點：

①只需要一條射頻鏈路，實現(xiàn)成本上有很大的下降；②空間調(diào)制技術(shù)將數(shù)字調(diào)制二維映射擴展為三維映射，增加了空間維，從而增大了星座圖上的歐氏距離，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)對接收天線數(shù)目的要求。

1.2 多用戶SM-MIMO系統(tǒng)模型

考慮一個多用戶SM-MIMO系統(tǒng)，上行鏈路有K個用戶，基站側(cè)有N根接收天線，每一個用戶采用SM調(diào)制發(fā)送小信號，這里假設(shè)每個用戶擁有nt根發(fā)射天線，但是每個用戶只有一條射頻鏈路，根據(jù)SM調(diào)制的原理，用戶每次發(fā)送信息時只選擇nt根天線中的一條。

多用戶SM-MIMO系統(tǒng)模型如下：

圖2 多用戶SM-MIMO系統(tǒng)模型

其向量形式為：

運用最大后驗概率（maximum a posteriori probability）準則，有：

2 MPD-SM算法

2.1 算法的基本原理描述

將信息傳遞的過程用因子圖［8］來表示：

圖3 因子圖在MPD-SM算法中的流程

可將式（2）化為：

其中pki（s）表示信息從第k個變量節(jié)點到第i個觀察節(jié)點之間的傳遞：

具體傳遞流程如下：

（1）初始化：初始化pki（s）到，并對相關(guān)系數(shù)i，k，s進行初始化操作；

（2）根據(jù)式（6）、式（7）分別計算出μik和σ2ik；

（3）由式（8）計算出pki，為了加快收斂速度，在式（8）中加入一個抑制因子δ?（0，1］。

重復(fù)步驟（2）、（3）直到迭代過程結(jié)束，最終得到的符號可表示為：

基站測得到的第k個用戶的檢測向量為：

2.2 算法過程描述

根據(jù)2.1中的算法的基本原理，具體算法過程描述如下：

輸入：y，H，σ2

2.3 算法復(fù)雜度分析

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真實驗

對多用戶SM-MIMO系統(tǒng)采用所提的MPD-SM算法與Massive MIMO下的ML（采用球形檢測）算法在同樣地頻譜效率下，對于Massive MIMO，仿真參數(shù)設(shè)置為K=16，每個用戶有一條射頻鏈路；且N=64，128；對于SM-MIMO系統(tǒng)，每個用戶分別有2根，4根發(fā)射天線。

圖4 nt=2時多用戶MIMO下檢測性能比較

圖5 nt=4時多用戶MIMO下檢測性能比較

3.2 性能分析

在3.1節(jié)的仿真實驗中，圖4的仿真結(jié)果表示為SM-MIMO系統(tǒng)（nt=2，nrf=1，4-QAM）和Massive MIMO系統(tǒng)（mt=1，nrf=1，8-QAM）下仿真算法性能比較，每個用戶擁有3 bpcu（bits per channel use）；由圖4可以看出，SM-MIMO系統(tǒng)下的性能較之于Massive MIMO有數(shù)dBs的提高，如圖中BER=10-3時，SM-MIMO檢測性能上有2.5 dB～3.5 dB的提升。

圖5所示SM-MIMO系統(tǒng)（nt=4，nrf=1，4-QAM）與Massive MIMO系統(tǒng)下（mt=1，nrf=1，16-QAM）的檢測性能相比，性能上約有3 dB～4 dB的提升。

在SM-MIMO系統(tǒng)中，信息比特的傳遞不僅是在天線指數(shù)之間，而且在調(diào)制符號上也能承載，所以能以更低階的QAM調(diào)制方式，達到Massive MIMO中采用高階調(diào)制才能達到的頻譜效率，同時，低階的QAM調(diào)制能量利用率更高，因而，SM-MIMO系統(tǒng)效率能得到進一步地提升。

4 結(jié)束語

本文提出了一種低復(fù)雜度的大規(guī)模SM-MIMO信號檢測算法，所提算法基于信息傳遞的原理，實驗仿真表明所提算法能在較低檢測復(fù)雜度下達到較好的檢測性能：在相同的頻譜效率下有數(shù)dB性能提升，并且，SM-MIMO系統(tǒng)能在低階QAM調(diào)制下，采用MPD-SM算法取得Massive MIMO下高階QAM調(diào)制才能達到的頻譜效率，實驗仿真表明所提算法在SM-MIMO下是一種低復(fù)雜度的大規(guī)模MIMO檢測算法。

［1］徐國珍，蔣偉，劉安，等.有限反饋下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能仿真［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，24（5）：589-594.

［2］Taoka H，Higuchi K.Field Experiment on 5-Gbit/s Ultra-high Speed Packet Transmission using MIMO Multiplexing in Broadband Packet Radio Access［J］.NTT DoCo-Mo Tech.Journ，2007，9（2）：25-31.

［3］Wubben D，Bohnke R，Kuhn V.Kammeyer Efficient Algorithm for Deteting Layered Space-time Codes［M］.ITC Conference on Source and Channel Coding，Berlin，Germany，2002.

［4］Li M，Bougart B，Lopez E，et al.Selective Spanning withfast Enumeration：A Near Maximum Likelihood MIMO Detector Designedfor Parallel Programmable Baseband Architectures［J］.in Proc IEEE Int Conf Commun，2008，23（19）：737-741.

［5］Noh M，Lee Y，Park H.A Low Complexity LMMSE Channel Estimation for OFDM［M］.IEE Proc.Commun，2006.

［6］MahdaviM，ShabanyM，VahdatB.AModifiedComplexK-best SchemeforHigh-speedHard-outputMIMODetectors［J］.in Proc.Int.MidwestSymp.CircuitsSyst，2010：845-848.

［7］Liu L，Lofgren J，Nilsson P.Area Efficient Configurable High Throughput Signal Detector Supporting Multiple MIMO Modes［J］.IEEE Traps.Circuits Syst.I Reg，2012，59（9）：2085-2096.

Research of SM-modulation Based Signal Detection Algorithm for Massive MIMO

YANG Da-jiang，ZHONG Zi-fa，SONG Chang-jian，ZHU Ran-gang
（Electronic Engineering Institute.Key Laboratory of Electronic Restriction of Anhui Province，Hefei 230037，China）

In recent years，large-scale multiple-input multiple-output（Multi-Input Multi-Output，MIMO）signal detection problem has attracted much attention，this paper studies the belief propagation（Belief Propagation，BP）-based algorithm on the proposed（Message Passing Detection for Spatial Modulation，MPD-SM）detection algorithm based Massive MIMO information transfer process.A new spatial modulation under the simulation comparison chart under two different modulation patterns，the results show that，under different circumstances modulation order，the performance of the proposed algorithm is superior to the traditional detection algorithm under the M-MIMO.And to some extent，the complexity of large-scale multi-user MIMO detection is reduced and the detection efficiency is improved.

large-scale MIMO，signal detection，multi-user，modulation order

TN911.23

A

1002-0640（2015）12-0053-04

2014-11-29

2015-01-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（11375263）；國防預(yù)研基金項目（41101040402）

楊大江（1989-），男，湖南常德人，碩士研究生。研究方向：MIMO信號檢測技術(shù)。