廣義索引調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙蒙蒙，金小萍，馮會(huì)真

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

廣義索引調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙蒙蒙，金小萍，馮會(huì)真

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

廣義空間調(diào)制-多輸入多輸出(GSM-MIMO)模型中傳輸天線組合由傳輸?shù)男畔⑿蛄须S機(jī)激活，即會(huì)產(chǎn)生傳輸天線信道性能不理想的情況，將大大削弱系統(tǒng)性能.同時(shí)，在檢測(cè)時(shí)因?qū)λ薪M合情況進(jìn)行遍歷使復(fù)雜度呈指數(shù)上升.結(jié)合索引思想提出了廣義索引調(diào)制技術(shù)(generalized index modulation, GIM)，即在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將傳輸符號(hào)標(biāo)記的索引與天線索引結(jié)合構(gòu)造成新的傳輸符號(hào)，再利用天線選擇算法傳輸.與GSM相比，解決了信道隨機(jī)分配所帶來(lái)的不良影，由于GIM構(gòu)造符號(hào)的多樣性傳輸速率有2比特以上的提高，同時(shí)接收端的檢測(cè)復(fù)雜度在多天線時(shí)有50%的下降.廣義索引調(diào)制更適用于衰落區(qū)分明顯的傳輸信道.

MIMO系統(tǒng)；空間調(diào)制；廣義索引

空間調(diào)制(spatial modulation, SM)是一種面向MIMO系統(tǒng)的低復(fù)雜度空間復(fù)用技術(shù)[1-2].在SM系統(tǒng)中，每個(gè)傳輸時(shí)隙僅需一根天線對(duì)外發(fā)送信號(hào)，其余天線均處于靜默狀態(tài).換言之，采用SM技術(shù)的發(fā)射機(jī)不需要為每根發(fā)射天線配置獨(dú)立的射頻前端鏈路，符合單射頻鏈路MIMO技術(shù)的基本特征[3].因此，SM系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)端無(wú)需天線同步，接收機(jī)端的接收信號(hào)不存在信道間干擾，從而可以顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度，獲得良好的能量效率[4].可是，SM技術(shù)的復(fù)用增益與發(fā)射天線數(shù)目成對(duì)數(shù)線性關(guān)系，傳輸效率不高.為了進(jìn)一步提高頻譜效率和系統(tǒng)的傳輸速率，我們不再局限于使用各獨(dú)立天線構(gòu)成空間星座，轉(zhuǎn)而采用多根發(fā)射天線的組合，并由此發(fā)展出了廣義空間調(diào)制(generalized spatial modulation, GSM)策略[5].GSM的突出特點(diǎn)是拓展了SM的空間域概念，改由多根被激活天線的組合構(gòu)成空間星座點(diǎn).因此，在配置相同數(shù)目的發(fā)射天線時(shí)，GSM系統(tǒng)往往能獲得比SM系統(tǒng)更高的頻譜效率[6].然而，廣義空間調(diào)制是利用傳輸比特隨機(jī)選擇傳輸信號(hào)所用的信道，當(dāng)所選信道衰落十分嚴(yán)重時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響，同時(shí)檢測(cè)復(fù)雜度相比SM系統(tǒng)也增大了很多[7].文獻(xiàn)[8]中提出了激活一個(gè)天線的空間調(diào)制索引系統(tǒng)，但其頻譜效率有限，傳輸速率不高.

對(duì)此，我們根據(jù)文獻(xiàn)[8]進(jìn)一步提出了一種基于索引調(diào)制的廣義索引調(diào)制系統(tǒng)模型.通過(guò)信息比特選擇多根天線索引，根據(jù)映射關(guān)系調(diào)制成傳輸符號(hào)發(fā)送.并根據(jù)天線選擇算法選擇最佳的天線進(jìn)行傳送，避免了衰落性能嚴(yán)重的傳輸信道[9].在接收端檢測(cè)時(shí)，僅需要檢測(cè)發(fā)送符號(hào)，大大降低了檢測(cè)復(fù)雜度，同時(shí)提高了傳輸效率.

1 設(shè)計(jì)方案

圖1 GIM系統(tǒng)模型Figure 1 Diagram of GIM System

索引調(diào)制映射成構(gòu)造符號(hào)為[1+1j,2+2j,3+4j].

表1 10bit·Hz-1·s-1 GIM映射規(guī)則Table 1 10bit·Hz-1·s-1 GIM mapping rules

表2 GIM與GSM采用4QAM調(diào)制時(shí)比特傳輸速率對(duì)比Table 2 Bit transmission rate comparison

(1)

(2)

本文以實(shí)數(shù)相乘個(gè)數(shù)作為計(jì)算復(fù)雜度，GIM的檢測(cè)復(fù)雜度為

(3)

傳統(tǒng)GSM中，激活天線組合為Nc，GSM檢測(cè)算法表達(dá)式為

(4)

其中，sk為GSM中第k根天線上加載的符號(hào)，且sk∈Ω，Ω為GSM中M-QAM的調(diào)制星座圖.

GSM的檢測(cè)復(fù)雜為

GSMC=M×Nr×(Nu+1)×Nc.

(5)

由(3)式和(5)式對(duì)比得到

(6)

當(dāng)M=Nt時(shí)，可化簡(jiǎn)為

(7)

由式(6)可以看出GIM和GSM復(fù)雜度對(duì)比主要由星座圖前后維度變化和傳輸天線組合數(shù)兩部分構(gòu)成.當(dāng)傳輸天線數(shù)目較大時(shí)，星座圖擴(kuò)大所帶來(lái)的檢測(cè)復(fù)雜度增加不會(huì)超過(guò)GSM系統(tǒng)中檢測(cè)所有天線組合的計(jì)算量.即式(7)中M≤Nc.所以GIM系統(tǒng)在提高傳輸速率的同時(shí)降低了檢測(cè)復(fù)雜度.

2 仿真結(jié)果

仿真采用獨(dú)立不同分布平坦衰落信道模型，首先采用4QAM調(diào)制方式.仿真結(jié)果對(duì)發(fā)射天線Nt=4,6,8(接收天線與發(fā)射天線數(shù)目相等)，激活天線數(shù)為3的不同情況下的GIM系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)進(jìn)行了誤比特率比較以及檢測(cè)復(fù)雜度分析.性能仿真如圖2，復(fù)雜度分析如圖3.

通過(guò)圖2可以看出，在調(diào)制階數(shù)都為4QAM時(shí)，隨著發(fā)射天線數(shù)目的增大,GIM和GSM的性能都隨之增強(qiáng).同時(shí)GIM與GSM性能有一定差距，這是因?yàn)樵谄教顾ヂ湫诺乐校總€(gè)信道衰落差距不大，同時(shí)GIM系統(tǒng)的調(diào)制方式擴(kuò)大了星座圖，歐氏距離縮小容易造成誤判.但當(dāng)信號(hào)帶寬大于信道帶寬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重衰落的信道.這時(shí)，信道信息對(duì)傳輸信號(hào)的影響會(huì)大于因星座圖擴(kuò)大造成誤判的影響，GIM系統(tǒng)的性能會(huì)得到彌補(bǔ).通過(guò)圖3可以看出，隨著發(fā)射天線數(shù)目的增大，GIM與GSM的檢測(cè)復(fù)雜度逐漸拉大.如當(dāng)發(fā)射天線數(shù)為8時(shí)，GSM的檢測(cè)復(fù)雜度為4 096，GIM的檢測(cè)復(fù)雜度為2 048.

圖2 不同發(fā)射天線數(shù)時(shí)GIM和GSM誤碼率對(duì)比Figure 2 BER Performance against different antenna

圖3 不同發(fā)射天線數(shù)時(shí)GIM和GSM復(fù)雜度對(duì)比Figure 3 Complexity comparison against different transmission antenna numbers

其次，在采用8根發(fā)射天線時(shí)(接收天線和發(fā)射天線數(shù)目相等)，仿真對(duì)M=4,8,16，激活天線數(shù)為3的情況進(jìn)行了GIM系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)的誤比特率對(duì)比以及檢測(cè)復(fù)雜度分析.性能仿真如圖4，復(fù)雜度分析如圖5.

通過(guò)圖4可以看出，在發(fā)射天線數(shù)都為8時(shí)，GIM和GSM性能隨調(diào)制階數(shù)的上升有所下降.這是因?yàn)樾亲鶊D變大增加了誤判的可能性.

圖4 不同調(diào)制階數(shù)GIM和GSM性能對(duì)比Figure 4 BER Performance against different modulation order

通過(guò)圖5可以看出，在調(diào)制階數(shù)改變時(shí)，GSM的復(fù)雜度變化很明顯；且隨著調(diào)制階數(shù)的增大，GSM系統(tǒng)的檢測(cè)復(fù)雜度會(huì)大大超出GIM的檢測(cè)復(fù)雜度.

圖5 不同調(diào)制階數(shù)GIM和GSM復(fù)雜度對(duì)比Figure 5 Complexity comparison against different modulation order

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)GSM系統(tǒng)中無(wú)法避免嚴(yán)重衰落傳輸信道及檢測(cè)復(fù)雜度過(guò)大的問(wèn)題，提出了一種基于索引調(diào)制的廣義索引調(diào)制系統(tǒng).在天線數(shù)目較大時(shí)，檢測(cè)復(fù)雜度逐漸拉大.在平坦衰落信道中，由于星座擴(kuò)大，信道衰落信息差距不大，性能與GSM有一定差距.但當(dāng)信道衰落差距明顯如頻率選擇性衰落信道，信道的選擇會(huì)彌補(bǔ)由于星座圖擴(kuò)大帶來(lái)的損失.同時(shí)，與傳統(tǒng)GSM系統(tǒng)相比，進(jìn)一步提高了比特傳輸速率.可見，GIM適用于發(fā)射天線數(shù)多、調(diào)制階數(shù)大、信道衰落變化明顯的傳輸系統(tǒng).

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Design of generalized index modulation systems

ZHAO Mengmeng, JIN Xiaoping, FENG Huizhen

(College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

In generalized spatial modulation multi-input and multi-output (GSM-MIMO) models, the combination of transmission antennas is randomly activated by the transmitted information sequence. The bad transmission channel condition will greatly weaken the performance of the system. At the same time, the detection complexity will increase exponentially due to the search of all the combinations. Now, we proposed a generalized index modulation technology based on the index theory. Based on the GSM system, a new symbol was constructed by using the transmission symbol index and the antenna index and was then transferred by the antenna selection algorithm. The system solved the problem of negative effects brought by the random allocation of the channel. Due to the diversity of GIM construction symbols, the transmission rate improved over 2 bits and the detection complexity of the receiver was decreased by 50% in the multi antenna situation. GIM was therefore more suitable for obvious fading transmission channels.

MIMO system; spatial modulation; generalized index

2096-2835(2016)04-0447-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.016

2016-06-14 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

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

TN914

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