5G時代廣義空間調(diào)制的機(jī)遇與挑戰(zhàn)研究

高江奇

摘要：廣義空間調(diào)制是空間調(diào)制的一般性推廣。廣義空間調(diào)制作為一種新的MIMO調(diào)制技術(shù)能降低MIMO系統(tǒng)中多天線帶來的高功耗和系統(tǒng)的復(fù)雜度。為了研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中廣義空間調(diào)制與空間調(diào)制性能對比，通過計(jì)算機(jī)仿真研究了采用廣義空間調(diào)制與空間調(diào)制的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能。在瑞利信道下分別對不同天線數(shù)目性能進(jìn)行了研究，并且分析廣義空間調(diào)制與空間調(diào)制在瑞利信道的性能差異。結(jié)果表明，在相同頻譜效率下，廣義空間調(diào)制的性能優(yōu)于空間調(diào)制，而且當(dāng)天線數(shù)目增大時廣義空間調(diào)制的優(yōu)勢更加明顯。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO 廣義空間調(diào)制 頻譜效率

1 引言

無線通信系統(tǒng)進(jìn)入4G通信時代后，業(yè)界對無線通信的傳輸速率要求越來越高。一方面是因?yàn)橐苿佑脩舻臄?shù)量持續(xù)增長，另一方面是因?yàn)殡S著新型個人移動智能終端的普及，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的類型和需求日益豐富。面對未來對速率更大的業(yè)務(wù)如VR、3D視頻，5G系統(tǒng)提出了最高高達(dá)1 Gbps的用戶體驗(yàn)速率要求。為了滿足速率要求，大規(guī)模MIMO作為5G的關(guān)鍵技術(shù)被廣泛地進(jìn)行研究[1]。但是MIMO技術(shù)的一些技術(shù)弊端，如發(fā)射天線同步比較難以保證，多天線傳輸時接收端產(chǎn)生強(qiáng)烈信道間干擾，多射頻傳輸帶來的高能耗和高成本[2]，這些弊端將在采用了成百上千的天線數(shù)目的大規(guī)模MIMO中顯得更加突出而不能忽視。

針對這些問題，R Mesleh與H Haas等人提出了一種新的多天線傳輸方案，并命名為空間調(diào)制（Spatial Modulation，SM）技術(shù)[3-4]。空間調(diào)制混合了MIMO和數(shù)字調(diào)制技術(shù)，每根發(fā)射天線的索引代表了一個空間星座點(diǎn)，而在同一時隙只有一根發(fā)射天線處于工作狀態(tài)來傳輸數(shù)據(jù)，其余天線處于靜默狀態(tài)。這樣只激活單根發(fā)射天線消除了信道間的干擾和天線間同步的要求，同時降低了接收機(jī)的復(fù)雜度。但是SM的傳輸數(shù)據(jù)速率的增長只能以天線數(shù)目對數(shù)增長，天線數(shù)目的增加對SM的增益影響不大，這個缺陷限制了SM的應(yīng)用[5]。而廣義空間調(diào)制（Generalized Spatial Modulation，GSM）[6]可以很好地克服這點(diǎn)，GSM通過采用激活天線組合來傳輸空間信息，這樣能提升頻譜效率，同時保持SM的優(yōu)勢。在未來5G通信時代GSM將具有很好的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)模型

2.1 廣義空間調(diào)制原理及系統(tǒng)模型

廣義空間調(diào)制系統(tǒng)模型如圖1所示，假設(shè)系統(tǒng)具有NT根發(fā)射天線和NR根接收天線，而廣義空間調(diào)制同一時隙選取NT根中NP根發(fā)射天線傳輸相同的調(diào)制符號。那么在NT根發(fā)射天線中選擇NP根發(fā)射天線的組合總數(shù)為CNPNT，但是可用的天線組合數(shù)必須是二的次方，所以只有N=2種天線組合數(shù)用于信息比特映射，表示向下取整。因此，GSM同一時隙數(shù)據(jù)信息比特分為兩部分傳輸，一部分用于選擇天線組合，需要的比特長度為l1=，另一部分用于選擇M-QAM需要的比特，長度為l2=log2M，其中M為調(diào)制階數(shù)。因此GSM每次能傳輸?shù)谋忍貫椋?/p>

M （1）

從圖1可以看出數(shù)據(jù)是如何分為兩部分映射和傳輸?shù)?。傳入的?shù)據(jù)被映射成一個空間符號和一個數(shù)字符號。映射過程中，首先取前l(fā)1比特用于選擇天線組合，接下來的l2比特采用M-QAM調(diào)制。以NT發(fā)射天線為5，激活天線數(shù)NP為2為例，那么可能的組合數(shù)種，但是可用的組合數(shù)，如果系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制，則每個時隙映射的信息比特總長度L，具體的映射表如表1所示。

2.2 信道模型

信號通過廣義空間調(diào)制后產(chǎn)生一個NT×1維矢量，設(shè)x=[x1，x2，…，xNT]T是發(fā)射向量，表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置。因此GSM系統(tǒng)的發(fā)射信號可以表示為：

（2）

其中s所在的位置表示激活天線索引，其中只有NP根天線處于激活狀態(tài)。

發(fā)送向量在一個平坦瑞利衰落MIMO信道的傳遞函數(shù)H中傳輸，采用NR根接收天線接收。則NR×1維接收向量可以表示為：

（3）

其中為傳輸星座映射，是信道矩陣，其元素，表示均值為0，方差為N0的加性高斯白噪聲向量，其各元素相互獨(dú)立，hk表示矩陣H的第k列對應(yīng)的元素。

在接收端對空間符號和數(shù)字符號進(jìn)行聯(lián)合檢測，假設(shè)接收端已知信道狀態(tài)信息，采用最大似然檢測準(zhǔn)則可以表示如下：

（4）

其中（i1，i2，…，iNP）表示可能的天線組合，S為所有的星座映射組合。MLD（Maximum Likelihood Detection，最大似然檢測）遍歷所有的天線組合和星座點(diǎn)符號然后找到最優(yōu)組合，所以MLD具有最優(yōu)BER（Bit Error Rate，誤碼率），但是計(jì)算復(fù)雜度也最高。

3 GSM與SM性能對比分析

SM能克服現(xiàn)有MIMO技術(shù)的缺點(diǎn)，但是頻譜效率只能以對數(shù)方式增長限制了SM在大規(guī)模MIMO中的應(yīng)用，而GSM在保持SM優(yōu)勢的同時大大地提高了頻譜效率，因此GSM在未來5G有很大的研究價值。

下面采用蒙特卡洛仿真，對瑞利信道下不同天線數(shù)的SM和GSM進(jìn)行仿真性能對比。仿真結(jié)果為在不同SNR下固定頻譜效率傳輸106比特誤碼率曲線，其中發(fā)射和接收天線的相關(guān)度都為0.7，GSM每次激活天線數(shù)Np=2。

固定L=8 bits/（s·Hz-1 ），發(fā)射天線為16根，接收天線為4根時的BER性能和SNR如圖2所示。那么SM數(shù)字調(diào)制采用16-QAM的條件下，GSM達(dá)到同樣的頻譜效率只需采用QPSK。

從圖2可知在瑞利信道中GSM整體性能好于SM，在誤碼率（BER）為10-3時，GSM的信噪比（SNR）比SM的信噪比小3 dB左右；而當(dāng)誤碼率減小到10-4時，GSM相比SM有近4 dB的性能增益。

接下來分析采用發(fā)射天線128根，接收天線4根的大規(guī)模MIMO下GSM和SM性能對比，仿真結(jié)果如圖3所示。這里固定頻譜效率L=13 bits/（s·Hz-1 ），GSM采用4-QAM數(shù)字調(diào)制而SM則需采用64-QAM調(diào)制。從圖3可知GSM性能依舊好于SM而且優(yōu)勢更加明顯。當(dāng)BER=10-3時，兩者的信噪比相差6 dB，但是GSM的誤碼率隨信噪比的增大，下降的趨勢明顯大于SM。

由分析可知GSM在相同的信噪比條件下誤碼率低于SM的原因是SM為了達(dá)到和GSM相同的頻譜效率必須采用更加高階的星座調(diào)制，這樣在接收端檢測時將增加誤碼概率。

4 GSM的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

按照國際電信聯(lián)盟關(guān)于2020年的規(guī)劃，4年后就要全面進(jìn)入5G時代，而到現(xiàn)在5G的核心技術(shù)體系還沒有確立。大規(guī)模MIMO技術(shù)作為5G時代核心技術(shù)之一是基于4G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)延伸。天線數(shù)目不斷地增加，如果其他技術(shù)也繼續(xù)沿用4G網(wǎng)絡(luò)，那么多天線（成百上千）帶來的超多射頻鏈路，高功耗，高復(fù)雜度等問題將無法解決，所以必須進(jìn)行技術(shù)革新?？臻g調(diào)制技術(shù)作為一種新的MIMO技術(shù)很好地解決了這些問題。文獻(xiàn)[4]表明空間調(diào)制的系統(tǒng)性能優(yōu)于V-BLAST系統(tǒng)，表明SM在未來5G時代有極大的競爭力。

通過上面的分析可知GSM相比SM更加適用于大規(guī)模MIMO，而且誤碼性能大概能提高5 dB。并且當(dāng)天線數(shù)繼續(xù)增加時，這時激活天線數(shù)目合適時組合數(shù)更多，頻譜效率會更高。GSM同樣繼承SM的優(yōu)點(diǎn)采用單射頻發(fā)射，保證了較高的能量效率和較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。同時GSM與V-BLAST傳輸技術(shù)結(jié)合，能更大地提高比特傳輸率，這也讓GSM在頻譜效率上更加有競爭力，但是給接收端檢測帶來了更高的復(fù)雜度。所以未來5G時代的大規(guī)模MIMO應(yīng)用對GSM來說是重大機(jī)遇。

雖然GSM應(yīng)用前景光明，但GSM還有很多問題待解決，這也是GSM在未來幾年面臨的重大挑戰(zhàn)。首先是信道狀態(tài)信息直接影響了接收端檢測的準(zhǔn)確率，當(dāng)前研究大都假設(shè)在接收端獲得完整的信道狀態(tài)信息[8-9]，但實(shí)際上接收端獲取的為非完整的狀態(tài)信息。因此，研究基于信道估計(jì)的空間調(diào)制技術(shù)能夠體現(xiàn)空間調(diào)制技術(shù)在實(shí)際無線通信環(huán)境下的應(yīng)用價值；其次是GSM現(xiàn)階段的檢測算法復(fù)雜度比較大。雖然已經(jīng)提出了基于接收天線的球形譯碼算法、基于線性均衡的分塊檢測算法[10-11]等各種算法，但是當(dāng)天線數(shù)目成百上千時，它們的復(fù)雜度依舊很大，新的GSM低復(fù)雜度檢測算法依然是今后GSM應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

本文通過對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在瑞利信道下GSM與SM的BER性能進(jìn)行研究和比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明GSM在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中比SM更加適合，信噪比性能提高可5 dB。此外，這兩種技術(shù)只使用一個射頻鏈，并且能保證高的能量效率和低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。因此，GSM技術(shù)非常適合大規(guī)模MIMO的部署，未來對GSM的研究將集中在低復(fù)雜度的檢測算法以及基于信道估計(jì)的空間調(diào)制上。

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