雙聯(lián)合收發(fā)空間調(diào)制方案設(shè)計與性能分析

卜祥燕, 白智全，*, 龐 珂, 郝新紅, 馬丕明, 孫 健

(1. 山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266237; 2. 北京理工大學(xué)機電學(xué)院, 北京 100081)

0 引 言

作為一種特殊形式的多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)技術(shù),空間調(diào)制(spatial modulation,SM)技術(shù)已被廣泛關(guān)注和研究[1-4]。與傳統(tǒng)MIMO技術(shù)相比,典型SM系統(tǒng)在發(fā)送端僅激活一根發(fā)送天線,并利用空間域中的天線位置來傳輸信息比特。因此,其可消除MIMO系統(tǒng)中天線間同步和信道間干擾的問題,降低接收端檢測復(fù)雜度,并改善系統(tǒng)頻譜效率。為進一步提升SM系統(tǒng)的頻譜效率,廣義空間調(diào)制(generalized spatial modulation,GSM)技術(shù)得到廣泛研究[5-6]。在GSM系統(tǒng)中,待傳輸信息比特可選擇激活發(fā)送天線的組合,并發(fā)射相同或多個獨立的星座符號來提高頻譜效率。而正交空間調(diào)制[7-8](orthogonal spatial modulation,QSM)作為一種新的高效SM技術(shù),其在發(fā)送端激活兩根發(fā)送天線,分別發(fā)送調(diào)制符號的實部和虛部。由于傳輸符號實部和虛部的載波是正交的,可以有效避免信道間干擾,提高系統(tǒng)頻譜效率及傳輸性能。

對于上述SM技術(shù)及其擴展技術(shù)研究,均是利用發(fā)送天線索引來攜帶額外信息,以提高頻譜效率。而預(yù)編碼空間調(diào)制(precoding-aided spatial modulation,PSM)技術(shù)及其拓展技術(shù)[9-12]則是將SM的概念應(yīng)用于接收端,利用發(fā)送信息比特在接收端激活一根接收天線或接收天線組合進行信息接收,簡化了接收端結(jié)構(gòu),提供了更多的空間信息,在提高頻譜效率的同時,實現(xiàn)了更優(yōu)的系統(tǒng)性能。文獻[13]研究了采用聯(lián)合最優(yōu)檢測和解耦次最優(yōu)檢測的廣義PSM(generalized PSM,GPSM)系統(tǒng)的容量和錯誤率。由于線性預(yù)編碼的應(yīng)用,傳統(tǒng)的PSM方案往往只適用于對稱或欠定系統(tǒng)。文獻[14]提出了一種基于分組PSM(group PSM)技術(shù),其適用于超定系統(tǒng),也適用于接收天線數(shù)大于發(fā)送天線數(shù)的情況,主要原理是將接收天線均分成若干組,利用額外的信息比特選擇其中一組接收信息,提高了PSM的可伸縮性。針對PSM接收端檢測復(fù)雜的問題,文獻[15]提出了一種高效的接收天線組合選擇方案,其利用信道矩陣的Wishart分布特征來選擇接收天線組合,從而更好地提升了系統(tǒng)性能,并大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。文獻[16]則提出一種快速貪婪增量算法來進行接收天線組的選擇,在顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時,增大了天線選擇增益。為了對GPSM方案進一步拓展,文獻[17]提出了一種廣義預(yù)編碼正交空間調(diào)制(generalized precoding-aided orthogonal spatial modulation,GPQSM)方案,其將傳統(tǒng)QSM思想擴展到接收端,利用接收信號的同相和正交分量傳送額外的信息比特,從而相較于典型GPSM系統(tǒng)可進一步提高系統(tǒng)頻譜效率。

目前學(xué)術(shù)界對調(diào)制星座優(yōu)化問題的研究也越來越廣泛[18-19]。文獻[20]中提出了一種雙空間調(diào)制(double spatial modulation,DSM)技術(shù)。在每個時隙,DSM會在發(fā)射端進行兩次獨立的SM過程,且通過星座點的最優(yōu)角度旋轉(zhuǎn)來區(qū)分這兩次SM過程,其可顯著提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性。文獻[21-22]提出了一種信號空間分集(signal space diversity,SSD)方案,其通過將調(diào)制信號的相位進行旋轉(zhuǎn),使每次輸入的比特流都由復(fù)信號的同相分量和正交分量來表示。所產(chǎn)生的兩部分信號將隨著時間推移交替發(fā)送,以實現(xiàn)分集增益并提高系統(tǒng)性能。文獻[23]中提出一種多主動式天線的SM(multiple active antennas SM,MA-SM)方案,其在每個信道使用一種天線組合傳輸多個信號,以提高頻譜效率,并與一個新的三維星座結(jié)合,在發(fā)射前對給定天線組合所發(fā)射的信號進行最優(yōu)角度旋轉(zhuǎn),顯著提高了系統(tǒng)性能。

在上述方案中,所有發(fā)射天線都被激活并發(fā)送預(yù)編碼信息,而所有接收天線亦被用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)映射。文獻[24]提出了一種基于K個發(fā)射天線組的GPSM方案,同時利用發(fā)送天線和接收天線實現(xiàn)數(shù)據(jù)映射。在發(fā)送端,通過比特選擇激活的發(fā)送天線組合,同時在接收端,通過迭代貪婪算法,對接收天線組合進行選擇,大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,顯著提升了系統(tǒng)性能。文獻[25-26]中提出了一種新的聯(lián)合收發(fā)空間調(diào)制(joint transceiver spatial modulation,JSM)技術(shù),其利用發(fā)送天線組合和一些冗余接收天線同時實現(xiàn)發(fā)送分集和接收分集。具體而言,該方案同時利用發(fā)送天線組合索引和接收天線索引來傳遞對應(yīng)信息位,從而比僅在發(fā)射端或僅在接收端采用SM的方案獲得更高傳輸速率,并通過采用冗余接收天線提高了系統(tǒng)可靠性。文獻[27]則將QSM技術(shù)應(yīng)用于JSM系統(tǒng),提出了一種正交聯(lián)合收發(fā)空間調(diào)制(orthogonal joint transceiver spatial modulation,QJSM)技術(shù),其充分發(fā)揮了兩者優(yōu)勢,可在發(fā)射端分別發(fā)送調(diào)制符號的同相分量和正交分量來擴展空間維度。因此,在理想情況下,QJSM的空間域頻譜效率是傳統(tǒng)JSM技術(shù)的兩倍。此外,在QJSM方案中,JSM符號的實部和虛部在發(fā)射端通過正交載波獨立發(fā)射,不存在信道間干擾影響,這也使QJSM系統(tǒng)可靠性得到顯著提升。

基于上述研究分析,并受其啟發(fā),本文在JSM方案的基礎(chǔ)上加入了最優(yōu)角度旋轉(zhuǎn),從而極大地提升了系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性。本文主要貢獻如下:

(1) 提出了一種雙聯(lián)合收發(fā)空間調(diào)制(double joint transceiver spatial modulation,DJSM)方案,并對其通信過程及原理進行了詳細闡述。所提DJSM方案在發(fā)送端進行兩次獨立的SM過程,可顯著提升系統(tǒng)頻譜效率。

(2) 為區(qū)分兩次SM過程,對其中一次SM中的調(diào)制符號進行最優(yōu)角度旋轉(zhuǎn),即第1個調(diào)制符號由第1組選擇天線直接發(fā)送,而第2個調(diào)制符號則先進行角度旋轉(zhuǎn),然后由第2組激活天線發(fā)送。對于最優(yōu)角度的選取,給出了對應(yīng)的原理分析與仿真驗證。

(3) 分析推導(dǎo)了DJSM系統(tǒng)的平均比特錯誤概率(average bit error probability,ABEP)性能,并對系統(tǒng)ABEP性能進行了蒙特卡羅仿真。同時對DJSM方案的復(fù)雜度進行了分析。仿真結(jié)果表明,在相同頻譜效率下,DJSM方案與傳統(tǒng)JSM方案以及其他較新的方案相比具有明顯的性能優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)模型

圖1 DJSM系統(tǒng)模型Fig.1 System model of DJSM

(1)

輸入信息比特可分成3個部分:第一部分為2bt個比特并平均分成兩組,分別用來選擇激活的發(fā)送天線分組m,m∈{1,2,…,2bt}和另一組激活的發(fā)送天線分組n,n∈{1,2,…,2bt};第二部分為2bm個比特,同樣被平均分成兩組,分別用來選擇同兩個激活分組所對應(yīng)的兩個調(diào)制符號xi,i∈{1,2,…,2bm}和xj,j∈{1,2,…,2bm};最后一部分為br個比特,用來從Nr根接收天線中選擇第k根進行信息的接收。然后,符號xi直接由第m個發(fā)送天線分組發(fā)送,而符號xj先進行最優(yōu)角度的旋轉(zhuǎn),然后由第n個發(fā)送天線分組發(fā)送。

因此,DJSM發(fā)送端的發(fā)送信號矢量可以表示為

x=Pmekxi+Pnekxjejθ

(2)

如系統(tǒng)采用迫零(zero-forcing,ZF)預(yù)編碼,則預(yù)編碼矩陣P可寫成

P=ηHH(HHH)-1

(3)

經(jīng)過信道傳輸,在接收端接收到的信號可表示為

y1=HmPmekxi+HnPnekxjejθ+n1

(4)

y2=GmPmekxi+GnPnekxjejθ+n2

(5)

式中：y1∈CNr×1,y2∈CD×1分別表示在接收端的空間天線和分集天線處接收到的信號;n1∈CNr×1,n2∈CD×1是均值為0,方差為σ2的加性白高斯噪聲(additive white Gaussian noise,AWGN)。

將式(4)與式(5)結(jié)合,可以得到接收端的接收信號為

y=WmPmekxi+WnPnekxjejθ+n

(6)

在接收端,通過對接收信號進行最大似然(maximum likelihood,ML)檢測可以得到

(7)

2 性能分析

在本節(jié)中,我們分析了DJSM系統(tǒng)的ABEP,給出了DJSM系統(tǒng)的上界性能。在以下的分析中,我們假設(shè)信道是獨立的平坦瑞利衰落信道,且在每個時隙內(nèi)信道保持不變。因此,利用聯(lián)合上界技術(shù),可得到DJSM方案的ABEP為

(8)

(9)

將式(9)代入式(8),則可以得到DJSM方案的ABEP為

(10)

表1 復(fù)雜度比較

由上述復(fù)雜度分析可知,本文所提DJSM方案的復(fù)雜度會略高于傳統(tǒng)JSM方案的復(fù)雜度,其實時性也會有所降低。但從系統(tǒng)性能方面的分析可知本文所提DJSM方案的ABEP性能要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的JSM方案。

3 最優(yōu)角度選取

對于最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度的選取,其依據(jù)是使星座圖中星座點間最小歐式距離最大化[30-32],即讓DJSM方案中旋轉(zhuǎn)之后的星座點與原星座點間的最小距離最大化來得到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角,表示為

(11)

式中：χ表示星座調(diào)制符號集。

圖2 4-QAM調(diào)制Fig.2 4-QAM modulation

圖3是以最小化ABEP為目標,對不同調(diào)制方式下最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角的選取進行了仿真。如圖3所示,調(diào)制方式為BPSK、4-QAM及8-QAM。當BPSK及4-QAM調(diào)制的信噪比為14 dB,8-QAM調(diào)制的信噪比為20 dB時,BPSK,4-QAM,8-QAM星座的最佳旋轉(zhuǎn)角分別為90°、45°和60°。

圖3 旋轉(zhuǎn)角度對ABEP的影響Fig.3 Influence of rotation angle on ABEP

4 仿真與結(jié)果分析

我們對所提出的DJSM方案進行了蒙特卡羅仿真。這里信道服從獨立同分布的平坦瑞利衰落。當仿真中M=2時,系統(tǒng)采用的是BPSK調(diào)制;當M>2時,采用的是M -QAM調(diào)制。在相同頻譜效率及不同系統(tǒng)參數(shù)下,我們對DJSM方案進行了程序仿真,并將DJSM方案與傳統(tǒng)JSM方案以及文獻[15]中提出的QJSM方案進行了仿真比較。

圖4是在Nt=16、Ns=8、M=4、Nr=4的情況下,對DJSM方案在不同的分集天線數(shù)D下進行的性能仿真。由式(1)可知,當分集天線分別為D=1、D=2、D=4時,頻譜效率同為8 bit/(s·Hz-1)。由圖4可以看出,隨著D的增加,系統(tǒng)的性能得到了提升,特別是在高信噪比下,性能增加更加明顯。當ABEP=10-3時,D=4要比D=2和D=1分別獲得約3.0 dB和10.0 dB的信噪比增益。這是因為隨著分集天線D的增加,接收分集增益得到了提高,因此系統(tǒng)ABEP性能得到顯著提升。

圖4 DJSM方案在不同分集天線D下的ABEP性能(Nt=16, Ns=8, M=4, Nr=4)Fig.4 ABEP performance of DJSM scheme under different diversity antenna D (Nt=16,Ns=8, M=4, Nr=4)

圖5是在Nt=16、Nr=2、D=4、M=4的條件下,對DJSM方案在不同發(fā)送天線數(shù)Ns下進行的性能仿真。這里設(shè)發(fā)射天線分組數(shù)量分別為8、4、2;且每組中發(fā)射天線數(shù)分別為2、4、8,其對應(yīng)的系統(tǒng)頻譜效率分別為11 bit/(s·Hz-1),9 bit/(s·Hz-1)及7 bit/(s·Hz-1)。

圖5 DJSM方案在不同發(fā)送天線Ns下的ABEP性能(Nt=16, Nr=2, D=4, M=4)Fig.5 ABEP performance of DJSM scheme under different transmit antenna Ns (Nt=16, Nr=2, D=4, M=4)

從圖5可以看出,隨著Ns的增加,系統(tǒng)ABEP性能逐漸提升。當Ns=8時,其性能最好。這是因為當Nt=16時,隨著Ns的增加,系統(tǒng)發(fā)送分集增大,且當Ns=8時,發(fā)送端發(fā)射天線分組的數(shù)量為2,其所攜帶的空間信息少,因此在D、Nr和M保持不變時,信息在接收端檢測正確的可能性更大,從而使系統(tǒng)性能得到提升。

圖6是在Nt=8,Ns=4,Nr=2,D=4時通過改變調(diào)制階數(shù)M證明其對DJSM方案性能的影響。這里設(shè)置M=2、4和8,其對應(yīng)系統(tǒng)頻譜效率分別為5 bit/(s·Hz-1),7 bit/(s·Hz-1)和9 bit/(s·Hz-1)。

圖6 DJSM方案在不同調(diào)制階數(shù)M下的ABEP性能(Nt=8, Ns=4, Nr=2, D=4)Fig.6 ABEP performance of DJSM scheme under different modulation order M (Nt=8, Ns=4, Nr=2, D=4)

由圖6可知,隨著M的增大,系統(tǒng)ABEP性能逐漸變差,且當M=2和M=4時,其性能近似相同,而當M=8時,其性能與M=2和M=4時性能差距較大。這是因為當調(diào)制階數(shù)較低時,調(diào)制符號所傳輸?shù)男畔⑾鄬^少,DJSM的檢測錯誤主要由天線索引檢測引起。因此,當調(diào)制階數(shù)較低時,DJSM方案的性能變化不大,但隨著調(diào)制階數(shù)的增加,調(diào)制符號檢測錯誤的可能性增加,從而造成較大的性能差距。

圖7是在Nt=8、Ns=4、Nr=4、D=4且保持頻譜效率均為8 bit/(s·Hz-1)的情況下,針對不同調(diào)制階數(shù)M,DJSM方案同傳統(tǒng)JSM方案以及DSM方案的ABEP性能比較。

圖7 DJSM,JSM,DSM方案的ABEP性能比較(Nt=8, Ns=4, Nr=4, D=8)Fig.7 ABEP performance comparison of DJSM, JSM and DSM schemes (Nt=8, Ns=4, Nr=4, D=8)

由圖7可以看出,DJSM方案的性能要優(yōu)于JSM方案以及DSM方案。當ABEP=10-2時,DJSM較JSM約有8.0 dB的信噪比增益,即在相同頻譜效率下,DJSM方案所需調(diào)制的階數(shù)遠低于JSM,從而可使信號星座點間最小歐式距離變大,使錯誤率下降。此時,DJSM較DSM大約有4.0 dB的信噪比增益,這是因為DJSM方案在發(fā)送端是激活一個發(fā)送天線組進行信息傳輸,并且在接收端采用額外的接收天線接收信號,因此具有較高的發(fā)送分集增益和接收分集增益,可使系統(tǒng)性能更優(yōu)。由圖7仿真結(jié)果可以看出本文所提DJSM方案的性能優(yōu)勢,但其復(fù)雜度也會有一定的增加,這相當于以較低復(fù)雜代價來換取較大的性能增益。

當Nt=8、Nr=4,且頻譜效率為8 bit/(s·Hz-1)時,不同調(diào)制階數(shù)下,DJSM方案同GPQSM、QJSM及GSM方案的性能比較如圖8所示。

圖8 不同方案的ABEP性能比較Fig.8 ABEP performance comparison of different schemes

對DJSM方案和QJSM方案有Ns=4,D=8;對GSM方案,其發(fā)送端選擇兩根天線傳送信息;對GPQSM方案,則在接收端選擇兩根天線接收信息。從圖8可以看出,在所給信噪比范圍內(nèi),本文所提DJSM方案在相同頻譜效率下的性能均優(yōu)于其他幾種方案。當ABEP=10-2時,DJSM方案較GSM、QJSM以及GPQSM方案分別約有6.0 dB、8.5 dB及8.5 dB的信噪比增益。因此DJSM方案在相同頻譜效率下,可較上述SM方案獲得明顯的ABEP性能優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

本文提出一種DJSM方案,其在發(fā)送端進行兩次獨立的SM過程,并利用星座旋轉(zhuǎn)疊加空間傳輸矢量,最后聯(lián)合選擇發(fā)送天線分組索引、接收天線索引以及調(diào)制符號,實現(xiàn)了發(fā)送分集增益、接收分集增益以及復(fù)用增益,顯著提升了系統(tǒng)頻譜效率和可靠性。本文推導(dǎo)給出DJSM方案的ABEP理論表示,并分析了最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度的選取。仿真結(jié)果表明DJSM方案性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)JSM及QJSM方案,但其復(fù)雜度也有一定增加,未來我們將進一步研究低復(fù)雜度DJSM方案。