空间调制技术及发展*

郭鹏程,关胜勇,许 拔

(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007;2.南京电讯技术研究所,江苏南京210007)

空间调制技术及发展*

郭鹏程1,2,关胜勇2,许 拔2

(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007;2.南京电讯技术研究所,江苏南京210007)

作为一种多天线传输技术,空间调制(SM)近年来发展迅速,与传统的MIMO技术相比,能有效地避免信道间干扰(ICI)和多天线发射的同步问题。分析了空间调制技术的基本原理,并对天线接收算法进行了分类比较。通过仿真比较了SM与垂直贝尔实验室分层空时结构(V-BLAST),证明了SM性能上的优势,同时分析了SM对独立信道条件的依赖性。最后,空间调制研究热点以及一些亟待解决的问题得到了深入的讨论。

空间调制 信道间干扰 空移键控

0 引 言

近十年来,基于多天线的MIMO[1]传输技术无线通信领域发展迅速。MIMO系统是一种有多个发射与接收信道的通信系统,它能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道,通过空间复用提高传输速率,如V-BLAST[2]系统。MIMO系统还能采用波束成形技术及多用户检测技术来抑制干扰[3],同时还具有空间分集的优势,使系统具有很好的抗衰落和抗噪声性能,可以达到很高的数据传输速率。

但MIMO系统在实际应用中存在以下一些问题如:①当发射天线同时发送频率相同的信号时,接收端会形成强烈的信道间干扰(ICI);②多天线间的同步难以得到保证;③多个射频链路使MIMO系统成本增大;④需要的接收天线数要多于发射天线数,但受限于如手机等终端通信场景,影响了MIMO中空间复用等技术的应用。

空间调制技术(SM)[4]的出现一定程度上解决了这些问题,可以有效避免信道间干扰(ICI)和多天线发射的同步性问题。空间调制技术具有如下特点:①只需要一条射频链路,实现的成本有较大下降;②空间调制技术将数字调制二维映射扩展为三维映射,增加了空间维,从而增大了星座图上的欧式距离,因此一定程度上降低了误码率;③可以在接收天线数目小于发射天线情况下正常工作,这避免了部分MIMO技术对接收天线数目的要求;④在空间调制系统中,每次发送信息只通过一根天线,这样就大大简化了收发端的实现复杂度。

自2008年至今,空间调制技术受到了广泛的关注[5],尤其在最近几年内发展十分迅速,广义空间调制(GSM)、空间调制与编码的结合等技术都极大地扩展了SM。

1 空间调制原理

空间调制的基本原理是将一组发送比特信息分为两部分,一部分经过传统的调制,如PSK、QAM等,另一部分是将调制信息映射到相应的天线上进行发送,这样天线序号也承载了部分发送信息,大大提高了系统的频谱利用率。空间调制的基本模型如图1所示。

图1 空间调制模型Fig.1 Spatial modulation model

如图1,假定发送天线数目为Nt,接收天线数目Nr,发送比特流x首先经过比特分割为两部分,一部分用来选择天线,另一部分用来符号调制。调制后的比特经过选择的天线传输,发送符号矢量可表达为:x=[0…0 xv0…0]T,MIMO信道为H,H是一个Nr×Nt复数矩阵,矩阵中元素代表相应发送天线到接收天线的信道增益。

这样,接收端可以表示为[4]:y=Hx+n。其中γ表示所有接收天线的平均接收信噪比,n为复加性高斯白噪声。通过对y的检测与解调可以得出相应的发送天线序号与调制信息,从而恢复发送信息。

空间调制在传统调制方式上进行了扩展,增加了空间维,天线序号也作为表示信息的一个参数,表1为一种单符号为3比特的空间调制映射示例。

表1 映射方式选择Table1 Mapping mode selection

调制方式M和发射天线数目Nt共同决定了每时隙的传输比特数k[6]:

由式(1)可知,在每时隙传输信息比特总数不变(即频谱利用率不变)的情况下,调制方式和发射天线数目的选择具有一定的灵活性,这种灵活的机制适合高速数据传输。

2 信号检测算法

由于发送信息比特信息蕴含在调制信息与传送的天线序号上,接收端的解调也需进行天线序号检测与独立的调制信息解调,如果天线序号的检测出现错误,那么接收端即使遍历所有的星座点也无法准确地恢复信息,误比特性能会急剧下降,严重影响检测的准确性。目前已知的天线序号估计算法主要有三种:迭代最大合并比算法(i-MRC)、最大似然算法、最优译码算法。

2.1 i-MRC算法

设H为Nr×Nt时不变频响信道矩阵,y为Nr的相关解调向量。定义:

在AWGN中,天线预测序号ℓ为g(k)在k时刻取绝对值的最大点[7]。

获取了天线序号ℓ,就可以估计传输符号:

式中,Q(·)为判决函数。

这种算法的实质是迭代计算每个发送天线对应的结果,选择具有最大相关值所对应的发送天线序号。

2.2 最大似然算法(ML)

记传输符号x,信道符号xch属于{#h1,#h2,…, #hM},#hm(m=1,2,…,M)表示第m信道。如果xch=#hm,则接收信号可表示为:

式中,x∈{s1,s2,…,sN},当且仅当

从上面的公式可以看出,ML[8]就是遍历调制星座点和发射天线,联合考虑天线序号和调制信号解调,找出与接收向量之间欧式距离最小的一组数据。

2.3 最优译码算法

最优译码算法[6]是在最大似然算法(ML)的基础上,对传输符号和天线序号进行检测。记经过SM映射的发送向量为:xjq=[0 0…xq…0]T,其中j代表接收天线序号,xq表示第q个传输符号,发送天线Nt=4。接收端的信号为:

式中,hj表示信道H第j列元素。基于最大合并比(MRC)接收的次最优检测天线估计序号^j以及传输符号^q可表示为:

式中,gjq=hjxq,1≤j≤Nt,1≤q≤M。

相比之下,i-MRC算法复杂度最低,最大似然算法实用性较好,适用于一般信道,最优译码算法检测误码率最低,但译码的复杂度较大。文中第三部分性能分析采用的是MRC算法。

3 性能分析

图2为在独立瑞利衰落信道下单符号分别携带4 bit时的空间调制与V-BLAST系统的误码率性能仿真曲线。在相同的频带利用率的条件下,SM与V-BLAST下相比,SM调制方式和天线组合方式更为灵活,如:2根发送天线和8QAM的组合或者4根发送天线和QPSK均可以实现4比特传输。从图3中可以看出空间调制的性能在独立信道条件下对于V-BLAST系统没有明显的优势。当Nt=Nr时,SM性能优于V-BLAST,在BER=1×10-3时增益为3 dB左右;当Nt＜Nr时,V-BLAST性能要优于SM。同时还可以看出,不同发送天线下SM的两条曲线在20 dB处会出现差异,2发送天线的性能会逐渐优于4发送天线,这是因为随着信噪比的增加,天线数目增多会导致接收端检测复杂度增大,对SM性能影响更严重。

图2 4比特传输时SM与V-BLAST性能比较,Nr=4Fig.2 SM VS V-BLAST with 4 bits/Hz/s,Nr=4

图3为在相关与非相关MIMO衰落信道条件下SM性能的比较,频谱利用率分别为4～6 bit传输。从图3中可以看出,在非相关信道条件下SM性能明显优于相关信道条件,说明SM对信道条件的依赖性很强。空间调制联合了天线维和调制符号维,两者相互交叉在一起,且天线域的信息比特和调制符号域的信息比特之间是相互独立的,因此可以分析出空间调制在相关信道条件下,对天线序号的检测准确度将会严重下降,从而影响到整体空间调制的性能。

图3 SM在相关非相关信道条件下性能比较,Nt=Nr=4Fig.3 SM performance comparison in correlated and uncorrelated channels

图4分析了在不同接收天线数目条件下SM的仿真性能,可以看出:随着Nr的增加,SM的性能会越来越好,这是因为更多的接收天线可以提供更多的接收信息副本,增加了接收分集,从而提高了接收端的检测译码准确性。同时,还知道当Nt＞Nr时, V-BLAST系统无法工作而SM性能正常,从这个角度来也可以看出SM的优越性。

图4 不同接收天线数目下SM性能比较,Nr=1-7Fig.4 SM performance comparison

4 空间调制技术的发展

自从R.Mesleh和H.Haas提出空间调制技术以来,空间调制很快成为研究热点,近年来又有了许多新的拓展。

4.1 广义空间调制(GSM)

文献[9-10]将空间调制与空间分集技术结合到一起提出了广义空间调制(GSM)。在GSM系统中,选择发送天线组合的一个子集进行发射,与SM中单个天线发送相比可以显著增加发送模式的选择数,可以达到更高的频谱利用率,但代价是额外引入多天线的同步并且提高了系统复杂度。仿真表明,GSM系统比SM系统有更大的性能增益,而且GSM在调制星座图大小与天线数目选择上有更大的灵活性。

广义空间调制更加充分地利用了空间资源,相对于SM引入了空间分集,同时在发送天线组合上发送相同的信息,这样也避免了ICI。

4.2 SSK与GSSK

文献[11]提出了空移键控(SSK),仅通过发射端激活天线的序号携带信息以完成对输入比特流的调制,并与APM、V-BLAST以及SM进行了性能比较,证明了SSK的优越性。

文献[12]在空移键控基础上引入了空间分集技术,充分利用了空间资源,提出了广义空移键控(Generalized Space Shift Keying)调制的概念,创造性地提出了如何选择多根天线组合形成空域星座点以达到系统性能最优,为以后无线通信领域的探索提供了新的思路。

在SSK和GSSK调制技术中,所有信息比特都用采用不同的发送天线组合来表示,发送的符号不携带任何比特信息,仅仅用来表示发送天线的工作状态。GSSK相比于SSK引入了空间分集,提高了频谱利用率。

4.3 STBC-SM

文献[13]将空间调制技术与MIMO系统中的空时分组码(STBC)结合起来,提出了一种新的高速率、低复杂度的传输体制,称为 STBC-SM。在STBC-SM中,信息通过STBC矩阵进行传输,对发送符号进行编码,既获得了一定的分集增益,又提高了系统的频带利用率。采用最优译码检测时,在不同天线数目和调制方式下,性能仿真表明STBC-SM比SM、V-BLAST约有大概3～5 dB的性能增益。

4.4 TCSM

文献[14]将网格编码调制(TCM)应用到空间调制(SM)中,称为TCSM,其主要思想是将发送天线划分成几块,使相邻传输符号之间有最大可能的欧式距离,从而降低天线间的相关性。与SM、Alamouti及V-BLAST系统相比,在相同的频谱利用率条件下,TCSM在瑞利衰落信道中呈现出更好的性能,而复杂度只有V-BLAST系统的80%。

4.5 CIOD-SM

文献[15]在坐标交织正交设计(CIOD)的空时编码基础上,提出了一种新型空间调制技术。该技术具有4根发射天线,在一个时隙只有一个天线发射符号,降低了符号间干扰。仿真表明,在接收天线分别为2和4时,采用最大似然检测算法,CIOD-SM系统性能优于传统的空时分组码和空间调制。

空间调制与编码的结合如空时编码、网格编码等可以提供更好的分集增益,而接收端利用空域冗余信息来进行发送符号的纠错,因此检测的准确度会得到大幅度的提升。

5 结 语

空间调制技术作为一种开创性的调制技术,在无线通信领域已经体现出其性能优势,但仍有许多问题与瓶颈亟待解决:

1)空间调制对发射天线数目有限制,必须为2的n次方,同时缺乏对天线阵列的充分应用,会存在一些调制星座点的浪费,如何能做到最大限度地利用空间资源以使系统性能达到最佳是一个需要深入研究的问题。

2)SM作为一种新的调制概念,其性能的好坏取决于发射天线间信道增益的差异性,因此空间调制对信道条件的依赖性较强,而目前的研究比较局限于理想信道或者平坦衰落信道。

3)空间调制本身不能提供发射分集,需要借助其他手段来获得,而与编码技术(特别是空时编码)的结合这方面的研究刚刚起步,具体的设计方案与接收算法仍有待进一步研究。

4)空间调制技术需要进行天线选择,天线需要长时间保持选择状态,而在发送天线切换中由于脉冲成形会使传输信号延迟几个符号周期,限制了射频链路的快速切换,影响高数据速率传输。

随着近些年研究不断增多,空间调制已经被应用到一些重要研究领域,但还有许多值得探索的方向,如SM与Turbo码、LDPC码、网络编码等关键技术的结合。SM属于一种物理层传输技术,结合绿色通信理念,折中优化系统容量和能量消耗,这也会是个新颖的研究领域。

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郭鹏程(1990—),男,硕士,主要研究方向为无线通信抗干扰与编码调制;

GUO Peng-cheng(1990-),male,M. Sci.,mainly engaged in wireless communication anti-jamming and code modulation.

关胜勇(1967—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为无线通信抗干扰与信号处理;

GUAN Sheng-yong(1967-),male,Ph.D.,senior engineer,majoring in wireless communication anti-jamming and signal processing.

许 拔(1981—),男,博士,工程师,主要研究方向为无线通信抗干扰与编码调制。

XU Ba(1981-),male,Ph.D.,engineer,mainly working at wireless communication anti-jamming and code modulation.

Spatial Modulation Technique and Development

GUO Peng-cheng1,2,GUAN Sheng-yong2,XU Ba2
(1.Institute of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Nanjing Telecommunication Technology Institute,Nanjing Jiangsu 210007,China)

Spatial modulation(SM)is a rapidly developing transmission technique with multiple antennas in recent years.Compared with the traditional MIMO technology,SM can avoid interchannel interference (ICI)and multiple antennas synchronization effectively.This paper analyses the basic theory of SM and classifis the receiving algorithms of multiple antennas.Compared with the vertical Bell lab layered spacetime structure(V-BLAST),SM has more superior performance.In addition,the dependence of SM on incorrelied channel condition through simulation is also analyzed.At last,the hot spot of SM research and some problems needed to be addressed will be further discussed.

spatial modulation(SM);ICI;space shift keying

TN911.3

A

1002-0802(2014)04-0343-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.04.001

解放军理工大学预先研究青年基金资助项目(No.KY63ZLXY1301)

Foundation Item:Advanced Research Foundation of PLA University of Science and Technology for Youths(No.KY63ZLXY1301)