广义索引调制系统的设计

赵蒙蒙，金小萍，冯会真

(中国计量大学 信息工程学院，浙江 杭州 310018)

广义索引调制系统的设计

赵蒙蒙，金小萍，冯会真

(中国计量大学 信息工程学院，浙江 杭州 310018)

广义空间调制-多输入多输出(GSM-MIMO)模型中传输天线组合由传输的信息序列随机激活，即会产生传输天线信道性能不理想的情况，将大大削弱系统性能.同时，在检测时因对所有组合情况进行遍历使复杂度呈指数上升.结合索引思想提出了广义索引调制技术(generalized index modulation, GIM)，即在GSM系统的基础上将传输符号标记的索引与天线索引结合构造成新的传输符号，再利用天线选择算法传输.与GSM相比，解决了信道随机分配所带来的不良影，由于GIM构造符号的多样性传输速率有2比特以上的提高，同时接收端的检测复杂度在多天线时有50%的下降.广义索引调制更适用于衰落区分明显的传输信道.

MIMO系统；空间调制；广义索引

空间调制(spatial modulation, SM)是一种面向MIMO系统的低复杂度空间复用技术[1-2].在SM系统中，每个传输时隙仅需一根天线对外发送信号，其余天线均处于静默状态.换言之，采用SM技术的发射机不需要为每根发射天线配置独立的射频前端链路，符合单射频链路MIMO技术的基本特征[3].因此，SM系统在发射机端无需天线同步，接收机端的接收信号不存在信道间干扰，从而可以显著降低系统复杂度，获得良好的能量效率[4].可是，SM技术的复用增益与发射天线数目成对数线性关系，传输效率不高.为了进一步提高频谱效率和系统的传输速率，我们不再局限于使用各独立天线构成空间星座，转而采用多根发射天线的组合，并由此发展出了广义空间调制(generalized spatial modulation, GSM)策略[5].GSM的突出特点是拓展了SM的空间域概念，改由多根被激活天线的组合构成空间星座点.因此，在配置相同数目的发射天线时，GSM系统往往能获得比SM系统更高的频谱效率[6].然而，广义空间调制是利用传输比特随机选择传输信号所用的信道，当所选信道衰落十分严重时，会对系统性能造成严重影响，同时检测复杂度相比SM系统也增大了很多[7].文献[8]中提出了激活一个天线的空间调制索引系统，但其频谱效率有限，传输速率不高.

对此，我们根据文献[8]进一步提出了一种基于索引调制的广义索引调制系统模型.通过信息比特选择多根天线索引，根据映射关系调制成传输符号发送.并根据天线选择算法选择最佳的天线进行传送，避免了衰落性能严重的传输信道[9].在接收端检测时，仅需要检测发送符号，大大降低了检测复杂度，同时提高了传输效率.

1 设计方案

图1 GIM系统模型Figure 1 Diagram of GIM System

索引调制映射成构造符号为[1+1j,2+2j,3+4j].

表1 10bit·Hz-1·s-1 GIM映射规则Table 1 10bit·Hz-1·s-1 GIM mapping rules

表2 GIM与GSM采用4QAM调制时比特传输速率对比Table 2 Bit transmission rate comparison

(1)

(2)

本文以实数相乘个数作为计算复杂度，GIM的检测复杂度为

(3)

传统GSM中，激活天线组合为Nc，GSM检测算法表达式为

(4)

其中，sk为GSM中第k根天线上加载的符号，且sk∈Ω，Ω为GSM中M-QAM的调制星座图.

GSM的检测复杂为

GSMC=M×Nr×(Nu+1)×Nc.

(5)

由(3)式和(5)式对比得到

(6)

当M=Nt时，可化简为

(7)

由式(6)可以看出GIM和GSM复杂度对比主要由星座图前后维度变化和传输天线组合数两部分构成.当传输天线数目较大时，星座图扩大所带来的检测复杂度增加不会超过GSM系统中检测所有天线组合的计算量.即式(7)中M≤Nc.所以GIM系统在提高传输速率的同时降低了检测复杂度.

2 仿真结果

仿真采用独立不同分布平坦衰落信道模型，首先采用4QAM调制方式.仿真结果对发射天线Nt=4,6,8(接收天线与发射天线数目相等)，激活天线数为3的不同情况下的GIM系统和GSM系统进行了误比特率比较以及检测复杂度分析.性能仿真如图2，复杂度分析如图3.

通过图2可以看出，在调制阶数都为4QAM时，随着发射天线数目的增大,GIM和GSM的性能都随之增强.同时GIM与GSM性能有一定差距，这是因为在平坦衰落信道中，每个信道衰落差距不大，同时GIM系统的调制方式扩大了星座图，欧氏距离缩小容易造成误判.但当信号带宽大于信道带宽时，会产生严重衰落的信道.这时，信道信息对传输信号的影响会大于因星座图扩大造成误判的影响，GIM系统的性能会得到弥补.通过图3可以看出，随着发射天线数目的增大，GIM与GSM的检测复杂度逐渐拉大.如当发射天线数为8时，GSM的检测复杂度为4 096，GIM的检测复杂度为2 048.

图2 不同发射天线数时GIM和GSM误码率对比Figure 2 BER Performance against different antenna

图3 不同发射天线数时GIM和GSM复杂度对比Figure 3 Complexity comparison against different transmission antenna numbers

其次，在采用8根发射天线时(接收天线和发射天线数目相等)，仿真对M=4,8,16，激活天线数为3的情况进行了GIM系统和GSM系统的误比特率对比以及检测复杂度分析.性能仿真如图4，复杂度分析如图5.

通过图4可以看出，在发射天线数都为8时，GIM和GSM性能随调制阶数的上升有所下降.这是因为星座图变大增加了误判的可能性.

图4 不同调制阶数GIM和GSM性能对比Figure 4 BER Performance against different modulation order

通过图5可以看出，在调制阶数改变时，GSM的复杂度变化很明显；且随着调制阶数的增大，GSM系统的检测复杂度会大大超出GIM的检测复杂度.

图5 不同调制阶数GIM和GSM复杂度对比Figure 5 Complexity comparison against different modulation order

3 结 语

针对GSM系统中无法避免严重衰落传输信道及检测复杂度过大的问题，提出了一种基于索引调制的广义索引调制系统.在天线数目较大时，检测复杂度逐渐拉大.在平坦衰落信道中，由于星座扩大，信道衰落信息差距不大，性能与GSM有一定差距.但当信道衰落差距明显如频率选择性衰落信道，信道的选择会弥补由于星座图扩大带来的损失.同时，与传统GSM系统相比，进一步提高了比特传输速率.可见，GIM适用于发射天线数多、调制阶数大、信道衰落变化明显的传输系统.

[1]RENZOMD,HASSH,GRANTPM.Spatialmodulationformultipleantennawirelesssystems:asurvey[J]. IEEE Communications Magazine,2011,49(12):182-191.

[2] RENZO M D, HAAS H, GHRAYEB A, et al. Spatial modulation for generalized MIMO: challenges, opportunities, and implementation[J]. Proceedings of the IEEE,2011,102(1):56-103.

[3] MESLEH R Y, HAAS H, SINANOVIC S, et al. Spatial modulation[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(4):2228-2241.

[4] STAVRIDIS A, SINANOVIC S, HAAS H. Energy evaluation of spatial modulation at a multi-antenna base station[C]// IEEE Vehicular Technology Conference. LAS Vegas: IEEE Press,2013:1-5.

[5] WANG J, JIA S, SONG J. Generalised spatial modulation system with multiple active transmit antennas and low complexity detection scheme[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(4):1605-1615.

[6] LAKSHMI T, CHOCKALINGAM A. On the capacity and performance of generalized spatial modulation[J]. IEEE Communications Letters,2016,11(4):252-255.

[7] YOUNIS A, SERAFIMOVSKI N, MESLEH R, et al. Generalised spatial modulation[C]//IEEE Forty Fourth Asilomar Conference. California: IEEE Press,2010:1498-1502.

[8] AYDIN E, ILHAN H. A novel SM based MIMO system with index modulation[J]. IEEE Communications Letters,2015,12(24):244-247.

[9] YANG Ping, YUE Xiao, YONG Liangguan, et al. Transmit antenna selection for multiple-input-multiple-output spatial modulation systems[J]. IEEE Transactions on Communications.2016,11(64):2035-2048.

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 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

浙江省教育厅项目(No.Y201432108)，浙江省宁波大学信息与通信工程重中之重学科开放基金资助项目(No.xkx11414),浙江省自然科学基金资助项目(No.LY17F010012).

TN914

A