基于发射天线分组的广义空间调制系统研究与仿真

徐光明，饶 静，谢文兰

（广东培正学院 数据科学与计算机学院，广东 广州 510830）

广义空间调制（Generalized Spatial Modulation，GSM）系统［1-3］作为一种获得复用增益的MIMO 技术，备受业界关注。在GSM 方案中，由同时激活多根天线的索引组合形成的天线索引矢量携带额外索引信息比特，并使用激活的多根天线传输不同的数据符号（如：QAM/PSK），极大地提高了频谱利用率。然而GSM 方案携带的额外索引信息比特数仅为比特数，na和Nt分别代表激活的天线数目和发射天线数目。文献［4-5］提出了基于星座点插值方法的增强空间调制（Enhanced Spatial Modulation，ESM）方案，通过天线索引矢量设计和信号星座设计相结合扩展了天线索引矢量的数量，提高携带额外索引信息的能力。文献［6］提出了基于多索引的广义空间调制（Generalized Spatial Modulation with Multi-Index Modulation，GSM-MIM）方案，其通过两种星座（QAM 和PAM 星座）与天线索引矢量相结合，挖掘索引维度，提高了频谱利用率，并增大发射符号之间平方最小欧式距离，以增强无线通信的性能。

基于以上研究背景，如何设计一种能够进一步携带更多额外索引信息的技术方案，已成为当前GSM 方案中的研究热点。借鉴于ESM 和GSM-MIM 方案中设计思想，本文提出一种基于天线分组的广义索引调制（Generalized Spatial Modulation with Transmit Antenna Grouping，AG-GSM）技术方案。AG-GSM 方案是在PAM 星座和天线索引的基础上，设计一种状态索引，进一步提高携带额外信息的能力。首先，设计AG-GSM 方案的系统模型，并在接收端采用最大似然检测算法恢复原始信息。然后，通过计算机仿真，用蒙特卡洛方法，对AG-GSM 方案进行仿真验证。最后，与QSM、GSM、ESM、GSM-MIM方案相比较，AG-GSM 方案具有低平均误比特率，进一步提高了无线通信的可靠性。

1 系统模型

本文所提出的AG-GSM 技术方案，目的是为了提高携带额外索引信息的能力，从而进一步提高频谱利用率和无线通信的可靠性。

1.1 发射机模型

AG-GSM 方案中发射机结构图如图1 所示，配备Nt根发射天线。首先将Nt根发射天线分为n 组，由此得到每组有根发射天线，用于发射矢量信号Sα，α∈｛1，…，n｝，其由数据块Bα，α∈｛1，…，n｝经过三个模块处理并调制在每组的根发射天线而得到，其中，三个模块分别是：天线索引选择器、PAM 星座调制器、｛1，j｝状态选择器。

图1 AG-GSM 方案的发射机模型

从图1 可以看出，每个发射空间矢量符号Sα携带三部分信息比特数的总数为

由此，一个完整发射符号时隙内传输的信息比特总数，也就是说，一个完整的发射空间矢量V 携带的信息比特总数（η：bps/Hz）为

为了更好地说明所提出方案的基本原理，通过列表举例说明，如表1 所示，假设Nt=8，发射天线被分为四组，每组为两根发射天线，采用2PAM 调制方式，设=［010 101 011 110］。

表1 生成一个发射空间向量V 的映射表

1.2 信道模型

1.3 基于最大似然检测算法

在接收端，对状态索引IRI、星座点索引信息Is和天线索引信息IAI进行联合检测。最大似然检测器被用于恢复原始数据信息比特，对于AG-GSM 方案来说，最大似然检测算法准则可以表示为

其中，‖g‖2表示Frobenius 范数，分别表示对状态索引信息的检测估计值、星座点索引信息的检测估计值以及天线索引信息的检测估计值。

2 仿真结果和分析

在Matlab 环境下，本文采用蒙特卡洛方法，对上述所提出的AG-GSM 方案进行仿真，并与QSM、ESM、GSM、GSM-MIM 等方案进行误比特率（Bit Error Rate，BER）性能比较。假设在接收端信道状态信息是已知的，且在接收端采用最大似然检测器恢复原始信息。仿真参数配置如下：每个发射符号时隙内发射总功率为1，信噪比（SNR）的取值范围为3～24 dB，［Nt，Nr］=［8，8］，n=4，η=12，13 bps/Hz，基于参数（na，）的GSM 方案和基于参数（a，b，N）的GSM-MIM 方案，注意，GSM-MIM 方案中两根发射天线用于调制PAM 星座符号，其余发射天线用于调制QAM 星座符号，na分别表示激活的发射天线数量和调制阶数，a，M 分别表示每个时隙内传输PAM 星座符号的个数和调制阶数，b，分别表示每个时隙内传输QAM 星座符号的个数和调制阶数。

图2 描述了多种空间调制技术方案在η=12 bps/Hz 时BER 性能曲线。从图2 的仿真曲线可以看到，与采用64QAM 的QSM 方案、采用64QAM 的ESM 方案、基于参数（2，16）的GSM 方案、基于参数（1，2，2，4-8）的GSM-MIM 方案相比较，采用2PAM 的AG-GSM 方案具有更低的误比特率。注意，4-8表示同时调制4QAM 和8QAM 星座。比如：当误比特BER=10-3时，所提出的AG-GSM 方案的性能，比QSM 方案优于大约9 dB 信噪比增益，比ESM 方案优于大约3 dB 信噪比增益，比GSM 方案优于大约2.8 dB 信噪比增益，比GSM-MIM 方案优于1 dB 信噪比增益。由于AG-GSM 方案的信噪比增益好，理论上，AG-GSM 方案具有更大的两两发射符号之间平方最小欧式距离。这里对其进行分析，在空间调制系统中，两两发射符号之间最小欧式距离的计算公式为

图2 ［Nt，Nr］=［8，8］且η=12 bps/Hz 时几种空间调制方案的性能比较

图3 ［Nt，Nr］=［8，8］且η=13 bps/Hz 时几种空间调制方案的性能比较

3 结语

本文充分利用发射天线空间域，将发射天线数进行分组，并通过星座（PAM）符号与天线索引矢量相结合，提出了一种AG-GSM 方案。在AG-GSM 方案中，除了使用天线索引矢量携带额外信息外，同时设计一种状态索引用于携带额外信息，这样提高了携带额外索引信息比特的能力。从仿真的结果可以看到，与QSM、ESM、GSM、GSM-MIM 技术方案相比，AG-GSM 方案由于增大了发射符号之间平方最小欧式距离，具有更好的BER 性能，进一步提高了无线通信的可靠性。