陳發(fā)堂，張丁全，馮永帥

（重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

基于分層編碼的空間調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳發(fā)堂，張丁全，馮永帥

（重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

空間調(diào)制（SM）作為一種新穎的多天線傳輸方案，獨(dú)創(chuàng)性地將輸入比特與發(fā)射天線序號(hào)構(gòu)成一種映射關(guān)系，用來承載一定的發(fā)送信息。但該方案通過單層調(diào)制模式將發(fā)送比特映射到均勻分布的信號(hào)星座點(diǎn)上，極大地限制了系統(tǒng)性能的提升。在星座點(diǎn)映射上采用分層編碼調(diào)制（SCM）技術(shù)，滿足了同一傳輸時(shí)隙上不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，并有效提升系統(tǒng)性能。基于SCM的原理，提出了一種低復(fù)雜度的檢測(cè)算法。仿真結(jié)果表明，新算法的檢測(cè)性能近似最大似然（ML），且接收端復(fù)雜度隨調(diào)制階數(shù)呈線性增加。

空間調(diào)制；分層編碼調(diào)制；信號(hào)檢測(cè)；連續(xù)干擾消除

0 引言

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，人們對(duì)無線通信系統(tǒng)的信息傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量要求越來越高。為了滿足需求，必須采取有效措施來提高系統(tǒng)的頻譜利用率和可靠性。研究表明，多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)技術(shù)通過增加發(fā)送與接收信號(hào)的天線數(shù)量，可以在不增加系統(tǒng)帶寬與發(fā)射功率的前提下有效提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率。但隨著天線數(shù)的增加，MIMO技術(shù)也存在弊端：一方面發(fā)送天線之間要求同步，極大地增加了硬件實(shí)現(xiàn)難度和成本；另一方面所有發(fā)送天線同時(shí)傳輸同頻信號(hào)，將導(dǎo)致各天線之間存在極強(qiáng)的信道干擾。針對(duì)以上缺陷，2006年MESLEH R與HAAS H在文獻(xiàn)[1]中提出了一種新的多天線傳輸技術(shù)——空間調(diào)制(Spatial Modulation，SM)方案，該技術(shù)具有單射頻特性，天線間干擾程度低，接收端的信號(hào)處理較為簡(jiǎn)單，正逐漸成為MIMO傳輸技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中闡述了SM方案的核心思想，任一發(fā)送時(shí)刻只有一根發(fā)射天線處于激活狀態(tài)，其余發(fā)射天線處于靜默狀態(tài)，發(fā)送的比特信息一部分映射到星座調(diào)制圖上，其余比特信息映射到天線索引號(hào)構(gòu)成的空間維上。因此，SM方案有效避免了信道間干擾和多天線發(fā)射同步難問題，但存在以下不足：首先，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中的調(diào)制技術(shù)都是通過單層調(diào)制模式將比特信息均勻地映射在MPSK/MQAM星座圖上。這些星座圖中的信號(hào)點(diǎn)等間隔等概率分布，從容量?jī)?yōu)化的角度來看這種模式并不是最優(yōu)的，一定程度地限制了SM系統(tǒng)性能[3]；同時(shí)在高速率系統(tǒng)中，系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度是一個(gè)重要的考慮因素。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中的傳統(tǒng)SM系統(tǒng)采用2M進(jìn)制非線性比特符號(hào)調(diào)制，然后通過最大似然算法(Maximum Likelihood，ML)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度為o(2MNr)，隨著M的增加，復(fù)雜度呈指數(shù)遞增。因此，高階調(diào)制方案很難用于高速率傳輸?shù)腗IMO系統(tǒng)。

針對(duì)以上存在的不足，本文在傳統(tǒng)SM系統(tǒng)星座點(diǎn)映射上采用分層編碼調(diào)制(Superposition Coded Modulation，SCM)技術(shù)，稱為基于分層編碼的空間調(diào)制（SCM-SM）系統(tǒng)，它極大地簡(jiǎn)化了可用碼字的構(gòu)成，且編碼過程是線性的，接收端的譯碼復(fù)雜度也會(huì)相對(duì)降低，在準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道中有效地均衡SM系統(tǒng)的有效性和可靠性。

傳統(tǒng)SM系統(tǒng)采用ML算法、最大比合并算法(Maximum Ratio Combining，MRC)以及球形譯碼算法(Sphere Decoding，SD)等進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。ML通過遍歷所有碼本，它以犧牲系統(tǒng)復(fù)雜度換取了較低誤比特率性能(Bit-Error-Rate，BER)，而復(fù)雜度相對(duì)低的MRC和 SD算法性能略低于ML。為了更好地均衡系統(tǒng)的復(fù)雜度與性能，本文在SCM-SM系統(tǒng)下，提出了一種低復(fù)雜度的檢測(cè)算法，連續(xù)干擾消除檢測(cè)，能較好地恢復(fù)出星座域和空間域的比特信息。該算法的復(fù)雜度主要取決于編碼層數(shù)，當(dāng)層數(shù)為L(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度隨著L呈線性增加。因此，分層編碼調(diào)制方案適合于高速率傳輸?shù)拇笠?guī)模MIMO系統(tǒng)。

1 分層編碼調(diào)制與系統(tǒng)模型

1.1 分層編碼調(diào)制原理

無線通信系統(tǒng)中，語音、圖像以及視頻等業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)的要求各不相同。傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)引入混合自動(dòng)重轉(zhuǎn)機(jī)制(Hybrid Automatic Repeat request，HARQ)和前向糾錯(cuò)碼技術(shù)(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)來保證不同用戶 QoS要求，但這些方案都需要系統(tǒng)提供額外的容量開銷。文獻(xiàn)[6]的LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)系統(tǒng)中，作者通過 SCM技術(shù)保證不同用戶的QoS。同時(shí)，傳統(tǒng)SM系統(tǒng)每次通過激活一根天線來傳輸信息，一定程度上浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。因此，本文將傳統(tǒng)SM系統(tǒng)與SCM技術(shù)結(jié)合，得到SCM-SM系統(tǒng)。一方面很好地滿足了不同業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量要求，另一方面充分利用了MIMO的系統(tǒng)資源。

SCM其核心思想是將不同 QoS要求的比特信息進(jìn)行分層，QoS要求高或者優(yōu)先級(jí)高的比特信息在上層進(jìn)行獨(dú)立編碼調(diào)制，QoS要求低或者優(yōu)先級(jí)低的信息在低層進(jìn)行獨(dú)立編碼調(diào)制。圖1為兩層編碼調(diào)制的星座點(diǎn)圖(4/16QAM)，通過兩層QPSK進(jìn)行獨(dú)立編碼調(diào)制后線性疊加，相當(dāng)于16QAM星座圖。

如圖1所示，待發(fā)送的比特信息通過分離器將QoS要求高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離到第一層進(jìn)行獨(dú)立編碼，映射到圖中黑色點(diǎn)(QPSK星座點(diǎn))上；QoS要求低的數(shù)據(jù)分離到第二層進(jìn)行獨(dú)立編碼，也映射到對(duì)應(yīng)的QPSK星座點(diǎn)上。最后通過加權(quán)疊加后調(diào)制到4/16QAM對(duì)應(yīng)的白色星座點(diǎn)上。

圖1 兩層編碼的調(diào)制星座圖

1.2 系統(tǒng)模型

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)包含Nt根發(fā)送天線、Nr根接收天線、Na根激活天線的SCM-SM系統(tǒng)模型，發(fā)送端系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先發(fā)送比特信息分為兩個(gè)部分，即星座點(diǎn)調(diào)制和天線索引調(diào)制。天線索引調(diào)制部分與傳統(tǒng)空間調(diào)制方案相同，用于選擇發(fā)送時(shí)刻的激活天線索引號(hào)。而星座點(diǎn)調(diào)制部分與文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的方案不同，本設(shè)計(jì)將其與SCM技術(shù)結(jié)合，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。

由圖2可知，星座點(diǎn)調(diào)制部分采用SCM技術(shù)，將調(diào)制的比特通過串并轉(zhuǎn)換，得到L路比特信息。其中，每一路相當(dāng)于一個(gè)調(diào)制層，每一層的信息通過相同編碼器(Turbo編碼/卷積編碼)編碼，輸出序列為 ci，ci經(jīng)過交織器后得到bi，且每一層交織方式不同，目的是得到相互獨(dú)立的編碼比特。最后，bi通過相應(yīng)調(diào)制方式(QPSK/ QAM)進(jìn)行星座圖調(diào)制，得到調(diào)制符號(hào) xi。發(fā)射的信息 xj由各層調(diào)制符號(hào)加權(quán)后線性疊加。

圖2 SCM-SM系統(tǒng)發(fā)送端框圖設(shè)計(jì)

式中，L表示層數(shù)，J為每層調(diào)制符號(hào)長(zhǎng)度，xi是調(diào)制后的向量，ρi是第 i層加權(quán)系數(shù)。ρi取值不同將會(huì)產(chǎn)生不同整形與性能的星座圖，從而系統(tǒng)性能也大不相同。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中蜂窩系統(tǒng)加權(quán)因子的參數(shù)設(shè)計(jì)，此處設(shè)計(jì)的MIMO系統(tǒng)各層加權(quán)因子 ρl如式(2)所示：

最后，xj通過激活天線 nt發(fā)送到無線信道中。假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)過準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道，Hj代表 Nt×Nr的信道沖擊響應(yīng)矩陣，接收端信號(hào)為：

此時(shí)，該系統(tǒng)傳輸速率相對(duì)于文獻(xiàn)[2]中的空間調(diào)制系統(tǒng)有所提高。傳輸速率 R如式(4)所示，單位為 bpcu (Bits per channel use)。

其中Mi表示第i層調(diào)制階數(shù)，r是編碼速率。

2 連續(xù)干擾消除信號(hào)檢測(cè)

文獻(xiàn)[7]的MRC算法和文獻(xiàn)[8]的SD算法犧牲了一定系統(tǒng)性能，以換取較低的系統(tǒng)復(fù)雜度?？紤]到ML較優(yōu)的BER性能，本文將該算法與SCM方案相結(jié)合，提出了一種新的信號(hào)檢測(cè)算法——連續(xù)干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）。通過逐層運(yùn)用干擾消除方法進(jìn)行信號(hào)譯碼，算法檢測(cè)流程框圖如圖3所示。

圖3 SIC檢測(cè)算法原理框圖

基于前面的Nt根發(fā)射天線、Nr根接收天線的MIMO系統(tǒng)模型，由式(3)可得：

式(5)中的ξl表示噪聲和其他層對(duì) l層的干擾信息。

式(8)中的s1是第一層QAM星座點(diǎn)碼本，式(9)中的sL是L層線性疊加后的星座點(diǎn)碼本。這樣，系統(tǒng)復(fù)雜度就從原來隨調(diào)制階數(shù)呈指數(shù)增加變?yōu)殡S層數(shù)L線性增加。最后各層進(jìn)行獨(dú)立譯碼，得到各層的比特信息{c1，…，cL}。

3 算法復(fù)雜度分析

本文使用復(fù)數(shù)運(yùn)算的次數(shù)來衡量算法的檢測(cè)復(fù)雜度。兩個(gè)復(fù)數(shù)相乘需要4次乘積運(yùn)算和3次求和運(yùn)算。在SCM-SM系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[4]中的ML檢測(cè)算法需要4(Nt)2Nr2M×L次復(fù)數(shù)乘法和((3Nt+7)Nr+2)Nt2M×L次復(fù)數(shù)加法；其中M表示各層調(diào)制階數(shù)。本文提出的SIC檢測(cè)算法的復(fù)數(shù)乘與復(fù)數(shù)加次數(shù)如下：

由式(10)、式（11）可知，SIC檢測(cè)方案的系統(tǒng)復(fù)雜度隨層數(shù)線性增加。特別地，收發(fā)天線數(shù)相同情況下，R越高(即L越大)，提出的檢測(cè)算法復(fù)雜度越低，例如當(dāng) Nt= Nr=8，Na=1，r=1/2傳輸速率(分別為 5 bpcu和 6 bpcu)，ML與SIC兩種檢測(cè)算法的計(jì)算復(fù)雜度對(duì)比如表1所示。

表1 不同傳輸速率下各算法的計(jì)算復(fù)雜度

4 仿真分析

為了驗(yàn)證SCM-SM系統(tǒng)性能，以系統(tǒng)的BER為衡量指標(biāo)。發(fā)送端采用編碼速率為 1/2的(7，5)8卷積碼，假設(shè)信道矩陣H的每一個(gè)元素都服從均值為0、方差為1的復(fù)高斯分布，且接收端對(duì)H完全已知，考慮不同的調(diào)制方式和收發(fā)天線數(shù)。

圖4表示在 Nt=Nr=8、Na=1、R=5 bpcu時(shí)，SCM-SM系統(tǒng)采用4/16QAM，SM系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制。且接收端都采用ML檢測(cè)算法，兩系統(tǒng)的總誤比特率（BER）、天線索引映射（Index）以及調(diào)制符號(hào)（Constellation）的誤比特率曲線如圖4所示。

圖4中，SCM-SM系統(tǒng)性能曲線始終位于SM系統(tǒng)的下方，在信道環(huán)境好的情況下，SCM-SM系統(tǒng)優(yōu)于SM系統(tǒng)1.4～2.0 dB左右。

為進(jìn)一步驗(yàn)證SCM方案在高速率傳輸下的性能，對(duì)兩系統(tǒng)下在R=5 bpcu和R=6 bpcu進(jìn)行仿真對(duì)比；且接收端都基于ML檢測(cè)算法，仿真圖如圖5。

圖4 5 bpcu下系統(tǒng)各性能曲線圖

圖5 不同傳輸速率下的各系統(tǒng)性能曲線圖

在R為5 bpcu和6 bpcu時(shí)，SCM-SM系統(tǒng)性能曲線始終位于傳統(tǒng)SM系統(tǒng)性能曲線的下方。特別在信噪比為12～17 dB時(shí)，該系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)較顯著。最后，在SCM-SM系統(tǒng)下還將提出的SIC信號(hào)檢測(cè)算法性能與文獻(xiàn)[4]中的ML算法和文獻(xiàn)[7]中的MRC算法細(xì)性能進(jìn)行仿真對(duì)比。

從圖6中可以看出，提出檢測(cè)算法的BER曲線近似ML，兩者之間相差約 0.6～1.0 dB。特別在R=5 bpcu，采用 4/16QAM調(diào)制，星座點(diǎn)分布相對(duì)分散，SIC相比于MRC改善了約 0.8～1.2 dB的檢測(cè)性能；在R=6 bpcu，采用4/64QAM調(diào)制，星座點(diǎn)相對(duì)密集，SIC檢測(cè)算法優(yōu)于MRC約1.4～1.8 dB。

圖6 SCM-SM系統(tǒng)下不同檢測(cè)算法性能曲線圖

5 結(jié)論

傳統(tǒng)SM系統(tǒng)采用均勻分布的星座點(diǎn)進(jìn)行星座映射，一定程度上限制了系統(tǒng)性能，且該系統(tǒng)不能在同一傳輸時(shí)隙滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。本文在SM系統(tǒng)的星座點(diǎn)調(diào)制上采用SCM技術(shù)，有效地改善其性能。并提出了一種低復(fù)雜度的檢測(cè)算法，經(jīng)理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明，該檢測(cè)算法性能接近ML，且接收端譯碼復(fù)雜度與星座點(diǎn)調(diào)制階數(shù)M呈線性關(guān)系，即在很大程度上降低了檢測(cè)復(fù)雜度。同時(shí)，該方案能在同一傳輸符號(hào)下滿足不同業(yè)務(wù)的不同QoS要求，更加靈活地滿足未來5G系統(tǒng)的多種業(yè)務(wù)需求，在未來高速率傳輸?shù)囊苿?dòng)通信系統(tǒng)中，該方案存在著一定的優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design of space modulation system based on superposition coded

Chen Fatang，Zhang Dingquan，F(xiàn)eng Yongshuai
(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

Spatial modulation(SM)is a novel multi-antenna transmission scheme,which originally constitutes a mapping relation between inputting bits and transmitting antenna.This scheme will send the bit mapping on the uniform constellation points by single modulation,and tremendously limit system performance improvement.In this paper,the Superposition Coded Modulation(SCM)was used in constellation points mapping.It will provide different quality of service for different Quality of Services(QoS)in the same transmission time slot,and improve the system performance effectively.Based on the SCM scheme,a low complexity of signal detection algorithm has been proposed.The simulation results show that the detection performance of new algorithm is closer to the Maximum Likelihood(ML),and the receiver complexity increases linearly with the modulation order.

space modulation；superposition coded modulation；signal detection；successive interference cancellation algorithm

TN929.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.023

陳發(fā)堂，張丁全，馮永帥.基于分層編碼的空間調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(11)：88-91.

英文引用格式：Chen Fatang，Zhang Dingquan，F(xiàn)eng Yongshuai.Design of space modulation system based on superposition coded[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(11)：88-91.

2016-05-31）

陳發(fā)堂（1965-），男，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：移動(dòng)通信和TD-LTE系統(tǒng)開發(fā)。

張丁全（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：LTEA系統(tǒng)物理層算法、空間調(diào)制技術(shù)。

馮永帥（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：LTEA系統(tǒng)物理層算法。

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500428)