高 強(qiáng),范麗敏,韓東升

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系,河北保定 071003)

一種新的四進(jìn)制差分空間調(diào)制方法

高 強(qiáng),范麗敏,韓東升

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系,河北保定 071003)

在SM(空間調(diào)制)系統(tǒng)中,基于差分編碼思想對(duì)4根發(fā)射天線情況提出了一種新的DSM(差分空間調(diào)制)方案。在接收端解調(diào)時(shí)采用差分直接檢測(cè)法,即根據(jù)前后相鄰兩時(shí)刻的接收信號(hào)差進(jìn)行解調(diào)。該方法只需測(cè)定初始的信道參數(shù),后續(xù)接收端與發(fā)送端均不需要知道信道狀態(tài)信息,通信過(guò)程中可以抵抗信道參數(shù)變化。對(duì)DSM方案進(jìn)行了性能仿真,結(jié)果表明,該四進(jìn)制DSM方案能夠?qū)崿F(xiàn)通信,并且具有較好的抗信道參數(shù)變化性能。

空間調(diào)制;差分編碼;多輸入多輸出;差分檢測(cè)

0 引 言

SM(空間調(diào)制)[1]技術(shù)最早由Raed Mesleh等人提出,其有效地提高了系統(tǒng)的頻譜效率和傳輸性能[2],是一種極具潛力的新型多天線技術(shù)[3],也是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。SM大多假設(shè)接收端已知信道狀態(tài)信息,在信道狀態(tài)改變慢于符號(hào)傳輸速率時(shí)較為合理,但不適合高速移動(dòng)場(chǎng)景。信道改變迅速時(shí)接收端若要獲得精確的信道狀態(tài)信息非常困難,其成本也會(huì)大大增加。DSM(差分空間調(diào)制)可在信道狀態(tài)信息未知的情況下完成調(diào)制解調(diào),適合高速移動(dòng)場(chǎng)景。差分的概念在MIMO(多輸入多輸出)中已成功實(shí)現(xiàn)[4-8],也有學(xué)者提出將差分應(yīng)用于SM[9-10],文獻(xiàn)中具體闡述了發(fā)送端為兩根或3根天線時(shí),在PSK(相移鍵控)調(diào)制方式下DSM的編碼傳輸。

本文針對(duì)發(fā)送端有4根天線的情況提出了一種新的DSM方案,在發(fā)送端結(jié)合差分編碼的思想激活天線,接收端采用差分直接檢測(cè)的解調(diào)方法。通過(guò)理論推導(dǎo)并進(jìn)行了仿真研究,給出了抗噪聲性能曲線。

1 差分空間調(diào)制

在SM系統(tǒng)中,假設(shè)發(fā)射天線有Nt根,接收天線Nr根。本文提出的DSM中,取Nt=4,Nr為任意值。在傳統(tǒng)SM中,發(fā)送時(shí)隙只激活一根天線,定義S為每個(gè)時(shí)刻傳輸?shù)腘t維列向量信號(hào),且S中只有一個(gè)非零元素Si,i∈[1∶Nt]表示被激活的天線序號(hào)。H為Nr×Nt信道傳輸矩陣,n為Nr維列向量加性高斯白噪聲,y為接收端在空間域上接收到的信號(hào)向量。對(duì)信道建模時(shí)有傳統(tǒng)的時(shí)間域卷積關(guān)系和表達(dá)傳輸衰減量的乘積關(guān)系兩種形式,在SM中,均采用乘積關(guān)系模型。根據(jù)文獻(xiàn)[2]、[9]和[10],接收端的接收信號(hào)向量y可表示為

H可表示為

式中,hNrNt表示發(fā)射天線Nt到接收天線Nr之間的

傳輸信道增益,寫(xiě)成向量形式為

式中,hj表示從發(fā)射天線j(j∈[1∶Nt])到所有接收天線的信道增益,即

1.1 DSM編碼規(guī)則

4根發(fā)射天線的DSM系統(tǒng)中,將4根天線兩兩分組,每個(gè)時(shí)刻同為一組的天線中只有一根被激活,在同一時(shí)刻被激活的兩根發(fā)射天線同時(shí)工作。圖1所示為差分天線的編碼方式,其中,A號(hào)和B號(hào)發(fā)射天線為一組,a號(hào)和b號(hào)發(fā)射天線為另外一組。因此,同一時(shí)刻工作的天線組合為(A a)、(A b)、(B a)和(B b),分別對(duì)應(yīng)圖1中T4～T14種狀態(tài)。天線組合方式確定后規(guī)定:當(dāng)輸入四進(jìn)制碼元為00時(shí),當(dāng)前時(shí)刻激活天線組合不變,即保持與上一時(shí)刻工作天線組合狀態(tài)相同;當(dāng)輸入四進(jìn)制碼元為01時(shí),若上一時(shí)刻激活的天線組合為T(mén)1狀態(tài),則當(dāng)前時(shí)刻激活天線組合為T(mén)2狀態(tài),或者是其逆過(guò)程;若上一時(shí)刻激活的天線組合為T(mén)2狀態(tài),則當(dāng)前時(shí)刻激活天線組合為T(mén)1狀態(tài),T3狀態(tài)和T4狀態(tài)之間跳變;當(dāng)輸入四進(jìn)制碼元為10時(shí),激活的天線組合在T1和T3狀態(tài)之間跳變、或者T2和T4狀態(tài)之間跳變;當(dāng)輸入四進(jìn)制碼元為11時(shí),激活的天線組合在T1和T4狀態(tài)、T2和T3狀態(tài)之間跳變。

圖1 天線編碼方式

圖1 中還具體給出了發(fā)射天線的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及輸入不同的四進(jìn)制碼元時(shí)激活天線組合的跳變情況,空心圓點(diǎn)表示發(fā)射天線不工作,實(shí)心圓點(diǎn)表示該發(fā)射天線被激活。DSM即用前后相鄰時(shí)刻天線組合的不同跳變來(lái)表示碼元序列00、01、10或11。

1.2 DSM檢測(cè)

差分直接檢測(cè)法是根據(jù)DSM的特點(diǎn)提出的一種解調(diào)方法,其原理是根據(jù)前后兩個(gè)時(shí)刻接收端收到的信號(hào)差來(lái)判斷天線工作狀態(tài)的跳變情況,然后恢復(fù)出激活天線組的四進(jìn)制碼元序列。差分直接檢測(cè)與其他檢測(cè)方法的最大不同是僅需要在傳輸開(kāi)始時(shí)刻給出信道狀態(tài)信息,之后可以在信道狀態(tài)信息未知的情況下完成解調(diào),這也是差分直接檢測(cè)法最大的優(yōu)點(diǎn)。

假設(shè)信道中沒(méi)有噪聲干擾,接收端k時(shí)刻收到的信號(hào)向量為y(k),k+1時(shí)刻收到的信號(hào)向量為y(k+1),發(fā)送端k時(shí)刻發(fā)出的信號(hào)向量為s(k),k+ 1時(shí)刻發(fā)出的信號(hào)向量為s(k+1),信道傳輸矩陣為H,則由式(1)可知

由式(7)可知,如果接收端的信道矩陣前后時(shí)刻不發(fā)生變化,則當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻收到的信號(hào)向量的差的模值只與發(fā)送信息的改變有關(guān),即由發(fā)送信號(hào)向量決定接收信號(hào)向量,其模值大小反映了不同的狀態(tài)跳變,因此能準(zhǔn)確解調(diào)SM信息。在信道慢衰落條件下,信道矩陣變化較小,可以忽略信道參數(shù)的微小波動(dòng),認(rèn)為前后時(shí)刻的信道矩陣參數(shù)近似相等,此時(shí),仍然可以認(rèn)為接收信號(hào)向量的模值變化主要是由發(fā)送信息的變化而引起,因此,也能準(zhǔn)確解調(diào)SM信息。

若信道參數(shù)微小波動(dòng),H(k)表示k時(shí)刻的信道參數(shù),H(k+1)表示k+1時(shí)刻的信道參數(shù),則式(5)～式(7)可表示為

由式(3)可知,若H(k)表示為

則H(k+1)可表示為

式中,j=1,2,…,Nt;m為Nr維列向量,由信道的微小變化引起。而慢衰落信道中兩個(gè)相鄰時(shí)刻的信道變化不會(huì)很大,幾乎可以認(rèn)為H(k+1)與H(k)相差不大,因此式(10)近似等于式(7)。DSM系統(tǒng)中,用于選擇天線的四進(jìn)制碼元序列與前后相鄰兩時(shí)刻激活天線組跳變情況之間的關(guān)系如表1所示。

表1 碼元與天線組跳變

由表1可知,每個(gè)四進(jìn)制碼元序列分別對(duì)應(yīng)4種跳變情況,由于同一時(shí)刻激活兩根天線,結(jié)合式(3)與式(7),可得碼元與接收端的信號(hào)差如表2所示。

表2 碼元與接收端信號(hào)差

因此,接收端解調(diào)時(shí),在得到相鄰兩時(shí)刻接收信號(hào)向量差后,經(jīng)過(guò)以下計(jì)算即可完成解調(diào):

式中,E為相鄰時(shí)刻接收信號(hào)向量的差向量;ET為向量E的共軛轉(zhuǎn)置;e為向量E的模值;為接收端k時(shí)刻解調(diào)得到的符號(hào)。

傳輸開(kāi)始時(shí)刻給出信道狀態(tài)信息,依據(jù)信道狀態(tài)信息可以分別得到表2中四進(jìn)制碼元序列所對(duì)應(yīng)的接收端信號(hào)差。式(13)即為兩個(gè)相鄰時(shí)刻接收信號(hào)向量做差,得到差的列向量E,相鄰時(shí)刻接收端信號(hào)差向量E經(jīng)過(guò)式(14)計(jì)算后,結(jié)合表2可知,四進(jìn)制碼元序列01對(duì)應(yīng)的兩個(gè)差值是一個(gè)相同的數(shù),同理,碼元序列10對(duì)應(yīng)的也是一個(gè)差值,碼元序列11對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)不同的差值。判斷e的值并分別與表2中的差值進(jìn)行比較,依據(jù)前后相鄰兩時(shí)刻接收信號(hào)的差值即可解調(diào)出輸入的四進(jìn)制碼元序列。Q(·)為星座量子化函數(shù),式(15)用于解調(diào)出調(diào)制符號(hào),并通過(guò)SM反映射即可恢復(fù)出原始輸入比特。

2 DSM系統(tǒng)性能分析

2.1 DSM頻譜利用率

DSM系統(tǒng)中,發(fā)送端每個(gè)時(shí)刻發(fā)送信息的位數(shù)R(即頻譜利用率)包括兩個(gè)獨(dú)立部分,空間域中用來(lái)選擇天線跳變狀態(tài)的部分和信號(hào)域里用來(lái)符號(hào)調(diào)制的部分,因此R可表示為

式中,M為信號(hào)調(diào)制的進(jìn)制數(shù)。式(16)與文獻(xiàn)[2]中提到的傳統(tǒng)SM的頻譜利用率相同,并未降低頻譜利用率。在這方面,本文提出的天線編碼方式優(yōu)于文獻(xiàn)[9]和[10],因?yàn)槲墨I(xiàn)中的頻譜利用率有所降低。

2.2 差分檢測(cè)性能分析

差分直接檢測(cè)法解調(diào)時(shí)僅僅在初始時(shí)刻需要信道狀態(tài)信息,之后可在信道參數(shù)未知時(shí)完成解調(diào),能降低信道估計(jì)的成本。由于差分直接檢測(cè)法是依據(jù)前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻接收信號(hào)求差進(jìn)行解調(diào),因此,在一定程度上可以對(duì)抗信道參數(shù)變化,信道參數(shù)的變化不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間積累導(dǎo)致變化較大進(jìn)而影響解調(diào)性能。

在Nt和Nr均為4時(shí),對(duì)SM和DSM進(jìn)行仿真對(duì)比,符號(hào)調(diào)制均為BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制,信號(hào)速率為3 bit/s/Hz,由于SM是傳統(tǒng)意義上的空間調(diào)制,發(fā)送端每個(gè)時(shí)刻只激活一根天線,因此接收端采用MRC(最大合并比)解調(diào);DSM發(fā)送端每個(gè)時(shí)刻同時(shí)激活兩根天線,接收端采用差分直接檢測(cè)解調(diào)。圖2所示為SM與DSM在不同信噪比時(shí)誤碼率的對(duì)比。

圖2 兩種方案的誤碼率對(duì)比

由圖2可知,DSM的差分直接檢測(cè)法比SM的MRC解調(diào)性能稍差,SM在大約22 d B時(shí)誤碼率為10―4,而DSM達(dá)到相同誤碼率需要34 dB的信噪比,但DSM僅需要知道初始時(shí)刻的信道傳輸矩陣,對(duì)噪聲干擾的要求更高,使得接收端在沒(méi)有信道狀態(tài)信息時(shí)也可以完成解調(diào),為信道質(zhì)量較高的場(chǎng)合提供了一種新的方法。

圖3所示為信道變化時(shí)的解調(diào)對(duì)比,實(shí)驗(yàn)環(huán)境同圖2,令初始時(shí)刻SM與DSM誤碼率相同且均為10―4,即SM的信噪比為22 dB,DSM的信噪比為34 dB,測(cè)量該誤碼率下兩種解調(diào)方法在信道變化隨時(shí)間積累時(shí)對(duì)誤碼率的影響。

圖3 信道變化時(shí)解調(diào)對(duì)比

由圖3中可以看出,前3個(gè)時(shí)刻信道變化較小,

且時(shí)間積累不多,對(duì)誤碼率幾乎沒(méi)有影響。從第4個(gè)時(shí)刻開(kāi)始,信道變化積累了一定時(shí)間,與初始時(shí)刻相比,信道變化較大,兩種解調(diào)方法的誤碼率均開(kāi)始上升,解調(diào)性能變差。隨著第7個(gè)時(shí)刻的開(kāi)始,MRC解調(diào)性能急劇下滑,差分直接檢測(cè)性能雖然也變差,但仍優(yōu)于MRC解調(diào),這是因?yàn)殡S著信道變化積累越來(lái)越大,MRC已無(wú)法正確解調(diào),實(shí)際中往往需要監(jiān)測(cè)信道參數(shù),并通過(guò)時(shí)時(shí)更新來(lái)解決信道變化問(wèn)題。而差分直接檢測(cè)法是利用前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻信號(hào)差來(lái)解調(diào),信道變化在前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻不會(huì)變化太大,這種微小變化不足以引起解調(diào)性能驟變,且前后時(shí)刻做差時(shí),信道變化也會(huì)被抵消一部分,因此在信道變化隨時(shí)間延續(xù)而積累時(shí),差分直接檢測(cè)法受影響較小,性能優(yōu)于MRC解調(diào)。

2.3 解調(diào)復(fù)雜度分析

以發(fā)送端和接收端天線數(shù)目均為4為例,兩種算法的解調(diào)復(fù)雜度對(duì)比如表3所示。

表3 解調(diào)算法復(fù)雜度對(duì)比

由表3可以看出,差分直接檢測(cè)法雖然在比較次數(shù)和求和(差)次數(shù)上多于MRC解調(diào),但求積運(yùn)算次數(shù)遠(yuǎn)小于MRC,差分直接檢測(cè)法并沒(méi)有增大接收端解調(diào)的計(jì)算復(fù)雜度。

2.4 系統(tǒng)適用場(chǎng)景分析

結(jié)合對(duì)DSM的性能分析可知,該方案適用于信道更新頻繁但信噪比高的場(chǎng)景,因?yàn)榻邮斩瞬恍枰獣r(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)更新信道狀態(tài)信息,降低了接收機(jī)的復(fù)雜度和系統(tǒng)成本開(kāi)銷。在信道質(zhì)量高即噪聲干擾小、信號(hào)條件較好的場(chǎng)景中,DSM的優(yōu)勢(shì)更加明顯。在近距離基站與基站間傳輸時(shí),該方案也是不錯(cuò)的選擇。DSM還可應(yīng)用在發(fā)送端需要自動(dòng)選擇天線的場(chǎng)景中,也為將來(lái)5G移動(dòng)通信提供了一種選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的4根發(fā)射天線的DSM方案,描述了DSM傳輸和檢測(cè)的具體實(shí)施原理。仿真研究了DSM方案的性能,給出了仿真曲線,結(jié)果表明,本文所提方案只需初始時(shí)刻的信道狀態(tài)信息,之后可在信道狀態(tài)參數(shù)未知的情況下完成解調(diào),能對(duì)抗較小的慢衰落信道變化。

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A New Method of Quaternary Differential Spatial Modulation

GAO Qiang,FAN Li-min,HAN Dong-sheng
(Department of Electronic and Communication Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

In the spatial modulation system,a new differential spatial modulation scheme is proposed for four transmitting antennas based on differential coding.The scheme adopts the differential detection in the receiver.The differential detection is according to the difference of received signal in adjacent time,and only the initial channel parameters are required.The channel state information is not required at the transmitter and receiver sides.The change of channel parameters can be ignored in the process of communication.The simulation results show that the quaternary differential spatial modulation can not only realize communication,but also has good ability to resist the change of channel parameters.

spatial modulation;differential coding;multiple-input-multiple-output;differential detection

TN929.5

A

1005-8788(2016)06-0059-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.017

2016-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61302106);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2014502029)

高強(qiáng)(1960―),男,河北涿州人。教授,博士,主要研究方向?yàn)橥ㄐ藕托盘?hào)處理。

范麗敏,碩士研究生。E-mail:1345731131@qq.com