邢峰英

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065；2.重慶通信學(xué)院 應(yīng)急通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400035)

?

直接序列擴(kuò)頻分組映射碼索引調(diào)制*

邢峰英**

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065；2.重慶通信學(xué)院 應(yīng)急通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400035)

針對(duì)直接序列擴(kuò)頻碼索引調(diào)制發(fā)射端使用大量偽隨機(jī)(PN)碼的問(wèn)題，提出了一種使用較少PN碼的分組映射碼索引調(diào)制方案。該方案在發(fā)射端并行設(shè)置多個(gè)調(diào)制子塊獨(dú)立進(jìn)行幅相調(diào)制,同時(shí)集中選取各調(diào)制子塊間同相、正交支路擴(kuò)頻所需的PN碼，經(jīng)索引值大小排序后依次擴(kuò)頻各調(diào)制子塊中調(diào)制符號(hào)的同相、正交分量。分析和仿真結(jié)果表明，相同頻譜效率條件下所提方案比直接序列擴(kuò)頻碼索引調(diào)制方案使用的PN碼個(gè)數(shù)更少，并在加性噪聲信道下,信噪比高于10 dB時(shí),保持著約1 dB的誤比特率性能優(yōu)勢(shì)，并遠(yuǎn)優(yōu)于空間調(diào)制在最優(yōu)檢測(cè)算法下的誤比特率性能。

直接序列擴(kuò)頻；碼索引調(diào)制；分組映射；偽隨機(jī)碼組合

1 引 言

近年來(lái)，隨著空間調(diào)制(天線索引調(diào)制)與子載波索引調(diào)制的深入研究，人們將索引思想引入到擴(kuò)頻通信中，提出了碼索引調(diào)制技術(shù)[1]。通過(guò)增加選擇PN碼的索引映射塊，隱性傳輸部分信息比特，該技術(shù)在保持?jǐn)U頻通信高可靠性與良好抗干擾能力的同時(shí)，進(jìn)一步提升了傳輸速率，降低了能量消耗，符合當(dāng)前綠色通信[2]對(duì)實(shí)現(xiàn)頻譜效率與能量效率平衡的要求，對(duì)于擴(kuò)頻通信與索引調(diào)制技術(shù)發(fā)展有著重要的意義。

多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)無(wú)線通信技術(shù)在不增加帶寬的前提下大大提升了系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，然而也存在一些不足，如系統(tǒng)對(duì)天線同步要求嚴(yán)格、復(fù)雜度與能量消耗大等[3]。為此，文獻(xiàn)[4]提出了空間調(diào)制(Spatial Modulation,SM)技術(shù)，發(fā)送端信息比特首先被分割為兩部分，一部分信息比特用來(lái)選擇激活的天線，另一部分映射為調(diào)制符號(hào)通過(guò)當(dāng)前選定的天線發(fā)射出去，該傳輸方式有時(shí)也被稱(chēng)為天線索引調(diào)制。類(lèi)似天線索引調(diào)制，文獻(xiàn)[5]針對(duì)多載波系統(tǒng)提出了子載波索引調(diào)制(Subcarrier Index Modulation,SIM)，將激活子載波的索引作為一種額外的域，部分比特流以鍵控方式選擇待激活的子載波，映射隱性傳輸。文獻(xiàn)[6]介紹了一種增強(qiáng)型子載波索引調(diào)制方案，方案中每位索引比特通過(guò)選擇激活對(duì)應(yīng)位置兩個(gè)相鄰子載波中的一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)映射隱性傳輸。近幾年，SM技術(shù)與SIM技術(shù)得到了深入的研究，并獲得很大的發(fā)展[7-10]。

Kaddoum等[11-12]將索引映射思想引入到直接序列擴(kuò)頻中，提出了碼索引調(diào)制(Code Index Modulation,CIM)，發(fā)送端部分信息比特被映射為不同PN碼，隱形傳輸。與SM、SIM相比，CIM將索引設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)移至設(shè)計(jì)采用良好特性PN碼，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加主動(dòng)與可控；同時(shí)可通過(guò)調(diào)整映射PN碼個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)傳輸速率，也節(jié)約了物理鏈路尤其是射頻鏈路消耗；擴(kuò)頻系統(tǒng)自身良好的抗干擾和抗多徑能力[13]，也進(jìn)一步提升了碼索引調(diào)制系統(tǒng)的魯棒性。然而CIM也存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)為獲得較高頻譜效率需采用大量PN碼，即以增大PN碼組維度為代價(jià)，使得在接收端需大量相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射端采用的PN碼的相關(guān)檢測(cè)。

針對(duì)上述碼索引調(diào)制存在的問(wèn)題，本文從提高系統(tǒng)頻譜效率、降低映射PN碼組維度的角度出發(fā)，提出基于排序方式的分組映射碼索引調(diào)制(Block Mapping Code Index Modulation,BM-CIM)方案。系統(tǒng)在發(fā)射端同一時(shí)刻并行處理多組信息流，各組間獨(dú)立進(jìn)行幅相調(diào)制；同時(shí)根據(jù)映射信息流與分組數(shù)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)和選擇當(dāng)前系統(tǒng)映射PN碼組與采用的PN碼，并按照順序方式依次送往各分組擴(kuò)頻傳輸，可使得系統(tǒng)在提高頻譜效率的同時(shí)PN碼組維度保持較小的狀態(tài)。仿真分析表明，BM-CIM方案與在相同頻譜效率的直接序列擴(kuò)頻碼索引調(diào)制方案(Direct Sequence Spread Spectrum Code Index Modulation，DSSS-CIM)相比，在信噪較高時(shí)始終保持1 dB的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低了發(fā)送端PN碼組維度，減少了系統(tǒng)接收機(jī)對(duì)PN碼檢測(cè)時(shí)相關(guān)器的使用個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了實(shí)現(xiàn)成本。

2 分組映射碼索引調(diào)制

2.1 信號(hào)調(diào)制方案

發(fā)射機(jī)模型如圖1所示，其中調(diào)制部分Smod按照每個(gè)調(diào)制子塊為一個(gè)分組的方式，并列分為N個(gè)調(diào)制子塊，即N個(gè)分組。各調(diào)制子塊采用相同的多進(jìn)制相移鍵控(M-ary Phase Shift Keying，MPSK)調(diào)制。

圖1 發(fā)射機(jī)模型

發(fā)送端信息比特流d，按照Ns位比特為一個(gè)數(shù)據(jù)塊分塊，其中第i個(gè)數(shù)據(jù)塊di經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后，被分割為調(diào)制部分與映射部分，且調(diào)制部分再根據(jù)分組個(gè)數(shù)N拆分為N個(gè)調(diào)制子塊。第一組調(diào)制子塊經(jīng)過(guò)MPSK調(diào)制后，其同相和正交兩支路分別通過(guò)經(jīng)映射部分選擇排序后的各支路PN碼進(jìn)行擴(kuò)頻。剩余其他組中調(diào)制子塊各支路處理方式與上面一組類(lèi)似。最后將各路信號(hào)合成，并經(jīng)載波調(diào)制后，通過(guò)天線發(fā)射出去。

第i個(gè)數(shù)據(jù)塊di分割方式可表示為

(1)

si,b=ai,b+jbi,b。

(2)

ai,b與bi,b分別表示符號(hào)si,b的實(shí)虛部。每個(gè)調(diào)制子塊中包含的信息比特位數(shù)m需與MPSK調(diào)制階數(shù)M相對(duì)應(yīng)，即滿足2m=M，且數(shù)據(jù)塊di中包含的信息比特?cái)?shù)Ns滿足

Ns=mN+n。

(3)

于是，系統(tǒng)發(fā)射端信號(hào)y(t)可表示為

(4)

式中：wi,bj,k、wi,bj′,k分別是映射部分選擇的調(diào)制子塊si,b中I、Q兩路使用的PN碼，j、j′為PN碼的索引值，L為PN碼碼長(zhǎng)，N為分組個(gè)數(shù)，f0為載波頻率，p(t)為矩形脈沖成型函數(shù)，Tc為碼片長(zhǎng)度。

2.2PN碼映射方式

PN碼在映射前需首先根據(jù)分組數(shù)計(jì)算當(dāng)前可采用的最小的PN碼組維度。由上節(jié)發(fā)射機(jī)模型得知，發(fā)送端包括N個(gè)分組，每分組同時(shí)又包括正交與同相兩條支路，因而發(fā)送端擴(kuò)頻發(fā)送時(shí)，共計(jì)需2N個(gè)不同的PN碼。于是，擴(kuò)頻碼組維度最小正整數(shù)值Nssc需滿足

(5)

表1 PN碼映射表Tab.1 PN code mapping set

3 分組映射碼索引調(diào)制的信號(hào)解調(diào)

接收端對(duì)信息比特的恢復(fù)包括兩部分，一部分是解映射發(fā)送端當(dāng)前所采用PN碼組合，另一部分為解調(diào)各分組調(diào)制符號(hào)。且解映射部分為解調(diào)部分的基礎(chǔ)，各分組中各支路當(dāng)且僅當(dāng)所采用PN碼確定后，才能正確解調(diào)恢復(fù)出調(diào)制信息比特。接收機(jī)模型如圖2所示。

接收端信號(hào)在經(jīng)過(guò)載波恢復(fù)后，基帶信號(hào)可表示為

(6)

式中：h(t)為信道系數(shù)，n(t)為均值為0、方差為n0/2的加性高斯白噪聲。

(7)

簡(jiǎn)化式(7)得

(8)

(9)

4 復(fù)雜度分析

本節(jié)對(duì)采用4PSK調(diào)制的BM-CIM方案、DSSS-CIM方案以及DSSS-4PSK調(diào)制方案進(jìn)行復(fù)雜度對(duì)比。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，BM-CIM方案中映射比特?cái)?shù)與調(diào)制塊中的支路數(shù)相同，通過(guò)比較傳輸Ns位信息比特所進(jìn)行的擴(kuò)頻解擴(kuò)運(yùn)算次數(shù)與PN碼使用個(gè)數(shù)，來(lái)評(píng)估系統(tǒng)復(fù)雜度。BM-CIM方案中任一分組發(fā)送一個(gè)調(diào)制符號(hào)，需進(jìn)行兩次擴(kuò)頻運(yùn)算，發(fā)射端共計(jì)N個(gè)分組，因而共需要2N次擴(kuò)頻運(yùn)算。DSSS-CIM方案與DSSS-4PSK調(diào)制方案同一時(shí)刻只發(fā)送一個(gè)調(diào)制符號(hào)，分別進(jìn)行兩次與一次擴(kuò)頻運(yùn)算。

通過(guò)式(5)計(jì)算可得，BM-CIM方案需使用Nssc個(gè)PN碼，于是在接收端BM-CIM方案需執(zhí)行Nssc次解擴(kuò)運(yùn)算，以檢測(cè)解映射出映射比特，而不是DSSS-CIM 方案的4次與DSSS-4PSK的1次解擴(kuò)運(yùn)算。發(fā)送Ns位信息比特，3種方案間的關(guān)系表達(dá)式如表2所示。

表2 不同方案間運(yùn)算量、PN碼數(shù)、頻譜效率對(duì)比Tab.2 Comparison of computational complexity,number of PN code,spectral efficiency among different schemes

5 仿真分析

本節(jié)采用MATLAB仿真驗(yàn)證BM-CIM方案的性能。仿真中采用等效基帶方法，調(diào)制端符號(hào)速率為25 600symbol/s，每種信噪比下仿真的符號(hào)數(shù)為105，PN碼選用擴(kuò)頻增益SG=64的Walsh碼。

圖3仿真給出了BM-CIM方案、DSSS-CIM方案和DSSS-16PSK方案在加性噪聲條件下誤比特率性能對(duì)比。同時(shí),由于SM利用空間天線域作為一種映射比特的方式，本質(zhì)上也是一種索引調(diào)制，為此也將其加入了對(duì)比，接收端采用性能最優(yōu)的最大似然估計(jì)檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。各方案參數(shù)配置如表3所示。其中，N表示采取的分組數(shù)，n表示映射信息比特位數(shù)，M為調(diào)制階數(shù)。

圖3 加性噪聲下誤比特率對(duì)比

方案參數(shù)配置符號(hào)表示頻譜效率PN碼數(shù)BM-CIM兩個(gè)分組，4PSK，4位映射比特N=2n=4M=487DSSS-CIM4PSK，6位映射比特n=6M=4816DSSS16PSK16PSK41SM8發(fā)8收，32PSK8×832PSK80SM4發(fā)4收，16PSK4×416PSK60

從圖3仿真結(jié)果可以看出，在信噪比低于10 dB時(shí)兩種碼索引調(diào)制方案DSSS-CIM與BM-CIM誤比特性能要差于SM調(diào)制方案，但隨著信噪比上升誤比特性能逐漸優(yōu)于SM與DSSS-16PSK，即碼索引調(diào)制在低信噪比時(shí)誤比特性能不具備優(yōu)勢(shì)。

BM-CIM與DSSS-CIM相比，信噪比小于10 dB時(shí)DSSS-CIM約有1 dB性能優(yōu)勢(shì)，信噪比大于10 dB時(shí)BM-CIM約有1 dB性能優(yōu)勢(shì)。分析可知，BM-CIM方案低信噪比下性能降級(jí)原因在于映射比特當(dāng)且僅當(dāng)各分組中的每條支路所采用的擴(kuò)頻碼正確檢測(cè)時(shí)，才可通過(guò)表1正確解映射出映射信息比特。也就是說(shuō)當(dāng)前發(fā)送端選用的4個(gè)Walsh碼中任意一個(gè)碼檢測(cè)錯(cuò)誤均會(huì)導(dǎo)致映射信息比特檢測(cè)錯(cuò)誤；同時(shí)基于排序方式的各支路調(diào)制符號(hào)解調(diào)也面臨上述問(wèn)題，任意一個(gè)擴(kuò)頻碼檢測(cè)錯(cuò)誤的影響均會(huì)蔓延至所有調(diào)制符號(hào)的正確解調(diào)。然而在高信噪比情況下，擴(kuò)頻碼檢測(cè)錯(cuò)誤概率迅速下降，上述影響將降到最低，BM-CIM方案的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)出來(lái)。

圖4仿真了不同調(diào)制階數(shù)M與映射比特?cái)?shù)n的BM-CIM方案在加性高斯白噪聲下誤比特率性能,各方案參數(shù)配置如表4所示。

圖4 不同BM-CIM間誤比特率對(duì)比

方案參數(shù)配置符號(hào)表示頻譜效率PN碼數(shù)①兩個(gè)分組，4PSK，4位映射比特N=2n=4M=487②兩個(gè)分組，4PSK，6位映射比特N=2n=6M=4108③兩個(gè)分組，8位映射比特N=2n=8811④兩個(gè)分組，8PSK，6位映射比特N=2n=6M=8128

曲線①與②表明在分組數(shù)N與調(diào)制階數(shù)M不變的情況下，映射比特?cái)?shù)n增加兩位信息比特，誤比特率約有2 dB的性能降低。

曲線②與④相比，兩者采用的調(diào)制方式分別為4PSK與8PSK，其他參數(shù)配置一致。隨著信噪比增加，兩者間誤比特率性能差距逐漸加大，誤比特率為10-4時(shí)，約有5 dB的性能差距。因?yàn)橛成浔忍財(cái)?shù)的增加，只是增大了PN碼組維度，而不會(huì)改變傳輸符號(hào)間歐氏距離，誤比特率主要受PN碼是否正確檢測(cè)與分組間信號(hào)干擾的影響。但是隨著調(diào)制階數(shù)的增大，符號(hào)間歐式距離減小，同時(shí)分組符號(hào)間干擾會(huì)進(jìn)一步加劇對(duì)傳輸符號(hào)的正確檢測(cè)，因而性能降低明顯。

曲線①與③相比，兩方案頻譜效率均為8 bit/s·Hz-1，后者不采用幅相調(diào)制，明顯在低信噪比條件下性能更為突出，同時(shí)隨著信噪比增加性能接近一致，優(yōu)勢(shì)逐漸消失。

圖5仿真給出了多普勒頻移為160 Hz、脈沖成型后信號(hào)的抽樣間隔為1/800 000 s的瑞利信道條件下，不同BM-CIM方案與DSSS-CIM方案間誤比特率性能對(duì)比，參數(shù)配置如表5所示。

圖5 瑞利信道下誤比特率對(duì)比

方案參數(shù)配置符號(hào)表示頻譜效率PN碼數(shù)①兩個(gè)分組，4PSK，4位映射比特N=2n=4M=487②兩個(gè)分組，4PSK，6位映射比特N=2n=6M=4108③兩個(gè)分組，8PSK，4位映射比特N=2n=4M=8107④4PSK，6位映射比特n=6M=4816

曲線①與④相比，BM-CIM與DSSS-CIM調(diào)制階數(shù)、頻譜效率相同，DSSS-CIM誤比特率約有1 dB增益。原因在于，BM-CIM采用兩分組，同一時(shí)隙有兩個(gè)符號(hào)同時(shí)在傳輸，彼此之間存在著干擾。而DSSS-CIM由于采用的PN碼數(shù)為16，遠(yuǎn)大于BM-CIM的7個(gè)，使得DSSS-CIM接收端相對(duì)于BM-CIM，更加難以正確檢測(cè)PN碼。所以兩者間性能差距并不大，DSSS-CIM有略微的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也可以看出，BM-CIM中多分組調(diào)制符號(hào)間干擾要比增加PN碼使用個(gè)數(shù)更容易造成性能的下降。

3組BM-CIM方案(曲線①、②、③)對(duì)比可知，瑞利信道下BM-CIM每增加兩位映射比特性能約有2 dB降級(jí)。隨著調(diào)制階數(shù)的上升，誤比特率性能表現(xiàn)出與加性噪聲條件下一致的規(guī)律，即隨著調(diào)制階數(shù)上升，性能迅速惡化。原因同樣是調(diào)制階數(shù)上升導(dǎo)致符號(hào)間歐式距離減小，此外分組間符號(hào)干擾進(jìn)一步加劇性能的降級(jí)所造成的。

6 結(jié)束語(yǔ)

擴(kuò)頻通信優(yōu)越的抗干擾和抗多徑能力，使得它在各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。將索引思想引入到擴(kuò)頻通信中對(duì)擴(kuò)頻通信發(fā)展有著重要的意義，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究并改進(jìn)，具有很大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。本文針對(duì)DSSS-CIM，提出一種基于排序方式的BM-CIM方案，可有效解決DSSS-CIM頻譜效率低與系統(tǒng)使用大量PN碼的不足，降低了接收機(jī)相關(guān)器資源消耗，使得系統(tǒng)更加適用于工程應(yīng)用。分析與仿真表明，本文BM-CIM使用不到一半PN碼即可實(shí)現(xiàn)與DSSS-CIM相同的頻譜效率，且隨著B(niǎo)M-CIM分組數(shù)增加，兩者使用PN碼個(gè)數(shù)差距越明顯。在加性噪聲信道下，與DSSS-CIM相比，BM-CIM在信噪比高于10 dB時(shí)約有1 dB誤比特率性能優(yōu)勢(shì)，并遠(yuǎn)優(yōu)于空間調(diào)制在最優(yōu)檢測(cè)算法下的誤比特率性能。同時(shí)，BM-CIM可靈活調(diào)整分組數(shù)、調(diào)制階數(shù)與映射比特?cái)?shù)來(lái)滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)景，甚至可不采用幅相調(diào)制，完全利用PN碼的索引來(lái)傳輸信息。因此，未來(lái)可進(jìn)一步研究不同配置下BM-CIM的性能，探究如何實(shí)現(xiàn)頻譜效率與資源效率的最大化。

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Direct Sequence Spread Spectrum Block MappingCode Index Modulation

XING Fengying1,ZHENG He2,LIU Yonghua1,JIANG Zhilin1,GE Lijia2

(1.Key Laboratory of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Posts andTelecommunications,Chongqing 400065,China；2.Chongqing Key Laboratory of Emergency Communication,Chongqing Communication College,Chongqing 400035,China)

To solve the problem of using large quantities of pseudo random(PN) codes at transmitter of the direct sequence spread spectrum code index modulation(DSSS-CIM),this paper proposes a new scheme named block mapping code index modulation by using less PN codes. This scheme sets multiple modulation sub-blocks in parallel to modulate independently,at the same time,it picks up PN codes that are needed in-phase and orthogonal branch intensively,and then spreads the in-phase and orthogonal component of the modulation symbol after sequenced by the index value. The analysis and simulation results shows,at the same spectral efficiency,this scheme uses less PN codes than DSSS-CIM,and keeps about -1 dB bit error rate(BER) advantage when the signal-to-noise ratio(SNR) is higher than 10 dB under the additive noise channel. What's more,its performance is much superior to that of the spatial modulation by using the maximum likelihood detector.

direct sequence spread spectrum(DSSS);code index modulation(CIM);block mapping;pseudo-random codes combination

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.06.015

邢峰英，鄭鶴,劉永花,等.直接序列擴(kuò)頻分組映射碼索引調(diào)制[J].電訊技術(shù)，2017,57(6):703-709.[XING Fengying,ZHENG He,LIU Yonghua,et al.Direct sequence spread spectrum block mapping code index modulation[J].Telecommunication Engineering,2017,57(6):703-709.]

2016-09-18；

2016-12-20 Received date:2016-09-18；Revised date：2016-12-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(62171251)

TN911.3

A

1001-893X(2017)06-0703-07

邢峰英(1991—)，男，山西忻州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚贌o(wú)線傳輸理論；

Email:295690834@qq.com

鄭 鶴(1982—)，男，江西婺源人，副教授，主要研究方向?yàn)楦咚贌o(wú)線傳輸理論；

劉永花(1989—)，女，山西忻州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚贌o(wú)線傳輸理論;

江治林(1992—)，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚贌o(wú)線傳輸理論；

葛利嘉(1957—)，男，四川大邑人,博士，教授，主要研究方向?yàn)楦咚贌o(wú)線傳輸理論。

**通信作者：295690834@qq.com Corresponding author：295690834@qq.com1，鄭 鶴2，劉永花1，江治林1,葛利嘉2