劉 太 偉，　金 基 宇，　李 　 鵬，　牟 　 俊，　李 長(zhǎng) 吾

( 大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034 )

0　引　言

目前，國際電信聯(lián)盟正在加緊制定5G的全球標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)商用。5G高速發(fā)展的同時(shí)，通信行業(yè)的能量損耗問題日趨嚴(yán)重，預(yù)計(jì)在2020年通信行業(yè)的能量損耗可以占到全球能源損耗的10%[1]，這將是全球第五大耗能產(chǎn)業(yè)。因此，在5G移動(dòng)通信技術(shù)和協(xié)議的開發(fā)過程中應(yīng)采用更為適當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)，特別是考慮能量效率和復(fù)雜度[2-4]。

多輸入輸出系統(tǒng)(MIMO)雖然能夠有效地提高系統(tǒng)的傳輸速率，但需要多個(gè)射頻鏈路，從而增加了基站的能耗[5-7]?？臻g調(diào)制(SM)技術(shù)任意時(shí)刻只有一根發(fā)送天線保持工作狀態(tài)，只需要一個(gè)發(fā)射鏈路，因此可以有效地提高系統(tǒng)的能量效率[8]。迄今為止，空間調(diào)制的研究主要集中在單載波方面，其缺點(diǎn)之一是無法有效地克服頻率選擇性衰落[9]。為了提高SM系統(tǒng)抵抗頻率選擇性的能力，Haas等將SM技術(shù)同OFDM技術(shù)相結(jié)合(SM-OFDM)，分析了SM-OFDM在頻率選擇性衰落信道下的性能[10-12]。該方案改善了系統(tǒng)在頻率選擇性衰落信道下的性能，但系統(tǒng)所需射頻鏈路的個(gè)數(shù)等于發(fā)送天線的個(gè)數(shù)，系統(tǒng)的能量效率并未得到改善。

為了解決SM-OFDM系統(tǒng)能量效率較低的問題，本研究提出了一種基于載波選擇的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)，該系統(tǒng)在發(fā)射端只需要一個(gè)射頻鏈路，可以降低系統(tǒng)的能耗。此外，基于載波選擇的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)在發(fā)射端只選擇部分載波發(fā)送數(shù)據(jù)，其他載波保持靜默狀態(tài)，因此可以降低載波間的干擾。為了降低單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜度，采用了載波分組和預(yù)編碼技術(shù)。通過仿真實(shí)驗(yàn)可知單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)的SM-OFDM系統(tǒng)相比，可以有效地提高系統(tǒng)的能量效率；采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)后，系統(tǒng)的復(fù)雜度明顯降低。

1　SM-OFDM技術(shù)

映射后的信號(hào)矩陣X(k)經(jīng)過OFDM調(diào)制后，通過2個(gè)發(fā)射天線發(fā)送到達(dá)接收端。在接收端，接收信號(hào)Y(t)經(jīng)過OFDM解調(diào)器處理后得到維度為3×4的信號(hào)Y(k)。在得到信號(hào)Y(k)的過程中不僅要將信號(hào)分離出來，還要檢測(cè)發(fā)射天線的位置信息。最后對(duì)Y(k)進(jìn)行判決得到接收信號(hào)。

圖1　SM-OFDM映射圖

SM-OFDM系統(tǒng)所需射頻鏈路的個(gè)數(shù)等于發(fā)射天線的個(gè)數(shù)，這與SM提高能量效率的初衷相悖。不同于MIMO-OFDM系統(tǒng)中各個(gè)發(fā)射天線的所有載波同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，SM-OFDM系統(tǒng)中當(dāng)某一天線的某個(gè)載波在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其他天線的同頻載波則保持靜默，這就降低了系統(tǒng)的頻譜利用率。

2　單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)

2.1　單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)模型

為了提高系統(tǒng)的能量效率和頻譜利用率，提出了一種基于載波選擇的單射頻鏈路SM-OFDM技術(shù)，即載波選擇技術(shù)(選擇載波組合的方式)。其核心思想是選取系統(tǒng)的部分子載波用來傳輸數(shù)據(jù)，而其他載波處于靜默狀態(tài)，不發(fā)送信號(hào)(定義發(fā)送信號(hào)為0)。因?yàn)橄到y(tǒng)僅使用單個(gè)射頻鏈路，大大降低了系統(tǒng)的能耗；系統(tǒng)只使用部分子載波，降低了載波間的干擾，從而提高了系統(tǒng)性能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)

假設(shè)系統(tǒng)子載波數(shù)為8(選擇一半載波)，調(diào)制方式為QPSK調(diào)制，輸入信號(hào)為(…001011011000110…)，其中前7個(gè)比特(0010110)用來選擇載波發(fā)送信號(hào)的子載波組合(從8個(gè)載波中選取4個(gè)載波總共有70種不同的組合形式，至少需要7 bit進(jìn)行選取)。前7個(gè)比特轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后為22，所以選擇第22種組合方式，具體組合為(x10x200x3x40)，即在第1、3、6、7子載波上發(fā)送信號(hào)。隨后(11000110)經(jīng)QPSK調(diào)制置于對(duì)應(yīng)子載波上，最后得到的映射信號(hào)為(-1-j01+j00-1+j1-j0)T，(·)T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算，對(duì)應(yīng)的映射圖如圖3所示。該信號(hào)再通過OFDM調(diào)制器由發(fā)射天線發(fā)送。這種方式不僅可以有效地降低載波間的干擾，還可以降低系統(tǒng)的峰值平均功率比(PAPR)。

圖3　載波映射圖

X(k)經(jīng)過IFFT變換得到時(shí)域信號(hào)S(t)，隨后對(duì)信號(hào)S(t)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和加CP得到發(fā)送信號(hào)S1(t)，最終S1(t)經(jīng)過衰落信道H到達(dá)接收端得到接收信號(hào)Y1(t)，Y1(t)可以表示為

Y1(t)=H*S1(t)+R(t)

(2)

式中，R(t)為噪聲，*表示時(shí)域卷積，Y1(t)經(jīng)過減CP和串并轉(zhuǎn)換后得到信號(hào)Y(t)，信號(hào)Y(t)再經(jīng)過FFT變換得到頻域信號(hào)Y(k)，最后對(duì)Y(k) 進(jìn)行判決，將載波組合及調(diào)制信號(hào)估算出，還原原始信號(hào)。

在基于載波選擇的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)中，因?yàn)樵诎l(fā)射端僅采用一個(gè)發(fā)射天線發(fā)送信號(hào)，且只在選中的子載波上發(fā)送信號(hào)而未被選中的載波上不發(fā)送信號(hào)，所以在接收端對(duì)接收信號(hào)Y(k)進(jìn)行解映射時(shí)只需做簡(jiǎn)單處理，即按信號(hào)功率進(jìn)行排序(從大到小)，這是因?yàn)榻邮招盘?hào)在未發(fā)射信號(hào)的子載波上只有噪聲，其功率很小。接下來選取功率最大的前L個(gè)子載波并將對(duì)應(yīng)的子載波位置序號(hào)及子載波上的信號(hào)篩選出來，最后對(duì)篩選后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到最終信號(hào)。這樣的判決方式要比傳統(tǒng)的SM-OFDM系統(tǒng)利用最大似然檢測(cè)(ML)等一系列的判決方法簡(jiǎn)單，可以大幅降低系統(tǒng)接收端的復(fù)雜度。

2.2　采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)

單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)可以有效地提高系統(tǒng)的能量效率和頻譜利用率，但也存在一定的缺陷。一是對(duì)OFDM子載波選擇的方法較為單一(通常隨機(jī)從總的載波中選取一半)，并未考慮是否有其他更好的選擇方法；二是單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)隨著系統(tǒng)載波數(shù)的增加，系統(tǒng)的整體運(yùn)算量將十分復(fù)雜(如載波數(shù)大于128時(shí))。

圖4低復(fù)雜度單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.4System model of low complexity single RF SM-OFDM

假設(shè)輸入信號(hào)為x=[x(1)，x(2)，…，x(L)]，L為選擇的子載波個(gè)數(shù)。首先對(duì)載波進(jìn)行分組，然后在每個(gè)小組內(nèi)通過載波選擇的方式將信號(hào)x映射到子載波上得到信號(hào)X′(k)，X′(k)經(jīng)過DHT和IFFT變換后得到時(shí)域信號(hào)S′(t)，(·)H為轉(zhuǎn)置共軛運(yùn)算，S′(t)可以表示為

S′(t)=WHFx

(3)

式中：W為FFT矩陣，F(xiàn)為DHT矩陣。

DFT矩陣和DHT矩陣可以分別表示為F=C+jZ，W=C-jZ。其中C和Z的m行n列元素可以分別表示為公式(4)和公式(5)。

(4)

(5)

通過推導(dǎo)可知DHT矩陣可以用DFT矩陣表示為

(6)

根據(jù)DFT矩陣的性質(zhì)WHW=I，WW=Q。I和Q分別為N×N的單位矩陣和反轉(zhuǎn)矩陣，矩陣Q為

(7)

將公式(6)代入公式(3)可得

(8)

通過公式(8)可知，發(fā)射端為了代替DHT和IFFT變換的級(jí)聯(lián)運(yùn)算，時(shí)域信號(hào)可以由x和經(jīng)過反轉(zhuǎn)矩陣Q后具有π/2相位差的x相互組合產(chǎn)生[15-16]。從而避免復(fù)雜的乘法運(yùn)算，提高系統(tǒng)的運(yùn)算效率。

對(duì)時(shí)域信號(hào)S′(t)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和加CP后得到發(fā)送信號(hào)S′1(t)，發(fā)送信號(hào)S′1(t)經(jīng)過衰落信道H到達(dá)接收端得到接收信號(hào)Y′1(t)。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)該研究所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，計(jì)量資料采用（±s）表示，用 t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料采用[n（%）表示，用 χ2檢驗(yàn)，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Y′1(t)=H*S1(t)+R(t)

(9)

式中，接收信號(hào)Y′1(t)經(jīng)過減CP和串并轉(zhuǎn)換后得到信號(hào)Y′(t)，Y′(t)經(jīng)過FFT變換和DHT變換得到頻域信號(hào)Y′(k)，最后對(duì)Y′(k)進(jìn)行判決，將載波組合及調(diào)制信號(hào)估算出，還原原始信號(hào)。分組解映射的過程和原理與基于載波選擇的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)的載波解映射基本相同，唯一的區(qū)別是判決子載波位置序號(hào)時(shí)是根據(jù)接收信號(hào)功率大小在每個(gè)小組內(nèi)進(jìn)行的。

2.3　系統(tǒng)復(fù)雜度

在采用載波分組和預(yù)編碼的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)中，發(fā)射端用一次蝶形運(yùn)算替代了DFT變換和DHT變換，因此避免了復(fù)雜的乘法運(yùn)算。如果輸入信號(hào)為復(fù)數(shù)，發(fā)射端需要進(jìn)行的加法運(yùn)算次數(shù)為

Nadd=2N

(10)

式中，N為系統(tǒng)的載波數(shù)。而未經(jīng)過預(yù)編碼的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)中，發(fā)射端需要進(jìn)行IFFT變換，需要進(jìn)行的加法運(yùn)算和乘法運(yùn)算次數(shù)為

Nadd=4NlbN

(11)

Nmulti=2NlbN

(12)

具體發(fā)射端計(jì)算復(fù)雜度對(duì)比見表1。

表1　系統(tǒng)發(fā)射端復(fù)雜度對(duì)比Tab.1　Comparison of the complexity of the system transmitter

2.4　能量效率

與MIMO系統(tǒng)、傳統(tǒng)SM-OFDM系統(tǒng)相比，所提出的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)在發(fā)射端只需要一個(gè)射頻鏈路發(fā)送信號(hào)，這就可以大大降低系統(tǒng)在基站的能量損耗，提高了系統(tǒng)的能量效率。與SM系統(tǒng)相比，單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)在保持SM技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省能源的同時(shí)能有效地抵抗頻率選擇性衰落，更符合未來通信的發(fā)展要求。與單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)相比，文中進(jìn)一步采用的載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)在保持系統(tǒng)能量效率、信道容量、數(shù)據(jù)傳輸速率基本不變的前提下，有效地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，更有利于未來通信的實(shí)際應(yīng)用。

3　仿真結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。仿真條件：LTE信道模型(EVA模型)，系統(tǒng)帶寬為20 MHz，調(diào)制方式為QPSK，載波數(shù)N=256，512，1 024(載波選擇時(shí)選取一半子載波)。傳統(tǒng)SM-OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)天線數(shù)為2，接收機(jī)天線數(shù)為1。假設(shè)接收機(jī)已知信道響應(yīng)(完美補(bǔ)償)或可以進(jìn)行實(shí)際信道估計(jì)(實(shí)際補(bǔ)償)。

由圖5可知，采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)性能比傳統(tǒng)SM-OFDM系統(tǒng)性能好(N=256)。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)SM-OFDM系統(tǒng)的誤碼率取決于為信號(hào)檢測(cè)和發(fā)射天線序號(hào)判決的錯(cuò)誤概率，而低復(fù)雜度單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)的誤碼率取決于信號(hào)檢測(cè)和發(fā)送載波序號(hào)判決的錯(cuò)誤概率。由于采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)對(duì)發(fā)送載波序號(hào)判決時(shí)只需檢測(cè)載波能量大小即可，因此系統(tǒng)判決錯(cuò)誤的概率更小，系統(tǒng)的誤碼率更低。

圖5　SM-OFDM系統(tǒng)誤碼率性能曲線

由圖6可知，當(dāng)載波數(shù)相同時(shí)，分組數(shù)越多系統(tǒng)性能越好(N=256)。這是因?yàn)殡S著分組數(shù)的增加，各組載波組合種類數(shù)越少，判決時(shí)錯(cuò)誤的概率越小。隨著組數(shù)的增加，系統(tǒng)的性能越好。

圖6不同分組單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)誤碼率性能曲線

Fig.6BER performance of single RF SM-OFDM system with different groups

為了保證相同的傳輸速率，可以采用不同的載波數(shù)。由圖7可知，當(dāng)傳輸速率為24 Mb/s時(shí)，雖然載波數(shù)不同，但每組的子載波數(shù)相同，系統(tǒng)性能差別不大。這是因?yàn)槊拷M的載波數(shù)相同時(shí)，載波的組合數(shù)相等，判決時(shí)系統(tǒng)的錯(cuò)誤概率相等，調(diào)制方式相同時(shí)信號(hào)檢測(cè)的錯(cuò)誤概率也相等，所以系統(tǒng)性能保持不變。

圖7相同傳輸速率單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)誤碼率性能曲線

Fig.7BER performance of single RF SM-OFDM system at the same data rate

4　結(jié)　論

采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)不僅可以提高系統(tǒng)的能量效率還可以有效地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。在采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)中用載波分組的方法來選擇子載波可以提高系統(tǒng)的性能，利用DHT預(yù)編碼技術(shù)可以在發(fā)射端用一次蝶形運(yùn)算來避免復(fù)雜的乘法運(yùn)算從而有效地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明采用載波分組和預(yù)編碼技術(shù)的單射頻鏈路SM-OFDM系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度明顯降低，并且載波分組越多系統(tǒng)性能越好。

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