陳雨霞

（廣州華夏職業(yè)學院信息工程學院,廣東 廣州 510935）

1 引言

多天線MIMO技術是5G通信的關鍵技術之一。在點對點的通信系統(tǒng)中,SM(Spatial Modulation)是近期提出的一種MIMO傳輸方案,SM不僅在每個傳輸時隙采用發(fā)射天線發(fā)射調制符號,而且利用不同發(fā)射天線組也能傳送信息。在每個傳輸時隙空間調制若只選擇一根天線發(fā)送信號,則可消除系統(tǒng)的內部信道干擾。接收機檢測信號的復雜度低,不要求發(fā)射天線間的同步。在多用戶MIMO（MU-MIMO）云無線接入網絡中,一個基站為多個用戶提供服務:基站配置多根收發(fā)共用的天線,用戶配置一根天線,數字單元（DU）完成物理層/中間接入的控制和下行產生發(fā)送調制符號流、上行檢測信號的操作,由DU處理的信號通過有線的方式傳輸給無線單元,即DU集中處理分布式無線單元（RU）的信號。該種方式可以實時聯(lián)合調度管理基站服務用戶,消除小區(qū)內部干擾,由于信號處理在DU進行,無線設備減小了,成本也隨之降低了。為了提高MU-MIMO通信系統(tǒng)的性能,學者做了大量的研究工作,文獻[1]研究了云MU-MIMO網絡中的調制符號傳輸方式,基站選擇用戶及傳輸方式是基于鏈路的可達速率最大化準則。文獻[2-3]提出了一種云無線接入網的傳輸架構來提高無線系統(tǒng)的性能；文獻[4]將預編碼技術用在MUMIMO系統(tǒng)中,提出了“預編碼前”“預編碼后”的兩種調制符

圖1 云無線接入網絡中的空間調制系統(tǒng)方框圖

本文將空間調制技術[5]用于云MU-MIMO系統(tǒng),提出了云多用戶SM（MU-SM）系統(tǒng),在瑞利信道下,系統(tǒng)輸入信息均勻分布時推導了互信息,仿真了BER性能,實驗結果表明云無線接入網絡中的大規(guī)模空間調制系統(tǒng)能提高系統(tǒng)的誤碼性能和可達速率。

2 云無線接入網絡中的空間調制系統(tǒng)

2.1 MU-SM云無線接入系統(tǒng)信道模型

如圖1所示是MU-SM云無線接入系統(tǒng)方框圖,在MUSM云無線接入系統(tǒng)中,有U個用戶,基站配置Mt根收發(fā)兩用的天線,在每個發(fā)送傳輸時隙,基站的無線單元（RU,Radio Unit）采用空間調制發(fā)射信號:基站按云數字單元DU傳送的信息比特流-Cb=(c1c2…cb)選擇發(fā)射天線組a(a∈A, ||A=2b,A?A0,而且發(fā)送從云數字單元傳送來的調制符號流每個用戶配置一根收發(fā)共用的天線,則基站映射的Mt×1維的發(fā)射向量X為:

基站與用戶i之間的信道矩陣為Hi,用戶i收到的信號為yi

式（2）中 Hi的元素 hij(j∈{1,2,…,Mt})服從復高斯分布是高斯噪聲

2.2 MU-SM云無線接入系統(tǒng)的設計

在MU-SM云無線接入系統(tǒng)中,由于采用TDD（時分雙工）,基站已知用戶的信道矩陣Hi,為了保證系統(tǒng)有較大的信噪比,基站按最大比合并接收選擇服務用戶i,即

（3）式中表示求向量的二范數。

圖1中基于DU處理發(fā)送信號采用大規(guī)模MIMO空間調制無線接入系統(tǒng)中,在每個傳輸時隙,DU處理的用戶信息分為兩部分,一部分是信息比特流,用來選擇發(fā)送天線組a,發(fā)送天線組a有na根發(fā)射天線；另一部分是調制符號流根據2.1節(jié)中的系統(tǒng)配置,DU采用M階星座圖映射調制符號流,每個傳輸時隙傳輸的總信息比特數為:b+nalog2M。在云無線接入網絡中,當信噪比一定時,為了提高系統(tǒng)的可靠性,每個傳輸時隙能傳輸的總信息比特數應小于等于信道的互信息,即

收信端根據（2）式按最大似然檢測恢復信息比特流Cb和調制符號流的映射符號X為

其中s∈-S,a∈A。

2.3 MU-SM云無線接入系統(tǒng)的互信息

在2.2節(jié)設計的基于DU處理發(fā)送信號的MU-SM云無線接入系統(tǒng)中,在每個傳輸時隙,基站信道增益最大準則選擇用戶,基站的大規(guī)模MIMO天線與用戶i的單根天線之間形成了MISO系統(tǒng)。設DU輸入MISO的比特流、調制符號流是均勻分布的,則由映射成的發(fā)送隨機向量X的概率密度函數（PMD）為而MISO輸出隨機變量Y（I用戶i接收到的信號）由于噪聲的存在是連續(xù)隨機變量,信道轉移概率為則輸入變量X與輸出變量YI之間的互信息為

式中E{·}表示統(tǒng)計平均。

2.4仿真實驗

MU-SM云無線接入系統(tǒng)誤比特率仿真曲線圖如圖2所示,MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)與MU-SM云無線接入系統(tǒng)每傳輸時隙均傳輸4bit信息,na=1,MU-SM云無線接入系統(tǒng)的配置為Mt=Mr=4,采用QPSK調制,Mt=Mr=2,采用8BPSK調制；MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)的配置為Mt=Mr=4,采用BPSK調制,Mt=Mr=2,采用QPSK調制。在瑞利衰落信道下進行仿真實驗,發(fā)送隨機向量X服從均勻分布。從圖2中可以得出,在BER=10-2、Mt=Mr=4時,MU-SM云無線接入系統(tǒng)與云MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)相比約有10dB的增益。

按上文中MU-SM云無線接入系統(tǒng)與MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)的配置進行了兩系統(tǒng)的仿真實驗,互信息仿真曲線圖如圖3所示,得出:當SNR=2dB時,Mt=Mr=4的MU-SM云無線接入系統(tǒng)中,采用QPSK調制的互信息為4bit；而Mt=Mr=4的MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)中,采用BPSK調制的互信息為3.93bit。

圖2 誤碼率仿真對比圖

圖3 互信息仿真對比圖

3 結論

本文提出并設計了MU-SM云無線接入系統(tǒng),在瑞利慢衰落信道下輸入均勻分布時推導了系統(tǒng)的互信息,進行了誤比特率與互信息的仿真實驗,實驗結果表明MU-SM云無線接入系統(tǒng)與現(xiàn)有的MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)相比,誤比特率與互信息的性能都有較大的提高。

[1]林云,何豐.MIMO技術原理及應用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]China Mobile.C-RAN:the road to wards green RAN[Z].White Paper,2011.

[3]China mobile research institute.C-RAN:The road towards green RAN [EB/OL]. 2012- 08- 03. http://labs.chinamobile.com/articledownload.php?id=104035

[4]Sangkyu Park,Chan-Byoung Chae,Saewoong Bahk.Before/after precoding massive MIMO systems for cloud radio access networks[J]. Journal Communications and Networks,2013,15(4):398-406.

[5]Di Renzo,M,Haas,H,Grant,Peter M.Spatial modulation for multiple-antenna wireless systems:a survey[J].IEEE Communications Magazine,2011,49(12):182-191.