趙蒙蒙，金小萍，馮會真

(中國計量大學 信息工程學院，浙江 杭州 310018)

廣義索引調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計

趙蒙蒙，金小萍，馮會真

(中國計量大學 信息工程學院，浙江 杭州 310018)

廣義空間調(diào)制-多輸入多輸出(GSM-MIMO)模型中傳輸天線組合由傳輸?shù)男畔⑿蛄须S機激活，即會產(chǎn)生傳輸天線信道性能不理想的情況，將大大削弱系統(tǒng)性能.同時，在檢測時因?qū)λ薪M合情況進行遍歷使復雜度呈指數(shù)上升.結(jié)合索引思想提出了廣義索引調(diào)制技術(shù)(generalized index modulation, GIM)，即在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將傳輸符號標記的索引與天線索引結(jié)合構(gòu)造成新的傳輸符號，再利用天線選擇算法傳輸.與GSM相比，解決了信道隨機分配所帶來的不良影，由于GIM構(gòu)造符號的多樣性傳輸速率有2比特以上的提高，同時接收端的檢測復雜度在多天線時有50%的下降.廣義索引調(diào)制更適用于衰落區(qū)分明顯的傳輸信道.

MIMO系統(tǒng)；空間調(diào)制；廣義索引

空間調(diào)制(spatial modulation, SM)是一種面向MIMO系統(tǒng)的低復雜度空間復用技術(shù)[1-2].在SM系統(tǒng)中，每個傳輸時隙僅需一根天線對外發(fā)送信號，其余天線均處于靜默狀態(tài).換言之，采用SM技術(shù)的發(fā)射機不需要為每根發(fā)射天線配置獨立的射頻前端鏈路，符合單射頻鏈路MIMO技術(shù)的基本特征[3].因此，SM系統(tǒng)在發(fā)射機端無需天線同步，接收機端的接收信號不存在信道間干擾，從而可以顯著降低系統(tǒng)復雜度，獲得良好的能量效率[4].可是，SM技術(shù)的復用增益與發(fā)射天線數(shù)目成對數(shù)線性關(guān)系，傳輸效率不高.為了進一步提高頻譜效率和系統(tǒng)的傳輸速率，我們不再局限于使用各獨立天線構(gòu)成空間星座，轉(zhuǎn)而采用多根發(fā)射天線的組合，并由此發(fā)展出了廣義空間調(diào)制(generalized spatial modulation, GSM)策略[5].GSM的突出特點是拓展了SM的空間域概念，改由多根被激活天線的組合構(gòu)成空間星座點.因此，在配置相同數(shù)目的發(fā)射天線時，GSM系統(tǒng)往往能獲得比SM系統(tǒng)更高的頻譜效率[6].然而，廣義空間調(diào)制是利用傳輸比特隨機選擇傳輸信號所用的信道，當所選信道衰落十分嚴重時，會對系統(tǒng)性能造成嚴重影響，同時檢測復雜度相比SM系統(tǒng)也增大了很多[7].文獻[8]中提出了激活一個天線的空間調(diào)制索引系統(tǒng)，但其頻譜效率有限，傳輸速率不高.

對此，我們根據(jù)文獻[8]進一步提出了一種基于索引調(diào)制的廣義索引調(diào)制系統(tǒng)模型.通過信息比特選擇多根天線索引，根據(jù)映射關(guān)系調(diào)制成傳輸符號發(fā)送.并根據(jù)天線選擇算法選擇最佳的天線進行傳送，避免了衰落性能嚴重的傳輸信道[9].在接收端檢測時，僅需要檢測發(fā)送符號，大大降低了檢測復雜度，同時提高了傳輸效率.

1 設(shè)計方案

圖1 GIM系統(tǒng)模型Figure 1 Diagram of GIM System

索引調(diào)制映射成構(gòu)造符號為[1+1j,2+2j,3+4j].

表1 10bit·Hz-1·s-1 GIM映射規(guī)則Table 1 10bit·Hz-1·s-1 GIM mapping rules

表2 GIM與GSM采用4QAM調(diào)制時比特傳輸速率對比Table 2 Bit transmission rate comparison

(1)

(2)

本文以實數(shù)相乘個數(shù)作為計算復雜度，GIM的檢測復雜度為

(3)

傳統(tǒng)GSM中，激活天線組合為Nc，GSM檢測算法表達式為

(4)

其中，sk為GSM中第k根天線上加載的符號，且sk∈Ω，Ω為GSM中M-QAM的調(diào)制星座圖.

GSM的檢測復雜為

GSMC=M×Nr×(Nu+1)×Nc.

(5)

由(3)式和(5)式對比得到

(6)

當M=Nt時，可化簡為

(7)

由式(6)可以看出GIM和GSM復雜度對比主要由星座圖前后維度變化和傳輸天線組合數(shù)兩部分構(gòu)成.當傳輸天線數(shù)目較大時，星座圖擴大所帶來的檢測復雜度增加不會超過GSM系統(tǒng)中檢測所有天線組合的計算量.即式(7)中M≤Nc.所以GIM系統(tǒng)在提高傳輸速率的同時降低了檢測復雜度.

2 仿真結(jié)果

仿真采用獨立不同分布平坦衰落信道模型，首先采用4QAM調(diào)制方式.仿真結(jié)果對發(fā)射天線Nt=4,6,8(接收天線與發(fā)射天線數(shù)目相等)，激活天線數(shù)為3的不同情況下的GIM系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)進行了誤比特率比較以及檢測復雜度分析.性能仿真如圖2，復雜度分析如圖3.

通過圖2可以看出，在調(diào)制階數(shù)都為4QAM時，隨著發(fā)射天線數(shù)目的增大,GIM和GSM的性能都隨之增強.同時GIM與GSM性能有一定差距，這是因為在平坦衰落信道中，每個信道衰落差距不大，同時GIM系統(tǒng)的調(diào)制方式擴大了星座圖，歐氏距離縮小容易造成誤判.但當信號帶寬大于信道帶寬時，會產(chǎn)生嚴重衰落的信道.這時，信道信息對傳輸信號的影響會大于因星座圖擴大造成誤判的影響，GIM系統(tǒng)的性能會得到彌補.通過圖3可以看出，隨著發(fā)射天線數(shù)目的增大，GIM與GSM的檢測復雜度逐漸拉大.如當發(fā)射天線數(shù)為8時，GSM的檢測復雜度為4 096，GIM的檢測復雜度為2 048.

圖2 不同發(fā)射天線數(shù)時GIM和GSM誤碼率對比Figure 2 BER Performance against different antenna

圖3 不同發(fā)射天線數(shù)時GIM和GSM復雜度對比Figure 3 Complexity comparison against different transmission antenna numbers

其次，在采用8根發(fā)射天線時(接收天線和發(fā)射天線數(shù)目相等)，仿真對M=4,8,16，激活天線數(shù)為3的情況進行了GIM系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)的誤比特率對比以及檢測復雜度分析.性能仿真如圖4，復雜度分析如圖5.

通過圖4可以看出，在發(fā)射天線數(shù)都為8時，GIM和GSM性能隨調(diào)制階數(shù)的上升有所下降.這是因為星座圖變大增加了誤判的可能性.

圖4 不同調(diào)制階數(shù)GIM和GSM性能對比Figure 4 BER Performance against different modulation order

通過圖5可以看出，在調(diào)制階數(shù)改變時，GSM的復雜度變化很明顯；且隨著調(diào)制階數(shù)的增大，GSM系統(tǒng)的檢測復雜度會大大超出GIM的檢測復雜度.

圖5 不同調(diào)制階數(shù)GIM和GSM復雜度對比Figure 5 Complexity comparison against different modulation order

3 結(jié) 語

針對GSM系統(tǒng)中無法避免嚴重衰落傳輸信道及檢測復雜度過大的問題，提出了一種基于索引調(diào)制的廣義索引調(diào)制系統(tǒng).在天線數(shù)目較大時，檢測復雜度逐漸拉大.在平坦衰落信道中，由于星座擴大，信道衰落信息差距不大，性能與GSM有一定差距.但當信道衰落差距明顯如頻率選擇性衰落信道，信道的選擇會彌補由于星座圖擴大帶來的損失.同時，與傳統(tǒng)GSM系統(tǒng)相比，進一步提高了比特傳輸速率.可見，GIM適用于發(fā)射天線數(shù)多、調(diào)制階數(shù)大、信道衰落變化明顯的傳輸系統(tǒng).

[1]RENZOMD,HASSH,GRANTPM.Spatialmodulationformultipleantennawirelesssystems:asurvey[J]. IEEE Communications Magazine,2011,49(12):182-191.

[2] RENZO M D, HAAS H, GHRAYEB A, et al. Spatial modulation for generalized MIMO: challenges, opportunities, and implementation[J]. Proceedings of the IEEE,2011,102(1):56-103.

[3] MESLEH R Y, HAAS H, SINANOVIC S, et al. Spatial modulation[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(4):2228-2241.

[4] STAVRIDIS A, SINANOVIC S, HAAS H. Energy evaluation of spatial modulation at a multi-antenna base station[C]// IEEE Vehicular Technology Conference. LAS Vegas: IEEE Press,2013:1-5.

[5] WANG J, JIA S, SONG J. Generalised spatial modulation system with multiple active transmit antennas and low complexity detection scheme[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(4):1605-1615.

[6] LAKSHMI T, CHOCKALINGAM A. On the capacity and performance of generalized spatial modulation[J]. IEEE Communications Letters,2016,11(4):252-255.

[7] YOUNIS A, SERAFIMOVSKI N, MESLEH R, et al. Generalised spatial modulation[C]//IEEE Forty Fourth Asilomar Conference. California: IEEE Press,2010:1498-1502.

[8] AYDIN E, ILHAN H. A novel SM based MIMO system with index modulation[J]. IEEE Communications Letters,2015,12(24):244-247.

[9] YANG Ping, YUE Xiao, YONG Liangguan, et al. Transmit antenna selection for multiple-input-multiple-output spatial modulation systems[J]. IEEE Transactions on Communications.2016,11(64):2035-2048.

Design of generalized index modulation systems

ZHAO Mengmeng, JIN Xiaoping, FENG Huizhen

(College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

In generalized spatial modulation multi-input and multi-output (GSM-MIMO) models, the combination of transmission antennas is randomly activated by the transmitted information sequence. The bad transmission channel condition will greatly weaken the performance of the system. At the same time, the detection complexity will increase exponentially due to the search of all the combinations. Now, we proposed a generalized index modulation technology based on the index theory. Based on the GSM system, a new symbol was constructed by using the transmission symbol index and the antenna index and was then transferred by the antenna selection algorithm. The system solved the problem of negative effects brought by the random allocation of the channel. Due to the diversity of GIM construction symbols, the transmission rate improved over 2 bits and the detection complexity of the receiver was decreased by 50% in the multi antenna situation. GIM was therefore more suitable for obvious fading transmission channels.

MIMO system; spatial modulation; generalized index

2096-2835(2016)04-0447-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.016

2016-06-14 《中國計量大學學報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

浙江省教育廳項目(No.Y201432108)，浙江省寧波大學信息與通信工程重中之重學科開放基金資助項目(No.xkx11414),浙江省自然科學基金資助項目(No.LY17F010012).

TN914

A