楊芷華，黃麗美

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門(mén) 529020）

空間調(diào)制（Spatial Modulation，SM）[1]不僅能利用調(diào)制信號(hào)傳輸信息，還能利用天線的空間位置傳輸信息，因此成為人們關(guān)注的傳輸方案.正交空間調(diào)制（Quadrature Spatial Modulation，QSM）[2]是一種新型的空間調(diào)制技術(shù)，它能通過(guò)消除信道的相關(guān)性來(lái)提高M(jìn)IMO通信系統(tǒng)的性能[3-5].正交空間調(diào)制是在每個(gè)傳輸時(shí)隙把一組信息比特流分成三部分，一部分根據(jù)采用的調(diào)制方式映射成相應(yīng)的M-QAM調(diào)制信號(hào)，另外兩部分分別用來(lái)映射發(fā)送調(diào)制信號(hào)實(shí)部與虛部的天線位置.在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，中繼傳輸方式能延伸無(wú)線覆蓋范圍[6]，能提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性[7]，為了提高中繼MIMO通信系統(tǒng)的傳輸性能，一些學(xué)者研究了基于正交空間調(diào)制的中繼MIMO系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)空間調(diào)制的中繼MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了誤碼性能比較.如，文獻(xiàn)[8]在多中繼無(wú)線通信系統(tǒng)中研究了基于正交空間調(diào)制的多中繼AF-MISO通信系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9]為了提高收發(fā)間有直達(dá)路由的無(wú)線中繼系統(tǒng)的誤碼性能，研究了基于正交空間調(diào)制的DF-MISO通信系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]研究了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下基于正交空間調(diào)制的雙向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)誤碼性能.但是，這些研究基于的中繼節(jié)點(diǎn)都是單天線的，而在中繼節(jié)點(diǎn)配置多根天線時(shí)，可以與收發(fā)端的多根發(fā)射天線和接收天線形成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的無(wú)線信道，使系統(tǒng)在傳輸速率一定時(shí)，頻譜利用率和傳輸可靠性得到明顯的提高.因此，本文設(shè)計(jì)并研究了中繼節(jié)點(diǎn)采用多天線的基于正交空間調(diào)制的AF-MIMO、DF-MIMO通信系統(tǒng)，并和文獻(xiàn)[11]傳統(tǒng)空間調(diào)制的中繼MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了比較，以期找到進(jìn)一步提高無(wú)線中繼MIMO系統(tǒng)性能的方案.

圖1 多天線無(wú)線中繼MIMO通信系統(tǒng)方框圖

1 多天線無(wú)線中繼MIMO通信系統(tǒng)

圖1所示為多天線無(wú)線中繼MIMO通信系統(tǒng)方框圖，源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D分別配有NS、NR和ND根天線，節(jié)點(diǎn)S、R間構(gòu)成NR×NS維信道矩陣H，節(jié)點(diǎn)R、D間構(gòu)成ND×NR維信道矩陣G.H、G分別表示為：

在圖1所示的系統(tǒng)的一個(gè)傳輸時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)S、R和節(jié)點(diǎn)R、D間均采用正交空間調(diào)制傳輸方案，且整個(gè)通信過(guò)程分成兩個(gè)階段：第一階段是源節(jié)點(diǎn)S向中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)送信號(hào)；第二階段是中繼節(jié)點(diǎn)R將接收的信號(hào)按照一定的方式處理，再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)D.

2 多天線正交空間調(diào)制

和Nr根接收天線.在每個(gè)傳輸時(shí)段，正交空間調(diào)制將信源產(chǎn)生的長(zhǎng)度為的二進(jìn)制信息比特流c分成長(zhǎng)度為b1=log2（M）、b2=log2（Nt）及b3=log2（Nt）的cb1、cb2和cb3三部分（即c=（cb1cb2cb3））.長(zhǎng)度為b1的信息比特流cb1在M-QAM調(diào)制的星座符號(hào)集S=｛s1,s2,…,sM｝中映射成調(diào)制信號(hào)s=sre+jsim(s∈S)；長(zhǎng)度為b2、b3的信息比特流cb2、cb3分別用來(lái)在Nt根發(fā)送天線中選擇第ai根、第aj根天線發(fā)射sre和sim（ai,aj∈{1,2,…,Nt} ）.根據(jù)ai、aj的映射形成的Nt維發(fā)送向量x有以下兩種情況：

發(fā)送向量x經(jīng)由Nr×Nt維的信道矩陣H到達(dá)接收端，接收端接收到的Nr×1維信號(hào)y為：

假設(shè)接收端已知信道矩陣H，根據(jù)H和接收到的向量y，采用最大似然檢測(cè)算法可檢測(cè)出并恢復(fù)成為長(zhǎng)度b的比特流

圖2 正交空間調(diào)制系統(tǒng)方框圖

3 正交空間調(diào)制的多天線中繼MIMO系統(tǒng)

3.1 QSM-AF-MIMO

按圖1設(shè)計(jì)多天線中繼網(wǎng)絡(luò)基于正交空間調(diào)制的放大轉(zhuǎn)發(fā)傳輸方案（QSM-AF-MIMO）.在每個(gè)傳輸時(shí)隙的第一階段，源節(jié)點(diǎn)S的信息比特流按照正交空間調(diào)制傳輸方案產(chǎn)生的發(fā)射向量x，由傳輸信道到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)R，形成NR×1維的yS,R：

式中nS,R的NR個(gè)元素與式（4）中n的元素分布相同，即

在第二階段，按文獻(xiàn)[8]，中繼節(jié)點(diǎn)R采取AF傳輸方式，將yS,R形成向量AyS,R（A為中繼節(jié)點(diǎn)的放大因子）發(fā)射，節(jié)點(diǎn)D接收到經(jīng)無(wú)線信道傳來(lái)的AyS,R形成的ND×1維信號(hào)向量yR,D為：

截至2014年，D市共有20家上市公司，基于銳思數(shù)據(jù)庫(kù)中的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)計(jì)算得知其城市平均投資回報(bào)率為9.59%。Y市只有1家上市公司，因此，把銀行貸款的基準(zhǔn)收益率8%作為其平均投資回報(bào)率。由統(tǒng)計(jì)年鑒得知D市2013年的水上運(yùn)輸業(yè)的投資額最大，為73.6億元，把它作為D市港口投資的上限。同樣得知Y市的港口投資上限為15億元。

同理，假設(shè)已知信道矩陣H和G，節(jié)點(diǎn)D根據(jù)H和G以及接收到的信號(hào)yR,D，再由式（6）可檢測(cè)出并恢復(fù)成長(zhǎng)度為b的比特流

3.2 QSM-DF-MIMO

按圖1設(shè)計(jì)多天線中繼網(wǎng)絡(luò)基于正交空間調(diào)制的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸方案（QSM-DF-MIMO）.源節(jié)點(diǎn)S與中繼節(jié)點(diǎn)R配置的天線數(shù)分別為NS、NR，調(diào)制符號(hào)星座分別為且有：在每個(gè)傳輸時(shí)隙的第一階段，從源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)R間的通信方式與QSM-AF-MIMO系統(tǒng)的相同，中繼節(jié)點(diǎn)R收到y(tǒng)S,R后，對(duì)yS,R按式（6）檢測(cè)恢復(fù)長(zhǎng)度為b的比特流cR.

在每個(gè)傳輸時(shí)隙的第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)R將恢復(fù)的長(zhǎng)度為b的比特流cR再按正交空間調(diào)制方式形成發(fā)射向量xR.xR經(jīng)中繼節(jié)點(diǎn)R與目的節(jié)點(diǎn)D之間的ND×NR維信道矩陣G傳到目的節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)D接收到的ND×1維信號(hào)yR,D為：

式中的nR,D與式（8）的相同.

yR,D按式（6）檢測(cè)出并恢復(fù)b長(zhǎng)度的比特流cD：

4 仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)QSM-AF-MIMO、QSM-DF-MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真.系統(tǒng)配置為：NS=4，ND=4，NR=1,2,4.

圖3 QSM-AF-MIMO與SM-AF-MIMO的誤碼曲線圖

4.1 QSM與SM的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在QSM-MIMO與SM-MIMO的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)槊看蝹鬏數(shù)谋忍財(cái)?shù)是一定的，即且系統(tǒng)天線配置也是一定的，所以SM-MIMO系統(tǒng)需要在天線數(shù)與傳輸比特?cái)?shù)一定的情況下，選擇合適的MSM-QAM調(diào)制方式滿足以上公式.仿真實(shí)驗(yàn)中，QSM采用4QAM調(diào)制方式，SM根據(jù)以上公式需采用16QAM調(diào)制方式.

4.1.1 QSM-AF-MIMO通信系統(tǒng)

圖3所示是QSM-AF-MIMO系統(tǒng)仿真曲線圖.當(dāng)BER=10-3，中繼節(jié)點(diǎn)NR=1時(shí)，基于正交空間調(diào)制的AF-MIMO系統(tǒng)與文獻(xiàn)[11]中基于傳統(tǒng)空間調(diào)制的AF-MIMO系統(tǒng)相比，誤碼性能約有1.5 dB的增益；在中繼節(jié)點(diǎn)為2和4時(shí)，QSM-AF-MIMO系統(tǒng)與SM-AF-MIMO系統(tǒng)相比，誤碼性能分別約有1.8 dB和2 dB的增益.

4.1.2 QSM-DF-MIMO通信系統(tǒng)

圖4所示是QSM-DF-MIMO系統(tǒng)仿真曲線圖，由圖可知，當(dāng)BER=10-3，QSM-DF-MIMO系統(tǒng)與基于傳統(tǒng)空間調(diào)制的DF-MIMO系統(tǒng)相比，在中繼節(jié)點(diǎn)NR為1、2和4時(shí)，誤碼性能分別約有0.7 dB、1.6 dB和3 dB的增益.

圖4 QSM-DF-MIMO與SM-DF-MIMO的誤碼曲線圖

4.2 QSM下，AF協(xié)議與DF協(xié)議的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖5所示為QSM-AF-MIMO與QSM-DFMIMO系統(tǒng)在中繼系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)R不同時(shí)的誤碼曲線圖.從仿真曲線可知，當(dāng)BER=10-3，NR=1時(shí)，DF-MIMO系統(tǒng)與AF-MIMO系統(tǒng)的誤碼性能沒(méi)有太大差異；NR=2和4時(shí)，DF-MIMO系統(tǒng)的誤碼性能比AF-MIMO分別約有2.1 dB和5.7 dB的增益.

圖5 不同天線數(shù)時(shí)，QSM-AF-MIMO與QSM-DF-MIMO的誤碼曲線圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的QSM-AF-MIMO與QSM-DFMIMO系統(tǒng)，經(jīng)誤碼性能仿真實(shí)驗(yàn)表明：基于正交空間調(diào)制的中繼MIMO系統(tǒng)的誤碼性能優(yōu)于基于傳統(tǒng)空間調(diào)制的中繼MIMO系統(tǒng)，且隨著中繼節(jié)點(diǎn)天線數(shù)的增加，系統(tǒng)的誤碼性能愈優(yōu)異；在無(wú)線中繼MIMO系統(tǒng)天線配置相同時(shí)，QSM-DF-MIMO系統(tǒng)性能優(yōu)于QSM-AF-MIMO系統(tǒng).本研究表明，正交空間調(diào)制技術(shù)和中繼節(jié)點(diǎn)天線數(shù)的增加能夠提高系統(tǒng)的誤碼性能.下一步將從更換調(diào)制方式與中繼傳輸協(xié)議的角度來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)性能.