馮 丹,劉孟孟,白寶明

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710121;2.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071)

0 引言

多輸入多輸出技術(shù)(Multi-input Multi-output,MIMO)是指在發(fā)射端和接收端上分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線,信號(hào)通過(guò)發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收,從而改善每個(gè)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量(誤比特率或數(shù)據(jù)速率)。 MIMO 技術(shù)能夠大大提高頻譜利用率,使得系統(tǒng)能在有限的無(wú)線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 空間調(diào)制(Spatial Modulation,SM)技術(shù)[1-2]是MIMO 技術(shù)的一種,在每個(gè)傳輸時(shí)隙下只激活一根發(fā)送天線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。 這種單天線發(fā)送技術(shù)減少了多天線系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本,且始終保證較好的數(shù)據(jù)傳輸速率避免了端到端的系統(tǒng)性能惡化。 更加特殊的是,通過(guò)采用簡(jiǎn)單的調(diào)制和編碼機(jī)制同時(shí)達(dá)到了較低復(fù)雜度的接收機(jī)設(shè)計(jì)和較高的頻譜效率。 除此之外,空間調(diào)制技術(shù)同時(shí)避免了MIMO 技術(shù)中的信道間干擾(ICI)和天線間同步(IAS)問(wèn)題。 因此,成為未來(lái)無(wú)線通信傳輸?shù)膫溥x技術(shù)[3-5]。

然而,空間調(diào)制技術(shù)的分析和設(shè)計(jì)依然面臨許多挑戰(zhàn),編碼空間調(diào)制方案就是其中一種。 在編碼空間調(diào)制方案中,出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的編碼方案,包括Trellis 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)(Trellis Coded Spatial Modulation,TCSM)[6-8]、比特交織編碼空間調(diào)制系統(tǒng)[9]、二元LDPC 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)[10-11]、多元Turbo 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)[12]、分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制系統(tǒng)[13-14]及多元LDPC 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)[15]等。

本文將描述信道編碼空間調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀,介紹編碼空間調(diào)制系統(tǒng)的幾種重要方案及其性能對(duì)比。

1 編碼空間調(diào)制的發(fā)展

為提高空間調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能,TCSM 首次被提出[6]。 在此編碼調(diào)制系統(tǒng)中,為改善相干信道下的系統(tǒng)性能,進(jìn)行天線選擇的比特為T(mén)rellis 編碼保護(hù)的比特序列,調(diào)制星座符號(hào)選擇的比特為未編碼的隨機(jī)比特序列。 但是由于選擇調(diào)制星座信號(hào)的比特沒(méi)有進(jìn)行編碼保護(hù),因此編碼空間調(diào)制系統(tǒng)的性能會(huì)隨著調(diào)制星座的增加迅速惡化。 在文獻(xiàn)[7]中提出另一種Trellis 編碼空間調(diào)制(New Trellis Coded Spatial Modulation,SM-TC)方案。 這種方案選擇天線的信息比特和選擇星座信號(hào)的信息比特均進(jìn)行了編碼,因此系統(tǒng)性能較之前得到了很大改善。但是Trellis 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn),就是隨著系統(tǒng)傳輸譜效率的增加,Trellis 碼的狀態(tài)數(shù)需要成倍增加[9]。 因此,文獻(xiàn)[8]提出一種有效的編碼空間調(diào)制方案,即比特交織編碼空間調(diào)制(Bitinterleaver Coded Spatial Modulation,BICSM)方案。此方案可以用來(lái)應(yīng)對(duì)信道衰落和天線間的相互干擾帶來(lái)的影響并有效提高空間調(diào)制系統(tǒng)的性能。 文獻(xiàn)[10]中,一種二元LDPC 編碼空間調(diào)制方案也被提出。 除此之外,本文還提出了一種低復(fù)雜度的軟輸出譯碼算法,可以降低最大似然檢測(cè)的復(fù)雜度,同時(shí)不帶來(lái)過(guò)多的性能損失。 另外,一種分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制在文獻(xiàn)[13]被提出,在這種方案中,分組馬爾科夫編碼被應(yīng)用于空間調(diào)制系統(tǒng);之后,文獻(xiàn)[14]提出一種2 層的分組馬爾科夫疊加傳輸(Block Markov Superposition Transmission,BMST)空間調(diào)制系統(tǒng)。 在這種方案中,選擇天線的信息比特和選擇星座信號(hào)的信息比特分別被2 個(gè)BMST 編碼保護(hù)。 然而,上面所有的編碼空間比特系統(tǒng)均采用二元編碼。 實(shí)際上,空間調(diào)制可以看作是一種高階調(diào)制。 與二元碼相結(jié)合的空間調(diào)制系統(tǒng)中,由于比特度量與符號(hào)度量之間的轉(zhuǎn)換,會(huì)造成一定的性能損失,因此多元碼更加適合于空間調(diào)制系統(tǒng)。 基于多元LDPC 碼的編碼調(diào)制系統(tǒng),能夠避免由于二進(jìn)制比特序列到高階調(diào)制符號(hào)之間概率轉(zhuǎn)換造成的信息損失。 多元LDPC 碼相比二元LDPC 碼,更適合與高階調(diào)制相結(jié)合。 為此,文獻(xiàn)[15]提出將空間調(diào)制信號(hào)整體(包含星座符號(hào)維和天線維)看作一個(gè)高維空間上的高階信號(hào)星座,并將其與多元LDPC 碼結(jié)合,提出了多元LDPC 碼編碼空間調(diào)制( Nonbinary LDPC Coded Spatial Modulation,NBLDPC-SM)系統(tǒng)。 相比二元LDPC 碼編碼空間調(diào)制系統(tǒng),該系統(tǒng)一方面能夠獲得更加逼近空間調(diào)制容量的譜效率,另一方面在相同譜效率下,具有更好的誤碼性能。

2 編碼空間調(diào)制

2.1 Trellis 編碼空間調(diào)制方案

圖1 給出了TCSM 系統(tǒng)的傳輸模型。 首先,按照空間調(diào)制映射所需長(zhǎng)度和星座映射所需長(zhǎng)度將信息序列分為2 組。 第1 組比特序列首先送入Trellis編碼器編碼,然后進(jìn)行比特交織,再送入空間調(diào)制映射器進(jìn)行發(fā)送天線的選擇;第2 組比特序列直接送入到星座映射器選擇傳輸?shù)恼{(diào)制符號(hào)。 隨后,將調(diào)制符號(hào)送入選擇的發(fā)送天線進(jìn)行傳輸。 經(jīng)過(guò)信道后,接收端采用最大似然檢測(cè)(或其他檢測(cè)算法)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),并將檢測(cè)信號(hào)分成2 組,一組進(jìn)行空間調(diào)制解映射,另一組首先進(jìn)行解交織,然后送入Trellis 譯碼器進(jìn)行Viterbi 譯碼,最后2 組數(shù)據(jù)合并得到估計(jì)的信息比特序列。

一種改進(jìn)的Trellis 編碼空間調(diào)制系統(tǒng),即SM-TC 方案的提出改善了TCSM 系統(tǒng)的誤碼率,如圖2 所示。 不同于TCSM 方案,SM-TC 方案將所有信息比特序列送入Trellis 編碼器編碼,然后將碼字序列進(jìn)行分組,第1 組送入空間調(diào)制映射器進(jìn)行發(fā)送天線的選擇;第2 組序列送入到星座映射器選擇傳輸?shù)恼{(diào)制符號(hào)。 隨后,將調(diào)制符號(hào)送入選擇的發(fā)送天線進(jìn)行傳輸。 經(jīng)過(guò)信道后,接收端采用最大似然檢測(cè)(或其他檢測(cè)算法)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),并將檢測(cè)序列送入Trellis 譯碼器進(jìn)行Viterbi 譯碼得到估計(jì)的信息比特序列。

圖1 Trellis 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.1 Trellis coded spatial modulation schemes

圖2 改進(jìn)的Trellis 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.2 New trellis coded spatial modulation schemes

2.2 比特交織編碼空間調(diào)制方案

Trellis 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)隨著傳輸譜效率的增加,Trellis 碼的狀態(tài)數(shù)需要成倍增加。 隨之,比特交織編碼空間調(diào)制方案被提出,如圖3 所示。 這種方案可以選取適合的任意信道編碼方案。 首先將信息比特序列進(jìn)行編碼,然后將碼字序列送入交織器進(jìn)行比特交織,隨后進(jìn)行分組。 第1 組送入空間調(diào)制映射器進(jìn)行發(fā)送天線的選擇;第2 組送入到星座映射器選擇傳輸?shù)恼{(diào)制符號(hào)。 隨后,將調(diào)制符號(hào)送入選擇的發(fā)送天線進(jìn)行傳輸。 經(jīng)過(guò)信道后,接收端采用最大似然檢測(cè)(或其他檢測(cè)算法)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)獲得比特軟信息,并將軟信息進(jìn)行解交織后送入譯碼器進(jìn)行譯碼得到估計(jì)的信息比特序列。 除此之外,也可以在譯碼器和檢測(cè)器之間增加迭代譯碼提高系統(tǒng)性能。

圖3 比特交織編碼空間調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.3 Bit-interleaver coded spatial modulation schemes

2.3 二元LDPC 編碼空間調(diào)制方案

二元LDPC 編碼空間調(diào)制方案與BICSM 方案類(lèi)似,但是由于LDPC 碼自帶交織特性,因此不需要在系統(tǒng)中加入交織器與解交織器,如圖4 所示。 這種方案的傳輸過(guò)程為：首先將所有信息比特序列送入LDPC 編碼器編碼,然后將碼字序列進(jìn)行分組,第1 組送入空間調(diào)制映射器進(jìn)行發(fā)送天線的選擇;第2 組送入星座映射器選擇傳輸?shù)恼{(diào)制符號(hào)。 隨后,將調(diào)制符號(hào)送入選擇的發(fā)送天線進(jìn)行傳輸。 經(jīng)過(guò)信道后,接收端采用最大似然檢測(cè)(或其他檢測(cè)算法)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)獲得比特軟信息,并將軟信息送入LDPC 譯碼器進(jìn)行譯碼得到估計(jì)的信息比特序列。 除此之外,也可以在譯碼器和檢測(cè)器之間增加迭代譯碼提高系統(tǒng)性能。

圖4 二元LDPC 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.4 LDPC coded spatial modulation schemes

2.4 分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制方案

分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制方案是將分組馬爾科夫疊加傳輸機(jī)制與空間調(diào)制結(jié)合,如圖5 所示。 BMST 碼是一類(lèi)通過(guò)關(guān)聯(lián)生成矩陣得到的大卷積碼,其基本原理是面向分組的“重復(fù)-疊加”。 在分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)送端首先由基本碼的編碼器進(jìn)行編碼,所得到的基本碼碼字與交織重復(fù)的先前碼字在有限域GF(2) 上進(jìn)行分組疊加,得到BMST 碼的碼字序列。 然后將碼字序列進(jìn)行分組,第1 組送入空間調(diào)制映射器進(jìn)行發(fā)送天線的選擇,第2 組送入星座映射器選擇傳輸?shù)恼{(diào)制符號(hào)。 隨后,將調(diào)制符號(hào)送入選擇的發(fā)送天線進(jìn)行傳輸。 經(jīng)過(guò)信道后,接收端采用最大似然檢測(cè)(或其他檢測(cè)算法)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)獲得比特軟信息。在接收端,BMST 碼采用了滑窗譯碼策略,在t 時(shí)刻,譯碼器先根據(jù)譯碼窗口內(nèi)的解調(diào)輸出分組對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的信息分組進(jìn)行譯碼,當(dāng)前時(shí)刻譯碼結(jié)束后,譯碼窗口整體向前滑動(dòng),譯碼器再根據(jù)譯碼窗口內(nèi)更新后的解調(diào)輸出分組對(duì)下一時(shí)刻的信息分組進(jìn)行譯碼。 在譯碼窗口內(nèi),BMST 碼采用基于廣義正規(guī)因子圖的前后向遞歸迭代譯碼,前后向遞歸過(guò)程迭代進(jìn)行,直到譯碼成功或達(dá)到最大迭代次數(shù)。

除此之外,還有一種2 層的分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制系統(tǒng),如圖6 所示。 在這種方案中,選擇天線的信息比特和選擇星座信號(hào)的信息比特分別被2 個(gè)BMST 編碼保護(hù)。

圖5 分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block Markov superposition transmission with spatial modulation schemes

圖6 2 層分組馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.6 Two-layers block Markov superposition transmission with spatial modulation schemes

2.5 多元LDPC 編碼空間調(diào)制方案

目前針對(duì)編碼空間調(diào)制系統(tǒng)的研究已有許多,然而大部分已有系統(tǒng)中均采用二元碼。 由于空間調(diào)制可以被看作一種多元調(diào)制,因此研究結(jié)合多元碼與空間調(diào)制的潛在應(yīng)用十分有意義。 下面對(duì)多元LDPC 編碼空間調(diào)制傳輸做出描述。

多元LDPC 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)模型如圖7所示。

圖7 多元LDPC 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.7 Nonbinary LDPC coded spatial modulation schemes

考慮一個(gè)q 元LDPC 碼C[N,K] ,其中q = 2m,碼長(zhǎng)為N,信息位長(zhǎng)度為K,碼率為R = K/N。GF(q)域中的每個(gè)元素都可以用一個(gè)長(zhǎng)度為m 的二進(jìn)制向量b=(b0,b1,…,bm-1) 表示。 首先信息序列u=(u0,u1,…,uK-1),u,k ∈GF(q) 被送入多元LDPC 碼編碼器,經(jīng)過(guò)編碼后得到碼字序列c = (c0,c1,…,cN-1)∈C,其中cj∈GF(q) 。 隨后,每個(gè)編碼符號(hào)cj的二進(jìn)制向量被分為兩部分。 第一部分ml比特被映射為天線索引li∈A;剩下的ms比特經(jīng)過(guò)調(diào)制得到發(fā)送符號(hào)si∈S。 下面介紹獲得信道發(fā)送信號(hào)xj的方法。 本節(jié)中,發(fā)送信號(hào)集合X,| X| =MNt可以看作天線星座Φ 和信號(hào)星座S 的笛卡爾積,即X = Φ × S。 因此,被激活的天線索引li和調(diào)制符號(hào)si聯(lián)合決定了發(fā)送信號(hào)xj∈X。 定義xj≡(lj,sj) 。 沒(méi)有其他說(shuō)明時(shí),默認(rèn)假設(shè)發(fā)送信號(hào)集合的大小與多元LDPC 碼有限域大小相等,即MNt=q。 結(jié)合上面的設(shè)定,針對(duì)多元LDPC 編碼空間調(diào)制系統(tǒng)中的空間調(diào)制映射,可以定義一個(gè)一對(duì)一映射函數(shù)f：GF(q) →X,其中輸入為多元LDPC 編碼得到的序列,輸出為傳輸信號(hào)序列x = (x0,x1,…,xN-1) 。 隨后,將調(diào)制符號(hào)送入選擇的發(fā)送天線進(jìn)行傳輸。 經(jīng)過(guò)信道(其中噪聲為加性高斯白噪聲w),接收端采用最大似然檢測(cè)(或其他檢測(cè)算法)對(duì)接收信號(hào)序列y 進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)獲得比特軟信息,并將軟信息送入LDPC 譯碼器進(jìn)行譯碼得到估計(jì)的信息比特序列u^。

3 性能分析

接下來(lái),利用蒙特卡洛仿真對(duì)所提系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真。 在所有的仿真結(jié)果中,均采用瑞利平衰落信道。 信道矩陣 H 在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)是固定不變的,且在不同符號(hào)周期內(nèi)服從獨(dú)立同分布。 除此之外,多元 LDPC 譯碼器采用 50 次迭代的 FFT-QSPA 算法,二元 LDPC 譯碼器采用 50 次迭代的 SPA 算法。 圖8 中沒(méi)有對(duì)比馬爾科夫疊加傳輸空間調(diào)制系統(tǒng),這是由于BMST 碼的碼長(zhǎng)較長(zhǎng),而相應(yīng)長(zhǎng)度的多元LDPC 碼的構(gòu)造及優(yōu)化不易操作,且多元LDPC碼的性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在碼長(zhǎng)較短時(shí)。

圖8 不同編碼空間調(diào)制系統(tǒng)性能對(duì)比Fig.8 Performance comparison of different coded spatial modulation schemes

4 需進(jìn)一步研究的問(wèn)題

前文對(duì)不同編碼空間調(diào)制系統(tǒng)分別進(jìn)行了描述,接下來(lái)將對(duì)空間調(diào)制技術(shù)的其他相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行闡述。

4.1 空間調(diào)制傳輸效率的有效提高

空間調(diào)制可以達(dá)到的傳輸效率有限,如果要實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的數(shù)據(jù)傳輸,需要以二的冪次方增加天線數(shù)量。 因此,在文獻(xiàn)[16]中廣義空間調(diào)制(Generalized Spatial Modulation,GSM) 方案被提出,這種方案可以在一個(gè)時(shí)隙同時(shí)激活多根天線進(jìn)行信號(hào)傳輸,進(jìn)一步提高了空間調(diào)制系統(tǒng)的頻譜效率,并改善系統(tǒng)發(fā)送天線數(shù)量的靈活性。 但是在該方案中不同的激發(fā)天線發(fā)送的符號(hào)是相同的。 之后,一種改進(jìn)的GSM 方案,稱(chēng)為(Multiple Antenna Spatial Modualtion,MA-SM) (后面的廣義空間調(diào)制方案通常為MA-SM 方案)被提出[17-18]。 這種方案同樣在每個(gè)時(shí)隙激活多根天線,但為了充分利用天線分集,可以通過(guò)每根天線分別傳輸不同的調(diào)制符號(hào)。 此外,SM 思想也可以擴(kuò)展到空時(shí)維度。 文獻(xiàn)[19]中提出了一種新的調(diào)制方案——空時(shí)移鍵控(Space-Time Shift Keying,STSK) 調(diào)制。 隨后,空時(shí)分組編碼空間調(diào)制(Space-Time Block Coded Spatial Modulation,STBC-SM) 方案[20]被提出,這種方案將空時(shí)分組編碼(Space-Time Block Coding,STBC) 應(yīng)用于空間調(diào)制系統(tǒng)。 為進(jìn)一步提高空間調(diào)制傳輸效率,另一種擴(kuò)展空間調(diào)制方案即正交空間調(diào)制(Quadrature Spatial Modulation,QSM)在文獻(xiàn)[21]中被提出。這種方案將SM 的天線空間擴(kuò)展了一個(gè)新的維度,通過(guò)2 個(gè)天線空間維度分別發(fā)送調(diào)制符號(hào)的實(shí)部和虛部。 除此之外,還有ESM[22]和DSM[23]等技術(shù)。因此,如何提高空間調(diào)制技術(shù)的傳輸效率一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的問(wèn)題。

4.2 空間調(diào)制技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)

空間調(diào)制可以避免多天線之間的ICI 和IAS,還可以采用較低復(fù)雜度的接收機(jī)設(shè)計(jì),減少多天線系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。 尤其在Massive MIMO 中,是十分具有潛力的技術(shù)之一。 但是在空間調(diào)制技術(shù)中,如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行天線鏈路切換一直是限制空間調(diào)制在實(shí)際系統(tǒng)中展開(kāi)應(yīng)用的主要問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

空間調(diào)制傳輸是多天線技術(shù)中的潛力技術(shù)之一,一直以來(lái)受到了廣泛關(guān)注。 盡管空間調(diào)制技術(shù)還有一些問(wèn)題需要解決,例如硬件實(shí)現(xiàn)、與5G 熱門(mén)技術(shù)的結(jié)合等,但其在眾多通信領(lǐng)域均表現(xiàn)出了很好的性能,因此也成為了學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了多種不同的編碼空間調(diào)制技術(shù),并對(duì)空間調(diào)制技術(shù)中存在的問(wèn)題及以后的研究方向進(jìn)行了總結(jié)和討論。