0 引言

    隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的信息傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量要求越來(lái)越高,。為了滿足需求,，必須采取有效措施來(lái)提高系統(tǒng)的頻譜利用率和可靠性。研究表明,，多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output,，MIMO)技術(shù)通過(guò)增加發(fā)送與接收信號(hào)的天線數(shù)量，可以在不增加系統(tǒng)帶寬與發(fā)射功率的前提下有效提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率,。但隨著天線數(shù)的增加,，MIMO技術(shù)也存在弊端：一方面發(fā)送天線之間要求同步，極大地增加了硬件實(shí)現(xiàn)難度和成本,；另一方面所有發(fā)送天線同時(shí)傳輸同頻信號(hào),，將導(dǎo)致各天線之間存在極強(qiáng)的信道干擾。針對(duì)以上缺陷,，2006年MESLEH R與HAAS H在文獻(xiàn)[1]中提出了一種新的多天線傳輸技術(shù)——空間調(diào)制(Spatial Modulation,，SM)方案，該技術(shù)具有單射頻特性,，天線間干擾程度低,，接收端的信號(hào)處理較為簡(jiǎn)單，正逐漸成為MIMO傳輸技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一,。

    文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中闡述了SM方案的核心思想,，任一發(fā)送時(shí)刻只有一根發(fā)射天線處于激活狀態(tài)，其余發(fā)射天線處于靜默狀態(tài),，發(fā)送的比特信息一部分映射到星座調(diào)制圖上,，其余比特信息映射到天線索引號(hào)構(gòu)成的空間維上。因此,，SM方案有效避免了信道間干擾和多天線發(fā)射同步難問(wèn)題,，但存在以下不足：首先，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中的調(diào)制技術(shù)都是通過(guò)單層調(diào)制模式將比特信息均勻地映射在MPSK/MQAM星座圖上,。這些星座圖中的信號(hào)點(diǎn)等間隔等概率分布,，從容量?jī)?yōu)化的角度來(lái)看這種模式并不是最優(yōu)的，一定程度地限制了SM系統(tǒng)性能^[3],；同時(shí)在高速率系統(tǒng)中,，系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度是一個(gè)重要的考慮因素。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中的傳統(tǒng)SM系統(tǒng)采用2^M進(jìn)制非線性比特符號(hào)調(diào)制,，然后通過(guò)最大似然算法(Maximum Likelihood,，ML)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度為o(2^M N_r),，隨著M的增加,，復(fù)雜度呈指數(shù)遞增,。因此，高階調(diào)制方案很難用于高速率傳輸?shù)腗IMO系統(tǒng),。

    針對(duì)以上存在的不足,，本文在傳統(tǒng)SM系統(tǒng)星座點(diǎn)映射上采用分層編碼調(diào)制(Superposition Coded Modulation，SCM)技術(shù),，稱為基于分層編碼的空間調(diào)制（SCM-SM）系統(tǒng),，它極大地簡(jiǎn)化了可用碼字的構(gòu)成，且編碼過(guò)程是線性的,，接收端的譯碼復(fù)雜度也會(huì)相對(duì)降低,，在準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道中有效地均衡SM系統(tǒng)的有效性和可靠性。

    傳統(tǒng)SM系統(tǒng)采用ML算法,、最大比合并算法(Maximum Ratio Combining，MRC)以及球形譯碼算法(Sphere Decoding,，SD)等進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),。ML通過(guò)遍歷所有碼本，它以犧牲系統(tǒng)復(fù)雜度換取了較低誤比特率性能(Bit-Error-Rate,，BER),，而復(fù)雜度相對(duì)低的MRC和SD算法性能略低于ML。為了更好地均衡系統(tǒng)的復(fù)雜度與性能,，本文在SCM-SM系統(tǒng)下,，提出了一種低復(fù)雜度的檢測(cè)算法，連續(xù)干擾消除檢測(cè),，能較好地恢復(fù)出星座域和空間域的比特信息,。該算法的復(fù)雜度主要取決于編碼層數(shù)，當(dāng)層數(shù)為L(zhǎng)時(shí),，系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度隨著L呈線性增加,。因此，分層編碼調(diào)制方案適合于高速率傳輸?shù)拇笠?guī)模MIMO系統(tǒng),。

1 分層編碼調(diào)制與系統(tǒng)模型

1.1 分層編碼調(diào)制原理

    無(wú)線通信系統(tǒng)中,，語(yǔ)音、圖像以及視頻等業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,，QoS)的要求各不相同,。傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)引入混合自動(dòng)重轉(zhuǎn)機(jī)制(Hybrid Automatic Repeat request，HARQ)和前向糾錯(cuò)碼技術(shù)(Forward Error Correction,，F(xiàn)EC)來(lái)保證不同用戶QoS要求,，但這些方案都需要系統(tǒng)提供額外的容量開(kāi)銷。文獻(xiàn)[6]的LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)系統(tǒng)中,，作者通過(guò)SCM技術(shù)保證不同用戶的QoS,。同時(shí),，傳統(tǒng)SM系統(tǒng)每次通過(guò)激活一根天線來(lái)傳輸信息，一定程度上浪費(fèi)了系統(tǒng)資源,。因此,，本文將傳統(tǒng)SM系統(tǒng)與SCM技術(shù)結(jié)合，得到SCM-SM系統(tǒng),。一方面很好地滿足了不同業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量要求,，另一方面充分利用了MIMO的系統(tǒng)資源。

    SCM其核心思想是將不同QoS要求的比特信息進(jìn)行分層,，QoS要求高或者優(yōu)先級(jí)高的比特信息在上層進(jìn)行獨(dú)立編碼調(diào)制,，QoS要求低或者優(yōu)先級(jí)低的信息在低層進(jìn)行獨(dú)立編碼調(diào)制。圖1為兩層編碼調(diào)制的星座點(diǎn)圖(4/16QAM),，通過(guò)兩層QPSK進(jìn)行獨(dú)立編碼調(diào)制后線性疊加,，相當(dāng)于16QAM星座圖。

    如圖1所示,，待發(fā)送的比特信息通過(guò)分離器將QoS要求高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離到第一層進(jìn)行獨(dú)立編碼,，映射到圖中黑色點(diǎn)(QPSK星座點(diǎn))上；QoS要求低的數(shù)據(jù)分離到第二層進(jìn)行獨(dú)立編碼,，也映射到對(duì)應(yīng)的QPSK星座點(diǎn)上,。最后通過(guò)加權(quán)疊加后調(diào)制到4/16QAM對(duì)應(yīng)的白色星座點(diǎn)上。

1.2 系統(tǒng)模型

    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)包含N_t根發(fā)送天線,、N_r根接收天線,、N_a根激活天線的SCM-SM系統(tǒng)模型，發(fā)送端系統(tǒng)框圖如圖2所示,。首先發(fā)送比特信息分為兩個(gè)部分,，即星座點(diǎn)調(diào)制和天線索引調(diào)制。天線索引調(diào)制部分與傳統(tǒng)空間調(diào)制方案相同,，用于選擇發(fā)送時(shí)刻的激活天線索引號(hào),。而星座點(diǎn)調(diào)制部分與文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的方案不同，本設(shè)計(jì)將其與SCM技術(shù)結(jié)合,，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳,。

    由圖2可知，星座點(diǎn)調(diào)制部分采用SCM技術(shù),，將調(diào)制的比特通過(guò)串并轉(zhuǎn)換,，得到L路比特信息。其中,，每一路相當(dāng)于一個(gè)調(diào)制層,，每一層的信息通過(guò)相同編碼器(Turbo編碼/卷積編碼)編碼，輸出序列為c_i,，c_i經(jīng)過(guò)交織器后得到b_i,，且每一層交織方式不同,，目的是得到相互獨(dú)立的編碼比特。最后,，b_i通過(guò)相應(yīng)調(diào)制方式(QPSK/QAM)進(jìn)行星座圖調(diào)制,，得到調(diào)制符號(hào)x_i。發(fā)射的信息x^j由各層調(diào)制符號(hào)加權(quán)后線性疊加,。

式中,，L表示層數(shù)，J為每層調(diào)制符號(hào)長(zhǎng)度,，x_i是調(diào)制后的向量,，ρ_i是第i層加權(quán)系數(shù)。ρ_i取值不同將會(huì)產(chǎn)生不同整形與性能的星座圖,，從而系統(tǒng)性能也大不相同,。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中蜂窩系統(tǒng)加權(quán)因子的參數(shù)設(shè)計(jì)，此處設(shè)計(jì)的MIMO系統(tǒng)各層加權(quán)因子ρ_l如式(2)所示：

    最后,，x_j通過(guò)激活天線n_t發(fā)送到無(wú)線信道中,。假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道，H^j代表N_t×N_r的信道沖擊響應(yīng)矩陣,，接收端信號(hào)為：

    此時(shí)，該系統(tǒng)傳輸速率相對(duì)于文獻(xiàn)[2]中的空間調(diào)制系統(tǒng)有所提高,。傳輸速率R如式(4)所示,，單位為bpcu(Bits per channel use)。

其中M_i表示第i層調(diào)制階數(shù),，r是編碼速率,。

2 連續(xù)干擾消除信號(hào)檢測(cè)

    文獻(xiàn)[7]的MRC算法和文獻(xiàn)[8]的SD算法犧牲了一定系統(tǒng)性能，以換取較低的系統(tǒng)復(fù)雜度,?？紤]到ML較優(yōu)的BER性能，本文將該算法與SCM方案相結(jié)合,，提出了一種新的信號(hào)檢測(cè)算法——連續(xù)干擾消除（Successive Interference Cancellation,，SIC）。通過(guò)逐層運(yùn)用干擾消除方法進(jìn)行信號(hào)譯碼,，算法檢測(cè)流程框圖如圖3所示,。

    基于前面的N_t根發(fā)射天線、N_r根接收天線的MIMO系統(tǒng)模型,，由式(3)可得：

    式(8)中的s₁是第一層QAM星座點(diǎn)碼本,，式(9)中的s_L是L層線性疊加后的星座點(diǎn)碼本。這樣,，系統(tǒng)復(fù)雜度就從原來(lái)隨調(diào)制階數(shù)呈指數(shù)增加變?yōu)殡S層數(shù)L線性增加,。最后各層進(jìn)行獨(dú)立譯碼,，得到各層的比特信息{c₁，…,，c_L},。

3 算法復(fù)雜度分析

    本文使用復(fù)數(shù)運(yùn)算的次數(shù)來(lái)衡量算法的檢測(cè)復(fù)雜度。兩個(gè)復(fù)數(shù)相乘需要4次乘積運(yùn)算和3次求和運(yùn)算,。在SCM-SM系統(tǒng)中,。文獻(xiàn)[4]中的ML檢測(cè)算法需要4(N_t)²N_r 2^M×L次復(fù)數(shù)乘法和((3N_t+7)N_r+2)N_t 2^M×L次復(fù)數(shù)加法；其中M表示各層調(diào)制階數(shù),。本文提出的SIC檢測(cè)算法的復(fù)數(shù)乘與復(fù)數(shù)加次數(shù)如下：

    由式(10),、式（11）可知，SIC檢測(cè)方案的系統(tǒng)復(fù)雜度隨層數(shù)線性增加,。特別地,，收發(fā)天線數(shù)相同情況下，R越高(即L越大),，提出的檢測(cè)算法復(fù)雜度越低,，例如當(dāng)N_t=N_r=8，N_a=1,，r=1/2傳輸速率(分別為5 bpcu和6 bpcu),，ML與SIC兩種檢測(cè)算法的計(jì)算復(fù)雜度對(duì)比如表1所示。

4 仿真分析

    為了驗(yàn)證SCM-SM系統(tǒng)性能,，以系統(tǒng)的BER為衡量指標(biāo),。發(fā)送端采用編碼速率為1/2的(7，5)₈卷積碼,，假設(shè)信道矩陣H的每一個(gè)元素都服從均值為0,、方差為1的復(fù)高斯分布，且接收端對(duì)H完全已知,，考慮不同的調(diào)制方式和收發(fā)天線數(shù),。

    圖4表示在N_t=N_r=8、N_a=1,、R=5 bpcu時(shí),，SCM-SM系統(tǒng)采用4/16QAMSM系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制。且接收端都采用ML檢測(cè)算法,，兩系統(tǒng)的總誤比特率（BER）,、天線索引映射（Index）以及調(diào)制符號(hào)（Constellation）的誤比特率曲線如圖4所示。

    圖4中,，SCM-SM系統(tǒng)性能曲線始終位于SM系統(tǒng)的下方,，在信道環(huán)境好的情況下，SCM-SM系統(tǒng)優(yōu)于SM系統(tǒng)1.4～2.0 dB左右。

    為進(jìn)一步驗(yàn)證SCM方案在高速率傳輸下的性能,，對(duì)兩系統(tǒng)下在R=5 bpcu和R=6 bpcu進(jìn)行仿真對(duì)比,；且接收端都基于ML檢測(cè)算法，仿真圖如圖5,。

    在R為5 bpcu和6 bpcu時(shí),，SCM-SM系統(tǒng)性能曲線始終位于傳統(tǒng)SM系統(tǒng)性能曲線的下方。特別在信噪比為12～17 dB時(shí),，該系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)較顯著,。最后，在SCM-SM系統(tǒng)下還將提出的SIC信號(hào)檢測(cè)算法性能與文獻(xiàn)[4]中的ML算法和文獻(xiàn)[7]中的MRC算法細(xì)性能進(jìn)行仿真對(duì)比,。

    從圖6中可以看出,，提出檢測(cè)算法的BER曲線近似ML，兩者之間相差約0.6～1.0 dB,。特別在R=5 bpcu,，采用4/16QAM調(diào)制，星座點(diǎn)分布相對(duì)分散,，SIC相比于MRC改善了約 0.8～1.2 dB的檢測(cè)性能,；在R=6 bpcu，采用4/64QAM調(diào)制,，星座點(diǎn)相對(duì)密集,，SIC檢測(cè)算法優(yōu)于MRC約1.4～1.8 dB。

5 結(jié)論

    傳統(tǒng)SM系統(tǒng)采用均勻分布的星座點(diǎn)進(jìn)行星座映射,，一定程度上限制了系統(tǒng)性能,，且該系統(tǒng)不能在同一傳輸時(shí)隙滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。本文在SM系統(tǒng)的星座點(diǎn)調(diào)制上采用SCM技術(shù),，有效地改善其性能。并提出了一種低復(fù)雜度的檢測(cè)算法,，經(jīng)理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明,，該檢測(cè)算法性能接近ML，且接收端譯碼復(fù)雜度與星座點(diǎn)調(diào)制階數(shù)M呈線性關(guān)系,，即在很大程度上降低了檢測(cè)復(fù)雜度,。同時(shí)，該方案能在同一傳輸符號(hào)下滿足不同業(yè)務(wù)的不同QoS要求,，更加靈活地滿足未來(lái)5G系統(tǒng)的多種業(yè)務(wù)需求,，在未來(lái)高速率傳輸?shù)囊苿?dòng)通信系統(tǒng)中，該方案存在著一定的優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,。

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