多用戶下行鏈路使用廣義空間調制的方案

陸克思，姚建國,b

(南京郵電大學 a.通信與信息工程學院; b.江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003)

多用戶下行鏈路使用廣義空間調制的方案

陸克思a，姚建國a,b

(南京郵電大學 a.通信與信息工程學院; b.江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003)

針對多用戶多輸入多輸出系統，討論了一種多用戶下行鏈路使用廣義空間調制傳輸多用戶信號的方案。該方案利用廣義空間調制(Generalized Spatial Modulation，GSM)技術，發送端和接收端均不需要知道信道狀態信息，系統結構比較簡單。同時，能有效消除信道間干擾，獲得較優的系統性能。仿真分析表明，該方案在克服傳統多用戶MIMO系統缺點的同時，能獲得較低的系統誤碼率。

廣義空間調制；多用戶；下行鏈路；平均誤碼率

1 空間調制技術

眾所周知，多天線技術作為提高頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段已經應用于多種無線通信系統，大規模MIMO技術更被作為第五代移動通信系統的關鍵技術之一被廣泛研究[1]。空間調制[2-4](Spatial Modulation，SM)是一種新型MIMO技術，使傳輸信息比特和每個天線序號之間建立一對一映射關系，利用發送天線的位置攜帶了一些信息。空間調制可以完全消除信道間的干擾，同時不需要發送天線間的同步，并且可以獲得較高的頻譜效率。

傳統空間調制的一個缺點是，發送天線的數目必須是2的倍數，為了克服這個缺點，提出了廣義空間調制(GSM)的技術。與傳統空間調制的每個時隙只使用一根發送天線不同，廣義空間調制技術在每個時隙有多根發送天線被激活，被激活的天線是根據輸入的數據流確定的。同時，廣義空間調制采用發送天線組合，獲得比傳統空間調制更好的頻譜效率。

傳統的下行鏈路多用戶MIMO系統中，可以通過預編碼的方法消除用戶間的干擾[5-7]，而天線間的干擾則是通過接收端的用戶檢測算法進行消除的。論文提出的在多用戶下行鏈中使用廣義空間調制的技術，不僅可以消除多用戶MIMO的缺點，又克服了傳統空間調制發送天線數必須是2的倍數的限制。在系統的輸入比特數大于用戶數的前提下，多用戶MIMO系統中下行鏈路采用廣義空間調制技術，系統結構簡單，可以獲得較優的系統性能。但該方案的傳輸速率較低，該方案特別適合使用于下行廣播信道中。

2 系統模型

考慮一個基站向K個獨立用戶同時傳輸數據的多用戶MIMO下行鏈路，如圖1所示。該系統中，發送端基站配有Nt根發送天線，每個用戶配置相同的接收天線數Nr。所需傳輸的數據經過映射器，從選擇的Nu根天線發送，基站到每個用戶的MIMO信道為Nr×Nt矩陣Hi。在該系統圖中，每個時隙選擇的天線數2。

圖1 下行鏈路使用GSM方案的系統框圖

該系統可以傳輸的比特數為

(1)

2.1 信號傳輸

結合圖1的系統框圖，設輸入系統的比特流為x=[x1,x2,…,xk]，經過MU-GSM(Multiuser-GSM)映射器的映射，生成的發送符號為s=[0,0,sj,q,…,0]，其中j表示每個時隙選擇的發送天線，q為M-QAM星座圖中的第q個星座點。在發送符號向量s中，只有被選擇天線的元素不為0，其他元素都為0。表1顯示了，當用戶數K=4，發送天線數 Nt=5的系統映射方案。該方案中每個時隙選擇發送天線數Nu=2，根據式(1)，每個時隙發送天線的組合可以傳輸3bit，則可以采用BPSK調制傳輸剩余的1bit。

表1 MU-GSM的映射關系

輸入比特流天線組合傳輸符號0000(1，2)(1)[s1，s1，0，0，0]0001(1，2)(2)[s2，s2，0，0，0]0010(1，3)(1)[s1，0，s1，0，0]0011(1，3)(2)[s2，0，s2，0，0]0100(1，4)(1)[s1，0，0，s1，0]0101(1，4)(2)[s2，0，0，s2，0]0110(1，5)(1)[s1，0，0，0，s1]0111(1，5)(2)[s2，0，0，0，s2]1000(2，3)(1)[0，s1，s1，0，0]1001(2，3)(2)[0，s2，s2，0，0]1010(2，4)(1)[0，s1，0，s1，0]1011(2，4)(2)[0，s2，0，s2，0]1100(3，5)(1)[0，0，s1，0，s1]1101(3，5)(2)[0，0，s2，0，s2]1110(4，5)(1)[0，0，0，s1，s1]1111(4，5)(2)[0，0，0，s2，s2]

設發送的符號向量為s，則第i個用戶的接收符號向量為

yi=His+zi

(2)式中：yi表示第i個用戶接收到的信息；Hi表示第i個用戶的傳輸信道矩陣，Hi中的各項是均值為0、方差為1的獨立同分布的復高斯隨機變量。zi是均值為0、方差為σ2的復高斯加性噪聲。

2.2 信號檢測和判決

接收信號的檢測判決分成兩部分進行，判決流程如圖2所示。

圖2 接收信號檢測和判決流程圖

2.2.1 最大似然檢測算法

第一階段的目標是估算出所選擇的發送天線位置j和M-QAM中的星座點q。為了獲得最優的系統性能，用戶檢測算法采用最大似然檢測算法。假設信道的輸入是等可能的，根據最大似然準則，可以找出使得接收信號y和hisj,q之間的歐氏距離最小的發送天線和星座點。

(3)

其中

(4)

2.2.2 判決各個用戶的接收比特

3 性能分析

對該多用戶系統的性能分析可以借用單用戶廣義空間調制[8]系統下得到的一些結論。在單用戶下根據聯合邊界條件，可以得到平均誤碼率

(5)

(6)

其中

Di(j,q)=yi-hj,isj,q

(7)

yi=hj,isj,q+zi

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：Ix(a,b)為正規不完全Beta函，即

(13)

在下行鏈路多用戶的情況下，根據用戶數K，引入了誤碼率因子α，結合式(5)和式(11)，得到多用戶條件下的平均誤碼率邊界條件

(14)

α的值為

(15)

其中，K表示系統的用戶數。

4 數值分析與仿真

上一部分主要是對MU-GSM系統的性能進行了理論分析，這部分主要對MU-GSM系統的平均誤碼率進行數值仿真，并對比理論分析結果。同時，和傳統多用戶MIMO傳輸系統使用的線性預編碼方案進行比較。分別對采用迫零線性預編碼(Zero Forcing， ZF)(即信道反轉預編碼(Channel Inversion， CI))、最小均方誤差線性預編碼(Minimum Mean Square Error， MMSE)、塊對角化算法(Block Diagonal， BD)[9-12]等進行分析，在信噪比在0～30 dB范圍內用MATLAB進行了仿真。

如圖3所示的是用戶數K=4的情況。MU-GSM系統采用Nt=5，Nu=2的天線組合和BPSK調制方案，用戶的接收天線Nr=2。為多用戶ZF、MMSE、BD預編碼系統的發送端配置4根天線，每個用戶配置2根接收天線，同樣發送端采用BPSK調制方式。從圖3中可以看出，數值仿真得到的結果和前面的理論推導出的平均誤碼率結果非常接近。同時，可以看出，采用MU-GSM的系統的平均誤碼率明顯低于采用傳統的ZF、MMSE和BD預編碼MIMO的系統誤碼率。從仿真圖3中可以看出，隨著信噪比的增大，對于MU-GSM系統在平均誤碼率方面的優勢越大。具體分析，從15～25 dB段可以看出，MU-GSM系統和系統性能最差的ZF預編相比，達到同樣的平均誤碼率，MU-GSM有10 dB左右的優勢，和BD預編相比，也有將近5 dB左右的優勢。

圖3 4用戶MU-GSM系統與線性預編碼系統的仿真結果

圖4中所示的是6用戶情況下的系統平均誤碼率的仿真圖。發送端采用Nt=7，Nu=2天線組合和BPSK調制方案，用戶接收天線Nu=2。ZF，MMSE，BD預編碼方案采用4用戶時的配置。對比圖3和圖4可以看出，在用戶數增加的同時，MU-GSM可以靈活地通過配置發送天線數，同樣獲得比傳統多用戶MIMO線性預編碼系統更好的系統性能，在相同的信噪比下獲得較低的平均誤碼率。

圖4 6用戶MU-GSM系統與線性預編碼系統的仿真結果

5 系統復雜度分析

MU-GSM系統不用考慮天線間的干擾，系統的發送端和接收端都無需知道信道狀態，因此相對于傳統多用戶MIMO線性預編碼系統而言，MU-GSM系統具有較簡單的系統結構。MU-GSM主要的復雜度體現在用戶的檢測算法上。在這里，分析系統復雜度采用的準則是用戶檢測算法所需的復數運算的次數。

為了獲得較好的系統性能，本文中的MU-GSM采用了最大似然檢測算法。結合式(9)分析，考慮星座點數為M，發送天線數為Nt，接收天線為Nr的MU-GSM系統。根據分析，計算接收信號與發送信號之間的距離(范數操作)需要的復數運算的次數為2NtM，而找出當中最小的距離需要的復數運算次數為NtM，最后考慮接收的天線數，則系統總的復數運算次數為

SUM=3NtNrM

(16)

表2顯示的是MU-GSM系統采用BPSK調制，即星座點數M=2時，MU-GSM系統采用最大似然檢測算法需要的復數運算的次數隨用戶數、發送天線數、接收天線數之間的關系。

表2 MU-GSM系統M=2時復雜度分析

用戶數K發送天線Nt接收天線Nr復數運算次數2513×5×1×22=602523×5×2×22=1204513×5×1×24=2404523×5×2×24=4806813×8×1×26=15366823×8×2×26=3072

根據表2分析可以看出，MU-GSM系統的復雜度隨用戶數、發送天線數、接收天線數等因數的增長，所需的復數運算次數呈現快速增長的趨勢。具體分析，這里假設星座點數M=2 保持不變，所需復數運算次數隨發送天線數、接收天線數線性增長。因多用戶體現出的復雜度，主要是在星座點判決時，所以系統的復數運算次數隨用戶數的增加而M的冪次方增加。從表中可以看出，MU-GSM的最大似然檢測算法的復雜度較高，因此，可以在兼顧系統性能的同時，采用一些低復雜度的用戶檢測算法[13-14]。

6 結束語

本文給出了一種在系統的傳輸比特流大于用戶數時，在多用戶下行鏈路中使用廣義空間調制(MU-GSM)的方案。并根據單用戶條件下的系統平均誤碼率推算出多用戶條件下系統平均誤碼率的情況，給出了平均誤碼率上邊界公式。并對多用戶下行鏈路中使用廣義空間調制方案進行了系統仿真，仿真結果表明，該方案可以獲得較低的平均誤碼率，并且在相同的用戶數下，可以獲得比傳統多用戶MIMO系統線性預編碼算法更好的系統性能。雖然MU-GSM采用最大釋然檢測算法可以獲得最優的系統性能，但是同時給系統帶來較高的復雜度。因此，可以考慮低復雜度的多用戶檢測算法來消弱MU-GSM系統的復雜度。

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Generalized Spatial Modulation Scheme to Multi-user Downlink

LU Kesia,YAO Jianguoa,b

(a.College of Telecommunications and Information Engineering; b. Jiangsu Key Laboratory of Wireless Communications, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

In multi-user MIMO system, a scheme that the multi-user downlink using generalized spatial modulation technique is studied. The scheme exploits the generalized spatial modulation technology, the sender and the receiver do not need to know the channel state information and the structure of the system is relatively simple. The interference between channels can be effectively eliminated and better performance of the system can be obtained . Simulation results show that the scheme in multi-user MIMO system can overcome the traditional shortcomings, at the same time, can obtain lower bit error rate.

generalized spatial modulation; multi-user; downlink; average bit error rate

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.20.006

2015-06-04

【本文獻信息】陸克思，姚建國.多用戶下行鏈路使用廣義空間調制的方案[J].電視技術,2015，39(20).

陸克思(1989— )，碩士生，主研移動通信與無線技術；

姚建國(1965— )，碩士生導師，主要研究方向為移動通信理論與關鍵技術。

責任編輯：閆雯雯