一種結合卷積編碼的新型空移鍵控系統

郭鵬程，周長征，鄭家祥

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000)

一種結合卷積編碼的新型空移鍵控系統

郭鵬程，周長征，鄭家祥

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000)

提出了一種與卷積編碼結合的新型空移鍵控系統，并給出了三種卷積編碼結構。首先，重點介紹了系統的傳輸模型以及卷積編碼構造；其次，分析了系統接收端天線檢測所采用的譯碼算法，并對接收算法復雜度作了比較；最后，在萊斯衰落信道下對該方案的傳輸性能進行了仿真分析，比較了不同卷積編碼構造下的方案與傳統的空移鍵控技術的優劣勢。結果表明：該方案可以很好地提高系統的抗信道衰落性能。

卷積編碼；萊斯衰落信道；空移鍵控

0 引言

MIMO技術發展迅速，其通過并行的子信道來實現空間復用，從而能顯著提高系統傳輸速率與頻譜利用率，如貝爾實驗室的垂直分層空時編碼技術(V-BLAST)[1-2]。MIMO技術通過增加系統復雜度和費用為代價換取更好的誤碼率性能和數據傳輸速率。但在實際應用中會存在一些問題，如信道間干擾以及多天線間的同步問題。

由R.Mesleh和H.Haas提出的空間調制技術(Spatial Modulation，SM)[3-5]一定程度上克服了這些問題，其核心思想是：在所有的發送天線中每時刻只有一根天線處于激活狀態，被選擇用來發送信息，其余天線處于靜默狀態。天線序號攜帶部分發送信息，其余信息通過常規調制來實現，而接收端通過天線序號的估計和發送符號的解調來恢復信息。這樣，空間調制[6]可以有效避免信道間干擾和多天線發射的同步性問題，同時打破了傳統MIMO中對收發天線數目的限制。

J.Jeganathan和A.Ghrayeb等人在空間調制的基礎上提出了空移鍵控技術(Space Shift Keying，SSK)[7]，僅通過激活發送端天線序號來實現信息調制，與空間調制相比取消了數字調制解調環節，通過與單天線調制、V-BLAST以及SM的性能比較，在相同的頻譜利用率的情況下，SSK具有與SM相似的性能，并優于傳統的單天線調制，考慮到其低復雜度，一定程度上可以說明SSK的優越性。文獻[8]在SSK基礎上引入了空間分集技術，提出了廣義空移鍵控調制(Generalized Space Shift Keying，GSSK)的概念，通過從多根發送天線中選擇天線組合的形式來調制信號，可以以較小的天線成本滿足系統性能的要求，更充分地利用了空間資源，提高了頻譜利用率。

為了提高SSK的傳輸性能，本文提出了將卷積編碼與SSK結合的天線映射方案，為方便描述，將其稱為CSSK，并通過仿真對比分析了兩種調制模式在萊斯信道下的性能。

1 CSSK原理

1.1CSSK傳輸模型

空移鍵控(Space Shift Keying，SSK)調制的基本原理是：發送端信息全部映射在天線序列上，每時刻只有一根天線處于激活狀態，發送信息通過選擇不同的天線選擇來表示，發送脈沖符號并未調制任何信息，僅僅用來表示發送天線的工作狀態。而其余天線處于靜默狀態，天線本身的位置信息攜帶了發送信息。在接收端，只需檢測發射天線位置序號即可，然后通過解映射規則恢復信息序列。在空移鍵控技術中，空移鍵控沒有數據調制，在發送裝置上更加簡單，如減少了功放、射頻濾波器、數模轉換等調制裝置，因此具有更低的系統復雜度。

CSSK傳輸模型如圖1所示，輸入數據首先進行卷積編碼，編碼輸出后，經過一定的天線調制規則選擇發送天線，此時發送符號與SSK一致，可表達為矢量形式:x“1”所處的位置代表被激活的天線位置，“0”表示天線靜默。萊斯信道為矩陣H，H是一個Nr×Nt復數矩陣，對應萊斯因子k，矩陣中元素代表相應發送天線到接收天線的信道增益。

圖1 CSSK傳輸模型

發送數據經過卷積編碼后進行天線選擇，此時須滿足一定的天線調制規則，由于系統發送功率一定，即E[XHX]=1，舉例說明，當發送天線數目Nt=8時，SSK映射如表1所示。

表1 SSK映射

表1表示一種Nt=8的天線調制規則，每時刻從8根天線中選擇一根發送天線，表示3 bit發送信息。M維SSK映射可以表示的有效信息位為log2(M)，此時發送天線數Nt須滿足Nt=M。

在萊斯信道條件下，接收信號可以表示為[7]：

(1)

其中，ρ為每根接收天線的平均信噪比(SNR)；h表示信道矩陣H第列，說明信道H中只有第列處于激活狀態；η為Nr維噪聲信號，滿足復高斯分布CN(0,1)。經過萊斯信道H后，接收端首先進行天線檢測，解調信息后再進行Viterbi反饋譯碼，最后恢復發送信息。

1.2卷積編碼構造

CSSK中采用的卷積編碼構造如圖2所示。

圖2 卷積編碼構造

圖中x表示每一次天線切換所傳輸的信息比特個數，s表示輸出位數。輸入數據Xn進入卷積構造進行卷積編碼，通過與寄存器中的數據運算，輸出信息通過數值轉換后選擇發送天線序號，而且輸出位數s對應發送天線數目Nt，對應關系為Nt=2s。因此，卷積構造主要由兩個要素決定，即x和s，x決定信息卷積輸入，s決定卷積輸出，兩者改變任意一個意味著卷積結構的改變。

輸入數據與寄存器之間的卷積關系具有一定靈活性，而探索一種有效的卷積結構對系統性能至關重要。本文列舉了3種卷積結構，分別為構造1：x=1，s=3，發送天線Nt=8；構造2：x=1，s=4，發送天線Nt=16；構造3：x=2，s=3，發送天線Nt=8。構造1如圖3所示。

圖3 Nt=8、x=1的卷積編碼構造

在圖3中，輸入數據Xn進入卷積編碼器，通過與兩個寄存器中的數據運算得到三位輸出值(yn,3,yn,2,yn,1)，通過轉換選擇相應的發送天線。

構造2對輸出位數進行了擴展，即發送天線數目由8增加到16，輸入數據與寄存器之間的卷積關系不變，如圖4所示。

當改變輸入數據位數，每次天線跳變由傳輸1 bit信息變為2 bit，同時發送天線數目不變時，即為構造3，如圖5所示。當x=2時，卷積函數的構造會有更多選擇的空間，復雜度也會大大增加，同時不同的卷積構造形式對系統性能影響較大，圖5采取一種兩輸入三輸出的構造形式。

圖4 Nt=16、x=1的卷積編碼構造

圖5 Nt=8、x=2的卷積編碼構造

2 接收算法

(2)

(3)

得到天線位置序號后，對天線序號進行解映射，恢復相應的信息比特，這種解映射屬于簡單的十進制轉二進制過程，因此，天線檢測與解映射可以看作一個整體。可以將這個整體作為天線位置進行路徑搜索，進行Viterbi反饋譯碼，對檢測錯誤的天線進行糾錯，從而恢復信息序列。

3 復雜度分析

從復數乘法的角度分析，CSSK與SSK有著相同的運算量[3]，即：

δCSSK=δSSK=NrM

(4)

M表示整個星座調制大小，相當于發送天線數目，即M=Nt；從復數加法的角度考慮，對SSK而言，運算量為：

ζSSK=2NrM-M

(5)

再來分析CSSK的復數加法運算量，接收端在進行天線檢測后，對解映射信息進行Viterbi反饋譯碼，從而恢復信息序列。以圖3中卷積編碼函數構造為例，信息狀態有4個，在譯碼過程中，取譯碼深度為3，可以保證所有狀態都能匯合，狀態轉移關系如圖6所示。

圖6 卷積函數狀態轉移圖

其加法運算量可以表示為:

ζCSSK=2NrM-M+2L

(6)

L表示狀態個數，此外，CSSK在每時刻會有L次比較運算。因此，CSSK相比于SSK會有更大的算法復雜度。

4 CSSK性能仿真分析

仿真條件1：萊斯衰落信道，萊斯因子k=1，仿真點數num=200 000，接收天線數目Nr=8，發送天線數目分別為Nt=8和Nt=16，卷積編碼構造1與構造2下的CSSK與SSK性能比較。

仿真結果如圖7所示，可以看出：在萊斯衰落信道中，當占用相同的天線資源時，構造1下的CSSK傳輸性能優于SSK，在BER為10-3時，CSSK優于SSK約2 dB；而構造2下的CSSK傳輸性能優于SSK約3 dB，但代價是每次天線切換傳輸信息比特數的下降。同時，對相同接收天線數目條件下，構造1條件下SSK與CSSK均優于構造2，說明發送與接收天線數目的相對數目對系統傳輸性能影響較大。

圖7 萊斯信道下CSSK、SSK性能比較

仿真條件2：萊斯衰落信道，萊斯因子k～(0～3)，仿真點數num=200 000，收發天線數目Nr=8和Nt=8， 卷積編碼構造3下的CSSK與SSK性能比較。

仿真結果如圖8所示，可以看出：在相同的收發天線數目下，隨著萊斯因子的增大，SSK與CSSK的傳輸性能都在逐漸下降，由k=0到k=1時，性能下降最明顯，在BER為10-3時，SSK與CSSK性能均下降約3 dB左右,而從k=1到k=2,k=2到k=3時，SSK與CSSK性能均下降約1 dB左右。CSSK與SSK相比，當占用相同的天線資源時，在相同k值情況下，CSSK性能均要優于SSK，在BER為10-3、k=1時，CSSK性能優于SSK約1.5 dB左右。

圖8 不同萊斯因子條件下CSSK、SSK性能比較

CSSK經過卷積編碼及Viterbi譯碼，對系統的傳輸性能有了較大的提升，但也存在一定的限制。例如，發送端天線的數目對應信息卷積結構輸出，而每次切換所傳輸比特數對應卷積結構輸入，而兩者任一改變意味著卷積結構的改變。此外，當發送天線為Nt=8，每次天線切換時，SSK能傳輸3 bit信息，而構造3下CSSK只能傳輸2 bit信息，這也是CSSK提升信道抗衰落性能所付出的代價。

CSSK通過卷積構造產生的天線序列隨機性有了較大改觀，這種卷積構造除了改善系統傳輸性能外，也使得天線序號由直接映射轉變為非線性運算，獲得了較好的隨機性，從而增加了系統的抗破譯與抗截獲性能[10]。

5 結論

本文提出了一種將卷積編碼與SSK結合的新型空移

鍵控技術(CSSK)，對CSSK的傳輸模型以及卷積編碼構造進行了詳細介紹，并對接收端天線檢測與復雜度進行了深入分析。通過在萊斯信道下對SSK與CSSK的性能仿真比較，證明了CSSK相比于SSK提高了系統的抗信道衰落性能，代價是每次天線切換傳輸比特數的下降，但這一點也可以通過改進卷積編碼構造進行完善。此外，CSSK提升了發送端天線序列的隨機性，這樣可以額外增加系統的抗截獲性能。下一步可以考慮將卷積編碼構造與GSSK相結合，這樣不僅能節省天線資源，提高傳輸效率，其組合樣式也會大大增加。

[1] WOLNIANSKY P W, FOSCHINI G J, GOLDEN G D, et al. V-BLAST: an architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel[C]. International Symposium on Signals, Systems, and Electronics (ISSSE′98), 1998: 295-300.

[2] GOLDSMITH A, JAFAR S, JINDAL N, et al. Capacity limits of MIMO channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications(JSAC), 2003, 21(5): 684-702.

[3] ALSHAMALI A, QUZA B. Performance of spatial modulation in correlated and uncorrelated nakagami fading channel[J]. Journal of Communications, 2009, 4(3): 170-174.

[4] MESLEH R, HAAS H, AHN C W, et al. Spatial modulation-OFDM[C].11th International OFDM-Workshop 2006(InOWo′06), 2006: 288-292.

[5] JEGANATHAN J, GHRAYEB A, SZCZECINSKI L. Spatial modulation: optimal detection and performance analysis[J]. IEEE Communication Letters, 2008，12(8): 545-547.

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

[7] JEGANATHAN J, GHRAYEB A, SZCZECINSKI L, et al. Space shift keying modulation for MIMO channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2009, 8(7): 3692-3703.

[8] JEGANATHAN J, GHRAYEB A, SZCZECINSKI L. Generalized space shift keying modulation for MIMO channels[C]. IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2008: 15-18.

[9] 樊昌信, 曹麗娜. 通信原理(第6版)[M]. 北京: 國防工業出版社, 2015.

[10] 姚富強. 通信抗干擾工程與實踐(第2版)[M]. 北京: 電子工業出版社, 2012.

A new type of space shift keying modulation combined with convolutional coding

Guo Pengcheng, Zhou Changzheng, Zheng Jiaxiang

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China, Luoyang 471000, China)

In this paper, a new space shift keying modulation scheme combined with convolutional coding is proposed, and three convolutional coding structures are given. Firstly, the transmission model and the convolutional coding structure of the system are introduced. Secondly, the decoding algorithm of antenna detection used in the receiver is analyzed, and the complexity of the receiving algorithm is compared. Finally, the transmission performance of the scheme is simulated and analyzed in the Rician fading channel, and the advantages and disadvantages of the scheme under different convolution coding structures and traditional space shift keying modulation are compared. The results show that the proposed scheme can prove the anti-channel fading performance of the system.

convolutional coding; Rician fading channel; space shift keying

TP918

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.018

郭鵬程，周長征，鄭家祥.一種結合卷積編碼的新型空移鍵控系統[J].微型機與應用，2017,36(19)：62-65,69.

2017-05-12)

郭鵬程(1991-)，通信作者，男，碩士，研究實習員，主要研究方向：通信抗干擾與編碼調制。E-mail: kaka_pc@163.com。