云無線接入網絡中大規模天線空間調制系統的性能研究

陳雨霞

（廣州華夏職業學院信息工程學院,廣東 廣州 510935）

1 引言

多天線MIMO技術是5G通信的關鍵技術之一。在點對點的通信系統中,SM(Spatial Modulation)是近期提出的一種MIMO傳輸方案,SM不僅在每個傳輸時隙采用發射天線發射調制符號,而且利用不同發射天線組也能傳送信息。在每個傳輸時隙空間調制若只選擇一根天線發送信號,則可消除系統的內部信道干擾。接收機檢測信號的復雜度低,不要求發射天線間的同步。在多用戶MIMO（MU-MIMO）云無線接入網絡中,一個基站為多個用戶提供服務:基站配置多根收發共用的天線,用戶配置一根天線,數字單元（DU）完成物理層/中間接入的控制和下行產生發送調制符號流、上行檢測信號的操作,由DU處理的信號通過有線的方式傳輸給無線單元,即DU集中處理分布式無線單元（RU）的信號。該種方式可以實時聯合調度管理基站服務用戶,消除小區內部干擾,由于信號處理在DU進行,無線設備減小了,成本也隨之降低了。為了提高MU-MIMO通信系統的性能,學者做了大量的研究工作,文獻[1]研究了云MU-MIMO網絡中的調制符號傳輸方式,基站選擇用戶及傳輸方式是基于鏈路的可達速率最大化準則。文獻[2-3]提出了一種云無線接入網的傳輸架構來提高無線系統的性能；文獻[4]將預編碼技術用在MUMIMO系統中,提出了“預編碼前”“預編碼后”的兩種調制符

圖1 云無線接入網絡中的空間調制系統方框圖

本文將空間調制技術[5]用于云MU-MIMO系統,提出了云多用戶SM（MU-SM）系統,在瑞利信道下,系統輸入信息均勻分布時推導了互信息,仿真了BER性能,實驗結果表明云無線接入網絡中的大規模空間調制系統能提高系統的誤碼性能和可達速率。

2 云無線接入網絡中的空間調制系統

2.1 MU-SM云無線接入系統信道模型

如圖1所示是MU-SM云無線接入系統方框圖,在MUSM云無線接入系統中,有U個用戶,基站配置Mt根收發兩用的天線,在每個發送傳輸時隙,基站的無線單元（RU,Radio Unit）采用空間調制發射信號:基站按云數字單元DU傳送的信息比特流-Cb=(c1c2…cb)選擇發射天線組a(a∈A, ||A=2b,A?A0,而且發送從云數字單元傳送來的調制符號流每個用戶配置一根收發共用的天線,則基站映射的Mt×1維的發射向量X為:

基站與用戶i之間的信道矩陣為Hi,用戶i收到的信號為yi

式（2）中 Hi的元素 hij(j∈{1,2,…,Mt})服從復高斯分布是高斯噪聲

2.2 MU-SM云無線接入系統的設計

在MU-SM云無線接入系統中,由于采用TDD（時分雙工）,基站已知用戶的信道矩陣Hi,為了保證系統有較大的信噪比,基站按最大比合并接收選擇服務用戶i,即

（3）式中表示求向量的二范數。

圖1中基于DU處理發送信號采用大規模MIMO空間調制無線接入系統中,在每個傳輸時隙,DU處理的用戶信息分為兩部分,一部分是信息比特流,用來選擇發送天線組a,發送天線組a有na根發射天線；另一部分是調制符號流根據2.1節中的系統配置,DU采用M階星座圖映射調制符號流,每個傳輸時隙傳輸的總信息比特數為:b+nalog2M。在云無線接入網絡中,當信噪比一定時,為了提高系統的可靠性,每個傳輸時隙能傳輸的總信息比特數應小于等于信道的互信息,即

收信端根據（2）式按最大似然檢測恢復信息比特流Cb和調制符號流的映射符號X為

其中s∈-S,a∈A。

2.3 MU-SM云無線接入系統的互信息

在2.2節設計的基于DU處理發送信號的MU-SM云無線接入系統中,在每個傳輸時隙,基站信道增益最大準則選擇用戶,基站的大規模MIMO天線與用戶i的單根天線之間形成了MISO系統。設DU輸入MISO的比特流、調制符號流是均勻分布的,則由映射成的發送隨機向量X的概率密度函數（PMD）為而MISO輸出隨機變量Y（I用戶i接收到的信號）由于噪聲的存在是連續隨機變量,信道轉移概率為則輸入變量X與輸出變量YI之間的互信息為

式中E{·}表示統計平均。

2.4仿真實驗

MU-SM云無線接入系統誤比特率仿真曲線圖如圖2所示,MU-MIMO云無線接入系統與MU-SM云無線接入系統每傳輸時隙均傳輸4bit信息,na=1,MU-SM云無線接入系統的配置為Mt=Mr=4,采用QPSK調制,Mt=Mr=2,采用8BPSK調制；MU-MIMO云無線接入系統的配置為Mt=Mr=4,采用BPSK調制,Mt=Mr=2,采用QPSK調制。在瑞利衰落信道下進行仿真實驗,發送隨機向量X服從均勻分布。從圖2中可以得出,在BER=10-2、Mt=Mr=4時,MU-SM云無線接入系統與云MU-MIMO云無線接入系統相比約有10dB的增益。

按上文中MU-SM云無線接入系統與MU-MIMO云無線接入系統的配置進行了兩系統的仿真實驗,互信息仿真曲線圖如圖3所示,得出:當SNR=2dB時,Mt=Mr=4的MU-SM云無線接入系統中,采用QPSK調制的互信息為4bit；而Mt=Mr=4的MU-MIMO云無線接入系統中,采用BPSK調制的互信息為3.93bit。

圖2 誤碼率仿真對比圖

圖3 互信息仿真對比圖

3 結論

本文提出并設計了MU-SM云無線接入系統,在瑞利慢衰落信道下輸入均勻分布時推導了系統的互信息,進行了誤比特率與互信息的仿真實驗,實驗結果表明MU-SM云無線接入系統與現有的MU-MIMO云無線接入系統相比,誤比特率與互信息的性能都有較大的提高。

[1]林云,何豐.MIMO技術原理及應用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]China Mobile.C-RAN:the road to wards green RAN[Z].White Paper,2011.

[3]China mobile research institute.C-RAN:The road towards green RAN [EB/OL]. 2012- 08- 03. http://labs.chinamobile.com/articledownload.php?id=104035

[4]Sangkyu Park,Chan-Byoung Chae,Saewoong Bahk.Before/after precoding massive MIMO systems for cloud radio access networks[J]. Journal Communications and Networks,2013,15(4):398-406.

[5]Di Renzo,M,Haas,H,Grant,Peter M.Spatial modulation for multiple-antenna wireless systems:a survey[J].IEEE Communications Magazine,2011,49(12):182-191.