基于發(fā)射天線分組的廣義空間調(diào)制系統(tǒng)研究與仿真

徐光明，饒 靜，謝文蘭

（廣東培正學院 數(shù)據(jù)科學與計算機學院，廣東 廣州 510830）

廣義空間調(diào)制（Generalized Spatial Modulation，GSM）系統(tǒng)［1-3］作為一種獲得復用增益的MIMO 技術(shù)，備受業(yè)界關(guān)注。在GSM 方案中，由同時激活多根天線的索引組合形成的天線索引矢量攜帶額外索引信息比特，并使用激活的多根天線傳輸不同的數(shù)據(jù)符號（如：QAM/PSK），極大地提高了頻譜利用率。然而GSM 方案攜帶的額外索引信息比特數(shù)僅為比特數(shù)，na和Nt分別代表激活的天線數(shù)目和發(fā)射天線數(shù)目。文獻［4-5］提出了基于星座點插值方法的增強空間調(diào)制（Enhanced Spatial Modulation，ESM）方案，通過天線索引矢量設計和信號星座設計相結(jié)合擴展了天線索引矢量的數(shù)量，提高攜帶額外索引信息的能力。文獻［6］提出了基于多索引的廣義空間調(diào)制（Generalized Spatial Modulation with Multi-Index Modulation，GSM-MIM）方案，其通過兩種星座（QAM 和PAM 星座）與天線索引矢量相結(jié)合，挖掘索引維度，提高了頻譜利用率，并增大發(fā)射符號之間平方最小歐式距離，以增強無線通信的性能。

基于以上研究背景，如何設計一種能夠進一步攜帶更多額外索引信息的技術(shù)方案，已成為當前GSM 方案中的研究熱點。借鑒于ESM 和GSM-MIM 方案中設計思想，本文提出一種基于天線分組的廣義索引調(diào)制（Generalized Spatial Modulation with Transmit Antenna Grouping，AG-GSM）技術(shù)方案。AG-GSM 方案是在PAM 星座和天線索引的基礎上，設計一種狀態(tài)索引，進一步提高攜帶額外信息的能力。首先，設計AG-GSM 方案的系統(tǒng)模型，并在接收端采用最大似然檢測算法恢復原始信息。然后，通過計算機仿真，用蒙特卡洛方法，對AG-GSM 方案進行仿真驗證。最后，與QSM、GSM、ESM、GSM-MIM方案相比較，AG-GSM 方案具有低平均誤比特率，進一步提高了無線通信的可靠性。

1 系統(tǒng)模型

本文所提出的AG-GSM 技術(shù)方案，目的是為了提高攜帶額外索引信息的能力，從而進一步提高頻譜利用率和無線通信的可靠性。

1.1 發(fā)射機模型

AG-GSM 方案中發(fā)射機結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，配備Nt根發(fā)射天線。首先將Nt根發(fā)射天線分為n 組，由此得到每組有根發(fā)射天線，用于發(fā)射矢量信號Sα，α∈｛1，…，n｝，其由數(shù)據(jù)塊Bα，α∈｛1，…，n｝經(jīng)過三個模塊處理并調(diào)制在每組的根發(fā)射天線而得到，其中，三個模塊分別是：天線索引選擇器、PAM 星座調(diào)制器、｛1，j｝狀態(tài)選擇器。

圖1 AG-GSM 方案的發(fā)射機模型

從圖1 可以看出，每個發(fā)射空間矢量符號Sα攜帶三部分信息比特數(shù)的總數(shù)為

由此，一個完整發(fā)射符號時隙內(nèi)傳輸?shù)男畔⒈忍乜倲?shù)，也就是說，一個完整的發(fā)射空間矢量V 攜帶的信息比特總數(shù)（η：bps/Hz）為

為了更好地說明所提出方案的基本原理，通過列表舉例說明，如表1 所示，假設Nt=8，發(fā)射天線被分為四組，每組為兩根發(fā)射天線，采用2PAM 調(diào)制方式，設=［010 101 011 110］。

表1 生成一個發(fā)射空間向量V 的映射表

1.2 信道模型

1.3 基于最大似然檢測算法

在接收端，對狀態(tài)索引IRI、星座點索引信息Is和天線索引信息IAI進行聯(lián)合檢測。最大似然檢測器被用于恢復原始數(shù)據(jù)信息比特，對于AG-GSM 方案來說，最大似然檢測算法準則可以表示為

其中，‖g‖2表示Frobenius 范數(shù)，分別表示對狀態(tài)索引信息的檢測估計值、星座點索引信息的檢測估計值以及天線索引信息的檢測估計值。

2 仿真結(jié)果和分析

在Matlab 環(huán)境下，本文采用蒙特卡洛方法，對上述所提出的AG-GSM 方案進行仿真，并與QSM、ESM、GSM、GSM-MIM 等方案進行誤比特率（Bit Error Rate，BER）性能比較。假設在接收端信道狀態(tài)信息是已知的，且在接收端采用最大似然檢測器恢復原始信息。仿真參數(shù)配置如下：每個發(fā)射符號時隙內(nèi)發(fā)射總功率為1，信噪比（SNR）的取值范圍為3～24 dB，［Nt，Nr］=［8，8］，n=4，η=12，13 bps/Hz，基于參數(shù)（na，）的GSM 方案和基于參數(shù)（a，b，N）的GSM-MIM 方案，注意，GSM-MIM 方案中兩根發(fā)射天線用于調(diào)制PAM 星座符號，其余發(fā)射天線用于調(diào)制QAM 星座符號，na分別表示激活的發(fā)射天線數(shù)量和調(diào)制階數(shù)，a，M 分別表示每個時隙內(nèi)傳輸PAM 星座符號的個數(shù)和調(diào)制階數(shù)，b，分別表示每個時隙內(nèi)傳輸QAM 星座符號的個數(shù)和調(diào)制階數(shù)。

圖2 描述了多種空間調(diào)制技術(shù)方案在η=12 bps/Hz 時BER 性能曲線。從圖2 的仿真曲線可以看到，與采用64QAM 的QSM 方案、采用64QAM 的ESM 方案、基于參數(shù)（2，16）的GSM 方案、基于參數(shù)（1，2，2，4-8）的GSM-MIM 方案相比較，采用2PAM 的AG-GSM 方案具有更低的誤比特率。注意，4-8表示同時調(diào)制4QAM 和8QAM 星座。比如：當誤比特BER=10-3時，所提出的AG-GSM 方案的性能，比QSM 方案優(yōu)于大約9 dB 信噪比增益，比ESM 方案優(yōu)于大約3 dB 信噪比增益，比GSM 方案優(yōu)于大約2.8 dB 信噪比增益，比GSM-MIM 方案優(yōu)于1 dB 信噪比增益。由于AG-GSM 方案的信噪比增益好，理論上，AG-GSM 方案具有更大的兩兩發(fā)射符號之間平方最小歐式距離。這里對其進行分析，在空間調(diào)制系統(tǒng)中，兩兩發(fā)射符號之間最小歐式距離的計算公式為

圖2 ［Nt，Nr］=［8，8］且η=12 bps/Hz 時幾種空間調(diào)制方案的性能比較

圖3 ［Nt，Nr］=［8，8］且η=13 bps/Hz 時幾種空間調(diào)制方案的性能比較

3 結(jié)語

本文充分利用發(fā)射天線空間域，將發(fā)射天線數(shù)進行分組，并通過星座（PAM）符號與天線索引矢量相結(jié)合，提出了一種AG-GSM 方案。在AG-GSM 方案中，除了使用天線索引矢量攜帶額外信息外，同時設計一種狀態(tài)索引用于攜帶額外信息，這樣提高了攜帶額外索引信息比特的能力。從仿真的結(jié)果可以看到，與QSM、ESM、GSM、GSM-MIM 技術(shù)方案相比，AG-GSM 方案由于增大了發(fā)射符號之間平方最小歐式距離，具有更好的BER 性能，進一步提高了無線通信的可靠性。