多用户下行链路使用广义空间调制的方案

陆克思，姚建国,b

(南京邮电大学 a.通信与信息工程学院; b.江苏省无线通信重点实验室，江苏 南京 210003)

多用户下行链路使用广义空间调制的方案

陆克思a，姚建国a,b

(南京邮电大学 a.通信与信息工程学院; b.江苏省无线通信重点实验室，江苏 南京 210003)

针对多用户多输入多输出系统，讨论了一种多用户下行链路使用广义空间调制传输多用户信号的方案。该方案利用广义空间调制(Generalized Spatial Modulation，GSM)技术，发送端和接收端均不需要知道信道状态信息，系统结构比较简单。同时，能有效消除信道间干扰，获得较优的系统性能。仿真分析表明，该方案在克服传统多用户MIMO系统缺点的同时，能获得较低的系统误码率。

广义空间调制；多用户；下行链路；平均误码率

1 空间调制技术

众所周知，多天线技术作为提高频谱效率和传输可靠性的有效手段已经应用于多种无线通信系统，大规模MIMO技术更被作为第五代移动通信系统的关键技术之一被广泛研究[1]。空间调制[2-4](Spatial Modulation，SM)是一种新型MIMO技术，使传输信息比特和每个天线序号之间建立一对一映射关系，利用发送天线的位置携带了一些信息。空间调制可以完全消除信道间的干扰，同时不需要发送天线间的同步，并且可以获得较高的频谱效率。

传统空间调制的一个缺点是，发送天线的数目必须是2的倍数，为了克服这个缺点，提出了广义空间调制(GSM)的技术。与传统空间调制的每个时隙只使用一根发送天线不同，广义空间调制技术在每个时隙有多根发送天线被激活，被激活的天线是根据输入的数据流确定的。同时，广义空间调制采用发送天线组合，获得比传统空间调制更好的频谱效率。

传统的下行链路多用户MIMO系统中，可以通过预编码的方法消除用户间的干扰[5-7]，而天线间的干扰则是通过接收端的用户检测算法进行消除的。论文提出的在多用户下行链中使用广义空间调制的技术，不仅可以消除多用户MIMO的缺点，又克服了传统空间调制发送天线数必须是2的倍数的限制。在系统的输入比特数大于用户数的前提下，多用户MIMO系统中下行链路采用广义空间调制技术，系统结构简单，可以获得较优的系统性能。但该方案的传输速率较低，该方案特别适合使用于下行广播信道中。

2 系统模型

考虑一个基站向K个独立用户同时传输数据的多用户MIMO下行链路，如图1所示。该系统中，发送端基站配有Nt根发送天线，每个用户配置相同的接收天线数Nr。所需传输的数据经过映射器，从选择的Nu根天线发送，基站到每个用户的MIMO信道为Nr×Nt矩阵Hi。在该系统图中，每个时隙选择的天线数2。

图1 下行链路使用GSM方案的系统框图

该系统可以传输的比特数为

(1)

2.1 信号传输

结合图1的系统框图，设输入系统的比特流为x=[x1,x2,…,xk]，经过MU-GSM(Multiuser-GSM)映射器的映射，生成的发送符号为s=[0,0,sj,q,…,0]，其中j表示每个时隙选择的发送天线，q为M-QAM星座图中的第q个星座点。在发送符号向量s中，只有被选择天线的元素不为0，其他元素都为0。表1显示了，当用户数K=4，发送天线数 Nt=5的系统映射方案。该方案中每个时隙选择发送天线数Nu=2，根据式(1)，每个时隙发送天线的组合可以传输3bit，则可以采用BPSK调制传输剩余的1bit。

表1 MU-GSM的映射关系

输入比特流天线组合传输符号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]

设发送的符号向量为s，则第i个用户的接收符号向量为

yi=His+zi

(2)式中：yi表示第i个用户接收到的信息；Hi表示第i个用户的传输信道矩阵，Hi中的各项是均值为0、方差为1的独立同分布的复高斯随机变量。zi是均值为0、方差为σ2的复高斯加性噪声。

2.2 信号检测和判决

接收信号的检测判决分成两部分进行，判决流程如图2所示。

图2 接收信号检测和判决流程图

2.2.1 最大似然检测算法

第一阶段的目标是估算出所选择的发送天线位置j和M-QAM中的星座点q。为了获得最优的系统性能，用户检测算法采用最大似然检测算法。假设信道的输入是等可能的，根据最大似然准则，可以找出使得接收信号y和hisj,q之间的欧氏距离最小的发送天线和星座点。

(3)

其中

(4)

2.2.2 判决各个用户的接收比特

3 性能分析

对该多用户系统的性能分析可以借用单用户广义空间调制[8]系统下得到的一些结论。在单用户下根据联合边界条件，可以得到平均误码率

(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)为正规不完全Beta函，即

(13)

在下行链路多用户的情况下，根据用户数K，引入了误码率因子α，结合式(5)和式(11)，得到多用户条件下的平均误码率边界条件

(14)

α的值为

(15)

其中，K表示系统的用户数。

4 数值分析与仿真

上一部分主要是对MU-GSM系统的性能进行了理论分析，这部分主要对MU-GSM系统的平均误码率进行数值仿真，并对比理论分析结果。同时，和传统多用户MIMO传输系统使用的线性预编码方案进行比较。分别对采用迫零线性预编码(Zero Forcing， ZF)(即信道反转预编码(Channel Inversion， CI))、最小均方误差线性预编码(Minimum Mean Square Error， MMSE)、块对角化算法(Block Diagonal， BD)[9-12]等进行分析，在信噪比在0～30 dB范围内用MATLAB进行了仿真。

如图3所示的是用户数K=4的情况。MU-GSM系统采用Nt=5，Nu=2的天线组合和BPSK调制方案，用户的接收天线Nr=2。为多用户ZF、MMSE、BD预编码系统的发送端配置4根天线，每个用户配置2根接收天线，同样发送端采用BPSK调制方式。从图3中可以看出，数值仿真得到的结果和前面的理论推导出的平均误码率结果非常接近。同时，可以看出，采用MU-GSM的系统的平均误码率明显低于采用传统的ZF、MMSE和BD预编码MIMO的系统误码率。从仿真图3中可以看出，随着信噪比的增大，对于MU-GSM系统在平均误码率方面的优势越大。具体分析，从15～25 dB段可以看出，MU-GSM系统和系统性能最差的ZF预编相比，达到同样的平均误码率，MU-GSM有10 dB左右的优势，和BD预编相比，也有将近5 dB左右的优势。

图3 4用户MU-GSM系统与线性预编码系统的仿真结果

图4中所示的是6用户情况下的系统平均误码率的仿真图。发送端采用Nt=7，Nu=2天线组合和BPSK调制方案，用户接收天线Nu=2。ZF，MMSE，BD预编码方案采用4用户时的配置。对比图3和图4可以看出，在用户数增加的同时，MU-GSM可以灵活地通过配置发送天线数，同样获得比传统多用户MIMO线性预编码系统更好的系统性能，在相同的信噪比下获得较低的平均误码率。

图4 6用户MU-GSM系统与线性预编码系统的仿真结果

5 系统复杂度分析

MU-GSM系统不用考虑天线间的干扰，系统的发送端和接收端都无需知道信道状态，因此相对于传统多用户MIMO线性预编码系统而言，MU-GSM系统具有较简单的系统结构。MU-GSM主要的复杂度体现在用户的检测算法上。在这里，分析系统复杂度采用的准则是用户检测算法所需的复数运算的次数。

为了获得较好的系统性能，本文中的MU-GSM采用了最大似然检测算法。结合式(9)分析，考虑星座点数为M，发送天线数为Nt，接收天线为Nr的MU-GSM系统。根据分析，计算接收信号与发送信号之间的距离(范数操作)需要的复数运算的次数为2NtM，而找出当中最小的距离需要的复数运算次数为NtM，最后考虑接收的天线数，则系统总的复数运算次数为

SUM=3NtNrM

(16)

表2显示的是MU-GSM系统采用BPSK调制，即星座点数M=2时，MU-GSM系统采用最大似然检测算法需要的复数运算的次数随用户数、发送天线数、接收天线数之间的关系。

表2 MU-GSM系统M=2时复杂度分析

用户数K发送天线Nt接收天线Nr复数运算次数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

根据表2分析可以看出，MU-GSM系统的复杂度随用户数、发送天线数、接收天线数等因数的增长，所需的复数运算次数呈现快速增长的趋势。具体分析，这里假设星座点数M=2 保持不变，所需复数运算次数随发送天线数、接收天线数线性增长。因多用户体现出的复杂度，主要是在星座点判决时，所以系统的复数运算次数随用户数的增加而M的幂次方增加。从表中可以看出，MU-GSM的最大似然检测算法的复杂度较高，因此，可以在兼顾系统性能的同时，采用一些低复杂度的用户检测算法[13-14]。

6 结束语

本文给出了一种在系统的传输比特流大于用户数时，在多用户下行链路中使用广义空间调制(MU-GSM)的方案。并根据单用户条件下的系统平均误码率推算出多用户条件下系统平均误码率的情况，给出了平均误码率上边界公式。并对多用户下行链路中使用广义空间调制方案进行了系统仿真，仿真结果表明，该方案可以获得较低的平均误码率，并且在相同的用户数下，可以获得比传统多用户MIMO系统线性预编码算法更好的系统性能。虽然MU-GSM采用最大释然检测算法可以获得最优的系统性能，但是同时给系统带来较高的复杂度。因此，可以考虑低复杂度的多用户检测算法来消弱MU-GSM系统的复杂度。

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学：信息学，2014，44(5)：551-543.

[2] MESLEH R，HAAS H，AHN C W，et al.Spatial modulation[J].IEEE Trans. Vehicular Technology，2007，57(4)：2228-2241.

[3] 唐骞.基于空间调制的多天线传输技术研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[4] XIAO Yue， LI Xiaxiao， LI Lindan. Spatial modulaiton for 5G MIMO communications[C]//Proc. 19th International Conference on Digital Signal Processing (DSP).HongKong：IEEE Press，2014： 847-851.

[5] 姚冰心，胡爱群.一种适用于下行多用户MIMO信道的预处理方法[J].电路与系统报，2010，15(1)：90-95.

[6] 王悦超.多用户MIMO关键技术的研究[D].北京：北京邮电大学，2013.

[7] LOVE D J， HEATH R W Jr. Multi-mode precoding for MIMO wireless systems[J]. IEEE Trans. Signal Processing，2005，10(53)：3674-3687.

[8] YOUNIS A，SERAFIMOVSKI N，MESLEH R，et al. Generalised spatial modulation[C]//Proc. 44th Asilomar Conference on Signals.Systems and Computers.Pacific Grove，CA：IEEE Press，2010：1498-1502.

[9] PEEL C B，HOCHWALD B M，SWINDLEHURST Y A L. A vector perturbation technique for near capacity multiantenna multiuser communications[J]. IEEE Trans. Communications, 2005, 53(1)：195-202.

[10] HAUSTEIN T，HELMOLT C V，JORSWIECK E. Performance of MIMO systems with channel inversion[C]//Proc.55th IEEE Vehicular Technology Conference.[S.l.]：IEEE Press，2002：35-39.

[11] 刘阳. 多用户MIMO系统中预编码和干扰对齐技术研究[D].重庆：重庆大学，2013.

[12] 孙丽红. 多用户MIMO系统线性预编码及天线选择技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[13] 何龙桩，王劲涛，潘长勇.扩展空间调制技术的低复杂度检测算法[J].电视技术，2014，38(11)：134-136 .

[14] YUE X，ZONG F Y，LI L D. Low-complexity signal detection for generalized spatial modulation[J].IEEE Communications Letters，2014，18(3)：403-406.

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

【本文献信息】陆克思，姚建国.多用户下行链路使用广义空间调制的方案[J].电视技术,2015，39(20).

陆克思(1989— )，硕士生，主研移动通信与无线技术；

姚建国(1965— )，硕士生导师，主要研究方向为移动通信理论与关键技术。

责任编辑：闫雯雯