多天线辅助的空间调制系统性能研究

方泽凯，陈雨霞，杨芷华



多天线辅助的空间调制系统性能研究

方泽凯，陈雨霞，杨芷华

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

为了进一步提高空间调制系统的可靠性，本文提出了不需要额外增加反馈信道信息的多天线辅助空间调制通信系统，在系统输入信息均匀分布、瑞利衰落信道下推导了系统的互信息，进行了误码率的仿真实验.实验结果表明：在通信系统传输速率相同、每时隙收发天线数一致的情况下，当时，多天线辅助的空间调制通信系统比传统的空间调制系统约有的增益.

MIMO；空间调制；互信息；误比特率

多输入多输出（multiple-input multiple-output，MIMO）技术是无线通信领域中一种关键技术[1]. 与传统的单天线无线通信系统相比，MIMO系统可以在不增加发射功率和带宽的情况下，提高通信系统的容量和可靠性. 在传统的MIMO系统中，接收端为了能线性检测出发射信号，接收天线必须大于或等于发送天线，这样导致接收端存在内部信道间干扰（inter-channel interference，ICI），降低了通信系统的可靠性. 最近Mesleh等学者提出了一种空间调制传输技术（spatial modulation，SM）[2-3]，即在每一个传输时隙，SM系统根据发送的信息比特选择的一组天线发送调制符号，即不仅可以通过传统的调制符号传输信息，也可通过选择天线的空间位置传送信息. 在每一个传输时隙，SM系统采用单天线发送调制符号不仅能获得MIMO系统的空间复用增益，而且也能避免ICI.

在MIMO通信系统中，系统的复杂度和成本都随着发射天线的增加而增加. 为了提高误码性能并降低复杂度，文献[4]提出了天线选择技术. 天线选择技术是根据信道状态信息选择具有最大信噪比的路径传输信号，接收端采用最大比合并技术或等增益合并技术降低系统的误码率. 文献[5]为了提高SM系统的误码性能，提出了两种天线选择技术，即基于低复杂度的欧氏距离最优天线选择技术和系统容量最优天线选择技术. 虽然天线选择技术能提高系统的误码性能，但天线选择技术的实施是基于信道信息的反馈技术才能完成，即系统需要反馈电路将信道状态信息（channel state information，CSI）从收信端反馈到发信端.

为了获得MIMO系统的空间复用增益且无内部信道干扰，提高系统误码性能又不需要反馈电路反馈信道状态信息，本文提出了一种多天线辅助的空间调制传输方案（auxiliary antenna for SM，A-SM），推导多天线辅助空间调制传输系统的互信息，并进行误比特率（bit error rate，BER）的仿真.

1 多天线辅助空间调制系统信道

图1是多天线辅助空间调制系统方框图，在多天线辅助空间调制系统中，发信端配置根发送天线，接收端配置根接收天线，采用阶调制星座. 在发信端，由空间调制器产生维的发射向量，接收端收到的维的向量为

2 调制与解调

2.1 调制

如图1所示的多天线辅助空间调制通信系统中，在每个传输时隙，将信源产生的长度为的比特流进行串并转换，分成、两组比特流.比特用来在根天线中选取第根天线发射调制符号，比特在阶调制星座集中映射发射调制符号，将分配给根天线中选取的第根天线和根辅助天线发射. 由比特流映射成的维发射向量为，去掉中的零元素，可以写成，即，即比特流与根天线辅助空间调制系统映射成的发射向量之间的关系可表示为

2.2 解调

3 互信息

根据文献[8]，多天线辅助空间调制系统的输入与输出随机变量之间的互信息为

由式（4）可见，接收端收到的信息量为，随着SNR的增大，互信息逐渐变大，在SNR达到一定值时互信息趋于稳定，达到发送的信息量. 在非编码系统中，这个使互信息趋于稳定的最小SNR值称为香农限. 只有在SNR大于香农限时，该发送方案才可以达到发送信息量.

4 仿真

图2 BER曲线图

5 结论

本文将利用RANSAC(random sample consensus，随机抽样一致)算法对上述空间圆弧拟合方法的拟合精度进行提升。

为了获得MIMO系统的空间复用增益且无内部信道干扰，提高系统误码性能又不需要反馈电路反馈信道状态信息，本文提出了多天线辅助的空间调制系统，推导了该系统的互信息，进行了BER性能仿真实验，实验结果表明：系统传输速率相同、每时隙收发天线数一致的情况下，多天线辅助空间调制系统相对传统的空间调制系统获了较高的分集增益，在误码率时，多天线辅助空间调制系统与SM系统相比约有7.4 dB的增益. 由于本文的研究对象主要是针对辅助天线对通信系统的影响，为了进一步提高通信系统的性能，下一步将结合空时分组编码做进一步的研究.

[1] MIETZNER J, SCHOBER R, LAMPE L, et al. Multiple-antenna techniques for wireless communications-a comprehensive literature survey [J]. Communications Surveys & Tutorials, 2009, 11(2): 87-105.

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

[3] RENZO M D, HAAS H, GRANT M. Spatial modulation for multiple-antenna wireless systems: a survey [J]. Communications Magazine, IEEE, 2011, 49(12): 182-191.

[4] SANAYEI S, NOSRATINIA A. Antenna selection in MIMO systems [J]. Communications Magazine, 2004, 42(10): 68-73.

[5]RAJASHEKAR R, HARI K V S, HANZO L. Antenna selection in spatial modulation systems [J]. Communications Letters, 2013, 17(3): 521-524.

[6] GUO Mingxi, JIA Chong, SHEN Yuehong. Detection algorithm for spatial modulation system under unconstrained channel [C]//2010 12th IEEE International Conference on Communication Technology (ICCT), November 11-14,ICCT, Nanjing: IEEE, 2010: 458-461.

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

[8] GALLAGER R G. Information theory and reliable communication [M]. New York: Wiley and Sons, 1968: 15-16.

[责任编辑：韦 韬]

A Study of the Performance of the Auxiliary Multi-Antenna-Aided Spatial Modulation System

FANGZe-kai, CHENYu-xia, YANGZhi-hua

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

To improve the reliability of the spatial modulation system, an auxiliary multi-antenna- aided space modulation (A-SM) communication system without additional channel feedback information is proposed. The paper derives the mutual information of the system under the conditions of uniform distribution of input information and adopting the Rayleigh fading channel. The simulation results show that an extra gain ofcan be obtained atby the A-SM system compared with the traditional SM system.

multiple-input multiple-output; spatial modulation; mutual information; BER

1006-7302（2015）04-0048-04

TN919.3

A

2015-03-15

方泽凯（1990—）男，广东惠来人，在读硕士生，主要研究方向为无线通信技术；杨芷华，副教授，博士，硕士生导师，通信作者，主要研究方向为无线通信技术.