基于正交空间调制的多天线中继MIMO系统性能研究

杨芷华，黄丽美

（五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529020）

空间调制（Spatial Modulation，SM）[1]不仅能利用调制信号传输信息，还能利用天线的空间位置传输信息，因此成为人们关注的传输方案.正交空间调制（Quadrature Spatial Modulation，QSM）[2]是一种新型的空间调制技术，它能通过消除信道的相关性来提高MIMO通信系统的性能[3-5].正交空间调制是在每个传输时隙把一组信息比特流分成三部分，一部分根据采用的调制方式映射成相应的M-QAM调制信号，另外两部分分别用来映射发送调制信号实部与虚部的天线位置.在无线通信网络中，中继传输方式能延伸无线覆盖范围[6]，能提高无线网络的可靠性[7]，为了提高中继MIMO通信系统的传输性能，一些学者研究了基于正交空间调制的中继MIMO系统，并与传统空间调制的中继MIMO系统进行了误码性能比较.如，文献[8]在多中继无线通信系统中研究了基于正交空间调制的多中继AF-MISO通信系统；文献[9]为了提高收发间有直达路由的无线中继系统的误码性能，研究了基于正交空间调制的DF-MISO通信系统；文献[10]研究了译码转发协议下基于正交空间调制的双向中继协作通信系统误码性能.但是，这些研究基于的中继节点都是单天线的，而在中继节点配置多根天线时，可以与收发端的多根发射天线和接收天线形成多个相对独立的无线信道，使系统在传输速率一定时，频谱利用率和传输可靠性得到明显的提高.因此，本文设计并研究了中继节点采用多天线的基于正交空间调制的AF-MIMO、DF-MIMO通信系统，并和文献[11]传统空间调制的中继MIMO系统进行了比较，以期找到进一步提高无线中继MIMO系统性能的方案.

图1 多天线无线中继MIMO通信系统方框图

1 多天线无线中继MIMO通信系统

图1所示为多天线无线中继MIMO通信系统方框图，源节点S、中继节点R和目的节点D分别配有NS、NR和ND根天线，节点S、R间构成NR×NS维信道矩阵H，节点R、D间构成ND×NR维信道矩阵G.H、G分别表示为：

在图1所示的系统的一个传输时隙，节点S、R和节点R、D间均采用正交空间调制传输方案，且整个通信过程分成两个阶段：第一阶段是源节点S向中继节点R发送信号；第二阶段是中继节点R将接收的信号按照一定的方式处理，再转发给目的节点D.

2 多天线正交空间调制

和Nr根接收天线.在每个传输时段，正交空间调制将信源产生的长度为的二进制信息比特流c分成长度为b1=log2（M）、b2=log2（Nt）及b3=log2（Nt）的cb1、cb2和cb3三部分（即c=（cb1cb2cb3））.长度为b1的信息比特流cb1在M-QAM调制的星座符号集S=｛s1,s2,…,sM｝中映射成调制信号s=sre+jsim(s∈S)；长度为b2、b3的信息比特流cb2、cb3分别用来在Nt根发送天线中选择第ai根、第aj根天线发射sre和sim（ai,aj∈{1,2,…,Nt} ）.根据ai、aj的映射形成的Nt维发送向量x有以下两种情况：

发送向量x经由Nr×Nt维的信道矩阵H到达接收端，接收端接收到的Nr×1维信号y为：

假设接收端已知信道矩阵H，根据H和接收到的向量y，采用最大似然检测算法可检测出并恢复成为长度b的比特流

图2 正交空间调制系统方框图

3 正交空间调制的多天线中继MIMO系统

3.1 QSM-AF-MIMO

按图1设计多天线中继网络基于正交空间调制的放大转发传输方案（QSM-AF-MIMO）.在每个传输时隙的第一阶段，源节点S的信息比特流按照正交空间调制传输方案产生的发射向量x，由传输信道到达中继节点R，形成NR×1维的yS,R：

式中nS,R的NR个元素与式（4）中n的元素分布相同，即

在第二阶段，按文献[8]，中继节点R采取AF传输方式，将yS,R形成向量AyS,R（A为中继节点的放大因子）发射，节点D接收到经无线信道传来的AyS,R形成的ND×1维信号向量yR,D为：

截至2014年，D市共有20家上市公司，基于锐思数据库中的财务数据计算得知其城市平均投资回报率为9.59%。Y市只有1家上市公司，因此，把银行贷款的基准收益率8%作为其平均投资回报率。由统计年鉴得知D市2013年的水上运输业的投资额最大，为73.6亿元，把它作为D市港口投资的上限。同样得知Y市的港口投资上限为15亿元。

同理，假设已知信道矩阵H和G，节点D根据H和G以及接收到的信号yR,D，再由式（6）可检测出并恢复成长度为b的比特流

3.2 QSM-DF-MIMO

按图1设计多天线中继网络基于正交空间调制的译码转发传输方案（QSM-DF-MIMO）.源节点S与中继节点R配置的天线数分别为NS、NR，调制符号星座分别为且有：在每个传输时隙的第一阶段，从源节点S到中继节点R间的通信方式与QSM-AF-MIMO系统的相同，中继节点R收到yS,R后，对yS,R按式（6）检测恢复长度为b的比特流cR.

在每个传输时隙的第二阶段，中继节点R将恢复的长度为b的比特流cR再按正交空间调制方式形成发射向量xR.xR经中继节点R与目的节点D之间的ND×NR维信道矩阵G传到目的节点D，节点D接收到的ND×1维信号yR,D为：

式中的nR,D与式（8）的相同.

yR,D按式（6）检测出并恢复b长度的比特流cD：

4 仿真实验

对QSM-AF-MIMO、QSM-DF-MIMO系统进行了实验仿真.系统配置为：NS=4，ND=4，NR=1,2,4.

图3 QSM-AF-MIMO与SM-AF-MIMO的误码曲线图

4.1 QSM与SM的对比实验

在QSM-MIMO与SM-MIMO的对比实验中，因为每次传输的比特数是一定的，即且系统天线配置也是一定的，所以SM-MIMO系统需要在天线数与传输比特数一定的情况下，选择合适的MSM-QAM调制方式满足以上公式.仿真实验中，QSM采用4QAM调制方式，SM根据以上公式需采用16QAM调制方式.

4.1.1 QSM-AF-MIMO通信系统

图3所示是QSM-AF-MIMO系统仿真曲线图.当BER=10-3，中继节点NR=1时，基于正交空间调制的AF-MIMO系统与文献[11]中基于传统空间调制的AF-MIMO系统相比，误码性能约有1.5 dB的增益；在中继节点为2和4时，QSM-AF-MIMO系统与SM-AF-MIMO系统相比，误码性能分别约有1.8 dB和2 dB的增益.

4.1.2 QSM-DF-MIMO通信系统

图4所示是QSM-DF-MIMO系统仿真曲线图，由图可知，当BER=10-3，QSM-DF-MIMO系统与基于传统空间调制的DF-MIMO系统相比，在中继节点NR为1、2和4时，误码性能分别约有0.7 dB、1.6 dB和3 dB的增益.

图4 QSM-DF-MIMO与SM-DF-MIMO的误码曲线图

4.2 QSM下，AF协议与DF协议的对比实验

图5所示为QSM-AF-MIMO与QSM-DFMIMO系统在中继系统节点R不同时的误码曲线图.从仿真曲线可知，当BER=10-3，NR=1时，DF-MIMO系统与AF-MIMO系统的误码性能没有太大差异；NR=2和4时，DF-MIMO系统的误码性能比AF-MIMO分别约有2.1 dB和5.7 dB的增益.

图5 不同天线数时，QSM-AF-MIMO与QSM-DF-MIMO的误码曲线图

5 结论

本文设计的QSM-AF-MIMO与QSM-DFMIMO系统，经误码性能仿真实验表明：基于正交空间调制的中继MIMO系统的误码性能优于基于传统空间调制的中继MIMO系统，且随着中继节点天线数的增加，系统的误码性能愈优异；在无线中继MIMO系统天线配置相同时，QSM-DF-MIMO系统性能优于QSM-AF-MIMO系统.本研究表明，正交空间调制技术和中继节点天线数的增加能够提高系统的误码性能.下一步将从更换调制方式与中继传输协议的角度来改进系统性能.