空间调制技术研究综述【推荐论文】 .doc
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1、精品论文空间调制技术研究综述周酉,袁东风,张海霞(山东大学信息科学与工程学院,济南 250100)5摘要:MIMO 技术作为下一代无线通信的关键技术之一,可以大幅提高通信系统的信道容 量和频谱效率。空间调制技术作为一种新型的 MIMO 技术,自提出以来便成为热点研究领域之一。本文首先介绍了空间调制技术的概念和原理,分析了这种技术的主要优缺点,之后总 结了近年来的主要研究成果,最后提出了今后空间调制的发展趋势和研究方向,为学者研究10空间调制这一相关领域提供了参考性建议。关键词:无线通信;MIMO 技术;空间调制中图分类号:TN911.3A Survey of Spatial Modulatio
2、n Technology Research15Zhou You, Yuan Dongfeng, Zhang Haixia(School of Information Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250100) Abstract: As one of the key technologies of the next generation of wireless communications, MIMO technology can significantly improve the channel capacity an
3、d spectral efficiency of the communication system. As a new type of MIMO technology, Spatial Modulation (SM) technology20has drawn intensive attention since it is proposed. First, this paper introduces the principles, the advantages and disadvantages of SM. Then, the paper summarizes the main resear
4、ch in recent years. The future trends and research directions of SM are also analyzed, which can be reference for engineers and researchers working in this field.Key words: Wireless Communication; MIMO technology; Spatial Modulation250引言无线通信系统在进入 4G/5G 通信时代之后,人们对无线通信更高速率传输数据的需求 与日俱增,如何改善系统的可靠性和频带利用率
5、成为下一代甚至未来无线通信技术的重要目 标。多输入多输出(MIMO)技术利用多根天线传输多个数据流,在不增加系统带宽的情况30下,可大幅提高通信系统的信道容量和频谱利用率,被认为是下一代无线通信的关键技术之 一1。贝尔实验室提出的垂直 BLAST(V-BLAST)传输方案作为一种空间复用技术,有效的证明了 MIMO 技术的优势2。然而,MIMO 技术也存在一些弊端3:发射天线间需要较高的同步性以达到同时传输数据的要求;多天线同时传输数据时产生较高的信道间干扰,提高 了译码的难度,增加了系统复杂度;多根天线同时工作需要多条射频链路,因而提高了系统35成本与开销。针对上述 MIMO 技术的缺点,R
6、. Mesleh 与 H. Haas 等人提出了一种新的多天线传输方 案,并命名为空间调制(Spatial Modulation, SM)技术4-7。在空间调制技术中,任一时隙只 有一根发射天线处于工作状态来传输数据,其余发射天线静默,发送的信息比特一部分映射 到传统的数字调制星座图上,其余的比特映射到天线序号生成的空间维上。从而,空间调制40完全避免了信道间干扰,不需要发射天线间较高的同步性要求,且任一时隙只需要一条射频基金项目:国家自然科学基金(61271229),高等学校博士学科点专项科研基金(9131110008)作者简介:周酉(1988-),男,硕士研究生,主要研究方向为空间调制技术
7、通信联系人:张海霞(1979-),女,工学博士,教授,硕士生导师,主要研究方向包括通信网络中的跨层 设计、预编码、波形成型技术、空时处理技术、多载波调制技术、宽带移动通信信道建模等. E-mail:- 10 -链路,大大降低了系统的成本,具有很好的科研前景与应用价值。1传统空间调制技术1.1空间调制技术原理与系统模型45图 1 空间调制系统模型Fig.1 Spatial Modulation system model空间调制系统模型如图 1(参考文献8)所示,假设系统中发射天线数为 Nt,接收天线数为 Nr,调制方式采用 MQAM(即调制阶数为 M),b 为每时隙传输的信息比特,x 为空 间调
8、制映射后的传输矩阵。通过空间调制映射方案,b 的一部分映射到传统调制方式星座图50中的某一点,其余比特映射为系统中工作的天线序号,形成空间调制三维星座图。图 2 空间调制星座图(2 发射天线 QAM 调制)Fig.2 Spatial Modulation constellation diagram for Nt=2 and M=4图 2 给出了 2 发射天线 QAM 调制时的三维星座图,从图中可以看出每 3 比特信息分为55一组,前一个比特用来选择发送天线序号,后两个比特用作传统的 QAM 调制。由此可以看 出,调制方式和发射天线数目共同决定了每时隙的传输比特数,为k = log 2 (M )
9、 + log 2 ( N t )(1)由公式(1)可知,在每时隙传输信息比特总数不变(即频谱效率不变)的情况下,可以任意配置传统调制方式和发射天线数目。仍以 3bit/s/Hz 发送信息为例,我们可以选择 460发送天线 BPSK 调制,也可以选择 2 发送天线 QAM 调制,如表 1 所示。65表 1 空间调制 3 比特信息映射表Tab. 1 Spatial Modulation mapping table for 3 bit发送比特Nt=4,M=2Nt=2,M=4天线序号BPSK 映射符号天线序号QAM 映射符号0001-11+1+j0011+11-1+j0102-11-1-j0112+1
10、1+1-j1003-12+1+j1013+12-1+j1104-12-1-j1114+12+1-j从表 1 可以看出,如果发送比特为 011,采用第一种映射方案时,需要第二根发射天线发送符号+1,采用第二种映射方案时,需要第一根发射天线发送符号+1-j。在第一种方案中, 前两比特决定了天线序号,后一比特决定了发送符号;而第二种方案中,前一比特决定了天70线序号,后两比特决定了发送符号。 通过空间调制三维映射,传输矩阵 x 有如下形式:x jq = 00 xq0 0T(2)其中,xq 所处的第 j 列代表第 j 个发射天线用来发送信息,xq 为发送的符号。信道矩阵 H 是 NrNt 维的复数矩阵
11、,矩阵中的元素为均值为 0、方差为 1 的复高斯随75机变量,且是独立同分布的,可记为如下形式:H = h1h2 hN t (3)其中每一向量表示从发射天线 到所有接收天线的信道增益。h 形式为Thn = h1,nh2,n hN ,n (4)r假设信道为平坦瑞利衰落信道,且接收端已知所有的信道状态信息,那么在接收端,接80收天线接收到的信号为y =r h j xq +h(5)其中 为平均接收信噪比, 为加性高斯白噪声,独立同分布且服从均值为 0,方差为1 的随机变量,hj 代表信道矩阵的第 j 列。 由于发送信息比特分别映射到天线序号和调制符号中,因而在系统解调过程中需要分别85检测天线序号和
12、发送符号。文献4首先提出了采用迭代最大比合并(i-MRC)的天线序号估 计算法,通过迭代估计出每一发射天线发送的符号,检测出幅度最大的符号位置作为发射天 线序号,进而,发射天线序号对应的估计发送符号即为调制符号。具体步骤如下:Hg j = h j yj = 1,2, N tT(6)g = g1g g Nt(7)90l= arg max gj(8)xl其中 Q()是星座点量化方程。= Q(g)2j =l(9)如果接收端能够正确估计出天线序号 l部信息比特。和发送符号 x l ,那么就能得到发送端发送的全951001051101.2空间调制技术性能分析图 3 SM、Alamouti、V-BLAST
13、 系统 6 比特传输仿真结果Fig.3 Six bits transmission simulation results using SM, Alamouti, and V-BLAST图 4 SM、Alamouti、V-BLAST 系统 8 比特传输仿真结果Fig.4 Eight bits transmission simulation results using SM, Alamouti, and V-BLAST文献7给出了在理想信道状态信息下频谱效率分别为 6 bit/s/Hz 和 8 bit/s/Hz 的空间调制仿真结果,如图 3 和图 4 所示。空间调制分别采用两种方式,以 Alamo
14、uti 和 V-BLAST 系统 作为比较进行性能分析。从图中可以看出,当 SNR10dB 时,6 比特传输时采用 4 发射天线 16QAM 调 制方式以及 8 比特传输时采用 8 发射天线 32QAM 调制方式的空间调制系统相比 Alamouti 和 V-BLAST 开始具有更好的性能;当 SNR20dB 时,各种方案的空间调制系统性能均超过 了 Alamouti 和 V-BLAST 系统。在 BER=10-3 时,6 比特传输时的空间调制系统比 V-BLAST 系统获得了大约 3dB 的性能增益,而相比 Alamouti 系统获得了大约 10dB 的性能增益;8 比 特传输时,8 发射天线
15、和 4 发射天线的空间调制系统分别比 V-BLAST 系统获得 4dB 和 1dB 的性能增益,且系统性能大大优于 Alamouti 系统。1151201251301351401452传统空间调制技术优缺点分析下面我们简要介绍一下空间调制技术相比于其他 MIMO 技术的主要优缺点9。2.1空间调制技术优点1)由于任一时隙只有一根发射天线发送信息,因而空间调制有效的避免了信道间干扰 和多天线发射的同步性要求,且只需要一条射频链路,大大降低了系统的成本;2)相比 V-BLAST 系统,空间调制接收端不需要连续干扰消除步骤来处理信道间干扰, 具有较低的系统复杂度;3)空间调制技术通过增加空间维,将传
16、统数字调制二维映射扩展为三维映射,在传输 频谱效率相同的情况下,增大了映射星座点的欧式距离,降低了误码率,提高了系统性能;4)空间调制可以在接收天线数目小于发射天线数目的情况下正常工作,避免了部分MIMO 技术对接收天线数目的限制。2.2空间调制技术缺点1)在空间调制系统中,对发射天线数目有限制,要求为 2 的 n 次方,因而最少需要 2根发射天线才能保证系统的正常工作;2)在接收端检测过程中,如果天线序号检测发生错误,那么估计出的调制符号也是毫 无意义的,因而天线序号的检测直接影响了系统性能的好坏,所以空间调制技术接收端需要 掌握完整的信道状态信息以较好的检测天线序号;3)当增加发射天线数目
17、时,相比于 V-BLAST 系统,空间调制系统的频谱效率只能以 对数方式(非线性方式)增长。3空间调制技术发展概述空间调制技术一经提出,即成为无线通信领域最热的研究方向之一,很多学者和课题小 组热衷研究空间调制这一概念在 MIMO 无线系统中的应用,希望获得比现有 MIMO 方案更 好的系统性能,对空间调制技术的理论、算法、系统概念等有了较大程度的扩展,发表了很 多具有建设性价值的文献。下面对空间调制技术的发展状况做一简要的总结。在文献4 中,作者首次提出空间调制的概念,并将其应用于多天线正交频分复用(OFDM)传输系统中,研究表明空间调制技术性能优于 V-BLAST 系统,在 6 比特传输效
18、 率的情况下前者获得大约 3dB 的信噪比增益,在 4 比特传输效率的情况下前者获得大约 4dB 的信噪比增益。在文献5中,作者将之前提出的译码算法正式命名为迭代最大比合并(i-MRC)检测, 通过计算得出空间调制系统的复杂度,与基于最小均方误差(MMSE)的 V-BLAST 系统相 比大大降低了复杂度,清晰的说明了空间调制系统在低复杂度实际应用中的优势。在文献6和文献7中,作者推导出应用于 OFDM 中的空间调制误码率的理论值曲线,仿 真表明理论值和实际值基本重合,从而证明了误码率理论值推导的正确性。此外,研究表明 在莱斯衰落信道下,空间调制系统比 V-BLAST 系统具有更好的鲁棒性。在文
19、献10中,基于对现有空间调制检测算法局限性的分析,作者提出了一种基于归一 化最大比合并(NMRC)的改进算法,并在独立和相关两种信道条件下对空间调制系统性能做了仿真,证明了改进算法的有效性。 在文献8中,作者在适当增加系统译码复杂度的前提下,提出了最优译码算法,此算法150基于最大似然(ML)算法,同时对发射天线序号和调制符号进行检测。具体步骤如下:g jq = h j xq1 j N t1 q M(10)jqpY (y | x, H) = p - N t exp(- | y -r Hx jqF|2 )(11), x = arg max p(y | x, H)llj ,q= arg minj
20、,qYr | g jqjqF|2-2 Rey H gjq (12)155160165170175180185通过仿真,此算法相比于文献4-7提出的迭代最大比合并检测算法增加了大约 4dB 左右的性能增益,更好的说明了空间调制技术在今后无线通信领域中的研究价值。此算法也成为日后 学者研究空间调制技术的首选译码算法。在文献11中,作者基于空间调制的概念和思想,提出了一种新型调制技术,并命名为 空移键控(Space Shift Keying)调制技术。其思想是:在发送端,发送信息比特全部映射到 天线序号上,与空间调制技术一样,每一时隙有且仅有一根发射天线处于工作状态,但发送 端发送相同的数字调制符号
21、;在接收端,只需检测发射天线序号即可解调出所有的信息。空 移键控技术与空间调制技术相比缺少了传统数字调制译码环节,因而比后者有更低的系统复 杂度。作者在文中详细推导了空移键控技术误码率的理论值上界,并将所提方案与传统数字 调制技术、V-BLAST 技术以及空间调制技术相比较,研究表明,空移键控技术在系统性能 方面与空间调制基本相当,且优于 V-BLAST 和传统数字调制技术。文中最后将空移键控技 术与编码相结合,为空间调制技术的研究开拓了新的思路和方向。在文献12中,作者在空移键控调制的基础上充分利用空间资源,引入了空间分集技术, 提出了广义空移键控(Generalized Space Shi
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