结合天线选择的空间调制及性能仿真

此可见， 与传统 SM 相比， 当发端天线数目与调制阶 数相同时， BMSM 方案有效地提高了系统的频带利 用率。
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天线选择算法
天线选择技术的核心思想是使收、 发端的射频链
路自适应地转换到天线子集上进行接收或发射。接 收机根据信道状态信息和天线选择算法为发射端选 择出最优的天线子集后， 利用反馈链路通知发射端。 MIMO 系统中的天线选择准则有两种： 一是以最 大化多天线提供的分集增益来提高传输质量； 二是 以最大化多天线提供的容量来提高传输效率 [7]。由 于分组映射空间调制可以看作一种特殊的空间复用 技术， 所以仿真时， 本文以最大化信道容量为准则进 行发射端天线选择。 经典的天线选择算法较多， 如基于相关的选择 算法和 Gorokhov 的递增递减选择算法等。基于相关 的天线选择算法性能较差， Gorokhov 的递增递减选 择算法可以在容量损失较小的前提下大幅降低复杂 度 [8]。所以本文在天线选择时采用 Gorokhov 的递增 递减选择算法。 递减算法主要是针对选择天线数目 L t 较大时的 系统。其基本思想是循环 N t - L t 次， 每次循环去除 一根对信道容量贡献最小的天线， 直至除去 N t - L t 根， 则剩余的 L t 根天线就是选择的天线子集。算法 可以表示为：
kt - m n t
较新颖的一种多输入多输出 （Multi-Input Multi-Output， MIMO） 技术。由于其可有效避免信道间干扰 （InterChannel Interference， ICI） ， 并且不需要收发端同步 装置 （Inter-Antenna Synchronization， IAS） ， 同时能够 实现较高的传输速率和通信质量， 因而成为 MIMO 通信系统的关键技术之一 [1-3]。 SM 的主要思想就是 把输入信息的一部分映射到空域星座图中， 剩余的 一部分映射到数字星座图中。此时， 发送天线不仅 仅是向空间辐射电磁波的装置， 而且携带了一定的 信息。因此与单发多收 （Single-Input Multi-Output， SIMO） 系统相比， SM 具有一定的复用增益。然而， 由于传统的 SM 方案每次仅采用一根发射天线进行 数据传输， 复用增益有限。为了进一步提高空间调 制系统的频带利用率， 本文提出了一种分组映射空 间调制 （Block Mapping Spatial Modulation， BMSM） 方案。在新方案中， 每个时隙激活多个发射天线， 即 激活天线数目 n t > 1 。结合幅度相位调制 （Amplitude Phase Modulation， APM） 和空间复用技术， 每根选中 的天线发射不同的符号， 有效结合空间调制和空分 复用的优势， 极大地提高了系统的传输速率。 同时， 为了进一步提高传输质量， 本文将空间调 制与发端天线选择技术相结合。并在实测的多极化 信道下对其性能进行仿真， 证明了所提方案的有效 性与结合天线选择的优势。
1.天津大学 电子信息工程学院， 天津 300072 2.清华大学 电子工程系， 北京 100084 1.School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2.Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China QU Qianqian, ZHENG Jianfeng, CHEN Weigang, et al. Spatial modulation with antenna selection and performance simulation. Computer Engineering and Applications, 2012, 48 （17） ： 99-104. Abstract： A Block Mapping Spatial Modulation （BMSM）scheme is proposed. Multiple antennas are activated at any one time instant. Besides the information bits transmitted by the active multiple antennas with the amplitude and/ or phase modulation techniques, some other information bits are carried by specifically activated antenna indices. Compared with the conventional Spatial Modulation （SM）technique, the proposed scheme can increase the spectral efficiency of conventional SM system effectively. The simulation results in the Rayleigh fading channel exhibits that the Bit Error Rate （BER）performance of the proposed scheme is better than those of original SM and MIMO multiple antennas techniques. Combined with the transmit Antenna Selection （AS） technology, the communication quality can be further improved. The measurement and simulation results in actual multi-polarization MIMO channel under the condition of the same number of selected transmit antenna show that the BMSM scheme behaves better than traditional SM, the performance of modulation system combined AS outperforms system without combining AS. Key words： spatial modulation; antenna selection; block mapping; multi-polarization channel 摘 要： 提出了一种分组映射空间调制方案。每个时隙中有多个发射天线被同时激活， 结合幅度相位调制技
基金项目： 国家重点基础研究发展规划 （ 973 ） （ No.2007CB310605 ） ； 国家自然科学基金 （ No.61002010 ） ； 天津大学种子基金 （ No.60302022 ） 。 作者简介： 曲倩倩 （1986 —） ， 女， 硕士生， 研究方向： MIMO 系统中的空间调制技术； 郑剑锋， 男， 博士， 研究方向： 阵列信号处 理、 MIMO 信道建模等； 陈为刚， 男， 副教授， 硕士生导师， 研究方向： 通信理论与系统、 射频、 天线与电波传播、 无线网 络与物联网； 王安国， 男， 教授， 博士生导师， 研究方向： 通信系统理论、 天线理论与设计、 射频电路分析与设计。 E-mail： qqqu@tju.edu.cn 收稿日期： 2011-11-18 修回日期： 2012-02-20 DOI： 10.3778/j.issn.1002-8331.2012.17.020
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2012， 48 （17）
Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
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引言
空间调制 （ Spatial Modulation， SM ） 是近几年来比
个比特采用分组映射， 即把比特数目 kt - m 平均分成 等长的 n t 组， 即每组分别经过 M-阶 ( M = 2
H q̂ = arg min hq (I Nr + q
2
分组映射空间调制
假设系统的发射天线数为 N t ， 调制时每个时隙
激活的天线数目为 n t (n t < N t) 。 传统空间调制 (n t = 1) 就是发端按照一定的映射 规则， 激活 N t 根发射天线中的一根并用来发送经过 数字星座调制的信息， 其余天线均不发射符号。至 于哪根天线被 “选中” 是由输入信息比特决定的 系统每符号传输的比特数可以表示为：
Es HH H)-1h q N0
（3）
Hale Waihona Puke Baidu
h q 为信道矩阵 其中 q̂ 为选择出的最差的天线序号， H 的第 q 列矢量， E s 表示符号平均功率，N0 表示噪
声平均功率。 当选择天线数目 L t 较小时， 可以采用递增算 法。即循环 L t 次， 每次循环选出一根对信道容量贡
曲倩倩， 郑剑锋， 陈为刚， 等： 结合天线选择的空间调制及性能仿真
) 数字星
座映射后形成 n t 个符号； 然后将 n t 个符号依次映射到
n t 根激活的天线， 选中的天线序号按照从小到大的顺 n t 个符号在 n t 根天线上并行发射。 序排列。因此，
根据映射规则， 系统每符号传输的比特数可以 表示为：
ê æ N t öú ̂ BMSM = m + n t ´ lb M = ê m êlbç n ÷ú ú + n t ´ lb M （2） ë è t øû × 表示小于或者等于被操作数的最大整数。由 其中 ëû
术， 每根选中的天线发射不同的符号， 并且所激活的特定天线序列也携带相应信息。相对传统空间调制技术 而言， 该方案可以有效地提高空间调制系统的频带利用率和传输速率。Rayleigh 衰落信道的仿真结果表明， 所 提方案的误比特率 （Bit Error Rate， BER） 性能优于传统的空间调制与多输入多输出 （Multi-Input Multi-Output， MIMO） 技术。方案可进一步结合发射天线选择 （Antenna Selection， AS） 技术， 提高系统的传输质量。实际多 极化 MIMO 信道的测量和仿真结果表明， 在发端天线选择数目均相同时， 分组映射调制的性能明显优于空间 调制， 结合 AS 的调制系统性能明显优于未结合 AS 的系统。 关键词： 空间调制； 天线选择； 分组映射； 多极化信道 文章编号： 1002-8331 （2012） 17-0099-06 文献标识码： A 中图分类号： TN911.3
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⦾网络、 通信、 安全⦾
结合天线选择的空间调制及性能仿真
曲倩倩 1， 郑剑锋 2， 陈为刚 1， 王安国 1 QU Qianqian1, ZHENG Jianfeng2, CHEN Weigang1, WANG Anguo1
̂ SM = lb N t + lb M m
[4-6]
。
（1）
其中 M 为调制阶数。 分组映射空间调制是将待发送信息中的一部分 映射为 n t ( > 1) 根天线构成的组合， 将剩余部分采用分 组映射， 映射到数字调制星座图。假设输入信息为
b = [b1 b 2 b m b kt] ， 前 m 个比特映射到由 n t ( > 1) æ Nt ö 根天线组成的组合中， 其中 m £ lbç ÷ ； 剩余的 kt - m è nt ø
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献最大的天线， 直至选出 L t 根， 即为选择的天线子集[9]。
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结合天线选择的分组映射空间调制
天线选择技术可以在发射端或接收端选出最合 适的天线子集， 在保证通信系统性能的同时， 大大降 低了系统的硬件成本。本文将天线选择与空间调制 相结合， 既有效利用了天线选择的优势同时也实现 了空间调制的复用增益。