云無線接入網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模天線空間調(diào)制系統(tǒng)的性能研究

陳雨霞

（廣州華夏職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院,廣東 廣州 510935）

1 引言

多天線MIMO技術(shù)是5G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信系統(tǒng)中,SM(Spatial Modulation)是近期提出的一種MIMO傳輸方案,SM不僅在每個(gè)傳輸時(shí)隙采用發(fā)射天線發(fā)射調(diào)制符號(hào),而且利用不同發(fā)射天線組也能傳送信息。在每個(gè)傳輸時(shí)隙空間調(diào)制若只選擇一根天線發(fā)送信號(hào),則可消除系統(tǒng)的內(nèi)部信道干擾。接收機(jī)檢測信號(hào)的復(fù)雜度低,不要求發(fā)射天線間的同步。在多用戶MIMO（MU-MIMO）云無線接入網(wǎng)絡(luò)中,一個(gè)基站為多個(gè)用戶提供服務(wù):基站配置多根收發(fā)共用的天線,用戶配置一根天線,數(shù)字單元（DU）完成物理層/中間接入的控制和下行產(chǎn)生發(fā)送調(diào)制符號(hào)流、上行檢測信號(hào)的操作,由DU處理的信號(hào)通過有線的方式傳輸給無線單元,即DU集中處理分布式無線單元（RU）的信號(hào)。該種方式可以實(shí)時(shí)聯(lián)合調(diào)度管理基站服務(wù)用戶,消除小區(qū)內(nèi)部干擾,由于信號(hào)處理在DU進(jìn)行,無線設(shè)備減小了,成本也隨之降低了。為了提高M(jìn)U-MIMO通信系統(tǒng)的性能,學(xué)者做了大量的研究工作,文獻(xiàn)[1]研究了云MU-MIMO網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)制符號(hào)傳輸方式,基站選擇用戶及傳輸方式是基于鏈路的可達(dá)速率最大化準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[2-3]提出了一種云無線接入網(wǎng)的傳輸架構(gòu)來提高無線系統(tǒng)的性能；文獻(xiàn)[4]將預(yù)編碼技術(shù)用在MUMIMO系統(tǒng)中,提出了“預(yù)編碼前”“預(yù)編碼后”的兩種調(diào)制符

圖1 云無線接入網(wǎng)絡(luò)中的空間調(diào)制系統(tǒng)方框圖

本文將空間調(diào)制技術(shù)[5]用于云MU-MIMO系統(tǒng),提出了云多用戶SM（MU-SM）系統(tǒng),在瑞利信道下,系統(tǒng)輸入信息均勻分布時(shí)推導(dǎo)了互信息,仿真了BER性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明云無線接入網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模空間調(diào)制系統(tǒng)能提高系統(tǒng)的誤碼性能和可達(dá)速率。

2 云無線接入網(wǎng)絡(luò)中的空間調(diào)制系統(tǒng)

2.1 MU-SM云無線接入系統(tǒng)信道模型

如圖1所示是MU-SM云無線接入系統(tǒng)方框圖,在MUSM云無線接入系統(tǒng)中,有U個(gè)用戶,基站配置Mt根收發(fā)兩用的天線,在每個(gè)發(fā)送傳輸時(shí)隙,基站的無線單元（RU,Radio Unit）采用空間調(diào)制發(fā)射信號(hào):基站按云數(shù)字單元DU傳送的信息比特流-Cb=(c1c2…cb)選擇發(fā)射天線組a(a∈A, ||A=2b,A?A0,而且發(fā)送從云數(shù)字單元傳送來的調(diào)制符號(hào)流每個(gè)用戶配置一根收發(fā)共用的天線,則基站映射的Mt×1維的發(fā)射向量X為:

基站與用戶i之間的信道矩陣為Hi,用戶i收到的信號(hào)為yi

式（2）中 Hi的元素 hij(j∈{1,2,…,Mt})服從復(fù)高斯分布是高斯噪聲

2.2 MU-SM云無線接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在MU-SM云無線接入系統(tǒng)中,由于采用TDD（時(shí)分雙工）,基站已知用戶的信道矩陣Hi,為了保證系統(tǒng)有較大的信噪比,基站按最大比合并接收選擇服務(wù)用戶i,即

（3）式中表示求向量的二范數(shù)。

圖1中基于DU處理發(fā)送信號(hào)采用大規(guī)模MIMO空間調(diào)制無線接入系統(tǒng)中,在每個(gè)傳輸時(shí)隙,DU處理的用戶信息分為兩部分,一部分是信息比特流,用來選擇發(fā)送天線組a,發(fā)送天線組a有na根發(fā)射天線；另一部分是調(diào)制符號(hào)流根據(jù)2.1節(jié)中的系統(tǒng)配置,DU采用M階星座圖映射調(diào)制符號(hào)流,每個(gè)傳輸時(shí)隙傳輸?shù)目傂畔⒈忍財(cái)?shù)為:b+nalog2M。在云無線接入網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)信噪比一定時(shí),為了提高系統(tǒng)的可靠性,每個(gè)傳輸時(shí)隙能傳輸?shù)目傂畔⒈忍財(cái)?shù)應(yīng)小于等于信道的互信息,即

收信端根據(jù)（2）式按最大似然檢測恢復(fù)信息比特流Cb和調(diào)制符號(hào)流的映射符號(hào)X為

其中s∈-S,a∈A。

2.3 MU-SM云無線接入系統(tǒng)的互信息

在2.2節(jié)設(shè)計(jì)的基于DU處理發(fā)送信號(hào)的MU-SM云無線接入系統(tǒng)中,在每個(gè)傳輸時(shí)隙,基站信道增益最大準(zhǔn)則選擇用戶,基站的大規(guī)模MIMO天線與用戶i的單根天線之間形成了MISO系統(tǒng)。設(shè)DU輸入MISO的比特流、調(diào)制符號(hào)流是均勻分布的,則由映射成的發(fā)送隨機(jī)向量X的概率密度函數(shù)（PMD）為而MISO輸出隨機(jī)變量Y（I用戶i接收到的信號(hào)）由于噪聲的存在是連續(xù)隨機(jī)變量,信道轉(zhuǎn)移概率為則輸入變量X與輸出變量YI之間的互信息為

式中E{·}表示統(tǒng)計(jì)平均。

2.4仿真實(shí)驗(yàn)

MU-SM云無線接入系統(tǒng)誤比特率仿真曲線圖如圖2所示,MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)與MU-SM云無線接入系統(tǒng)每傳輸時(shí)隙均傳輸4bit信息,na=1,MU-SM云無線接入系統(tǒng)的配置為Mt=Mr=4,采用QPSK調(diào)制,Mt=Mr=2,采用8BPSK調(diào)制；MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)的配置為Mt=Mr=4,采用BPSK調(diào)制,Mt=Mr=2,采用QPSK調(diào)制。在瑞利衰落信道下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),發(fā)送隨機(jī)向量X服從均勻分布。從圖2中可以得出,在BER=10-2、Mt=Mr=4時(shí),MU-SM云無線接入系統(tǒng)與云MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)相比約有10dB的增益。

按上文中MU-SM云無線接入系統(tǒng)與MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)的配置進(jìn)行了兩系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn),互信息仿真曲線圖如圖3所示,得出:當(dāng)SNR=2dB時(shí),Mt=Mr=4的MU-SM云無線接入系統(tǒng)中,采用QPSK調(diào)制的互信息為4bit；而Mt=Mr=4的MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)中,采用BPSK調(diào)制的互信息為3.93bit。

圖2 誤碼率仿真對(duì)比圖

圖3 互信息仿真對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了MU-SM云無線接入系統(tǒng),在瑞利慢衰落信道下輸入均勻分布時(shí)推導(dǎo)了系統(tǒng)的互信息,進(jìn)行了誤比特率與互信息的仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MU-SM云無線接入系統(tǒng)與現(xiàn)有的MU-MIMO云無線接入系統(tǒng)相比,誤比特率與互信息的性能都有較大的提高。

[1]林云,何豐.MIMO技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2]China Mobile.C-RAN:the road to wards green RAN[Z].White Paper,2011.

[3]China mobile research institute.C-RAN:The road towards green RAN [EB/OL]. 2012- 08- 03. http://labs.chinamobile.com/articledownload.php?id=104035

[4]Sangkyu Park,Chan-Byoung Chae,Saewoong Bahk.Before/after precoding massive MIMO systems for cloud radio access networks[J]. Journal Communications and Networks,2013,15(4):398-406.

[5]Di Renzo,M,Haas,H,Grant,Peter M.Spatial modulation for multiple-antenna wireless systems:a survey[J].IEEE Communications Magazine,2011,49(12):182-191.