Katmanlı kodlamaya dayalı uzaysal modülasyon sistemi tasarımı
Chen Fatang, Zhang Dingquan, Feng Yongshuai
(Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing Mobil İletişim Anahtar Laboratuvarı, Chongqing 400065)
Yeni bir çok antenli iletim şeması olarak, Uzay Modülasyonu (SM), belirli iletim bilgilerini taşımak için giriş bitleri ve iletim anten seri numaraları arasında benzersiz bir şekilde bir eşleştirme ilişkisi oluşturur. Bununla birlikte, bu şema, iletim bitlerini, sistem performansının iyileştirilmesini büyük ölçüde sınırlayan tek katmanlı bir modülasyon modu aracılığıyla eşit olarak dağıtılmış sinyal takımyıldızı noktalarına eşler. Katmanlı kodlama modülasyonu (SCM) teknolojisi, aynı iletim zaman diliminde farklı veri hizmetlerinin farklı hizmet kalitesi (QoS) gereksinimlerini karşılamak ve sistem performansını etkili bir şekilde iyileştirmek için takımyıldız noktası eşlemesinde benimsenir. SCM ilkesine dayalı olarak, düşük karmaşıklıklı bir algılama algoritması önerilmektedir. Simülasyon sonuçları, yeni algoritmanın algılama performansının maksimum olasılığa (ML) yakın olduğunu ve alıcı ucun karmaşıklığının modülasyon sırası ile doğrusal olarak arttığını göstermektedir.
Uzaysal modülasyon; katmanlı kodlama modülasyonu; sinyal algılama; sürekli girişim iptali
TN929.5
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.11.023
Çince alıntı biçimi: Chen Fatang, Zhang Dingquan, Feng Yongshuai.Katmanlı kodlamaya dayalı uzamsal modülasyon sisteminin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (11): 88-91.
İngilizce alıntı biçimi: Chen Fatang, Zhang Dingquan, Feng Yongshuai Kodlanmış süperpozisyona dayalı uzay modülasyon sisteminin tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (11): 88-91.
0 Önsöz
İletişim teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte, insanlar kablosuz iletişim sistemlerinin bilgi aktarım hızı ve hizmet kalitesi için giderek daha fazla gereksinim duymaktadır. Talebi karşılamak için, sistemin spektrum kullanımını ve güvenilirliğini iyileştirmek için etkili önlemler alınmalıdır. Çalışmalar, Multi-Input Multi-Output (MIMO) teknolojisinin, sinyalleri iletmek ve almak için anten sayısını artırarak sistem bant genişliğini ve iletim gücünü artırmadan sistem kapasitesini ve veri iletim hızını etkili bir şekilde artırabileceğini göstermiştir. Ancak anten sayısının artmasıyla birlikte MIMO teknolojisinin de dezavantajları vardır: Bir yandan verici antenler arasındaki senkronizasyon gerekmekte, bu da donanım uygulamasının zorluğunu ve maliyetini büyük ölçüde artırmaktadır; diğer yandan tüm verici antenler aynı frekanstaki sinyalleri aynı anda ileterek antenler arasındaki farka neden olacaktır. Arasında son derece güçlü bir kanal paraziti var. Yukarıdaki eksikliklere yanıt olarak, 2006 yılında, MESELH R ve HAAS H, tek radyo frekansı özelliklerine, antenler arasında düşük parazite ve alıcıya sahip olan yeni bir çok antenli iletim teknolojisi-Uzaysal Modülasyon (SM) şeması önerdi. Sonunda sinyal işleme nispeten basittir ve yavaş yavaş MIMO iletim teknolojisi araştırmalarının sıcak noktalarından biri haline gelmektedir.
Literatür ve literatür, SM şemasının temel fikrini tarif eder, herhangi bir iletim anında yalnızca bir verici anten etkindir ve diğer verici antenler sessiz bir durumdadır.Gönderilen bit bilgisinin bir kısmı, takımyıldız modülasyon diyagramına eşlenir ve kalan bit bilgisi antene eşlenir. İndeks numarasının oluşturduğu uzamsal boyutta. Bu nedenle, SM şeması, kanallar arası paraziti ve çok antenli iletim senkronizasyonunun zorluğunu etkili bir şekilde önler, ancak aşağıdaki eksikliklere sahiptir: Birincisi, literatürdeki modülasyon tekniklerinin tümü, tek katmanlı bir modülasyon modu aracılığıyla MPSK / MQAM konstelasyonu üzerinde bit bilgisini eşit olarak eşler Haritada. Bu takımyıldız diyagramlarındaki sinyal noktaları eşit olasılık dağılımıyla eşit aralıklarla yerleştirilmiştir.Kapasite optimizasyonu perspektifinden bakıldığında, bu mod optimal değildir, bu da SM sisteminin performansını belirli bir dereceye kadar sınırlar; aynı zamanda yüksek hızlı bir sistemde, sistemin kod çözme karmaşıklığı Önemli bir husustur. Literatürdeki ve literatürdeki geleneksel SM sistemi, 2M-ary doğrusal olmayan bit sembol modülasyonunu benimser ve daha sonra sinyal tespiti için Maksimum Olabilirlik (ML) kullanır.Sistem kod çözme karmaşıklığı, M'nin artmasıyla o (2MNr) 'dir. , Karmaşıklık katlanarak artar. Bu nedenle, yüksek sıralı modülasyon şemalarının, yüksek hızlı iletim MIMO sistemlerinde kullanılması zordur.
Yukarıda belirtilen eksiklikler ışığında, bu makale, katmanlı kodlamaya dayalı uzamsal modülasyon (SCM-SM) sistemi olarak adlandırılan, geleneksel SM sisteminin takımyıldız noktası eşlemesi üzerinde Süperpozisyon Kodlu Modülasyon (SCM) teknolojisini kullanır ve bu, büyük ölçüde basitleştirir. Mevcut kod sözcüklerinin yapısı ve kodlama süreci doğrusaldır, alıcı ucun kod çözme karmaşıklığı nispeten azalacaktır ve SM sisteminin etkinliği ve güvenilirliği yarı-statik Rayleigh sönümleme kanalında etkili bir şekilde dengelenebilir.
Geleneksel SM sistemleri, sinyal algılama için ML algoritmalarını, Maksimum Oran Birleştirme (MRC) ve Küre Kod Çözme (SD) algoritmalarını kullanır. ML, tüm kod çizelgelerini dolaşır ve daha düşük bit hata oranı performansı (Bit Hata Oranı, BER) karşılığında sistem karmaşıklığından ödün verirken, nispeten düşük karmaşıklıktaki MRC ve SD algoritmalarının performansı ML'den biraz daha düşüktür. Sistemin karmaşıklığını ve performansını daha iyi dengelemek için, bu makale SCM-SM sistemi altında bir düşük karmaşıklık algılama algoritması önermektedir Sürekli girişim iptal tespiti, takımyıldız alanında ve uzamsal alanda bit bilgisini daha iyi geri yükleyebilir. . Algoritmanın karmaşıklığı temelde kodlama katmanlarının sayısına bağlıdır Katman sayısı L olduğunda, sistem kod çözme karmaşıklığı L ile doğrusal olarak artar. Bu nedenle, katmanlı kodlama modülasyon şeması, yüksek oranlı iletime sahip büyük MIMO sistemleri için uygundur.
1 Katmanlı kodlama modülasyonu ve sistem modeli
1.1 Katmanlı kodlama modülasyonu ilkesi
Kablosuz iletişim sistemlerinde ses, görüntü ve video gibi hizmetlerin Hizmet Kalitesi (QoS) için farklı gereksinimleri vardır. Geleneksel MIMO sistemi, farklı kullanıcıların QoS gereksinimlerini sağlamak için Hibrit Otomatik Tekrar isteği (HARQ) ve İleri Hata Düzeltme (FEC) teknolojisini sunar, ancak bu çözümler sistemin ek kapasite ek yükü sağlamasını gerektirir. Literatürün LTE-A (Long Term Evolution-Advanced) sisteminde, yazar, farklı kullanıcıların QoS'ini sağlamak için SCM teknolojisini kullanır. Aynı zamanda geleneksel SM sistemi, her seferinde bir anteni etkinleştirerek bilgi iletir ve bu da sistem kaynaklarını bir ölçüde boşa harcar. Bu nedenle, bu makale SCM-SM sistemini elde etmek için geleneksel SM sistemini SCM teknolojisi ile birleştirir. Bir yandan farklı hizmetlerin farklı hizmet kalitesi gereksinimlerini karşılarken, diğer yandan MIMO sistem kaynaklarını tam olarak kullanır.
SCM'nin temel fikri, bit bilgisini farklı QoS gereksinimleri ile katmanlamaktır.Yüksek QoS gereksinimleri veya yüksek önceliği olan bit bilgileri, üst katmanda bağımsız olarak kodlanır ve modüle edilir ve düşük QoS gereksinimleri veya düşük öncelikli bilgiler, alt katmanda bağımsız olarak kodlanır ve modüle edilir. Şekil 1, iki katmanlı kodlanmış modülasyon konstelasyon noktası diyagramıdır (4 / 16QAM) İki katmanlı QPSK, bağımsız kodlama ve modülasyon için kullanılır ve bir 16QAM konstelasyon diyagramına eşdeğer olan doğrusal olarak üst üste bindirilir.
Şekil 1'de gösterildiği gibi, gönderilecek bit bilgisi, yüksek QoS gereksinimleri olan ayırıcı aracılığıyla bağımsız kodlama için ilk katmana ayrılır ve şekilde siyah noktalara (QPSK konstelasyon noktaları) eşlenir; düşük QoS gereksinimleri olan veriler, İkinci katman bağımsız kodlama gerçekleştirir ve aynı zamanda karşılık gelen QPSK takımyıldız noktalarına eşlenir. Son olarak, ağırlıklı süperpozisyon yoluyla 4 / 16QAM'a karşılık gelen beyaz takımyıldız noktasına modüle edilir.
1.2 Sistem modeli
Bu makale, Nt verici antenleri, Nr alıcı antenleri ve Na aktif antenleri içeren bir SCM-SM sistem modeli tasarlamaktadır.İletim ucunun sistem blok diyagramı Şekil 2'de gösterilmiştir. İlk olarak, iletilen bit bilgisi iki kısma bölünür, yani takımyıldız noktası modülasyonu ve anten indeksi modülasyonu. Anten indeksi modülasyon kısmı, geleneksel uzaysal modülasyon şeması ile aynıdır ve iletim anında aktif anten indeks numarasını seçmek için kullanılır. Bununla birlikte, takımyıldız noktası modülasyon kısmı literatür ve literatürden farklıdır.Bu tasarım, en iyi sistem performansını elde etmek için onu SCM teknolojisi ile birleştirir.
Şekil 2'den, takımyıldız noktası modülasyon kısmının, L-kanal bit bilgisi elde etmek için modüle edilmiş bitleri seriden paralele dönüştürme yoluyla dönüştürmek için SCM teknolojisini kullandığı görülebilir. Bunlar arasında her kanal bir modülasyon katmanına eşdeğerdir, her katmanın bilgisi aynı kodlayıcı tarafından kodlanır (Turbo kodlama / evrişimli kodlama) ve çıktı dizisi ci'dir. Ci serpiştiriciden geçtikten sonra bi elde edilir ve her katmanın farklı serpiştirme yöntemleri vardır. Amaç, karşılıklı olarak bağımsız kodlanmış bitler elde etmektir. Son olarak, bi, modülasyon sembolü xi'yi elde etmek için karşılık gelen modülasyon yöntemi (QPSK / QAM) aracılığıyla takımyıldız modülasyonunu gerçekleştirir. İletilen bilgi xj, her katmanın modülasyon sembolleri ile ağırlıklandırıldıktan sonra doğrusal olarak üst üste bindirilir.
Formülde, L katman sayısını temsil eder, J her katmanın modülasyon sembolü uzunluğudur, xi modüle edilmiş vektördür ve i i-inci katmanın ağırlık katsayısıdır. Farklı i değerleri, farklı şekil ve performansa sahip takımyıldız diyagramları üretecektir, bu nedenle sistem performansı da çok farklıdır. Literatürdeki hücresel sistemin ağırlıklandırma faktörünün parametre tasarımına göre, burada tasarlanan MIMO sisteminin her katmanının ağırlıklandırma faktörü l denklem (2) 'de gösterilmektedir:
Son olarak, nt anteni etkinleştirilerek xj kablosuz kanala gönderilir. Sistemin yarı statik bir Rayleigh sönümleme kanalından geçtiğini varsayarsak, Hj, Nt × Nr kanal dürtü yanıt matrisini temsil eder ve alıcı uç sinyali:
Şu anda, sistemin iletim hızı, literatürdeki uzaysal modülasyon sisteminden daha yüksektir. İletim hızı R, formül (4) 'te gösterilir ve birim bpcu'dur (kanal kullanımı başına bit).
Mi, i-inci katmanın modülasyon sırasını temsil ettiği ve r, kodlama hızıdır.
2 Sürekli girişim iptal sinyali algılama
Literatürün MRC algoritması ve literatürün SD algoritması, daha düşük sistem karmaşıklığı karşılığında belirli bir sistem performansını feda eder. Makine öğreniminin daha iyi BER performansını dikkate alan bu makale, bu algoritmayı SCM şemasıyla birleştirir ve yeni bir sinyal algılama algoritması olan Ardışık Girişim İptali (SIC) önerir. Sinyalin kodunu çözmek için katman katman girişim iptal yönteminin kullanılmasıyla, algoritma algılama akış diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir.
Denklem (3) 'ten Nt verici antenlerin ve Nr alıcı antenlerin önceki MIMO sistem modeline dayanarak şunları elde edebiliriz:
Denklemdeki (8) s1, birinci katman QAM takımyıldızı noktası kod çizelgesidir ve denklemdeki (9) sL, L katmanı doğrusal süperpozisyondan sonraki takımyıldız noktası kod çizelgesidir. Bu şekilde, sistem karmaşıklığı, modülasyon sırasına göre üslü bir artıştan, katman L sayısıyla doğrusal bir artışa değişir. Son olarak, her katmanın bit bilgilerini {c1, ..., cL} elde etmek için her katmanın kodu bağımsız olarak çözülür.
3 Algoritma karmaşıklığı analizi
Bu makale, algoritmanın algılama karmaşıklığını ölçmek için karmaşık işlemlerin sayısını kullanır. İki karmaşık sayıyı çarpmak 4 çarpım işlemi ve 3 toplama gerektirir. SCM-SM sisteminde. Literatürdeki ML algılama algoritması, 4 (Nt) 2Nr2M × L kompleks çarpımları ve ((3Nt + 7) Nr + 2) Nt2M × L kompleks eklemelerini gerektirir; burada M, her katmanın modülasyon sırasını temsil eder. Bu yazıda önerilen SIC algılama algoritmasının karmaşık çarpma ve karmaşık toplama süreleri aşağıdaki gibidir:
(10) ve (11) denklemlerinden, SIC algılama şemasının sistem karmaşıklığının katman sayısı ile doğrusal olarak arttığı görülebilir. Özellikle, verici ve alıcı antenlerin sayısı aynı olduğunda, daha yüksek R (yani, daha büyük L), önerilen algılama algoritmasının karmaşıklığı o kadar düşük, örneğin, Nt = Nr = 8, Na = 1, r = 1/2 iletim hızı (sırasıyla 5 bpcu ve 6 bpcu), iki algılama algoritması ML ve SIC'nin hesaplama karmaşıklığının karşılaştırması Tablo 1'de gösterilmektedir.
4 Simülasyon analizi
SCM-SM sisteminin performansını doğrulamak için, sistemin BER'i bir ölçüm indeksi olarak kullanılır. Gönderen uç, kodlama oranı 1/2 olan bir (7,5) 8 evrişimli kod kullanır, H kanal matrisinin her bir elemanının ortalama değeri 0 ve varyansı 1 olan karmaşık bir Gauss dağılımına uyduğunu ve alıcı ucun H'nin tamamen farkında olduğunu varsayar. , Farklı modülasyon yöntemlerini ve alıcı-verici antenlerin sayısını düşünün.
Şekil 4, Nt = Nr = 8, Na = 1 ve R = 5 bpcu olduğunda, SCM-SM sisteminin 4 / 16QAM kullandığını ve SM sisteminin 16QAM modülasyonunu kullandığını göstermektedir. Alıcı uç, ML algılama algoritmasını benimser, iki sistemin toplam bit hata oranı (BER), anten indeksi eşlemesi (İndeks) ve modülasyon sembolü (Constellation) Şekil 4'te gösterilmiştir.
Şekil 4'te, SCM-SM sisteminin performans eğrisi her zaman SM sisteminin altındadır.İyi bir kanal ortamı durumunda, SCM-SM sistemi, SM sisteminden yaklaşık 1.4 ila 2.0 dB daha iyidir.
Yüksek hızlı iletim altında SCM şemasının performansını daha da doğrulamak için, iki sistem simüle edilir ve R = 5 bpcu ve R = 6 bpcu'da karşılaştırılır; alıcı uç ML algılama algoritmasına dayanır, simülasyon diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
R, 5 bpcu ve 6 bpcu olduğunda, SCM-SM sistem performans eğrisi her zaman geleneksel SM sistemi performans eğrisinin altındadır. Özellikle sinyal-gürültü oranı 12 ila 17 dB olduğunda bu sistemin performans avantajı daha belirgindir. Son olarak, SCM-SM sistemi altında, önerilen SIC sinyal algılama algoritmasının performansı, literatürdeki ML algoritmasının ayrıntılı performansı ve literatürdeki MRC algoritması ile karşılaştırılmaktadır.
Şekil 6'dan, önerilen tespit algoritmasının BER eğrisinin yaklaşık olarak ML olduğu ve ikisi arasındaki farkın yaklaşık 0.6 ila 1.0 dB olduğu görülebilir. Özellikle R = 5 bpcu'da, 4 / 16QAM modülasyonu kullanıldığında, takımyıldız noktası dağılımı, MRC ile karşılaştırıldığında nispeten dağınıktır, SIC algılama performansını yaklaşık 0.8-1.2 dB artırır; R = 6 bpcu'da 4 / 64QAM modülasyonu kullanarak, takımyıldız noktaları göreceli olarak Yoğun, SIC algılama algoritması, MRC'den yaklaşık 1,4 ~ 1,8 dB daha iyidir.
5. Sonuç
Geleneksel SM sistemi, takımyıldız eşleme için eşit olarak dağıtılmış takımyıldız noktaları kullanır, bu da sistem performansını bir dereceye kadar sınırlar ve sistem, aynı iletim zaman diliminde farklı hizmetlerin QoS gereksinimlerini karşılayamaz. Bu metin, SM sisteminin takımyıldız noktası modülasyonunda SCM teknolojisini benimser, karakteristiğini etkili bir şekilde geliştirir. Düşük karmaşıklıklı bir algılama algoritması önerilmiştir Teorik analiz ve bilgisayar simülasyonu, algılama algoritmasının performansının ML'ye yakın olduğunu ve alıcı ucun kod çözme karmaşıklığının, takımyıldız noktası modülasyon sırası M ile, yani büyük ölçüde doğrusal bir ilişkiye sahip olduğunu göstermektedir. Bu, tespitin karmaşıklığını azaltır. Aynı zamanda çözüm, aynı iletim sembolü altında farklı hizmetlerin farklı QoS gereksinimlerini karşılayabilir ve gelecekteki 5G sisteminin çoklu hizmet gereksinimlerini daha esnek bir şekilde karşılayabilir.Gelecekte yüksek hızlı iletim mobil iletişim sistemi, bu çözümün belirli avantajları vardır ve Gerçek uygulama değeri.
Referanslar
MESLEH R, HAAS H, SINANOVI S, ve diğerleri, Uzamsal modülasyon, Araç Teknolojisi IEEE İşlemleri, 2008, 57 (4): 2228-2241.
RENZO MD, HAAS H, GHRAYEB A. Çok antenli kablosuz sistemler için mekansal modülasyon-Bir araştırma IEEE Communications Magazines, 2011, 49 (12): 182-191.
Zhou Wen, Kai Caihong, Li Xutao. Kusurlu geribildirim kanalına sahip MIMO sistem kapasitesi.Çin'de İletişim ve Ağ Oluşturma (CHINACOM), 20127. Uluslararası ICST Konferansı, 2012.
WU X, RENZO M D, HAAS H. Uzamsal modülasyon için kanal tahmini.Kişisel İç ve Mobil Radyo İletişimlerinde (PIMRC), 2013.
RAJASHEKAR R, HARI KVS, HANZO L. Uzamsal modülasyon sistemleri için azaltılmış karmaşıklıklı ML algılama ve kapasite için optimize edilmiş eğitim IEEE İşlemleri İletişim, 2014, 62 (1): 112-125.
ELDIN A E Z, HAGRAS E A A, ABDEL-KADER H M.Mobil iletişim sisteminde tek kodlu SCM-OFDM'nin performans analizi.Mühendislik ve Teknoloji (ICET), 2014 Uluslararası Konferansı, 2014.
GUO M X, JIA C, SHEN Y H.Kısıtlanmamış kanal altında uzamsal modülasyon sistemi için algılama algoritması.İletişim Teknolojisi (ICCT), 201012. IEEE Uluslararası Konferansı, 2010.
YOUNIS A, RENZO M D, MESELH R, ve diğerleri Uzamsal modülasyon için küre kod çözme.2011 IEEE Uluslararası İletişim Konferansı (ICC), 2011.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
