空間調(diào)制技術(shù)的概念及其意義、發(fā)展

一、空間調(diào)制的概念

空間調(diào)制(SpatialModulation, SM)的基本思想是將信息比特塊映射成兩個(gè)信息攜帶單元。第一部分信息比特從復(fù)合信號(hào)星座圖中選擇符號(hào)，剩余部分信息比特從天線(xiàn)陣列中的發(fā)射天線(xiàn)組中選擇唯一的發(fā)射天線(xiàn)索引，然后將選擇好的符號(hào)通過(guò)激活的唯一天線(xiàn)索引發(fā)射出去。發(fā)射信號(hào)通過(guò)信道到達(dá)接收端以后，接收機(jī)有兩個(gè)任務(wù)必須完成，其一是通過(guò)信號(hào)檢測(cè)算法檢測(cè)出發(fā)射端激活的天線(xiàn)索引。常見(jiàn)的檢測(cè)算法有：迭代最大合并比算法、最大似然算法和最優(yōu)譯碼算法。其二是檢測(cè)出發(fā)射端激活的天線(xiàn)索引后，才能正確解調(diào)出調(diào)制符號(hào)。最后才能正確恢復(fù)出發(fā)射端發(fā)送的信息比特。

二、空間調(diào)制的意義

基于多天線(xiàn)的MIMO技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域發(fā)展迅速。MIMO系統(tǒng)是一種有多個(gè)發(fā)射與接收信道的通信系統(tǒng)，它能夠有效地將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，通過(guò)空間復(fù)用提升系統(tǒng)的傳輸速率。但是MIMO系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問(wèn)題，比如：當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送頻率相同的信號(hào)時(shí)，接收端會(huì)形成強(qiáng)烈的信道間干擾(ICI)；多天線(xiàn)之間的同步很難得到保證；多個(gè)射頻鏈路使MIMO系統(tǒng)成本增大；接收端的接收天線(xiàn)數(shù)目必須要多于發(fā)射天線(xiàn)數(shù)目。SM技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了這些問(wèn)題，SM技術(shù)可以有效避免信道間干擾和多天線(xiàn)發(fā)射同步的問(wèn)題。SM技術(shù)相比于MIMO技術(shù)還有這些優(yōu)勢(shì)：只需要一條射頻鏈路，實(shí)現(xiàn)的成本大大降低；增加了空間維度，從而增大了星座圖上的歐氏距離，降低了誤碼率；接收端的接收天線(xiàn)數(shù)目小于發(fā)射端的天線(xiàn)數(shù)目仍可以正常工作；SM系統(tǒng)每次發(fā)送信息只通過(guò)一根天線(xiàn)，這樣就大大簡(jiǎn)化了收發(fā)端實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。因此，展開(kāi)對(duì)空間調(diào)制技術(shù)的深入研究具有重要的科學(xué)意義。

（上圖來(lái)自：Marco Di Renzo, Ali Ghrayeb, LajosHanzo. Spatial Modulation forGeneralized MIMO _Challenges Opportunities and Implementation，Proceedings of the IEEE Vol. 102, No. 1, January 2014I. ）

三、空間調(diào)制的應(yīng)用

SM作為一種新型的無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它的提出開(kāi)辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，具有廣泛的研究前景。不過(guò)SM仍然有許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)亟待解決，比如：

⑴目前對(duì)SM技術(shù)的研究均假設(shè)在接收端能夠獲得完整的信道狀態(tài)信息，可是在實(shí)際場(chǎng)景中，接收端獲取的為非完整的信道狀態(tài)信息，因此需要利用信道估計(jì)技術(shù)來(lái)獲取信道信息。研究基于信道估計(jì)的SM技術(shù)能夠體現(xiàn)SM技術(shù)在實(shí)際無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境下的應(yīng)用價(jià)值。

⑵如何優(yōu)化SM技術(shù)的星座點(diǎn)，使系統(tǒng)譯碼時(shí)誤碼率最低，從而提升系統(tǒng)的性能。

⑶ SM技術(shù)與編碼調(diào)制技術(shù)相結(jié)合也是一個(gè)研究方向，如在具體結(jié)合Turbo碼、LDPC碼等方面的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

⑷在傳統(tǒng)SM中，發(fā)射端假設(shè)所有天線(xiàn)等功率發(fā)射調(diào)制信號(hào)，在實(shí)際場(chǎng)景中，根據(jù)各子信道增益相應(yīng)分配發(fā)射功率，可以預(yù)見(jiàn)能夠有效改善SM的系統(tǒng)性能。因此，結(jié)合功率分配的SM技術(shù)也是未來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

四、空間調(diào)制的發(fā)展

隨著SM技術(shù)的提出，為有效挖掘多天線(xiàn)系統(tǒng)的空間資源，一系列新的SM技術(shù)被提出。

⑴僅僅通過(guò)天線(xiàn)索引傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)

空移鍵控(Space ShiftKeying, SSK)和廣義空移鍵控(GeneralizedSpace Shift Keying, GSSK)這兩種調(diào)制方式都只依靠天線(xiàn)的索引發(fā)送信息，信息比特不在經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的基帶調(diào)制。不同之處在于SSK在每個(gè)傳輸時(shí)隙只激活一根發(fā)射天線(xiàn)，而GSSK則可以同時(shí)激活多根發(fā)射天線(xiàn)。

⑵與空時(shí)復(fù)用結(jié)合的調(diào)制技術(shù)

為進(jìn)一步挖掘SM系統(tǒng)的空間資源，充分利用多天線(xiàn)技術(shù)的分集增益與復(fù)用增益?？諘r(shí)鍵控調(diào)制技術(shù)被提出，發(fā)射端首先根據(jù)容量最大化等原則，建立空間（天線(xiàn)）與時(shí)間結(jié)合的空時(shí)彌散矩陣集合。其次將發(fā)射端的信息比特分為兩部分，一部分信息比特用來(lái)選擇將要采用的空時(shí)彌散矩陣，另一部分信息比特映射為傳統(tǒng)的基帶調(diào)制符號(hào)，并通過(guò)選擇的空時(shí)彌散矩陣復(fù)用后經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射。

⑶采用正交映射的調(diào)制方案

正交空間調(diào)制擴(kuò)展了SM中映射星座圖，最大化利用了調(diào)制符號(hào)的同相域和正交域。每個(gè)傳輸時(shí)隙，調(diào)制符號(hào)的同相分量和正交分量分別選擇不同的發(fā)射天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)送。相當(dāng)于同時(shí)有兩個(gè)SM的子系統(tǒng)在多天線(xiàn)陣列上發(fā)送，接收端分別檢測(cè)調(diào)制符號(hào)的同相分量和正交分量，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)索引的解映射和符號(hào)的解調(diào)。

⑷采用增強(qiáng)型索引映射的調(diào)制方案

虛擬空間調(diào)制通過(guò)對(duì)MIMO系統(tǒng)信道奇異值分解方式建立虛擬信道。發(fā)射端信息比特通過(guò)并行的不同虛擬信道的索引與調(diào)制符號(hào)共同映射傳輸。

(上圖來(lái)自：D.-T.Phan-Huy,P.Pajusco4,etal.,Single-CarrierSpatialModulationfortheInternetofThings:DesignandPerformance Evaluation by Using Real Compact andReconfigurableAntennas,IEEEAccess, VOLUME7, 2019)

審核編輯：劉清