空間調制技術的概念及其意義、發(fā)展

一、空間調制的概念

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

二、空間調制的意義

基于多天線的MIMO技術在無線通信領域發(fā)展迅速。MIMO系統(tǒng)是一種有多個發(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，通過空間復用提升系統(tǒng)的傳輸速率。但是MIMO系統(tǒng)在實際應用中存在一些問題，比如：當發(fā)射天線同時發(fā)送頻率相同的信號時，接收端會形成強烈的信道間干擾(ICI)；多天線之間的同步很難得到保證；多個射頻鏈路使MIMO系統(tǒng)成本增大；接收端的接收天線數目必須要多于發(fā)射天線數目。SM技術的出現在一定程度上解決了這些問題，SM技術可以有效避免信道間干擾和多天線發(fā)射同步的問題。SM技術相比于MIMO技術還有這些優(yōu)勢：只需要一條射頻鏈路，實現的成本大大降低；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；接收端的接收天線數目小于發(fā)射端的天線數目仍可以正常工作；SM系統(tǒng)每次發(fā)送信息只通過一根天線，這樣就大大簡化了收發(fā)端實現的復雜度。因此，展開對空間調制技術的深入研究具有重要的科學意義。

（上圖來自：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、空間調制的應用

SM作為一種新型的無線通信數據傳輸技術，它的提出開辟了一個新的研究領域，具有廣泛的研究前景。不過SM仍然有許多問題和挑戰(zhàn)亟待解決，比如：

⑴目前對SM技術的研究均假設在接收端能夠獲得完整的信道狀態(tài)信息，可是在實際場景中，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技術來獲取信道信息。研究基于信道估計的SM技術能夠體現SM技術在實際無線通信環(huán)境下的應用價值。

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

⑶ SM技術與編碼調制技術相結合也是一個研究方向，如在具體結合Turbo碼、LDPC碼等方面的聯合優(yōu)化設計。

⑷在傳統(tǒng)SM中，發(fā)射端假設所有天線等功率發(fā)射調制信號，在實際場景中，根據各子信道增益相應分配發(fā)射功率，可以預見能夠有效改善SM的系統(tǒng)性能。因此，結合功率分配的SM技術也是未來的研究熱點之一。

四、空間調制的發(fā)展

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

⑴僅僅通過天線索引傳輸的調制技術

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

⑵與空時復用結合的調制技術

為進一步挖掘SM系統(tǒng)的空間資源，充分利用多天線技術的分集增益與復用增益。空時鍵控調制技術被提出，發(fā)射端首先根據容量最大化等原則，建立空間（天線）與時間結合的空時彌散矩陣集合。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選擇將要采用的空時彌散矩陣，另一部分信息比特映射為傳統(tǒng)的基帶調制符號，并通過選擇的空時彌散矩陣復用后經天線發(fā)射。

⑶采用正交映射的調制方案

正交空間調制擴展了SM中映射星座圖，最大化利用了調制符號的同相域和正交域。每個傳輸時隙，調制符號的同相分量和正交分量分別選擇不同的發(fā)射天線進行發(fā)送。相當于同時有兩個SM的子系統(tǒng)在多天線陣列上發(fā)送，接收端分別檢測調制符號的同相分量和正交分量，實現天線索引的解映射和符號的解調。

⑷采用增強型索引映射的調制方案

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

(上圖來自：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