空间调制技术的概念及其意义、发展

一、空间调制的概念

空间调制(SpatialModulation, SM)的基本思想是将信息比特块映射成两个信息携带单元。第一部分信息比特从复合信号星座图中选择符号，剩余部分信息比特从天线阵列中的发射天线组中选择唯一的发射天线索引，然后将选择好的符号通过激活的唯一天线索引发射出去。发射信号通过信道到达接收端以后，接收机有两个任务必须完成，其一是通过信号检测算法检测出发射端激活的天线索引。常见的检测算法有：迭代最大合并比算法、最大似然算法和最优译码算法。其二是检测出发射端激活的天线索引后，才能正确解调出调制符号。最后才能正确恢复出发射端发送的信息比特。

二、空间调制的意义

基于多天线的MIMO技术在无线通信领域发展迅速。MIMO系统是一种有多个发射与接收信道的通信系统，它能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，通过空间复用提升系统的传输速率。但是MIMO系统在实际应用中存在一些问题，比如：当发射天线同时发送频率相同的信号时，接收端会形成强烈的信道间干扰(ICI)；多天线之间的同步很难得到保证；多个射频链路使MIMO系统成本增大；接收端的接收天线数目必须要多于发射天线数目。SM技术的出现在一定程度上解决了这些问题，SM技术可以有效避免信道间干扰和多天线发射同步的问题。SM技术相比于MIMO技术还有这些优势：只需要一条射频链路，实现的成本大大降低；增加了空间维度，从而增大了星座图上的欧氏距离，降低了误码率；接收端的接收天线数目小于发射端的天线数目仍可以正常工作；SM系统每次发送信息只通过一根天线，这样就大大简化了收发端实现的复杂度。因此，展开对空间调制技术的深入研究具有重要的科学意义。

（上图来自：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、空间调制的应用

SM作为一种新型的无线通信数据传输技术，它的提出开辟了一个新的研究领域，具有广泛的研究前景。不过SM仍然有许多问题和挑战亟待解决，比如：

⑴目前对SM技术的研究均假设在接收端能够获得完整的信道状态信息，可是在实际场景中，接收端获取的为非完整的信道状态信息，因此需要利用信道估计技术来获取信道信息。研究基于信道估计的SM技术能够体现SM技术在实际无线通信环境下的应用价值。

⑵如何优化SM技术的星座点，使系统译码时误码率最低，从而提升系统的性能。

⑶ SM技术与编码调制技术相结合也是一个研究方向，如在具体结合Turbo码、LDPC码等方面的联合优化设计。

⑷在传统SM中，发射端假设所有天线等功率发射调制信号，在实际场景中，根据各子信道增益相应分配发射功率，可以预见能够有效改善SM的系统性能。因此，结合功率分配的SM技术也是未来的研究热点之一。

四、空间调制的发展

随着SM技术的提出，为有效挖掘多天线系统的空间资源，一系列新的SM技术被提出。

⑴仅仅通过天线索引传输的调制技术

空移键控(Space ShiftKeying, SSK)和广义空移键控(GeneralizedSpace Shift Keying, GSSK)这两种调制方式都只依靠天线的索引发送信息，信息比特不在经过传统的基带调制。不同之处在于SSK在每个传输时隙只激活一根发射天线，而GSSK则可以同时激活多根发射天线。

⑵与空时复用结合的调制技术

为进一步挖掘SM系统的空间资源，充分利用多天线技术的分集增益与复用增益。空时键控调制技术被提出，发射端首先根据容量最大化等原则，建立空间（天线）与时间结合的空时弥散矩阵集合。其次将发射端的信息比特分为两部分，一部分信息比特用来选择将要采用的空时弥散矩阵，另一部分信息比特映射为传统的基带调制符号，并通过选择的空时弥散矩阵复用后经天线发射。

⑶采用正交映射的调制方案

正交空间调制扩展了SM中映射星座图，最大化利用了调制符号的同相域和正交域。每个传输时隙，调制符号的同相分量和正交分量分别选择不同的发射天线进行发送。相当于同时有两个SM的子系统在多天线阵列上发送，接收端分别检测调制符号的同相分量和正交分量，实现天线索引的解映射和符号的解调。

⑷采用增强型索引映射的调制方案

虚拟空间调制通过对MIMO系统信道奇异值分解方式建立虚拟信道。发射端信息比特通过并行的不同虚拟信道的索引与调制符号共同映射传输。

(上图来自：D.-T.Phan-Huy,P.Pajusco4,etal.,Single-CarrierSpatialModulationfortheInternetofThings:DesignandPerformance Evaluation by Using Real Compact andReconfigurableAntennas,IEEEAccess, VOLUME7, 2019)

审核编辑：刘清