5G無線通信中的索引調(diào)制技術研究

5G無線通信期望帶來更高的頻譜效率和能量效率，為了達到這些目標，已經(jīng)提出了各種新技術。其中，最近提出的索引調(diào)制IM（Index Modulation）技術引起了人們的極大興趣。

IM不是通過直接改變信號波形來傳遞信息，而是通過選擇不同的索引序號來傳遞信息。索引資源可以是物理的（例如，天線，子載波，時隙，頻率載波和擴頻碼），也可以是虛擬的（例如，虛擬并行信道，信號星座，空時矩陣和天線激活順序）。

基本原理

現(xiàn)有的IM方案主要在空間，時間，頻域和碼域或它們之間的相互組合中進行。IM將要傳遞的信息比特分成p1（索引比特）和p2（調(diào)制比特）兩部分，其中，p1用于選擇索引——確定索引資源中（天線，子載波，擴頻碼等）的哪些被激活，即完成信息比特到索引之間的映射；p2經(jīng)傳統(tǒng)調(diào)制（例如BPSK、QPSK等）映射為調(diào)制符號。

圖1 索引調(diào)制示意圖

空域索引調(diào)制

SM(spatial modulation)是空間域中的代表性IM技術，如圖2所示，空間調(diào)制的索引資源是天線索引，其中X代表的是調(diào)制符號，藍色部分代表的是當前激活的天線。SM由于每個傳輸時隙只有一根天線被激活用來傳輸信號，而其他天線保持靜默，因此它與單個RF鏈一起工作，通過天線索引傳遞信息。

圖2 空域索引調(diào)制示意圖

空時索引調(diào)制

在MIMO系統(tǒng)的發(fā)射分集中，重點是設計空時矩陣，以獲得最大的編碼和分集增益。而空時索引調(diào)制則是考慮如何利用空時資源傳輸信息。

差分SM是空時索引調(diào)制的代表，如圖3所示。在空時索引調(diào)制中，一部分信息比特按預先設定的擴散矩陣被映射為“空時塊（space-time block）”?？諘r索引調(diào)制的索引資源依然是天線索引，但跨多個時隙發(fā)送信號，根據(jù)“空時塊”和索引比特確定天線激活順序。作為SM的差分解決方案，差分SM可以避免信道估計。研究表明，與SM相比，差分SM的性能損失不超過3dB。

圖3 差分SM示意圖

頻域索引調(diào)制

頻域索引調(diào)制是以頻率索引為調(diào)制資源。IM-OFDM是頻域中的代表性IM技術，它是將SM原理擴展到OFDM子載波，如圖4所示。它的索引資源是子載波，在IM-OFDM中，在頻域引入索引調(diào)制以及子載波塊的概念，以一個子載波塊為調(diào)制單位，由索引信息比特激活其中一部分子載波，其基本原理可以看作是空間調(diào)制技術在頻域的變體。迄今為止，已有多項研究表明，IM-OFDM在相同頻譜效率下的誤碼率（BER）性能勝過傳統(tǒng)OFDM。

圖4 頻率索引調(diào)制示意圖

空頻索引調(diào)制

空頻索引調(diào)制是天線索引和頻率索引的結合，或者說，是SM和OFDM的結合，更一般地，其實是在MIMO-OFDM的基礎上，引入天線索引，即MIMO-OFDM-IM。

MIMO-OFDM-IM會很復雜，特別是在接收端。最近提出廣義空頻索引調(diào)制（GSFIM），降低了復雜度，如圖5所示。廣義空頻索引編碼器輸出的天線索引比特用于天線選擇——從nt個天線中選擇nrf個天線，另一路輸出則包含頻率索引比特和M-ary調(diào)制比特。

圖5 廣義空頻索引調(diào)制示意圖

碼域索引調(diào)制

CIM（Code Index Modulation）是碼域中很有代表性的IM技術，它是將空間調(diào)制中的天線索引變?yōu)閿U頻碼的索引，如圖6所示。與SM、IM-OFDM相比，CIM將索引設計挑戰(zhàn)轉移至設計采用良好特性的擴頻碼，使系統(tǒng)設計更加主動與可控；同時可通過調(diào)整映射擴頻碼個數(shù)來調(diào)節(jié)傳輸速率，也節(jié)約了物理鏈路尤其是射頻鏈路消耗；此外，還保留了擴頻系統(tǒng)自身良好的抗干擾和抗多徑能力，進一步提升了系統(tǒng)的魯棒性。

圖6 碼索引調(diào)制示意圖

空碼索引調(diào)制

SCIM（Space Code Index Modulation）是將空域和碼域結合起來的一種索引調(diào)制技術，它將空域中的天線和碼域中的擴頻碼結合在一塊，索引資源是天線和擴頻碼。信息比特在發(fā)射端經(jīng)串并轉換后分別映射為擴頻碼的索引和天線的索引，然后將激活的擴頻碼調(diào)制的信號通過激活的天線發(fā)射出去。空碼索引調(diào)制如圖7所示，天線和擴頻碼的結合相比一維的索引調(diào)制節(jié)省了大量的索引資源。

目前類似于這種二維索引調(diào)制的研究還比較少，本文作者所在項目組近年來一直專注空碼索引調(diào)制技術研究。

圖7 空碼索引調(diào)制

展望

本文針對當前索引調(diào)制技術已有的研究成果，從不同索引方式以及索引調(diào)制的應用，分別簡要概述了各種索引調(diào)制的基本原理，以及索引調(diào)制應用在哪些方面。

IM在各種通信場景中的實現(xiàn)也是一個熱門話題。5G通信系統(tǒng)有望適應多種新興通信技術，如大規(guī)模MIMO，協(xié)作網(wǎng)絡和全雙工無線電，以及支持高移動性場景等挑戰(zhàn)性環(huán)境中的服務質(zhì)量要求。針對5G應用的IM需要“量身定制”，并進行廣泛的理論研究。

除了5G場景中的IM設計之外，對潛在應用和其他新興場景（如無線供電通信系統(tǒng)，同步無線信息和功率傳輸以及非正交多址接入）的研究也是一大挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅