多载波空间调制无线传输技术研究

Spatial modulation (SM) is a class of novel multiple-input multiple-output (MIMO) transmission techniques. However, traditional SM-MIMO is based on single carrier, which cannot flexibly use frequency resource and offer full diversity gain. For solving this problem, this project will do researches on multi-carrier (MC) SM, so as to explore novel transmission theory and techniques for fully utilizing time, frequency and space resource. Firstly, through theoretical analysis, we will expose the transmission performance of multi-domain modulation in MC-SM, so as to acquire the relationship among modulation configuration, transmission rate and bit-error rate (BER). Secondly, we will do researches on the optimal design of multi-dimension constellation on open-loop mode, and the adaptive strategy on close-loop one, so as to explore the maximum gain by optimal resource allocation. Lastly, we will do researches on signal detection based on the theory of compressed sensing, and efficient iterative detection scheme, by exploring the sparse feature of the transmit signals. The research results of this project can improve the transmission theory of multi-carrier spatial modulation techniques, so the research is with important theoretical and economical values for applying to the next generation wireless communications.

空间调制是近年来发展的新型MIMO传输技术。然而，传统的单载波空间调制不能灵活利用频率资源，也不能提供最大分集增益。针对上述问题，本项目将研究基于多载波的空间调制，进而探索充分利用空、时、频域通信资源的新传输理论和方法。首先，通过理论分析，揭示多载波空间调制的传输性能，探索多域调制参数和传输速率、误码率的制约关系；其次，研究开环模式下的多维星座设计，以及闭环模式下的自适应策略，优化通信资源配置以获取最大多域分集增益；最后，通过挖掘发射信号的稀疏性，研究基于压缩感知的信号检测方法，提出高效的迭代检测方案。本项目的研究可以完善基于多载波的空间调制传输理论，并有望应用于未来无线通信系统，具有重要的理论及经济价值。

本项目的主要研究内容是充分利用空、时、频多域资源，探索多载波空间调制无线传输理论和方法。在理论方法，揭示多维星座映射与可达速率、误码率性能之间的制约关系，提出灵活、高效的多域资源配置方案，为构造新型多载波空间调制系统提供理论依据；在算法设计方面，在发射端提出基于开环和闭环的多维星座优化设计以最大化多域分集增益，在接收端发展充分利用信号稀疏特性的低复杂度检测算法。项目开展以来，在理论方面，我们首先在空、时、频域分别探索了多域调制参数和传输性能的制约关系，分析了系统所能获得的最大多域分集增益和传统空移键控调制及传统空间调制的理论性能和可达速率，推导出不同的空、时、频域资源配置下，系统在衰落信道下的误码率性能和可达速率的最优界限；揭示了系统的调制映射方式、频谱效率、误码率之间的内在联系；探索了开环空间调制和闭环空间调制的情况下，系统在衰落信道下的性能，推导了其误码率上界及可达速率，为算法研究提供了理论支撑。在算法设计方面，我们深入研究了多载波空间调制的多维调制优化设计方法。其算法设计的亮点部分在于我们针对多载波空间调制的空域优化目标，提出了一种基于天线偏移的空间调制(Offset Spatial Modulation, OSM)的新结构，即一种基于天线偏移的开环空间调制多天线传输系统。该系统利用TDD模式下的信道互易性，利用简单的发端信号预处理和天线选择的准则，可将射频链在信道相干时间范围内保持在信道条件较好的天线上，解决了该射频通道的频繁切换问题，该方案同时利用信道的先验信息进行天线选择和预处理可使得该方案较传统空间调制的性能有很大提升。同时，考虑对空间调制系统进行频域优化，提出基于射频链偏移的SM-OFDM系统，即OSM-OFDM系统，提出单射频结构和双层频谱复用两种可灵活缩减射频链数量的改进方案，并给出两种天线集合选择方式，在射频成本和系统误码率性能之间提供了一个可行方案。本项目的研究可以完善了多载波的空间调制传输理论，并有望应用于未来无线通信系统，具有重要的理论及经济价值。