基于大规模天线系统的空间编码调制理论与技术研究

This project aims to study the core issues of exploring spatial resources, instead of the conventional researches focusing on the resources related to time, power and frequency, to achieve tenfold or even a hundredfold growth in terms of spectral efficiency based on massive MIMO system. The practical implementation complexity is the major challenge for the massive MIMO transmission techniques. On the contrary, spatial modulation has unique advantages in terms of reducing complexity, although it is lack of full development of the MIMO channel capacity. Considering these issues, this project try to study the jointly designing of spatial modulation and tranditional matured and widely applied transmission techniques such as coded modulation, space time coding, precoding, and so on. The key idea of this joint design is to pursuit MIMO transmission techniques suitable for practical applications by converting "a large-scale problem" into "multiple small interrelated issues". The new designed MIMO transmission techniques will achieve good tradeoff among complexity, efficiency and reliability, and hereby could effectively solve the dilemma of current wireless communication systems with limitted spectrum and power, while the wireless services continue to grow rapidly. The results are also significant for the development of wireless transmission technology for the future wireless and mobile communications.

本项目立足于未来的无线移动通信传输技术，以大规模天线系统为基础，探索在时间、功率与频率资源之外，如何有效利用空间资源获得系统容量十倍乃至百倍增长的核心问题。考虑到复杂度问题是大规模天线系统所面临的主要挑战；而空间调制正好可以弥补这一缺陷，但是空间调制本身又欠缺对MIMO信道容量的充分利用。因此，本课题本着将"一个大规模问题"转化为"多个相互关联的小问题"的科学研究思路，决定选择具有低复杂度的空间调制技术为基础，进而结合传统已经成熟并获得广泛应用的编码调制、空时编码、预编码等理论与技术，深入研究在空间域如何进行编码与空间调制联合优化设计的新理论与新技术。通过研究，提出既具有一定传输可靠性和有效性，又兼具系统可实施复杂度的实用化技术方案。研究结果可有效解决当前无线频谱、功率资源匮乏与无线业务快速增长之间的矛盾，从而为未来的无线移动通信传输技术发展提供一套着实可行的解决思路。

多天线技术是未来无线移动通信和物联网通信中的关键核心技术，在实现系统频效与能效提升方面起着至关重要的作用。本项目面向多天线传输系统，重点围绕新兴的空间调制技术、大规模天线传输技术、多天线协同传输技术等领域开展了创新性研究工作，代表性研究内容主要包括：空间调制系统中数字调制星座的优化设计，空间调制系统中比特到符号的三维联合映射，空间调制系统中三维调制星座的联合优化设计，基于链路自适应的空移键控闭环技术设计，基于链路自适应的空间调制闭环技术设计，多天线差分调制技术，增强空间调制技术，空间调制的安全传输技术，以及多天线协同传输技术等。. 通过研究，提出了空间调制星座图及比特到空间调制符号映射关系的优化设计方法，克服了传统数字调制应用到空间调制系统时传输性能不佳的问题，以及传统空间调制对发射天线数目有限制的问题；提出了空间调制系统的链路自适应传输方案，通过有限反馈调整比特到符号的映射关系，获得了传输性能的显著提高，并针对大规模天线系统设计了复杂度简化的实施方案；提出了数种差分调制技术，有效避免了接收端的信道估计开销，包括空间调制系统中的非相关发送与接收技术、大规模天线系统的差分QAM调制技术、以及针对差分酉空时调制系统的低复杂度检测算法等；提出了基于星座图分割的增强空间调制技术；提出了利用发射端与期望用户间信道状态信息作为发送符号的空间调制安全传输技术；提出了在全信噪比变化范围内均具有良好性能的多天线中继转发技术等，相关研究成果大大提高了多天线技术的实际应用范围。. 通过本项目研究，共发表学术论文23 篇，其中期刊论文16篇，涉及IEEE Transactions on Communications，IEEE Transactions on Vehicular Technology，IEEE Communications Letters 等通信领域国际知名期刊；会议论文7篇，包括IEEE/CIC ICCC，WCSP，5GWN等通信领域知名国际会议；获得授权国家发明专利6项。相关研究成果可为未来无线移动通信及物联网技术的发展提供理论支撑和技术参考。