毫米波空间调制多天线传输理论与技术研究

Spatial modulation (SM) is a technology that enables low-cost, low-power and energy-efficient millimeter wave (mmWave) multiple-input multiple-output （MIMO） transmissions. However in real applications, it still faces with many challenges such as special transceiver circuits, sparse channels, difficulty and heavy cost for channel state information (CSI) acquisition at transceivers. To address these challenges, this project will investigate the theories and techniques of spatial modulation based mmWave MIMO systems. Firstly, we will analyze the impact of hybrid digital-analog receiver and detection on system efficiency and reliability. Secondly, based on the analysis results, we will further develop the optimization theory on how to optimize the mapping, signal forms and detection jointly, and plan to propose mutual information maximizing or bit error rate minimizing system design. Thirdly, to fix the problems caused by the difficulty and heavy cost for CSI acquisition, we will investigate the clustering algorithm based joint channel estimation and information detection, and investigate the deep learning network based sparse CSI compression.

空间调制可为毫米波多天线传输提供低成本、低功耗、高能效的解决方案，但是面向未来实际应用，其系统实现仍面临收发机电路结构特殊、信道稀疏、收发机信道状态信息获取难且代价高等挑战。为应对这些挑战，本项目选择研究更贴近实际应用的毫米波空间调制多天线传输场景。1)首先拟分析数模混合式接收检测对其系统有效性和可靠性的影响，为系统设计提供理论指导；2)在此基础上，考虑信道稀疏特征，拟发展更具一般化的最优映射、信号波形与接收检测的联合优化理论，提供最大化信道互信息或最小化系统误比特率准则下的设计方案；3)为解决设计中收发机信道状态信息获取难、代价高的问题，拟研究基于聚类算法的联合信道估计与信息检测，探索使用深度学习网络实现稀疏信道数据的高效压缩。

多天线技术利用空间维度，可实现多通道传输，获得分集增益。随着天线数增加和毫米波频段的使用，与天线匹配的射频链路成本及功耗也大幅增加，使得基于少量射频链路的毫米波多天线通信方案成为趋势。射频链路减少将导致收发端信号处理能力不足，使得通信系统的频效与可靠性下降。因此，如何在硬件受限的毫米波多天线通信系统中提升系统频效和传输可靠性已成为业界公认难题。本项目围绕此问题，将空间调制思想引入毫米波多天线系统中，主要研究毫米波空间调制系统的频效与可靠性分析，信号波形设计与接收检测技术等。取得的重要成果有：.（1）理论上证明了射频链路数目约束等价于信号输入稀疏约束，推导出了稀疏约束和功率约束下最优矢量输入分布及系统可达容量；并将此理论应用到毫米波多天线通信中，提出了基于复用的非均匀波束空间调制方案（GBMM），在相同系统配置条件下，可打破业界普遍认可的、系统频效上界，将系统频效提高1 bps/Hz。.（2）基于非凸二次约束二次规划（QCQP）理论，提出了非均匀波束调制波形赋形新方案：提出了利用递增法逐步添加波形扩充波形集的优化思路，满足维数约束时所获波形间最小欧式距离小于其他波形赋形方案5%-10%，所提方案不仅可获空间调制增益，还可获超窄波束赋形增益，提升了功率利用效率和传输可靠性。.（3）引入智能反射表面（RIS），利用反射模式和发射信号同时传输信息的特性，设计了离散和连续的联合信号映射、赋形和反射优化方法，可将系统误比特率性能提升1-2个数量级；在此基础上，利用反射面模式置换顺序携带信息，提出了差分反射调制，无需信道估计即可实现高效信息解调，节约了信道估计所占用信道资源，提升了系统频效。.相关成果发表学术论文18篇，包括IEEE TIT论文1篇、IEEE JSAC论文2篇、IEEE TWC论文5篇、IEEE TCOM论文3篇，累计被引用近200次（谷歌学术），获授权国家发明专利4件。相关研究成果可为未来实现低成本、低功耗、高能效的毫米波多天线传输提供理论基础和技术支撑。