高速率空间调制传输中的联合空间星座图设计与快速译码策略研究

To improve the spectral efficiency and performance of the spatial modulation (SM) transmission, the key issue is the joint design of spatial constellation, efficient coding mechanism and fast-decoding. This project will explore the internal relations and essential rules among the spatial constellations, coding structure and fast-decoding, and then solves the problems of achieving higher spectral efficiency, simple transmitter/receiver, and flexibility in spatial modulation. The main research contents of this project are as follows. Firstly, the spatial constellation with block-orthogonal structure and the fast-decoding strategy will be investigated. With the improvement of spectral efficiency, the strategy of fast pruning and transplanting the branches of multidimensional signal will be proposed by using the block-orthogonal parameters of different spatial constellation codewords. Secondly, based on the framework of generalized space-time shift keying (GSTSK), the spatial constellation mapping, the generation and extension strategies of the dispersion matrices for multiple GSTSK will be proposed, which can solve the problems of the dispersion matrices design, supporting arbitrary number of antennas, higher spectral efficiency and fast-decoding. Thirdly, the spatial constellation mapping with group-decodable property and fast-decoding strategy will be explored, to solve the problem of multidimensional signal decoupling in the detection of different spatial constellation codewords. This project aims to provide some novel solutions to the high-rate SM transmission, so that the SM technique has wider applicability in other wireless communication systems such as the multi-carriers and large-scale MIMO systems.

将空间星座图设计与高效的编码机制以及快速译码有机结合是提高空间调制频谱效率和传输性能的关键。本项目将针对空间星座图设计、编码结构以及快速译码之间的内在联系和本质规律进行探索，解决空间调制中如何获得高频谱效率、简单的收/发机结构及更广泛的适用性等问题。其主要研究内容包括：研究具有分块正交结构的空间星座图设计及快速译码策略，在提升频谱效率的同时，提出利用不同空间星座码字的分块正交参数对多维信号的树枝进行快速修剪与移植的策略；基于广义空时移键控（GSTSK）框架设计多重GSTSK中的空间星座图映射、分散矩阵生成方法及扩展策略，解决支持任意天线数、高频谱效率的分散矩阵设计及快速译码问题；研究具有群可解码结构的空间星座图映射及快速译码策略，解决对不同空间星座码字检测中的多维信号解耦问题。项目研究将为高速率空间调制提供新的解决思路，从而使空间调制技术在多载波及大规模MIMO等系统中具有更广泛的适用性。

空域空间调制（SM）和频域索引调制（IM）是5G、6G无线通信中的先进调制编码技术，它们作为最底层的物理层技术，对5G、6G各项性能指标的达成将起到重要的支撑作用。本项目针对空域、空时域、空频域中的星座图设计、SM/IM编码结构与快速译码之间的内在联系和本质规律进行探索，解决了SM/IM中如何获得高频谱效率、简单的收/发机结构及更广泛的适用性等关键问题。主要研究内容包括：研究了MIMO系统中利用天线索引资源进行信息调制的高速率空间星座图设计及快速译码策略；研究了MIMO-OFDM系统中联合利用空频域索引资源提升频谱效率的空频域IM方法及快速译码策略；研究了全双工传输系统中的SM传输协议、自干扰消除等问题；研究了可重构天线系统中的高速率媒介调制（MBM）设计方法。. 取得的重要研究结果有1）设计了堆叠式SM信号传输结构和快速QRDM及快速球形译码算法；2）将广义空时移键控与正交空间调制（QSM）相结合，提出了无需最优搜索的分散矩阵设计方法，及基于码字比对的快速球形译码策略；3）提出了大规模MIMO系统中可获得高阶分集的多重SM编码结构及基于空间星座排序和重复删除的快速球形译码方法；4）针对MIMO-OFDM系统提出了高效利用空频域索引资源的正交空频IM设计结构，并分析了正交空频IM在不同的传输信道下的性能；5）针对空频域联合IM传输问题，提出了多种空频编码正交IM设计及改进方案：6）设计了支持线性最大似然译码的正交IM传输方案；7）提出了分别用于空域和频域的差分IM传输方案，解决了快衰落信道下难以准确估计信道的问题；8）研究了基于SM传输的全双工（FD）中继协议，探讨了FD传输中获取发射分集和自干扰消除等关键问题；9）提出了可重构天线系统中利用射频反射镜的高速率媒介调制方法。理论分析及仿真实验均验证了上述所提方法的有效性。本项目中研究的高速率空频域SM/IM调制编码和快速译码方法为5G、6G无线通信中的先进调制编码技术提供了理论依据和参考方案，将对我国在通信领域掌握自主知识产权产生积极的意义。