АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Пространственная модуляция

Пространственная модуляция (англ. spatial modulation) — это метод модуляции, основанный на использовании пространства, то есть различных антенн на передатчике, при передаче сигнала[1]. В отличие от классических беспроводных систем с многими входами и выходами MIMO, в которых все передающие антенны одновременно активны и передают модулированные сигналы, например, методом фазовой манипуляции (PSK) или квадратурной амплитудной модуляции (QAM), в пространственной модуляции в каждый момент времени активна только одна антенна, а остальные бездействуют. Задача приёмника — определить, какая антенна была активной, и декодировать переданный ею символ. Оба эти процесса несут отдельные биты сообщения. Поскольку одновременно активна лишь одна антенна, требуется только одна радиочастотная цепь (RF-цепь) для активной антенны, в отличие от MIMO-систем, в которых при использовании NT антенн требуется столько же RF-цепей. Это делает пространственную модуляцию заметно более дешёвой в реализации. Классические MIMO-системы страдают от межантенных интерференций и проблем синхронизации[2] между антеннами, так как все передающие антенны активны одновременно.

Современное определение пространственной модуляции строго ограничивает схему использованием только одной активной антенны; активация нескольких антенн выделяется в отдельный метод — обобщённую пространственную модуляцию (GSM)[3][4]. По сравнению с методом пространственного мультиплексирования (V-BLAST), при равном числе антенн пространственная модуляция имеет меньшую спектральную эффективность, но обеспечивает более высокую энергоэффективность и меньшую вычислительную сложность[5].

Процедура

В пространственной модуляции на передатчик поступает поток информационных бит. Передатчик делит входные данные на блоки по k+l бит, где k (степень двойки) определяет индекс используемой антенны, а оставшиеся l бит передаются с помощью схем передачи или модуляции с M-арным алфавитом. Фактически, только l бит модулируются, однако k бит также кодируются индексом антенны, и в сумме приёмник декодирует все k+l бит[6].

Пример

Передатчик пространственной модуляции с NT=2 антеннами использует двоичную фазовую манипуляцию (BPSK). В этом случае он может передавать BPSK-символ, который несёт один бит информации, а индекс антенны, с которой передан символ, несёт дополнительный бит, как показано в таблице 1[7].

Таблица 1. Карта сопоставления SM для NT = 2 и M = 2 (BPSK)
Входные биты Индекс антенны Переданный BPSK-символ
00 1 1
01 1 -1
10 2 1
11 2 -1

При поступлении битовой строки 10 выбирается третья строка таблицы сопоставления (MSB — старший бит, LSB — младший). Старший бит определяет индекс активной антенны, младший — какой BPSK-символ передаётся. Если старший бит (MSB)=0, то сигнал передаёт первая антенна; если MSB=1 — вторая. При LSB=0 передаётся BPSK-символ 1, при LSB=1 — -1. В данном примере k = l = 1, то есть только один бит сообщения передаёт вторая антенна. Приёмник декодирует и бит сообщения, и индекс активной антенны, то есть суммарно два бита. Таким образом, спектральная эффективность такого передатчика пространственной модуляции составляет 2 бит/с/Гц.

Приёмнику необходимо оценить как индекс антенны, так и переданный символ[8].

Для конфигурации с 4 передающими антеннами (NT = 4) и модуляцией QPSK (M = 4) каждый информационный блок состоит из 4 бит. Процесс распределения бит происходит путём разделения этого блока на две части: первые 2 бита (пространственные, MSB) определяют индекс единственной активной передающей антенны (от 1 до 4), а вторые 2 бита (символьные, LSB) выбирают конкретный символ из сигнального созвездия QPSK[9].[10].

Таблица 2. Карта сопоставления SM для NT = 4 и M = 4 (QPSK)[10]
Входные биты Индекс антенны Переданный QPSK-символ
0000 1 +1 + j
0001 1 -1 + j
0010 1 -1 - j
0011 1 +1 - j
0100 2 +1 + j
0101 2 -1 + j
0110 2 -1 - j
0111 2 +1 - j
1000 3 +1 + j
1001 3 -1 + j
1010 3 -1 - j
1011 3 +1 - j
1100 4 +1 + j
1101 4 -1 + j
1110 4 -1 - j
1111 4 +1 - j

Проектирование сигнальных созвездий

Современные методы оптимизации сигнальных созвездий для пространственной модуляции направлены на минимизацию вероятности ошибки на бите (BER). Одним из таких подходов является метод SM-EIV-T3DC. Он использует два типа 3D-созвездий (обычное и модифицированное вторичное), а также расширенные наборы векторов индексов антенн. Это позволяет увеличить минимальное евклидово расстояние между передаваемыми пространственными векторами, что способствует эффективному снижению BER.

Расширенные схемы пространственной модуляции

Для повышения спектральной эффективности были предложены различные схемы расширенной пространственной модуляции[11]:

  • Квадратурная пространственная модуляция[12]
  • Улучшенная пространственная модуляция[13]
  • Обобщённая пространственная модуляция[14]
  • Модуляция на основе пространственной среды[15]
  • Продвинутая пространственная модуляция[16]

В ряде этих усовершенствованных схем одновременно может быть активировано более одной антенны для повышения спектральной эффективности. Пространственная модуляция и её расширения используются также в оптической связи в свободном пространстве — такие схемы называют оптической пространственной модуляцией[17] и усовершенствованной оптической пространственной модуляцией[18] соответственно.

Дифференциальная пространственная модуляция (DSM)

Дифференциальная пространственная модуляция (DSM) разработана для работы в условиях быстро меняющихся каналов и не требует знания состояния канала (CSI) ни на приёмнике, ни на передатчике[19]. К современным схемам, повышающим скорость передачи и общую производительность систем DSM, относятся:

  • DSM-APSK — повышает пропускную способность по сравнению с базовой схемой DSM-PSK;
  • G-DSM (обобщённая DSM) — за счёт оптимального распределения мощности позволяет использовать квадратурную амплитудную модуляцию (QAM), что даёт значительный выигрыш в производительности;
  • HR-DSM (высокоскоростная DSM) — существенно повышает спектральную эффективность за счёт передачи информации как в пространственных кодовых словах, так и в символах созвездия[19].

Модуляция на основе пространственной среды (MBM)

Основной принцип модуляции на основе пространственной среды (MBM) заключается в использовании реконфигурируемых радиочастотных зеркал (RF mirrors), расположенных вокруг передающих антенн, для целенаправленного изменения характеристик канала связи[20]. В качестве таких зеркал применяются PIN-диоды, обеспечивающие высокую скорость переключения состояний[20]. Интеграция MBM с системами пространственной индексной модуляции позволяет существенно повысить спектральную эффективность, достигая показателей до 16 бит/с/Гц[20].

Пространственная модуляция на приёмнике (RSM)

В отличие от классической пространственной модуляции, в пространственной модуляции на приёмнике (RSM) дополнительная информация кодируется в индексах приёмных антенн. Это требует выполнения предварительного кодирования (предкодирования) сигнала на стороне передатчика, но позволяет добиться высокого коэффициента усиления формирования луча и значительно снизить сложность аппаратной части приёмника[21].

Пространственно-временная кодирующая модуляция (STSK)

Пространственно-временная кодирующая модуляция (STSK) расширяет концепцию классической пространственной модуляции (SM), задействуя не только пространственное, но и временное измерение. В каждом пространственно-временном блоке передачи STSK активирует одну из дисперсионных матриц, кодируя в её индексе дополнительные информационные биты. В отличие от классической SM, которая обеспечивает усиление разнесения только на приёме, STSK позволяет получить усиление разнесения как на передаче, так и на приёме, а также обеспечивает гибкий баланс между мультиплексированием и разнесением[22][23].

Связь с индексной модуляцией

Пространственная модуляция (SM) является частью более широкой концепции индексной модуляции (Index Modulation, IM), в рамках которой для кодирования дополнительной информации используется пространственный индекс — номер активируемой передающей антенны. Помимо пространственного измерения, для передачи данных могут применяться и другие типы индексов:

  • индексы поднесущих (например, в технологии OFDM-IM);
  • индексы временных слотов;
  • индексы кодов расширения спектра;
  • индексы канальных сигнатур (например, в системах RIS-CSM).

Примечания

  1. ↑ Mesleh, R.Y.; Haas, H.; Sinanovic, S.; Ahn, C.W.; Yun, S. (15 июля 2008). “Spatial Modulation”. IEEE Transactions on Vehicular Technology [англ.]. 57 (4): 2228—2241. DOI:10.1109/TVT.2007.912136. S2CID 2747250. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  2. ↑ Kumbhani, Brijesh. Spatial Modulation // MIMO Wireless Communications Over Generalized Fading Channels : [англ.] / Brijesh Kumbhani, Rakhesh Singh Kshetrimayum. — Boca Raton, Florida : CRC Press, июнь 2017. — P. 267. — ISBN 9781138033009.
  3. ↑ Modern Spatial Modulation Definition. Nature (2026). Дата обращения: 27 августа 2026.
  4. ↑ GSFIM TVT July 2016. ece.iisc.ac.in (июль 2016). Дата обращения: 27 августа 2026.
  5. ↑ Comparison of SM and V-BLAST. arXiv (2016). Дата обращения: 27 августа 2026.
  6. ↑ Kshetrimayum, Rakhesh Singh. Antenna Selection and Spatial Modulation // Fundamentals of MIMO Wireless Communications : [англ.]. — Cambridge, UK : Cambridge University Press, июль 2017. — P. 348. — ISBN 9781108415699.
  7. ↑ Fu, Yu; Wang, Cheng-Xiang; Mesleh, Raed; Cheng, Xiang; Haas, Harald; He, Yejun. “A Performance Study of Spatial Modulation Systems Under Vehicle-to-Vehicle Channel Models”. 2014 IEEE 79th Vehicular Technology Conference (VTC Spring) [англ.]. Seoul, South Korea: IEEE. DOI:10.1109/VTCSpring.2014.7022789. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  8. ↑ Renzo, M. D.; Haas, H.; Ghrayeb, A.; Sugiura, S.; Hanjo, L. (17 декабря 2013). “Spatial Modulation for Generalized MIMO: Challenges, Opportunities, and Implementation”. Proceedings of the IEEE [англ.]. 102 (1): 56—103. DOI:10.1109/JPROC.2013.2287851. S2CID 3180691. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  9. ↑ Spatial Modulation for MIMO Systems. Дата обращения: 27 августа 2026.
  10. ↑ 1 2 Современные технологии в системе MIMO. Cyberleninka. Дата обращения: 27 августа 2026.
  11. ↑ Bhowal, Anirban. Advanced Spatial Modulation Systems : [англ.] / Anirban Bhowal, Rakhesh Singh Kshetrimayum. — Singapore : Springer Nature, декабрь 2020. — P. 229. — ISBN 978-981-15-9959-0. — doi:10.1007/978-981-15-9960-6.
  12. ↑ Mesleh, R.Y. (30 июля 2014). “Quadrature Spatial Modulation”. IEEE Transactions on Vehicular Technology [англ.]. 64 (6): 2738—2742. DOI:10.1109/TVT.2014.2344036. S2CID 7269587. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  13. ↑ Luna-Rivera, J.M.; Gonzalez-Perez, M.G. “An improved spatial modulation scheme for MIMO channels”. 2012 European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP) [англ.]. Prague, Czech Republic: IEEE. DOI:10.1109/EuCAP.2012.6206031. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  14. ↑ Younis, A.; Serafimovski, N.; Mesleh, R.; Haas, H. “Generalised spatial modulation”. 2010 Conference Record of the Forty Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers [англ.]. Pacific Grove, CA, USA: IEEE. DOI:10.1109/ACSSC.2010.5757786. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  15. ↑ Khandani, A.K. “Media-based modulation: A new approach to wireless transmission”. 2013 IEEE International Symposium on Information Theory [англ.]. Istanbul, Turkey: IEEE. DOI:10.1109/ISIT.2013.6620786. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  16. ↑ Cheng, C.-C.; Sari, H.; Sezginer, S.; Su, Y.T. (13 апреля 2015). “Enhanced Spatial Modulation With Multiple Signal Constellations”. IEEE Transactions on Communications [англ.]. 63 (3): 2237—2248. DOI:10.1109/TCOMM.2015.2422306. S2CID 2947859. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  17. ↑ Mesleh, R.Y.; Elgala, H.; Haas, H. (3 марта 2011). “Optical Spatial Modulation”. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking [англ.]. 3 (3): 234—244. DOI:10.1364/JOCN.3.000234. S2CID 16949143. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  18. ↑ Bhowal, A.; Kshetrimayum, R. S. (3 ноября 2020). “Advanced Optical Spatial Modulation Techniques for FSO Communication”. IEEE Transactions on Communications [англ.]. 69 (2): 1163—1174. DOI:10.1109/TCOMM.2020.3035400. S2CID 228838403. Дата обращения 2024-06-13. |access-date= требует |url= (справка)
  19. ↑ 1 2 High-rate differential spatial modulation for MIMO systems. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. Springer Nature (27 марта 2017). Дата обращения: 27 августа 2026.
  20. ↑ 1 2 3 MBM Technology Overview. Nature. Дата обращения: 27 августа 2026.
  21. ↑ Receive Spatial Modulation: A New Concept for High-Rate MIMO. arXiv (3 июля 2019). Дата обращения: 27 августа 2026.
  22. ↑ Space-Time Shift Keying (STSK). University of Southampton. University of Southampton. Дата обращения: 27 августа 2026.
  23. ↑ Generalized space-time shift keying. SpringerLink. Springer (28 февраля 2013). Дата обращения: 27 августа 2026.

Категории