毛一聰，王惠琴，張 悅，曹明華

光空間調(diào)制技術(shù)的研究進(jìn)展

毛一聰，王惠琴*，張 悅，曹明華

蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050

光空間調(diào)制(OSM)作為一種新型的光多輸入多輸出(OMIMO)技術(shù)，利用空間域激光器索引號(hào)額外攜帶信息，有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率和能量效率；同時(shí)，由于每符號(hào)周期僅激活一個(gè)激光器傳遞信息，較好地解決了傳統(tǒng)OMIMO系統(tǒng)中的信道干擾和同步等問題。本文首先介紹了現(xiàn)有的幾種光空間調(diào)制技術(shù)，概括和總結(jié)其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。此外，從傳輸速率、頻譜效率、誤碼率(BER)和計(jì)算復(fù)雜度等四個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有的OSM、光空移鍵控(OSSK)、增強(qiáng)型光空間調(diào)制(EOSM)和差分光空間調(diào)制(DOSM)等方案進(jìn)行了比較分析。最后，指出了OSM中亟需解決的關(guān)鍵性問題及其未來的發(fā)展方向。

無(wú)線光通信；光空間調(diào)制；傳輸速率；誤碼率

1 引 言

隨著終端用戶數(shù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的指數(shù)增長(zhǎng)，不僅骨干網(wǎng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而且對(duì)接入網(wǎng)技術(shù)也提出了新的要求。相較于射頻技術(shù)，無(wú)線光通信(wireless optical communication，WOC)具有帶寬不受限，安全性強(qiáng)和靈活易架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，作為一種全新的接入網(wǎng)技術(shù)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。但是，大氣湍流和復(fù)雜多變的信道環(huán)境所引起的信號(hào)衰落是影響WOC系統(tǒng)性能的主要因素。為了克服WOC系統(tǒng)中衰落對(duì)鏈路性能的影響，光多輸入多輸出(optical multiple input multiple output，OMIMO)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2-3]。OMIMO技術(shù)充分利用空間分集在收發(fā)兩端通過多個(gè)光學(xué)天線同時(shí)收發(fā)多個(gè)并行的獨(dú)立數(shù)據(jù)子流，在不增加頻譜資源和發(fā)射功率的前提下有效地提高系統(tǒng)的信道容量和抗衰落能力[4]。但因同時(shí)激活多個(gè)激光器而存在成本上升、信道間干擾(inter-channel interference，ICI)和信道間同步(inter antenna synchronization，IAS)困難等問題，這將嚴(yán)重影響OMIMO技術(shù)在實(shí)際通信中的推廣應(yīng)用[5]。

近年來，OMIMO技術(shù)不斷地與各種新技術(shù)相結(jié)合，使得系統(tǒng)在獲得OMIMO信道所能達(dá)到的自由度的同時(shí)，較好地取得了誤碼率(bit error rate，BER)、計(jì)算復(fù)雜度以及傳輸速率之間的平衡，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)[6]。光空間調(diào)制(optical spatial modulation，OSM)作為一種新型的OMIMO技術(shù)，它不僅利用傳統(tǒng)的調(diào)制符號(hào)傳輸信息，而且還將一部分信息隱含于激光器索引號(hào)中，使激光器索引號(hào)成為一種額外數(shù)據(jù)信息的攜帶方式[7]。這將大大提高了系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率。另外，在OSM中，由于每個(gè)符號(hào)周期只有一個(gè)激光器工作，降低了檢測(cè)復(fù)雜度和鏈路成本，同時(shí)又克服了傳輸過程中的ICI和IAS等問題[9]。因此，OSM為提升通信系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率，建設(shè)大容量、高可靠性、低功率的通信系統(tǒng)提供了一種有效手段。目前，已有文獻(xiàn)明確指出空間調(diào)制是未來大規(guī)模MIMO技術(shù)發(fā)展的方向[10-11]。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，OSM是一個(gè)發(fā)展前景十分廣闊，且可應(yīng)用到多種場(chǎng)合的OMIMO技術(shù)[12]。同時(shí)，隨著5G的快速發(fā)展以及大規(guī)模MIMO技術(shù)的深入研究，空間調(diào)制以其自身特有的優(yōu)勢(shì)有望成為5G物理層的核心技術(shù)之一。為滿足不同的需求，目前已經(jīng)出現(xiàn)了光空移鍵控(optical space shift keying，OSSK)、增強(qiáng)型光空間調(diào)制(enhanced optical spatial modulation，EOSM)和差分光空間調(diào)制(differential optical spatial modulation，DOSM)等改進(jìn)的光空間調(diào)制技術(shù)。其中，OSSK是OSM一種簡(jiǎn)化形式，僅僅利用激活激光器的索引號(hào)傳輸信息，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜度低。增強(qiáng)型光空間調(diào)制通過每次激活少量激光器傳輸信息，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的傳輸速率并打破了激光器數(shù)目必須為2的整數(shù)次冪的限制。上述的OSM方案都是假設(shè)在收發(fā)兩端可以獲得精確的信道狀態(tài)信息，然而復(fù)雜多變的大氣信道使得信道估計(jì)變得困難。差分光空間技術(shù)的提出有效避免信道估計(jì)的需要，在高速移動(dòng)的場(chǎng)景下獲得較好的性能。因此，本文針對(duì)WOC領(lǐng)域中已有的OSM方案的原理和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并分析比較了不同方案在BER、傳輸速率和計(jì)算復(fù)雜度等性能方面的特點(diǎn)。同時(shí)，指出了光空間調(diào)制研究中需要解決的關(guān)鍵問題，為未來高速率、大容量的大規(guī)模OMIMO通信研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2 幾種光空間調(diào)制

光空間調(diào)制又被視為一種多維調(diào)制技術(shù)，和傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)相比，光空間調(diào)制引入第三維度，即空間維度。它將激光器的索引號(hào)作為新的映射資源，通過建立不同輸入比特與激光器索引號(hào)間的映射關(guān)系，達(dá)到空間調(diào)制的目的[8]。空間調(diào)制的思想在射頻領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展，并取得了一系列較豐富的研究成果[6-12]。近年來，隨著研究者對(duì)WOC領(lǐng)域的廣泛關(guān)注以及微電子技術(shù)和LED照明技術(shù)的發(fā)展，英國(guó)愛丁堡大學(xué)的Mesleh和Haas教授首次將空間調(diào)制的概念引入可見光通信(visible light communication，VLC)，目的是解決傳統(tǒng)OMIMO中存在的信道間同步和相關(guān)性問題[13-15]。后來，空間調(diào)制在WOC領(lǐng)域得到了初步發(fā)展，并取得了一定的研究成果[16-31]。目前常見的光空間調(diào)制主要包括OSM、OSSK、EOSM和DOSM等。下面將分別介紹各方案的原理及研究現(xiàn)狀。

2.1 光空間調(diào)制

OSM在每一符號(hào)周期內(nèi)僅有一個(gè)激光器被激活。此時(shí)，不僅采用傳統(tǒng)的調(diào)制符號(hào)傳遞信息，而且還利用激活激光器的索引號(hào)額外攜帶信息。對(duì)于一個(gè)有t個(gè)激光器，r個(gè)光電探測(cè)器的OSM系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 OSM系統(tǒng)模型

式中：為t′1維的符號(hào)向量，是被激活的激光器索引號(hào)，?[1:t]。x為進(jìn)制星座符號(hào)中的第個(gè)符號(hào)，?[1:]。調(diào)制后的信號(hào)由光學(xué)發(fā)送天線發(fā)出，經(jīng)大氣信道和光學(xué)接收天線后由光電探測(cè)器接收。假設(shè)接收到的信號(hào)為

如何從中估計(jì)出原始發(fā)射符號(hào)是信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵。假設(shè)接收端已知信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)，即在已知的情況下，可采用最大似然(maximum likelihood，ML)準(zhǔn)則進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。其準(zhǔn)則為

空間調(diào)制以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其在WOC領(lǐng)域中受到了廣泛關(guān)注。目前，有關(guān)OSM在VLC中的研究主要是針對(duì)如何提高系統(tǒng)的傳輸速率和降低誤碼率而提出的各種優(yōu)化方案[16-18]。其中，文獻(xiàn)[16]將SM技術(shù)與高能量效率的脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation，PPM)相結(jié)合，提出了空間脈沖位置調(diào)制(spatial pulse position modulation，SPPM)。同時(shí)，文獻(xiàn)[17]分析了OSM中的同步問題對(duì)傳輸性能的影響。文獻(xiàn)[18]討論了由多徑信道引起的符號(hào)間干擾(inter-symbol interference，ISI)對(duì)OSM系統(tǒng)性能的影響。SPPM方案有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率和能量效率，但系統(tǒng)頻譜效率的提高受限。為此，文獻(xiàn)[19]將SM技術(shù)與高頻譜效率的脈沖幅度調(diào)制(pulse amplitude modulation，PAM)相結(jié)合，提出了空間脈沖幅度調(diào)制(spatial pulse amplitude modulation，SPAM)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的頻譜效率。針對(duì)室內(nèi)相關(guān)性信道，文獻(xiàn)[20-21]將不同的編碼技術(shù)與空間調(diào)制相結(jié)合，分別提出了網(wǎng)格編碼空間調(diào)制(TCSM)方案和分層空時(shí)編碼空間調(diào)制方案，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。

上述文獻(xiàn)都是采用靜態(tài)模型方法進(jìn)行分析，在高速變化的場(chǎng)景并不適用。因此，文獻(xiàn)[22]提出了適合于大規(guī)模MIMO-VLC的自適應(yīng)空間調(diào)制，其目的在受控的ICI條件下，尋找最佳的激活激光器的組合形式。但在高ICI或高頻譜效率條件下，系統(tǒng)性能仍然不理想。為此，文獻(xiàn)[23]和[24]分別提出調(diào)制階數(shù)可變和激活激光器數(shù)目可變的自適應(yīng)空間調(diào)制(adaptive spatial modulation，ASM)。ASM較好地改善了系統(tǒng)的誤碼性能，但接收端信號(hào)檢測(cè)的復(fù)雜度隨之增加。后來，針對(duì)OSM系統(tǒng)，文獻(xiàn)[25]提出了自適應(yīng)功率分配算法，保證移動(dòng)用戶獲得了最佳性能，同時(shí)降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

相較于VLC系統(tǒng)，室外光通信中OSM技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較晚。由于室外信道環(huán)境更加復(fù)雜多變，有關(guān)室外光通信系統(tǒng)中OSM的研究主要集中在考慮通信鏈路中各因素(湍流、衰減和瞄準(zhǔn)誤差)對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及如何獲得高傳輸速率和低誤碼率的系統(tǒng)方案。其中，文獻(xiàn)[26]首次把SPPM方案應(yīng)用到室外大氣激光通信中，綜合考慮幾何擴(kuò)展、大氣湍流和瞄準(zhǔn)誤差等因素，研究了在高斯光束下SPPM系統(tǒng)的性能，此外還分析了背景噪聲和熱噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。隨后，文獻(xiàn)[27]將OSM與具有更高能量效率與頻譜效率的多進(jìn)制脈沖位置-脈沖幅度聯(lián)合調(diào)制(pulse position-amplitude modulation，PPAM)相結(jié)合，提出一種空間脈沖位置-幅度調(diào)制(spatial pulse position-amplitude modulation，SPPAM)方案，進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。同時(shí)，分別推導(dǎo)了log-normal與Gamma-Gamma衰落信道模型下的理論誤碼率，為室外OSM的推進(jìn)提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[28]針對(duì)不相關(guān)Gamma-Gamma衰落信道，分析了使用SPPM的幾何擴(kuò)展對(duì)WOC系統(tǒng)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[29]利用泊松計(jì)數(shù)模型推導(dǎo)了Gamma-Gamma信道模型下SPPM理論誤碼率表達(dá)式，并構(gòu)造了自適應(yīng)閉環(huán)OSM系統(tǒng)。相對(duì)于開環(huán)OSM，該系統(tǒng)在一定程度上提高了系統(tǒng)的誤碼性能。上述文獻(xiàn)較好地研究了不同光空間調(diào)制方案的系統(tǒng)性能，但在接收端譯碼時(shí)均采用了ML譯碼算法。雖然ML性能優(yōu)秀，但譯碼復(fù)雜度高，這就限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。為此，文獻(xiàn)[30]針對(duì)SPPM方案，結(jié)合發(fā)送信號(hào)的稀疏性，提出了一種基于壓縮感知的信號(hào)檢測(cè)方法，極大地降低了譯碼算法的復(fù)雜度。除此之外，文獻(xiàn)[31]根據(jù)PAM的雙極性把OSM空間域的激光器分成兩部分，并結(jié)合線性最小均方誤差(minimum mean square error，MMSE)譯碼方法而設(shè)計(jì)了一種低復(fù)雜度適合于OSM的接收機(jī)算法。

2.2 光空移鍵控

OSSK作為一種特殊的光空間調(diào)制技術(shù)，僅利用激活激光器的索引號(hào)來傳輸信息。因此，OSSK在有效地避免了ICI和IAS的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步降低了收發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜度。由于OSSK具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低等優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)提出后便獲得了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

目前，VLC領(lǐng)域中有關(guān)OSSK的研究，主要集中在研究光源和探測(cè)器的個(gè)數(shù)、布局和映射方式等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響[32-33]。然而，相對(duì)于靜態(tài)而穩(wěn)定的室內(nèi)光信道而言，大氣信道具有更強(qiáng)的隨機(jī)性和空間相關(guān)性。鑒于此，Mohamed等[34-35]在深入理解OSSK原理的基礎(chǔ)上，將其引入到室外大氣激光通信中，提出了基于log-normal和negative-exponential衰落信道下的OSSK系統(tǒng)，并給出了兩種湍流信道下OSSK系統(tǒng)平均誤碼率(ABER)的理論上界，為室外OSSK的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。隨后，Anshul等[36-37]分別針對(duì)Gamma-Gamma和negative-exponential衰落信道，推導(dǎo)出了OSSK系統(tǒng)的ABER和平均信道容量表達(dá)式，并分析了湍流強(qiáng)度和發(fā)送天線數(shù)對(duì)OSSK系統(tǒng)性能的影響。

上述文獻(xiàn)較好地研究了不同湍流信道下OSSK系統(tǒng)的性能，但未考慮WOC中特有的影響因素——瞄準(zhǔn)誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。為此，文獻(xiàn)[38-40]針對(duì)log-normal、Gamma-Gamma和negative-exponential三種衰落信道，研究了大氣湍流和瞄準(zhǔn)誤差聯(lián)合效應(yīng)對(duì)OSSK系統(tǒng)誤碼率和信道容量的影響。研究結(jié)果表明，在實(shí)際通信中，OSSK受瞄準(zhǔn)誤差影響較小，而且其系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于MIMO-PAM系統(tǒng)。后來，文獻(xiàn)[41]提出了一種發(fā)射端基于部分信道增益排序的空移鍵控系統(tǒng)(partially informed transmitter-based optical space shift keying，PIT-OSSK)。在該系統(tǒng)中，利用了已知的部分信道增益自適應(yīng)地調(diào)整星座映射和功率分配，很大程度上提升了系統(tǒng)的誤碼性能?；谏鲜鲅芯浚m然OSSK獲得了一定的頻譜效率和能量效率，但由于OSSK調(diào)制方案未充分體現(xiàn)出數(shù)字域調(diào)制方式的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致其系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率的提升受限。因此，大量學(xué)者致力于尋找具有更高傳輸速率和更低復(fù)雜度的OSSK優(yōu)化方案。

2.3 增強(qiáng)型光空間調(diào)制

雖然OSM和OSSK有效避免了傳統(tǒng)OMIMO中存在的ICI和IAS問題，但由于其每個(gè)符號(hào)周期僅激活一個(gè)激光器，使空間資源利用率受限，同時(shí)也在一定程度上限制了傳輸速率和頻譜效率的提升。鑒于此，目前大量學(xué)者致力于研究集空時(shí)編碼、空間復(fù)用和空間調(diào)制優(yōu)點(diǎn)于一身的增強(qiáng)型光空間調(diào)制。其中，廣義光空間調(diào)制(generalized optical spatial modulation，GOSM)是增強(qiáng)型光空間調(diào)制中重要的分支，其特點(diǎn)是在每一符號(hào)周期內(nèi)可同時(shí)激活少量激光器，并通過在激活的激光器上加載相同或不同的調(diào)制符號(hào)來進(jìn)一步提升系統(tǒng)的傳輸速率、頻譜效率和空間資源利用率。GOSM的系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 GOSM系統(tǒng)模型

廣義光空間調(diào)制利用激光器的組合來傳遞信息。目前，在VLC領(lǐng)域中已取得了一定的研究成果[42-60]。其中，廣義光空移鍵控(generalized optical space shift keying，GOSSK)作為GOSM的一種簡(jiǎn)化形式[42]，得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[43]采用自適應(yīng)控制法提出了一種自適應(yīng)的GOSSK方法。文獻(xiàn)[44-45]分別分析了非相關(guān)和相關(guān)信道下GOSSK調(diào)制的誤碼率。在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)相關(guān)信道，文獻(xiàn)[46-47]以成對(duì)錯(cuò)誤概率為依據(jù)，研究了廣義空分鍵控系統(tǒng)的性能，并提出了一種基于最大化最小歐氏距離準(zhǔn)則的天線組選擇算法。后來，文獻(xiàn)[48]明確指出了GOSSK技術(shù)在室內(nèi)可見光通信中的應(yīng)用價(jià)值。同年，文獻(xiàn)[49]采用歐氏距離最小化的方式提出了一種預(yù)編碼的改進(jìn)方案，進(jìn)一步改善了GOSSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼性能。文獻(xiàn)[50]采用OOK方式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)GOSSK的系統(tǒng)，成功地驗(yàn)證了GSSK技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

雖然GOSSK獲得了一定的頻譜效率和能量效率，但因傳統(tǒng)調(diào)制方式未攜帶信息而導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸速率受限。為此，文獻(xiàn)[51]通過同時(shí)激活少量激光器，并在激活的激光器上加載相同的PPM調(diào)制符號(hào)，構(gòu)建了一種廣義空間脈沖位置調(diào)制(generalized spatial pulse position modulation，GSPPM)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[52]通過同時(shí)激活兩個(gè)或多個(gè)激光器，并在激活的激光器上分別加載不同的PAM調(diào)制符號(hào)，從而構(gòu)建了廣義空間脈沖幅度調(diào)制(generalized spatial pulse amplitude modulation，GSPAM)系統(tǒng)。GSPPM和GSPAM方案[51-52]與SPPM和SPAM方案相比，有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率，同時(shí)解決了OSM和OSSK中激光器數(shù)目必須為2的整數(shù)次冪的限制。基于GOSM的優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[53]利用信道狀態(tài)信息，基于接收信號(hào)最小歐氏距離最大化準(zhǔn)則，提出了一種自適應(yīng)廣義空間調(diào)制方案，該方法有效地提高了系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[54]比較分析了OSSK、GOSSK、OSM、GOSM等幾種空間調(diào)制的誤碼性能，指出GOSM雖然誤碼性能有所惡化，但能獲得更高的頻譜效率。后來，文獻(xiàn)[55]在發(fā)送端未知信道狀態(tài)信息的情況下，提出一種空間復(fù)用與空間調(diào)制相結(jié)合的復(fù)用型廣義空間調(diào)制。文獻(xiàn)[56-58]分別將索引調(diào)制(index modulation，IM)與正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing modulation，OFDM)、MIMO、MIMO-OFDM相結(jié)合，提出了適合于室內(nèi)可見光通信的高性能的廣義空間調(diào)制。文獻(xiàn)[59]針對(duì)采用PAM調(diào)制提出了基于最優(yōu)星座映射的廣義空間調(diào)制，但其要求激活天線的數(shù)量必須是2的冪次方。為此，文獻(xiàn)[60]采用分組的方式提出了一種改進(jìn)的GOSM方案，有效地解決了激活天線是2的冪次方的問題。

隨后，將GOSM擴(kuò)展到了室外大氣激光通信，并針對(duì)大氣信道的特點(diǎn)展開了相關(guān)研究[61-63]。文獻(xiàn)[61]構(gòu)建了log-normal衰落信道下的GOSM方案。它通過每時(shí)刻激活兩個(gè)激光器，并在激活激光器上加載PPM調(diào)制符號(hào)來進(jìn)行信息傳遞。同時(shí)，針對(duì)GOSM方案，提出了一種OB-MMSE譯碼算法，有效地降低了接收端的譯碼復(fù)雜度。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高空間資源的利用率和系統(tǒng)的傳輸速率，學(xué)者們還研究了其它的增強(qiáng)型光空間調(diào)制[62-63]。其中，文獻(xiàn)[62]將分層的思想與OSM相結(jié)合，提出了一種分層光空間調(diào)制系統(tǒng)。通過將激光器分為2層，每層激活一個(gè)激光器，并在激活的激光器上分別加載不同的PPM和PAM調(diào)制符號(hào)來提高系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率。文獻(xiàn)[63]通過每次激活一個(gè)或兩個(gè)激光器的索引組合增大空間域映射，從而提出了一種激活激光器數(shù)目可變的光空間調(diào)制系統(tǒng)，達(dá)到了有效提高系統(tǒng)的傳輸速率和誤碼性能的目的。目前，有關(guān)增強(qiáng)型光空間調(diào)制及其相關(guān)技術(shù)的研究仍在不斷發(fā)展和深入，新的研究成果將會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)。

2.4 差分光空間調(diào)制

在上述有關(guān)光空間調(diào)制的研究中，為了在接收端準(zhǔn)確的檢測(cè)出發(fā)送信號(hào)，接收端需要提前已知CSI。要獲得精確的CSI就需要復(fù)雜的信道估計(jì)，這就大大增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度[39]。另外，即使獲得了CSI，原始的比特信息也由于信道時(shí)變性和隨機(jī)性未必能完全恢復(fù)。鑒于此，差分空間調(diào)制應(yīng)運(yùn)而生[64]。文獻(xiàn)[64]結(jié)合PAM首次提出了差分光空間調(diào)制(DOSM-PAM)方案，并針對(duì)不同的湍流信道分析了系統(tǒng)性能，其原理圖如圖3所示。

文獻(xiàn)[64]不僅提出了差分空間調(diào)制，而且通過分類討論方法分析了誤碼性能和分集增益，得到了激光器數(shù)目為2時(shí)，DOSM-PAM系統(tǒng)的理論平均誤碼率和理論分集增益。同時(shí)，針對(duì)2-ary PAM的星座映射，得出了在幅度比為0.6時(shí)的誤碼率性能最佳的結(jié)論。另外，文獻(xiàn)[64]還提出了一種結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的差分光控移鍵控(differential optical space shift keying，DOSSK)方案，由于該方案僅采用空間域激光器索引號(hào)攜帶信息，因此是一種OSSK系統(tǒng)的差分形式。目前，WOC系統(tǒng)中的差分空間調(diào)制方案還在初步探索階段，未來具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 性能分析

針對(duì)現(xiàn)有的OSSK[34]、DOSM-PAM[64]、DOSSK[64]、SPPM[16]、SPPAM[17]和GSPPM[51]六種不同OSM系統(tǒng)，比較了各方案的性能，其結(jié)果如表1和圖4所示。其中，表1列出了六種不同光空間調(diào)制方案的傳輸速率、頻譜效率和計(jì)算復(fù)雜度。

由表1可見，t和調(diào)制階數(shù)是影響各系統(tǒng)傳輸速率和頻譜效率的關(guān)鍵因素。其中，OSSK的傳輸速率與頻譜效率相等，而SPPAM、SPPM、GSPPM、DOSM和DOSSK的傳輸速率均大于頻譜效率。故，當(dāng)頻譜效率一定時(shí)，OSSK的傳輸速率最低。當(dāng)t和調(diào)制階數(shù)固定時(shí)，GSPPM的傳輸速率最大，而SPPAM與DOSM的傳輸速率視t與調(diào)制階數(shù)的具體值而定，SPPM的傳輸速率均小于SPPAM和DOSM，而DOSSK的傳輸速率又小于SPPM。因此，上述六種方案的傳輸速率比較可歸納為GSPPM≥(SPPAM，DOSM)≥ SPPM≥DOSSK≥OSSK。另外，各系統(tǒng)復(fù)雜度除了與t和調(diào)制階數(shù)有關(guān)外，還與r有關(guān)，但t和調(diào)制階數(shù)是影響計(jì)算復(fù)雜度的主要因素。當(dāng)t和調(diào)制階數(shù)固定時(shí)，比較各系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度可得，GSPPM方案的計(jì)算復(fù)雜度最高而OSSK的計(jì)算復(fù)雜度最低。

圖3 DOSM系統(tǒng)模型

表1 不同光空間調(diào)制方案的傳輸速率、頻譜效率和復(fù)雜度

圖4 不同光空間調(diào)制系統(tǒng)性能對(duì)比。(a) 誤碼率曲線；(b) 傳輸速率和復(fù)雜度

由圖4可知，SPPM方案的誤碼性能最優(yōu)，其傳輸速率與DOSSK方案相同，復(fù)雜度明顯優(yōu)于DOSSK和GSPPM方案。DOSM-PAM方案與OSSK方案極大地降低了系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度，但卻犧牲了傳輸速率與誤碼性能。相較而言，OSSK的傳輸速率略低于DOSM-PAM，但其誤碼性能優(yōu)于DOSM-PAM。GSPPM方案較大的提高了系統(tǒng)的傳輸速率，但卻犧牲了計(jì)算復(fù)雜度與誤碼性能。因此，上述六種不同的光空間調(diào)制方案各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

圖5 不同的S.I.下不同OSM系統(tǒng)誤碼率性能對(duì)比

在湍流信道中，閃爍指數(shù)S.I.用來衡量大氣湍流引起的光強(qiáng)起伏的強(qiáng)弱。從圖5中可以得出：隨著S.I.的增大，湍流強(qiáng)度對(duì)OSSK系統(tǒng)、SPPM系統(tǒng)和DOSSK系統(tǒng)誤碼性能的影響均增大，使得系統(tǒng)誤碼率提高。例如，當(dāng)BER=10-3時(shí)，S.I.由0.6增大到1，SPPM系統(tǒng)的信噪比損失了0.8 dB。從整體看，弱湍流雖然對(duì)誤碼性能有一定影響，但是影響較小。

4 總結(jié)與展望

隨著人們對(duì)大容量、高速率通信系統(tǒng)的迫切需求，具有高能效、低復(fù)雜度的空間調(diào)制應(yīng)運(yùn)而生。作為一種新型的光MIMO技術(shù)，光空間調(diào)制利用空間域的激光器索引號(hào)攜帶額外信息，將傳統(tǒng)的二維調(diào)制擴(kuò)展到多維，它為提高系統(tǒng)的傳輸速率和降低功耗提供了一種有效措施，有望成為下一代通信技術(shù)的備選方案。同時(shí)光空間調(diào)制的理論研究為即將開展的實(shí)驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

雖然空間調(diào)制技術(shù)在射頻中已日趨成熟，但由于無(wú)線光通信與射頻通信存在較大區(qū)別，使得原有射頻領(lǐng)域中有關(guān)空間調(diào)制的理論和方法在WOC中無(wú)法直接使用。而目前有關(guān)無(wú)線光通信領(lǐng)域中空間調(diào)制技術(shù)的研究還處于初步探索階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有較大差距。目前，光空間調(diào)制亟需解決的問題有：

1) 空間調(diào)制是一種全新的三維調(diào)制技術(shù)，即“數(shù)字域+空間域”的調(diào)制技術(shù)。已有光空間調(diào)制的研究成果均是將兩種調(diào)制分開考慮。這就使得已有的最優(yōu)信號(hào)星座圖還是二維星座，并非真正意義上的三維調(diào)制星座圖。相對(duì)于傳統(tǒng)的調(diào)制星座，空間調(diào)制顯示出了部分性能增益，但是，當(dāng)它應(yīng)用到發(fā)射天線數(shù)目不是2的指數(shù)倍的系統(tǒng)中時(shí)，其性能受限。因此，如何設(shè)計(jì)光空間調(diào)制中最優(yōu)三維調(diào)制星座圖方案亟待解決。

2) 已有光空間調(diào)制在接收端譯碼算法的研究大多采用最大似然譯碼。雖然最大似然檢測(cè)算法能夠獲得較好的性能，但是其較高的復(fù)雜度很難應(yīng)用于實(shí)際。因此在性能保障的前提下，亟需探索低復(fù)雜度及切實(shí)可行的譯碼算法。

基于光空間調(diào)制技術(shù)的高能量效率的優(yōu)勢(shì)，未來其在WOC領(lǐng)域大規(guī)模MIMO用戶、多用戶多小區(qū)MIMO通信中有重大的應(yīng)用前景。光空間調(diào)制利用激光器的空間相對(duì)位置額外攜帶信息，不僅提高了傳輸速率，而且為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計(jì)節(jié)省功耗。隨著大規(guī)模光MIMO技術(shù)的不斷深入發(fā)展，僅僅依靠空間域索引和數(shù)字域調(diào)制不能滿足當(dāng)前的通信需求。因此，將光空間調(diào)制與其他技術(shù)相結(jié)合，不斷提高光通信系統(tǒng)的速率和容量，也是未來光空間調(diào)制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)之一。在此基礎(chǔ)之上，將光空間調(diào)制技術(shù)中“索引”的概念進(jìn)行拓展，提出廣義化的索引調(diào)制。例如，OFDM中通過子載波的索引提高系統(tǒng)的傳輸速率。

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Research status and development of optical spatial modulation technology

Mao Yicong, Wang Huiqin*, Zhang Yue, Cao Minghua

School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China

OSM system model

Overview:As a novel access network technology, wireless optical communication (WOC) has sparked great interests in the field. Compared with RF, there are significant advantages, such as high bandwidth, inherent security and ease of installation. However, the channel fading caused by atmospheric turbulence and complex channel environment is the main factor affecting the performance of WOC system. Therefore, OMIMO system comes into being and makes use of spatial diversity at receiver and transmitter to overcome the performance influence caused by link fading. When multiple lasers are activated simultaneously, the problems of inter-channel interference (ICI) and inter antenna synchronization (IAS) limit the promotion and development of OMIMO system. Optical spatial modulation (OSM) is a novel OMIMO scheme which conveys information over both signal and space simultaneously. OSM effectively improves the transmission rate and energy efficiency by using the spatial domain laser index to carry additional information. Since only one laser is activated per symbol duration to transmit information, the problems of channel interference and synchronization are solved in traditional OMIMO system, and complexity and link cost of proposed OSM scheme are decreased. Based on the above advantages, OSM is an OMIMO technology with broad development prospects and can be applied in various occasions. In the field of RF, the idea of SM has been developed rapidly and rich research results have been obtained. Compared with RF field, OSM is still in the exploration stage. In this paper, we introduce four kinds of schemes of OSM, optical space shift keying (OSSK), enhanced optical spatial modulation (EOSM) and differential optical spatial modulation (DOSM) from basic principle to research status both at home and abroad. OSSK is a simple form of OSM, which only uses the index of the laser to transmit information. EOSM effectively increases the transmission rate by activating a small number of lasers. And EOSM overcomes in a novel fashion the constraint in OSM that the number of lasers has to be a power of two. DOSM can effectively avoid complex channel estimation and obtain better performance under high mobility scenarios. In terms of transmission rate, spectral efficiency, bit error rate (BER) and complexity, four kinds of OSM scheme are compared and analyzed. It is noticed from analysis that different OSM schemes have their own characteristics and advantages, so they are selected according to the specific situation in practical application. In short, with the requirement of high capacity and high-speed communication system, OSM scheme is expected to be an alternative to next generation communications technology. It has significant application prospect in the future for massive MIMO user and multi-user multi-cell MIMO communication.

Citation: Mao Y C, Wang H Q, Zhang Y,Research status and development of optical spatial modulation technology[J]., 2020, 47(3): 190712

Research status and development of optical spatial modulation technology

Mao Yicong, Wang Huiqin*, Zhang Yue, Cao Minghua

School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China

Optical spatial modulation (OSM), a new optical multiple input multiple output (OMIMO) technique, effectively improves the transmission rate and energy efficiency by using the spatial domain laser index to carry additional information. Meantime, since only one laser is activated per symbol duration to transmit information, the problems of channel interference and synchronization are solved in traditional OMIMO system. This paper firstly introduces several OSM technologies and summarizes their research status both at home and abroad. Nextly, the OSM, optical space shift keying (OSSK), enhanced optical spatial modulation (EOSM) and differential optical spatial modulation (DOSM) schemes are compared and analyzed in terms of transmission rate, spectral efficiency, bit error rate (BER) and complexity. Finally, the key problems and future development direction are pointed out in OSM system.

wireless optical communication; optical spatial modulation; transmission rate; bit error rate

TN929.12

A

10.12086/oee.2020.190712

: Mao Y C, Wang H Q , Zhang Y,. Research status and development of optical spatial modulation technology[J]., 2020,47(3): 190712

2019-11-27；

2020-02-24基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61861026, 61875080)

毛一聰(1995-)，男，碩士研究生，主要從事無(wú)線光通信MIMO技術(shù)方面的研究。E-mail：maoyc0113@sina.com

王惠琴(1971-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事無(wú)線光通信MIMO技術(shù)方面的研究。E-mail：whq1222@lut.cn

毛一聰，王惠琴，張悅，等. 光空間調(diào)制技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 光電工程，2020，47(3): 190712

Supported by National Natural Science Foundation of China (61861026, 61875080)

* E-mail: whq1222@lut.cn