יעילותן של טכניקות עיבוד סודיות ב Mimo Systems

מבוא ל-SEPTial Modulation ב- MIMO Systems

מספר רב של טכנולוגיות של Input (MIMO) הפך אבן הפינה של תקשורת אלחוטית מודרנית, תחת סטנדרטים כגון Wi-Fi (802.11n /ac / ax) ו 4G/5G רשתות סלולריות. על ידי פריסת אנטנה מרובים בשני משדרים ומקבלים, מערכות MIMO יכולות להגדיל באופן דרמטי את הנתונים באמצעות מספר רב של מספר עצום של חומרים ולשפר את האמינות באמצעות רווח מגוון רחב של טכנולוגיות MIMO (אך) דורשות של תדרים ומהירות גבוהה יותר (דפסת תדרים), אשר עדיין גלקסיות מורכבות, אשר עדיין גלקסיות מורכבות (מסוגיות) ומהירות (מסלולאריכות) של תכונות מורכבות), אשר עדיין אנטו של תדרים של תדרים של תכונות מורכבות (אך).

במודולציה מרחבית, רק אנטנה משדרת פעילה במהלך כל תקופת סמל נתונה.מידע מתבצע לא רק על ידי תוכנית מודולציה קונבנציונלית (למשל, QAM או PSK) אלא גם על ידי מדד האנטנה הספציפית המופעלת. מנגנון זה כפול קידוד מאפשר SM להשיג יעילות גבוהה יותר של ספקטרלי מאשר מערכות יחיד-input יחיד-input יחיד (SISO) ללא צורך ברשתות RF.

מאז כניסתו בתחילת שנות ה-2000, מודולציה מרחבית משכה עניין מחקר נרחב ונחשבת למועמד חזק עבור מערכות אלחוטיות עתידיות, כולל מערכות מסיביות של MIMO, תקשורת גלי מילימטר, ואינטרנט של דברים (IoT) פריסות. מאמר זה מספק סקירה מקיפה של טכניקות מודולציה מרחבית, היתרונות שלהם, המגבלות, שיטות זיהוי, ומגמות המחקר האחרונות.

עקרונות יסוד של שינוי סודיות

כיצד משתנה סודיות

(ב) , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ויקרא י"א: "ה' (ב"ד): "ה' אלה אשר יטענו את ה'" (בראשית כ"ד, כ"ד)" (ב)

לדוגמה, עם ארבע אנאנטנות שידור (NigFLT:0tigFLT) 1=4, שתי פיסות חלל יכולות לבחור בין ארבע אנטנות אפשריות. בשילוב עם M-QAM Modulation, המספר הכולל של ביטים לשימוש ערוצים הוא ⁇ FLT:2FLT 3:2FLT 3: 3(M) +.

השוואות עם האמנה MIMO

Feature	Conventional Spatial Multiplexing MIMO	Spatial Modulation MIMO
Number of active antennas per symbol	All Nt	1
Required RF chains	Nt	1 (or very few)
Inter‑antenna interference	High (requires advanced MIMO detection)	None (only one active antenna)
Transceiver complexity	High	Low
Power consumption	High	Low
Spectral efficiency	High (directly proportional to Nt)	Moderate (depends on log2(Nt) + log2(M))
Error performance under correlated channels	Degrades significantly	More robust

הסחר המרכזי של SM הוא שהוא משיג יעילות ספקטרלית נמוכה יותר מאשר מכלול מלא של MIMO עבור אותה מספר אנטנה, אבל זה עושה זאת עם חומרה הרבה יותר פשוטה. תרחישים מעשיים רבים - במיוחד אלה עם כוח הדוק או מגבלות עלות - זה מסחר-off הוא מאוד רצוי.

מגוון של SPtial Modulation

Modulation Spatial Modulation (GSM)

Modulation Spatial מרחיב את הרעיון SM הבסיסי על ידי הפעלת יותר מאנטנות אחת לתקופה סמל.לדוגמה, מערכת GSM עשויה להפעיל שניים מתוך שש אנטנות.המידע מקודד הן בשילוב של אנטנה פעילה והן הסמלים המועברים על כל אנטנה פעילה.זה מגביר את היעילות הקישוטית בהשוואה ל- SM סטנדרטי, בעוד שהוא עדיין דורש פחות שרשראות RF מאשר מלא MIMO, עם זאת, גדל באופן יחסי עם מספר אנטאבל עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, באופן יחסי פעיל של מחקר אנטנמוך.

Quadrature Spatial Modulation (QSM)

Quadrature Modulation פיצול את הסמל המועבר לתוך הphase (I) ואת quadrature (Q) רכיבים. כל רכיב מועבר מאנטנה שונה (או סט של אנטנה) זה מכפיל את מספר הממדים המרחביים הזמינים ללא צורך משאבים נוספים RF. QSM הוכח לספק יעילות ספקטרלית טובה יותר מאשר מגבלות חומרה זהות, במיוחד עבור מערכות עם מספר מתון של אנטנות עבור תהליך קלושטטיבי יותר עבור ביצועים.

עוד משתנים בלתי אפשריים

• (FLT:0) Shift Keying (SSK): פשט 1 ( SM פשוט שבו רק מדד האנטנה נושא מידע (אין מפולד / פלזה Modulation) שימושי כאשר פשוט על-off מפתח מספיק, כגון יישומים נמוכים IoT.
• (ב) ⁇ (ה-TCM): 0 (Trellis Coded Spatial Modulation) (TCSM): FLT:1 משלב trellis coding עם SM כדי להשיג רווח משותף ללא הרחבה רוחב פס.
• (FLT:0) שינוי ספארי (DSMOVA): 1 להימנע מצורך במידע מצב ערוצים (CSI) במקבל על ידי מידע אנתרופולוגיה ההבדל בין אינדיקציות אנטנה וסמלים. אידיאלי עבור ערוצים מהירים או תרחישים שבהם CSI אינו זמין.
• (FLT:0Media- Based Modulation (MBM): ההרחבה 1 (A) מושג הקשור לאינדקס האנטנה מוחלף על ידי מצב של אלמנט טפילי או מבנה אנטנה הניתן להגדרה מחדש. MBM יכול לספק יעילות רבה יותר ברמת המורכבות החומרית.

טכניקות לזיהוי עבור Modulation

(הגילוי המרבי של אנטנה פעילה) והסמל המועבר הוא האתגר המרכזי במערכות SM.הגל הגלאי האופטימלי הוא הסבירות המקסימלית (ML) הגלאי, אשר מחפש בכל שילובי אנטנה-סימבול אפשריים.עבור NFLT:0tuaFLT:1 אנטנה וקבוצת כוכבים M-R-FLT:2trated 3, בעוד ש-M-Forders (מחדש) יכול להיות מורכב מ-D) ו-DVertordertulation (מחדש) הוא במידה רבה יותר מ-D.

גילוי נאות מקסימלי

עבור וקטורן קיבל וקטור y וערוץ matrix H, גלאי ה-ML פותר

[=] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר ג'ים מנטרים את האנטנה הפעילה ו- x הוא סמל הקונסטלציה.החיפוש הוא ממצה, אך מכיוון ש-NearFLT:0tcioFLT:1 הוא בדרך כלל קטן עד בינוני (למשל, 4 עד 8), ML הוא אפשרי עבור הרבה הגדרות SM מעשי.

Sphere Decoding andצמצם את ה-Complexity Accesses

Sphere decoding מפחית את המורכבות של החיפוש על ידי רק בהתחשב נקודות המועמד בתוך יתר-ספירה ממוקדת על y. טכניקה זו יכולה לגשת ביצועי ML תוך צמצום באופן דרסטי של מספר חישובים. אלגוריתמים דינמיים מבדילים במיוחד עבור SM פותחו כי ניצול המבנה של התחום המרחב.

גלאי דחיסות נמוכה אחרים כוללים:

• (ב) (ב"ג) MMSEOVA): 1 בשימוש לאחר נציין את האנטנה הפעילה באמצעות שיטות מבוססות אנרגיה.
• (FLT:0) חומרים המבוססים על גלאיות: FLT:1 מכיוון שרק אנטנה אחת פעילה, הווקטור המשודר הוא ספאר. אלגוריתמים של CS כמו מרדף מתאים אורטוקונים (OMP) יכול ביעילות לשחזר את האנטנה הפעילה ואת הסמל.
• (FLT:0) למידה של גלאי עזר: רשתות ניאלר 1 (Nural networks) שהוכשרו על ערוץ וסטטיסטיקות רעש יכולות להופיע ליד ML זיהוי עם הרבה פחות שקיפות בהקצאה.

דרישות אסטיגמציה

רוב הגלאים SM דורשים ידע מדויק של ערוץ matrix H. estimation מבוסס הטייס, בשילוב עם אינטרפולציה עבור ערוצי זמן-varying, הוא נפוץ.ההשפעה של שגיאות estimation על ביצועים SM היא חמורה יותר מאשר ב- MIMO קונבנציונלי כי טעות בזיהוי האנטנה הפעיל יכול להוביל להחלטת סמל שגויה לחלוטין (גם אם הסמל עצמו הוא מדויק קוד).

ביצועים של Metrics ו- Trade-Offs

שיעור שגיאות (ER)

ביצועי BER של SM הם בדרך כלל ניתחו תחת ריילי או Rician fading. בהשוואה ל- MIMO קונבנציונלי עם אותה מספר אנטנה וכוח שידור הכולל, SM לעתים קרובות משיג יותר BER ביחס לאות נמוך (SNR) כי זה נמנע התערבות בין-אנטנה. ב-SNR גבוהה, הביצועים מוגבלים על ידי המינימום Euclidean בין המרחקים האפשריים, אשר תלוי גם על ידי ערוץ בין האנטים ודרמוסונים תלוי.

יעילות ואנרגיה ספקטרלית

(ב) יעילות ⁇ (SE) עבור ®SM (Dyph) היא ביטוי כ-Digital:0rea 2 (FLT:0rea 2) ,0ir2FLT:2 (NValph:0ir2FLT:0) bits to Channels (MLT) , לעומת 16:2xer) LT (F) LT) LT) , לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 16.

השפעה על שחיתות מינית

מתאם ספארי בין אנאנטנות שידור יכול לזלזל ביצועים SM כי המקלט עשוי להיות קושי להבחין אילו אנטנה הייתה פעילה.טכניקות כגון בחירת אנטנה, precoding, והשימוש של קודים בלוק זמן חלל אוטוקונים המשולבים עם SM הוצעו להילחם מתאם.בערוצים מתוחכמים מאוד, SM או QSM עשויים להיות מועדפים כי הם להפיץ את המידע על פני אנטנה מרובים, שיפור המגוון.

המונחים: Spatial Modulation

5G ומעבר

מודולציה Spatial נחשבת לפריצות תאים קטנות צפופות ב 5G שבו צריכת חשמל ועלויות לתחנת בסיס הם קריטיים. âbplexers של SM הם אטרקטיביים עבור ציוד משתמש ומכשירים IoT כי צריך לתמוך שיעורי נתונים בינוניים עם ניקוז אנרגיה מינימלית. במערכות MIMO מסיביות (שם NFLT:0tF1LT יכול להיות 64, 128 או יותר), ניתן ליישם את ה- SMIOS בפועל עבור אנטמאטמאטמאטורה פעילה.

האינטרנט של הדברים (IoT)

מכשירים רבים של IoT הם מופעלים על סוללות ומתקשרים באופן ספונטני.אדריכלות של SM-RF-שרשרת מאפשרת למכשירים אלה ליהנות מהיתרונות של אנאנטנות מרובות (רווחי אחדות, סודיות) ללא נטל הכוח של רשתות RF מרובות.עבורת חלל מפתח, בפרט, הוא מאוד פשוט ליישם על מיקרו-בקרים זולים ו הוצע לתקנים כמו ל-LRA ו- NB-IoT.

מילימטר-וייב תקשורת

מערכות גלקסיות (mmWave) מסתמכות על מערך אנטנה גדול כדי להתגבר על אובדן נתיב גבוה.עם זאת, יישום שרשרת RF מלאה לאנטנה ב- mmWave הוא יקר באופן בלתי חוקי. , מודולציה ספאטי עם אנלוגיה יכול לאפשר שידור כיוון באמצעות שרשרת RF אחת בלבד, צמצום עלות וכוח תוך השגת רווחים היברידיים המשלבים עם אדריכלות SMIFIRX מבטיחות: 1.

תקשורת אקוסטית תת-קרקעית

ערוצים אקוסטיים תת-ימיים (UWA) מאופיין על ידי רב-פתטיים חמורים ופסיבי רוחב פס מוגבלים. MIMO מאתגרים בשל הממדים הפיזיים הגדולים של אנטנה. SM מציעה דרך לשפר את התפוקה מבלי לדרוש מספר רב של טרנסנפורמטים נפרדים מרחביים.מחקר הראה כי SM יכול להכפיל את שיעור הנתונים של מערכות UWA קונבנציונליות תוך שמירה על עמידות מול רב-פת.

אתגרים ודרכים מחקר

גילוי המורכבות במערכות גדולות

בעוד ש- SMID הוא פשוט יותר מאשר גילוי MIMO מלא עבור מספר קטן של אנטנה, המורכבות גדלה באופן אקספוננציאלי עם NentiFLT:0 (0) ,0) בגלאי ה-ML של כוח-הכוח החריף (Lanve) עבור NFLT:2tuaFLT 3=64 ו- 16-QAM, מרחב החיפוש יש 1024 מועמדים, אשר מקובל, אך עבור 256-AM או קבוצות גדולות יותר, אפילו מכוונות ל-IQ או יותר, אפילו לאלגוריתמיות, הם הופכים לאלגוריתמים, אפילו לאלגוריתמים, והופכים לאלגוריתמים, כלומר, לאלגוריתמים, אפילו לאלגוריתמים גדולים יותר.

אינטגרציה עם MIMO-OFDM

חטיבת תדר אורתגונל (OFDM) משמשת בסטנדרטים אלחוטיים מודרניים ביותר.שלב SM עם DM מציג את האתגר של הבטחת כי מדד האנטנה הפעיל נשאר קבוע על פני כל תת-קררים כדי להימנע מהתערבות בין-carrier מאנטנות שונות. "מודולציה ראשונית של DM" (SM-OFDM) נחקרה, ועיצובים כי תת-קבוצות לתוך אותו גודל של אנטנות פעיל בין גודלומטרהמרכזי של מדד הוצעו לבין גודלו של תחום מחקר.

מצבי חירום קשים ובעיות מעשיות

רשתות RF אמיתיות סובלות מרעש שלב, מגברות לא לינאריות, ואי איזון I/Q. ליקויים אלה יכולים להפיג ביצועים SM חמורים יותר מאשר MIMO קונבנציונלי כי המקלט חייב לא רק להעריך את הערוץ אלא גם לזהות את אלגוריתמי האנטנה הפעילה.

משטחים חכמים (RIS) ו- SM

טכנולוגיית RIS מאפשרת השתקפות פסיבית של אותות עם שינויים שלב סבירים.שלב SM במדר עם RIS יכול להגדיל את יעילות ספקטרלית על ידי שימוש RIS כדי ליצור ממדים מרחביים וירטואליים נוספים.מדד האנטנה הפעיל ניתן לפענח מן השילוב של אנטנה משדר ותצורת RIS, ביעילות להרחיב את קבוצת הכוכבים המרחבית.

תחזית עתיד

מודולציה Spatial אינה מושג אקדמי גרידא; מערכות אבטיפוס נבנות ונבדקו.עם דחיפה הגוברת של פתרונות אלחוטיים יעילים ויעילים עבור IoT, ערים חכמות, ו-6G, SM הוא היטב להיות תכונה סטנדרטית במכשירים עתידיים.האבולוציה של MIMO מסיבי, יחד עם טכנולוגיית למידה ו-RIS, סביר להניח יניב ארכיטקטורציות היברידיות חדשות המשלבות עקרונות SM כמו גלאיים בהדרגה, כדי לשפר את האלגוריתמים מעשיים, אשר בהדרגה, אשר יש לשפר את האלגוריתמים מעשיים, לאחר מכן, לאחר מכן, אשר בהדרגה, כי הם אלגוריתמים מורכבים יותר, אשר בהדרגה, כי הם אלגוריתמים של אלגוריתמים מורכבים יותר, אשר יש לשפר את האלגוריתמים מורכבים יותר, אשר בהדרגה, כי הם אלגוריתמים מורכבים יותר, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, כדי לשפר את האלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים חומרים מגנטיים.

עבור מהנדסים וחוקרים, הבנת מודולציה מרחבית חיונית לתכנון הדור הבא של מערכות תקשורת שחייבות איזון ביצועים, עלות וכוח.הטכניקה מוכיחה שלפעמים "פחות זה יותר" - על ידי הפעלת רוב האנטנה ומידע חכם זהותם, אנו יכולים להשיג פתרונות אלגנטיים לבעיות מורכבות.

מסקנה

מודולציה Spatial מציגה אלטרנטיבה משכנעת ל- MIMO קונבנציונלי על ידי צמצום המורכבות החומרה, צריכת החשמל, והתערבות בין-נטנה תוך מתן יעילות ספקטרלית תחרותית ורווחי מגוון שלה - מ- SM בסיסי ל- GSM, QSM ומעבר - הטכניקה מתאימה לדרישות מערכת שונות ותנאי זיהוי ערוצים.

ככל שמערכות אלחוטיות מתפתחות לקראת 6G וקישוריות מסיבית, מודולציה מרחבית ונגזרותיה עשויים לשחק תפקיד אינטגרלי.הם מציעים נתיב פרגמטי למינוף אנטנות מרובות באנרגיות מאופקות, סביבות רגישות בעלות ללא ביצוע מקרי הקרבה.שילוב של SM עם טכנולוגיות מתפתחות אחרות כמו RIS ו- mmWave מבטיח לפתוח פוטנציאל גדול עוד יותר.

(ב) סקר של טכניקות מודולציה מרחביות, ראה את מדריך IEEE מקיף זה.