MIMO Systems'de Spasal Modulation'a Giriş

Multipl Access Multi Çıkış (MIMO) teknolojisi, hem de alıcı hem de alıcıda birden çok antenin temelsel olarak veriyi çeşitli kazanımlar yoluyla artırmaktadır. Ancak geleneksel MIMO mimarileri, birden fazla anteni kullanan ve devre karmaşıklığını kullanarak, yüksek çözünürlükte birden fazla anteni dağıtarak, yüksek çözünürlükte otomatik olarak genişletir.

Uzaylı modulation, sadece bir iletiyi gönderen anten, herhangi bir sembol döneminde aktiftir. Bilgileri sadece geleneksel modulation (e.g., QAM veya PSK) ancak aynı zamanda aktif olarak etkinleştirilen özel antenin indeksi ile yapılır.Bu çift encoding mekanizması SM'nin birden fazla RF zincir gerektiren tek bir MIMO'dan daha yüksek derinlemesine performansa ulaşmalarına olanak sağlar.

2000'lerin başlarında piyasaya sürülmesinden bu yana, uzaysal modülasyon geniş kapsamlı araştırma ilgi gördü ve büyük MIMO, milimetre-yoğu iletişim ve Nesnelerin İnterneti (IoT) dağıtımları da dahil olmak üzere gelecekteki kablosuz sistemler için güçlü bir aday olarak kabul edildi.

Spasal Modulation'ın Temel İlkeleri

Spasal Modulation Nasıl Çalışır

[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=0)[FONT=0)[FONT=0))[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=[FONT=))[FONT=[FONT=FONT=FONT=I][/FONT=))[FONT=[FONT=[FONT=)))[tr|S FONT=[FONT=))))))))))))))))))))))))))[tr|SÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ

  • [FONT=0)Modulation bits:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) Bunlar geleneksel bir takımyıldız sembolüne (örneğin 16-QAM) haritalanmıştır.
  • [FONT:0) Uzaylı bitler:[Dönemli:[Dönemli) Bu, antenin bu sembolü yayacağı anlamına gelir. Uzaylı bitleri sayısı log[D:2).2).

Örneğin, dört kanallı antenle (N)[M) = 4), iki uzaylı bitleri, M-QAM modulation ile bir araya gelerek, kanal kullanımı için toplam sayının sayısı ).

Konvansiyonel MIMO ile Karşılaştırma

FeatureConventional Spatial Multiplexing MIMOSpatial Modulation MIMO
Number of active antennas per symbolAll Nt1
Required RF chainsNt1 (or very few)
Inter‑antenna interferenceHigh (requires advanced MIMO detection)None (only one active antenna)
Transceiver complexityHighLow
Power consumptionHighLow
Spectral efficiencyHigh (directly proportional to Nt)Moderate (depends on log2(Nt) + log2(M))
Error performance under correlated channelsDegrades significantlyMore robust

SM'nin anahtar ticaret-off, aynı sayıda anten için tam anlamıyla MIMO'dan daha düşük ⁇ verimliliğini elde etmenin, ancak çok daha basit donanımla ilgilidir. Birçok pratik senaryoda - özellikle de sıkı güç veya maliyet kısıtlamaları olan bu ticaret-off son derece arzu edilir.

Spasal Modulation

Genelleştirilmiş Spasal Modülasyon (GSM)

Genelleştirilmiş Spasal Modülasyon, her aktif antenin her ikisinde de en çok kullanılan ve her aktif antenin birleşimini genişleterek temel SM konseptini genişleterek genişleterek genişletebilir.Örneğin, bir GSM sistemi altı antenden iki tane etkinleştirebilir.

Quadrature Spasal Modulation (QSM)

Quadrature Spasal Modulation, sembolün otomatik olarak (I) ve dörtlü (Q) bileşenleri ile bir araya getirilir (veya anten seti) Bu çiftler, ek RF kaynakları gerektirmeden mevcut olan uzaysal boyutlardaki boyutların sayısını ikiye ayırır. QSM, özellikle de farklı bir anten sayısına sahip sistemler için daha iyi donanım kısıtlamaları sağlamak için gösterilmiştir.

Diğer Notable Variants

  • [FONT=0) Uzay Değiştirilmesi (SSK): ), sadece anten indeksinin bilgi taşıdığı basitleştirilmiş bir SM (gplity/faksiyonlama) yeterince basit olduğunda, düşük seviyeli IoT uygulamaları gibi basit bir şekilde.
  • [FONT=0)Trellis Coded Spatial Modulation (TCSM):[Dönetici:[Dönetici: 1) Komellis kodlamasını genişleterek kodlama kazanabilmek için SM ile kodlama kazanır.
  • [DSM: [DSM: [DSM: [DSM: 1) Kanal durumu bilgisi (CSI) alıcının başarı antenleri ve sembolleri arasındaki farkdaki bilgilerini kullanarak kanal durumunu önleme ihtiyacından kaçınır.
  • [FONT:0)Media-Based Modulation (MBM): ), Anten indeksinin parasitik bir elementin veya yeniden yapılandırılabilir anten yapısının durumu tarafından değiştirildiği ilgili bir konsept. MBM, donanım karmaşıklığının maliyetine daha yüksek ⁇ verimliliği sağlayabilir.

Spasal Modülasyon için Analiz Teknikleri

Her iki aktif antenin (s) ve bu aradaki sembolün doğru tespiti SM sistemlerindeki merkezi meydan okumadır.[P) En iyi ölçümleme cihazıdır.[FONT][/FONT) için en iyi performansa sahiptir[Döneticileri ve bir M-ary takımyıldızı, arama alanı N büyüklüğüne sahiptir).)

En Fazla Yardımcılık Tespiti

Verilen bir vektör y ve kanal matrix H, ML dedektörleri çözer

[ ⁇ , x ⁇ ] = arg min[DÜye:0) x[DÜye, x[DÜye: 2)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)

Aktif anten ve x'in takım sembolü olduğu yerde arama yorucudur, ancak N)t) genellikle orta (örneğin, 4 ila 8, ML algılaması birçok pratik SM kurulum için mümkün.

Sphere Dekoding ve Azaltılmış-Komşiyet Yaklaşımları

Sphere decoding, arama karmaşıklığını yalnızca arayındaki hiper-süre merkezi içinde dikkate alarak azaltır. Bu teknik, ML performanslarına büyük ölçüde yaklaşabilir ve SM için uyarlanan dinamik alan dekoding algoritmaları, uzaysal alanın yapısını sömürülmüş durumda.

Diğer düşükkomplexite demetleri şunları içerir:

  • [FONT:0)Linear dedektörleri (ZF, MMSE): [Döneticileri enerji bazlı yöntemlerle aktif anteni ilk tahmin ettikten sonra kullanılır. Bunlar suboptimal ama çok basit.
  • [FONT:0)Comprepreed detectg (CS) temelli dektörler:[FONTT:1) Sadece bir anten aktif olduğundan, bu tür vektörler, canlı eşleştirme arayışı gibi CS algoritmaları (OMP) aktif anten ve sembolünü verimli bir şekilde kurtarabilir.
  • [FONT:0) Deep learning helped dektörler: Kanal ve gürültü istatistikleri üzerinde eğitilmiş Neural ağları, gecikme gecikmeli çok daha düşük verimle yakın tespit edilebilir.Konvolutional ve recurrent architectures, SM ve GSM için araştırılmıştır.

Kanal Estimation Gereksinimler

Çoğu SM dedektörleri, kanal matrix H. Pilot tabanlı tahminlerin doğru bilgi gerektirir, zaman alıcı kanallar için interpolasyonla birlikte, genellikle SM performansındaki tahmin hataların etkisi, geleneksel MIMO'da olduğundan daha ciddidir, çünkü aktif bir antenin tespit edilmesinde bir hata tamamen yanlış bir sembolüne yol açabilir (bu sembolün kendisi doğru şekilde kodlanmış Araştırmanın doğru şekilde kodlanmış olması durumunda bile).

Performans Metrikleri ve Ticaret-Offs

Bit Error Rate (BER)

SM'nin performansı genellikle Rayleigh veya Rician fading altında analiz edilir. Yüksek SNR'de, performans mümkün olan en az Euclidean mesafe ile sınırlıdır, bu da her iki modda da daha iyi BERLEŞTİRMECİRE ve kanal korelasyon oranına bağlıdır.

Spectral Verimlilik ve Enerji Verimliliği

SM için Spectral verimlilik (SE) log olarak ifade edilir[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:2[Dönetici: 3)[Dönetici[Dönetici[Dönetici: 4 )[Dönetici: 9/[Dönetici)) [Dönetici: 9/[D)))[değiştir | kaynağı değiştir][değiştir | kaynağı değiştir][değiştir | kaynağı değiştir]

Spasal Korrelasyon Etkisi

Antenler iletilen uzaysal korelasyon SM performansını bozabilir çünkü alıcı hangi antenin aktif olduğunu ayırt edebilir. Anten seçimi, precoding ve SM ile entegre edilen ortogonal uzay-zaman blok kodlarının kullanımı, çok korelasyonlu kanallarda, genelleştirilmiş SM veya QSM'nin tercih edilebilir olduğu için, birden çok antenle bilgi yayılabilir ve çeşitliliğini geliştirirler.

Spatial Modulation of Spatial Modulation of Spatial Modulation

5G ve Ötesinde

Spasal modulation, 5G'de yoğun küçük hücre dağıtımları için kabul edilir ve temel istasyon başına maliyet kritiktir. SM'nin düşük seviyeli transkriptleri, aslında aktif olan kullanıcı ekipman ve IoT cihazları için caziptir - büyük MIMO sistemlerinde (N)

Nesnelerin İnterneti (IoT)

Birçok IoT cihazı bataryaya güçleniyor ve sporatik olarak iletişim kuruyor. SM'nin tek başına, düşük maliyetli mikro kontroller üzerinde uygulama yapmak ve LoRa ve NBIoT gibi standartların tadını çıkarmaları çok basit.

MillimeterWave İletişim

Millimeter dalgası (mmWave) sistemleri, yüksek yol kaybının üstesinden gelmek için büyük anten dizilerine güveniyor. Ancak, mmWave'de tam bir RF zinciri uygulamak yasaklanmıştır.Bu arXiv makaleyi kontrol etmek için SM'yi mmWave için.) için yükleyici olarak azaltılabilir.

Sualtı Akustik İletişim

Sualtı akustik (UWA) kanalları ciddi multipath ve sınırlı bant genişliği ile karakterize edilir. MIMO antenlerin büyük fiziksel boyutları nedeniyle zorlanır. SM, birden fazla uzaysal olarak ayrı transducers gerektiren bir şekilde geliştirmek için bir yol sunar. Araştırma, SM'nin çok fazla empatiye dayanıklılığını sürdürmesi sırasında geleneksel UWA sistemlerinin verilerini ikiye katlayabilir.

Mevcut Zorluklar ve Araştırma Yolları

Büyük sistemlerde karmaşıklık

SM algılama küçük sayıda anten için tam MIMO algılaması daha basit olsa da, karmaşıklık N) ile üst üste büyür (FLT:1) için brute-force MLD (D) için, N) için ) = 64 ve 16-QAM, arama alanı kabul edilebilir 1024 adayı vardır, ancak 256QAM veya daha büyük takımyıldızlar için büyük hale gelir.

MIMO-OFDM ile entegrasyon

Orthogonal frekansı birden çokxing (OF) çoğu modern kablosuz standartlarda kullanılır.Eleşimli SM ile birlikte, aktif anten indeksinin tüm altkarrierlerin blok büyüklüğü ve ⁇ verimliliğini önlemek için sürekli olarak kalmasını sağlamak için altta yatanlar için altta kalır.

Donanım İmairleri ve Pratik Sorunlar

Gerçek RF zincirleri faz gürültüsünden muzdarip, doğrusal olmayan olmayanlıkları ve I/Q dengesizlikleri. Bu bozukluk SM performanslarını geleneksel MIMO'dan daha ağır bir şekilde ele alabilir, çünkü alıcı sadece kanalı tahmin etmemelidir, ancak aktif anteni de tanımlamak zorundadır. Kalibrasyon algoritmaları ve sağlam modulation şemaları bu sorunları azaltmak için geliştirilir.

Yeniden yapılandırılabilir Akıllı Yüzeyler (RIS) ve SM

RIS teknolojisi, RIS ile verici faz geçişleri ile sinyalleri pasif yansımalarına izin verir. RIS ile verici bir RIS ile RIS'nın aynı güç bütçesinde geleneksel SM'yi kullanabileceğini önerir. Aktif anten indeksi verici ve RIS konfigürasyonu kombinasyonundan kodlanabilir, uzaysal takımyıldızı etkili bir şekilde genişletilebilir.

Future Outlook

Spasal modulation artık tamamen akademik bir konsept değildir; prototip sistemleri inşa edilmiş ve test edilmiştir. Enerji verimli, akıllı şehirler ve 6G için uygun maliyetli kablosuz çözümler için, SM, gelecekteki cihazlarda standart bir özellik haline gelmeye devam etmektedir. Makine öğrenimi ve RIS teknolojisi ile çiftleşmiştir, muhtemelen ilkeleri içeren yeni hibrit mimariler için maliyetle modernize olacaktır.

Mühendisler ve araştırmacılar için, uzaysal modülasyon, performans, maliyet ve güç dengelemesi gereken bir sonraki iletişim sistemlerini tasarlamak için önemlidir. Teknik bazen “daha fazla” olduğunu gösteriyor - çoğu anten ve akıllı olarak en karmaşık problemlere zarif çözümler elde edebiliyoruz.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Spasal modulation, donanım karmaşıklığı, güç tüketimi ve inter-antenna müdahalesini azaltarak geleneksel MIMO'ya karşı zorlayıcı bir alternatif sunar.Özellikle rekabetçi ⁇ verimliliği ve çeşitliliği kazanırken, çeşitli yetersizlikler - temel SM'den GSM, QSM ve ötesinden - teknik farklı sistem gereksinimlerine ve kanal koşullarına uyum sağlar.

Kablosuz sistemler 6G ve büyük bağlantıya doğru geliştikçe, uzaysal modülasyon ve türevlerin integral bir rol oynaması muhtemel. Tüm bu nedenlerle, uzaysal modülasyon, kablosuz iletişim alanında birçok antenin kullanılmasını sağlamak için pragmatik bir yol sunuyor.

[0]Yerel modülasyon tekniklerinin bir araştırması için, bu kapsamlı IEEE öğreticisini bakınız.[DÜT:1).