毛一聰，王惠琴，張 悅，曹明華

光空間調制技術的研究進展

毛一聰，王惠琴*，張 悅，曹明華

蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅 蘭州 730050

光空間調制(OSM)作為一種新型的光多輸入多輸出(OMIMO)技術，利用空間域激光器索引號額外攜帶信息，有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率和能量效率；同時，由于每符號周期僅激活一個激光器傳遞信息，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。本文首先介紹了現有的幾種光空間調制技術，概括和總結其在國內外的研究現狀。此外，從傳輸速率、頻譜效率、誤碼率(BER)和計算復雜度等四個方面對現有的OSM、光空移鍵控(OSSK)、增強型光空間調制(EOSM)和差分光空間調制(DOSM)等方案進行了比較分析。最后，指出了OSM中亟需解決的關鍵性問題及其未來的發(fā)展方向。

無線光通信；光空間調制；傳輸速率；誤碼率

1 引 言

隨著終端用戶數和數據業(yè)務量的指數增長，不僅骨干網面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，而且對接入網技術也提出了新的要求。相較于射頻技術，無線光通信(wireless optical communication，WOC)具有帶寬不受限，安全性強和靈活易架構的優(yōu)勢，作為一種全新的接入網技術引起了業(yè)界的廣泛關注[1]。但是，大氣湍流和復雜多變的信道環(huán)境所引起的信號衰落是影響WOC系統(tǒng)性能的主要因素。為了克服WOC系統(tǒng)中衰落對鏈路性能的影響，光多輸入多輸出(optical multiple input multiple output，OMIMO)技術應運而生[2-3]。OMIMO技術充分利用空間分集在收發(fā)兩端通過多個光學天線同時收發(fā)多個并行的獨立數據子流，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]。但因同時激活多個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，這將嚴重影響OMIMO技術在實際通信中的推廣應用[5]。

近年來，OMIMO技術不斷地與各種新技術相結合，使得系統(tǒng)在獲得OMIMO信道所能達到的自由度的同時，較好地取得了誤碼率(bit error rate，BER)、計算復雜度以及傳輸速率之間的平衡，從而實現系統(tǒng)性能的最優(yōu)[6]。光空間調制(optical spatial modulation，OSM)作為一種新型的OMIMO技術，它不僅利用傳統(tǒng)的調制符號傳輸信息，而且還將一部分信息隱含于激光器索引號中，使激光器索引號成為一種額外數據信息的攜帶方式[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，由于每個符號周期只有一個激光器工作，降低了檢測復雜度和鏈路成本，同時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，已有文獻明確指出空間調制是未來大規(guī)模MIMO技術發(fā)展的方向[10-11]。

基于上述優(yōu)點，OSM是一個發(fā)展前景十分廣闊，且可應用到多種場合的OMIMO技術[12]。同時，隨著5G的快速發(fā)展以及大規(guī)模MIMO技術的深入研究，空間調制以其自身特有的優(yōu)勢有望成為5G物理層的核心技術之一。為滿足不同的需求，目前已經出現了光空移鍵控(optical space shift keying，OSSK)、增強型光空間調制(enhanced optical spatial modulation，EOSM)和差分光空間調制(differential optical spatial modulation，DOSM)等改進的光空間調制技術。其中，OSSK是OSM一種簡化形式，僅僅利用激活激光器的索引號傳輸信息，其特點是結構簡單，計算復雜度低。增強型光空間調制通過每次激活少量激光器傳輸信息，進一步提高了系統(tǒng)的傳輸速率并打破了激光器數目必須為2的整數次冪的限制。上述的OSM方案都是假設在收發(fā)兩端可以獲得精確的信道狀態(tài)信息，然而復雜多變的大氣信道使得信道估計變得困難。差分光空間技術的提出有效避免信道估計的需要，在高速移動的場景下獲得較好的性能。因此，本文針對WOC領域中已有的OSM方案的原理和發(fā)展現狀進行介紹，并分析比較了不同方案在BER、傳輸速率和計算復雜度等性能方面的特點。同時，指出了光空間調制研究中需要解決的關鍵問題，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。

2 幾種光空間調制

光空間調制又被視為一種多維調制技術，和傳統(tǒng)的數字調制技術相比，光空間調制引入第三維度，即空間維度。它將激光器的索引號作為新的映射資源，通過建立不同輸入比特與激光器索引號間的映射關系，達到空間調制的目的[8]?？臻g調制的思想在射頻領域中得到了快速發(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WOC領域的廣泛關注以及微電子技術和LED照明技術的發(fā)展，英國愛丁堡大學的Mesleh和Haas教授首次將空間調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性問題[13-15]。后來，空間調制在WOC領域得到了初步發(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狀。

2.1 光空間調制

OSM在每一符號周期內僅有一個激光器被激活。此時，不僅采用傳統(tǒng)的調制符號傳遞信息，而且還利用激活激光器的索引號額外攜帶信息。對于一個有t個激光器，r個光電探測器的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維的符號向量，是被激活的激光器索引號，?[1:t]。x為進制星座符號中的第個符號，?[1:]。調制后的信號由光學發(fā)送天線發(fā)出，經大氣信道和光學接收天線后由光電探測器接收。假設接收到的信號為

如何從中估計出原始發(fā)射符號是信號檢測的關鍵。假設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)準則進行信號檢測。其準則為

空間調制以其獨特的優(yōu)勢，使其在WOC領域中受到了廣泛關注。目前，有關OSM在VLC中的研究主要是針對如何提高系統(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[16]將SM技術與高能量效率的脈沖位置調制(pulse position modulation，PPM)相結合，提出了空間脈沖位置調制(spatial pulse position modulation，SPPM)。同時，文獻[17]分析了OSM中的同步問題對傳輸性能的影響。文獻[18]討論了由多徑信道引起的符號間干擾(inter-symbol interference，ISI)對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[19]將SM技術與高頻譜效率的脈沖幅度調制(pulse amplitude modulation，PAM)相結合，提出了空間脈沖幅度調制(spatial pulse amplitude modulation，SPAM)，進一步提升了系統(tǒng)的頻譜效率。針對室內相關性信道，文獻[20-21]將不同的編碼技術與空間調制相結合，分別提出了網格編碼空間調制(TCSM)方案和分層空時編碼空間調制方案，進一步提高了系統(tǒng)性能。

上述文獻都是采用靜態(tài)模型方法進行分析，在高速變化的場景并不適用。因此，文獻[22]提出了適合于大規(guī)模MIMO-VLC的自適應空間調制，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[23]和[24]分別提出調制階數可變和激活激光器數目可變的自適應空間調制(adaptive spatial modulation，ASM)。ASM較好地改善了系統(tǒng)的誤碼性能，但接收端信號檢測的復雜度隨之增加。后來，針對OSM系統(tǒng)，文獻[25]提出了自適應功率分配算法，保證移動用戶獲得了最佳性能，同時降低了系統(tǒng)復雜度。

相較于VLC系統(tǒng)，室外光通信中OSM技術的發(fā)展相對較晚。由于室外信道環(huán)境更加復雜多變，有關室外光通信系統(tǒng)中OSM的研究主要集中在考慮通信鏈路中各因素(湍流、衰減和瞄準誤差)對系統(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[26]首次把SPPM方案應用到室外大氣激光通信中，綜合考慮幾何擴展、大氣湍流和瞄準誤差等因素，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系統(tǒng)的影響。隨后，文獻[27]將OSM與具有更高能量效率與頻譜效率的多進制脈沖位置-脈沖幅度聯合調制(pulse position-amplitude modulation，PPAM)相結合，提出一種空間脈沖位置-幅度調制(spatial pulse position-amplitude modulation，SPPAM)方案，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。同時，分別推導了log-normal與Gamma-Gamma衰落信道模型下的理論誤碼率，為室外OSM的推進提供了理論依據。文獻[28]針對不相關Gamma-Gamma衰落信道，分析了使用SPPM的幾何擴展對WOC系統(tǒng)性能的影響。在此基礎上，文獻[29]利用泊松計數模型推導了Gamma-Gamma信道模型下SPPM理論誤碼率表達式，并構造了自適應閉環(huán)OSM系統(tǒng)。相對于開環(huán)OSM，該系統(tǒng)在一定程度上提高了系統(tǒng)的誤碼性能。上述文獻較好地研究了不同光空間調制方案的系統(tǒng)性能，但在接收端譯碼時均采用了ML譯碼算法。雖然ML性能優(yōu)秀，但譯碼復雜度高，這就限制了它在實際中的應用。為此，文獻[30]針對SPPM方案，結合發(fā)送信號的稀疏性，提出了一種基于壓縮感知的信號檢測方法，極大地降低了譯碼算法的復雜度。除此之外，文獻[31]根據PAM的雙極性把OSM空間域的激光器分成兩部分，并結合線性最小均方誤差(minimum mean square error，MMSE)譯碼方法而設計了一種低復雜度適合于OSM的接收機算法。

2.2 光空移鍵控

OSSK作為一種特殊的光空間調制技術，僅利用激活激光器的索引號來傳輸信息。因此，OSSK在有效地避免了ICI和IAS的基礎之上，進一步降低了收發(fā)系統(tǒng)的復雜度。由于OSSK具有結構簡單、復雜度低等優(yōu)勢，一經提出后便獲得了學術界的廣泛關注。

目前，VLC領域中有關OSSK的研究，主要集中在研究光源和探測器的個數、布局和映射方式等因素對系統(tǒng)性能的影響[32-33]。然而，相對于靜態(tài)而穩(wěn)定的室內光信道而言，大氣信道具有更強的隨機性和空間相關性。鑒于此，Mohamed等[34-35]在深入理解OSSK原理的基礎上，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。隨后，Anshul等[36-37]分別針對Gamma-Gamma和negative-exponential衰落信道，推導出了OSSK系統(tǒng)的ABER和平均信道容量表達式，并分析了湍流強度和發(fā)送天線數對OSSK系統(tǒng)性能的影響。

上述文獻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——瞄準誤差對系統(tǒng)性能的影響。為此，文獻[38-40]針對log-normal、Gamma-Gamma和negative-exponential三種衰落信道，研究了大氣湍流和瞄準誤差聯合效應對OSSK系統(tǒng)誤碼率和信道容量的影響。研究結果表明，在實際通信中，OSSK受瞄準誤差影響較小，而且其系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于MIMO-PAM系統(tǒng)。后來，文獻[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地調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調制方案未充分體現出數字域調制方式的優(yōu)勢，導致其系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率的提升受限。因此，大量學者致力于尋找具有更高傳輸速率和更低復雜度的OSSK優(yōu)化方案。

2.3 增強型光空間調制

雖然OSM和OSSK有效避免了傳統(tǒng)OMIMO中存在的ICI和IAS問題，但由于其每個符號周期僅激活一個激光器，使空間資源利用率受限，同時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，目前大量學者致力于研究集空時編碼、空間復用和空間調制優(yōu)點于一身的增強型光空間調制。其中，廣義光空間調制(generalized optical spatial modulation，GOSM)是增強型光空間調制中重要的分支，其特點是在每一符號周期內可同時激活少量激光器，并通過在激活的激光器上加載相同或不同的調制符號來進一步提升系統(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

廣義光空間調制利用激光器的組合來傳遞信息。目前，在VLC領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的一種簡化形式[42]，得到了廣泛的應用。文獻[43]采用自適應控制法提出了一種自適應的GOSSK方法。文獻[44-45]分別分析了非相關和相關信道下GOSSK調制的誤碼率。在此基礎之上，針對相關信道，文獻[46-47]以成對錯誤概率為依據，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則的天線組選擇算法。后來，文獻[48]明確指出了GOSSK技術在室內可見光通信中的應用價值。同年，文獻[49]采用歐氏距離最小化的方式提出了一種預編碼的改進方案，進一步改善了GOSSK調制系統(tǒng)的誤碼性能。文獻[50]采用OOK方式設計并實現了一個GOSSK的系統(tǒng)，成功地驗證了GSSK技術在光通信領域的應用價值。

雖然GOSSK獲得了一定的頻譜效率和能量效率，但因傳統(tǒng)調制方式未攜帶信息而導致系統(tǒng)的傳輸速率受限。為此，文獻[51]通過同時激活少量激光器，并在激活的激光器上加載相同的PPM調制符號，構建了一種廣義空間脈沖位置調制(generalized spatial pulse position modulation，GSPPM)系統(tǒng)。文獻[52]通過同時激活兩個或多個激光器，并在激活的激光器上分別加載不同的PAM調制符號，從而構建了廣義空間脈沖幅度調制(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，同時解決了OSM和OSSK中激光器數目必須為2的整數次冪的限制?；贕OSM的優(yōu)勢，文獻[53]利用信道狀態(tài)信息，基于接收信號最小歐氏距離最大化準則，提出了一種自適應廣義空間調制方案，該方法有效地提高了系統(tǒng)性能。文獻[54]比較分析了OSSK、GOSSK、OSM、GOSM等幾種空間調制的誤碼性能，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[55]在發(fā)送端未知信道狀態(tài)信息的情況下，提出一種空間復用與空間調制相結合的復用型廣義空間調制。文獻[56-58]分別將索引調制(index modulation，IM)與正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing modulation，OFDM)、MIMO、MIMO-OFDM相結合，提出了適合于室內可見光通信的高性能的廣義空間調制。文獻[59]針對采用PAM調制提出了基于最優(yōu)星座映射的廣義空間調制，但其要求激活天線的數量必須是2的冪次方。為此，文獻[60]采用分組的方式提出了一種改進的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擴展到了室外大氣激光通信，并針對大氣信道的特點展開了相關研究[61-63]。文獻[61]構建了log-normal衰落信道下的GOSM方案。它通過每時刻激活兩個激光器，并在激活激光器上加載PPM調制符號來進行信息傳遞。同時，針對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雜度。在此基礎上，為了進一步提高空間資源的利用率和系統(tǒng)的傳輸速率，學者們還研究了其它的增強型光空間調制[62-63]。其中，文獻[62]將分層的思想與OSM相結合，提出了一種分層光空間調制系統(tǒng)。通過將激光器分為2層，每層激活一個激光器，并在激活的激光器上分別加載不同的PPM和PAM調制符號來提高系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率。文獻[63]通過每次激活一個或兩個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目可變的光空間調制系統(tǒng)，達到了有效提高系統(tǒng)的傳輸速率和誤碼性能的目的。目前，有關增強型光空間調制及其相關技術的研究仍在不斷發(fā)展和深入，新的研究成果將會繼續(xù)出現。

2.4 差分光空間調制

在上述有關光空間調制的研究中，為了在接收端準確的檢測出發(fā)送信號，接收端需要提前已知CSI。要獲得精確的CSI就需要復雜的信道估計，這就大大增加了系統(tǒng)實現的難度[39]。另外，即使獲得了CSI，原始的比特信息也由于信道時變性和隨機性未必能完全恢復。鑒于此，差分空間調制應運而生[64]。文獻[64]結合PAM首次提出了差分光空間調制(DOSM-PAM)方案，并針對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[64]不僅提出了差分空間調制，而且通過分類討論方法分析了誤碼性能和分集增益，得到了激光器數目為2時，DOSM-PAM系統(tǒng)的理論平均誤碼率和理論分集增益。同時，針對2-ary PAM的星座映射，得出了在幅度比為0.6時的誤碼率性能最佳的結論。另外，文獻[64]還提出了一種結構更為簡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

針對現有的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，其結果如表1和圖4所示。其中，表1列出了六種不同光空間調制方案的傳輸速率、頻譜效率和計算復雜度。

由表1可見，t和調制階數是影響各系統(tǒng)傳輸速率和頻譜效率的關鍵因素。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，當頻譜效率一定時，OSSK的傳輸速率最低。當t和調制階數固定時，GSPPM的傳輸速率最大，而SPPAM與DOSM的傳輸速率視t與調制階數的具體值而定，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)復雜度除了與t和調制階數有關外，還與r有關，但t和調制階數是影響計算復雜度的主要因素。當t和調制階數固定時，比較各系統(tǒng)的計算復雜度可得，GSPPM方案的計算復雜度最高而OSSK的計算復雜度最低。

圖3 DOSM系統(tǒng)模型

表1 不同光空間調制方案的傳輸速率、頻譜效率和復雜度

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

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)的計算復雜度，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，但卻犧牲了計算復雜度與誤碼性能。因此，上述六種不同的光空間調制方案各有特點，在實際應用中需根據實際情況進行選擇。

圖5 不同的S.I.下不同OSM系統(tǒng)誤碼率性能對比

在湍流信道中，閃爍指數S.I.用來衡量大氣湍流引起的光強起伏的強弱。從圖5中可以得出：隨著S.I.的增大，湍流強度對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BER=10-3時，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，弱湍流雖然對誤碼性能有一定影響，但是影響較小。

4 總結與展望

隨著人們對大容量、高速率通信系統(tǒng)的迫切需求，具有高能效、低復雜度的空間調制應運而生。作為一種新型的光MIMO技術，光空間調制利用空間域的激光器索引號攜帶額外信息，將傳統(tǒng)的二維調制擴展到多維，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的備選方案。同時光空間調制的理論研究為即將開展的實驗具有一定的指導價值。

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

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

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

基于光空間調制技術的高能量效率的優(yōu)勢，未來其在WOC領域大規(guī)模MIMO用戶、多用戶多小區(qū)MIMO通信中有重大的應用前景。光空間調制利用激光器的空間相對位置額外攜帶信息，不僅提高了傳輸速率，而且為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的發(fā)射端設計節(jié)省功耗。隨著大規(guī)模光MIMO技術的不斷深入發(fā)展，僅僅依靠空間域索引和數字域調制不能滿足當前的通信需求。因此，將光空間調制與其他技術相結合，不斷提高光通信系統(tǒng)的速率和容量，也是未來光空間調制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢之一。在此基礎之上，將光空間調制技術中“索引”的概念進行拓展，提出廣義化的索引調制。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基金項目：國家自然科學基金資助項目(61861026, 61875080)

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

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

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

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

* E-mail: whq1222@lut.cn