无线通信中空间调制MIMO技术的研究现状与展望

虞湘宾 邱赛男 王 丞

(南京航空航天大学电子信息工程学院，南京，210016)

无线通信中空间调制MIMO技术的研究现状与展望

虞湘宾 邱赛男 王 丞

(南京航空航天大学电子信息工程学院，南京，210016)

空间调制(Spatial modulation，SM)技术借助于天线序号“隐形”地传输信息，能够获得高数据传输速率，而且可有效克服信道间的干扰和同步问题，降低系统的实现复杂度。多输入多输出(Multiple input multiple output，MIMO)技术，能够极大地提高无线通信系统的容量和频谱效率。为了满足无线通信系统高质量和高速率的要求，将SM和MIMO技术有效结合，SM-MIMO技术应运而生，成为近年来无线通信领域研究的热点方向。本文从基本原理和性能分析两方面介绍了SM-MIMO技术及其研究现状，并且探讨了SM-MIMO技术的应用前景。同时也对近年来国内外研究团队在SM-MIMO方面的研究成果进行了综述和概括，最后对该领域的未来研究工作进行了分析和展望。

空间调制；多输入多输出；容量；误比特率；广义空间调制；空移键控

引 言

移动通信的发展与人们的日常生活息息相关。移动用户的不断增长，业务需求的不断高涨，使得移动数据呈现爆炸式增长，这就要求通信系统能提供更高的信道容量。多输入多输出(Multiple input multiple output, MIMO)技术通过在发射端和接收端配置多根天线，能够有效地提高无线通信系统的容量和频谱效率[1-4]。因此MIMO技术被许多的通信标准采纳，例如IEEE 802.11n,IEEE 802.16e和 3GPP LTE[5,6]。MIMO技术可通过多个独立路径传输信号以达到空间分集[7]的效果，从而降低系统误比特率，提高可靠性；还可实现空间复用[8]，即通过多个并行子信道传输不同信息，以提高数据传输速率。近年来MIMO技术不断地与新技术相结合，使得系统在获得MIMO信道所能达到的自由度的同时，较好地平衡计算复杂度、误比特率(Bit error rate, BER)以及可获得的传输速率这些冲突因子，从而达到系统最优性能。空间调制(Spatial modulation, SM)技术[9]通过对天线序号进行调制来携带有效信息，能提高频谱效率，是一种低复杂度、能量有效的技术。将SM与MIMO技术相结合，可使系统能够利用发射天线序号作为一个额外的空间维度来传输信息，从而将传统的二维符号映射(幅度相位调制)扩充到三维映射[10]。在给定信噪比(Signal to noise ratio，SNR)下，SM-MIMO系统的吞吐量要高于通常的空时编码[11](Space time coding，STC)系统，但这并不是SM-MIMO技术最突出的优点。SM技术通过每一时隙只激活一根或少数几根发射天线来进行数据传输，可有效克服通常MIMO信道间的干扰且不要求发送端天线同步[12]，并且提高了系统的频效和能效[13,14]。除此之外，SM在传输信息符号的基础上，还利用发射天线序号携带信息，增大了信息传输速率。而且单链路收发设计降低了收发端的实现复杂度[15]。基于上述优点，SM技术可以用于新兴的大规模MIMO系统[16,17]，还可延伸到基于光传输信息的室内可见光无线通信中[18-21]。总之，SM是一个发展前景十分广阔且可应用到多种场合的MIMO技术。本文将从基本原理和性能分析两方面介绍SM-MIMO技术，并且给出了SM-MIMO技术的应用前景。

1 SM-MIMO的基本原理

1.1 SM的发展

空间调制这一概念最早于2001年提出[22]，之后受到Mesleh[9]，Haas[23]，Sugiura[24]，Yang[25]以及Jeganathan[26]等广泛的研究。Mesleh等在文献[9]中对SM技术的基本原理，性能分析方法进行了介绍，且证明了与贝尔实验室垂直分层空时码(Vertical Bell laboratory layered space-time, V-BLAST)相比具有更好的鲁棒性。文献[27]阐述了SM系统的发射端设计，接收端的检测算法分类以及SM原理研究的发展过程。文献[28,29]比较了空间相关信道下SM-MIMO系统的性能差异，结果表明SM-MIMO系统的性能会随着相关性的增大而变差。文献[30]探讨了SM系统发射分集的实现问题。文献[31]给出了具体调制方式的选择对SM系统性能的影响。性能分析是对SM技术进行深入研究和拓展的有效方法，而系统容量[32,33]和误比特率[34-36]是性能分析的两个重要指标。文献[37]给出了SM系统在Nakagami和瑞利衰落信道下的误比特率性能分析，并推导了瑞利信道下BER闭式表达式。文献[38]则针对SM接收端检测器提出了一种最优检测算法：天线序号与星座符号联合检测，并将其与Mesleh[9]提出的先检测天线序号再检测星座符号的次优检测算法相比较，最优检测虽然有较高的复杂度，但可获得最优性能。经过十几年的探索和发展，除了对SM本身性能的研究越来越深入，SM还被用于不同的场景，具体见表1。

文献[23]提出了一种新的正交空分复用(Orthogonal spatial division multiplexing，OSDM)技术，它利用发射天线的序号来传输额外源信息。文献[25]提出了一种信息引导的跳信道(Information-guided channel hopping, IGCH)调制技术，它可以使系统获得高吞吐量。之后文献[26]提出了空移键控(Spaceshift keying，SSK)技术，可以看成是SM技术的简化，它仅利用发射天线携带信息，而没有传输星座符号，如相移键控(Phase shift keying，PSK)和正交幅度调制(Quadrature amplitude modulation，QAM)符号等[10]。总的来说，上述所涉及的技术在任一时隙只激活一根发送天线以减小复杂度，同时降低信道间干扰以及发射端对天线同步的要求，减少了能量消耗。 基于上述SM及其相关技术的概念，各种广义SM技术被相继提出。首先，作为SSK技术的拓展，文献[41]提出了一种广义空移键控(Generalized space shift keying, GSSK)技术，每一时隙激活多根发射天线来传输信息，可以有效提高数据传输速率。这种形式的拓展也可以用于SM技术中，文献[59]提出一种广义空间调制(Generalized spatial modulation, GSM)技术，它利用所有激活的发射天线传输相同的幅度相位调制(Amplitude phase modulation, APM)符号，从而实现发射分集增益的增加。相反，文献[60,61]提出的另一种GSM技术在每一时隙使用激活的发射天线传输不同的信息符号，可以达到增加复用增益的目的。上述文献中，广义SM技术在每一时隙激活多根发射天线来进行数据传输，故可以克服SM中一个固有的限定缺点，即发射天线数必须为2的整数幂。此外，SM技术也可以和空时分组编码(Space-time block coding, STBC)技术[62]以及网络编码(Trellis coding, TC)技术[63-65]相结合，充分发挥两者的优势。最近，空时移位键控(Space time shift keying，STSK)技术及其广义技术广义空时移位键控(Generalized space time shift keying, GSTSK)[66]被进一步的拓展和运用，在SSK/SM技术运用到时间和空间维度时将SSK/SM与空时分组码相结合，这样可以在分集和复用上获得折中。与传统的SM利用激活的发射天线序号携带信息不同，STSK利用预先设计的空时分散矩阵序号来传输额外的信息，具有多天线同步传输而获得分集增益的优点。在进一步的研究中，借助于频移键控(Frequency shift keying，FSK)调制，STSK的概念被扩展到频率域[67-68]。文献[67]提出了SFSK和空时频移键控(Space time frequency shift keying，STFSK)技术，除了可以在空间域和时间域传输信息，还能在额外的频率域传输信息。为了支持多用户，文献[68]将STFSK概念扩展到慢频率跳频多址(Slow frequency hopping multiple access，SFHMA)中，并且分别对基于高斯最小移位键控(Gaussian minimum shift keying，GMSK)和时分/频分多址接入(TD/FDMA)的SFHMA系统的区域频谱效率(Area spectral efficiency，ASE)进行量化。基于SM/SSK的原理，正交的子载波也可以同样被利用，即被激活的正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)[69]的子载波序号可用于传输额外的信息，被称之为子载波序号调制(Subcarrier-index modulation，SIM)[70]。基于同样的原理，在频率选择性衰落信道下，文献[71]提出了一个新的传输方案，称为OFDM序号调制，能在提高数据传输速率的同时获得好的误码性能。在图1中，根据在时域、频域和空间域上不同程度的衰落，对上述提到的各种技术进行分类和总结。为了完整性，在图1中简要提及了经典跳时脉冲调制(Time hopping impulse modulation，THIM)[72]，它利用时隙的指标“隐形地”传输额外的数据信息。另外，作为进一步的改进，混合QAM-FSK调制[73]将时域和频域相结合实现独立的衰落。

表1 空间调制的研究进展

图1 空间调制及其相关技术分类示意图Fig.1 Classification map of spatial modulation and its related technologies

图2 SM-MIMO系统Fig.2 SM-MIMO system model

1.2 SM-MIMO系统模型

SM的基本原理为在每一时隙内只激活一根发送天线来传输信息，通过被激活的天线序号携带信息，以增加信息传输速率。图2为SM-MIMO的系统框图。如图2所示，该SM-MIMO系统的发送端配有Nt根发送天线，接收端配有Nr根接收天线。根据SM的原理，在发送端每一时隙只激活一根天线来发送经星座调制后的信息，被激活的天线序号由log2Nt个信息比特决定。因此，每时隙传输的总比特数为m=log2(MNt)，M为符号星座调制的阶数。调制后的比特经过激活的天线进行传输，发送符号向量[26]可以表示为

(1)

式中：xjq为Nt×1维的符号向量；j为被激活的天线序号，j∈[1:Nt]；xq为位于xjq的第j个元素并表示多进制Mary星座中的第q个符号，q∈[1:M]。

图3 SM-MIMO系统三维映射图[12]Fig.3 Three-dimensional mapping of SM-MIMO[12]

图3为SM的映射原理图，以4根发送天线传输4个比特为例，前两个比特用于确定发送天线序号，后两个比特用于星座符号调制，因此图3中的信息比特[1 1 1 0]所对应的发送符号向量为[0 0 0 -1]T，即激活第4根发送天线发送符号“-1”。SM还可根据发送天线总数的不同灵活地变换映射结构。仍以4个比特为例，当发送端有2根发送天线，则用第1个比特映射天线序号，后3个比特采用8PSK/8QAM调制。当发送端有8根天线，则用前3个比特映射天线序号，最后1个比特采用BPSK调制。在接收端，接收信号可以表示为[37]

(2)

式中：H为Nr×Nt维的MIMO信道矩阵，其元素服从均值为零，方差为1的复高斯分布；P为每根发送天线的发送功率；n为Nr×1维的噪声向量，其元素服从均值为0，方差为N0的复高斯分布。假设信道状态信息(Channel state information, CSI)对接收端完全已知，接收端采用最优检测算法，即利用最大似然法同时检测发送天线序号与星座符号[74]，则

(3)

2 性能分析

图4 空间复用、空间分集和空间调制原理图[12]Fig.4 Principle of spatial multiplexing, spatial diversity and spatial modulation

近年来，SM-MIMO系统的性能得到了广泛的研究[75-89]。研究SM-MIMO系统性能的意义在于：(1)了解无线传播对端到端错误概率和传输速率的影响。(2)找出SM-MIMO的适用情形。(3)为基于SM-MIMO原理的新系统设计以及传输方式提供参考。(4)揭示SM-MIMO的基本特性，例如可达到的分集阶数、传输速率等。

2.1 速率分析

图4将空间复用[8]、空间分集[7]和空间调制的原理进行了比较。从图4可以看出，空间复用是在各个独立路径内传输不同的信息数据，其传输速率为Ntlog2M。空间分集是利用Alamouti码[90-92]进行信源编码后发送，其速率与码率Rc有关，可表示为Rclog2M。而SM是先根据信息比特选择发送天线序号后，再传输经星座调制后的符号，其速率表示为log2M+log2Nt。三者中空间复用的速率最高，SM次之，空间分集最低。但空间复用中的信道间干扰会对传输质量产生较大影响，且对信道间的同步性要求很高，相比之下SM实现复杂度低，且能获得较高的传输性能。

2.2 容量分析

对于SM系统而言，容量分析是一个重要的研究课题。假设传输的信号满足幅度连续、时间离散的高斯分布，文献[25]推导了瑞利衰落信道下SM系统的容量公式，该容量也被称为连续输入连续输出无记忆信道容量(Continuous-input continuous-output memoryless channel，CCMC)[93]。然而，这种假设在实际的通信系统中很难实现，除非使用精心设计的叠加调制[94]。相比之下，文献[24]推导了SM系统的离散输入连续输出无记忆信道容量(Discrete-input continuous-output memoryless channel，DCMC)[95]，其中传输的信号为离散星座图中的星座点，如经典的APM[10]。文献[96]推导了SM系统互信息的闭式表达式，并且研究了调制方式对系统性能的影响。此外，文献[97]研究表明，SM系统的容量可能会低于V-BLAST系统，但其检测复杂度不依赖于发射天线的数目，这种优势有利于SM-MIMO的实际应用。SM系统的信道容量可以分为两部分，分别为符号星座容量和空间星座容量。文献[1]表明可以用“每次使用一个发射器的空间循环”的传输思想来理解信道容量。而且该文献还表明多天线系统的信道容量大于单天线通信系统和配备两根发射天线的STBC系统。文献[98,99]重点研究存在一个窃听者时SM-MIMO系统的安全速率。文献[98]的分析表明SM系统的中断保密容量优于相应的单天线系统，并且随着发射天线数的增加而增大。文献[99]研究了星座图大小对系统性能的影响。结果表明，其影响效果同时取决于被窃听用户和窃听者的SNRs。当窃听者的SNR较低时，采用小的星座图即可。反之，当窃听者的SNR较高时，大的星座图能提供更大的保密容量。随着研究的深入，很多新的基于SM-MIMO传输的预处理方法被提出用来确保物理层的安全传输，包括信道对角化、基于特征分解和广义SM。这些结果表明，由于其独特的传输原理，SM-MIMO确实能够提高系统的频谱效率和安全速率。

2.3 BER分析

从式(3)可以看出，SM的接收端检测主要分为两部分：发送天线序号检测和星座符号检测。只有当以上两部分检测都正确时，总的信息比特才能正确传输。基于此，文献[37]提出了一种误比特率算法：假设星座符号估计正确，用Pa表示发送天线序号检测错误概率；假设发送天线序号估计正确，用Pd表示星座符号检测错误概率，则总的平均误比特率可表示为

Pe≈1-Pc=Pa+Pd-PaPd

(4)

式中:Pc=(1-Pa)(1-Pd)为系统总的检测正确概率。该方法是基于发送天线序号检测和星座符号检测两过程相互独立的前提，若信道相关，式(4)将大于平均误比特率的实际值。

(1)天线序号检测错误概率

假设发送天线序号估计正确，发射天线序号检测错误概率Pa可表示为[100]

(5)

(2)星座符号检测错误概率

假设发送天线序号估计正确，要计算星座符号检测错误概率Pd，就相当于计算发送天线数为1，接收天线数为Nr的MIMO系统平均误比特率。由此可得到接收端有效信噪比γ的概率密度函数为

(6)

(7)

3 SM-MIMO应用前景

SM-MIMO技术由于在发送端只采用一根天线发送信号，可在提高传输速率的同时，避免信道间干扰和对天线同步的要求，降低了系统设计复杂度和能量消耗。鉴于以上SM-MIMO技术的优点，可以将SM-MIMO技术用于当前的研究热点中，发挥其优势。

3.1 大规模MIMO通信

SM-MIMO系统配备大量的发射天线可获得高吞吐量。而且为了降低实现的复杂度以及提高能效，相比于可用的发射天线数，SM-MIMO系统仅需配置数量有限的射频链路。一般来说，射频链路数量越少，系统的能效越高、实现的复杂度越低。因此将SM与大规模MIMO相结合来满足下一代蜂窝网络高吞吐量的要求。在大规模MIMO的设计中，需要重点考虑在实际应用中的信道估计训练开销和获得发送端信道状态信息(Channel state information at the transmitter，GSIT)/接收端信道状态信息(Channel state information at the receiver， GSIR)的反馈开销[17]。为了解决该问题，已有很多学者进行研究[101-106]。为了减少训练开销，一种可行的解决方案是基于时分复用(Time division duplexing, TDD)的蜂窝网络架构[103-106]。在此情况下，信道的互易性可以被利用，信道训练开销仅与用户的数目呈线性扩展，且独立于基站的天线数目。与此同时，如果在基站使用适当的波束成形方案，用户终端可以不需要CSIR。然而，大多数现有的蜂窝网络部署都是基于频分复用(Frequency division duplexing, FDD)，不能利用信道的互异性，而且需要反馈链路进行下行链路传输。鉴于上述原因，学者们正在研究有着有限训练和反馈开销的FDD模式下大规模MIMO蜂窝系统设计方案[101,102]。研究表明，可以设计高效的有限反馈方案使得反馈开销小于发射天线数。迄今为止，与现有大规模MIMO系统相比，SM-MIMO系统要求有限的射频链路数以及其独特的编码机制可能会进一步增加训练开销。具体地：(1)由于与发射天线数相比，射频链路数有限，所以不能使用正交导频符号同时估计所有信道增益。一个简单的次优解决方法是在训练阶段，保持所有可用的发射天线处于激活状态，同时根据SM-MIMO的调制原理关闭不需要传输负载的射频链路。因此，发射端需要配置与发射天线数相同的射频链路。另一种解决方案是利用信道脉冲响应之间的空间和时间的相关性来减少训练开销[107]。(2)由于SM的编码机制，基于TDD的蜂窝结构下行链路可能一直需要CSIR。一种次优的可能解决方案是采用非相干解调方案来避免接收端需要CSIR。总的来说，尽管训练开销对SM-MIMO系统设计及实现很重要，但相关的研究还较少。期待未来在该领域会有重大的发现。

3.2 多用户多小区SM-MIMO通信

以上文献得到的结果大多都受限于点到点的单用户通信情形，仅有少数文献考虑了多址干扰的影响，但是没有充分考虑蜂窝网络的特点，包括小区关联机制及覆盖率等性能标准的影响。在这样的背景下，需要进一步深入研究基本蜂窝网络的多用户MIMO下行/上行传输。大多数的SM-MIMO传输技术都是开环的，因此与采用预编码和自适应波束成形的多用户MIMO通信没有直接的可比性。事实上，多用户MIMO与开环传输有着本质的不同，因为多用户MIMO基于用户间信道空间共享。在空分多址接入中，多用户的干扰问题可通过采用多天线解决。这样不仅提供每个链路分集，还为空间分离的用户提供必要的自由度。为了与多用户大规模MIMO通信有可比性，放弃理想化的简单点对点的假设，真实地探讨多用户多小区网络的潜能，将会使得多用户多小区SM-MIMO的相关研究迅速发展。

3.3 毫米波通信

毫米波通信对于未来的蜂窝系统，尤其对广泛可用的免许可证频谱来说是一种很有前途的技术[108-110]。由于毫米波的波长短，大型天线阵列可以紧紧地安置在发射端和接收端。所以，毫米波频段可以很好地被用于SM-MIMO通信，依靠数量有限的射频链路，在低复杂度和低功耗下获得较大的复用增益。毫米波蜂窝系统在实践中需要注意信道损伤和高频带的传播特性。具体地说，由于载波频率较高，导致实现毫米波蜂窝通信最大的障碍是自由空间路径损耗太大。此外，由于信道带宽极宽，使得噪声功率很大。所以为了在接收端获得足够的信噪比，未来毫米波蜂窝网络必须利用高增益电子可控的定向天线，这种天线可能由大型天线阵列的波束形成或预编码实现。然而实际中一些基带信号处理的复杂性和在这些频率上可能使用的射频链路数目的限制等因素，对于毫米波蜂窝通信系统的设计和优化将是一个挑战[111]。基于这些考虑，SM-MIMO在毫米波频段的使用需要依靠实用性好的解决方案，即可以同时保证高的复用增益和高增益波束成形以抵消增加的路径损耗和噪声功率。在SM-MIMO的设计和空间优化方面还有另外一个重要的约束：射频链路数不能任意减少以提供必要的高波束成形增益。射频链路数的合理选择必须要考虑所需的波束赋形增益、功率放大器的功率消耗/耗散、基带信号处理的实现复杂度以及低复杂度的基于射频(Radio frequency, RF)的预编码方案和所需的吞吐量。目前SM-MIMO在毫米波频段的应用还在初步阶段。

3.4 微小区异构蜂窝网络

蜂窝网络正在发生部署和优化的重大转变[112,113]，如毫微微/微微基站、固定/移动中继、认知无线电、非授权毫米波无线电和分布式天线等新的基础设施要素正在部署，使得未来的蜂窝系统变得更加异构[114]。所以，新的蜂窝部署的特点将是这些基础设施要素的无计划、无规则以及随机部署，从而导致干扰模式变得更加复杂，相应地也使得对不同通信技术和协议的评估和设计更具有挑战性[115]。因此，准确地建模随机部署的网络要素所产生的干扰、了解干扰对系统性能的影响，开发有效的技术减轻干扰是微小区异构蜂窝网络3个基本的研究方向。此外，这种新的异构蜂窝拓扑结构的根本问题是找到利用接入点和天线单元的最佳途径。在这种情况下，SM-MIMO引入了另一个维度进行研究：对每个接入点的被激活和未被激活的发射天线数量进行权衡，以取得所需的频谱效率和能量效率的折中。低功耗基站的使用可以有效减小移动终端和接入点之间的传输距离，改善系统性能。传输距离的减少有利于SM-MIMO通信，因为静态功耗比射频功耗对性能有更明显的影响。SM-MIMO技术的成功在于高效性、灵活性和优越性，所以能够用于新兴的异构蜂窝方案。文献[116]的作者利用随机几何对网络干扰进行建模，得到异构干扰下SM-MIMO通信性能评估的初步结果。但是，这些结果不能直接用于蜂窝网络，因为没有考虑蜂窝的关联机制而且只研究了随机干扰的影响。由于SM-MIMO独特的工作原理，故需要准确的干扰模型来确保系统达到最佳性能。因此干扰感知的发射机和接收机设计将显得尤为重要。

3.5 RF能量收集

未来的蜂窝网络将变得越来越高效，而SM-MIMO通过激活一部分发射天线，将会成为很有前途的降低蜂窝网络总功耗的关键技术。目前在绿色网络中采用的RF能量收集技术，可以为无线设备提供额外的能量供应[117]。该技术的主要原理是RF信号可用于同时传输信息和能量。周围的射频辐射可以通过接收天线获得，并且使用适当的电路可以将其转换成直流电压。在蜂窝网络中，可以使用新的混合蜂窝部署实现RF能量收集。在这种情况下，SM-MIMO技术利用RF能量收集原理和相关的移动蜂窝网络的拓扑结构传输互信息和功率。一方面，和传统的MIMO技术相比，SM-MIMO只激活少量的发射天线，可以有效地降低干扰，从而获得更好的信干比(Signal-to-interference ratio，SIR)，相应地可减少无线网络的发射功率，提高系统的整体能效。停用一部分发射天线可降低相当大的电路功耗。另一方面，无需关闭未被激活的发射天线，可以将其切换到接收模式，同样可以提高系统的能效。这样，不用于数据传输的发射天线可以用于RF能量收集，通过捕捉周围的射频辐射并将其转换成能量用于后续的信息传输。由于SM-MIMO系统中可用的天线很多，所有未被激活的发射天线可以切换到接收天线模式来捕获不可忽视的射频功率。当然，必须安置合适的收发器确保SM-MIMO的信息传输和功率接收同时进行[118]。迄今为止，对SM-MIMO和RF能量收集的融合的相关研究还较少，故这将是未来可持续低功耗网络的很有前途的研究领域。

4 结束语

传统的通信系统更多地把提高频谱效率作为系统设计和优化的指标。然而，随着通信业务的急剧增加，能量消耗也不断增加。满足通信服务质量高要求的情况下，高能效、低复杂度的通信技术变得尤为重要，因此，SM-MIMO技术应运而生。随着天线数的增加，射频链路的成本不断提高，这制约了MIMO技术的广泛应用。SM作为一种复杂度低，能量有效的调制技术，其与MIMO技术的结合，使得SM-MIMO能够利用空间维度(天线序号)作为一个额外的维度来传输信息，从而将传统的二维符号映射扩充到三维映射，成为下一代移动通信系统的一个很有前景的候选技术方案。经过十几年的发展，SM-MIMO理论和系统设计已经日趋成熟。SM-MIMO通过调制天线序号来传输信息，在避免信道间干扰的同时降低了对发送端天线同步的要求，提高了系统的能效和频效。关于SM-MIMO系统的性能分析，本文分为3个方面介绍：(1)速率分析。SM技术利用发射天线序号携带信息，传输速率随着天线数目的增加呈对数增长。(2)容量分析。SM-MIMO技术能同时传递天线序号和星座调制符号信息，增加系统容量。(3)BER分析。接收端同时解调被激活的发射天线序号和星座调制符号，相应地，系统的平均BER由天线序号检测错误概率和星座符号检测错误概率两部分组成。因为SM-MIMO技术的诸多优点，SM-MIMO技术可应用于当前的研究热点中，例如大规模MIMO、多用户多小区SM-MIMO通信、毫米波通信、微小区异构蜂窝网络和RF能量收集等，具有很好的应用前景。由于SM-MIMO技术独特的优势，有关SM-MIMO及其相关技术的研究仍在不断发展和深入，新的研究成果将会继续出现。

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By using the antenna index to transmit information invisibly, spatial modulation (SM) technique can obtain high data transmission rate, and overcome the inter channel interference and synchronization problems effectively, as well as reduce the implementation complexity. Multiple input multiple output (MIMO) technique can significantly improve the capacity and spectrum efficiency of wireless communication system. To satisfy the high quality and data rate requirements of communication system, SM-MIMO technique emerges by combining SM and MIMO techniques and thus becomes the main research hotspot in the field of wireless communication. The paper summarizes the current research advancement of SM-MIMO from the basic principles and performance analysis. The prospect of SM-MIMO in application is also addressed. Finally, both the current achievement and the further research prospect in this field are discussed and summarized.

spatial modulation; multiple input multiple output (MIMO); capacity; bit error rate; generalized spatial modulation; space shift keying

南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjj20170410)资助项目；江苏省“六大人才”高峰(DZXX-007)资助项目。

2017-03-25；

2017-05-09

TN919.3

A

虞湘宾(1972-)，男，教授，研究方向：无线通信与信号处理，E-mail:yxbxwy@nuaa.edu.cn。

邱赛男(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：空间调制与MIMO技术。

王丞(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：空间调制与协作通信技术。

Research Status and Prospect for Spatial Modulated MIMO Technique in Wireless Communications

Yu Xiangbin, Qiu Sainan, Wang Cheng

(College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016, China)