﻿ 光空间调制技术的研究进展
 光电工程  2020, Vol. 47 Issue (3): 190712      DOI: 10.12086/oee.2020.190712

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
Abstract: 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.
Keywords: wireless optical communication    optical spatial modulation    transmission rate    bit error rate

1 引言

2 几种光空间调制

2.1 光空间调制

OSM在每一符号周期内仅有一个激光器被激活。此时，不仅采用传统的调制符号传递信息，而且还利用激活激光器的索引号额外携带信息。对于一个有Nt个激光器，Nr个光电探测器的OSM系统而言，其系统模型如图 1所示。

 图 1 OSM系统模型 Fig. 1 OSM system model

 ${x_i} = {\left[ {0, 0, \begin{array}{*{20}{c}} {..., 0, \mathop {{x_q}}\limits_{\mathop \uparrow \limits_{i{\rm{ - th}}} } , \begin{array}{*{20}{c}} {0, ..., } \end{array}} \end{array}0} \right]^{\rm{T}}}。$

 $y = \eta \mathit{\boldsymbol{Hx}} + \mathit{\boldsymbol{n}},$ (1)

 $(\hat i, \hat x) = \arg \mathop {\min }\limits_{i, x} \left\| {\mathit{\boldsymbol{y}} - \eta \mathit{\boldsymbol{Hx}}} \right\|_{\rm{F}}^2,$ (2)

2.2 光空移键控

OSSK作为一种特殊的光空间调制技术，仅利用激活激光器的索引号来传输信息。因此，OSSK在有效地避免了ICI和IAS的基础之上，进一步降低了收发系统的复杂度。由于OSSK具有结构简单、复杂度低等优势，一经提出后便获得了学术界的广泛关注。

2.3 增强型光空间调制

 图 2 GOSM系统模型 Fig. 2 GOSM system model

 ${\mathit{\boldsymbol{x}}_i} = {\left[ {0, \mathop {{x_p}}\limits_{\mathop \uparrow \limits_{i - {\rm{th}}} } , 0, \begin{array}{*{20}{c}} {..., 0, \mathop {{x_q}}\limits_{\mathop \uparrow \limits_{j - {\rm{th}}} } , \begin{array}{*{20}{c}} {0, ..., } \end{array}} \end{array}0} \right]^{\rm{T}}}。$

2.4 差分光空间调制

 图 3 DOSM系统模型 Fig. 3 DOSM system model

 ${\mathit{\boldsymbol{X}}_t} = \frac{{{\mathit{\boldsymbol{X}}_{t - 1}}{\mathit{\boldsymbol{S}}_t}}}{{{\rho _{t - 1}}}},$ (3)

 ${\mathit{\boldsymbol{\hat S}}_t} = \mathop {\arg \min }\limits_{\forall {\mathit{\boldsymbol{S}}_t} \in S} \left\| {{\mathit{\boldsymbol{Y}}_t} - \frac{{{\mathit{\boldsymbol{Y}}_{t - 1}}{\mathit{\boldsymbol{S}}_t}}}{{{\rho _{t - 1}}}}} \right\|_{\rm{F}}^{\rm{2}}。$ (4)

3 性能分析

 调制方案 传输速率/(bpcu) 频谱效率/((bit/s)/Hz) 计算复杂度 OSSK ${\log _2}{N_{\rm{t}}}$ ${\log _2}{N_{\rm{t}}}$ ${N_{\rm{t}}}(2{N_{\rm{t}}}{N_{\rm{r}}} + 2{N_{\rm{r}}} - 1)$ (L, M)-SPPAM ${\log _2}{N_{\rm{t}}} + {\log _2}LM$ ${\log _2}(LM{N_{\rm{t}}})/L$ ${N_{\rm{t}}}LM{\rm{(2}}{N_{\rm{t}}}L{N_{\rm{r}}}{\rm{ + 2}}{N_{\rm{r}}}L - 1{\rm{)}}$ L-SPPM ${\log _2}{N_{\rm{t}}} + {\log _2}L$ ${{{{\log }_2}(L{N_{\rm{t}}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\log }_2}(L{N_{\rm{t}}})} L}} \right. } L}$ ${N_{\rm{t}}}L{\rm{(2}}{N_{\rm{t}}}L{N_{\rm{r}}}{\rm{ + 2}}{N_{\rm{r}}}L - 1{\rm{)}}$ L-GSPPM $\left\lfloor {{{\log }_2}C_{{N_{\rm{t}}}}^2} \right\rfloor + 2{\log _2}L$ ${{{{\log }_2}(C_{{N_{\rm{t}}}}^2{L^2})} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\log }_2}(C_{{N_{\rm{t}}}}^2{L^2})} L}} \right. } L}$ $\left\lfloor {{{\log }_2}C_{{N_{\rm{t}}}}^2} \right\rfloor \cdot {L^2} \cdot {\rm{(2}}{N_{\rm{t}}}L{N_{\rm{r}}}{\rm{ + 2}}{N_{\rm{r}}}L{\rm{ + }}{N_{\rm{t}}}L - 1{\rm{)}}$ DOSM-PAM $\left\lfloor {{{\log }_2}\left( {{N_{\rm{t}}}!} \right)} \right\rfloor + {\log _2}M$ ${{(\left\lfloor {{{\log }_2}({N_{\rm{t}}}!)} \right\rfloor + {{\log }_2}M)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(\left\lfloor {{{\log }_2}({N_{\rm{t}}}!)} \right\rfloor + {{\log }_2}M)} {{N_{\rm{t}}}}}} \right. } {{N_{\rm{t}}}}}$ ${2^{\left\lfloor {{{\log }_2}({N_{\rm{t}}}!)} \right\rfloor }}M{\rm{(3}}{N_{\rm{t}}}^2{N_{\rm{r}}}{\rm{ + 3}}{N_{\rm{t}}}{N_{\rm{r}}} - 1{\rm{)}}$ DOSSK $\left\lfloor {{{\log }_2}\left( {{N_{\rm{t}}}!} \right)} \right\rfloor$ ${{\left\lfloor {{{\log }_2}({N_{\rm{t}}}!)} \right\rfloor } \mathord{\left/ {\vphantom {{\left\lfloor {{{\log }_2}({N_{\rm{t}}}!)} \right\rfloor } {{N_{\rm{t}}}}}} \right. } {{N_{\rm{t}}}}}$ ${2^{\left\lfloor {{{\log }_2}({N_{\rm{t}}}!)} \right\rfloor }}{\rm{(2}}{N_{\rm{t}}}^2{N_{\rm{r}}}{\rm{ + 3}}{N_{\rm{t}}}{N_{\rm{r}}} - 1{\rm{)}}$

 图 4 不同光空间调制系统性能对比。 Fig. 4 Performance comparison of different OSM systems. (a)误码率曲线；(b)传输速率和复杂度 (a) BER curves; (b) Transmission rate and complexity

 图 5 不同的S.I.下不同OSM系统误码率性能对比 Fig. 5 Performance comparison of different OSM systems under different S.I.
4 总结与展望

1) 空间调制是一种全新的三维调制技术，即“数字域+空间域”的调制技术。已有光空间调制的研究成果均是将两种调制分开考虑。这就使得已有的最优信号星座图还是二维星座，并非真正意义上的三维调制星座图。相对于传统的调制星座，空间调制显示出了部分性能增益，但是，当它应用到发射天线数目不是2的指数倍的系统中时，其性能受限。因此，如何设计光空间调制中最优三维调制星座图方案亟待解决。

2) 已有光空间调制在接收端译码算法的研究大多采用最大似然译码。虽然最大似然检测算法能够获得较好的性能，但是其较高的复杂度很难应用于实际。因此在性能保障的前提下，亟需探索低复杂度及切实可行的译码算法。