5G無線通信期望帶來更高的頻譜效率和能量效率，為了達到這些目標，已經提出了各種新技術。其中，最近提出的索引調制IM（Index Modulation）技術引起了人們的極大興趣。

IM不是通過直接改變信號波形來傳遞信息，而是通過選擇不同的索引序號來傳遞信息。索引資源可以是物理的（例如，天線，子載波，時隙，頻率載波和擴頻碼），也可以是虛擬的（例如，虛擬并行信道，信號星座，空時矩陣和天線激活順序）。

基本原理

現有的IM方案主要在空間，時間，頻域和碼域或它們之間的相互組合中進行。IM將要傳遞的信息比特分成p1（索引比特）和p2（調制比特）兩部分，其中，p1用于選擇索引——確定索引資源中（天線，子載波，擴頻碼等）的哪些被激活，即完成信息比特到索引之間的映射；p2經傳統調制（例如BPSK、QPSK等）映射為調制符號。

圖1 索引調制示意圖

空域索引調制

SM(spatial modulation)是空間域中的代表性IM技術，如圖2所示，空間調制的索引資源是天線索引，其中X代表的是調制符號，藍色部分代表的是當前激活的天線。SM由于每個傳輸時隙只有一根天線被激活用來傳輸信號，而其他天線保持靜默，因此它與單個RF鏈一起工作，通過天線索引傳遞信息。

圖2 空域索引調制示意圖

空時索引調制

在MIMO系統的發射分集中，重點是設計空時矩陣，以獲得最大的編碼和分集增益。而空時索引調制則是考慮如何利用空時資源傳輸信息。

差分SM是空時索引調制的代表，如圖3所示。在空時索引調制中，一部分信息比特按預先設定的擴散矩陣被映射為“空時塊（space-time block）”?？諘r索引調制的索引資源依然是天線索引，但跨多個時隙發送信號，根據“空時塊”和索引比特確定天線激活順序。作為SM的差分解決方案，差分SM可以避免信道估計。研究表明，與SM相比，差分SM的性能損失不超過3dB。

圖3 差分SM示意圖

頻域索引調制

頻域索引調制是以頻率索引為調制資源。IM-OFDM是頻域中的代表性IM技術，它是將SM原理擴展到OFDM子載波，如圖4所示。它的索引資源是子載波，在IM-OFDM中，在頻域引入索引調制以及子載波塊的概念，以一個子載波塊為調制單位，由索引信息比特激活其中一部分子載波，其基本原理可以看作是空間調制技術在頻域的變體。迄今為止，已有多項研究表明，IM-OFDM在相同頻譜效率下的誤碼率（BER）性能勝過傳統OFDM。

圖4 頻率索引調制示意圖

空頻索引調制

空頻索引調制是天線索引和頻率索引的結合，或者說，是SM和OFDM的結合，更一般地，其實是在MIMO-OFDM的基礎上，引入天線索引，即MIMO-OFDM-IM。

MIMO-OFDM-IM會很復雜，特別是在接收端。最近提出廣義空頻索引調制（GSFIM），降低了復雜度，如圖5所示。廣義空頻索引編碼器輸出的天線索引比特用于天線選擇——從nt個天線中選擇nrf個天線，另一路輸出則包含頻率索引比特和M-ary調制比特。

圖5 廣義空頻索引調制示意圖

碼域索引調制

CIM（Code Index Modulation）是碼域中很有代表性的IM技術，它是將空間調制中的天線索引變為擴頻碼的索引，如圖6所示。與SM、IM-OFDM相比，CIM將索引設計挑戰轉移至設計采用良好特性的擴頻碼，使系統設計更加主動與可控；同時可通過調整映射擴頻碼個數來調節傳輸速率，也節約了物理鏈路尤其是射頻鏈路消耗；此外，還保留了擴頻系統自身良好的抗干擾和抗多徑能力，進一步提升了系統的魯棒性。

圖6 碼索引調制示意圖

空碼索引調制

SCIM（Space Code Index Modulation）是將空域和碼域結合起來的一種索引調制技術，它將空域中的天線和碼域中的擴頻碼結合在一塊，索引資源是天線和擴頻碼。信息比特在發射端經串并轉換后分別映射為擴頻碼的索引和天線的索引，然后將激活的擴頻碼調制的信號通過激活的天線發射出去。空碼索引調制如圖7所示，天線和擴頻碼的結合相比一維的索引調制節省了大量的索引資源。

目前類似于這種二維索引調制的研究還比較少，本文作者所在項目組近年來一直專注空碼索引調制技術研究。

圖7 空碼索引調制

展望

本文針對當前索引調制技術已有的研究成果，從不同索引方式以及索引調制的應用，分別簡要概述了各種索引調制的基本原理，以及索引調制應用在哪些方面。

IM在各種通信場景中的實現也是一個熱門話題。5G通信系統有望適應多種新興通信技術，如大規模MIMO，協作網絡和全雙工無線電，以及支持高移動性場景等挑戰性環境中的服務質量要求。針對5G應用的IM需要“量身定制”，并進行廣泛的理論研究。

除了5G場景中的IM設計之外，對潛在應用和其他新興場景（如無線供電通信系統，同步無線信息和功率傳輸以及非正交多址接入）的研究也是一大挑戰。

審核編輯：湯梓紅