面向6G无线通信的GQSM-QOSTBC空间调制框架：实现可靠高效传输的新途径

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：Towards Reliable and Efficient 6G Wireless Communication: A GQSM-QOSTBC Based Spatial Modulation Framework

本文针对6G无线通信中高谱效与低复杂度的平衡难题，提出了一种结合广义正交空间调制(GQSM)与改进型准正交空时分组码(QOSTBC)的新型检测框架。该方案通过信道匹配滤波、坐标交织与单符号最大似然(ML)检测技术，有效分离信号实虚部，在Nakagami-m信道下实现接近ML的误码率(BER)性能，复杂度降至O(4M)。仿真表明系统可获得满分集增益、高谱效和低中断概率，为车联网、工业物联网等6G应用提供硬件友好的解决方案。

　　

在智能设备爆炸式增长的时代，自动驾驶、工业物联网和沉浸式应用对无线通信提出了前所未有的高要求。现有4G/5G系统采用的MIMO-OFDM技术虽能提升频谱效率，却受限于高峰均比、载波干扰和多射频链路的能耗问题。更棘手的是，传统MIMO系统需要同时激活多个天线，导致硬件复杂度和信号干扰居高不下。在这一背景下，空间调制(SM)技术应运而生——它通过每次只激活一个天线来传输信息，既利用天线索引携带额外数据位，又显著降低了设备功耗。然而，随着天线数量增加，接收端检测复杂度呈指数级增长，成为制约其实际应用的瓶颈。

为突破这一困境，Patel等人发表在《IEEE Open Journal of the Communications Society》上的研究，创新性地将广义正交空间调制(GQSM)与准正交空时分组码(QOSTBC)相结合，构建了一个兼具高可靠性和低复杂度的新型空间调制框架。该研究的核心在于通过智能信号处理策略，在保持接近最优性能的同时大幅简化系统设计。

研究人员采用了几项关键技术：首先通过天线激活置换(AAP)策略，将信号的实部与虚部分别映射到不同的天线组合上；接着采用星座旋转和坐标交织技术增强信号正交性；最后通过信道匹配滤波与单符号最大似然检测实现高效解调。特别值得注意的是，该系统在Nakagami-m衰落信道下进行建模，能够灵活适应从瑞利衰落(m=1)到莱斯衰落(m>1)的各种环境。

系统模型部分详细阐述了传输与检测机制。在发射端，输入比特被划分为三部分：n₁用于M进制调制生成复信号向量，n₂和n₃分别选择实部和虚部的天线激活模式。通过这种设计，4天线系统使用4-QAM调制时可实现2比特/信道使用的频谱效率。接收端采用信道匹配滤波和去交织操作，将联合检测问题分解为四个独立的标量ML检测问题，使复杂度从传统ML的O(M^N)降至O(4M)。

理论性能分析部分推导了误码率、中断概率和频谱效率的闭合表达式。分析表明，该方案可获得等于Nakagami参数m的分集阶数，当m=1时实现满分集。在高信噪比条件下，误码率以(1/γ?)^m的速度衰减，证实了其强大的错误抵抗能力。

仿真结果验证了理论分析的正确性。在Nakagami-m信道下，该方案的误码率性能明显优于D-QR和D-QR-IC检测方法，且非常接近最优ML检测器。特别是在15dB信噪比时，误码率可达1.2×10^-4，比D-QR提高了近一个数量级。研究还发现，随着m值增大(即信道条件改善)，系统性能进一步提升，当m=1.5时表现出更陡峭的误码率下降曲线。

硬件实现分析揭示了该方案的实际应用价值。对于4-QAM调制，每个码字仅需192次实数乘法和136次实数加法，且匹配滤波成本固定，不随天线数量增加而增长。固定点评估表明，即使采用8位精度，设计也能维持约43.8dB的信噪比，非常适合FPGA和DSP平台实现。

这项研究的创新之处在于成功平衡了性能与复杂度的矛盾。通过GQSM-QOSTBC的有机结合，不仅实现了接近最优的检测性能，还将计算复杂度降至可实际应用的水平。更为重要的是，该方案的复杂度与天线数量无关，这意味着射频链配置及其硬件噪声不会影响检测性能，为大规模MIMO系统的实际部署扫清了障碍。

研究结论强调，该框架为6G无线通信提供了一条可靠、高效且可扩展的技术路径。其在Nakagami-m衰落信道下的优越性能，使其特别适合车联网、工业物联网和无人机通信等对可靠性和时延要求严苛的应用场景。随着未来对更高频谱效率的需求，通过增加天线激活数p或提高调制阶数，该方案可进一步扩展，展现出良好的演进潜力。

这项工作的理论贡献与实践价值并重，不仅提供了完整的性能分析框架，还通过详细的硬件评估证明了其可实现性，为6G无线通信系统的设计提供了重要参考。随着5G向6G的演进，这种低复杂度、高性能的传输方案有望成为未来无线通信的关键技术之一。