索引調制在水聲通信中的應用及其研究進展

王俊峰，於楚楚，孫海信，周明章，顧亞平，賈 寧

(1.天津理工大學集成電路科學與工程學院，天津 300384；2.廈門大學信息學院，福建廈門 361005；3.中國科學院聲學研究所東海研究站，上海 201815；4.中國科學院聲學研究所水聲環境特性重點實驗室，北京 100190)

0 引言

在水下無線通信中，由于聲音具有較好的傳播特性，水聲通信在海洋環境監測、海洋結構健康監測、目標跟蹤、海洋數據采集等方面的應用引起了學術界和工業界的廣泛關注。然而，部署在水下的傳感器節點缺乏可持續供電的電源，因此電力消耗是水下通信面臨的主要問題之一。此外，在水聲通信系統中，有效帶寬和信道容量非常有限，而且隨著水下用戶數量的增加和軍事戰略要求的提高，可用頻譜變得越來越稀缺，這不僅阻礙了水下用戶的接入，也阻礙了高速數據傳輸的發展?？偠灾曂ㄐ畔到y既是一個功率受限的系統也是一個帶寬受限的系統，對其綜合設計一直以來面臨著巨大的挑戰。

最近，隨著索引調制(Index Modulation,IM)概念的提出，廣大學者再一次將目光投向了調制方式相關研究領域中。IM所涵蓋的調制方式十分廣泛，它利用一些資源和構建塊的狀態來攜帶額外的信息從而提高效率，而這些資源和構建塊可以是物理的，如天線[1-7]，頻率載波[8-15]和擴頻碼[16-22]；也可以是虛擬的，如，信號星座[23-25]和空時矩陣[26]。為了應對水聲環境所帶來的挑戰，研究人員將IM應用到水聲通信系統中[27-28]，希望能夠提高水下傳輸頻譜效率，降低數據傳輸的能量成本，并結合水聲中常用的多輸入多輸出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)技術和正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術，對IM進行一系列改進[29-35]。研究成果表明：IM可以為水聲通信系統提供低復雜度、高譜效且低功耗的解決方案，具有較好的應用前景，可以考慮作為水聲通信網絡中的一種備選數字調制技術。

本文聚焦于IM在水聲通信中的應用及其研究進展，重點介紹了空間調制(Spatial Modulation,SM)及IM-OFDM的技術優勢，介紹了IM在水聲通信中的主要研究成果，通過性能分析討論了其在水聲信道中的實現方案，并對未來可能的研究方向進行了概述。

1 IM及其在水聲通信中的應用

水聲通信系統中，常用的索引調制方式主要在空域、頻域和碼域或它們之間的相互組合中進行。其中，根據不同的水聲通信架構及所面臨的不同問題，研究人員在傳統IM基礎上，又做出了進一步完善，相關文獻如表1所示。

表1 現有的索引調制(IM)技術在水聲通信系統中應用的有關文獻Table 1 Existing literatures related to applications of IM technique in underwater acoustic communication system

1.1 空間調制

MIMO技術是水下通信的關鍵技術之一，它在發射端和接收端使用多天線來提高通信性能，通過多路復用和空間分集來實現更高的傳輸速率、更好的傳輸可靠性和更大的覆蓋范圍[36]。但是，MIMO技術具有許多局限性，如天線數量過多導致的實現復雜性，以及在多徑信道中的性能衰減。因此，在傳統MIMO系統中，通常只設置少量的發射天線[24]。而基于MIMO系統的SM方案在每次通信過程中只選擇一根發射天線進行數據傳輸，并使用空間域來彌補可能導致的傳輸速率的損耗[1]。因此，SM作為傳統MIMO的替代方案，避免了MIMO系統中的一些常見問題，在通信系統中被廣泛使用。

SM的主要思想是通過發射天線的索引來傳遞額外的信息，如圖1所示。首先，將要傳遞的信息比特分成索引比特p1和調制比特p2兩部分；然后，p1用于確定發射天線，即完成信息比特到索引之間的映射，p2經二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)、正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)等傳統調制方式映射為調制符號，通過所選擇的天線發射。因此，與空間移位鍵控調制或傳統MIMO相比，SM可以在不激活所有發射天線和消耗額外發射功率的情況下發送更多的信息比特，獲得更高的傳輸速率，避免了天線同步的需求，且抑制了天線間互干擾的產生。此外，增加發射天線的數量還可以提高頻譜效率。為了進一步提高SM系統的傳輸速率，國內外學者提出一系列的改進方案[4,23-25,27,30]，如表1中所示。廣義空間調制(Generalized Spatial Modulation,GSM)[4]可以同時激活多根天線，因此，在發射天線數較少的情況下，GSM可獲得高于SM的傳輸速率?；贕SM機制的完全廣義空間調制(Fully Generalised Spatial Modulation,FGSM)[27,35]是一種適用于水聲通信系統的低功耗、高效率的方案。該方案通過改變天線的索引方式，使得被激活的天線數量可以是一個到多個/全部不等，并且該數量作為一種索引資源也攜帶額外的信息比特。因此，相比于GSM，FGSM能夠有效減少數據傳輸的能耗，并且提高水下通信的頻譜效率。

圖1 空間調制示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial modulation

上述所有調制技術都試圖通過增加發射天線和調制間的組合數量，以增加發送數據量。然而，與被廣泛使用的空分復用技術相比，上述SM的頻譜效率依然較低。因此，文獻[23]引入了增強型空間調制(Enhanced Spatial Modulation,ESM)的概念。其中，信息比特不僅可以搭載在有源發射機天線索引上，還可以通過所使用的信號星座類型進行發送，利用主星座和次星座增加調制和發射天線的組合數以攜帶額外的信息。在此基礎上，文獻[24-25,30]對ESM做了一系列的改進。其中，增強全廣義空間調制(EFGSM)[30]技術作為ESM與FGSM的結合體，是一種新的高效的水聲通信方案。與SM、GSM和FGSM等傳統方案相比，其在水下物聯網中的應用不僅在節約能量和頻譜效率方面具有優勢，而且在平均誤碼率方面也有所改善。

在SM技術中，接收端需要檢測有源天線索引及傳輸的星座符號。有源天線索引的檢測是檢測器中的一項非常具有挑戰性的任務，為了有效檢測發射數據，必須先正確判斷有源天線索引。在大部分文獻中，SM通常是基于完美的信道狀態信息，通過最優[6]和次優[1]檢測器來實現。并且，基于這種檢測方法，SM技術已成功應用于水聲通信中[27,30]。然而，在實際情況中，接收端并沒有完美的信道狀態信息，且水聲信道的復雜性更是增加了對檢測器的要求，因此如何進行水聲信道估計，并且獲得良好的信號檢測性能，在水聲SM系統中起到了關鍵作用[37]。文獻[7]驗證了基于導頻的遞推最小二乘自適應信道估計算法在水聲SM通信系統中的適用性，且隨著導頻長度的增加，誤碼率和均方誤差性能得到了改善。然而，導頻長度的增加也導致了系統頻譜效率的下降。因此，在未來的工作中，嘗試使用不同的信道估計技術，以提高SM技術的頻譜效率。此外，SM與其他技術的結合，依然具有很大的發展空間。為了解決水聲信道的帶寬限制問題，文獻[33]結合SM的概念，提出了在水聲信道中進行有效圖像傳輸的不等誤差保護方案，為IM技術在水聲通信系統中的應用擴寬了新的思路，表現出廣闊的應用前景。

1.2 子載波索引調制

OFDM技術由于其能夠有效對抗多徑效應引起的碼間干擾(Inter Symbol Interference,ISI)[38]，廣泛應用于水聲信道中。然而，OFDM信號的子載波間隔對終端移動和海浪產生的多普勒效應十分敏感[39]。多普勒頻偏破壞了子載波間的正交性，進一步增大了載波間干擾(Inter Carrier Interference,ICI)，嚴重影響系統性能。由于ICI的功率隨著有源子載波的數量增大而增大，因此，以頻譜效率為代價，可以通過將一些子載波設置為空閑來降低ICI。一種新興的調制技術，即子載波索引調制(Subcarrier Index Modulation OFDM,SIM-OFDM)應運而生。

SIM-OFDM借用SM的原理，天線索引同樣適用于OFDM子載波索引。在SIM-OFDM中，子載波狀態由索引比特控制，子載波的索引隱含地傳遞索引比特信息，頻譜效率的損失得到了補償。但是，由于每個OFDM塊中激活子載波的數量是可變的，需要一個完美的前饋鏈路來明確子載波索引比特與子載波索引之間的映射方法，這使得該方案的實用性較差。增強型子載波索引調制(ESIMOFDM)[9]通過一個索引比特來控制兩個連續子載波的狀態。當其采用相同的星座映射方式時，ESIMOFDM系統的頻譜效率要遠遠落后于OFDM系統。文獻[10]中提出了一種更加靈活和高效的方案，即OFDM-IM，其系統框圖如圖2所示。該方案將所有子載波分成若干塊，每個塊內根據索引比特激活相應的子載波子集來傳輸調制符號，每個塊內激活子載波的數量可以不同。因此，相比ESIMOFDM，頻譜利用率得到了很大的提升。并且，通過調整參數，OFDM-IM甚至可以獲得比OFDM更高的頻譜利用率。此外，由于部分子載波處于未激活狀態，在發送功率一定的情況下，激活子載波的能量將高于傳統OFDM系統中的子載波能量，更利于接收機檢測，在沒有ICI的情況下[11-12]，其誤碼率和可達傳輸速率方面都有超過傳統OFDM的潛力，且空子載波的存在也促進了一系列峰均抑制比降低的方法[13-15]。

圖2 OFDM-IM系統框圖Fig.2 Block diagram of OFDM-IM system

文獻[28]首次嘗試將OFDM-IM技術應用到水聲通信系統中。然而，惡劣的水聲信道引起了嚴重的ICI，增加了子載波狀態錯誤檢測的可能性，從而導致了激活子載波及其調制符號的檢測錯誤，系統性能比傳統OFDM差。為了使OFDM-IM技術更加適用于水聲通信系統，未來研究方向應集中在設計對ICI具有魯棒性的新型OFDM-IM技術，或設計更完備的接收端信號檢測器，以獲得更精確子載波索引及調制符號的檢測結果。為了解決上述問題，文獻[31]提出了OFDM-IM在水聲通信應用中的一種變形，結合ICI自抵消機制和海上試驗和仿真，進一步證實了OFDM-IM是一種很有前途的水聲通信技術。

然而，OFDM-IM最初的研究集中在單輸入單輸出(Single Input Single Output,SISO)系統中，而SISO系統的頻譜效率有限，不適合某些應用。為此，文獻[40]將MIMO和OFDM-IM的原理相結合，進一步提高了OFDM-IM方案的頻譜和能量效率。文獻[29]提出基于SM和OFDM-IM的聯合索引調制(SM-IM-OFDM)的認知水聲通信系統，利用擴頻碼作OFDM-IM的循環前綴以便于識別天線索引，為水聲通信高譜效傳輸提供了新的設計思想。

1.3 碼索引調制

文獻[16]首次提出碼索引調制(Code Index Modulation,CIM)的概念。它是一種針對單載波和單用戶的高速率且高能效的擴頻通信技術。CIM以直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DS-SS)調制為基礎，利用擴頻碼索引作為信息承載單元，旨在保留擴頻調制優勢的同時，以較低的系統復雜度實現比DS-SS技術更高的數據吞吐量[17-18]。

為了改善OFDM-IM的性能，提高OFDM-SS的頻譜效率，文獻[19]將CIM的思想擴展到OFDM系統中，提出了IM-OFDM-SS系統，如圖3所示。在SISO系統中，采用預定義的擴頻碼索引來傳遞索引比特，并用索引得到的擴頻碼對星座符號進行DS-SS。與此同時，文獻[19]將IM-OFDM-SS擴展到多碼和多用戶的場景，形成通用(G-)IMOFDMSS和IM-MC-CDMA方案。IM-OFDM-SS技術提高了系統的頻譜效率，降低了硬件實現復雜度，提高了能源效率，并表現出了較好的誤碼率性能，同時由于擴頻技術的存在CIM對信道相關性沒有SM敏感[20]。

圖3 IM-OFDM-SS系統框圖Fig.3 Block diagram of IM-OFDM-SS system

目前，CIM的主要應用于其與SM和IMOFDM系統的組合方案中[21-22]，這種方式可以提高CIM系統的整體性能。完全廣義空間擴頻調制(SSFGSM)[32]就是一種適用于水聲信道的基于CIM與FGSM的聯合調制技術，其將大部分信息比特搭載在發射天線的索引和擴展碼的索引中傳輸，只有少量信息比特采用物理傳輸，因此能夠有效減少水下節點的能耗，提高信道利用率。

此外，基于深度學習的高效擴頻碼檢測接收機設計也是CIM在水聲通信應用中的一個重要研究方向。文獻[34]將IM-OFDM-SS技術應用到全雙工認知水聲通信系統(Full-duplex Cognitive Underwater Acoustic Communications,FDCUACs)中，以進一步提高數據傳輸速率和改善頻譜效率。在此基礎上，結合自干擾消除技術，首次提出了一種基于深度學習網絡的FDCUACs信號檢測方案，避免了由信道估計、均衡和解調導致的誤差傳播。文獻[32]中所設計的基于深度學習的檢測器，用于完全廣義空間擴頻調制(SS-FGSM)水下通信系統中激活天線和擴頻碼的索引比特以及調制比特的檢測，有效降低了檢測器的計算復雜度。

2 基于IM的水聲通信技術性能分析

本節對基于IM的水聲通信技術性能進行了分析，通過蒙特卡羅仿真分析了誤比特率(Bit Error Ratio，BER)性能，對比了不同IM的可達傳輸速率和接收機檢測復雜度。

IM技術在水聲OFDM系統中的BER性能如圖4所示，它給出了多徑瑞利衰落信道下子載波總數為1 024的OFDM、OFDM-IM、SM-IM-OFDM和IM-OFDM-SS的系統誤碼性能。需要注意的是，在不考慮天線索引和導頻的情況下，所有方案的頻譜效率都相同，接收端使用ML檢測方式。如圖4所示，在水聲信道中，基于OFDM-IM的系統性能比傳統的OFDM的系統性能差。而SM-IM-OFDM和IM-OFDM-SS的傳輸性能都明顯優于傳統的OFDM。

圖4 不同IM技術在水聲OFDM系統中的BER對比Fig.4 BER comparison of different IM techniques in underwater acoustic OFDM system

基于IM的水聲通信技術的可達傳輸速率和接收端檢測復雜度如表2所示。為了定量分析表2中不同IM技術在水聲OFDM系統中的速率，圖5給出了在子載波總數為1 024，每個OFDM塊中子載波數Nc分別為8和16的情況下，OFDM-IM、SMIM-OFDM和IM-OFDM-SS的可達速率。這里設置調制階數M為4，發射天線數Nt和接收天線數Nr為4。如圖5所示，OFDM-IM和SM-IM-OFDM的可達速率隨著Nc和每塊中激活子載波數量Ns的增大而增大，由于IM-OFDM-SS的速率只與Nc的大小有關，故IM-OFDM-SS的可達速率大小保持不變。此外，與OFDM-IM相比，SM-IM-OFDM可通過SM傳輸數據，因此其速率比OFDM-IM高。

圖5 不同IM技術在水聲OFDM系統中的可達速率對比Fig.5 Comparison of achievable rates of different IM techniques in underwater acoustic OFDM system

表2 現有水聲通信中IM方案的可達傳輸速率和接收端檢測復雜度Table 2 Achievable rate and receiver complexity of IM technique in current underwater acoustic communication

接收端基于ML算法的檢測復雜度如圖6所示，參數設置同上。對比圖4可知，IM-OFDM-SS可以在保證傳輸可靠性的同時，有效降低接收端的計算復雜度。在相同的系統條件下，SM-IM-OFDM在帶來高譜效的同時，也會帶來比OFDM-IM更高的接收端檢測復雜度。

圖6 不同IM技術在水聲OFDM系統中的接收端檢測復雜度對比Fig.6 Comparison of receiver complexities of different IM techniques in underwater acoustic OFDM system

在收發陣元為4×4的MIMO系統中，傳輸速率為8 bpcu(bit per channel use)(實線)、9 bpcu(虛線)時，SM、GSM、FGSM、EFGSM、SS-FGSM的系統誤碼性能如圖7所示，圖中128QAM表示調制階數為128的QAM數字調制，其余相同。從圖7中可以看出，在低信噪比情況下，SM、GSM、FGSM、EFGSM、SS-FGSM的系統誤碼性能相差很小，而高信噪比時，SM和GSM方案的誤碼率十分接近，FGSM、EFGSM、SS-FGSM的誤碼性能則明顯優于SM和GSM方案。由于EFGSM的組合變化較FGSM多，因此在相同傳輸速率的情況下，EFGSM在基于ML算法的檢測準確率方面不如FGSM。在SS-FGSM方案中引入了擴頻的思想，提高了信號的抗干擾能力，因此其誤碼性能明顯優于其他SM方案。

圖7 不同IM技術在水聲MIMO系統中的BER對比Fig.7 BER comparison of different IM techniques in underwater acoustic MIMO system

采用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)在調制階數相同的情況下，不同IM技術在水聲MIMO系統中的可達傳輸速率性能對比如圖8所示。為了便于比較，設GSM的激活子載波數Nu=2，EFGSM的主調制階數Mp=4，副調制階數Ms=2，SS-FGSM的擴頻碼長度N=4?？梢钥吹剑現GSM、EFGSM、SS-FGSM的可達數據率隨著Nt呈線性增長，SM的可達數據率隨著Nt呈對數增長，而GSM的可達數據率隨著Nt和Nu的組合變化也呈對數增長。在同等系統條件下，SS-FGSM、EFGSM和FGSM的頻譜效率明顯高于SM和GSM。

圖8 不同IM技術在水聲MIMO系統中的可達速率對比Fig.8 Comparison of achievable rates of different IM techniques in underwater acoustic MIMO system

基于ML算法的接收端檢測復雜度性能如圖9所示。對比圖8可知，FGSM在實現高頻譜效率的同時也會帶來很高的接收端計算復雜度，而SS-FGSM和EFGSM在實現高頻譜效率的同時仍可保持較低的計算復雜度，其中SS-FGSM的計算復雜度又會明顯低于EFGSM。SM的檢測復雜度低，但其可實現的數據傳輸速率也低，GSM的數據傳輸速率略高于SM，但其復雜度卻遠遠大于SM。

圖9 不同IM技術在水聲MIMO系統中的接收端檢測復雜度對比Fig.9 Comparison of receiver complexities of different IM techniques in underwater acoustic MIMO system

3 總結和展望

由于IM技術在能源效率、頻譜效率和系統復雜性方面的優勢，IM技術在過去10年飛速發展。與此同時，IM技術作為水聲通信系統中極具潛力的一種調制方式，也得到了國內外學者的關注。本文對IM技術及其在水聲通信中的應用研究進行了歸納與總結，并對比分析了不同IM在傳輸速率、傳輸可靠性以及接收端檢測復雜度方面的異同。

目前，IM技術已經建立了較為完善的體系，性能不斷提升，但在此基礎上實現更穩健而高效的通信仍具有一定發展空間。而且，隨著人工智能在各行業的成功應用，采用機器學習方法來提高水聲通信的穩健性和實現水聲高速通信勢必能成為未來基于IM技術水聲通信的一個主要研究方向。