《IEEE Open Journal of the Communications Society》：Space-time Coded Differential Modulation for Reconfigurable Intelligent Surfaces
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本文針對6G無線通信中可重構智能表面（RIS）的信道狀態信息（CSI）獲取難題，提出了一種融合差分反射調制（DRM）與差分空時調制（DSTM）的編碼方案DRM-DSTM。該方案無需CSI，利用酉群碼構建空時碼，通過優化反射模式選擇，在準靜態瑞利衰落信道中取得了顯著的誤碼率性能增益，為提升未來無線系統的覆蓋與效率提供了有效解決方案。
在通向第六代移動通信系統（6G）的道路上，如何進一步提升無線網絡的覆蓋范圍、頻譜效率和能量效率，是研究人員面臨的核心挑戰。可重構智能表面（Reconfigurable Intelligent Surfaces， RIS）作為一種革命性技術，被視為應對這一挑戰的關鍵。想象一下，未來的無線環境不再是被動和不可控的，而是布滿了無數個可以智能調控電磁波傳播的“智能鏡子”——這就是RIS。它通過大量低成本的無源反射單元，能夠動態地重構無線信道，將信號精準地“引導”到需要它的地方，從而極大地增強信號強度、擴大覆蓋并抑制干擾。
然而，要讓這些“智能鏡子”發揮最大效用，一個棘手的“攔路虎”橫亙在前：如何精確獲取并跟蹤其信道狀態信息（Channel State Information， CSI）。與傳統通信系統不同，RIS通常由大量無源元件構成，且與用戶設備之間可能沒有直接的射頻鏈路用于信道估計，這使得CSI的獲取變得異常困難且開銷巨大。如果為了獲得CSI而投入過多資源，反而會抵消RIS帶來的效能提升。那么，是否存在一種方法，能夠讓RIS系統在無需知曉精確CSI的情況下，依然能夠穩定可靠地工作，甚至獲得性能增益呢？
這正是發表于《IEEE Open Journal of the Communications Society》上的研究“Space-time Coded Differential Modulation for Reconfigurable Intelligent Surfaces”所要回答的問題。為了攻克這一難題，研究人員獨辟蹊徑，將兩種無需信道狀態信息的調制技術——差分反射調制（Differential Reflecting Modulation， DRM）與差分空時調制（Differential Space-Time Modulation， DSTM）——創造性地融合在一起，提出了一種名為DRM-DSTM的編碼方案。
本研究主要采用了幾個關鍵技術方法：首先，以無需CSI的差分反射調制（DRM）方案作為性能基準和參考點。其次，深入研究了基于酉群碼（unitary group codes）構建的差分空時調制（DSTM）技術，并詳細闡述了將其與DRM集成的流程與架構。再者，重點探討了集成系統中反射模式的選擇與優化問題，并將原始的DRM方案以及新提出的DRM-DSTM編碼方案，擴展到了支持更多反射模式（K值更大）的場景。最后，為DRM-DSTM方案提供了適用于K‘ = 2， 3， 4情況下的循環碼（cyclic codes）和雙循環碼（dicyclic codes）碼本，并系統分析了其編碼與解碼的復雜度。
研究結果
• 方案設計與集成框架
研究首先概述了差分空時調制（DSTM）的基本原理，該技術利用酉群碼在發射天線間引入空時編碼，可以在接收端進行差分檢測，從而避免了對瞬時CSI的需求。隨后，論文詳細勾勒了將DSTM與RIS的差分反射調制（DRM）相結合的具體步驟，形成了完整的DRM-DSTM系統框架。該框架確保了信息既通過RIS的反射模式進行調制，也通過發射端的空時結構進行編碼，實現了雙重的差分傳輸。
• 反射模式選擇與擴展
反射模式的選擇是影響RIS性能的關鍵。本文深入探討了在DRM-DSTM系統中如何選擇反射模式以優化性能。更重要的是，研究將原始的DRM方案以及新提出的DRM-DSTM編碼方案，從有限的反射模式數目擴展到了更大的K值（反射模式數量），這增強了方案的靈活性與適用性，使其能夠適應更復雜的信道條件和更高的數據速率需求。
• 碼本設計與復雜度分析
為了支撐DRM-DSTM方案的實際應用，研究者專門構造并提供了適用于集成系統的碼本。具體給出了在反射模式子集大小K‘為2、3、4時，可用的循環碼和雙循環碼的示例表格。這些結構化碼本有利于簡化編解碼過程。同時，論文對DRM-DSTM方案的編碼復雜度和解碼復雜度進行了理論分析，評估了其在實際部署中的計算負擔，為工程實現提供了參考。
• 仿真性能驗證
通過大量的蒙特卡洛仿真，在準靜態瑞利衰落信道模型下，對DRM-DSTM編碼方案的性能進行了全面評估。仿真結果清晰地證實了該方案的有效性。與作為基準的無編碼DRM方案相比，在選取適當的系統參數（如反射模式數量K、空時碼結構等）后，DRM-DSTM方案能夠展現出顯著的誤碼率性能增益。這從實驗數據上強有力的證明了，通過引入空時編碼，可以在不依賴CSI的前提下，實質性提升RIS輔助通信系統的可靠性。
結論與討論
本研究成功提出并驗證了一種面向可重構智能表面（RIS）的新型編碼調制方案——DRM-DSTM。該方案的核心優勢在于其完全擺脫了對精確信道狀態信息（CSI）的依賴，通過差分反射調制（DRM）與基于酉群碼的差分空時調制（DSTM）的深度融合，實現了信息的可靠傳輸。
研究結論表明，首先，所提出的集成框架是可行且有效的，它系統性地解決了DRM與DSTM的協同工作問題。其次，通過對反射模式選擇的探討和對更大K值方案的擴展，增強了該技術的實用性和適應性。再者，提供的特定循環碼與雙循環碼碼本，為方案實現提供了具體工具。最后，也是最重要的，廣泛的仿真實驗證明，在準靜態瑞利衰落環境中，DRM-DSTM編碼方案能夠獲得比無編碼DRM更優的誤碼性能，這直接體現了空時編碼為RIS系統帶來的性能紅利。
這項研究的重要意義在于，它為6G潛在關鍵使能技術RIS所面臨的核心挑戰——CSI獲取難題——提供了一條極具吸引力的解決路徑。DRM-DSTM方案繞開了復雜的信道估計過程，降低了系統開銷與實現復雜度，同時還能提升傳輸可靠性，完美契合了RIS低成本、易部署的初衷。這不僅豐富了RIS無線傳輸的理論工具箱，也為未來能量效率與頻譜效率并重的超大規模無線網絡設計提供了新的思路和強有力的技術候選。隨著6G研究的深入，這類智能、高效且魯棒的傳輸方案，必將為構建無處不在、智能可控的無線環境奠定堅實的基礎。
