摘 要:低軌衛(wèi)星通信的信道存在快變和多徑問題,正交時(shí)頻空間(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)調(diào)制技術(shù)是解決該問題的候選技術(shù)。結(jié)合廣義索引調(diào)制(Index Modulation,IM ),提出正交時(shí)頻空間與廣義索引調(diào)制(Orthogonal Time Frequency Space and Generalized Index Modulation,OTFSGIM)的方案。與固定激活數(shù)據(jù)點(diǎn)的基于正交時(shí)頻空間與索引調(diào)制(Orthogonal Time Frequency Space and Index Modulation,OTFSIM)不同的是,所提方案引入改進(jìn)的IM塊,增加了激活數(shù)據(jù)點(diǎn)選擇模式,為不同數(shù)量的激活數(shù)據(jù)點(diǎn)分配額外信息,實(shí)現(xiàn)更高的頻率效率。同時(shí)改進(jìn)了信息傳遞檢測(Message Passing Detection,MPD)算法、檢測激活數(shù)據(jù)點(diǎn)攜帶的索引信息、恢復(fù)傳輸?shù)男亲畔ⅰ7抡娼Y(jié)果表明在高速移動場景下,相較于OTFS 和OTFSIM,所提OTFSGIM 以較小的性能損失為代價(jià),獲得了更高的頻譜效率。
關(guān)鍵詞:頻譜效率;正交時(shí)頻空間與索引調(diào)制;正交時(shí)頻空間與廣義索引調(diào)制;信息傳遞檢測;復(fù)雜度
中圖分類號:TN92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):
文章編號:1003-3114(2024)06-1118-07
0 引言
6G 的新型場景包括高速列車和低地球軌道衛(wèi)星通信等無線應(yīng)用,為了滿足其快速增長的需求,迫切需要可靠的高數(shù)據(jù)速率和低延遲的通信系統(tǒng)。正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)能夠提供較高的頻譜效率且易于實(shí)現(xiàn)[1-3],應(yīng)用十分廣泛。然而,在面對多普勒頻偏較大的時(shí)變信道時(shí),OFDM 的正交性無法得到保證,導(dǎo)致載波間干擾增加,對系統(tǒng)性能產(chǎn)生顯著影響。
為應(yīng)對高移動性場景,Hadani 等提出了一種稱為正交時(shí)頻空間(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)的調(diào)制方案,與OFDM 調(diào)制相比,具有更優(yōu)越的性能[4-6]。在OTFS 系統(tǒng)中,所有傳輸符號都可以在延遲多普勒(Delay Doppler,DD)域中復(fù)用,并在時(shí)頻域中擴(kuò)展,從而充分利用了快時(shí)變信道的特性。OTFS 利用了快時(shí)變信道中的延遲和多普勒維度上的分集增益。此外,OTFS 可以將快時(shí)變信道轉(zhuǎn)化為DD 域中的二維準(zhǔn)時(shí)不變信道,極大地降低了接收端信道估計(jì)和符號檢測的復(fù)雜度[7]。
同時(shí),索引調(diào)制(Index Modulation,IM)具有高頻譜效率和高能量效率。在IM 傳輸方案中,除了通過信號星座載波傳輸信息比特外,還通過子塊的索引傳輸[8]。許多種類的傳輸實(shí)體,例如天線[9]、頻率時(shí)隙[10],可以用于承載索引比特,而不需要額外的能量消耗。結(jié)合IM 的優(yōu)勢,文獻(xiàn)[11]提出了OTFSIM,除了承載傳統(tǒng)的星座符號外,還使用激活DD 域數(shù)據(jù)點(diǎn)的索引來攜帶附加信息。繼承了OTFS 對多普勒擴(kuò)頻不敏感的優(yōu)點(diǎn),而且在高移動場景下可以獲得比OTFS 更好的誤碼率(Bit ErrorRatio,BER)性能。受到文獻(xiàn)[12-14]的啟發(fā),提出了一種正交時(shí)頻空間與廣義索引調(diào)制(OrthogonalTime Frequency Space and Generalized Index Modulation,OTFSGIM)方案。通過靈活地選擇激活數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量,進(jìn)一步提高頻譜效率,同時(shí)不增加額外的復(fù)雜度。
1 OTFSIM 系統(tǒng)模型
1. 1 OTFSIM 發(fā)送端
本文考慮在快時(shí)變信道上的OTFSIM 方案,共有m 信息比特進(jìn)入OTFSIM 發(fā)射機(jī),構(gòu)成M 個(gè)子載波和N 個(gè)OTFS 符號傳輸?shù)木仃嚕@種長度N 的矢量稱為OTFS 幀,分為g 個(gè)組,包含n^ =MN/ g 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),攜帶b=m/ g 個(gè)比特信息。
對于每個(gè)子塊,將b 比特分割為兩部分,前b1個(gè)比特傳送到索引選擇器來確定激活數(shù)據(jù)點(diǎn)的索引,剩下的b2 比特映射到星座符號并由激活數(shù)據(jù)點(diǎn)攜帶相關(guān)信息[11]。對于給定的每個(gè)子塊中數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量n^ 和激活數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目k^ ,同OFDMIM 一樣,采用自然數(shù)和組合之間一對一映射的方法來確定激活數(shù)據(jù)點(diǎn)的索引,映射呈現(xiàn)自然數(shù)嚴(yán)格遞減序列Z ={ck^ ,ck^ -1,…,c1},其中n^ >ck^ >…>c1≥0,ci 表示第i 個(gè)激活數(shù)據(jù)點(diǎn)的索引。所有在區(qū)間D∈[0,Ck^n^ -1]的比特信息都能由十進(jìn)制D 序列表示,其中Ck^n^ 表示二項(xiàng)式的系數(shù)。具體的操作如下:首先選擇滿足Ck^ck^的最大ck^ ,使ck^ ≤D,再根據(jù)式更新得到的ck^ -1:
依此類推得到每一個(gè)ci。迭代完成后,即可得到激活索引序列Z = {ck^ ,ck^ -1,…,c1 }。根據(jù)組合算法確定的序列Z,可以得到第β 個(gè)索引選擇器的輸出為:
圖2 使用MPD 在DD 域上展示了誤碼率性能的變化和OTFS 的平均迭代次數(shù),其中用戶速度為150 km/ h,采用阻尼因子Δ 作為自變量??梢杂^察到,調(diào)制方式采用BPSK 調(diào)制與信噪比為18 dB 的情況下,當(dāng)Δ≤0. 7 時(shí),MPD 的誤碼率幾乎保持不變,但此后性能會發(fā)生惡化。同時(shí),當(dāng)Δ=0. 6 時(shí),改進(jìn)的匹配跟蹤以最少的迭代次數(shù)收斂,因此選擇Δ=0. 6 作為最佳阻尼因子。
圖3 為不同的用戶速度對OTFSGIM 系統(tǒng)誤碼率性能的影響,OTFSGIM 系統(tǒng)的頻譜效率為1. 5 bit/ s/ Hz,用戶速度為150、320、650 km/ h。結(jié)果表明,在低信噪比條件下,OTFSGIM 系統(tǒng)在不同用戶設(shè)備速率下的誤碼率性能基本保持不變。然而,在高信噪比下,OTFSGIM 系統(tǒng)的誤碼率性能隨著終端速率的增加而下降。在低信噪比條件下,噪聲對符號的傳輸影響較大,導(dǎo)致索引檢測誤差的概率較大。此時(shí),噪聲對系統(tǒng)性能的影響大于用戶設(shè)備的速度。隨著信噪比的增大,噪聲對系統(tǒng)性能的影響逐漸減弱,用戶設(shè)備速度的影響逐漸顯現(xiàn)。用戶設(shè)備速度的增加引起了多普勒頻偏的增加,加劇了傳輸符號之間的干擾。這影響了索引檢測和符號解調(diào),導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率性能降低。因此,用戶設(shè)備速率的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率性能的下降。
圖4 展示了經(jīng)典OTFS 和OTFSIM 兩種不同κ集的GIMOTFS 方案在BPSK 下的調(diào)制性能。子塊的大?。睿?=8,根據(jù)式(21),當(dāng)κ={1,3,5}時(shí),每個(gè)子塊可以傳輸11 bit 信息。但是,對于n^ = 8 的OTFSIM 系統(tǒng),每個(gè)子塊最多只能傳輸10 bit 信息。本文提出的OTFSGIM 在誤碼率為10-3、損失0. 2 dB 前提下,可以提高10% 的頻譜效率。當(dāng)κ={1,2,3,4,5,6}時(shí),每個(gè)子塊可以傳輸12 bit 信息,以較小的誤碼率性能損失為代價(jià)獲得20% 的頻譜效率提升。
5 結(jié)束語
通過改變OTFS 子塊中固定激活數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量,提出了一種新型的結(jié)合廣義IM 的OTFSGIM 系統(tǒng)。
通過調(diào)整發(fā)送端的IM 塊,設(shè)計(jì)接收端可變數(shù)量激活數(shù)據(jù)點(diǎn)的檢測器。對于給定的子塊長度,可以傳輸更多的額外信息比特。仿真結(jié)果表明,本文提出的OTFSGIM 方案相較于傳統(tǒng)的OTFS 和OTFSIM方案,具有更高的頻譜效率。
致 謝
感謝丁鵬鵬工程師在本論文算法平臺上提供的支持。
參考文獻(xiàn)
[1] LI Q,WEN M W,BASAR E,et al. Diversity Enhancing Multiplemode OFDM with Index Modulation[J]. IEEE Transactions on Communications,2018,66(8):3653-3666.
[2] BA爦AR E,AYG?L ,PANAYIRCI E,et al. OrthogonalFrequency Division Multiplexing with Index Modulation[J]. IEEE Transactions on Signal Processing,2013,61(22):5536-5549.
[3] 任濤. OTFS 接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 成都:電子科技大學(xué),2024.
[4] HADANI R,RAKIB S,TSATSANIS M,et al. OrthogonalTime Frequency Space Modulation [C]∥ 2017 IEEEWireless Communications and Networking Conference(WCNC). San Francisco:IEEE,2017:1-6.
[5] RAVITEJA P,PHAN K T,HONG Y. Embedded Pilotaided Channel Estimation for OTFS in DelayDopplerChannels[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2019,68(5):4906-4917.
[6] 廖勇,李雪. 一種低復(fù)雜度的正交時(shí)頻空系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2024,46(6):2418-2424.
[7] 李贊,胡俊凡,李兵,等. 基于正交時(shí)頻空技術(shù)的低軌衛(wèi)星通信的安全分析[J]. 通信學(xué)報(bào),2021,42 (8):25-32.
[8] BASAR E,WEN M,MESLEH R,et al. Index ModulationTechniques for Nextgeneration Wireless Networks [J].IEEE Access,2017,5:16693-16746.
[9] DI RENZO M,HAAS H. A General Framework for Performance Analysis of Space Shift Keying (SSK )Modulation for MISO Correlated Nakagamim FadingChannels [J]. IEEE Transactions on Communications,2010,58(9):2590-2603.
[10]HASAN R J,ABDULLAH H N. Comparative Study of Selected Subcarrier Index Modulation OFDM Schemes[J].TELKOMNIKA (Telecommunication Computing Electronicsand Control),2019,17(1):15-22.
[11]LIANG Y,LI L J,FAN P Z,et al. Doppler Resilient Orthogonal Timefrequency Space (OTFS)Systems Basedon Index Modulation [C]∥2020 IEEE 91st VehicularTechnology Conference (VTC2020Spring ). Antwerp:IEEE,2020:1-5.
[12]FAN R,YU Y J,GUAN Y L. Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Generalized Index Modulation[C]∥ 2014 IEEE Global Communications Conference.Austin:IEEE,2014:3880-3885.
[13] ZHANG H J,ZHANG T T. A Lowcomplexity MessagePassing Detector for OTFS Modulation with ProbabilityClipping [J]. IEEE Wireless Communications Letters,2021,10(6):1271-1275.
[14]RAVITEJA P,PHAN K T,JIN Q Y,et al. LowcomplexityIterative Detection for Orthogonal Time Frequency SpaceModulation[C]∥2018 IEEE Wireless Communicationsand Networking Conference (WCNC). Barcelona:IEEE,2018:1-6.
[15]LI H T,YU Q Y. Doublyiterative Sparsified MMSE TurboEqualization for OTFS Modulation[J]. IEEE Transactionson Communications,2023,71(3):1336-1351.
[16]THAJ T,VITERBO E. Low Complexity Iterative Rake Decision Feedback Equalizer for Zeropadded OTFS Systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2020,69(12):15606-15622.
[17]GE Y,DENG Q W,CHING P C,et al. Receiver Designfor OTFS with a Fractionally Spaced Sampling Approach[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2021,20(7):4072-4086.
[18]QIAN M,JI F,GE Y,et al. Blockwise Index Modulationand Receiver Design for Highmobility OTFS Communications[J]. IEEE Transactions on Communications,2023,71(10):5726-5739.
作者簡介:
劉 儀 男,(1978—),高級工程師。主要研究方向:物聯(lián)網(wǎng)通信、擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。