O-OFDM索引调制的分步优化信号映射方法

【目的】采用随机映射以及传统星座图会导致已有光正交频分复用(O-OFDM)-索引调制(IM)系统的误码率(BER)性能无法达到最优,因此,文章基于激活子载波的最优选择以及星座图的最优旋转提出了一种分步优化信号映射方法,旨在通过分步优化信号映射方法实现O-OFDM-IM系统BER性能的改善。【方法】在发射端,首先依据信道状态信息,采用信道范数最大化准则选择最优激活子载波组合;其次,利用信道状态信息,以∂=0.5°为步长,采用穷举搜索算法得到最优星座图;之后,将通过旋转获得的最优星座图加载到激活的子载波上进行信号传输;最后在接收端利用最大似然(ML)检测算法对原始信号进行恢复来实现最小的系统错误概率。【结果】仿真表明,在强湍流、BER=10-4和调制阶数为16的条件下,采用文章所提方法后,(4,2)O-OFDM-IM系统的信噪比(SNR)降低了约1.45 dB。此外,随着湍流强度的增大,BER性能的改善更明显。如,8正交幅度(QAM)、BER=10-4时,(4,2)O-OFDM-IM系统的SNR在强湍流下降低了约1.35 dB,在弱湍流下则降低了1.2 dB。【结论】由仿真结果可知,在已知信道状态信息的前提下,文章所提方法可有效改善湍流信道下系统的BER性能。

联合RIS子块与接收天线的索引调制方案性能分析

利用大量无源反射器件设计的可重构智能表面(RIS),具有拓展无线通信覆盖范围、降低系统成本/功耗和提升未来通信系统性能的优势;而索引调制(IM),通过激活通信资源的子集可实现信息的隐性传输,有望为无线通信带来更高的频谱效率和能量效率,因此,为进一步提升未来无线通信系统的性能,该论文融合RIS与IM技术,提出一种联合RIS子块与接收天线的IM方案。在该方案中,按照相邻原则,将RIS反射元件分割为若干子块,进而利用RIS子块索引与接收天线索引同时实现附加信息传递,即对待传输比特序列,将其分割为三部分,其中第一部比特被调制为星座符号,第二部分用于指示RIS子块划分,第三部分用于指示接收天线索引;在此基础上,根据最大似然(ML)检测的成对错误概率(PEP)解析形式,分四种情况,从理论上推导出对应的矩母函数(MGF),得到无条件PEP的解析表达式,最后得到该方案ML检测的平均误码率(ABER)性能上界。仿真结果表明,与现有RIS辅助的IM方案相比,无须增加额外频谱资源,所提方案的系统可达速率和系统差错性能方面均具有一定优势;同时,验证了ML检测的ABER上界具备严格一致性。

双模三维索引调制差分混沌移位键控系统的设计及性能分析

针对传统差分混沌移位键控系统速率低、误码性能差的问题,提出了一种双模三维索引调制差分混沌移位键控系统。该系统利用时隙、正交码和顺序索引,在选中与未选中的时隙上均传输信息比特。在接收端,通过采用降噪技术,减小了噪声的方差,提升了系统误码性能。推导了在加性白高斯噪声信道和多径瑞利衰落信道下的比特差错率公式。仿真结果显示,与相似的混沌键控系统相比,所提系统具备更高的数据速率和更为优越的误码性能。

基于可逆元胞自动机加密的扩展码索引调制方案

针对直接序列扩频系统伪随机(Pseudo Noise,PN)码资源有限且码索引调制系统误码率性能下降的问题,提出了一种基于可逆的初等元胞自动机加密的扩展码索引调制方案。首先,针对PN码资源有限的问题,提出使用混沌规则的初等元胞自动机对PN码进行迭代的方案,从而实现扩展PN码的目的;其次,针对码索引调制误码率性能下降的问题,提出了一种可逆元胞自动机加密的码索引调制方案,在发射端,把信息比特切割成调制比特和映射比特,并分别映射为调制符号和扩频码索引,使用对应索引的扩频码对同相分量进行扩频,同时使用可逆元胞自动机对映射比特进行加密,加密后的映射比特为调制符号的正交分量选取对应索引的扩频码进行扩频。仿真与分析结果表明,在相同频谱效率条件下,在加性高斯白噪声信道中,当误码率为10-5时,扩展码索引调制方案的误码率性能优于码索引调制和广义码索引调制方案约2~4 dB,优于非正交码移键控码索引调制方案约0.5 dB。

基于OFDM索引调制的海上通信感知一体化方法

通信感知一体化(ISAC)技术因其同时具备信息传输和目标探测功能,未来将成为海上无人平台协同作业的关键。为解决海洋通信感知一体化系统通信效率低、感知复杂度高等挑战,提出了一种基于正交频分复用索引调制(OFDM-IM)的ISAC方法。该方法通过在发射端选择性激活子载波来提高一体化信号的频谱效率并降低系统能耗,在通信接收端使用对数似然比检测方法,对子载波索引所携带的信息进行解调。在感知接收端,提取激活子载波的回波信息,接着在分布式压缩感知的框架内对目标的目标距离进行估计,最后根据距离估计的支撑集提取对应的回波信号,从而实现目标速度估计。仿真结果表明,该方法能够有效实现高可靠的通信解调,以及目标距离和速度的低复杂度准确估计。

湍流信道中零填充三模光正交频分复用索引调制的性能分析

针对无线光通信中湍流信道下正交频分复用索引调制(orthogonal frequency division multiplexing index modulation, OFDM-IM)传输速率不高、误码率性能不佳等问题,通过在不同激活子载波上加载2种不同模式的星座符号的方式,并结合离散小波变换提出了一种零填充三模光正交频分复用索引调制(zero-padded tri-mode optical OFDM-IM,ZTM-OOFDM-IM)。详细介绍了信号的映射过程,利用矩量母函数推导出其理论误码率,并在弱湍流信道下与已有的光OFDM-IM与双模光OFDM-IM (dual-mode optical OFDM-IM,DM-OOFDM-IM)进行了对比。结果表明,在保证传输速率的条件下,ZTM-OOFDM-IM有效改善了系统的误码性能。相较于光OFDM-IM和DM-OOFDM-IM,当误码率为10-3时,所提系统的信噪比分别改善了约2.8和3.2 dB。

载波频偏和相关信道对二维索引调制的影响

二维索引调制在5G物理层MIMO-OFDM架构上引入索引调制思想,利用时频域二维索引资源传输额外信息,可以有效降低发射功率,提高频谱效率,是未来6G系统潜在的使能技术。但是,实际工作系统中常常存在载波频偏,使得子载波间的正交性被破坏,从而降低系统误码性能。此外,呈现相关特性的MIMO信道也会造成系统传输性能的下降。为研究载波频偏和相关信道对二维索引调制系统误码性能的影响,对受二者影响下的系统误码率性能进行了理论分析和仿真验证。通过理论推导,获得了闭合的性能表达式,数值仿真结果验证了所得理论结果的正确性,可以为二维索引调制系统的工程化设计提供借鉴。

RIS辅助的多层增广空域图案索引调制方案

面向未来网络信息高效、可靠传输的实现要求,提出了一种可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)赋能的多层增广空域图案索引调制(Augmented Pattern Index Modulation,APIM)方案。该方案利用收发空域图案索引与RIS反射空域图案索引分别承载传输信息,以实现多路数据的高效并行传输。利用面向RIS阵元和子集相位对齐的反射策略,以最大化目的接收天线信号功率,同时满足实现不同复杂度要求。在接收信号检测方面,分别引入了最优联合检测与次优分离检测两种算法,以达成检测性能与复杂度之间均衡的设计要求。构建基于同变量矩生成函数分析的多层RIS-APIM系统误码与容量性能分析统一框架,以评估所提多层RIS-APIM系统的可达性能。仿真结果表明,与单层RIS-APIM系统相比,所提多层RIS-APIM系统成倍地提升了数据传输速率。与经典APIM方案相比,所提方案的系统误码率较低,信息传输的有效性较高。

直接序列扩频非正交分组码索引调制技术研究

为了进一步提高传统码索引调制(Code Index Modulation, CIM)的误码率性能和降低伪随机(Pseudo Noise, PN)码索引资源的耗费量,提出非正交分组-码索引调制(Nonorthogonal Grouping-Code Index Modulation, NG-CIM)方案。NG-CIM在发送端将每一个传输时隙并行分为调制块和映射块,调制块通过比特分组后映射成为多组调制符号,映射块为各组调制符号的正交分量和同相分量索引相同的PN码进行直接序列扩频传输。仿真结果表明,在加性高斯白噪声信道中,随着频谱效率的提升,NG-CIM的误码率性能较CIM有着约2~4dB的改善,同时PN码资源的耗费量也大大减少。

基于子载波补给索引调制的OFDM传输方案

针对基于索引调制的正交频分复用(OFDM-IM)技术存在子载波激活模式(SAP)不能匹配二进制数、影响系统性能的缺点,提出了基于子载波补给索引调制的正交频分复用(OFDM-SSIM)传输方案。所提方案通过在OFDM-IM的索引信息中加入补给索引,提高了系统的索引利用率,提升了系统的频谱效率(SE)。同时,由于所提方案的子载波激活模式与二进制数字相匹配,使系统易于采用低复杂度对数似然比(LLR)检测,并且保持良好的误码率(BER)性能。理论分析与仿真结果表明,在加性白高斯噪声(AWGN)信道和瑞利衰落信道下,相比传统OFDM-IM方案,所提方案有效地提升了SE和BER性能。

改善误码性能的索引调制正交频分复用混合映射方案

为进一步提升索引调制正交频分复用(OFDM-IM)系统在高信噪比(SNR)条件下的误比特率(BER),该文提出一种混合映射方案。该方案利用高信噪比时索引比特比数据比特错误率更低的特性,混合使用两种不同位数的索引比特分配策略,提高了索引比特的占比。相应地,将子载波激活模式(SAPs)分为超级SAPs和普通SAPs,相比于普通SAPs,超级SAPs对应的索引比特和数据比特分别增加1 bit和减少1 bit。将超级SAP对应的数据比特采用奇偶校验的方式补齐,然后映射为数据符号,提高了系统的分集度,增大了数据符号间的最小欧氏距离。仿真结果表明,相比于以往的映射方案,混合映射方案在误比特率为10^(-4)时可取得1~3 dB的性能增益,有效改善索引调制OFDM系统的误码性能。

等衰落轨道角动量索引调制系统的信道容量性能分析

射频轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)提供了一种可以在同一载波频率物理信道上复用一组正交模式以提高信道容量的方法。现有研究大多专注于信道容量提升,对系统复杂度的研究相对较少。在基于均匀圆形阵列(uniform circular array,UCA)的OAM通信系统中,发射机需要完成大量调制运算以生成OAM信号。于是,提出了一种等衰落轨道角动量索引调制(equal fading orbital angular momentum index modulation,EOAM-IM)方案,其中,IM有效降低了OAM调制运算复杂度,且等衰落发射机也保证了不同模式OAM子信道传输增益。此外,还详细推导了所提EOAM-IM方案的系统信道容量。仿真结果表明,所提EOAM-IM方案能以更低的调制复杂度获得比传统OAM方案更高的信道容量。

基于干扰认知的索引调制跳频抗干扰方法

为了提升无线通信的抗干扰能力,应对样式更加多样的干扰攻击,提出了一种基于干扰认知的索引调制跳频抗干扰方法.合法发射机利用被认知的干扰信号所在的频点与活跃频点、静默频点的相互关系,以进一步选择三种应对策略:利用干扰、反制干扰或无需措施.相比传统的索引调制跳频方法,本文方法是一种更加灵活和有效的抗干扰手段.此外,推导了基于干扰认知索引调制跳频方法的误比特率近似闭式表达式,所推导的理论分析结果与仿真结果拟合很好,验证了理论分析的准确性.相比传统的索引调制跳频方法,所提方法能够有效提升误比特率性能,从而提升系统的抗干扰能力.

RIS辅助索引调制协作系统的误码率性能分析

针对中继协作通信在发射机和接收机之间的直接路径信号较弱,且信噪比(SNR)低的场景,提出一种智能反射面(RIS)辅助解码转发(DF)中继的协作索引调制(IM)系统(RIS-DF-IM)。在该系统中,RIS作为智能接入点(AP)充当源节点和中继节点发射机的一部分,根据发射信息对反射信道进行相位补偿,最大化接收天线的SNR,并对中继和目的节点接收机的多天线进行索引调制,提高系统的频谱效率;同时,利用矩母函数(MGF)法求解所提出的双跳系统误码率(BER)的理论联合界。此外,还提出了一种预贪婪的最大似然简化(SPML)检测器,通过预贪婪减少遍历天线索引数量,以及简化最大似然译码准则式,降低计算复杂度。蒙特卡洛仿真结果表明,在RIS元件数取128且采用空间调制时,RIS-DF-IM与RIS在远端不接入发射机的协作空间调制系统相比,BER降低了约10;与传统的预编码空间调制系统相比,BER大幅降低,约20;SPML检测器相较于最大似然(ML)检测器,BER增加了约1.4,但是计算复杂度减少了一半,实现了BER与复杂度之间的有效平衡。

基于SDFnT的变尺度索引调制通信雷达一体化系统

基于变尺度离散菲涅尔变换(Scaled Discrete Fresnel Transform,SDFnT)生成的变尺度正交啁啾分复用(Scaled Orthogonal Chirp Division Multiplexing,SOCDM)信号具有可变尺度的特点,结合索引调制技术,本文提出了一种新型多模索引调制的SOCDM通信雷达一体化系统设计。首先在发射端,通过将通信比特分为两部分,一部分对尺度变换因子进行编码,另一部分进行chirp域索引调制。索引调制后的信号经过SDFnT变换后,可得到由通信比特控制的不同斜率的SOCDM信号。然后在接收端,根据SDFnT对chirp信号有聚集作用,本文设计了一种基于能量大小的解调算法,用来解调尺度变换比特。通过仿真分析,该系统相比正交频分复用-索引调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Index Modulation,OFDM-IM)系统,在不牺牲误码率下,能具有更好的雷达性能,更高的频谱效率。

基于索引调制OTFS系统的应用

正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制技术和索引调制(Index Modulation,IM)技术适用于高移动性场景,具有高频谱效率等优势,在图像传输领域应用前景广泛。然而,结合索引调制的正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space with Index Modulation,OTFS-IM)调制技术的算法实现复杂度较高。对此,在广义近似消息传递(Generalized Approximate Message Passing,GAMP)的基础上改进,提出一种基于概率排序的阻尼广义消息传递算法。实验结果表明,在图像传输应用中,与传统的最小均方误差结合最大似然方案(Minimum Mean Squared Error with Maximum Likelihood,MMSEML)相比,所提的算法具有更低的复杂度,性能也优于传统的MMSE-ML传输方案。

基于索引调制OFDM雷达通信共享信号压缩感知方法研究

针对在雷达通信一体化(RadCom)系统中正交频分复用(OFDM)共享信号通信速率不高、可靠性较差的问题,该文提出一种采用子载波索引调制(IM)的OFDM共享信号方案(OFDM-IM)以及对应的基于压缩感知(CS)的雷达信号处理算法。该方案在发射端采用IM调制增强OFDM信号通信质量,在雷达接收端采用CS技术获取目标的距离-速度2维超分辨图像,进一步采用快速分段重构、2次相参积累的方法降低算法的计算复杂度。仿真实验表明,相比于传统算法,该方法能显著提升对OFDM-IM共享信号的处理性能,并实现超低距离副瓣,是一种能够同时增强雷达与通信性能的一体化共享信号方案。

基于DWT域对数量化索引调制的数字水印算法

为了提高水印的透明性和鲁棒性,解决QIM均匀量化不适用于非均匀信号的问题。引入μ律技术,将小波分解与对数量化索引调制结合,提出基于DWT域的对数量化索引调制数字水印算法。算法对原始图像进行离散小波变换,对变换后的近似部分系数运用μ律函数,再用QIM方法嵌入二值水印。选择合适的嵌入位置,通过对量化步长和参数进行讨论得到其最优值。仿真实验结果表明,该算法与以前的量化算法相比提高了水印的透明性,并对高斯噪声、中值滤波、JPEG压缩等常见攻击具有更强的鲁棒性。

基于非均匀DCT的量化索引调制隐写

基于量化索引调制(QIM)的隐写技术正日益受到隐写分析的威胁。该文将通常在DCT域隐写的做法改为在非均匀DCT域进行,将参数作为密钥,提出了一种NDCT-QIM图像隐写方法。由于在攻击者猜测的域中,嵌入信号具有扩散性,NDCT-QIM方法不利于隐写分析对隐写特征的检测,分析和实验表明,它能够更好地抵御基于梯度能量、直方图及小波统计特征等常用统计量的隐写分析,增强了隐写的隐蔽性。

一种基于小波变换的非均匀量化索引调制水印算法

为了提高数字水印的稳健性与不可见性,将图像小波变换与量化索引调制算法相结合,提出了一种基于小波变换的非均匀量化索引调制数字水印算法。该算法对原始图像进行离散小波变换,将中频小波系数分成3×3的系数子块作为水印载体,对子块的系数均值采用非均匀量化索引调制,实现二值水印的嵌入。根据人类视觉特性,不同的系数子块采用不同的量化间隔并自适应于子块内相邻系数的差值。实验结果表明,该算法透明性好,安全性高,对高斯白噪声、剪切、滤波以及JPEG压缩等常见攻击具有较强的稳健性。