[论文解读] A Joint Code-Frequency Index Modulation for Low-complexity, High Spectral and Energy Efficiency Communications

Minh Au, Georges Kaddoum+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 6

一句话总结

本文提出了一种联合码-频率索引调制（CFIM）方案，用于实现正交频 division multiplexing（OFDM）系统中低复杂度、高 spectral 效率和高能效。通过同时利用扩频码和子载波索引传输数据，CFIM 实现了高 spectral 效率，降低了峰均功率比（PAPR），并通过平方律能量检测实现了低复杂度检测，在误码率（BER）性能和能效方面优于传统的 OFDM 及现有索引调制方案，尤其适用于物联网（IoT）应用。

ABSTRACT

A relatively simple low complexity multiuser communication system based on simultaneous code and frequency index modulation (CFIM) is proposed in this paper. The proposed architecture reduces the emitted energy at the transmitter as well as the peak-to-average-power ratio (PAPR) of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)- based schemes functions without relegating data rate. In the scheme we introduce here, we implement a joint code- frequency- index modulation (CFIM) in order to enhance spectral and energy efficiencies. After introducing and analysing the structure with respect to latter metrics, we derive closed-form expressions of the bit error rate (BER) performance over Rayleigh fading channels and we validate the outcome by simulation results. Simulation are used verify the analyses and show that, in terms of BER, the proposed CFIM outperforms the existing index modulation (IM) based systems such as spatial modulation (SM), OFDM-IM and OFDM schemes significantly. To better exhibit the particularities of the proposed scheme, PAPR, complexity, spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) are thoroughly examined. Results indicate a high SE while ensuring an elevated reliability compared to the aforementioned systems. In addition, the concept is extended to synchronous multiuser communication networks, where full functionality is obtained. With the characteristics demonstrated in this work, the proposed system would constitute an exceptional nominee for Internet of Things (IoT) applications where low-complexity, low-power consumption and high data rate are paramount.

研究动机与目标

• 解决下一代无线系统中对低复杂度、高 spectral 和能效的需求，特别是针对物联网和传感器网络。
• 通过结合码索引与频率索引，克服现有索引调制方案（如空间调制（SM）、OFDM-IM 和 FIM）的局限性，提升 spectral 效率，且不增加带宽或功率。
• 降低 OFDM 系统中典型的高 PAPR，这对能量受限的物联网设备至关重要。
• 通过使用正交扩频码，在同步场景下实现可扩展的多用户通信，以减轻多用户干扰（MUI）。
• 提供闭式误码率（BER）表达式，并通过仿真验证性能，证明其优于现有基于索引调制的系统。

提出的方法

• 提出一种联合码-频率索引调制（CFIM）方案，其中每个 OFDM 符号块使用一个从 N 个子载波和 Nc 个扩频码中选出的活动子载波。
• 将数据调制为三部分：M 进制符号（用于数据）、子载波索引（用于频率索引）和扩频码索引（用于码索引），每个符号块仅激活一个子载波。
• 使用选定的扩频码对 M 进制符号进行扩频，然后通过激活的子载波发送，保持 OFDM 结构。
• 在接收端，执行 FFT，使用估计的扩频码进行解扩，并应用平方律能量检测（SLED）以估计码索引和频率索引。
• 推导在瑞利衰落信道下的闭式 BER 表达式，并通过蒙特卡洛仿真验证其准确性。
• 分析复杂度、spectral 效率（SE）、能效（EE）和 PAPR，以评估不同配置下的系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合码索引与频率索引调制是否能显著提升 OFDM 系统的 spectral 和能效，同时保持低复杂度？
• RQ2 在瑞利衰落信道下，所提出的 CFIM 方案与传统 OFDM 及现有索引调制技术（如 SM、OFDM-IM、FIM）相比，BER 性能如何？
• RQ3 与传统 OFDM 和 OFDM-IM 相比，CFIM 在 PAPR 方面的降低程度如何？
• RQ4 在同步多用户 OFDM 系统中，CFIM 方案的可扩展性如何？用户数量与 spectral 效率之间的权衡是什么？
• RQ5 正交扩频码（如沃尔什-哈达玛码）对多用户干扰抑制有何影响？在异步传输下性能如何退化？

主要发现

• 所提出的 CFIM 方案在瑞利衰落信道中，误码率（BER）显著低于 OFDM、SM、OFDM-IM 和 FIM。
• 与传统 OFDM 和 OFDM-IM 相比，CFIM 显著降低了 PAPR，使其特别适合低功耗物联网设备。
• 随着扩频码数量（Nc）的增加，spectral 效率提高；当 N=4 个子载波且 M=2 调制时，当 Nc 较大时，CFIM 的 SE 高于传统 OFDM。
• 在同步多用户系统中，使用正交扩频码（如沃尔什-哈达玛码）时，每个用户的 BER 性能与单用户情况相同，确保了可靠通信。
• 当用户数超过 32 且使用 64×64 沃尔什-哈达玛矩阵时，传统 OFDM 的 spectral 效率高于 CFIM，表明 CFIM 可扩展性存在实际上限。
• 通过使用 Gold 码，该系统可扩展至异步多用户场景以减轻多用户干扰，但可能因多普勒效应导致性能下降。