[论文解读] Enhanced Orthogonal Frequency-Division Multiplexing with Subcarrier Number Modulation

Shuping Dang, Guoqing Ma+2 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用 5

一句话总结

本文提出了一种增强型正交频 division multiplexing with subcarrier number modulation (OFDM-SNM)方案，通过基于瞬时信道状态信息（CSI）分配子载波，优先选择信道增益较高的子载波，从而提升可靠性。该方法在高信噪比（SNR）区域实现了编码增益，显著改善了中断概率和块错误率（BLER）性能，相较于传统OFDM-SNM，适用于低复杂度的物联网（IoT）应用，尤其适用于静止设备。

ABSTRACT

A novel modulation scheme termed orthogonal frequency-division multiplexing with subcarrier number modulation (OFDM-SNM) has been proposed and regarded as one of the promising candidate modulation schemes for next generation networks. Although OFDM-SNM is capable of having a higher spectral efficiency (SE) than OFDM with index modulation (OFDM-IM) and plain OFDM under certain conditions, its reliability is relatively inferior to these existing schemes, because the number of active subcarriers varies. In this regard, we propose an enhanced OFDM-SNM scheme in this paper, which utilizes the flexibility of placing subcarriers to harvest a coding gain in the high signal-to-noise ratio (SNR) region. In particular, we stipulate a methodology that optimizes the subcarrier activation pattern (SAP) by subcarrier assignment using instantaneous channel state information (CSI) and therefore the subcarriers with higher channel power gains will be granted the priority to be activated, given the number of subcarriers is fixed. We also analyze the proposed enhanced OFDM-SNM system in terms of outage and error performance. The average outage probability and block error rate (BLER) are derived and approximated in closed-form expressions, which are further verified by numerical results generated by Monte Carlo simulations. The high-reliability nature of the enhanced OFDM-SNM makes it a promising candidate for implementing in the Internet of Things (IoT) with stationary machine-type devices (MTDs), which are subject to slow fading and supported by proper power supply.

研究动机与目标

• 解决传统OFDM-SNM的可靠性限制，其在衰落信道中表现不佳，且活跃子载波数量可变。
• 利用频率选择性与瞬时CSI提升系统可靠性，而不增加频谱效率或硬件复杂度。
• 设计一种子载波分配策略，优先选择高增益子载波以利用衰落增益，并在高SNR区域实现编码增益。
• 通过闭式表达式和蒙特卡洛仿真分析并验证增强型OFDM-SNM系统的中断概率与误码性能。
• 确立增强型OFDM-SNM作为机器类型通信（MTC）在物联网网络中低复杂度、高可靠调制方案的可行性。

提出的方法

• 提出一种基于瞬时信道功率增益的子载波激活模式（SAP）优化策略，优先激活信道增益较高的子载波。
• 引入一种CSI感知的子载波分配机制，根据实时信道条件动态选择激活子载波，从而提升链路可靠性。
• 推导出在瑞利衰落信道下平均中断概率与块错误率（BLER）的闭式表达式，实现对高SNR区域性能的分析。
• 利用蒙特卡洛仿真验证分析结果，并展示该方案相较于传统OFDM-SNM与OFDM-IM的性能增益。
• 在保持活跃子载波数量恒定的同时，利用频率选择性以获取编码增益，避免了功率分配或码书设计的复杂性。
• 将OFDM-SNM的平均传输速率公式化为 $ \bar{p} = \log_2(N) + \frac{N+1}{2} \log_2(M) $，假设 $ N $ 为2的幂次，并为便于分析而省略向下取整函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于瞬时CSI的子载波分配是否能提升慢衰落环境中OFDM-SNM的可靠性？
• RQ2 所提出的基于CSI的子载波分配如何影响OFDM-SNM的中断概率与块错误率（BLER）？
• RQ3 在何种条件下，增强型OFDM-SNM的频谱效率高于普通OFDM与OFDM-IM？
• RQ4 在高SNR区域，该方案中频谱效率与可靠性的权衡关系如何？
• RQ5 增强型OFDM-SNM是否能在保持物联网应用低复杂度的前提下，优于OFDM-IM等现有方案，在误码性能方面表现更优？

主要发现

• 通过将高信道功率增益的子载波分配给通信，所提出的增强型OFDM-SNM在高SNR区域实现了编码增益，提升了可靠性，且未增加频谱效率。
• 平均中断概率与BLER的闭式表达式已推导得出，并通过蒙特卡洛仿真验证，显示相较于传统OFDM-SNM有显著性能增益。
• 当 $ N = 8 $ 时，仅当 $ M \leq 1.811 $ 时 $ \bar{p} \geq p_{\text{OFDM}} $ 成立，即仅 $ (M,N) = (2,2) $ 与 $ (2,4) $ 的组合能提供高于普通OFDM的速率。
• 当 $ N = 8 $，$ T = 4 $，且 $ M = 4 $ 时，满足 $ \bar{p} \geq p_{\text{IM}} $ 所需的 $ M $ 值为 $ M \geq 128 $，表明OFDM-SNM仅在高阶调制与大 $ N $ 条件下才能优于OFDM-IM。
• 增强型OFDM-SNM系统在误码性能上优于普通OFDM，且与OFDM-IM性能相当，同时相比空间调制方案具有更低的复杂度。
• 结果证实，基于CSI的子载波分配可实现在慢衰落物联网环境中的可靠通信，尤其适用于具有稳定电源供应的静止机器类型设备。