Комбинированная индексная модуляция с повышенной спектральной эффективностью для некогерентного приема

Введение. Современные системы связи должны как можно более эффективно использовать выделяемую им полосу частот. Для этого необходимо повышать спектральную эффективность систем. Одним из простых способов ее увеличения является введение индексной модуляции, которая предполагает передачу дополнительной информации за счет выбора одной из возможных комбинаций взаимного расположения активных и неактивных физических ресурсов. Однако наличие неактивных ресурсов не позволяет достичь максимально возможной спектральной эффективности, что делает актуальной задачу разработки более сложных комбинированных схем модуляции.

Цель работы. Разработать схему комбинированной индексной модуляции, обладающую повышенной спектральной эффективностью, и приемник, имеющий приемлемую вычислительную сложность; получить аналитические выражения, позволяющие оценить помехоустойчивость данной схемы модуляции.

Материалы и методы. Приведенные результаты получены с помощью компьютерного моделирования в среде MATLAB.

Результаты. Предложена схема комбинированной индексной модуляции, в которой все физические ресурсы являются активными, но обладают разной мощностью. При этом высокоуровневые и низкоуровневые ресурсы используются для передачи двух отдельных сигналов. Для дополнительного повышения спектральной эффективности между обозначенными частями итогового сигнала вводится дифференциальная фазовая манипуляция. Разработан приемник, обрабатывающий отдельно каждую компоненту сигнала, что позволяет без существенного увеличения вычислительных затрат значительно расширить ансамбль сигналов и тем самым повысить спектральную эффективность. Получены формулы для вероятности ошибки, результаты применения которых хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования.

Заключение. Разработанный метод позволяет формировать ансамбли сигналов большого объема на основе имеющихся кодовых книг, обладающих недостаточной спектральной эффективностью. Достоинство такого способа повышения спектральной эффективности – возможность реализации упрощенного приема, при котором общее число арифметических операций определяется не произведением, а суммой вычислительных затрат на обработку отдельных компонент сигнала. В дальнейшем предложенный подход можно расширить и рассмотреть комбинацию сигналов с паттернами индексной модуляции, имеющими больше двух уровней.

1. Ericsson. 6G spectrum – enabling the future mobile life beyond 2030. URL: https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/white-papers/6g-spectrum-enablingthe-future-mobile-life-beyond-2030/ (дата обращения: 27.05.2025).

2. Index Modulation Techniques for NextGeneration Wireless Networks / E. Basar, M. Wen, R. Mesleh, M. Di Renzo, Y. Xiao, H. Haas // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 16693–16746. doi: 10.1109/ACCESS.2017.2737528

3. Orthogonal Frequency Division Multiplexing With Index Modulation / E. Başar, Ü. Aygölü, E. Panayırcı, H. V. Poor // IEEE Transactions on Signal Processing. 2013. Vol. 61, № 22. P. 5536–5549. doi: 10.1109/TSP.2013.2279771

4. Ni J., Zheng J. Index Modulation-Based NonCoherent Transmission in Grant-Free Massive Access // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2021. Vol. 70, № 1. P. 1025–1029. doi: 10.1109/TVT.2020.3045448

5. Fazeli A., Nguyen H. H. Code Design for NonCoherent Index Modulation // IEEE Communications Let. 2020. Vol. 24, № 3. P. 477–481. doi: 10.1109/LCOMM.2019.2961312

6. Fazeli A., Nguyen H. H., Hanif M. Generalized OFDM-IM with Noncoherent Detection // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2020. Vol. 19, № 7. P. 4464–4479. doi: 10.1109/TWC.2020.2983700

7. Hanif M., Nguyen H. H. Non-Coherent Index Modulation in Rayleigh Fading Channels // IEEE Communications Let. 2019. Vol. 23, № 7. P. 1153–1156. doi: 10.1109/LCOMM.2019.2917085

8. Differential Spatial Modulation / Y. Bian, X. Cheng, M. Wen, L. Yang, H. V. Poor, B. Jiao // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2015. Vol. 64, № 7. P. 3262–3268. doi: 10.1109/TVT.2014.2348791

9. Althunibat S., Mesleh R., Basar E. Differential Subcarrier Index Modulation // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2018. Vol. 67, № 8. P. 7429–7436. doi: 10.1109/TVT.2018.2837691

10. Ishikawa N., Sugiura S. Rectangular Differential Spatial Modulation for Open-Loop Noncoherent MassiveMIMO Downlink // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2017. Vol. 16, № 3. P. 1908–1920. doi: 10.1109/TWC.2017.2657497

11. Rectangular Differential OFDM with Index Modulation / L. Xiao, P. Xiao, Y. Xiao, C. Wu, D. Mi, I. A. Hemadeh // IEEE 89th Vehicular Technology Conf. (VTC2019-Spring), Kuala Lumpur, Malaysia, 28 Apr.– 01 May 2019. IEEE, 2019. P. 1–6. doi: 10.1109/VTCSpring.2019.8746521

12. Dogukan A. T., Basar E. Orthogonal frequency division multiplexing with power distribution index modulation // Electronics Let. 2020. Vol. 56, № 21. P. 1156–1159. doi: 10.1049/el.2020.1692

13. Dual-Mode Index Modulation Aided OFDM / T. Mao, Z. Wang, Q. Wang, S. Chen, L. Hanzo // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 50–60. doi: 10.1109/ACCESS.2016.2601648

14. Mao T., Wang Q., Wang Z. Generalized DualMode Index Modulation Aided OFDM // IEEE Communications Let. 2017. Vol. 21, № 4. P. 761–764. doi: 10.1109/LCOMM.2016.2635634

15. Sergienko A. B., Apalina P. V. Design of Constrained Codebooks Using Autoencoder Networks // Seminar on Networks, Circuits and Systems (NCS), St Petersburg, 29–30 Nov. 2023. IEEE, 2023. P. 11–15. doi: 10.1109/NCS60404.2023.10397473

16. Прокис Дж. Цифровая связь / пер. с англ.; под ред. Д. Д. Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 800 с.

17. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь, 1989. 656 с.