文章目录摘要1 背景和意义1.1 高移动性通信的挑战1.2 OTFS的提出1.3 索引调制的引入2 基本原理2.1 OTFS基础2.2 索引调制2.3 OTFS-IM模型2.4 本章小结3 仿真分析仿真参数设置3.1 OTFS 对比OFDM3.2 OTFS 对比 OTFS索引调制3.3 OFDM索引调制 对比 OTFS索引调制4 总结摘要本文针对5G/6G超高移动性场景如高速铁路、低轨卫星通信中传统OFDM技术因多普勒频移导致性能下降的问题研究了正交时频空OTFS调制与索引调制IM的融合方案——OTFS-IM。通过将IM的稀疏激活机制引入OTFS的时延-多普勒域资源网格OTFS-IM在保持OTFS多普勒鲁棒性的同时进一步提升了能量效率和抗干扰能力。基于3GPP TDL信道的仿真结果表明在高速移动场景下OTFS凭借时延-多普勒域变换有效抵抗多普勒扩展误码率性能显著优于OFDM。此外在高信噪比区域OTFS-IM通过索引调制带来的分集增益性能超越传统OTFS低信噪比时因索引检测误差略逊于OTFS。此外在相同IM框架下OTFS-IM展现出较OFDM-IM更强的多普勒鲁棒性。1 背景和意义1.1 高移动性通信的挑战随着高速铁路、低轨卫星通信、无人机通信和车联网等场景的快速发展无线通信系统面临前所未有的多普勒效应挑战。在传统OFDM系统中子载波间的正交性依赖于精确的频率同步而高多普勒频移会破坏这种正交性引发严重的子载波间干扰ICI。1.2 OTFS的提出正交时频空OTFS调制技术正是在这一背景下提出的。与OFDM在时频域传输不同OTFS将信息符号放置在时延-多普勒Delay-Doppler域。在时延-多普勒域中快速时变的无线信道被转化为近似时不变的稀疏信道每个符号经历的信道衰落特性几乎一致。这一特性使得OTFS能够充分利用信道分集显著提升高移动性场景下的通信可靠性。1.3 索引调制的引入索引调制Index Modulation, IM是一种利用传输资源位置来携带额外信息的技术。其核心思想是在每组传输资源中仅激活部分资源用于传输调制符号而激活位置的组合模式本身编码了额外的信息比特。这种机制带来了多重优势能量效率提升每时刻只激活部分资源发射功率更集中抗衰落能力增强激活模式的多样性提供了天然的分集增益峰均比PAPR降低信号稀疏性使包络起伏减小。将索引调制引入OTFS系统有望在保持OTFS多普勒鲁棒性的同时进一步提升系统性能。这正是本文仿真研究的核心动机。2 基本原理2.1 OTFS基础2.2 索引调制2.3 OTFS-IM模型OTFS-IM 将索引调制IM嵌入 OTFS 的时延-多普勒DD域资源网格。其核心思想是将 DD 网格划分为若干资源组每组仅激活部分资源块用于传输调制符号而激活位置的组合模式本身携带额外的信息比特。OTFS-IM 的优势源于 DD 域稀疏性与索引调制稀疏激活的天然匹配在多普勒扩展严重的场景下激活符号的能量泄漏会优先落入组内静默资源块而非干扰其他有用符号形成隐式的干扰抑制机制同时能量检测对信道幅度衰落的容忍度高于相干符号检测提高了在高移动性下的检测可靠性此外稀疏激活降低了信号的峰均比PAPR改善了功放效率。2.4 本章小结OTFS-IM 通过引入资源位置编码将 OTFS 的 DD 域变换优势与 IM 的能量效率增益有机融合。其系统模型的核心可概括为分组 → 位置编码 符号调制 → 功率归一化 → ISFFT → 时域发送 → LMMSE均衡 → 能量检测位置解码 符号解调3 仿真分析仿真参数设置参数类别参数名称取值 / 说明系统参数时延域资源数M MM32多普勒域资源数N NN32调制方式4‑QAMOTFS 与 IM 均采用子载波间隔Δ f \Delta fΔf15 kHz系统带宽B M ⋅ Δ f B M \cdot \Delta fBM⋅Δf480 kHz载波频率f c f_cfc​5 GHz保护间隔类型ZP零填充信道参数信道模型3GPP TDL‑C城市宏蜂窝移动速度主仿真300 km/h高速铁路典型值移动速度速度扫描[5, 30, 60, 100, 200, 350, 500] km/h信道估计理想Perfect CSI索引调制参数每组资源块数n nn4每组激活块数k kk2索引比特数B idx B_{\text{idx}}Bidx​2从( 4 2 ) 6 \binom{4}{2}6(24​)6种组合中选用2 2 4 2^24224种符号比特数B sym B_{\text{sym}}Bsym​k ⋅ log ⁡ 2 ( 4 ) 4 k \cdot \log_2(4) 4k⋅log2​(4)4每组总比特数B group B_{\text{group}}Bgroup​6功率归一化开启激活符号缩放n / k \sqrt{n/k}n/k​均衡与接收均衡方式LMMSE最小均方误差线性均衡检测算法能量检测索引 最近邻硬判决符号3.1 OTFS 对比OFDM可以看到OTFS始终优于OFDM且差距随SNR增加而增大:原因高速移动350 km/h下多普勒频散严重OFDM子载波间干扰严重而OTFS通过时延‑多普勒域变换有效分散并抵抗多普勒效应。3.2 OTFS 对比 OTFS索引调制可以看到低信噪比传统OTFS 胜噪声干扰导致 IM 的能量排序容易出错索引比特出现异常性能不如普通 OTFS。高信噪比OTFS-IM 胜位置检测基本零差错符号检测更准IM 反超。3.3 OFDM索引调制 对比 OTFS索引调制可以看到OTFS‑IM优于OFDM‑IM但低SNR时两者差距较小IM检测误差占主导高SNR时差距显著扩大。OTFS的时延‑多普勒鲁棒性依然主导性能但IM的索引检测错误在低SNR掩盖了部分差距高SNR时OTFS‑IM充分发挥其抗多普勒优势。部分代码clc;clear;close all;baseDirfileparts(mfilename(fullpath));addpath(fullfile(baseDir,functions));rehash;rng(0,v4);%%0)用户设置请在此编辑P.M32;%延迟资源数子载波数 P.N32;%多普勒资源数子符号数 P.Mod_OTFS4;%OTFS/OFDM 调制阶数4,8,16 P.Mod_typeQAM;%PSK或QAMP.propModelTDL-A;%TDL-A,TDL-B,TDL-C或自定义字符串%根据3GPP 标准传播模型 P.maxSpeed_kmh350;%km/h P.cest_TypePerfect;%保留用于兼容性 P.eqTypeLMMSE;%LMMSE或ZFP.padTypeZP;P.df15e3;P.fc5e9;P.SNRdB0:3:30;%帧数自适应沿用您的风格ifP.M32||P.N32P.NUM_FRAMES15;elseif P.M16||P.N16P.NUM_FRAMES30;elseP.NUM_FRAMES60;end P.eqTypelocalNormalizeEqType(P.eqType);assert(any(P.Mod_type[PSK,QAM]),Mod_type 必须为 PSK 或 QAM。);assert(abs(log2(P.Mod_OTFS)-round(log2(P.Mod_OTFS)))1e-12,Mod_OTFS 必须为 2 的幂。);BWP.M*P.df;fsampBW;fprintf( OTFS vs OFDM 仿真 \n);fprintf(M%d,N%d,BW%.3fMHz,padType%s,eq%s\n,P.M,P.N,BW/1e6,P.padType,P.eqType);fprintf(调制%d(%s)|信道%s,v%.1fkm/h,fc%.2fGHz,每 SNR 帧数%d\n\n,...P.Mod_OTFS,P.Mod_type,P.propModel,P.maxSpeed_kmh,P.fc/1e9,P.NUM_FRAMES);%%1)信道参数OTFS G 矩阵one_delay_tap1/BW;[delays,dopplers,pdp]getChannelParams(P.maxSpeed_kmh,P.fc,P.propModel);pdppdp(:);pdppdp/max(pdpeps);chanParams.pathDelaysround(delays./one_delay_tap);chanParams.pathGainspdp;padLenmax(chanParams.pathDelays);MeffP.MpadLen;numSampMeff*P.N;T(P.MpadLen)/BW;one_doppler_tap1/(P.N*T);chanParams.pathDopplersround(dopplers/one_doppler_tap);chanParams.pathDopplerFreqschanParams.pathDopplers*one_doppler_tap;GgetG(P.M,P.N,chanParams,padLen,P.padType);GtG;GtGGt*G;%%2)分配 BER 数组SNRdBP.SNRdB;BER_OTFSzeros(size(SNRdB));BER_OFDMzeros(size(SNRdB));%星座假定您的构建函数输出单位平均功率 symConst_OTFSbuildConstellation(P.Mod_OTFS,P.Mod_type);%%3)主 SNR 循环foriS1:numel(SNRdB)snrDBSNRdB(iS);Es_refmean(abs(symConst_OTFS).^2);n0Es_ref/(10^(snrDB/10));err_otfs0;bits_otfs0;err_ofdm0;bits_ofdm0;forf1:P.NUM_FRAMES%%(A)全网格负载OTFS/OFDM 共用 bitsTX_fullrandi([01],log2(P.Mod_OTFS)*P.M,P.N);Xgrid_fullmodBitsToSyms(bitsTX_full,P.Mod_OTFS,P.Mod_type);%%(B)OTFS tx_otfshelperOTFSmod(Xgrid_full,padLen,P.padType);rx_otfsdopplerChannel(tx_otfs,fsamp,chanParams);rx_otfsawgn(rx_otfs,snrDB,measured);rx_otfsrx_otfs(1:numSamp);y_est_otfsequalizeOTFS(rx_otfs,G,GtG,n0,P.eqType);Xhat_otfshelperOTFSdemod(y_est_otfs,P.M,padLen,0,P.padType);bitsRX_otfsdemodSymsToBits(Xhat_otfs,P.Mod_OTFS,P.Mod_type);err_otfserr_otfsbiterr(bitsTX_full,bitsRX_otfs);bits_otfsbits_otfsnumel(bitsTX_full);%%(C)OFDM先导频后数据 pilotSymexp(1i*pi/4);pilotGridpilotSym*ones(P.M,P.N);tx_ofdm_pofdmmod(pilotGrid,P.M,padLen);rx_ofdm_pdopplerChannel(tx_ofdm_p,fsamp,chanParams);rx_ofdm_pawgn(rx_ofdm_p,snrDB,measured);Ypofdmdemod(rx_ofdm_p(1:(P.MpadLen)*P.N),P.M,padLen);Hofdm_estYp./pilotGrid;tx_ofdmofdmmod(Xgrid_full,P.M,padLen);rx_ofdmdopplerChannel(tx_ofdm,fsamp,chanParams);rx_ofdmawgn(rx_ofdm,snrDB,measured);Ydofdmdemod(rx_ofdm(1:(P.MpadLen)*P.N),P.M,padLen);Xhat_ofdmequalizeOFDM(Yd,Hofdm_est,n0,P.eqType);bitsRX_ofdmdemodSymsToBits(Xhat_ofdm,P.Mod_OTFS,P.Mod_type);err_ofdmerr_ofdmbiterr(bitsTX_full,bitsRX_ofdm);bits_ofdmbits_ofdmnumel(bitsTX_full);endBER_OTFS(iS)err_otfs/bits_otfs;BER_OFDM(iS)err_ofdm/bits_ofdm;fprintf([SNR%2d dB]OTFS%.3e|OFDM%.3e\n,snrDB,BER_OTFS(iS),BER_OFDM(iS));end%%4)绘图%标题字符串不显示%titleBasesprintf(M%d,N%d, %s, v%.1f km/h,P.M,P.N,P.propModel,P.maxSpeed_kmh);figure(Name,OTFS vs OFDM);semilogy(SNRdB,BER_OTFS,-o,Color,r,LineWidth,2.5,MarkerSize,9);hold on;semilogy(SNRdB,BER_OFDM,--s,Color,b,LineWidth,2.5,MarkerSize,9);grid on;box on;xlabel(Tx SNR (dB),FontName,Times New Roman,FontSize,14);ylabel(BER,FontName,Times New Roman,FontSize,14);legend(OTFS,OFDM,Location,southwest,FontName,Times New Roman,FontSize,13);title(信道TDL-A 载波5GHz 速度 350km/h)%%5)返回结果结构体results.PP;results.padLenpadLen;results.BER_OTFSBER_OTFS;results.BER_OFDMBER_OFDM;%%局部辅助函数function eqlocalNormalizeEqType(eqIn)equpper(string(eqIn));ifcontains(eq,MMSE)eqLMMSE;elseifcontains(eq,ZF)eqZF;elseeqLMMSE;end end4 总结本文系统研究了正交时频空OTFS调制与索引调制IM的融合方案——OTFS-IM旨在解决5G/6G超高移动性场景中传统OFDM技术面临的严峻挑战并通过仿真验证了OTFS-IM在高移动性通信场景下的技术优势为未来6G高速可靠传输提供了有价值的参考方案。其后续研究方向可能包括更优的检测算法研究低复杂度的联合索引与符号检测算法以提升低信噪比下的性能。与先进技术结合探索OTFS-IM与大规模MIMO、智能反射表面IRS或非正交多址NOMA技术的融合。源代码 与仿真图表所见即所得完整代码获取方式请见文末vx公众号