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融合索引调制与NOMA的OTFS多址接入，解锁高移动性无线通信新性能
摘要：本文提出一种增强型上行免授权随机接入方案——非正交时频空索引调制多址接入（NOTFS-IMMA），该方案将非正交多址接入（NOMA）、正交时频空调制（OTFS）与索引调制多址接入（IMMA）深度融合。在NOTFS-IMMA中，用户基于自身部分数据随机选择延迟-多普勒资源块，实现无协调的免授权接入，有效提升能量效率。理论分析与仿真结果表明，在误码率和频谱效率方面，NOTFS-IMMA均显著优于传统OTFS多址接入及OTFS-IMMA方案，为高移动性无线通信场景提供了更优的技术选择。
引言：高移动性通信的技术挑战与研究背景
6G无线通信网络对终端和反射面的移动性提出了极高要求，当载波频率为5GHz时，1000km/h的移动速度会产生16.6KHz的多普勒频移，这对通信技术的抗信道衰落能力提出严峻挑战。正交时频空（OTFS）调制凭借以延迟-多普勒（DD）域映射信息符号的特性，成为高移动性通信场景的极具潜力的技术，能很好适配频率和时间选择性无线信道。
现有OTFS基多址接入技术已实现不同的资源分配与性能优化，如按延迟、多普勒维度的用户复用，高延迟-多普勒扩展环境下的等距资源分配等，部分研究还将非正交多址接入（NOMA）与OTFS结合，基于用户移动性特征实现用户区分。而索引调制（IM）技术可通过传输资源索引传递额外信息，实现频谱效率、能量效率与误码率的有效权衡，OTFS-IMMA方案更是让用户通过信息比特选择DD资源块，进一步提升了OTFS系统性能。
但目前尚未有研究将上行OTFS与IMMA、功率域NOMA结合，以降低多用户碰撞概率、提升频谱效率并优化误码率。针对这一研究空白，本文提出免授权上行NOTFS-IMMA系统，通过三维资源选择与功率域NOMA的协同设计，填补了该技术领域的研究缺口。
方法简介：NOTFS-IMMA系统设计与核心实现
1. 系统整体架构
NOTFS-IMMA面向多高移动性用户的上行通信场景，每个OTFS帧包含M个子载波和N个符号，构建对应的延迟-多普勒网格。核心设计为将每个用户的信息比特划分为四部分，分别用于激活DD资源块的调制、延迟维度资源选择、多普勒维度资源选择以及接收功率等级选择，实现延迟-多普勒-功率三维资源索引调制，让资源索引本身成为信息传输的一部分，大幅提升信息传输容量。
2. 信号传输与变换流程
用户基于比特划分结果选择对应的DD资源块和功率等级，生成调制符号后，先通过逆辛有限傅里叶变换（ISFFT）将DD域信号转换为时频（TF）域信号，再经海森堡变换将二维时频域信号转化为一维时域信号，通过时频选择性信道传输。基站接收时域信号后，经维格纳变换还原为时频域信号，再通过辛有限傅里叶变换（SFFT）转换回DD域，完成信号的跨域变换与接收。
3. 功率等级设计与SIC译码
系统预设多档接收功率等级，用户随机选择后，基站按功率从高到低的顺序执行串行干扰消除（SIC）：先解码最高功率信号并从接收信号中消除其干扰，再依次解码次高功率信号，直至完成所有信号解码。同时针对性设计功率等级计算公式，兼顾理想和非理想SIC条件，确保各用户的信干噪比（SINR）满足解码要求，若用户信道增益不足导致所需发射功率超出上限，则暂停传输。
4. 检测与性能分析方法
基站采用最大似然（ML）检测器，联合解码所有用户的传输块，考虑所有可能的索引和符号组合。从理论层面，通过成对错误概率（PEP）推导ML检测下NOTFS-IMMA的误码率上界，结合联合界技术得到平均误码率；同时推导系统碰撞概率公式，分析激活资源数、用户数、功率等级数等参数对碰撞概率的影响，并量化计算ML接收机的计算复杂度。
结论：NOTFS-IMMA的性能优势与研究展望
本文提出的NOTFS-IMMA方案为高移动性场景下的上行免授权接入提供了全新解决方案，其核心通过延迟-多普勒资源块适配高移动性信道的衰落特性，结合NOMA技术实现碰撞用户的信号恢复，达成了多技术的高效协同。
理论推导与仿真结果均验证，相较于传统OTFS-MA和OTFS-IMMA方案，NOTFS-IMMA在误码率和频谱效率上均展现出显著优势：三维资源选择将碰撞概率降低至传统OTFS-IMMA的1/D（D为功率等级数），在相同频谱效率下可采用更低阶星座调制，进一步优化误码率；即使在非理想SIC和多径信道条件下，该方案仍能保持优异性能，仅存在小幅信噪比损失。同时需注意，NOTFS-IMMA的性能提升以一定的计算复杂度增加为代价。
未来，该方案可作为高移动性免授权接入场景下多信道ALOHA技术的有力竞争者，开展更深入的性能对比与优化研究，为6G高移动性无线通信网络的多址接入技术设计提供重要参考。