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在过去的五十年里，数字调制方案的设计思路大多是利用正弦波信号的幅度、相位、频率作为信息载体，采用高阶调制、高带宽、大功率信号实现高速率通信。然而，随着信息与通信技术产业的快速发展，无线电频谱资源日益稀缺，行业的能源消耗不断加大。因此，研制高谱效与高能效的无线传输技术是未来移动通信的重要发展方向。
近几年出现的序号调制是一种打破传统设计思路的高谱效、高能效数字调制技术。它利用通信系统中诸如天线、子载波、中继、调制类型、时隙等基本组成模块的“开关”状态承载比特信息。空间调制(Spatial Modulation, SM)和正交频分复用序号调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Index Modulation, OFDM-IM)是两个最为著名的序号调制技术代表，分别利用多天线和OFDM系统的发射天线和子载波的激活状态携带信息。本文针对现有序号调制研究的局限性，结合非正交多址、认知无线电、扩频和导频插入等概念，进一步挖掘空域、时域、频域及码域资源，以最大化系统的信息传输能力。具体地，本文的主要工作概括如下：
1)本文研究基于序号调制的空间资源开发技术，提出一种多天线下用户接入的新形式基于SM的协作非正交多址(SM based Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access, SM-C-NOMA)。在SM-C-NOMA中，基站采用SM将近用户和远用户的信息分别承载于星座符号和激活天线序号，而且近用户充当中继协作提高远用户的性能。SM-C-NOMA避免了传统NOMA的叠加编码和串行干扰消除，具备较低的系统复杂度。本文分析SM-C-NOMA有限星座(脉冲幅度调制和正交幅度调制)输入下的误比特率(Bit Error Rate, BER)和高斯输入下的可达速率性能，得到两用户的比特错误概率和瞬时可达速率的表达式。另外，作为对比方案，多接收天线的传统C-NOMA得到进一步研究。除了可达速率这个大多数NOMA研究采用的指标之外，本文还考虑叠加编码和串行干扰消除的影响，分析C-NOMA的BER性能。新提出的SM-C-NOMA在BER以及遍历和速率性能方面都优于传统的C-NOMA和SM-OMA。
2)本文研究基于序号调制的频率资源开发技术，提出一种多载波下机会频谱共享的新方法基于OFDM-IM的认知无线电(OFDM-IM based Cognitive Radio, OFDM-IM-CR)。在OFDM-IM-CR中，主发射机发送OFDM-IM信号，经过放大转发中继后与主接收机通信。同时，次发射机被动地感知周围频谱，机会性地将自己的信息调制到主信号的空子载波上进而发送至次接收机。如此，每个子载波上不存在信号干扰且能提高频谱效率。分别基于次网络的信道状态信息估计和统计信道信息，为主用户设计两种不同类型的最大似然(Maximum-Likelihood, ML)检测器。这两类检测器在错误性能、检测复杂度、信道信息需求量之间实现不同的折衷。随后本文提出一种适用于两类ML检测器的复杂度降低方法，造成的性能损失微乎其微。为了评估系统性能，最后推导第一类ML检测器的BER上界。新提出的OFDM-IM-CR的错误性能优于基于OFDM的频谱共享方案和OFDM-IM放大转发网络。
3)本文研究基于序号调制的频码资源开发技术，提出一种多载波扩频的新实现序号调制OFDM扩频(Index Modulated OFDM Spread Spectrum, IM-OFDM-SS)。在IM-OFDM-SS中，每一个星座符号被一个扩频码扩频至若干个子载波上，而扩频码的选择携带附加信息。如此，IM-OFDM-SS可以获得扩频增益的同时弥补一定的频谱效率损失。在接收端，设计一种低复杂度的最大比合并检测器，该检测器首先检测扩频码，然后对星座符号进行解扩和解调。随后分析系统存在信道估计误差情况下的BER性能，对ML检测器和最大比合并检测器分别推导平均比特错误概率的上界和近似表达式。最后本文将该方案拓展至多码道和多用户场景，分别提出广义IM-OFDM-SS和基于序号调制的多载波码分多址。(广义)IM-OFDM-SS的错误性能优于现有的OFDM扩频及序号调制方案。此外，在相同频谱效率下，无论采用多用户还是单用户检测，基于序号调制的多载波码分多址比传统的多载波码分多址可获得更低的BER。
4)本文研究基于序号调制的时频资源开发技术，提出一种导频辅助下信道跟踪与估计的新方案信息引导的导频插入OFDM(Information Guided Pilot Insertion OFDM, IGPI-OFDM)。在现有OFDM系统中，无论是相位跟踪导频抑或信道估计导频，其数量必须大于一定门限，且与数据占用不同的子载波。导频图案在通信过程中一直保持固定不变，并不携带任何信息，造成极大的导频开销。而在IGPI-OFDM中，导频位置不再固定，而是由待发送的信息决定，提高了系统的频谱效率。研究三种不同的导频位置选择方案，即等间距、不等间距、混合间距导频图案，其中导频可用于载波相位跟踪和信道估计。然后设计相应的导频位置估计算法，包括ML、近似ML、期望最大检测器。新提出的IGPI-OFDM的BER性能优于导频固定的传统OFDM。
近几年出现的序号调制是一种打破传统设计思路的高谱效、高能效数字调制技术。它利用通信系统中诸如天线、子载波、中继、调制类型、时隙等基本组成模块的“开关”状态承载比特信息。空间调制(Spatial Modulation, SM)和正交频分复用序号调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Index Modulation, OFDM-IM)是两个最为著名的序号调制技术代表，分别利用多天线和OFDM系统的发射天线和子载波的激活状态携带信息。本文针对现有序号调制研究的局限性，结合非正交多址、认知无线电、扩频和导频插入等概念，进一步挖掘空域、时域、频域及码域资源，以最大化系统的信息传输能力。具体地，本文的主要工作概括如下：
1)本文研究基于序号调制的空间资源开发技术，提出一种多天线下用户接入的新形式基于SM的协作非正交多址(SM based Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access, SM-C-NOMA)。在SM-C-NOMA中，基站采用SM将近用户和远用户的信息分别承载于星座符号和激活天线序号，而且近用户充当中继协作提高远用户的性能。SM-C-NOMA避免了传统NOMA的叠加编码和串行干扰消除，具备较低的系统复杂度。本文分析SM-C-NOMA有限星座(脉冲幅度调制和正交幅度调制)输入下的误比特率(Bit Error Rate, BER)和高斯输入下的可达速率性能，得到两用户的比特错误概率和瞬时可达速率的表达式。另外，作为对比方案，多接收天线的传统C-NOMA得到进一步研究。除了可达速率这个大多数NOMA研究采用的指标之外，本文还考虑叠加编码和串行干扰消除的影响，分析C-NOMA的BER性能。新提出的SM-C-NOMA在BER以及遍历和速率性能方面都优于传统的C-NOMA和SM-OMA。
2)本文研究基于序号调制的频率资源开发技术，提出一种多载波下机会频谱共享的新方法基于OFDM-IM的认知无线电(OFDM-IM based Cognitive Radio, OFDM-IM-CR)。在OFDM-IM-CR中，主发射机发送OFDM-IM信号，经过放大转发中继后与主接收机通信。同时，次发射机被动地感知周围频谱，机会性地将自己的信息调制到主信号的空子载波上进而发送至次接收机。如此，每个子载波上不存在信号干扰且能提高频谱效率。分别基于次网络的信道状态信息估计和统计信道信息，为主用户设计两种不同类型的最大似然(Maximum-Likelihood, ML)检测器。这两类检测器在错误性能、检测复杂度、信道信息需求量之间实现不同的折衷。随后本文提出一种适用于两类ML检测器的复杂度降低方法，造成的性能损失微乎其微。为了评估系统性能，最后推导第一类ML检测器的BER上界。新提出的OFDM-IM-CR的错误性能优于基于OFDM的频谱共享方案和OFDM-IM放大转发网络。
3)本文研究基于序号调制的频码资源开发技术，提出一种多载波扩频的新实现序号调制OFDM扩频(Index Modulated OFDM Spread Spectrum, IM-OFDM-SS)。在IM-OFDM-SS中，每一个星座符号被一个扩频码扩频至若干个子载波上，而扩频码的选择携带附加信息。如此，IM-OFDM-SS可以获得扩频增益的同时弥补一定的频谱效率损失。在接收端，设计一种低复杂度的最大比合并检测器，该检测器首先检测扩频码，然后对星座符号进行解扩和解调。随后分析系统存在信道估计误差情况下的BER性能，对ML检测器和最大比合并检测器分别推导平均比特错误概率的上界和近似表达式。最后本文将该方案拓展至多码道和多用户场景，分别提出广义IM-OFDM-SS和基于序号调制的多载波码分多址。(广义)IM-OFDM-SS的错误性能优于现有的OFDM扩频及序号调制方案。此外，在相同频谱效率下，无论采用多用户还是单用户检测，基于序号调制的多载波码分多址比传统的多载波码分多址可获得更低的BER。
4)本文研究基于序号调制的时频资源开发技术，提出一种导频辅助下信道跟踪与估计的新方案信息引导的导频插入OFDM(Information Guided Pilot Insertion OFDM, IGPI-OFDM)。在现有OFDM系统中，无论是相位跟踪导频抑或信道估计导频，其数量必须大于一定门限，且与数据占用不同的子载波。导频图案在通信过程中一直保持固定不变，并不携带任何信息，造成极大的导频开销。而在IGPI-OFDM中，导频位置不再固定，而是由待发送的信息决定，提高了系统的频谱效率。研究三种不同的导频位置选择方案，即等间距、不等间距、混合间距导频图案，其中导频可用于载波相位跟踪和信道估计。然后设计相应的导频位置估计算法，包括ML、近似ML、期望最大检测器。新提出的IGPI-OFDM的BER性能优于导频固定的传统OFDM。