CN103297189B - 用于ofdm系统旋转调制的自适应频域交织方法 - Google Patents

Abstract

一种用于OFDM系统的旋转调制自适应频域交织方法，该系统的星座旋转调制中的分量交织部分引入了自适应频域交织的方法，接收端根据每个子载波的信道状态信息、根据最优频域交织方式的搜索准则，在一系列的频域交织方式中快速的搜索出与当前信道最匹配的频域交织方式，并将最佳频域交织方式的索引号发送给发送端，发送端和接收端都将更新频域交织和解交织方式。自适应频域交织器能让处于深衰落的子载波上发送的符号分量被交织到信道较好的子载波上发送。旋转调制增大了调制分集数，自适应频域交织器又进一步增大了分集增益，因此该方法能使系统在衰落信道下有很高的传输效率，能够满足未来移动通信的发展需求。

Description

用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法

技术领域

本发明涉及无线通信数字信息传输技术领域，特别涉及一种用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法。

背景技术

近年来，随着高清多媒体通信、高速Internet接入等数据业务的增长，蜂窝通信、无线局域网等无线通信容量的需求正在迅速增长。高带宽、高吞吐率、高频谱效率是现代通信的发展需求。另一方面，随着现代化建设，如今的无线信道面对大量的多径反射，衰落信道使得通信系统的传输效率极大降低。而通过增加传输分集的方式能够有效的对抗衰落信道，显著地提高系统的传输性能。

正交频分复用(OFDM:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是一种多载波调制技术，通过串并转换把高速数据流转换成多个并行低速数据流后分配到多个相互正交的子载波上传输，把频率选择性信道变成平坦衰落信道，有效的对抗多径衰落信道频率选择性的影响，该技术特别适用于在频率选择性衰落信道下的高速率数据传输。

信号空间分集(SSD:SignalSpaceDiversity)是一种分集技术，JosephBoutros提出了信号空间分集技术。衰落信道下分集阶数的提高能够增强系统传输的可靠性，星座旋转调制属于信号空间分集的一种，通过旋转星座图增加分集度，不同于时间分集、频率分集和空间分集技术，星座旋转调制的分集增益来至于系统的调制部分，不会增加时间频谱和功率资源的开销。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法，其特征在于所述OFDM系统包括：发送端和接收端，所述发送端具体包括：调制器、星座旋转映射模块、串并转换器和可配置的频域交织器，所述接收端具体包括：星座旋转解调器、可配置的频域解交织器、最优频域交织图案搜索模块、并串转换器和FFT模块，其中，所述方法包括以下步骤：S1：所述发送端对编码后的用户数据进行旋转调制，并通过所述串并转换器将调制后的用户数据封装为OFDM符号后送入自适应频域交织器；S2：自适应频域交织器根据接收端反馈的频域交织索引号选取相应的频域交织图案，并对所述OFDM符号进行频域交织；S3：对频域交织后的OFDM符号进行快速傅立叶逆变换IFFT运算和添加循环前缀CP操作后发送给所述接收端；S4：接收端对接收到的数据进行去循环前缀CP操作和快速傅立叶变换FFT运算，并将处理后的数据发送给自适应频域解交织器；S5：自适应频域解交织器根据反馈给所述发送端的频域交织索引号对应的解交织图案对所述OFDM符号进行频域解交织处理；S6：根据频域解交织处理后的数据通过星座旋转解调器进行解调，并将解调后的数据送入译码器；S7：所述最优频域交织图案搜索模块根据所述接收端将估计出的信道状态信息来计算所有频域交织图案的差错概率；S8：所述接收端的最优频域交织图案搜索模块统计一段时间内多个OFDM符号，所述一段时间内的信道状态信息通过搜索准则计算，并将所述一段时间内总差错概率最小的交织图案索引号反馈给发送端，其中，所述接收端的频域解交织器被配置为所搜模块输出的索引号所对应的频域解交织图案。

本发明的一个实施例中，所述OFDM符号进行频域交织为对OFDM符号的Q路分量进行频域交织。

本发明的一个实施例中，进行所述步骤S3之前还包括：如果频域交织后的所述OFDM符号长度小于快速傅立叶逆变换IFFT运算长度，则对所述OFDM符号进行补零操作。

本发明的一个实施例中，所述频域交织索引号通过搜索准则对系统中的交织图案集进行搜索，所述搜索准则采用符号差错概率进行搜索通过如下公式表示，所述公式为， $\underset{1\≤\mathrm{shift}\_\mathrm{length}\≤\mathrm{Ns}}{\arg \min }\left(\underset{m=1}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(\frac{\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}\×\min (\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+M{\left|h_m^{\′}\right|}^2},\sqrt{M{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2})\sqrt{3}}{2\×\sqrt{(M^2-1)N_0}}\right)\right)$ 或通过对所述公式进行演化得到如下演化公式，所述演化公式为， $\arg \max \left(\underset{m=1}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}(\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}\×\min (\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+M{\left|h_m^{\′}\right|}^2},\sqrt{M{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}))\right)$ 或 $\arg \max \left(\underset{m=1}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}\right),$ 其中，Ns为OFDM系统子载波的个数，Q为Q函数，h_m为第m个子载波上的信道状态信息，h′_m为经过频域交织后第m个子载波上的信道状态信息,M为调制阶数，N₀为噪声功率。

本发明的一个实施例中，所述M的值跟M-QAM调制有关， $M=\left\{\begin{array}{cc}4& \mathrm{QPSK}\\ 16& 16\mathrm{QAM}\\ 64& 64\mathrm{QAM}\\ 256& 256\mathrm{QAM}\end{array}\right.\·$

本发明的一个实施例中，所述交织图案为一组交织图案集，采用交织方式为循环移位子载波交织、分组交织、螺旋交织、奇偶交织、卷积交织、随机交织、伪随机交织方式。

根据本发明实施例的方法，通过改变频域交织图案的处理方式，能让处于深衰落的子载波上发送的符号分量被交织到信道较好的子载波上发送，从而进一步增大星座旋转调制的分集度，提高调制增益，改善系统的传输性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的经过旋转调制后的星座图；

图4为根据本发明一个实施例的自适应频域交织器循环移位子载波的形式示意图；以及

图5和图6为根据本发明一个实施例的采用本发明的方法和现有技术的仿真结果的误比特率曲线的对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1为根据本发明一个实施例的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法的流程图。图2为根据本发明一个实施例的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法的示意图。如图1所示，根据本发明实施例的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法，包括以下步骤：

步骤S101，发送端对编码后的用户数据进行旋转调制，并通过串并转换器将调制后的用户数据封装为OFDM符号后送入自适应频域交织器。

具体而言，发送端将编码后的数据比特进行QPSK或16QAM调制，经过调制后星座符号通过星座旋转映射模块（实例中对采用QPSK调制的星座符号乘以一个旋转系数对采用16QAM调制的星座符号乘以一个旋转系数），旋转后的星座符号如图3所示，将旋转后的星座符号输入串并转换器，封装为OFDM符号后输出给自适应频域交织器。

步骤S102，自适应频域交织器根据接收端反馈的频域交织索引号选取相应的频域交织图案，并对OFDM符号进行频域交织。

如图3所示是经过旋转调制后的星座图，图4为根据本发明一个实施例的自适应频域交织器是循环移位子载波的形式。循环长度根据接收端反馈的频域交织索引号shiftlength来确定，然后对输入的OFDM符号的Q路分量进行交织，交织后的输出给快速傅立叶逆变换IFFT模块。

步骤S103，对频域交织后的OFDM符号进行快速傅立叶逆变换IFFT运算和添加循环前缀CP操作后发送给接收端。

具体地，对频域交织后的OFDM符号不足快速傅立叶逆变换IFFT运算长度的位做补零操作，然后对每个OFDM符号进行快速傅立叶逆变换IFFT运算和添加循环前缀CP并发送数据。

步骤S104，接收端对接收到的数据进行去循环前缀CP操作和快速傅立叶变换FFT运算，并将处理后的数据发送给自适应频域解交织器。

具体地，接收端先对接收到的数据进行去循环前缀CP操作和快速傅立叶变换FFT，将时域信号转换为OFDM符号后进行去零处理后送入自适应频域解交织器。

步骤S105，自适应频域解交织器根据反馈给发送端的频域交织索引号对应的解交织图案对OFDM符号进行频域解交织处理。

具体地，自适应频域解交织器将OFDM符号的Q路分量进行解交织处理，自适应频域解交织器实例使用的是循环移位子载波解交织，循环移位长度是之前接收端反馈给发送端的交织索引号shiftlength。

步骤S106，根据频域解交织处理后的数据通过星座旋转解调器进行解调，并将解调后的数据送入译码器。

具体地，通过频域解交织后的数据送入并串转换器，最后送入星座旋转解调器进行解调，解调后的数据送入系统的译码器。

步骤S107，最优频域交织图案搜索模块根据接收端将估计出的信道状态信息来计算所有频域交织图案的差错概率。

具体地，接收端将估计的信道状态信息送入最优频域交织图案搜索模块，其中，H=(h₁,h₂,…h_Ns)是信道估计的信道状态信息，h_m表示第m个子载波的信道状态信息，H_interleaver=(h_shift,1,h_shift,2,…h_shift,Ns)是经过子载波交织后的信道状态信息，实例中使用子载波循环移位的方式，则H_interleaver就由H经过循环移位得到的。根据本发明的最优交织搜索准则公式（1），实例中通过将H_interleaver和H代入公式（1）计算出不同循环位移长度shiftlength值的差错概率，并计算统计一段时间内各个循环位移长度下的总差错概率，把总差错概率最小的shiftlength作为下次发送端使用的交织方式。最优频域交织图案搜索模块将搜索到的shiftlength值记录下来；

$\underset{1\≤\mathrm{shift}\_\mathrm{length}\≤\mathrm{Ns}}{\arg \min }\left(\underset{m=1}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(\frac{\sqrt{{\left|h_i\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{shift},m}\right|}^2}\×\min (\sqrt{{\left|h_i\right|}^2+M{\left|h_{\mathrm{shift},m}\right|}^2},\sqrt{M{\left|h_i\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{shift},m}\right|}^2})\sqrt{3}}{2\×\sqrt{(M^2-1)N_0}}\right)\right)$ 公式（1）

其中 $M=\left\{\begin{array}{cc}4& \mathrm{QPSK}\\ 16& 16\mathrm{QAM}\end{array}\right.$

或通过对公式（1）进行演化得到如下演化公式，该演化公式为， $\arg \max \left(\underset{m=1}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}(\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}\×\min (\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+M{\left|h_m^{\′}\right|}^2},\sqrt{M{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}))\right)$ 或 $\arg \max \left(\underset{m=1}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}\right),$ 其中，Ns为OFDM系统子载波的个数，Q为Q函数，h_m为第m个子载波上的信道状态信息，h′_m为经过频域交织后第m个子载波上的信道状态信息，N₀为噪声功率,M的值跟M-QAM调制有关。该频域交织索引号的搜索不仅限于采用该公式获得。

步骤S108，接收端的最优频域交织图案搜索模块统计一段时间内多个OFDM符号，一段时间内的信道状态信息通过搜索准则计算，并将一段时间内总差错概率最小的交织图案索引号反馈给发送端，其中，接收端的频域解交织器被配置为所搜模块输出的索引号所对应的频域解交织图案

具体地，接收端将最优频域交织图案搜索模块搜索的频域交织索引号shiftlength反馈给发送端，并且接收端的频域解交织器被配置为所搜模块输出的索引号shiftlength所对应的频域解交织图案。

在本发明的一个实施例中，OFDM系统包括：发送端和接收端。

发送端具体包括：调制器、星座旋转映射模块、串并转换器和可配置的频域交织器。

具体地，调制器可以为M-QAM或QPSK调制器，该调制器的输入端与编码后的数据信号相连，输出端与星座旋转映射模块相连。星座旋转映射模块的输入端与调制器相连，输出端与串并转换电路相连。串并转换器的输入端与星座旋转映射模块相连，输出端与可配置的频域交织器相连。可配置的频域交织器的输入端与串并转换器相连，输出端与IFFT模块相连，该可配置的频域交织器包含一系列已知的频域交织图案为一组交织图案集，采用交织方式为循环移位子载波交织、分组交织、螺旋交织、奇偶交织、卷积交织、随机交织、伪随机交织方式。发送端的频域交织器能够根据配置信息改变频域交织图案。

接收端具体包括：星座旋转解调器、可配置的频域解交织器、最优频域交织图案搜索模块、并串转换器和FFT模块。

具体地，FFT模块的输入端与接收到的数据相连，输出端与可配置的频域解交织器相连。

可配置的频域解交织器的输入端与FFT模块相连，输出端与并串转换器相连，可配置的频域解交织器包含一系列已知的频域解交织图案，可以采用子载波循环位移的解交织方式，其中，频域解交织图案不限于此种方式还可以采用其它形式的解交织图案，接收端的频域解交织器能够根据配置信息改变频域解交织图案。并串转换器的输入端与可配置的频域解交织器相连，输出端与星座旋转解调器相连。星座旋转解调器的输入端与并串转换器相连，输出端与系统的译码器相连。最优频域交织图案搜索模块与接收机的信道估计模块相连，最优频域交织图案搜索模块能够根据信道状态信息，在交织图案集中搜索出与当前信道状态最匹配的交织图案，本发明给出一种交织图案的搜索准则，但不限于采用其它形式的搜索准则。

根据本发明实施例的方法，通过改变频域交织图案的处理方式，能让处于深衰落的子载波上发送的符号分量被交织到信道较好的子载波上发送，从而进一步增大星座旋转调制的分集度，提高调制增益，改善系统的传输性能。

为了鉴定本发明的传输性能进行了如下验证试验。采用COST207典型城区(TU)信道模型对OFDM系统采用旋转调制进行仿真。具体仿真参数：天线数：1发1收；子载波个数：2048，有效子载波数1200；信号带宽：20MHz；调制方式：QPSK、16QAM；编码方式：未编码；衰落信道：COST207典型城区(TU)信道模型，最大多普勒频偏20Hz；理想的信道状态信息。其中，多径延时在0μs□5μs上均匀分布，在给定一组随机时延后，在此时延上传输10个OFDM符号，然后重新选取一组新的随机时延。自适应交织是在给定一组随机时延的基础上，接收端通过统计70个OFDM符号得出交织图案后，再进行传输10个OFDM符号。实验仿真了在多径数目为4，6时，分别采用自适应分量交织和固定的分量交织的误比特率。其比较结果如图5和图6所示，从图5和图6中可以看出采用本发明的结果比星座旋转调制要好。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法，其特征在于所述OFDM系统包括：发送端和接收端，所述发送端具体包括：调制器、星座旋转映射模块、串并转换器和可配置的频域交织器，所述接收端具体包括：星座旋转解调器、可配置的频域解交织器、最优频域交织图案搜索模块、并串转换器和FFT模块，其中，所述方法包括以下步骤：

S1：所述发送端对编码后的用户数据进行旋转调制，并通过所述串并转换器将调制后的用户数据封装为OFDM符号后送入自适应频域交织器；

S2：自适应频域交织器根据接收端反馈的频域交织索引号选取相应的频域交织图案，并对所述OFDM符号进行频域交织；

S3：对频域交织后的OFDM符号进行快速傅立叶逆变换IFFT运算和添加循环前缀CP操作后发送给所述接收端；

S4：接收端对接收到的数据进行去循环前缀CP操作和快速傅立叶变换FFT运算，并将处理后的数据发送给所述自适应频域解交织器；

S5：自适应频域解交织器根据反馈给所述发送端的频域交织索引号对应的解交织图案对所述OFDM符号进行频域解交织处理；

S6：根据频域解交织处理后的数据通过星座旋转解调器进行解调，并将解调后的数据送入译码器；

S7：所述最优频域交织图案搜索模块根据所述接收端将估计出的信道状态信息来计算所有频域交织图案的差错概率；

S8：所述接收端的最优频域交织图案搜索模块统计一段时间内多个OFDM符号，所述一段时间内的信道状态信息通过搜索准则计算，并将所述一段时间内总差错概率最小的交织图案索引号反馈给发送端，其中，所述接收端的频域解交织器被配置为所搜模块输出的索引号所对应的频域解交织图案，

所述频域交织索引号通过搜索准则对系统中的交织图案集进行搜索，所述搜索准则采用符号差错概率进行搜索通过如下公式表示，所述公式为，

$\underset{1\≤shift\_length\≤Ns}{\arg \min }\left(\underset{m=1}{\overset{Ns}{\Σ}}Q\left(\frac{\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}\×\min \left(\sqrt{{\left|h_m\right|}^2+M{\left|h_m^{\′}\right|}^2},\sqrt{M{\left|h_m\right|}^2+{\left|h_m^{\′}\right|}^2}\right)\sqrt{3}}{2\×\sqrt{\left(M^2-1\right)N_0}}\right)\right)$

或通过对所述公式进行演化得到如下演化公式，所述演化公式为

$\arg max\left(\underset{m=1}{\overset{Ns}{\Σ}}\left(\sqrt{|h_m{|}^2+|h_m^{\′}{|}^2}\×min\left(\sqrt{|h_m{|}^2+M|h_m^{\′}{|}^2},\sqrt{M|h_m{|}^2+|h_m^{\′}{|}^2}\right)\right)\right)$ 或

$\arg max\left(\underset{m=1}{\overset{Ns}{\Σ}}\sqrt{|h_m{|}^2+|h_m^{\′}{|}^2}\right),$

其中，Ns为OFDM系统子载波的个数，Q为Q函数，h_m为第m个子载波上的信道状态信息，h'_m为经过频域交织后第m个子载波上的信道状态信息,M为调制阶数，N₀为噪声功率，shift_length表示频域交织索引号。

2.如权利要求1所述的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法，其特征在于，所述OFDM符号进行频域交织为对OFDM符号的Q路分量进行频域交织。

3.如权利要求1所述的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法，其特征在于，进行所述步骤S3之前还包括：

如果频域交织后的所述OFDM符号长度小于快速傅立叶逆变换IFFT运算长度，则对所述OFDM符号进行补零操作。

4.如权利要求1所述的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法，其特征在于，所述M的值跟M-QAM调制有关， $M=\left\{\begin{array}{cc}4& QPSK\\ 16& 16QAM\\ 64& 64QAM\\ 256& 256QAM\end{array}\right..$

5.如权利要求1所述的用于OFDM系统旋转调制的自适应频域交织方法，其特征在于，所述交织图案为一组交织图案集，采用交织方式为循环移位子载波交织、分组交织、螺旋交织、奇偶交织、卷积交织、随机交织、伪随机交织方式。