CN107135059A - 一种用于索引调制的子载波分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是针对索引调制正交频分复用(OFDM‑IM)技术的子载波分配算法。不同与交织索引调制正交频分复(ISIM‑OFDM)技术，本发明主要通过估计获取信道信息，将信道信息二分，利用最优分配算法得到适当的子载波分配方式。相对于传统索引调制正交频分复用技术和交织技术，本方法不仅能有效减小子载波之间的相关性，而且可以有效提升符号间最小欧氏距离，改善系统误码率性能。

Description

一种用于索引调制的子载波分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于最优匹配的子载波分组方法。本发明涉及基于索引调制的正交频分复用(OFDM-IM)技术和最优匹配算法。

背景技术

随着社会进步，人们对信息的需求日益剧增。传统的第三代移动通信系统(The3rd Generation，3G)已不能满足人们的需求。目前，移动通信技术已经进入了第四代移动通信系统(4^th Generation，4G)时代。较于3G移动通信，4G可以带来更快的通信速度，更高的频谱利用率以及更低的延迟。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术在第四代移动通信系统中扮演着重要的角色。而基于索引调制的正交频分复用(OFDM-IM)技术将空间调制技术与传统的正交频分复用(OFDM)技术相结合，其思想是不仅激活子载波可以传输调制信号，而且可以传输其静默子载波的位置信息，从而弥补静默子载波不发送数据造成的损失。静默子载波的存在使得多普勒频移所带来的子载波间的干扰降低，使得系统对频偏不敏感。同时，大量静默子载波的存在又降低了整个输出符号的峰均比。

对于有N个子载波的OFDM-IM，可以被分成G个块，每个块含有L＝N/G个子载波。假设每个块激活子载波个数为k，每个激活子载波被映射到M阶的数字调制星座图上。其余的L-k个子载波为静默子载波。因此，对于任意一个子载波块，为索引比特，c₂＝klog₂M为调制比特。每个块的传输总比特就为c＝c₁+c₂。在OFDM-IM系统，子载波块X^g,g＝0,1,…,G-1是索引调制的基本单位：

X^g＝[0,…0,S_g,0,0,…0,S_g,1,0,…0,…S_g,K-1,0,…0]^T

其中S_g,k(k＝0,1,…,K-1)为M-QAM星座点符号，定义Λ为所有可能的发送信号向量的集合，则X^g∈Λ。以L＝2,K＝1，BPSK调制为例，则Λ为：

从而，一帧OFDM-IM发射符号可以表示为：

X＝[X₀,X₁,…,X_G-1]^T

交织子载波索引调制OFDM(ISIM-OFDM)技术是对OFDM-IM系统的改进，将相邻子载波改为交织放置方式，可以使每个子载波块过的信道近似独立，从而提高系统性能。由于OFDM-ISIM采用子载波交织技术，每个块中的子载波是不相邻的，所以第g个块的发送信号在频域上就可以表示为：

一个OFDM-ISIM符号就可以表示为：

当接收端采用最大似然检测(ML,Maximum Likelihood)时，OFDM-ISIM的BER并集界表达式为：

这里是第g个块的成对出错概率(PEP,pairwise error probability)，可以近似表示为：

其中，H^g∈C^L×L表示信道相关系数矩阵，N_0,F为噪声功率，λ表示可能的发射信号与估计信号欧氏距离为d_min(H^g)的平均个数，e_min表示发射信号与估计信号的出错比特个数。Q(·)表示Q函数，d_min(H^g)表示在信道为H^g的最小欧氏距离，表达式为：

由公式(2)可以看出，增大邻近星座点的最小欧氏距离，BER性能可以得到改善。因此相对与传统OFDM-IM，OFDM-ISIM系统的BER性能更优。但子载波交织分配并非最佳的分配方式。不同的信道信息对系统误码率的性能影响不同，因此，本发明通过估计获取的信道信息，提出最优的子载波分配方法，从而最大程度增大最小欧氏距离，改善系统误码率性能。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，基于最优匹配算法，提出一种子载波分配方法。该方法可以增大最小欧氏距离，改善系统BER性能。

本发明的技术方案是：

OFDM索引调制系统中有N个子载波，包括以下步骤：

S1、将N个子载波分成M个子载波块，每个子载波块包含L＝N/M个子载波，每个子载波块中选择K个子载波为激活载波，K<L，并根据发送比特进行索引调制；

S2、将已知的信道信息随机均分为两组H_p1、H_p2∈C^N/2×N/2，由公式：

构造最小欧氏距离矩阵其中H_p1,i表示H_p1中第i个点，H_p2,j表示H_p2中的第j个点；

S3、选择最小欧氏距离矩阵D中每列最大值对应的子图为G_l，在G_l中选取任一匹配为初始匹配P_l，并且

其中，v表示H_p1、H_p2中任意一点，l(v)表示将H_p1、H_p2中每一个点标号，即H_p1中的任意一点H_p1,i标号矩阵D第i行的最大值，同理H_p2中每一点都标0；

S4、若P_l是饱和的，则进入步骤S7；否则取匹配P_l中没有被匹配的点u，将点u加入集合S中，并令集合T为空，令S＝{u}，进入步骤S5；

S5、若由S构成的点集进入步骤S6，否则S构成的点集N(S)等于集合，计算

并且

更新：

S6、在N(S)\T中任选一个顶点y；若y已是P_l饱和的，且yz∈P_l，则S＝S∪{z}，T＝T∪{y}，回到步骤S5，否则在G_l中选取一条P_l的可增广路(u,y)，并用P_l加上边(u,y)代替P_l，回到步骤S4；

S7、将P_l中每对匹配作为最终匹配结果Ι，由公式得到最终子载波分组方法，其中X为初始发送信号，为最终分组后的发送信号。

本发明的技术方案，针对ISIM-OFDM子载波的交织分配并非最佳分配方式，提出一种基于最优匹配的子载波分配方法。本发明的有益效果是：增大了一个OFDM-IM块符号的最小欧氏距离，提升系统误码率性能。

附图说明

图1是ISIM-OFDM系统框图；

图2是QPSK调制下所提出的算法与ISIM-OFDM的BER性能对比示意图；

图3是BPSK调制下所提出的算法与ISIM-OFDM的BER性能对比示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

实施例1

本例中，子载波数128个，调制方式为QPSK调制，索引调制方式为两个子载波为一个子块，每个子块中有一个子载波激活，另外一个子载波不激活。本例采用以下步骤：

步骤1：将128个子载波分为64个子块，并根据传输比特进行索引调制和QPSK调制；

步骤2：将获取的信道信息随机分为两组，并计算最小欧氏距离矩阵，然后根据所提出的算法获取最优匹配，最优匹配的每一组都作为一个子块的分组方式；

步骤3：将调制好后的数据做两种操作：一种是进行ISIM-OFDM交织分组，每个子块中的子载波间隔64；另一种进行之前得到的最优分组方式分组；

步骤4：两组数据分别过信道，并统计两种方式得到BER。

根据图2可得，基于最优匹配的OFDM-IM在相同条件下，可获得比ISIM-OFDM更好的BER性能(图2所示的结果是采用本例中的上述方法仿真25万次获得)。

实施例2

本例中，子载波数128个，调制方式为BPSK调制，索引调制方式为两个子载波为一个子块，每个子块中有一个子载波激活，另外一个子载波不激活。本例采用以下步骤：

步骤1：将128个子载波分为64个子块，并根据传输比特进行索引调制和BPSK调制；

步骤2：将获取的信道信息随机分为两组，并计算最小欧氏距离矩阵，然后根据所提出的算法获取最优匹配，最优匹配的每一组都作为一个子块的分组方式；

步骤3：将调制好后的数据做两种操作：一种是进行ISIM-OFDM交织分组，每个子块中的子载波间隔64；另一种进行之前得到的最优分组方式分组；

步骤4：两组数据分别过信道，并统计两种方式得到BER。

根据图3可得，基于最优匹配的OFDM-IM在相同条件下，可获得比ISIM-OFDM更好的BER性能(图2所示的结果是采用本例中的上述方法仿真25万次获得)。

Claims (1)

1.一种用于索引调制的子载波分配方法，该方法用于OFDM索引调制系统，设OFDM索引调制系统中有N个子载波，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将N个子载波分成M个子载波块，每个子载波块包含L＝N/M个子载波，每个子载波块中选择K个子载波为激活载波，K<L，并根据发送比特进行索引调制；

S2、将已知的信道信息随机均分为两组H_p1、H_p2∈C^N/2×N/2，由公式：

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构造最小欧氏距离矩阵其中H_p1,i表示H_p1中第i个点，H_p2,j表示H_p2中的第j个点；

S3、选择最小欧氏距离矩阵D中每列最大值对应的子图为G_l，在G_l中选取任一匹配为初始匹配P_l，并且

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其中，v表示H_p1、H_p2中任意一点，l(v)表示将H_p1、H_p2中每一个点标号，即H_p1中的任意一点H_p1,i标号矩阵D第i行的最大值，同理H_p2中每一点都标0；

S4、若P_l是饱和的，则进入步骤S7；否则取匹配P_l中没有被匹配的点u，将点u加入集合S中，并令集合T为空，令S＝{u}，进入步骤S5；

S5、若由S构成的点集进入步骤S6，否则S构成的点集N(S)等于集合，计算

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并且

更新：

S6、在N(S)\T中任选一个顶点y；若y已是P_l饱和的，且yz∈P_l，则S＝S∪{z}，T＝T∪{y}，回到步骤S5，否则在G_l中选取一条P_l的可增广路(u,y)，并用P_l加上边(u,y)代替P_l，回到步骤S4；

S7、将P_l中每对匹配作为最终匹配结果Ι，由公式得到最终子载波分组方法，其中X为初始发送信号，为最终分组后的发送信号。