CN107332799B - 用于索引调制ofdm系统的星座图设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，涉及索引调制正交频分复用(OFDM‑IM)技术、星座图设计技术和自适应技术。具体的说是用于索引调制OFDM系统的星座图设计和自适应调制方法。本发明首先给定备选调制组合，设计合适当的星座图。并根据所设计的星座图自适应选择调制方式，使每个子载波块在备选调制组合中选取最优调制方式。相对于传统的ISIM‑OFDM系统，在发送端采用自适应调制技术，避免了单一调制方式在信道条件较差时误码率较高的情况。星座图的设计可以增大调制符号之间的欧氏距离，提高传输准确度。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体来说是一种用于索引调制OFDM系统的星座图设计方法，并依据所设计的星座图提出一种自适应调制方法。本发明涉及基于索引调制的正交频分复用(OFDM-IM)技术、自适应调制技术和星座图设计技术等。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[8]技术已成为4G移动通信系统的核心技术之一。它子载波间的正交性使各个子信道所经历的衰落相对平坦，再通过引入循环前缀来降低符号间干扰，具有频谱利用率高、抗多径效应好等特点，并且快速傅里叶变换为其提供了一种简单、低成本的实现方式。但是，在高速场景下，子信道间的正交性会受到多普勒频移的破坏而引起载波间干扰，并且OFDM多个子信道信号叠加也会导致较高的峰均比，这些缺点时OFDM不适用于高速场景。因此，设计一种具有开创性的调制技术成为当务之急。近年来出现的索引调制(Index Modulation,IM)技术则为该瓶颈提供了一个突破口，它利用一些媒介的索引携带一部分信息，这些媒介可以是实际的天线，子载波，也可以是虚拟的时隙，空时矩阵，天线激活顺序。与传统的调制技术不同，索引调制将一部分信息嵌入实际的传输信号中，传输这部分信息不需要消耗或只需消耗极少的能量，这意味着可以通过索引调制技术实现频谱效率和能量效率之间的折衷。此外，静默一部分子载波还可以有效降低峰均比和载波间干扰，这些优点使得索引调制技术成为5G研究热点之一。
交织子载波索引调制OFDM(ISIM-OFDM)技术将相邻子载波改为交织放置方式，使每个子载波块过的信道近似独立，从而提高系统性能。对于有N个子载波的ISIM-OFDM，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，对任意一个子载波块，为索引比特，C(L,k)表示为L选k的组合数，c2＝k log2M为调制比特。每个块的传输总比特就为c＝c1+c2。
在保证每个子载波平均传输速率相同的前提下，通过自适应调制使系统资源在不同子块或是同一子块的不同载波之间灵活分配来提升系统性能。
发明内容
本发明通过在发送端采用自适应调制方法，动态调整每个符号块的调制方式。自适应调制ISIM-OFDM系统发送端框图如图1所示，发送端根据当前的信道状态信息动态地在备选调制方式中依据一定的准则为每个子载波选择适当的调制方式。调制方式备选组合的选取应保证每个激活载波处发送的信号星座点携带的平均传输比特恒定，以避免解调时因其中一个载波的调制方式选择错误而导致后面的块解调出的比特串位。这里设定每个激活载波处的信号星座点携带的平均比特数为b，首先为待选择调制方式的K个激活载波预先设定R种备选的调制方式组合。将第c种备选调制方式组合记为 表示在第c种备选调制方式组合中，待选择调制方式的第k个激活载波选用的调制方式，备选调制方式组合满足其中是选用第c种备选调制方式时，待选择调制方式的第k个激活载波处的信号星座点携带的比特数。
自适应调制中OFDM-IM系统同时传输多种调制方式的星座点符号，不同调制方式之间有重叠的星座点或是星座点的分布不合理对接收端的检测都有很大影响，为使接收端正确解调，星座图的设计应该考虑三个因素：
(1)激活载波位置检测的正确性，即选用的所有调制方式的星座点都要能与零点区分开。
(2)备选的调制方式组合中所涉及的调制方式之间要能够正确区分。
(3)每一种调制方式自己的星座点也要能正确区分。
基于上述三个因素，本发明提出一种自适应OFDM-IM星座点图的设计准则，其特征如下：
S1、选用的R种备选调制方式组合涉及到的调制方式有V种，按携带信息比特从多到少依次记为M1,M2,...,MV，其对应星座点携带的信息比特数为m1,m2,...,mV，即：m1<m2<,...,<mV，每种调制方式对应的星座点平均能量为Ei,i＝1,...,V，能量分配向量记为E＝[E1,E2,...,EV]，满足限定星座点携带的信息比特数m的调制方式的能量为1。
S2、能量分配应该使所有星座点的能量尽可能大，即所有星座点的最小能量最大，星座点的最小能量为：
其中为调制方式Mi且星座点平均能量为Ei的所有星座点的集合，能量分配应最大化dcons(E)。计算两两之间的最小欧氏距离：
S3、找到调制方式两两之间的最小欧氏距离：
S4、选取dcons(E)＝dMIRD(E)时候的能量分配向量E。对于满足条件dcons(E)＝dMIRD(E)的多个E，计算在该能量分配下每种调制方式的星座点之间最小距离：
并找到最大值：
S5、在满足dcons(E)＝dMIRD(E)条件的多个E中选择使dMIAD(E)最大的E：
其中，Π为所有满足dcons(E)＝dMIRD(E)条件的E的集合。完成星座图设计。
基于上述星座图设计的自适应调制方法，其特征在于：
在R种备选的调制方式组合下，分别计算每种备选调制方式组合对应的最小欧氏距离，如下所示：
其中，是选用第c种备选调制方式组合时每个块的所有可能发送信号的集合，Xa和Xb为可能的发送信号。选择使d(c)最大的备选作为最优的调制方式组合。
本发明的技术方案，在发送端采用自适应调制方法，根据备选调制组合和信道信息动态调整每个符号块的调制方式，通过对不同调制组合的星座图设计，使得各种调制组合中，每个星座点间的距离尽可能大，增大传输准确度。本发明的有益效果是：每个子载波块采用最佳的调制方式，可以增大发送符号间的最小欧氏距离，改善系统BER性能。
附图说明
图1是自适应调制ISIM-OFDM系统发送端框图；
图2是调制方式为BPSK、QPSK和8PSK的星座点设计；
图3是调制方式为QPSK、8PSK和16QAM的星座点设计；
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：
实例1：
本例中，采用EVA信道模型，车速60km/h，载波间隔为15kHz，理想信道估计，系统载波总数为1024，交织分块。采用的实现1.5bps/Hz的3组备选组合为： 能量分配向量为E＝[1.75,1,0.25]。对应的星座图设计如图2。在检测端，本例采用以下步骤：
步骤1：将1024个子载波分为256个子载波块，每个子载波块由4个子载波组成，有2个子载波激活，2个静默；
步骤2：对于任意子载波块，计算某一个备选调制组合下的最小欧氏距离；
步骤3：遍历所有的备选调制组合，选择出每种备选调制方式组合对应的最小欧氏距离\的最大值，以及其对应的调制方式，该调制方式即为这个子载波块最优的调制方式；
步骤4：遍历所有的子载波块，选择出所有子载波块最优的调制方式；
步骤5：将所有子载波块按着所选择出最优的调制方式调制，完成发射端处理。
通过仿真可以看出，采用自适应调制的OFDM-IM系统与同频谱效率的传统OFDM-IM系统相比，在BER＝10-5时可以实现大约10dB的性能增益，极大地提升系统性能。
Claims (2)
1.用于自适应索引调制OFDM系统的星座图设计方法，该方法用于交织的OFDM索引调制系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选用的R种备选调制方式组合涉及到的调制方式有V种，按携带信息比特从多到少依次记为M1,M2,...,MV，其对应星座点携带的信息比特数为m1,m2,...,mV，即：m1<m2<,...,<mV，每种调制方式对应的星座点平均能量为Ei,i＝1,...,V，能量分配向量记为E＝[E1,E2,...,EV]，满足限定星座点携带的信息比特数m的调制方式的能量为1；
S2、能量分配应该使所有星座点的能量尽可能大，即所有星座点的最小能量最大，星座点的最小能量为：
其中为调制方式Mi且星座点平均能量为Ei的所有星座点的集合，能量分配应最大化dcons(E)，计算两两之间的最小欧氏距离：
S3、找到调制方式两两之间的最小欧氏距离：
S4、选取dcons(E)＝dMIRD(E)时候的能量分配向量E，对于满足条件dcons(E)＝dMIRD(E)的多个E，计算在该能量分配下每种调制方式的星座点之间最小距离：
并找到最大值：
S5、在满足dcons(E)＝dMIRD(E)条件的多个E中选择使dMIAD(E)最大的E：
其中，Π为所有满足dcons(E)＝dMIRD(E)条件的E的集合。
2.根据权利要求1所述的用于自适应索引调制OFDM系统的星座图设计方法，在发送端自适应调制，其特征在于:
在R种备选的调制方式组合下，分别计算每种备选调制方式组合对应的最小欧氏距离，如下所示：
其中，是选用第c种备选调制方式组合时每个块的所有可能发送信号的集合，Xa和Xb为可能的发送信号，选择使d(c)最大的备选作为最优的调制方式组合：
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