CN107707500A

CN107707500A - 一种基于多种模式的ofdm序号调制方法

Info

Publication number: CN107707500A
Application number: CN201710764969.XA
Authority: CN
Inventors: 陈芳炯; 张文松; 呼增; 温淼文; 刘靖
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: CN107707500B

Abstract

本发明提供一种基于多种模式的OFDM序号调制方法。该方法包括：将子载波数为N的OFDM系统拆分成g个含有n个子载波的OFDM子块，然后将M阶调制符号集通过变化产生n种不同模式的M阶调制符号集；在每一个OFDM子块中，将发送的比特映射成OFDM子块发射向量将g个OFDM子块组成一个完整的OFDM块；OFDM块经过逆离散傅里叶变化头部加上一个长度为L的循环前缀构成OFDM发射符号；OFDM符号经过信道的传输，接收端经过去循环前缀、DFT运算后，得到系统的输出的频域表达式；使用ML检测算法，得到子块的判决结果本发明在高信噪比下，在相同的频谱效率的情况下，误比特率低于传统的OFDM，具有更好的性能。

Description

一种基于多种模式的OFDM序号调制方法

技术领域

本发明涉及OFDM，序号调制和数字通信领域，特别涉及一种基于多种模式的序号调制方法。

背景技术

在当今信息产业高速发展的时代，需要通信交互的数据量越来越大，人们对通信的速率和质量的要求越来越高，然而频谱资源的匮乏制约了无线通信系统的发展。为此，人们提出各种不同的无线通信技术并展开深入的研究，取得了大量的研究成果。主要包括多载波调制技术、多址接入技术、多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术等等。其中多载波调制技术被认为是一种现在和未来网络中广泛应用的基本框架技术。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是一种多载波调制技术，已被现有的大部分通信系统所采用，如现在广泛应用的商用4G Long TermEvolution(LTE)(上行采用的单载波频域均衡(Single-Carrier Frequency DomainEqualization，SC-FDE)技术可以看成是离散傅里叶变换(Digital Fourier Transform，DFT)编码的OFDM技术)，并被学术界广泛认同为未来通信的主流技术。OFDM具有较高的频谱利用率和数据传输速率，而且通过将宽带信号划分为一系列的近乎平坦衰落的窄带信号和增加循环前缀，能分别有效地对抗信道频域选择性衰落和信道的多径效应。空域调制(Spatial Modulation,SM)技术是一种特殊的单射频链路大尺度MIMO(Large-Scale MIMO)技术，因其可以比传统MIMO技术获得更好的系统频谱效率和能量效率的折中而受到广泛的关注。SM技术的基本思想是激活一部分天线来传输数据符号，并利用激活的天线序号携带另一部分信息，接收端通过判断激活天线的序号获取信息。空间键控(Space ShiftKeying,SSK)技术是一种特殊的SM技术，该技术只通过激活天线的序号来传输信息。许多实验室的研究都证明了空域调制技术的优势，并且空域调制技术被广泛认同为下一代绿色通信标准空口技术的候选。

由此可见OFDM技术和SM技术都具有很好的性能优势和研究前景，而序号调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Index Modulation,OFDM-IM)技术是近两年来提出的一种新颖的OFDM技术，OFDM-IM借鉴空域调制技术的思想，利用子载波的频率自由度来携带部分传输信息，接收端通过检测激活子载波的位置来获取这部分信息。OFDM-IM系统相对于传统OFDM系统更具有性能优势，并且还能通过选择不同的激活子载波个数灵活地配置系统的频谱效率。

然而，人们对通信通信系统性能的追求是不停歇的，在当今资源匮乏的情况下，高频谱效率、高能量效率、高通信性能的通信技术是无线通信的研究热点。OFDM-IM作为一种新的有研究潜力的OFDM技术，我们有必要对OFDM-IM系统进行进一步的分析和研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多种模式的OFDM序号调制方法，用来进一步提升OFDM系统的性能。本发明把基于多种模式的序号调制方法应用于OFDM调制。

.一种基于多种模式的OFDM序号调制方法，其包括以下步骤：

S1、考虑一个子载波数为N的OFDM块，假设每个OFDM块的输入数据为m比特，首先将输入比特流平均分成g组，则每组有p＝m/g比特，接着将每组p比特映射成为一个长度为n的OFDM子块，其中n＝N/g,最后将g个OFDM子块组成一个完整的OFDM块；

OFDM系统使用M阶调制符号集，M阶PSK调制符号集通过相位的旋转变化产生n种不同模式的M阶调制符号集，M阶QAM调制符号集首先通过平移，然后旋转变化产生n种不同模式的M阶调制符号集，不同模式的M阶调制符号集分别表示为χ₁，χ₂，...,χ_n,并且保证例如，2PSK调制符号通过旋转变化产生2种不同模式的符号集，则χ₁＝{1,-1}，χ₂＝{j,-j}；

S2、对于一个OFDM子块分组β，每组p比特可以分成p₁比特和p₂比特，输入的比特通过序号映射器映射出每种模式的调制符号集所选择子载波所在的位置，具体的映射关系的方案通过查表法来决定，即发射端和接收端需要建立同一张大小为c的表格，通过查表得到不同的输入流p₁所对应的模式选择子载波位置，在接收端进行相反的操作，从而得到对应的p₁，输入的p₂＝nlog₂(M)比特映射出该模式的符号集所选择发射的调制符号；其中，表示向下取整函数，n为步骤1中的OFDM子块长度；举例说明，如表1所示，不同的p₁比特所对应的模式选择子载波位置的情况，表1的系统使用2PSK调制符号集，通过旋转变换形成2种不同模式的2PSK调制符号集，分别为χ₁＝{1,-1}，χ₂＝{j,-j}，一个OFDM子块使用n＝2个子载波，表1为该系统使用的映射表格。

表1

S3、最终在发射端，将g个OFDM子块组成一个完整的OFDM块X_F＝[x(1) x(2) ... x(N)]^T；其中，x(N)其中表示第N个子载波的发送符号。

显而易见，一个OFDM块中通过模式选择子载波所在位置携带的信息量其中,bit表示信息量单位比特，g表示OFDM子块数目，n表示一个OFDM子块包含的子载波数目，另一方面通过M阶调制符号携带的信息量一共b₂＝n log₂(M)*g(bit)。因此在一个OFDM块一共能够传输，b＝b₁+b₂，所以频谱效率其中bit/s其中表示每秒钟传输的最大比特数,hz表示通信信道的带宽。

S4、将OFDM块经过逆离散傅里叶变化(IDFT)得到OFDM块的时域表达式，X_T＝IFFT{X_F}＝[X(1) X(2) ... X(N)]^T，IFFT表示快速傅里叶变换；最后在OFDM块的头部加上一个长度为L的循环前缀X_T＝[X(N-L+1) ... X(1) X(2) ... X(N)]^T构成OFDM符号；

S5、假设无限信道是频率选择性衰落多径瑞利信道，信道的脉冲响应系数为h_T＝[h_T(1) ... h_T(υ)]^T，其中h_T(υ)表示第υ个子载波的信道的脉冲响应系数，h_T(υ)服从复高斯分布；当循环前缀长度大于多径信道的经数，OFDM符号经过信道的传输，接收端经过去循环前缀、DFT运算后，系统的输入输出的频域表达式等效为

y(α)＝x(α)h(α)+w(α),α＝1,...,N,

其中，y(α)表示接收信号，h(α)表示信道衰落系数，w(α)表示加性高斯白噪声，h(α)，w(α)分别服从复高斯分布；

S6、系统接收端是利用ML检测算法解调出接收信号y(α)解相应的传输数据信息。

进一步地，不同于传统的OFDM系统，本系统不能简单地对每一个子载波信号分别进行ML检测，因为通过序号调制的信息是承载在OFDM块上的而不是在某一个子载波上。步骤S6使用ML检测算法，ML检测算法遍历一个OFDM子块所有的可能的情况，包括每种模式的调制符号集选择子载波位置的组合I(β)和M阶调制符号向量s(β)，找到一个组合(I_β,s_β)使得ML(I_β,s_β)取到最小值，其中I(β)表示每种模式的调制符号集选择子载波位置的组合，s(β)表示M阶调制符号向量，把该组合作为该OFDM子块的判决结果即

其中，α＝1,...,4，β＝1,...,16，y_β(α)表示第β个子块的接收信号，h_β(α)表示第β个子块对应的信道衰落系数，x_β(α)表示第β个子块的发送信号。

进一步地，步骤S1中，M阶PSK调制符号集通过相位的旋转变化、M阶QAM调制符号集先通过平移，然后通过旋转产生n种不同模式的M阶调制符号集。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点和技术效果：

1.本系统相对于传统的OFDM系统，在使用相同的调制方式下，能够具有更高的频谱效率。

2.本系统在高信噪比下，在相同的频谱效率的情况下，误比特率低于传统的OFDM，具有更好的性能。

附图说明

图1为本发明一种基于多种模式的OFDM序号调制方法的模式图；

图2为本发明一种基于多种模式的OFDM序号调制方法的OFDM子块发射符号图；

图3为本发明一种基于多种模式的OFDM序号调制方法的OFDM发射机结构示意图；

图4为本发明一种基于多种模式的OFDM序号调制方法的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本发明提供一种基于多种模式的OFDM序号调制方法。步骤如下：

S1、在具体的实施例中，考虑一个子载波数为64的OFDM系统，假设每个OFDM块的输入数据为192比特，首先将输入比特流平均分成16组，则每组有12个比特，接着将每组12比特映射成为一个长度为4的OFDM子块,最后将16个OFDM子块组成一个完整的OFDM块。

在具体的实施例中，系统使用2PSK阶调制符号集。2PSK阶调制符号集通过旋转变化产生4种不同模式的2PSK阶调制符号集，分别为χ₁＝{1,-1}，χ₃＝{j,-j}，如图1所示，其中j表示发送符号的虚部单位。

S2、对于一个分组β，每组12比特可以分成p₁＝8比特和p₂＝4比特，输入的p₁＝8比特通过序号映射器映射出每种模式的调制符号集所选择子载波所在的位置，具体的映射关系可以通过查表法得到，输入的p₂＝4比特映射出每种模式所选择发射该模式下的2PSK调制符号。如图2所示，通过查表后，系统的OFDM子块的发射向量图。其中j表示发送符号的虚部单位。

S3、如图3所示，系统的发射机结构示意图,将16个OFDM子块组成一个完整的OFDM块X_F＝[x(1) x(2) ... x(64)]^T。

显而易见，一个OFDM块中通过模式选择子载波所在位置携带的信息量为为b₁＝8*16bits＝128bit，另一方面通过2PSK调制符号携带的信息量一共

b₂＝4*16bit＝64bit。因此在一个OFDM块一共能够传输，

b＝b₁+b₂＝192bit，所以频谱效率为

S4、将OFDM块经过逆离散傅里叶变化(IDFT)得到OFDM块的时域表达式，X_T＝IFFT{X_F}＝[X(1) X(2) ... X(N)]^T。最后在OFDM块的头部加上一个长度为L的循环前缀X_T＝[X(N-L+1) ... X(1) X(2) ... X(N)]^T构成OFDM符号。

S5、假设无限信道是频率选择性衰落多径瑞利信道，信道的脉冲响应系数为h_T＝[h_T(1) ... h_T(υ)]^T，其中h_T(υ)表示第υ个子载波的信道的脉冲响应系数，h_T(υ)服从复高斯分布。当循环前缀长度大于多径信道的经数，OFDM符号经过信道的传输，接收端经过去循环前缀、DFT运算后，系统的输入输出的频域表达式可以等效为

y(α)＝x(α)h(α)+w(α),α＝1,...,N,

其中，y(α)，h(α)，w(α)分别表示接收信号，信道衰落系数和加性高斯白噪声，h(α)，w(α)样分别服从复高斯分布。

S6、系统接收端的工作是利用接收信号y(α)解调出相应的传输数据信息。不同于传统的OFDM系统，本系统不能简单地对每一个子载波信号分别进行ML检测，因为通过序号调制的信息是承载在OFDM块上的而不是在某一个子载波上。本系统使用ML检测算法，ML算法遍历一个OFDM子块所有的可能的情况，包括每种模式的2PSK调制符号集选择子载波位置的组合I(β)和2PSK调制符号向量s(β)，找到一个组合(I_β,s_β)使得ML(I_β,s_β)取到最小值，其中I(β)表示每种模式的调制符号集选择子载波位置的组合，s(β)表示2PSK调制符号向量，把该组合作为该子块的判决结果即

其中，y_β(α)，h_β(α)，α＝1,...,4，β＝1,...,16，分别表示第β示个子块的接收信号和对应的信道衰落系数。

S7、仿真结果，通过仿真研究本系统在频率选择性信道下的误码性能，比较了传统OFDM系统、OFDM-IM系统、和本系统的BER性能。使用Matlab软件进行蒙特卡罗仿真，主要仿真参数循环前缀长度L＝32，瑞利衰落信道径数为16。仿真结果如图4所示。

仿真结果中图例中从上到下分别表示传统的OFDM、OFDM-IM系统、本系统、本系统上界的BER性能对应的曲线，相比较于传统的OFDM技术，本系统在高信噪比下，在相同的频谱效率的情况下，误比特率低于传统的OFDM，具有更好的性能。

以上所述的具体实施仅为本发明的一种最佳实现方式，并不用于限制本发明的专利范围，凡是利用本发明精神和原则及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，均应包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于多种模式的OFDM序号调制方法，其特征在于包括以下步骤：

OFDM系统使用M阶调制符号集，M阶PSK调制符号集通过相位的旋转变化产生n种不同模式的M阶调制符号集，M阶QAM调制符号集首先通过平移，然后旋转变化产生n种不同模式的M阶调制符号集，不同模式的M阶调制符号集分别表示为χ₁，χ₂，...,χ_n,并且保证

S2、对于一个OFDM子块分组β，每组p比特可以分成p₁比特和p₂比特，输入的比特通过序号映射器映射出每种模式的调制符号集所选择子载波所在的位置，具体的映射关系的方案通过查表法来决定，即发射端和接收端需要建立同一张大小为c的表格，通过查表得到不同的输入流p₁所对应的模式选择子载波位置，在接收端进行相反的操作，从而得到对应的p₁，输入的p₂＝nlog₂(M)比特映射出该模式的符号集所选择发射的调制符号；其中，表示向下取整函数，n为步骤1中的OFDM子块长度；

S3、最终在发射端，将g个OFDM子块组成一个完整的OFDM块X_F＝[x(1) x(2) ... x(N)]^T；其中，x(N)其中表示第N个子载波的发送符号；

S5、假设无限信道是频率选择性衰落多径瑞利信道，信道的脉冲响应系数为h_T＝[h_T(1)... h_T(υ)]^T，其中h_T(υ)表示第υ个子载波的信道的脉冲响应系数，h_T(υ)服从复高斯分布；当循环前缀长度大于多径信道的经数，OFDM符号经过信道的传输，接收端经过去循环前缀、DFT运算后，系统的输入输出的频域表达式等效为

y(α)＝x(α)h(α)+w(α),α＝1,...,N,

2.根据权利要求1所述的一种基于多种模式的OFDM序号调制方法，其特征在于，其特征在于步骤S6使用ML检测算法，ML检测算法遍历一个OFDM子块所有的可能的情况，包括每种模式的调制符号集选择子载波位置的组合I(β)和M阶调制符号向量s(β)，找到一个组合(I_β,s_β)使得ML(I_β,s_β)取到最小值，其中I(β)表示每种模式的调制符号集选择子载波位置的组合，s(β)表示M阶调制符号向量，把该组合作为该OFDM子块的判决结果即

<mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>&beta;</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mover> <mi>s</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>&beta;</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mi>arg</mi> <munder> <mi>min</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>&beta;</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>&beta;</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </munder> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>&alpha;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn> </munderover> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>&beta;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>&beta;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>&beta;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>,</mo> </mrow>

3.如权利要求1所述的一种基于多种模式的OFDM序号调制方法，其特征在于步骤S1，M阶PSK调制符号集通过相位的旋转变化、M阶QAM调制符号集先通过平移，然后通过旋转产生n种不同模式的M阶调制符号集。