CN107995139A - 一种高效、高性能且低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法 - Google Patents
一种高效、高性能且低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高效、高性能且低复杂度的正交频分复用索引调制(OFDM‑IM)传输方法,是在传统OFDM‑IM组合方法的基础上,结合位填充(bit‑padding)和双模调制的一种子载波映射方法,它不仅包含所有子载波组合,而且还具有双模特点,因此是一种高效的传输方案。本发明方案还利用交织技术和硬限制(hard‑limiting)技术来提高系统的误比特性能和降低调制符号的检测复杂度,是一种高效、高性能且低复杂度的OFDM‑IM传输方案。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及无线通线系统发射端信号的构造方法与接收端信号检测方法,具体地说是一种用于正交频分复用索引调制系统的传输方案。
背景技术
正交频分复用(OFDM)作为一种独特的数字通信技术,具有许多优点,包括能够提供高速率的数据传输,主要通过将串行数据分割成许多低速率的并行数据流;另外还能针对由于色散信道引起的符号间干扰提供低复杂度高性能的解决方案。由于这些优点,OFDM被许多宽带无线标准所采用,例如802.11a/g Wi-Fi,802.16WiMAX以及LTE。
索引调制的概念是和空间调制的原理相关的,空间调制最初是从多输入多输出(MIMO)系统构造出来,该系统在每一个发送时隙,只有一根发射天线被激活用来发送数据,这种特性使得空间调制系统可以有效的避免信道间干扰和多天线同步的问题。同样,将空间调制的概念融入到OFDM系统里,就产生了基于索引调制的OFDM(OFDM-IM)系统,该系统的信息传输不仅通过传统的幅度和相位的调制,而且还通过激活子载波的索引值。OFDM-IM系统能提高传统OFDM系统的功率效率,因为只有部分子载波被调制,但是额外的信息比特是通过映射它们到子载波域进行传输的,因此也不会对传输效率带来多大的损失。
然而OFDM-IM系统在研究过程中,还存在着以下难点:一是子载波激活方案和信息比特之间的对应关系,目前主要采用查表法和组合算法,这两种算法分别适用于子载波数n和激活子载波数k偏小和偏大的场合下。但这两种算法都有一个共同的缺点,就是不能充分利用所有的子载波激活方案,除非该方案的个数是2的幂次方,对此提出了用不等长比特数对应所有的激活方案,以便接收端不会出现检测到非使用的激活方案。但是用不等长比特进行编码激活方案,不利于接收端的检测,会降低系统的误码率性能,对此通过改变传统幅度相位调制对应的比特数,以便一个OFDM分组所携带的信息比特保持不变,该方案有利于检测但传输效率相对于传统OFDM系统没有提高。
除了上述难点以外,就是如何提高OFDM-IM系统的传输效率,目前主要采用双模调制方式,但是该方案在接收端检测时,采用LLR检测算法,该算法在检测调制符号时采用的是遍历搜索算法,这在高阶调制下复杂度太高。
正是基于以上背景,本发明提出了一种高效、高性能且低复杂度的正交频分复用索引调制传输方案,可以使得正交频分复用索引调制系统在传输效率、系统性能和复杂度之间达到平衡。
发明内容
本发明针对正交频分复用索引调制系统的传输问题,提出了一种高效率高性能且低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法。
本发明提出一种高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方法,它包括下列步骤:
1)首先设定OFDM-IM子载波个数为N,该值也是快速傅里叶变换(FFT)的大小,并将它们划分成g个子组,则每个子组的子载波数为n,即n=N/g,并假设每个子组里激活的子载波数为k,则总共有C(n,k)种激活方案,其中C(n,k)表示从n中选择k个载波的所有组合数。
2)根据 表示向下取整运算,得到p1值,该值表示子载波激活方案的比特数。为了能提高传输效率,可以使用所有的激活方案,但是如果C(n,k)的值不是2的幂次方,则只能使用不等长的比特数去表示,则将不利于接收端的检测。对此该发明方案采用比特填充技术(bit-padding)的思路,将表示子载波激活方案的比特数填充为等长,即p1+1个比特。具体思路如下:伪随机产生m个比特数据,选取p1个比特转换成十进制数Z,若则将原来选取的p1个比特按数据比特流顺次延后改成选取p1+1个比特,并根据第p1+1个比特值进行判决,若为0,则激活子载波组合的索引值为Z,若为1,则激活子载波组合的索引值为选取p1个比特转换成十进制数Z,若则在p1个比特之后填充“0”或者“1”,从而也转化成p1+1个比特。
3)采用比特填充技术之后,每隔p2比特,再次选取p1比特重复上述比特填充过程,其中p2比特表示激活子载波上携带的调制符号大小,即其中MA和MB表示调制阶数大小。可见利用比特填充技术之后,每个OFDM-IM系统的子组里携带的比特数为p=p1+1+p2或者是p=p1+p2。
4)根据权利要求书第2步骤得到的Z值,利用组合算法可获得对应的激活子载波方案,根据子块激活载波个数满足C(ck,k)≤Z(C(ck,k)表示从ck中选择k个的所有组合数),根据子块激活子载波个数逐个递减进一步满足C(ck-1,k-1)≤Z-C(ck,k)。最终激活的子载波序列号是J+1,J={ck,...,c1}
Z=C(ck,k)+...+C(c2,2)+C(c1,1) (1)
5)确定了子载波序列号后,利用双模调制技术,对每个激活的子载波进行MA-QAM调制,而对其余的子载波进行MB-QAM调制,其中
6)将g个子组进行组合,形成一个OFDM符号组,为了提高低信噪比时OFDM-IM系统的性能,将X的N个符号进行深度为g的交织,之后进行N点的IFFT运算,得到时域发送信号[X1,X2,...,Xn]。最后在整个OFDM的N个符号最前端添加长度为L的循环前缀。
7)将OFDM-IM形成的发送符号,并串变换之后传送到频率选择性衰落信道中,该信道的脉冲响应系数为hT=[hT(1)...hT(v)]T,其中hT(σ),σ=1,...,v是循环对称复高斯随机变量,遵从的分布,v表示信道冲击响应长度。假定信道在一个OFDM组里保持不变,且循环前缀长度L必须比v值要大。
8)频域信道传递函数系数为hT的N点FFT变化,表示为
其中 表示N点FFT运算。在接收端经过信道后的接收信号先删除掉每个OFDM子组的循环前缀,串并变换之后行N点的FFT操作并进行解交织得到接收信号Y=[Y1,Y2,...,YN]T。满足
Yn=HnXn+Wn,1≤n≤N
(3)
其中Wn为服从高斯分布的白噪声。
9)为了降低计算复杂度,提出了低复杂度的对数似然比(LLR)算法,其基本思路如下,首先根据(4)式计算后验概率,其中1≤n≤N,SA(j)∈MA,SB(j)∈MB,如果γn>0,则表示该子载波对应的是MA-QAM,否则是MB-QAM调制;然后取各个γn的符号值,得出对应的激活子载波方案;最后根据硬限制(hard-limiting)算法直接求出每个载波对应的调制符号。
10)根据检测出的激活子载波组合以及对应的调制符号,反映射到比特序列当中,并根据位填充的思路,删除所填充的比特。
按照上述的正交频分复用索引调制系统的信号传输方法,本发明的有益效果为:
1)该发明方案使用了所有的子载波激活方案,以便提高传输效率且有利于使用LLR检测算法;
2)使用了等长度的比特数去表示所有的子载波激活方案,可以降低不等长比特数造成检测器的难度,提高系统的性能;
3)利用位填充技术,可以方便后续采用组合算法进行子载波组合的映射,且能保证每个OFDM-IM子组里包含的比特数恒定,有利于接收端的检测;
4)采用了双模调制方案,可以提高整个方案的传输效率;
5)将OFDM调制符号进行N个符号进行深度为g的交织,可以提高低信噪比时OFDM-IM系统的性能;
6)在接收端利用LLR+HL检测算法检测调制符号的时候,使用硬限制算法替代了最大似然检测,大大降低了检测复杂度。
附图说明
图1是按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法的发射机信号传输的实施例示意图。
图2是按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法的接收机信号传输的实施例示意图。
图3是按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法AWGN信道下性能对比。
图4是按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法频率选择性信道下性能对比。
图5为表1,是按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法:当p1=2,n=4,k=2时,比特填充规则。
图6是表2,是按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法:当n=4,k=2采用BPSK与4QAM调制的传输速率对比。
图7是表3,是按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法:复杂度分析表,复杂度计算以实数相乘个数为准,其中LLR+ML算法是假设检测出MA调制符号的基础上,反之,如果是MB调制,则将6NMA改成6NMB。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法的发射机信号传输的实施例,如图1所示,按下列步骤进行:
1)首先设定正交频分复用(OFDM-IM)子载波个数为N,该值也是快速傅里叶变换(FFT)的大小,并将它们划分成g个子组,则每个子组的子载波数为n,即n=N/g,并假设每个子组里激活的子载波数为k,则总共有C(n,k)种激活方案,其中C(n,k)表示从n中选择k个载波的所有组合数。
2)根据 表示向下取整运算,得到p1值,该值表示子载波激活方案的比特数。为了能提高传输效率,可以使用所有的激活方案,但是如果C(n,k)的值不是2的幂次方,则只能使用不等长的比特数去表示,则将不利于接收端的检测。对此该发明方案采用比特填充技术(bit-padding)的思路,将表示子载波激活方案的比特数填充为等长,即p1+1个比特。具体思路如下:伪随机产生m个比特数据,选取p1个比特转换成十进制数Z,若则将原来选取的p1个比特按数据比特流顺次延后改成选取p1+1个比特,并根据第p1+1个比特值进行判决,若为0,则激活子载波组合的索引值为Z,若为1,则激活子载波组合的索引值为选取p1个比特转换成十进制数Z,若则在p1个比特之后填充“0”或者“1”,从而也转化成p1+1个比特。
3)采用比特填充技术之后,每隔p2比特,再次选取p1比特重复上述比特填充过程,其中p2比特表示激活子载波上携带的调制符号大小,即其中MA和MB表示调制阶数大小。可见利用比特填充技术之后,每个OFDM-IM系统的子组里携带的比特数为p=p1+1+p2。因此对填充后的比特数据进行分组,分组的大小类似OFDM-IM系统子载波分组情况,分成g个子组,每子组携带的比特数据长度为p。
4)在每一个OFDM子组里,将比特分成p1+1和p2比特,其中前者是用来决定子载波激活方案,后者对应的是幅度相位调制的符号值。根据权利要求书第2步骤得到的Z值,利用组合算法可获得对应的激活子载波方案,根据子块激活载波个数满足C(ck,k)≤Z,根据子块激活子载波个数逐个递减进一步满足C(ck-1,k-1)≤Z-C(ck,k)。最终激活的子载波序列号是J+1,J={ck,...,c1}
Z=C(ck,k)+...+C(c2,2)+C(c1,1) (1)
5)根据第2步骤中由p1+1推导得到的Z值,利用组合算法可获得对应的激活子载波方案,用序列J={ck,...,c1}来表示,与Z值满足(1)的关系,其中ck>...>c1≥0,它们数值都来自{0,...,n-1},最终激活的子载波序列号是J+1。
Z=C(ck,k)+...+C(c2,2)+C(c1,1) (1)
6)确定了子载波序列号后,利用双模调制技术,对每个激活的子载波进行MA-QAM调制,而对其余的子载波进行MB-QAM调制,其中具体实施思路是:由第4步骤确定的k个激活子载波序列,进行MA-QAM调制,而对其它n-k个未激活的子载波进行MB-QAM调制,其中要求MA和MB的值相等,但是对应的星座图的形状必须不一样,譬如QPSK调制星座图,一种星座点在坐标轴上,另一种在象限上,其它的星座图类推,目的是为了方便检测时候进行区别。
7)对每一个OFDM子组都做完第4、5步骤后,创建OFDM组,并得到每个子组频域的数据,如第一个子组是[X1,X2,...,Xn],最后一个子组是[XN-n+1,...,XN]。为了提高OFDM-IM系统低信噪比的误码率性能,将g个子组的N个符号进行深度为g的交织,具体的思路是:先将每个子组的第一个数据放在最前面,接下来是每个子组的第二个数据,以此类推,将每组的最后一个数据放在最后面,这样就形成了新的一组频域数据通过这种方法,可以减少信道相关性带来的性能的降低。
8)将交织后的一组长度为N的频域数据进行N-IFFT的操作,转换成时域的数据,并在N个符号最前端长度为L的循环前缀,该循环前缀的数据与的前L个数据完全相同,目的是为了克服多径延迟造成的符号间的干扰。
按照本发明提出的高效高性能低复杂度的正交频分复用索引调制传输方法的接收机信号传输的实施例,如图2所示,按下列步骤进行:
1)将OFDM-IM形成的发送符号,并串变换之后传送到频率选择性衰落信道中,该信道的脉冲响应系数为hT=[hT(1)...hT(v)]T,其中hT(σ),σ=1,...,v是循环对称复高斯随机变量,遵从的分布。假定信道在一个OFDM组里保持不变,且循环前缀长度L必须比v值要大。
2)频域信道传递函数系数为hT的N点FFT变化,表示为
其中 表示N点FFT运算。在接收端经过信道后的接收信号先删除掉每个OFDM子组的循环前缀,串并变换之后行N点的FFT操作并进行解交织得到接收信号Y=[Y1,Y2,...,YN]T。满足
Yn=HnXn+Wn,1≤n≤N
(3)
其中Wn为服从高斯分布的白噪声。
3)为了降低计算复杂度,提出了低复杂度的对数似然比(LLR)算法,其基本思路如下,首先根据(4)式计算后验概率,其中1≤n≤N,SA(j)∈MA,SB(j)∈MB,如果γn>0,则表示该子载波对应的是MA-QAM,否则是MB-QAM调制;然后取各个γn的符号值,得出对应的激活子载波方案。
3)根据硬限制(hard-limiting)算法直接求出每个载波对应的调制符号,该算法的思路如下:首先把M-QAM调制的符号分解成N1-PAM和N2-PAM,然后对每个子载波的接收信号yl,根据(5)和(6)直接计算其携带的调制符号值sl=R(sl)+j*I(sl),其中u1=R(yl),u2=I(yl),R(.)表示取实部,I(.)表示取虚部。利用hard-limiting算法就无需对调制符号进行搜索,在使用高阶调制符号的环境下,可以大大降低计算复杂度。
4)最后根据检测出的激活子载波组合以及对应的调制符号,反映射到比特序列当中,并根据比特填充的思路,删除所填充的比特,恢复最终的m比特序列。
高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案与OFDM-IM的子块传输数据对比如表2所示.当N=128,g=32,循环前缀长度L为16时,根据频谱效率计算公式可以得出,在BPSK时,OFDM-IM的频谱效率为0.89bit/Hz,比特填充DM-OFD高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案的频谱效率为1.56bit/s/Hz或1.33bit/s/Hz;在4QAM调制时,OFDM-IM的频谱效率为1.33bit/s/Hz,高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案为2.45bit/s/Hz或2.22bit/s/Hz。对比可看出,采用高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案可以获得更高的频谱效率。
复杂度计算以实数相乘个数为准,高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案采用不同检测算法时的计算复杂度如表3所示。从表中可以看出采用ML检测算法复杂度随Nt呈指数上升且与调制阶数具有倍乘关系,检测复杂度当发射端配有数十甚至数百载波时会达到相当大的数量级。采用LLR+ML检测算法,使检测复杂度大大降低消除了复杂度随Nt呈指数上升的缺陷。LLR+HL检测算法因为在检测激活位置后不用遍历星座图而是直接计算出调制符号,进一步降低了检测复杂度。
图3在AWGN信道下高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案采用ML检测的性能最好,LLR检测在低信噪比下与ML检测相比约有0.1dB性能损失,LLR+HL检测与LLR检测十分接近。同时。与ML遍历检测所有索引符号组合不同,LLR采用后验概率代替部分遍历搜索,将搜索数值限制在星座维度上。LLR+HL检测完全取代了搜索过程,再确定调制星座图后,根据接收信息的实部虚部直接结算出调制符号,使得计算过程缩短为一次。
图4在频率选择性信道下,在误码率为10-3时,高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案的性能比OFDM-IM的性能有约2dB的优越性。这是因为在相同频谱效率下高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案采用了4QAM调制,而OFDM-IM采用的是高阶的16QAM调制。高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方案中无交织的LLR+HL算法与ML算法在误码率为10-3时约有2dB的损失,应用交织技术后LLR+HL检测算法的性能可以达到和ML检测相似的性能。
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明,但本发明并不局限于上述实施例,在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下,本领域的技术人员可做出各种修改或改型。
Claims (1)
1.一种高效、高性能且低复杂度的OFDM-IM传输方法,其特征在于它包括下列步骤:
1)首先设定OFDM-IM子载波个数为N,划分成g个子组,则每个子组的子载波数为n,即n=N/g,并假设每个子组里激活的子载波数为k,则总共有C(n,k)种激活方案,其中C(n,k)表示从n中选择k个载波的所有组合数;
2)根据 表示向下取整运算,得到p1值,该值表示子载波激活方案的比特数;采用比特填充技术(bit-padding)将表示子载波激活方案的比特数填充为等长,即p1+1个比特;所述的比特填充技术为:伪随机产生m个比特数据,选取p1个比特转换成十进制数Z,若则将原来选取的p1个比特按数据比特流顺次延后改成选取p1+1个比特,并根据第p1+1个比特值进行判决,若为0,则激活子载波组合的索引值为Z,若为1,则索引值为若则在p1个比特之后填充“0”或者“1”,从而也转化成p1+1个比特;
3)采用比特填充技术之后,每隔p2比特,再次选取p1比特重复上述比特填充过程,其中p2比特表示激活子载波上携带的调制符号大小,即其中MA和MB表示调制阶数大小;可见利用比特填充技术之后,每个OFDM-IM系统的子组里携带的比特数为p=p1+1+p2或者是p=p1+p2;
4)根据步骤2)得到的Z值,利用组合算法获得对应的激活子载波方案,子块激活载波个数满足C(ck,k)≤Z,子块激活子载波个数逐个递减进一步满足C(ck-1,k-1)≤Z-C(ck,k),其中ck>...>c1≥0,均取自{0,...,n-1},最终激活的子载波序列号是J+1,J={ck,...,c1}
Z=C(ck,k)+...+C(c2,2)+C(c1,1) (1)
5)确定了子载波序列号后,利用双模调制技术,对每个激活的子载波进行MA-QAM调制,而对其余的子载波进行MB-QAM调制,其中
6)将g个子组进行组合,形成一个OFDM符号组,将g个子组频域数据的N个符号进行深度为g的交织,之后进行N点的IFFT运算,得到时域发送信号[X1,X2,...,Xn],最后在整个OFDM系统N个符号前加长度为L的循环前缀;
7)将OFDM-IM形成的发送符号,并串变换之后传送到频率选择性衰落信道中,该信道的脉冲响应系数为hT=[hT(1)...hT(v)]T,其中hT(σ),σ=1,...,v是循环对称复高斯随机变量,遵从的分布,v表示信道冲击响应长度,假定信道在一个OFDM组里保持不变,且循环前缀长度L必须比v值要大;
8)频域信道传递函数系数为hT的N点FFT变化,表示为
<mrow>
<mi>H</mi>
<mo>=</mo>
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<mo>,</mo>
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<mfrac>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中 表示N点FFT运算,
在接收端经过信道后的接收信号先删除掉每个OFDM子组的循环前缀,串并变换之后进行N点的FFT操作并进行解交织得到接收信号Y=[Y1,Y2,...,YN]T,满足
Yn=HnXn+Wn,1≤n≤N (3)
其中Wn为服从高斯分布的白噪声。
9)利用对数似然比(LLR)算法,根据(4)式计算后验概率γn,其中1≤n≤N,SA(j)∈MA,SB(j)∈MB,如果γn>0,则表示该子载波对应的是MA-QAM,否则是MB-QAM调制;然后取各个γn的符号值,得出对应的激活子载波方案;最后根据硬限制(hard-limiting)算法直接求出每个载波对应的调制符号;
<mrow>
<msub>
<mi>&gamma;</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
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<mi>l</mi>
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<mrow>
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<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
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<msub>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
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</mrow>
10)根据检测出的激活子载波组合以及对应的调制符号,反映射到比特序列当中,并删除所填充的比特。
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CN201711230136.1A CN107995139B (zh) | 2017-11-29 | 2017-11-29 | 一种正交频分复用索引调制传输方法 |
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