CN108173801B - 一种基于星座点分类排列的索引调制传输系统 - Google Patents

一种基于星座点分类排列的索引调制传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于正交频分复用索引调制(OFDM‑IM)的星座点分类排列的传输系统(OFDM‑IM‑PCC)，利用额外的索引传输更多不同设备、用户、业务的信息。在发送端，先将设备进行分组，在每个组中不同的设备分配不同的星座映射点，接入额外的设备比特流控制不同星座点设备的排列不占用额外的子载波资源，在接收端通过区分不同的星座映射点得知设备的排列方式解调出额外的设备的数据比特。本发明在传统的正交频分复用(OFDM)系统上增大了系统的吞吐量，连接了更多的设备和用户而不占用额外的子载波资源。

Description

一种基于星座点分类排列的索引调制传输系统
技术领域
本发明涉及多址接入技术和调制方式，具体涉及利用OFDM-IM调制方式传输系统(OFDM-IM-PCC)，连接更多的用户、业务和设备的方法。
背景技术
随着移动通信的飞跃式发展，人们的生活方式也在不断的改变。相比于4G系统，5G不仅要满足数据流量提升千倍，用户最高体验速率提升10～100倍，还要满足10～100倍设备连接，时延减小至毫秒级。在5G背景下新的调制方式有幅度相位键控(APSK)，频率正交幅度调制(FQAM)，正交频分复用索引调制(OFDM-IM)，第一种是APSK，它是结合相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)形成的新的调制方式。APSK的星座图由k个同心圆组成，每个圆上都有等间隔的PSK信号点。第二种是FQAM，它是结合频移键控(FSK)和QAM形成新的调制方式，它将频域分成了MF块，其中每块上有MQ个信号映射点。第三种是OFDM-IM，OFDM-IM是通过索引比特选择子载波激活并发送数据，利用只发送一部分子载波来降低干扰，在通过索引信息比特来弥补损失的频率利用率。在这种方案中，信息不仅被传送到信号星座，还通过根据输入的信息比特被激活的子载波的索引来传送。
目前，针对OFDM系统的检测算法主要有三种，分别是最大似然(MaximumLikelihood，ML)信号检测算法，迫零(Maximum Likelihood，ML)信号检测算法，最小均方误差(Minimum Mean-Square Error，MMSE)。其中，ML检测算法：
Figure BDA0001583617480000011
搜索全域有可能的星座符号矢量，找出的最大可能的符号矢量作为估计的符号矢量，这样的运算导致该算法的计算量非常复杂。ZF算法是把由信道矩阵H引起的干扰强制为零，估计的信号为：
Figure BDA0001583617480000012
ZF检测的复杂度低，但其性能较差。MMSE检测算法是将发射端的发送矢量与检测后的输出估计值之间的均方误差最小化，估计信号为：
Figure BDA0001583617480000013
由于MMSE算法除了需要计算广义逆之外，还要增加矩阵乘法和矩阵加法，所以计算复杂度略有增加。非正交多址接入方式如：SCMA，NOMA，PUMA，检测计算方法普遍比较复杂，检测器的开销很大。
ITU-R(国际电信联盟无线电通信局)确定未来的5G具有以下三大主要的应用场景：(1)eMBB:增强型移动宽带；(2)URLLC:超高可靠与低延迟的通信；(3)mMTC:大规模机器类通信。对于mMTC，目前3G/4G移动通信标准主要是基于语音业务和提供高速数据业务而设计的，而5G中海量机器类通信终端数据传输特性与当前的智能手机用户的数据传输特性有很大的不同。预测到2020年左右，M2M(Machine to Machine)终端设备数量将达到500亿，当海量M2M设备请求接入蜂窝网络小区，会对蜂窝网的承载能力提出挑战，同时也会影响同小区内H2H(Human to Human)通信用户的性能。针对MTC终端的接入特性，如何合理接入大量终端设备和设计新型的传输方案对mMTC场景有着重大意义，本发明正是为了满足这种要求而提出的。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出一种基于星座点分类排列的索引调制传输系统，其是基于OFDM-IM调制的传输系统OFDM-IM-PCC，连接更多的设备和简单的检测方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是:
一种基于星座点分类排列的索引调制传输系统，其是运用OFDM-IM调制方式，利用索引来传输额外用户，设备，业务的方法。
在发送端，首先将设备分成g个组，在每个组中n个不同设备的比特码映射到其相对应的n种星座映射点上，这些星座映射点可以按相位或者幅度的方式进行区分；每个组可接入额外的设备，用额外的设备所传输的比特来控制上述n种星座映射点的排列方式，即可通过数据排列方式隐藏传输额外设备的数据。从而不需要额外的占用其他的子载波资源，通过这种方式可以在原来的基础上接入g个额外设备，增大了系统的吞吐量。
在接收端，对收到的信息进行识别和分类，通过区分不同的星座映射点得知设备的排列方式解调出额外的设备的数据比特。
进一步，所述在每个组中n个不同设备的比特码映射到其相对应的n种星座映射点上，是指根据星座点的相位和幅度的不同，将星座的映射点分配给不同的设备，每个设备拥有自己独特的星座点，用于区分不同的用户。
具体地，根据星座点的相位按象限区分，可以分为4个象限，每个设备使用其中一个象限的星座点，即每个象限的4个点对应一个设备，每个象限的一个点代表一个设备的2个比特，在一个完整的16QAM映射中，一次性总共传输不同设备的8个比特。
具体地，星座点按幅度区分，将不同的设备的比特映射到不同幅度的星座点上，即使用同心圆的方式来进行分类，每个圆上有4个映射点，分别将每个圆分配给每个不同的设备，每个设备的2个比特与圆上的1个点相互对应。
进一步，所述用额外的设备比特来控制不同星座映射点的排列方式，是要求比特码与排列方式具有一一对应的关系，有两个设备A、B，则有AB和BA两种排列方式，若有A、B、C三个设备，则有ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA六种排列方式，对于n个不同的设备，总共有n！排列组合方式，对于m个比特码有2m种形式，则m与n的关系可以表示为：
Figure BDA0001583617480000031
其中
Figure BDA0001583617480000032
表示取最大整数；
将不同的排列方式对应比特码，如2位2进制码具有4种形式，00，01,10,11，可以与3个设备的排列方式对应，分别是，ABC，ACB，BAC，BCA，保证排列方式的数目大于2进制码的传输形式数目即可。
进一步，所述在接收端对收到的信息进行识别和分类，是指，将经过FFT后的信息按照星座映射点的不同，进行识别：若按象限分类，第一象限的点实部虚部均大于0，第二象限的点实部小于0，虚部大于0，第3象限的点实部虚部均小于0，第四象限的点实部大于0，虚部小于0；若采用幅度不同，则在接收端要比较不同星座点的幅度大小，用于区分不同的设备。
以下对传统OFDM-IM的发送和本传输系统OFDM-IM-PCC的发送方式进行详细说明：
图1是OFDM-IM的发送框图，m比特分成g组，每组有P比特，在每组中，P比特分成了两部分，P1比特进入索引选择器，P2比特进行正常的映射。例如，图2是OFDM-IM系统中一个子块的发送框图，若P发送的数据是[0,1,1,0,S1,S2,S3,S4]，将P分成两块，分别是P1＝[0,1,1,0]和P2＝[S1,S2,S3,S4]，P2代表M进制的星座映射点。在传统的OFDM-IM的系统中，需要8个子载波对P数据进行传输。在OFDM-IM系统中，当P1发送‘0’时，第一个子载波静默，第二个子载波传P2的第一个数据S1，当P1发送‘1’时，第二个子载波静默，第一个子载波传P2的第二个数据S2。因此，在经过调制后的数据变成了[0,S1,S2,0,S3,0,0,S4]T，只有4个子载波被激活传送数据。在传输过程中，静默子载波并不能删除，在接收端依靠静默子载波的排列方式解调出索引比特。如在接收端收到‘0，S1’排列，则解调出索引比特为‘0’，接收到‘S2，0’排列，则解调出‘1’，因此，可以恢复出原P的数据。
本发明传输系统OFDM-IM-PCC在OFDM-IM的基础上，合理利用了空闲子载波，增大了传输量并且利用索引比特连接了额外的设备。图3是OFDM-IM-PCC的一个子块调制发送框图，对于第β个子块，首先n个设备的经过星座映射，输出的信号可以表示为：
Sβ＝(sβ(1),sβ(2),...,sβ(n))T
其中sβ(1)，sβ(2)，sβ(n)分别是设备1,2，n的数据流。若在t0时刻，输出信号可以表示为：
Sβ(t0)＝(s1(t0),s2(t0),...,sn(t0))T
经过星座映射之后，信号可以表示为：
Xβ(t0)＝(x1(t0),x2(t0),...,xn(t0))T
其中x1(t0)，x2(t0)，xn(t0)是设备1,2，n的对应星座映射点，根据额外设备的比特排列过后的信号为：
Iβ(t0)＝(i1(t0),i2(t0),...,in(t0))T
再经过IFFT计算后，在进入信道之前，信号可以表示为：
Figure BDA0001583617480000041
其中N为傅里叶变换长度，K是激活子载波个数，信号进入信道，信道的脉冲响应系数可表示为：
H＝[h1,h2,...,hr]T
假设在传输过程中信道保持恒定，循环前缀(CP)长度L大于r，则等效的频域输入输出关系可以是：
yF(α)＝z(α)hF(α)+wF(α)，α＝1,...,N
其中yF(α)，hF(α)，wF(α)是频域上的接收信号，信道系数和噪声。再通过识别和分类，可以得到设备的传输数据。
可见，本发明提出的基于正交频分复用索引调制(OFDM-IM)的星座点分类排列的传输系统(OFDM-IM-PCC)，可以利用额外的索引传输更多不同设备、用户、业务的信息。本发明在传统的正交频分复用(OFDM)系统上增大了系统的吞吐量，连接了更多的设备和用户而不占用额外的子载波资源。
附图说明
图1 OFDM-IM发送框图；
图2 OFDM-IM一个子块调制原理框图；
图3 OFDM-IM-PCC子块调制发送接收框图；
图4 16QAM按象限分类；
图5 APSK同心圆按幅度分类；
图6 OFDM-IM-PCC发射端调制排列原理图；
图7第一象限点移位方式；
图8一个组的吞吐量随设备数的变化；
图9设备总数为100的吞吐量随每组设备数的变化；
图10 PCC-Q的误码率；
图11 PCC-R的误码率。
具体实施方式
以下以一个具体实施方式说明本发明的OFDM-IM-PCC传输系统。需要注意的是，此处的描述仅仅是一个具体实施例的主要过程，不应被视为是唯一的实施例，其中的各个步骤并不是必须的，整个流程及其具体步骤也并不局限于图中和上下文的描述。例如，取决于无线信道的通信质量好坏，其中有的单元并不是必须的，对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，对此系统进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。显而易见地，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本发明应用于其它类似情景。
1.星座点的分类
本发明按两种方式对星座点进行分类，第一种按象限进行分类，称作PCC-Q。M阶的正交幅度调制QAM按象限可以分成4个部分，每个象限对应一个设备。例如，图4是16QAM分成了4块，每个象限的4个点对应一个设备。每个象限的一个点代表一个设备的2个比特，在一个完整的16QAM映射中，一次性总共传输不同设备的8个比特。表格1是A，B，C，3个设备星座映射点对应的数值。从表可以看出，不同象限的点对应的实部虚部的符号各不相同。
表1 PCC-Q A，B，C星座点坐标及对应比特
Figure BDA0001583617480000061
第二种按照幅度来分类，在幅度相位键控(APSK)调制的基础上，用同心圆的方式来进行分类，称为PCC-R。如图5所示，每个圆上有4个映射点，分别将每个圆分配给每个不同的设备，同样每个设备的2个比特与圆上的1个点相互对应。若同心圆的半径分别是
Figure BDA0001583617480000062
A，B，C设备所对应星座点的坐标如表2所示。从表可以得到，不同圆上星座映射点的实部与虚部的大小各不相同。
表2 PCC-R A，B，C星座点坐标及对应比特
Figure BDA0001583617480000063
Figure BDA0001583617480000071
2.额外设备比特与设备排列对应方式
额外设备的比特码传输依靠不同设备的星座映射点排列方式，要求比特码与排列方式具有一一对应的关系。对于n个不同的设备，根据排列组合公式，总共有n！排列组合方式。1个比特码有两种形式‘0’和‘1’，2个比特码有4种形式‘00’，‘01’，‘11’，‘10’，m个比特码就有2m种形式。则m与n的关系可以表示为：
Figure BDA0001583617480000072
其中
Figure BDA0001583617480000073
表示取最大整数。当n＝2，m＝1，当n＝3，m＝2。表格3,4分别对应着两种排列方式。
表3两个设备对应比特码排列方式
额外设备的比特码 A，B两个设备排列方式
0 AB
1 BA
表4三个设备对应比特码排列方式
额外设备的比特码 A，B，C三个设备排列方式
00 ABC
01 ACB
11 BAC
10 BCA
图6是发射端调制排列原理图，设此时共有12个子载波，有3个设备和一个额外设备，额外设备的码序列是[0,0,1,1,1,0,1,0]，根据上述排列准则，得到A，B，C设备的排列顺序为[ABC,BAC,BCA,BCA]T，其中3个子载波对应额外设备的2个比特。按照这种排列方式，在接收端能得到设备的正确排列，就能解调出额外设备的比特码。通过这种方式，额外设备的码序列不依靠子载波进行传输，节约了子载波资源，并且提高了系统传输量以及连接量。
3.接收端识别和分类解调方式
1)PCC-Q解调：经过FFT和检测算法之后，由于PCC-Q将MQAM分成了4个象限，每个象限有M/4个星座映射点，识别是要首先判断是第几象限的星座点坐标，根据坐标点所在的位置，判断此时接收的是哪个设备的信号，得到设备的排列方式，从而可以解调出索引比特，得到额外设备发送的比特流。再将每个设备的接收信号归类，解调，得到每个设备发送的信号。例如，16QAM调制中每个象限有4个星座映射点，若得到第一象限的坐标点，如图7，将相应的星座点一起进行移位，最终解调4QAM调制。
2)PCC-R解调：经过FFT和检测算法之后，由于PCC-R具有多个同心圆，每个同心圆上的点代表一个设备的映射点。要通过比较圆的半径大小，从而确定是哪个设备。每个星座映射点a+bi的实部a与虚部b的平方和就是圆半径r的平方：r2＝a2+b2，通过依次比较实部与虚部的平方和，即可确定圆的大小与其对应的设备。用这种方法，可以知道设备的排列顺序解调出额外设备的信息。与PCC-Q一样，知道圆上的映射点对应的设备，便可以解调出设备的信息。
本发明在OFDM-IM调制基础上，先将设备进行分组后，再在每个组中接入额外的设备，利用索引比特传输额外的信息，在不使用额外的子载波资源的基础上，实现了更多的连接和更大的系统吞吐量。图8，图9分别是一个组的吞吐量和设备总数为100的吞吐量，可以看到随着每个组的设备增加，系统的吞吐量对于传统的OFDM系统有了大幅度的增加。图10和图11分别是PCC-Q和PCC-R两种分类方式3个设备和一个额外设备的误码率曲线，相较于未用OFDM-IM-PCC系统而用传统OFDM系统调制的D设备，误码性能也只有较少的增加。
综上，本系统在发送端首先将n个不同设备的比特码映射到其相对应的n种星座映射点上，这些星座映射点可以按相位或者幅度的方式进行区分。接入额外的设备，用额外的设备比特来控制不同星座映射点的排列方式。将这些数据隐藏在数据排列方式中进行传输，从而不需要额外的占用其他的子载波资源，提高了原系统的系统传输速率。
本发明所列举的实施方式如上所述，但只是为了便于理解本发明而采用的一个案例，并非用以限定本发明。在不背离本发明思想以及实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明在实施的形式上或细节上做出各种相应的修改和变化，本发明的专利保护范围，仍以权利要求书所界定的范围为准。
如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

Claims (6)

1.一种基于星座点分类排列的索引调制传输系统，利用额外的索引传输更多不同设备、用户、业务的信息，其特征在于：在发送端，首先将设备分成g个组，在每组中n个不同设备的比特码映射到其相对应的n种星座映射点上，这些星座映射点可以按相位或者幅度的方式进行区分；每个组可接入额外的设备，用额外的设备所传输的比特来控制上述n种星座映射点的排列方式，即可通过数据排列方式隐藏传输额外设备的数据；在接收端，对收到的信息进行识别和分类，通过区分不同的星座映射点得知设备的排列方式解调出额外的设备的数据比特。
2.根据权利要求1所述的基于星座点分类排列的索引调制传输系统，其特征在于：所述在每个组中n个不同设备的比特码映射到其相对应的n种星座映射点上，是指根据星座点的相位和幅度的不同，将星座的映射点分配给不同的设备，每个设备拥有自己独特的星座点，用于区分不同的用户。
3.根据权利要求1所述的基于星座点分类排列的索引调制传输系统，其特征在于：根据星座点的相位按象限区分，可以分为4个象限，每个设备使用其中一个象限的星座点，即每个象限的4个点对应一个设备，每个象限的一个点代表一个设备的2个比特，在一个完整的16QAM映射中，一次性总共传输不同设备的8个比特。
4.根据权利要求1所述的基于星座点分类排列的索引调制传输系统，其特征在于：星座点按幅度区分，将不同的设备的比特映射到不同幅度的星座点上，即使用同心圆的方式来进行分类，每个圆上有4个映射点，分别将每个圆分配给每个不同的设备，每个设备的2个比特与圆上的1个点相互对应。
5.根据权利要求1所述的基于星座点分类排列的索引调制传输系统，其特征在于：所述用额外的设备比特来控制不同星座映射点的排列方式，是要求比特码与排列方式具有一一对应的关系，对于n个不同的设备，总共有n！排列组合方式，对于m个比特码有2m种形式，则m与n的关系可以表示为：
Figure FDA0002579491490000011
其中
Figure FDA0002579491490000012
表示取最大整数。
6.根据权利要求1或2的基于星座点分类排列的索引调制传输系统，其特征在于：所述在接收端对收到的信息进行识别和分类，是指，将经过FFT后的信息按照星座映射点的不同，进行识别：若按象限分类，第一象限的点实部虚部均大于0，第二象限的点实部小于0，虚部大于0，第3象限的点实部虚部均小于0，第四象限的点实部大于0，虚部小于0；若采用幅度不同，则在接收端要比较不同星座点的幅度大小，用于区分不同的设备。
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