CN108494718A - 一种基于二维的相关域调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体的说是涉及一种基于二维的相关域调制解调方法。针对传统的载波索引调制只通过索引比特在频域上进行索引调制，并没有进行时域上的操作，这样，传递过程中信息量相对来说较小，同等程度的频谱资源利用率上，误码率性能不是很好，本发明提供了一种相关调制技术，在信号的发送端，频域上进行载波索引调制，时域上进行相关调制，提高了隐秘传输信息的性能以及同等程度的频谱资源利用率上的误码率性能。

Description

一种基于二维的相关域调制解调方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体的说是涉及一种基于二维的相关域调制方法，更具体的说涉及到子载波索引调制(Subcarrier Index Modultaion,SIM)，交织分割(interleaved)，相关域调制(Correlation domain modulation)等技术。

背景技术

传统的载波索引调制是通过索引比特在频域上进行索引调制，并没有进行时域上的操作，这样，传递过程中信息量相对来说较小，在同等程度的频谱资源利用率上，误码率性能不是很好。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出了一种基于二维的相关域调制解调方法，基于二维的相关域调制技术是一种通过符号块之间的相关性来隐秘传递信息的技术。该技术的基本原理是：在发送端除了信息比特，还加入了相关调制比特。前者通过星座调制成符号，后者通过相关调制生成符号权重；从而有效地加大了隐秘信息的传输比特，提高了同等程度的频谱资源利用率上的误码率性能。

为了便于理解，对本发明所采用的技术进行以下说明：

子载波索引调制(Subcarrier Index Modultaion,SIM)，基本思想是利用索引信息选择一部分子载波传送数据，对于一个有N个子载波的系统，所有的子载波被划分成了G个子块，每个子块有L＝N/G个子载波。每个子块可以表示为：Y_g＝[Y_g,0,Y_g,1,...,Y_g,L-1]^T，g＝0,1,2…G-1.从而发送信号可以写成：

在SIM-OFDM中，子块Y_g是信息调制的基本单元,可以表示为：

Y_g＝[0,...0,A_g,0,0,...0,A_g,1,0,...0,...A_g,K-1,0,...0]^T

交织技术(interleave)，针对传输信息比特差错控制。传输信息比特差错经常是成串发生的，为了解决这一问题，将消息中的相继比特变换顺序变为非相继比特顺序，将这一思想运用到符号交织上，经过调制过后的符号经过交织器后再经过IFFT。同时在做相关域调制的时候，也利用行列交织使得相关符号的相关性增强，而对码长扩展后的非相关符号的行列交织可以使信息获得更好的分集增益。

本发明的技术方案如下：

一种基于二维的相关域调制解调方法，该方法用于SIM-OFDM系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定OFDM系统有N个子载波，根据数据调制方式以及子载波索引调制方式计算出所需比特数，然后经过两种调制产生SIM-OFDM符号；

S2、进行二维的相关域调制：

设定相关域调制的最小单位为包含n个子载波的SIM符号块，将单个OFDM的子载波在频域分为多个连续的大小为2*n的子载波块，每个子载波块内的第一个SIM符号块为经过步骤S1得到的，第二个SIM符号块为第一个SIM符号块复制得到的副本；相关域调制以两个OFDM符号为一个单位，相邻的两个OFDM符号对应的子载波块用来进行相关映射，即利用信道的相关性来调制比特，完成对所有SIM-OFDM符号的调制；

二维相关域调制的基本思想是信道具有时间上的相关性，前一个时刻的相关码和后一个时刻的相关码所经历的信道具有相关性，利用信道的相关性来调制比特。相关调制只利用信道相关性来调制，解调也使用信道相关性来解调，通过对接收的数据符号作自相关操作解调出发送的相关比特。

S3、解调：

接收端收到数据信号后进行相关解调，通过相关解调的信息来恢复SIM子载波块的副本，再用等增益合并的方法得到合并后的接收符号，获得符号信息比特、相关调制过程所产生的相关调制比特以及索引调制部分的索引比特。

进一步的，步骤S2中所述相关域调制的具体方法为：

设第一个OFDM符号的子载波块为X₁＝[x₁₁ x₂₁ x₃₁ x₄₁]，其中[x₁₁ x₃₁]属于第一个SIM符号块，[x₂₁ x₄₁]属于第二个SIM符号块，第二个OFDM符号的子载波块为X₂＝[x₁₂ x₂₂ x₃₂x₄₂]，同理，[x₁₂ x₃₂]属于第一个SIM符号块，[x₂₂ x₄₂]属于第二个SIM符号块，则用于相关调制的码元占用的子载波为M₁＝[x₁₁ x₁₂ x₃₁ x₃₂]和M₂＝[x₂₁ x₂₂ x₄₁ x₄₂]，在发送bit为0时，相关映射后的符号为X₁＝[x₁₁ x₂₁ x₃₁ x₄₁]，X₂＝[x₁₂-x₂₂x₃₂-x₄₂]。

进一步的，所述步骤S3中相关解调的具体方法为：

设接收端接收到的数据符号为：

y＝[y₁ y₂ ... y_2nML]

其中，M为输入的信息比特数，L为用于传输同一bit的相关子载波块的个数：y_i＝H_ix_i+n_i(i＝1,...,2ML)，H为经过的信道，n为信道噪声，x为发送的信息比特；

取两个相邻OFDM符号R₁＝[y₁,y₂,...,y_2nL]与R₂＝[k₁,k₂,...,k_2nL]，计算相关值归一化因子A和相关值D：

然后由计算相关值归一化后的值，最后对归一化相关值进行判决，若则认为“1”是发送端的相关调制比特，若则认为“0”是发送端的相关调制比特。

更进一步的，在步骤S2与步骤S3之间，还包括：

将步骤S2中相关调制好后的符号进行行列交织处理，即将每组复制体的子载波放在前面对应位置的子载波的后面。

本发明的有益效果为：提高了隐秘传输信息的性能以及同等程度的频谱资源利用率上的误码率性能。

附图说明

图1是基于二维的相关域调制的SIM-OFDM系统图；

图2是基于二维的相关域调制的SIM-OFDM系统中相关域调制不同码长性能图；

图3是基于二维的相关域调制的SIM-OFDM系统总体性能对比图。

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：

如图1所示，为本发明的基于二维的相关域调制的SIM-OFDM系统图，相关域调制的最小单位是包含n个子载波的SIM符号块。单个OFDM的子载波在频域分为多个大小为2*n的子载波块，每个块内的第一个SIM符号块通过索引调制和BPSK调制得到，第二个SIM符号块为第一个SIM符号块复制而得到的副本。相关调制以两个OFDM符号为一个单位，相邻的两个OFDM符号对应的子载波块用来进行相关映射。设第一个OFDM符号的子载波块为X₁＝[x₁₁ x₂₁x₃₁ x₄₁]，其中[x₁₁ x₃₁]属于同一个SIM符号块，[x₂₁ x₄₁]属于另一个相同的SIM符号块，第二个OFDM符号的子载波块为X₂＝[x₁₂ x₂₂ x₃₂ x₄₂]，那么用于相关调制的码元占用的子载波为M₁＝[x₁₁ x₁₂ x₃₁ x₃₂]和M₂＝[x₂₁ x₂₂ x₄₁ x₄₂]。两个相同的SIM符号块并不是依次排列的，而是互相交叉，使SIM符号块内对应位置的符号相邻，这样设计的好处在于可以让两个SIM符号块经过的信道相关性最大化，从而更有利于相关调制发挥作用。在发送bit为0时，相关映射后的符号为X₁＝[x₁₁ x₂₁ x₃₁ x₄₁]，X₂＝[x₁₂-x₂₂x₃₂-x₄₂]。当相关码码长扩展时，用多个相关子载波块传递同一个bit，多个相关子载波块用行列交织使其尽量分开，以求获得更大的分集增益。设OFDM子载波个数为N，则相关子载波块个数为，星座点调制采用B-PSK，相关码码长为m(码长以有效子载波来计算)，则相关调制比特数为B_m＝N/(m*n)，那么两个OFDM符号总的调制比特数为B＝2L*Log₂(An)+B_m。

在接收端，假设发送端数据符号过信道后为y＝[y₁ y₂ ... y_2nML]，其中M为输入的信息比特数，L为用于传同一bit的相关子载波块的个数，y_i＝H_ix_i+n_i(i＝1,...,2ML)，H为经过的信道，n为信道噪声，x为发送的信息比特。

取两个相邻OFDM符号R₁＝[y₁,y₂,...,y_2nL]与R₂＝[k₁,k₂,...,k_2nL]，计算相关值归一化因子A和相关值D，

然后由计算相关值归一化后的值，最后对归一化相关值进行判决，若则认为“1”是发送端的相关调制比特，若则认为“0”是发送端的相关调制比特。另外，在相关解调后，接收端可以通过相关解调的信息恢复SIM子载波块的副本，再用等增益合并的方法得到合并后的接收符号，这样SIM解调的性能可以藉由等增益合并带来的分集增益而获得提升。

实施例1

本例中，进行了100万次仿真，子载波数是1024个，调制方式为BPSK调制，索引调制方式为2个子载波为一个子模块，每个子模块一个有效数据，相关码长P分别是2、4、8。

步骤1：根据数据调制方式以及子载波索引调制方式计算出所需比特数，然后经过两种调制产生SIM-OFDM符号。

步骤2：连续的两个SIM-OFDM符号组成一组，对第一个SIM-OFDM符号来说，总的子载波数数为1024，分为两个部分，前512个子载波为生成的SIM-OFDM符号，后面512个子载波为前面512个子载波的复制版本。第二个SIM-OFDM符号的组成形式与第一组一样。每个子载波块的子载波数为2，这组的第一个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波加上这组的第二个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波构成一个相关子载波块。取这组的第一个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波加上这组的第二个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波，调制比特生成的权重作用在这组的第一个符号的后512个子载波的前P个子载波上。这样依次调制直到整个SIM-OFDM符号被取完。相关调制好后的符号进行交织处理。取这组的第一个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波，进行行列交织，即，每组复制体的子载波放在前面对应位置的子载波的后面。

步骤3：接收端收到数据信号后进行相关解调，通过相关解调的信息来恢复SIM子载波块的副本，再用等增益合并的方法得到合并后的接收符号，获得符号信息比特、相关调制过程所产生的相关调制比特以及索引调制部分的索引比特。按照技术方案给的解调算法分别解调出不同相关码长P(2、4、8)下的相关域调制BER。对比经过不同相关码长P(2、4、8)下的相关域BER性能。

根据图2可得，随着码长的增加，相关域调制的性能逐渐提高，且变化的幅度高，当码长达到8，在SNR为5dB时，相关调制的BER就达到了10^-4；就性能变化幅度而言，随着码长增加，码长为2到码长为4时的BER性能变化最大。这是由于码长为2时，相关子载波块只有一个，相关调制并没有获得分集增益，反观码长为4和8时，相关子载波块的个数分别为2和4，所以码长为4时的性能跳变最明显。

实施例2

本例中，进行了100万次仿真，子载波数是1024个，调制方式为BPSK调制，索引调制方式为2个子载波为一个子模块，每个子模块一个有效数据，相关码长P是4。

步骤1：根据数据调制方式以及子载波索引调制方式计算出所需比特数，然后经过两种调制产生SIM-OFDM符号。

步骤2：连续的两个SIM-OFDM符号组成一组，对第一个SIM-OFDM符号来说，总的子载波数数为1024，分为两个部分，前512个子载波为生成的SIM-OFDM符号，后面512个子载波为前面512个子载波的复制版本。第二个SIM-OFDM符号的组成形式与第一组一样。每个子载波块的子载波数为2，这组的第一个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波加上这组的第二个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波构成一个相关子载波块。取这组的第一个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波加上这组的第二个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波，调制比特生成的权重作用在这组的第一个符号的后512个子载波的前P个子载波上。这样依次调制直到整个SIM-OFDM符号被取完，取这组的第一个符号的前512个子载波的前P个子载波和后512个子载波的前P个子载波，进行行列交织，即，每组复制体的子载波放在前面对应位置的子载波的后面。

步骤3：接收端收到数据信号后进行相关解调，通过相关解调的信息来恢复SIM子载波块的副本，再用等增益合并的方法得到合并后的接收符号，获得符号信息比特、相关调制过程所产生的相关调制比特以及索引调制部分的索引比特。按照技术方案给的解调算法分别解调出在SIM-OFDM部分的调制比特和索引比特以及在相关域调制的调制比特。对比传统的SIM-OFDM与相关域调制下的SIM-OFDM系统的BER性能。

根据图3可得，在相关域调制下的SIM-OFDM系统比传统的SIM-OFDM，在BER为10^-3时，好大约3dB。原因在于相关域调制下，系统复制了一份冗余的SIM块用来调制相关比特，在接收端通过联合两个SIM块，使解调可以获得分集增益。从图中还可以看出，相关调制的性能要优于SIM-OFDM，这就为隐蔽信息提供了有梯度的信道质量选择空间。

Claims (4)

1.一种基于二维的相关域调制解调方法，该方法用于SIM-OFDM系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定OFDM系统有N个子载波，根据数据调制方式以及子载波索引调制方式计算出所需比特数，然后经过两种调制产生SIM-OFDM符号；

S2、相关域调制：

设定相关域调制的最小单位为包含n个子载波的SIM符号块，将单个OFDM的子载波在频域分为多个连续的大小为2*n的子载波块，每个子载波块内的第一个SIM符号块为经过步骤S1得到的，第二个SIM符号块为第一个SIM符号块复制得到的副本；相关域调制以两个OFDM符号为一个单位，相邻的两个OFDM符号对应的子载波块用来进行相关映射，即利用信道的相关性来调制比特，完成对所有SIM-OFDM符号的调制；

S3、相关域解调：

接收端接收到数据信号后进行相关解调，通过相关解调的信息来恢复SIM子载波块的副本，再用等增益合并的方法得到合并后的接收符号，获得符号信息比特、相关调制过程所产生的相关调制比特以及索引调制部分的索引比特。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维的相关域调制解调方法，其特征在于，步骤S2中所述相关域调制的具体方法为：

设第一个OFDM符号的子载波块为X₁＝[x₁₁ x₂₁ x₃₁ x₄₁]，其中[x₁₁ x₃₁]属于第一个SIM符号块，[x₂₁ x₄₁]属于第二个SIM符号块，第二个OFDM符号的子载波块为X₂＝[x₁₂ x₂₂ x₃₂x₄₂]，同理，[x₁₂ x₃₂]属于第一个SIM符号块，[x₂₂ x₄₂]属于第二个SIM符号块，则用于相关调制的码元占用的子载波为M₁＝[x₁₁ x₁₂ x₃₁ x₃₂]和M₂＝[x₂₁ x₂₂ x₄₁ x₄₂]，在发送bit为0时，相关映射后的符号为X₁＝[x₁₁ x₂₁ x₃₁ x₄₁]，X₂＝[x₁₂ -x₂₂ x₃₂ -x₄₂]。

3.根据权利要求2所述的一种基于二维的相关域调制解调方法，其特征在于，所述步骤S3中相关域解调的具体方法为：

设接收端接收到的数据符号为：

y＝[y₁ y₂ ... y_2nML]

其中，M为输入的信息比特数，L为用于传输同一bit的相关子载波块的个数：y_i＝H_ix_i+n_i(i＝1,...,2ML)，H为经过的信道，n为信道噪声，x为发送的信息比特；

取两个相邻OFDM符号R₁＝[y₁,y₂,...,y_2nL]与R₂＝[k₁,k₂,...,k_2nL]，计算相关值归一化因子A和相关值D：

然后由计算相关值归一化后的值，最后对归一化相关值进行判决，若则认为“1”是发送端的相关调制比特，若则认为“0”是发送端的相关调制比特。

4.根据权利要求3所述的一种基于二维的相关域调制解调方法，其特征在于，在步骤S2与步骤S3之间，还包括：

将步骤S2中相关调制好后的符号进行行列交织处理，即将每组复制体的子载波放在前面对应位置的子载波的后面。