CN108900291B - 用于sim-ofdm系统的数据-导频图案联合索引调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体的说是用于SIM‑OFDM系统的数据‑导频图案联合索引调制方法。本发明将索引比特分为1级索引比特和2级索引比特，先根据1级索引比特进行一级索引调制，确定数据激活子载波位置，再根据2级索引比特在剩下的子载波中进行二级索引调制，确定导频激活子载波位置，得到最终的子载波分配方式。相比于现有的SIM‑OFDM系统，本方法通过增加2级索引比特来进一步选择导频激活子载波位置，有效地提高了系统的频谱利用率。

Description

用于SIM-OFDM系统的数据-导频图案联合索引调制方法
技术领域
本发明属于通信抗干扰技术领域，具体涉及一种用于子载波索引调制正交频分复用(Subcarrier Index Modulation Orthogonal Frequency Division Multiplexing,SIM-OFDM)系统中的数据-导频图案联合索引调制子载波分组方法。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是一种无线通信领域的高速传输技术，其本质是利用多个相互正交的子载波实现多载波通信，无需保护频带来分离子信道。此外，由于OFDM系统对高速的数据流进行了串并转换，使得每个子载波上的数据符号拥有相对更多的持续时间，有效地减少了因无线信道的时间弥散问题引起的符号间干扰的影响。接收机内均衡器的复杂度也得到了降低，甚至有时可以不采用均衡器，仅仅通过插入循环前缀的方式来消除符号间干扰带来的影响，并且可以使用快速傅里叶(逆)变换(FFT/IFFT)算法实现多载波调制和解调，使得OFDM技术成为LTE系统的关键技术之一。
近来，一种新的多载波通信方式——基于子载波索引调制(Subcarrier IndexModulation,SIM)的OFDM系统被提出。该技术的主要思想是通过索引调制技术来降低系统干扰，而索引调制带来的频谱损失则通过决定激活子载波的索引信息来弥补。OFDM符号中的子载波被分为若干子块，每个子块中通过索引比特来选择其中若干个子载波(称为激活子载波)来发送数据，而其余的子载波(称为静默子载波)不发送数据。正是由于静默子载波的存在，SIM-OFDM系统不仅能够有效地抵抗由多普勒频移引起的子载波间干扰，而且频域信号的稀疏性有助于形成低峰均比值的发射信号。
随着人们对通信业务的需求日益增长，移动通信系统不断在数据速率和系统容量方面取得突破。然而，昂贵的频谱资源限制了通信数据速率的进一步提高。如何突破频谱利用率的瓶颈，提高系统的传输速率和系统容量，是当前通信系统亟须解决的问题。
发明内容
本发明基于提高系统频谱利用率的目的，提出一种用于SIM-OFDM系统的两级索引调制子载波分配方法。该方法通过增加2级索引比特来选择导频激活子载波，有效地提高了系统的频谱利用率。
本发明的技术方案是：
用于SIM-OFDM系统的两级索引调制方法，其特征包括：
发射端：
a.分块：对SIM-OFDM系统的子载波进行分块处理，得到g＝N/n个子块，其中N表示系统的子载波总个数，n表示每个子块的子载波个数；每个子块中，k个子载波用于发送星座点符号，kp个子载波用于发送导频符号，其中(k+kp)<n，记此系统为(n,k,kp)SIM-OFDM系统；
b.产生信息比特流：对于任意一个子块，索引比特由1级索引比特和2级索引比特组成，1级索引比特选择出k个数据激活子载波，用于发送星座点符号，2级索引比特在剩下的子载波中选择出kp个导频激活子载波，用于发送导频，最后剩下的(n-k-kp)个子载波发零；1级索引比特长度为：
Figure BDA0001711927990000021
2级索引比特长度为：
Figure BDA0001711927990000022
表示向下取整；对于进行M-QAM调制的(n,k,kp)SIM-OFDM系统而言，一帧符号当中，1级索引比特共有m1＝p1g位，2级索引比特共有m2＝p2g位，一帧的调制比特有m3＝g·k·log2M位，一帧总的比特数为m＝m1+m2+m3；因此，一帧数据被分成三组，第一组为1级索引比特，用于选择数据激活子载波发送星座点符号，第二组为2级索引比特，用于选择导频激活子载波发送导频，第三组为调制比特，经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号；
c.计算子载波的发送功率：在本发明中，设置数据映射子载波的发送功率大于导频映射子载波的发送功率；对于(n,k,kp)SIM-OFDM系统，设置数据映射子载波、导频映射子载波的发送功率在平均归一化后满足k·αS+kp·αP＝n，且αS>1,αP<1，其中αS为数据映射子载波的平均归一化发送功率，αP为导频映射子载波的平均归一化发送功率；
d.两级索引调制：调制模块先提取对应的1级索引比特、2级索引比特和调制比特，然后调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号；对于其中任意一个子块，先进行一级索引调制，根据p1位1级索引比特在n个子载波中选定k个数据激活子载波，并在这k个数据激活子载波上放置对应的星座点符号，按照c中计算的功率αS对数据激活子载波进行功率分配；然后在剩下的n-k个子载波中，进行二级索引调制，根据p2位2级索引比特选定kp个导频激活子载波，并在这kp个导频激活子载波位置上对应的导频符号，按照c中计算的功率αP对导频激活子载波进行功率分配；其余(n-k-kp)个子载波发零，得到最终的发送符号向量X；其中，k个数据激活子载波携带klog2M位比特信息，每个子载波携带1个符号，每个符号是将log2M个调制比特映射成的1个M阶信号调制符号；
e.频域-时域变换：将d得到的发送符号向量X依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀(CP)等操作得到SIM-OFDM符号，并发送出去。
本发明的有益效果为：本发明先根据1级索引比特选择数据激活子载波发送星座点符号，再在剩下的子载波中根据2级索引比特选择导频激活子载波发送导频符号，进行两级索引调制，相比于现有的n选kSIM-OFDM系统，本发明通过增加2级索引比特，提高了系统的频谱利用率。
附图说明
图1为实施例的两级索引调制原理图，其中X11,X12,...,Xg1,Xg2表示要发送的星座点符号，P1,P2,...,P256表示导频符号；
图2为两级索引调制系统发射端的框图。
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：
本发明以现有的基于导频的SIM-OFDM系统为基础，与现有的基于导频的SIM-OFDM系统不同的是，在剩余的n-k个子载波中，再次进行索引调制，根据新增加的2级索引比特选择kp个导频激活子载波发送导频，其中所涉及的发送和接收处理等均与现有的基于导频的SIM-OFDM系统相同。
实施例：
下面以(n,k,kp)＝(4,2,1)，总的子载波个数N＝1024，循环前缀CP＝64，调制符号采用QPSK(4-QAM)为例介绍本发明的具体实施方式。
如图1所示的两级索引调制原理图，具体实施过程大致分为如下几步：
步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定子载波个数N＝1024，每个子块的子载波个数n＝4，子块中激活的用于发送星座点符号的子载波个数k＝2，子块中激活的用于发送导频的子载波个数kp＝1，分成的子块数g＝N/n＝256，调制阶数M＝4。然后根据公式计算出一帧的比特数量。对于其中任意一个子块而言1级索引比特长度为：
Figure BDA0001711927990000041
2级索引比特长度为：
Figure BDA0001711927990000042
表示向下取整，则对于系统的一帧而言，1级索引比特共有m1＝p1g＝512位，2级索引比特共有m2＝p2g＝256位，；利用数据激活子载波来发送4-QAM调制符号，对于(n,k,kp)＝(4,2,1)的系统而言，一帧可以发送的调制比特个数为：m3＝g·k·log2M＝1024，则一帧总的比特数m＝m1+m2+m3＝1792。随机产生长度m＝1792的二进制比特流，并将此比特流分成三组，第一组为1级索引比特，用于选择数据激活子载波发送星座点符号，第二组为2级索引比特，用于选择导频激活子载波发送导频，第三组为调制比特，经过4-QAM调制得到要发送的星座点符号。
步骤2：计算子载波的发送功率，设置数据映射子载波的发送功率大于导频映射子载波的发送功率，并且二者的比值M＝4:1。在本实施方式中，对于(n,k,kp)的两级索引调制系统，设置数据映射子载波、导频映射子载波的发送功率在平均归一化后满足k·αS+kp·αP＝n，且αS>1,αP<1，结合M＝αS/αP＝4:1，计算出αS＝1.78、αP＝0.44，其中αS为数据映射子载波的平均归一化发送功率，αP为导频映射子载波的平均归一化发送功率。
步骤3：进行两级索引调制。针对每个子块，提取对应的1级索引比特、2级索引比特和星座点符号；先进行一级索引调制，由1级索引比特确定对应的数据激活子载波，并将星座点符号分配到对应的数据激活子载波上，按照步骤2中计算的功率αS对数据激活子载波进行功率分配；再进行二级索引调制，由2级索引比特确定对应的导频激活子载波，并将导频符号分配到对应的导频激活子载波上，按照步骤2中计算的功率αP对导频激活子载波进行功率分配；最后剩下的一个子载波发零；得到最终的发送符号向量X＝[x1,x2,x3,…,x1023,x1024]。
本例的(n,k,kp)＝(4,2,1)两级索引调制系统中1级索引比特、2级索引比特和子载波之间映射关系为：每个子块中，对于长度为2的1级索引比特，00选择子载波1、子载波2为数据激活子载波，01选择子载波2、子载波3为数据激活子载波，10选择子载波3、子载波4为数据激活子载波，11选择子载波1、子载波4为数据激活子载波，星座点符号依次放置在对应的数据激活子载波上；对于长度为1的2级索引比特，在剩下的两个子载波中，0选择第一个子载波为导频激活子载波，1选择第二个子载波为导频激活子载波。
步骤4：频域-时域变换。将步骤3得到的发送符号向量X依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀(CP)等操作得到两级索引调制符号，并发送出去。
步骤5：过信道。将步骤4得到的两级索引调制符号先通过瑞利信道，再通过高斯信道，到达接收端。
步骤6：接收端处理。根据所接收到的接收信号，进行时域-频域变换、导频位置检测、信道估计、信号检测等操作，恢复出信息比特流。
本发明中的方法在n＝4,k＝2,kp＝1、调制阶数M＝4时，每载波传输的平均比特数为1.75比特；而现有SIM-OFDM系统在n＝4,k＝2、调制阶数M＝4时，每载波传输的平均比特数为1.5比特。由此可以看出，本发明中的两级索引调制方法可以有效地提高系统的频谱利用率。

Claims (1)

1.用于SIM-OFDM系统的数据-导频图案联合索引调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.分块：对子载波索引调制正交频分复用SIM-OFDM系统的子载波进行分块处理，得到g＝N/n个子块，其中N表示系统的子载波总个数，n表示每个子块的子载波个数；每个子块中，k个子载波用于发送星座点符号，kp个子载波用于发送导频符号，其中(k+kp)<n，记此系统为(n,k,kp)SIM-OFDM系统；
b.产生信息比特流：对于任意一个子块，索引比特由1级索引比特和2级索引比特组成，1级索引比特选择出k个数据激活子载波，用于发送星座点符号，2级索引比特在剩下的子载波中选择出kp个导频激活子载波，用于发送导频，最后剩下的(n-k-kp)个子载波发零；1级索引比特长度为：
Figure FDA0002621015380000011
2级索引比特长度为：
Figure FDA0002621015380000012
Figure FDA0002621015380000013
表示向下取整；对于进行M-QAM调制的(n,k,kp)SIM-OFDM系统，一帧符号当中，1级索引比特共有m1＝p1g位，2级索引比特共有m2＝p2g位，一帧的调制比特有m3＝g·k·log2 M位，一帧总的比特数为m＝m1+m2+m3；因此，一帧数据被分成三组，第一组为1级索引比特，用于选择数据激活子载波发送星座点符号，第二组为2级索引比特，用于选择导频激活子载波发送导频，第三组为调制比特，经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号；
c.计算子载波的发送功率：设置数据映射子载波的发送功率大于导频映射子载波的发送功率；对于(n,k,kp)SIM-OFDM系统，设置数据映射子载波、导频映射子载波的发送功率在平均归一化后满足k·αS+kp·αP＝n，且αS>1,αP<1，其中αS为数据映射子载波的平均归一化发送功率，αP为导频映射子载波的平均归一化发送功率；
d.两级索引调制：调制模块先提取对应的1级索引比特、2级索引比特和调制比特，然后调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号；对于其中任意一个子块，先进行一级索引调制，根据p1位1级索引比特在n个子载波中选定k个数据激活子载波，并在这k个数据激活子载波上放置对应的星座点符号，按照步骤c中计算的功率αS对数据激活子载波进行功率分配；然后在剩下的n-k个子载波中，进行二级索引调制，根据p2位2级索引比特选定kp个导频激活子载波，并在这kp个导频激活子载波位置上对应的导频符号，按照步骤c中计算的功率αP对导频激活子载波进行功率分配；其余(n-k-kp)个子载波发零，得到最终的发送符号向量X；其中，k个数据激活子载波携带klog2 M位比特信息，每个子载波携带1个符号，每个符号是将log2 M个调制比特映射成的1个M阶信号调制符号；
e.频域-时域变换：将步骤d得到的发送符号向量X依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀得到SIM-OFDM符号，并发送出去。
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