CN109412998A - 导频图案调制系统中的位置图案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及一种导频图案调制系统中的位置图案设计方法。本发明基于提高系统误码性能的目的，提出一种用于SIM‑OFDM系统的导频图案映射优化激活子载波位置分组方法。该方法提出在未知信道信息时，通过衡量所有可能发送符号之间的欧式距离，将具有最低误码概率的索引比特映射集挑选出来，索引调制时根据索引比特激活相应子载波，以提高系统性能。

Description

导频图案调制系统中的位置图案设计方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及一种导频图案调制系统中的位置图案设计方法，更具体的说是涉及一种用于子载波索引调制正交频分复用(Subcarrier IndexModulation Orthogonal Frequency Division Multiplexing,SIM-OFDM)系统中的导频图案映射优化激活子载波位置分组方法。

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多载波传输技术，近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，OFDM技术由于其频谱利用率高、抗多径衰落能力好、硬件简单成本低等原因，在移动通信领域得到了广泛的应用。OFDM的基本原理是将高速的数据流通过串并转换，转换成在多个相互正交的子载波上并行传输的低速数据流，扩展了符号的脉冲宽度，从而减小符号间干扰的影响。OFDM的正交子载波交错重叠，相邻的子载波间无需保护频带，提高了频谱效率。此外，OFDM调制和解调可利用经典的快速傅里叶变换算法实现，故系统硬件实现简单。

近年来，一些学者将索引调制技术应用到OFDM系统中，提出了基于子载波索引调制的OFDM(Subcarrier Index Modulation OFDM，SIM-OFDM)。该技术将空间调制系统的思想在频域的子载波上进行扩展，利用索引信息选择激活部分子载波传送数据，来提高系统性能。由于加入了索引信息，可以弥补静默子载波不发送数据带来的频谱效率的损失。由于不是每个子载波都发送数据，降低了多普勒频移带来的子载波间干扰，使得整个系统对频偏的敏感性得以降低。同时由于频域信号的稀疏特性，降低了OFDM系统的峰均比。相比于传统OFDM系统，SIM-OFDM系统的配置更佳灵活，选择的可能性更多，是一种很有潜力的多载波传输技术。

针对SIM-OFDM系统，目前已有文献提出一种基于静默子载波的导频结构，利用SIM-OFDM系统中的静默子载波进行导频传输，通过导频点的信道估计获取数据频点的信道信息，在保证传输效率和性能的同时，避免了导频传输带来的频谱损失。为了更加充分地利用收发端已知的导频信息，提高系统的性能，基于SIM-OFDM系统提出了导频图案调制，根据索引信息选择导频激活子载波及其相应的导频。索引比特不同，导频激活子载波组合不同，相应传输的导频符号序列不同，因此能够改善接收端的导频位置检测性能和信道检测性能，更加充分地利用了收发端已知的导频信息，最终改善了系统误码性能。

发明内容

本发明基于提高系统误码性能的目的，提出一种用于SIM-OFDM系统的导频图案映射优化激活子载波位置分组方法。该方法提出在未知信道信息时，通过衡量所有可能发送符号之间的欧式距离，将具有最低误码概率的索引比特映射集挑选出来，索引调制时根据索引比特激活相应子载波，以提高系统性能。

本发明的技术方案是：

SIM-OFDM系统以子块为单位进行比特映射，每个子块相互独立，故以任意一个子块为例进行说明。假设系统有N个子载波，划分为G＝N/L个子块，每个子块有L个子载波，根据位索引比特进行导频图案调制，激活k个子载波作为数据映射子载波，L-k个子载波作为导频映射子载波，再根据相应的导频-数据映射子载波组合图案分别放置导频和数据。其中数据映射子载波用于发送p₂＝k·log₂M位调制比特并分配功率α_P，且调制比特被映射为k个M阶星座点符号，表示向下取整；导频映射子载波用于发送导频符号，分配功率α_P，记此系统为(L,k)SIM-OFDM系统。

用于(L,k)SIM-OFDM系统的导频图案映射优化激活子载波分组方法，具体过程如下：

最优映射方案选择：

a.计算激活子载波组合空间：Φ表示从L个子载波中选择K个激活子载波组合的空间，其元素个数为n_Φ＝C(L,k)，元素Φ_i＝{c_k+1,...,c₂+1,c₁+1}对应k个激活子载波位置，其中c_k,...,c₂,c₁∈[0,L-1],i＝1,…,n_Φ。Φ_i可以由k个排列组合的加权得到：Φ_i＝C(c_k,k)+…+C(c₂,2)+C(c₁,1)+1。

b.计算索引比特映射集个数：p₁位索引比特可对应种激活子载波组合，m≤n_Φ，故需从Φ中选出m个元素作为子载波块的索引比特映射集，记为t₁,t₂,…,t_m∈[1,n_Φ]。Ψ_t的全集记为Ψ，其大小为n_Ψ＝C(n_Φ,m)，t＝1,2,…,n_Ψ。

c.计算每个索引比特映射集对应的最小欧式距离：任意一个索引比特映射集Ψ_t对应的最小欧式距离为Λ代表在任意一个子载波块内，Ψ_t所对应的所有可能的发送符号集合，其元素个数为 代表选定的激活子载波组合下，不同的两种信息比特下相应的发送符号，其对应的k个激活子载波上放置M阶星座点符号，其余的(L-k)个子载波上放置导频，并按照α_S、α_P进行功率分配。遍历Ψ中的所有元素，得到n_Ψ个Ψ_t所对应的最小欧式距离d_min(t)。

d.选出最优索引比特映射集：选择d_min(t)最大的Ψ_t作为该系统的最优索引比特映射集，即：在众多备选子载波组合中，若多个Ψ_t的d_min(t)都为则在已选择出的这些Ψ_t中再选择具有的个数最少的作为最优索引比特映射集。若此时仍无法选出唯一的Ψ_t，则计算最终待选的Ψ_t的平均欧式距离，平均欧式距离最大的Ψ_t即为最优索引比特映射集得到最优索引比特映射集后，即可应用于SIM-OFDM系统进行发射端索引调制。

发射端：

e.划分信息比特流：将信息比特流划分为索引比特和调制比特，其中索引比特用于根据索引比特映射集选择数据映射子载波和导频映射子载波，调制比特经过M-QAM调制被映射成星座点符号在数据映射子载波上进行传输。对于任意子块，索引比特长度为调制比特长度为p₂＝k·log₂M，表示向下取整；对于进行M-QAM调制的(L,k)SIM-OFDM系统而言，一帧符号当中索引比特共有m₁＝p₁G位，调制比特共有m₂＝p₂G位，一帧的总比特数为m＝m₁+m₂位。

f.计算子载波的发送功率：对于(L,k)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·α_s+(L-k)·α_p＝L，其中α_S为数据映射子载波的平均归一化发送功率，α_P为导频映射子载波的平均归一化发送功率。

g.索引调制：对于任意子块，按照最优索引比特映射集及其索引比特和激活子载波之间的映射关系，通过p₁位索引比特选择出导频映射子载波和数据映射子载波，根据导频-数据组合图案分别放置相应的导频和数据，并按照f中计算的功率α_p和α_S分别对导频映射子载波和数据映射子载波进行功率分配，得到最终的发送符号向量X。

h.频域-时域变换：将g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等操作，得到SIM-OFDM符号并发送出去。

接收端：

由于发送端选定并使用的最优索引比特映射集对于接收端是已知的，因此接收端在进行相关操作时可直接使用和发射端相同的索引比特映射集

本发明的有益效果为：在未知信道信息的情况下，通过使任意子块的所有可能的发送符号之间的最小欧式距离最大，并根据最小欧式距离的个数以及平均欧式距离，选择出最优的索引比特映射集，使得系统的误码率性能得以提升。

附图说明

图1为基于导频图案的(L,k)SIM-OFDM符号调制映射图。其中P_i、P_j表示导频符号，X_i、X_j表示要发送的星座点符号；

图2为导频映射组合的性能比较仿真图。

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，与之不同的是，不考虑信道信息，通过衡量星座点间的欧式距离确定激活子载波映射备选组合。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(L,k)＝(4,2)，总子载波个数N＝1024，循环前缀CP＝64，调制符号采用BPSK为例介绍本发明的具体实施方式。

首先，确定系统参数。总子载波个数N＝1024，将其划分为G＝N/L＝256个子块,每个子块有L＝4个子载波，激活用于发送星座点符号的子载波个数k＝2，用于发射导频的子载波个数L-k＝2，调制阶数M＝2。对于任意子块，索引比特为位，调制比特为p₂＝k·log₂M＝2位。记此系统为(4,2)SIM-OFDM系统。

其次，选择(4,2)SIM-OFDM系统的最优映射方案：

步骤1：计算激活子载波组合空间：从4个子载波中选择2个激活子载波组合的空间Φ中的元素个数n_Φ＝C(L,k)＝C(4,2)＝6，Φ＝{Φ₁,Φ₂,Φ₃,Φ₄,Φ₅,Φ₆}，则元素Φ_i对应的子载波激活位置为：

6＝C(3,2)+C(2,1)+1→Φ₁＝{4,3},5＝C(3,2)+C(1,1)+1→Φ₂＝{4,2}

4＝C(3,2)+C(0,1)+1→Φ₃＝{4,1},3＝C(2,2)+C(1,1)+1→Φ₄＝{3,2}

2＝C(2,2)+C(0,1)+1→Φ₅＝{3,1},1＝C(1,2)+C(0,1)+1→Φ₆＝{2,1}

即组合空间Φ＝{{4,3},{4,2},{4,1},{3,2},{3,1},{2,1}}。

步骤2：计算索引比特映射集个数：p₁＝2位索引比特对应种激活子载波组合，从Φ中选出4个元素作为子载波块的索引比特映射集：t_i∈[1,n_Φ]。Ψ_t的全集记为Ψ，其大小为n_Ψ＝C(n_Φ,m)＝C(6,4)＝15，t∈[1,n_Ψ]。

步骤3：计算每个索引比特映射集对应的最小欧式距离：Ψ中任意一个索引比特映射集Ψ_t对应的最小欧式距离为Λ代表在任意一个子载波块内，Ψ_t所对应的所有可能的发送符号集合，其元素个数为 代表选定的激活子载波组合下，不同的两种信息比特下相应的发送符号，其对应的两个激活子载波上放置二阶星座点符号，其余的两个子载波上放置导频，并按照α_S＝1.2649、α_p＝0.6325进行功率分配。遍历Ψ中的所有元素，得到n_Ψ＝15个Ψ_t所对应的最小欧式距离d_min(t)。

步骤4：选出最优索引比特映射集：选择d_min(t)最大的Ψ_t作为该系统的最优索引比特映射集，即：在众多备选子载波组合中，若多个Ψ_t的d_min(t)都为则在已选择出的这些Ψ_t中再选择具有的个数最少的作为最优索引比特映射集。若此时仍无法选出唯一的Ψ_t，则计算最终待选的Ψ_t的平均欧式距离，平均欧式距离最大的Ψ_t即为最优索引比特映射集得到最优索引比特映射集后，即可应用于SIM-OFDM系统进行发射端索引调制。

本例(L,k)＝(4,2)SIM-OFDM系统，采用上述方法对导频图案映射进行优化，得到的最优索引比特映射集有3个，分别为{Φ₆,Φ₅,Φ₂,Φ₁}、{Φ₅,Φ₄,Φ₃,Φ₂}和{Φ₆,Φ₄,Φ₃,Φ₁}，即为{{2,1},{3,1},{4,2}{4,3}}、{{3,1},{3,2},{4,1},{4,2}}、{{2,1},{3,2},{4,1},{4,3}}子载波组合。

选定最优的激活子载波映射组合后，针对发送端进行如下操作：

步骤5：产生并划分信息比特流。根据一开始所确定的系统参数，对于(4，2)SIM-OFDM系统而言，一帧需发送的索引比特为m₁＝p₁G＝512，利用激活子载波来发送BPSK调制符号，一帧可以发送的调制比特数为m₂＝p₂G＝512，则一帧的总比特数m＝m₁+m₂＝1024。随机产生长度m＝1024的二进制比特流，并将此比特流分为索引比特和调制比特两组，其中索引比特用于根据索引比特映射集选择激活子载波，调制比特经过BPSK调制被映射成星座点符号在激活子载波上进行传输。

步骤6：计算子载波的发送功率。对于(4，2)SIM-OFDM系统，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，两者比值为α_s:α_p＝4：1，且满足归一化条件k·α_s+(L-k)·α_p＝L，计算得出α_s＝1.2649，α_p＝0.6325。

步骤7：索引调制。对于任意子块，通过步骤1～4选定的最优索引比特映射集即可确定索引比特与子载波之间的映射关系。本例中选定的最优索引比特映射集为{Φ₅,Φ₄,Φ₃,Φ₂}＝{{3,1},{3,2},{4,1},{4,2}}，则根据两位索引比特选出该子块的数据映射子载波和导频映射子载波：索引比特00选择子载波1和3为数据映射子载波，子载波2和4为导频映射子载波；索引比特01子载波2和3为数据映射子载波，子载波1和4为导频映射子载波；索引比特10选择子载波1和4为数据映射子载波，子载波2和3为导频映射子载波；11选择子载波2和4为数据映射子载波，子载波1和3为导频映射子载波。随后即可针对每个子块，提取索引比特和星座点符号，先进行索引调制，由索引比特确定对应的数据映射子载波和导频映射子载波，并将星座点符号分配到对应的数据映射子载波上，按照步骤6计算的功率α_s对其进行功率分配；并将导频符号放置在导频映射子载波上，按照步骤6计算的功率α_p对其进行功率分配。得到最终的发送符号向量X＝[X₁,X₂,…,X₁₀₂₄]。

步骤8：频域-时域变换。将步骤7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等操作，得到SIM-OFDM符号并发送出去。

步骤9：过信道。将步骤8得到的SIM-OFDM符号先通过瑞利信道，再通过高斯信道，到达接收端。

步骤10：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。其中接收端已知发送端使用的最优索引比特映射集

通过仿真验证本例中映射优化选择的子载波激活备选组合，并再随机选取三种组合与之进行比较。本例优化后的出的子载波激活备选组合为{Φ₆,Φ₅,Φ₂,Φ₁}、{Φ₅,Φ₄,Φ₃,Φ₂}和{Φ₆,Φ₄,Φ₃,Φ₁}，分别用R(1)、R(2)、R(3)表示；随机选取的备选组合为{Φ₄,Φ₃,Φ₂,Φ₁}、{Φ₆,Φ₅,Φ₄,Φ₁}、{Φ₅,Φ₃,Φ₂,Φ₁}，并分别用R(4)、R(5)、R(6)表示。

根据图2仿真结果可以看出，采用本发明中的映射优化方法，可以有效提高系统的误码性能。

Claims (1)

1.导频图案调制系统中的位置图案设计方法，该方法用于SIM-OFDM系统，设系统有N个子载波，划分为G＝N/L个子块，每个子块有L个子载波，根据位索引比特进行导频图案调制，激活k个子载波作为数据映射子载波，L-k个子载波作为导频映射子载波，再根据相应的导频-数据映射子载波组合图案分别放置导频和数据；其中数据映射子载波用于发送p₂＝k·log₂M位调制比特并分配功率α_P，且调制比特被映射为k个M阶星座点符号，表示向下取整；导频映射子载波用于发送导频符号，分配功率α_P，记此系统为(L,k)SIM-OFDM系统；其特征在于，包括以下步骤：

最优映射方案选择：

a.计算激活子载波组合空间：令Φ表示从L个子载波中选择K个激活子载波组合的空间，其元素个数为n_Φ＝C(L,k)，元素Φ_i＝{c_k+1,...,c₂+1,c₁+1}对应k个激活子载波位置，其中c_k,...,c₂,c₁∈[0,L-1],i＝1,…,n_Φ；Φ_i由k个排列组合的加权得到：

Φ_i＝C(c_k,k)+…+C(c₂,2)+C(c₁,1)+1

b.计算索引比特映射集个数：p₁位索引比特可对应种激活子载波组合，m≤n_Φ，故需从Φ中选出m个元素作为子载波块的索引比特映射集，记为：

Ψ_t的全集记为Ψ，其大小为n_Ψ＝C(n_Φ,m)，t＝1,2,…,n_Ψ；

c.计算每个索引比特映射集对应的最小欧式距离：任意一个索引比特映射集Ψ_t对应的最小欧式距离为Λ代表在任意一个子载波块内，Ψ_t所对应的所有可能的发送符号集合，其元素个数为 代表选定的激活子载波组合下，不同的两种信息比特下相应的发送符号，其对应的k个激活子载波上放置M阶星座点符号，其余的(L-k)个子载波上放置导频，并按照α_S、α_P进行功率分配；遍历Ψ中的所有元素，得到n_Ψ个Ψ_t所对应的最小欧式距离d_min(t)；

d.选出最优索引比特映射集：选择d_min(t)最大的Ψ_t作为该系统的最优索引比特映射集，即：

发射端：

e.划分信息比特流：将信息比特流划分为索引比特和调制比特，其中索引比特用于根据索引比特映射集选择数据映射子载波和导频映射子载波，调制比特经过M-QAM调制被映射成星座点符号在数据映射子载波上进行传输；对于任意子块，索引比特长度为调制比特长度为p₂＝k·log₂M，表示向下取整；对于进行M-QAM调制的(L,k)SIM-OFDM系统，一帧符号当中索引比特共有m₁＝p₁G位，调制比特共有m₂＝p₂G位，一帧的总比特数为m＝m₁+m₂位；

f.计算子载波的发送功率：对于(L,k)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·α_s+(L-k)·α_p＝L，其中α_S为数据映射子载波的平均归一化发送功率，α_P为导频映射子载波的平均归一化发送功率；

g.索引调制：对于任意子块，按照最优索引比特映射集及其索引比特和激活子载波之间的映射关系，通过p₁位索引比特选择出导频映射子载波和数据映射子载波，根据导频-数据组合图案分别放置相应的导频和数据，并按照步骤f中计算的功率α_p和α_S分别对导频映射子载波和数据映射子载波进行功率分配，得到最终的发送符号向量X；

h.频域-时域变换：将步骤g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等操作，得到SIM-OFDM符号并发送出去。