CN109688083B - 一种基于子块设计的正交多载波全索引通信传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信传输技术领域，具体涉及一种基于子块设计和正交多载波技术的通信传输方法。该方法包括步骤，发送端将比特信号均分为g组，每组信号分别通过索引选择器映射到一个索引，每个索引确定一个长度为n的OFDM子块，将g个OFDM子块通过OFDM块生成器进行组合，并输出至块交织器进行交织运算，接着依次进行n点IFFT变换，添加循环前缀、并行串行转换后将信号发送出去；接收端依次通过串并转换、删除循环前缀、FFT变换、解交织运算得到OFDM块，按照子块长度进行切分，并对每个子块独立进行判决，根据每个子块确定对应的索引，进一步恢复出传输的信息比特。本发明简化了经典OFDM‑IM方案中传输符号比特和索引比特的系统结构，优化了整个传输系统。

Description

一种基于子块设计的正交多载波全索引通信传输方法
技术领域
本发明属于通信传输技术领域，具体涉及一种基于子块设计和正交多载波技术的通信传输方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)由于其对频率的利用率高、频谱效率高、单点均衡系统简单等优点，在无线通信中得到了广泛的应用。OFDM以其独特的优势，被长期演进计划(long-term evolution,LTE)、Wi-Fi等诸多无线通信标准所接受。在LTE标准中，OFDM是下行传输的核心技术。OFDM还可以与多输入多输出(MIMO)技术结合，通过天线阵列的设计来提高系统的容量和分集阶数。
近年来，带索引调制的OFDM(OFDM-IM)已成为未来5G网络的一种潜在技术(详见参考文献[1-2])。该技术成功地将空间调制(SM)技术天线的索引概念移植到频域OFDM的子载波中。在参考文献[3]中，经典的OFDM-IM技术的被提出，其系统模型比较灵活，可以根据不同的传输系统的频谱利用率需求选择索引组合，并通过查找表或者组合的方法给出了子载波激活模式(SAPs)与SAPs所传递的索引信息之间的关系。根据经典的OFDM-IM技术的设计，使得不同的子块间的分集阶数被提升，从而在频率选择性瑞利衰落信道下相比OFDM能得到误码率(BER)性能的提升。
图1为传统的OFDM-IM系统框图。假设OFDM-IM系统每次传输的信息量为m位。这些m位被分成g组，每个组包含p个比特，即可得m＝pg。每p个比特被映射到由n个子载波组成的OFDM子块；m、g、p、n均为整数。同时，当为每个子块输入p个比特时，将p分为p1和p2两个部分的比特信息。使用称为索引位的p1个比特位来确定查找表中的索引，以确定子块的结构。表1给出了对应的p1位元的不同索与子块结构的查找表。可知当索引比特不同时，子块的子载波激活模式也不同，表中s1和s2表示被激活的第一个和第二个OFDM符号，0表示对应的子载波不被激活。称为符号位的p2个比特通过M点的QAM/PSK调制器将被激活的子载波映射到频域的OFDM符号。然后所得的频域信号根据OFDM调制的方法，用快速傅里叶变换的逆运算(IFFT)得到时域信号。
表1传统索引调制的OFDM的查找表
Figure BDA0001978069150000021
与传统OFDM类似，采用循环前缀(CP)与并行/串行变换，然后向具有信道脉冲响应(CIR)系数的频率选择性瑞利衰落信道发送信号。
通过上述的说明，可以发现与传统的OFDM方案相比，索引调制方案传输信息的最小单位是OFDM子块，即一定长度的OFDM符号的组合，不同于OFDM系统中每单个OFDM符号即可传输信息比特。对于传统的OFDM，所有的符号比特组成的子块，都有可能错判为只有一个符号错误的其他子块，因此OFDM系统的分集阶数为1。而对于OFDM-IM系统，其索引比特是通过子块结构的不同来传输的，而在不同的子块结构中，其子块的错误判决至少需要子块内有两个符号的不同，因此OFDM-IM的索引比特的分集阶数大于等于2，而符号比特的阶数仍然为1。因此OFDM-IM系统的分集增益来源于其索引比特较高的分集阶数带来了分集增益。受到经典的OFDM-IM方案的启发，要提高系统整体的分集阶数以提高系统的性能，就是要提高系统不同合法子块之间的符号差异。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种基于子块设计的正交多载波全索引的通信方法，能够有效提高系统的分集阶数和误码性能，具体技术方案如下：
一种基于子块设计的正交多载波全索引通信传输方法，包括步骤为：发送端将比特信号均分为g组，每组信号分别通过索引选择器映射到一个索引，每个索引确定一个长度为n的OFDM子块，将g个OFDM子块通过OFDM块生成器进行组合，并输出至块交织器进行交织运算，接着依次进行IFFT变换，添加循环前缀、并行串行转换后将信号发送出去；接收端依次通过串并转换、删除循环前缀、FFT变换、解交织运算得到OFDM块，按照子块长度进行切分，并对每个子块独立进行判决，根据每个子块确定对应的索引，进一步恢复出传输的信息比特。
优选地，所述OFDM子块之间的OFDM符号均不相同，同一子块内OFDM符号均相同。
优选地，所述对每个子块独立进行判决采用的判决方式为：最大似然判决方式。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
1、简化了经典OFDM-IM方案中传输符号比特和索引比特的系统结构，采用全索引的方式，简化了整个系统的结构。
2、采用全索引的结构后，每个子块内的OFDM符号更加灵活，不被传统OFDM-IM系统的子载波激活模式限制，便于子块集合的设计。
3、提出了最高分集阶数的子块集合设计，相比经典索引调制方案，提高了分集阶数，使得误码性能得到进一步提升。
附图说明
图1是经典的OFDM-IM系统的发送端结构图；
图2是索引调制中不同比特分集阶数的示意图；
图3是本发明的发送端流程框图；
图4是本发明的子块结构示意图；
图5是本发明在频谱效率为1bits/s/Hz下与现有技术中其它方法的误码性能比较图；
图6是本发明在频谱效率为1.5bits/s/Hz下与现有技术中其它方法的误码性能比较图；
图7是本发明的仿真性能与理论上界的性能比较图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，经典的索引调制OFDM-IM方法的错误可以分为两部分。当接收到的索引信息存在错误时，产生了如图中下划线所示的位置的误码，可知在OFDM-IM中，索引信息位的错误判决至少需要2个OFDM符号的错误判决。而在符号比特发生错误时，发生单个错误如图下划线所示，只需要1个OFDM符号错误判决。因此，索引信息之间可以达到比符号信息更高的分集阶数，因而能获得更大的分集增益。
在本发明方法中，改进的全索引发送端的流程结构图如图3所示。实施例中，m个比特被分成g组，每组包含p位，即m＝pg。每组p个比特通过索引选择器映射到一个特定的索引。索引选择器的功能可以用表2中的查找表表示(表中只给出了8比特的情况)。每个索引确定一个长度为n的OFDM子块，N为多载波系统的子载波个数，即N＝ng。与OFDM-IM方法不同，本发明不通过符号位传输任何信息位。对于每个子块，传入信息的p个信息比特由索引位进行传输，因此通过设计合法子块的集合则可以提高分集阶数。
表2全索引比特与子块的查找表
Figure BDA0001978069150000051
在通过索引选择器后，g个OFDM的子块被全部确定，第β个包含有n个OFDM符号的子块可以表示为
xβ＝[xβ,1,...,xβ,n]
其中xβ∈ψ，ψ是所有合法子块的集合，xβ,γ是第γ个OFDM符号且位于第β个子块，其中β＝1,...,g，γ＝1,...,n。假设合法子块集合ψ中的所有子块的总数为NΨ,则每个子块传输的比特数与子块总数的关系满足log2(NΨ)＝p比特。
而后将g个子块在OFDM子块生成器上进行组合。之后通过块交织器(相关内容详见参考文献[4])，块交织器去除不同子块之间的相关性。块交织器的基本原理是用子块逐行填充矩阵，同时逐列发送子块完成交织。接着进行N点IFFT并添加循环前缀(CP)。通过并行串行转换等步骤后，将信号发送到频率选择衰落信道。
发送端采用全索引的结构，即仅仅使用子块在子块集合里的序号来传递比特信息，根据设计的子块集合和对应的查找表，决定每个子块内OFDM的符号，但不使用单个符号来传递任何的比特信息。之后采用的块交织器，对不同子块的符号进行交织，打乱符号之间的信道相关特性，以获得更大的分集增益。
块交织器的结构可表述为：首先构造一个g×n的矩阵，将待发送的g个OFDM子块按行填入，即矩阵的每行填入一个长度为n的子块。再将该矩阵按列输出元素，每n个元素重新组成一个子块，形成交织后的g个新子块。
在接收端，通过一个构造方式与交织器相反的解交织器来恢复原先的信号，经过解交织后的第β个子块可表示为
Figure BDA0001978069150000061
其中Xβ是一个n×n零矩阵除了其主对角的元素为第β个子块xβ，β∈1,...,g。
Figure BDA0001978069150000062
和
Figure BDA0001978069150000063
是第β个子块上经过了解交织器的瑞利信道系数和频域的高斯白噪声。
将接收到的OFDM按照发送端选择的子块长度进行切分，对每个子块独立进行判决，采用最大似然判决的方式，在查找表中查找出其所在的序号位置，即对应出传输的信息比特。
利用极大似然(ML)算法，可以判决出的子块信号
Figure BDA0001978069150000071
具体过程为：
Figure BDA0001978069150000072
其中||·2为矩阵的二范数。因为Xβ有NΨ种可能，因此搜索每个子块空间计算复杂度为NΨ。当子块的集合内元素不大的情况下，本发明的接收端计算复杂度是可以接受的。
进一步，本发明针对子块集合进行设计，其结构如图4所示。为了使子块集合内的任一子块相对于子块集合内的其他所有子块的分集阶数最大，可知每个子块所有的符号之间必须不同。因此，针对子块集合要满足最高分集阶数的设计要求，本实施例设计的每个子块内的所有OFDM符号均相同，而不同子块采用的符号必须不同，由此得到了具有最高分集增益的子块集合。如图4中每个平面上的点表示OFDM符号可能采用的数值，即等价于星座图。易知4个平面内不同点的所有组合一共为4的4次方，256种候选子块。本方法提出了通过提出的最高分集搜索方法，从候选子块中得出最高分集的合法子块集合，如图每个箭头表示一种合法子块，则一共有4个合法子块构成子块集合。在图中子块的长度n＝4，又因为每个子块在子块集中的序号可以传输2个比特，则频谱利用率为0.5bits/s/Hz。同时，如果要设计更高频谱利用率的系统，我们需要星座图上更加密集的可用点，例如64QAM，256QAM等。本实施例中不同的子块选择了不同的OFDM符号，每个子块内的符号是重复OFDM符号，这使得每个子块之间的所有位置均不同，子块集合的分集阶数都等于子块的长度，远远大于OFDM以及OFDM-IM方法。
在图5中，频谱效率为1bits/s/Hz的方法与传统的基于BPSK的OFDM方法，OFDM-IM(4，2)的方法进行了误码性能的比较，其中子载波数N＝128，瑞利信道的抽头系数为10，子块长度为4。16QAM的星座图被运用于本发明以达到1bits/s/Hz的频谱效率。实验结果表明，相比OFDM以及OFDM-IM方法，本发明在误码率为10-4处取得了16dB和11dB的性能增益。
在图6，频谱效率为1.5bits/s/Hz的方法与基于QPSK和BPSK的OFDM方法，以及基于BPSK的双模索引调制(参考文献[5])进行了误码性能比较。其中QPSK和BPSK的OFDM方法的频谱效率为2bits/s/Hz和1bits/s/Hz。双模索引调制方法的频谱效率为1.5bits/s/Hz。实验结果表明，本发明在误码率为10-4处相对于以上方法分别取得了15dB,11dB和10dB的性能增益。
为了确保实验的准确性，基于联合界的平均成对错误概率分析的理论上界在图7中给出。在图7的分析中均不使用块交织器。从图中可见，在低SNR处，理论上界与仿真存在较大误差，一方面是由于联合界理论本身只是提供了上界，其理论分析本身存在误差，另一方面，在低SNR处平均成对错误概率分析中采用了Q函数的简化公式。Q函数的简化公式在低信噪比下存在较大误差，导致了上界不紧的情况。随着SNR的提高，可以发现理论上界很好的贴紧了仿真结果，证明了实验以及分析的准确性。
本发明所提出的方法属于通信传输领域的方法，改变了OFDM-IM系统中的传输结构，使得系统结构进一步简化。同时，通过设计子块集合，提高了系统的分集阶数和分集增益进行了进一步扩展，获得了相比传统的OFDM、OFDM-IM方法更好的误码性能。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。现有技术中的参考文献如下：
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[3]Basar,E.；
Figure BDA0001978069150000091
.；
Figure BDA0001978069150000092
E.；Poor,H.V.Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing With Index Modulation.IEEE Trans.Signal Process 2013,61,5536–5549.
[4]Xiao,Y.；Wang,S.；Dan,L.；Lei,X.；Yang,P.；Xiang,W.OFDM WithInterleaved Subcarrier-Index Modulation.IEEE Commun.Lett.2014,18,1447–1450.
[5]Mao,T.；Wang,Q.；Wang,Z.Generalized Dual-Mode Index Modulation AidedOFDM.IEEE Commun.Lett.2017,21,761–764.

Claims (2)

1.一种基于子块设计的正交多载波全索引通信传输方法，其特征在于，该方法包括步骤为：发送端将比特信号均分为g组，每组信号分别通过索引选择器映射到一个索引，每个索引确定一个长度为n的OFDM子块，将g个OFDM子块通过OFDM块生成器进行组合，并输出至块交织器进行交织运算，接着依次进行IFFT变换，添加循环前缀、并行串行转换后将信号发送出去；接收端依次通过串并转换、删除循环前缀、FFT变换、解交织运算得到OFDM块，按照子块长度进行切分，并对每个子块独立进行判决，根据每个子块确定对应的索引，进一步恢复出传输的比特信号；所述g个OFDM子块之间的OFDM符号不相同，同一个子块内的符号相同。
2.如权利要求1所述的一种基于子块设计的正交多载波全索引通信传输方法，其特征在于：所述对每个子块独立进行判决采用的判决方式为：最大似然判决方式。
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