CN110830089B - 一种空间频率索引调制传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空间频率索引调制传输方法。本发明首先引入空频索引调制，利用空间和频域索引调制的优势，避免了天线间干扰，降低PAPR以及对频偏的敏感性，以提高系统误码性能。同时利用空间和频域两个维度的索引信息来传递额外的比特信息，以弥补系统频谱效率的损失。其次通过利用信道信息预编码，在激活的子载波上进行天线偏移，进一步实现了系统误码率性能的提升。

Description

一种空间频率索引调制传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空间频率索引调制传输方法。

背景技术

随着人们对通信业务需求的日益增长，进一步发掘更高带宽效率和可靠传输性能的无线通信技术迫在眉睫。正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,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，成为目前最流行的多载波传输技术之一。

多数入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)传输技术通过在收发端设置多根天线进行传输，在不需要占用额外频谱资源的情况下，能够有效提高数据率和系统容量，近年来得到了广泛的关注和研究。空间调制(Spatial Modulation,SM)作为一种新型多天线技术，利用天线的索引信息来传输额外的比特信息，以其高传输效率、高能量效率以及低复杂度的发射机设计而闻名。由于每个发送时隙只有一根发射天线被激活，避免了天线间同步和干扰问题，同时，由于只需要一个射频单元传输数据，相比传统MIMO技术，降低了硬件实现成本。

索引调制OFDM(Index Modulation OFDM，OFDM-IM)是一种新型的多载波传输技术，已被提出作为传统OFDM的替代方案。受到SM的启发，索引调制被应用到OFDM系统中，利用子载波的索引来传输额外的比特信息。与传统OFDM不同，OFDM-IM只激活部分子载波来传输信息，已被证明在中低频谱效率下相比于传统OFDM具有更好的误码率性能，且能降低OFDM系统的峰均比。

为了进一步挖掘IM的潜力，研究者提出将OFDM-IM和MIMO技术相结合，以发挥两者的优势，该系统被定义为MIMO-OFDM-IM。与传统MIMO-OFDM相比，其能获得更高的信噪比增益。但是，该系统只在每个天线上独立进行子载波索引调制，忽略了空间维度上的索引信息。为解决这一局限性，空频索引调制方案被提出，进一步来提高频谱效率和传输可靠性能。

发明内容

本发明基于提高多载波系统误码性能的目的，提出一种新的空频索引调制传输方案。本发明首先引入空频索引调制，利用空间和频域索引调制的优势，避免了天线间干扰，降低PAPR以及对频偏的敏感性，以提高系统误码性能。同时利用空间和频域两个维度的索引信息来传递额外的比特信息，以弥补系统频谱效率的损失。其次通过利用信道信息预编码，在激活的子载波上进行天线偏移，进一步实现了系统误码率性能的提升。

本发明的技术方案是：

假设多载波空频索引调制(SFIM-OFDM)系统有N_t根发射天线，一根接收天线，每根天线发射的OFDM信号的IFFT长度为N，则每个OFDM符号周期有N_t×N个空间频率资源单元，将空频资源划分为G个子块，每个子块有n_SF＝N_t×L个单元，其中L为每个子块上的每个发射天线选择的子载波数。系统以空频资源块为单位进行比特映射，每个子块相互独立，故可以任意一个空频资源块为例进行说明，假设系统每个子块只激活k个资源单元，且每个激活单元只能在不同频率域上，其余保持静默。发射机结构如图1所示，系统具体实现过程包括以下步骤：

发送端：

a.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，其中索引比特用于选择每个空频资源块上具体的传输图案，即激活的资源单元，调制比特经过M-QAM调制被映射成星座点符号并在激活的资源单元上进行传输。对于任意子块，其中索引比特的长度为

表示向下取整；调制比特长度p₂＝k·log₂M。则系统一帧符号当中索引比特共有m₁＝p₁·G位，调制比特共有m₂＝p₂·G位，总比特数为m_total＝m₁+m₂位。

b.进行索引调制和信息映射：对于每个子块，按照p₁位索引比特与传输图案之间的映射关系，激活相应的资源单元；将p₂位调制比特由M元星座点集合Ω调制映射成星座点符号，并经ρ＝L/k的归一化功率配置，放置在激活单元上。

c.生成OFDM块并交织：G个子块经过信息映射后连接生成OFDM块，分配给N_t根天线并对每根天线上的OFDM块进行交织。

d.按块进行天线偏移：对于交织后的N_t×N个空频资源单元再重新分成G个子块。对于任意子块，若第n个子载波上的符号表示为

其中

子块传输符号为X＝[X₁,X₂,…,X_L]^T。第n个子载波上的信道信息为

其中|H_a,n|表示第n个子载波上第a根天线与接收天线之间所对应的信道频率响应，a∈Φ＝{1,2,…,N_t}，整个子块的频域信道矩阵为

d1.偏移天线选择：对于任意子块，假设第l个合法的空频索引调制符号被选择，其中

根据索引比特映射关系，第i个发射天线和块内第m个子载波所指向的资源单元被激活，则子块符号为

在所激活的子载波上根据信道信息H_m选择出模值最大的元素所对应的发射天线，即：

j表示激活的第m个子载波所选择的最优发射天线，即偏移天线。

d2.预编码：为使接收端能够正确检测并恢复数据，需对选择的待发送符号S_i,m进行预编码处理：

则预编码后的发送向量可表示为：

其中

是发送信号功率归一化系数，

可视为发送信号的预编码系数。i为步骤d1中索引比特激活的资源单元对应的发射天线，j为激活资源单元对应的第m子载波上选出的偏移天线。

e.频域-时域变换：将预编码后的G个子块的发送向量连接生成OFDM块并根据所选偏移天线分配给对应的N_t根天线，再依次在对应天线上进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后发射出去。

接收端：

当传输信号从发射天线发射并经历瑞利衰落信道后，接收端对收到信号进行去循环前缀和FFT操作，对于任意子块，若索引比特映射为第l个合法空频索引调制信号模式X^l，其在频域上的接收信号可表示为：

且W服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布。

表达式具体可写成以下形式：

上式可进一步表示为：

Y＝βHX^l+W

接收端采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的空频索引调制信号模式，检测出对应子块的原始信息。即：

其中X^κ为总数为

的传统空间调制信号中的第κ个信号模式。

本发明的有益效果为：相比于传统多载波空间调制系统，本发明在空间维度的基础上，扩展到了频域维度，利用空间和频域的索引信息进行额外的比特传输，提高了系统的频谱效率。相比于传统空频索引多载波(SFIM-OFDM)技术，本发明引入偏移天线的概念，利用CSI信息对发送信号进行预编码，进一步提高了系统的误码率性能。

附图说明

图1为本发明提出的新型空频索引调制技术的发送端框图。

图2为实施例的误码率性能对比仿真图。

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：

实施例：

假设SFIM-OFDM系统有N_t＝2根发射天线，一根接收天线，每根天线发射的OFDM信号的IFFT长度为N＝128，则每个OFDM符号周期有N_t×N＝256个空间频率资源单元，将空频资源划分为G＝64个子块，每个子块有n_SF＝N_t×L＝4个单元，每个子块上的每个发射天线选择的子载波数为L＝2。系统以空频资源块为单位进行比特映射，每个子块相互独立，以任意一个空频资源块为例进行说明，假设系统每个子块只激活k＝1个资源单元，其余保持静默。系统具体实现过程包括以下步骤：

发送端：

a.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，其中索引比特用于选择每个空频资源块上具体的传输图案，即激活的资源单元，调制比特经过QPSK调制(M＝4)被映射成星座点符号并在激活的资源单元上进行传输。对于任意子块，其中索引比特的长度为

表示向下取整；调制比特长度p₂＝k·log₂M＝2。则系统一帧符号当中索引比特共有m₁＝p₁·G＝128位，调制比特共有m₂＝p₂·G＝128位，总比特数为m_total＝m₁+m₂＝256位。

b.进行索引调制和信息映射：对于每个子块，按照索引比特与传输图案之间的映射关系，激活相应的资源单元；将调制比特由QPSK星座点集合Ω调制映射成星座点符号，并经ρ＝L/k＝2的归一化功率配置，放置在激活单元上。

c.生成OFDM块并交织：64个子块经过信息映射后连接生成OFDM块，分配给N_t＝2根天线，并对每根天线上的OFDM块进行交织，确保同一块之间的不同子载波之间的信道衰落相互独立。

d.按块进行天线偏移：对于交织后的256个空间频率资源单元再重新分成64个子块。对于任意子块，若第n个子载波上的符号表示为

其中

子块上的传输符号为X＝[X₁,X₂,…,X_L]^T。第n个子载波上的信道信息为

其中|H_a,n|表示第n个子载波第a根天线与接收天线之间的信道频率响应，a∈Φ＝{1,2,…,N_t}，整个子块的频域信道矩阵为

d1.偏移天线选择：对于任意子块，假设第l个合法的空频索引调制符号被选择，其中

根据索引比特映射关系，第i个发射天线和块内第m个子载波所指向的资源单元被激活，则子块符号为

在所激活的子载波上根据信道信息H_m选择出模值最大的元素所对应的发射天线，即：

j表示激活的第m个子载波所选择的最优发射天线，即偏移天线。

d2.预编码：为使接收端能够正确检测并恢复数据，需对选择的待发送符号S_i,m进行预编码处理：

则预编码后的发送向量可表示为：

i为步骤d1中索引比特激活的资源单元对应的发射天线，j为激活资源单元对应的第m子载波上选出的偏移天线。

e.频域-时域变换：将预编码后的所有子块的发送向量连接生成OFDM块并根据所选择的偏移天线分配给两根天线，再依次在对应天线上进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后发射出去。

接收端：

当传输信号从发射天线发射并经历瑞利衰落信道后，接收端对收到信号进行去循环前缀和FFT操作，对于任意子块，若索引比特映射为第l个合法空频索引调制信号模式X^l，其在频域上的接收信号可表示为：

且W服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布。

表达式进一步可表示为：

Y＝βHX^l+W

接收端采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的空频索引调制信号模式，检测出对应子块的原始信息。即：

其中X^κ为总数为

的传统空间调制信号中的第κ个信号模式。

由图2实施例的仿真结果可以看出，本发明所提的新型空频索引调制技术，能明显提高系统的误码率性能。相比于传统的多载波空间调制(SM-OFDM)和基于天线偏移的多载波空间调制(OSM-OFDM)技术，本发明从空间维度进一步扩展到频域维度，利用空间和子载波两个维度的索引来传输额外信息，提高了频谱效率。在相同频谱效率下，当误码率为10^-2时，相比于传统SM-OFDM技术和OSM-OFDM技术，本发明分别能带来3.3dB和1.6dB的信噪比增益。本发明通过引入偏移天线的方法，利用信道信息进行预编码，相比于传统的空频索引调制(SFIM-OFDM)技术，同样提高了误码性能，当误码率为10^-2时，能带来2dB的性能增益。

Claims (1)

1.一种空间频率索引调制传输方法，定义多载波空间频率索引调制系统有N_t根发射天线，1根接收天线，每根发射天线发射的OFDM信号的IFFT长度为N，则每个OFDM符号周期有N_t×N个空间频率资源单元，将空间频率资源划分为G个子块，每个子块有n_SF＝N_t×L个单元，其中L为每个子块上的每根发射天线选择的子载波数；令系统以空间频率块为单位进行比特映射，每个子块相互独立，且系统每个子块只激活k个空间频率资源单元，每个激活单元只能在不同频率域上；所述传输方法包括：

发送端：

a.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，其中索引比特用于选择每个空间频率资源块上具体的传输图案，即激活的空间频率资源单元，调制比特经过M-QAM调制被映射成星座点符号并在激活的空间频率资源单元上进行传输；对于任意子块，其中索引比特的长度为

表示向下取整，调制比特长度p₂＝k·log₂M；系统一帧符号当中索引比特共有m₁＝p₁·G位，调制比特共有m₂＝p₂·G位，总比特数为m_total＝m₁+m₂位；

b.进行索引调制和信息映射：对于每个子块，按照p₁位索引比特与传输图案之间的映射关系，激活相应的资源单元；将p₂位调制比特由M元星座点集合Ω调制映射成星座点符号，并经ρ＝L/k的归一化功率配置，放置在激活单元上；

c.生成OFDM块并交织：G个子块经过信息映射后连接生成OFDM块，分配给N_t根天线并对每根天线上的OFDM块进行交织；

d.按块进行天线偏移：对于交织后的N_t×N个空间频率资源单元再重新分成G个子块，对于任意子块，若第n个子载波上的符号表示为

其中

子块传输符号为X＝[X₁,X₂,…,X_L]^T，第n个子载波上的信道信息为

其中H_a,n表示第n个子载波上第a根天线与接收天线之间所对应的信道频率响应，a∈Φ＝{1,2,…,N_t}，整个子块的频域信道矩阵为

d1.偏移天线选择：对于任意子块，假设第l个合法的空间频率索引调制符号被选择，其中

根据索引比特映射关系，第i个发射天线和块内第m个子载波所指向的资源单元被激活，则子块符号为

在所激活的子载波上根据信道信息H_m选择出模值最大的元素所对应的发射天线，即：

j表示激活的第m个子载波所选择的最优发射天线，即偏移天线；

d2.预编码：为使接收端能够正确检测并恢复数据，需对选择的待发送符号S_i,m进行预编码处理：

则预编码后的发送向量为：

其中

是发送信号功率归一化系数，

为发送信号的预编码系数，i为步骤d1中索引比特激活的资源单元对应的发射天线，j为激活资源单元对应的第m子载波上选出的偏移天线；

e.频域-时域变换：将预编码后的G个子块的发送向量连接生成OFDM块并根据所选偏移天线分配给对应的N_t根天线，再依次在对应天线上进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后发射出去；

接收端：

当传输信号从发射天线发射并经历瑞利衰落信道后，接收端对收到信号进行去循环前缀和FFT操作，对于任意子块，若索引比特映射为第l个合法空间频率索引调制信号模式X^l，其在频域上的接收信号为：

且W服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，表达式为：

上式可进一步表示为：

Y＝βHX^l+W

接收端采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的空间频率索引调制信号模式，检测出对应子块的原始信息，即：

其中X^κ为总数为

的空间调制信号中的第κ个信号模式。

Images