CN111092638B - 空频二维索引调制系统中发射信号的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体涉及一种空频二维索引调制系统中发射信号的产生方法。本发明针对空频二维索引调制系统无发射分集增益的情况，提出一种基于子载波绑定的发射信号样式生成方法，具体是定义空频域资源单元，即将每根天线上每个子载波的空频资源作为基本单元，在频域上进行分组，然后将每根天线上的子载波进行捆绑构成虚拟的空频资源块，在每次发射时激活部分空频资源块，同一个虚拟块映射相同的调幅调相信号，从而获得频域信号，进而得到发射信号。该方法可以提高系统的发射分集增益，并能灵活配置系统的整体发射增益。

Description

空频二维索引调制系统中发射信号的产生方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体涉及一种空频二维索引调制系统中发射信号的产生方法，更具体的说涉及MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术，IM(IndexModulation)技术，OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)技术。

背景技术

OFDM技术利用相互正交的子载波传输信号，可以有效抵抗无线信道多径所造成的符号间干扰，因此是一种可以在频率选择性信道条件下支持高速数据传输的技术。

MIMO技术是一种无线环境下的高速传输技术，它在发射端和接收端配置多天线单元，并结合先进的空时编码调制方案，通过对空间自由度的充分利用，可以带来额外的分集，复用和波束成型增益。

IM技术可以利用传输介质的索引隐形传输信息比特。IM技术与MIMO和OFDM技术结合形成的空频二维索引调制系统，将索引对象从单一的天线或子载波，扩展到空域和频域的二维集合，可以联合考虑两个维度的资源优化发射信号，但现有的系统如MIMO-OFDM-IM,G-JSFIM和KP-JSFIM系统,仅考虑了将所有子载波资源分组，并激活部分子载波用于传输调幅/调相信号，因为每个子载波上传输的符号相互独立，导致整个系统的发射分集阶数最大仅为一。

发明内容

本发明的目的，针对空频二维索引调制系统无发射分集增益的情况，提出一种基于子载波绑定的发射信号样式生成方法。该方法可以提高系统的发射分集增益，并能灵活配置系统的整体发射增益。

本发明的技术方案为：

在空频二维索引调制系统中，令发射天线和接收天线的数目分别为N_t和N_r，子载波个数为N,所述发射信号的产生方法包括以下步骤：

S1、初始化：定义u_a,t为一个空频资源单元，表示第t根天线第a个子载波上的空频资源，1≤a≤N，1≤t≤N_t，即共有N*N_t个空频资源单元，将其在频域上划分为G个组，每个组中含有n＝N_t*N/G个空频资源单元，维数为n_b*N_t，记为

其中n_b＝N/G为每组每根天线选择的子载波个数；

S2、将n_b个子载波中的每d个无交叠地捆绑在一起，构成一个虚拟空频资源块，记为w，每个虚拟空频资源块的维数为d*1，d≥1，则第t根发射天线上的第c个虚拟空频资源块表示为：

其中，U_b,t表示位于第t根发射天线上的第b个子载波，且满足不同的虚拟块之间没有共享的子载波，即

S3、采用步骤S2的方法将每个组的子载波均构成虚拟空频资源块，用n_v表示每组中空频资源块的总个数，以空频资源块为激活单元，每次发射激活K_v个空频资源块，即有效组合数为

获得索引比特

对同一个虚拟块映射相同的调幅调相信号，令调制阶数为M，获得调幅调相信号比特m₂＝K_v*M，即每组传输比特为m＝m₁+m₂；

S4、采用并行的方式，将每组比特映射为频域符号，包括虚拟空频资源块组合样式的映射和调幅调相信号的映射，获得频域信号发射矩阵，然后将数据流分配给发射天线；

S5、对每根天线，经过交织、IFFT变换和添加循环前缀后获得发射信号。

在上述方案中，参数d为发射分集阶数，可见本发明的方案克服了传统方法发射分集阶数最大仅为1的缺点。

本发明的有益效果是：

针对传统的空频二维索引调制系统发射分集较低的问题，本发明提出一种基于子载波绑定的发射信号样式产生方法，该方法可以提高空频二维索引调制系统的发射增益，并且可以灵活配置系统的发射增益，从而适用于多种应用场景。

附图说明

图1为本发明定义的二维空频域资源格示意图；

图2为虚拟空频资源块的构成方法示意图；

图3为实施例构成的虚拟空频资源块

图4为实施例获得的频域发送信号示意图；

图5为空频二维索引调制系统在频谱效率为SE＝1.5bits/s/Hz下的误符号率性能；

图6为空频二维索引调制系统在频谱效率为SE＝2bits/s/Hz下的误符号率性能。

具体实施方式

下面结合附图和实施例说明本发明的实用性。

本发明的方法是基于子载波绑定的发射信号样式生成方法，如图1所示，对于有N_t根发送天线，N_r根接收天线，子载波个数为N的MIMO-OFDM系统，定义有N*N_t个基本空频资源单元，其中，u_a,t为一个基本空频域资源单元，表示第t根天线(空域)第a个子载波(频域)上的空频资源，可承载一个调制符号，1≤a≤N，1≤t≤N_t，将其在频域上划分为G个组，每个组中含有n＝N_t*N/G个基本空频资源单元，维数为n_b*N_t，记为

其中n_b＝N/G为每组每根天线选择的子载波个数。因为每个组的处理相互独立，下面以任意一组进行详细说明。

对于每一组中同一天线上的n_b个子载波，每d个无交叠地捆绑在一起，构成一个虚拟空频资源块，记为w，如图2所示，同一阴影样式的表示一个虚拟空频资源块，每个块的维数为d*1。第t根发射天线上的第c个虚拟块可以表示为

其中，U_at表示位于第t根发射天线上的第b个子载波，且满足不同的虚拟块之间没有共享的子载波，即

在每次发射中仅激活部分虚拟块，并对同一个虚拟块映射相同的调幅调相信号。n_v表示每组中虚拟块的总个数，K_v表示每次激活的虚拟块个数，有效组合数为

则每种虚拟块组合索引部分可以承载

个比特。以图2的虚拟块配置为例，n_b＝4，N_t＝2，d＝2，K_v＝2，有效组合有4种，每种组合索引承载2比特。对选中的K_v个虚拟块进行调幅调相信号映射，调制阶数为M，可以承载m₂＝K_v*M个比特，故对于该组一共可以承载m＝m₁+m₂个比特。该组的频域发射信号可以表示为：

其中，U_n,t是一个n_b*N_t维的矩阵，除第n行第t列元素为1，其余元素为0；

表示发射信号集中，第i个空频二维信号的第t根发射天线第n个子载波上的符号，在对应位置被激活时，S_n,t是某个调幅调相信号，静默时为0。更具体来说，Sⁱ表示一个空频二维的信号矩阵且可以被写为

其中V_ik,k＝1,...,K_v是

维的矩阵且其中元素1的位置代表第k个激活的虚拟块所占用的空频资源单元位置。

表示一个传统的幅度/相位调制符号。

实施例

本例中发射天线数N_t＝2，子载波个数N＝128，分为G＝32个组,其中每d＝2个子载波绑定在一起构成一个虚拟块，采用BPSK调制，对于第一个组，构成的虚拟块如图3所示。

设定每次激活两个虚拟块K_v＝2，则

m₂＝K_v*M＝2建立映射关系如下表1所示：

表1索引和虚拟块映射关系

则第一组一共可以承载m＝m₁+m₂＝4，令第一组的输入比特为[0,1,0,1],那么第一组对应的频域发送信号如图3所示。

同理，可并行实现剩余31个组的比特映射，得到维数为128*2的频域发射信号矩阵。

为了表明本发明的有效性和实用性，下面给出本发明方法的发射分集计算方法以及仿真示例。

令每组发送m＝m₁+m₂比特，则发射信号的集合可以表示为Ω＝{Sⁱ}且|Ω|＝2^m。其中，m₁比特用于选取激活的虚拟块样式，m₂比特用于映射调幅/调相信号。若发送信号为

则第r根接收天线上对应于第一组的频域接收信号

可以表示为

其中，

表示第一组中第t根发射天线到第r根接收天线的频域信道衰落系数,

表示第一子块在第r根接收天线上的频域高斯噪声，n_r的每个元素都是均值为0方差为

的复高斯随机变量。ρ为功率归一化系数，用于满足不同发射样式间的功率归一。

在本发明中，由于仅出现一个虚拟块索引序号被误判的可能性最大，因此索引域的误码率可以近似为成对错误事件中仅有一个虚拟块被误判的错误事件的总概率，即

其中，集合Λ_i表示发射索引样式Sⁱ中的激活虚拟块被误判了一个的成对错误事件集合。即若发射信号中激活的虚拟块集合为

检测出的索引集合为

则事件j∈Λ_i需满足|Ψⁱ-Φ_ij|＝1。其中，Φ_ij＝Ψⁱ∩Ψ^j。V为所有索引样式的个数，即

令

和

分别代表发射和检测出的虚拟块索引，且与其对应的子载波集合为

和

由此，根据所属子载波索引是否相同，可以将

和

中的子载波分为两个集合。使用相同子载波索引的可以表示为集合

其中，a＝a′,t≠t′。相应的，使用不同子载波索引的可以表示为

其中，a≠a′,t≠t′。

由此，条件成对错误概率可以表示为

其中

且H^r<u>为第r根接收天线上的子载波u处对应的信道衰落系数。

经过Q函数近似和生成矩方法后，非条件成对错误概率可以表示为

因

和

满足如下条件

则索引域的发射分集阶数为成对索引错误事件中最小发射分集阶数，可以表示为

D_I＝min(D(Ψⁱ→Ψ^j))＝d

对信号域的误码率分析，将调幅/调相信号检测器建模为一个最大比合并接收机，则其条件误符号率可以表示为

其中M表示调制阶数，利用Q函数近似和生成矩方法可以得到非条件错误概率为

则，总符号域错误概率可以表示为

其中K_v是一个子块中虚拟子块的个数，相应的信号域的发射分集阶数为

D_M＝d

最后，块误码率可以表示为

相应的系统分集阶数可以表示为

D＝min(D_I,D_M)＝d

图5和图6分别给出了空频二维索引调制系统在频谱效率为SE＝1.5bits/s/Hz和SE＝2bits/s/Hz两种配置下的误符号率性能。由图5可以看出，在块误码率为10^-3量级下，所提方法相比于传统的空频二维索引调制可以获得至少1dB的增益。从图6中可以得到相似结论，在块误码率为10^-3量级下，所提方法可以获得至少约2dB的性能增益。从图5和图6中可以明显看出所提方法在高信噪比下的分集增益明显。

Claims (1)

1.空频二维索引调制系统中发射信号的产生方法，在空频二维索引调制系统中，令发射天线和接收天线的数目分别为N_t和N_r，子载波个数为N,其特征在于，所述发射信号的产生方法包括以下步骤：

S1、初始化：定义u_a,t为一个空频资源单元，表示第t根天线第a个子载波上的空频资源，1≤a≤N，1≤t≤N_t，即共有N*N_t个空频资源单元，将其在频域上划分为G个组，每个组中含有n＝N_t*N/G个空频资源单元，维数为n_b*N_t，记为

其中n_b＝N/G为每组每根天线选择的子载波个数；

S2、将n_b个子载波中的每d个无交叠地捆绑在一起，构成一个虚拟空频资源块，记为w，每个虚拟空频资源块的维数为d*1，d≥1，则第t根发射天线上的第c个虚拟空频资源块表示为：

其中，U_b,t表示位于第t根发射天线上的第b个子载波，且满足不同的虚拟块之间没有共享的子载波，即

c≠c′and t≠t′

S3、采用步骤S2的方法将每个组的子载波均构成虚拟空频资源块，用n_v表示每组中空频资源块的总个数，以空频资源块为激活单元，每次发射激活K_v个空频资源块，即有效组合数为

获得索引比特

对同一个虚拟块映射相同的调幅调相信号，令调制阶数为M，获得调幅调相信号比特m₂＝K_v*M，即每组传输比特为m＝m₁+m₂；

S4、采用并行的方式，将每组比特映射为频域符号，包括虚拟空频资源块组合样式的映射和调幅调相信号的映射，获得频域信号发射矩阵，然后将数据流分配给发射天线；

S5、对每根天线，经过交织、IFFT变换和添加循环前缀后获得发射信号。

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