CN111478871A

CN111478871A - 基于补给索引的高频谱效率载波索引调制方法

Info

Publication number: CN111478871A
Application number: CN202010310775.4A
Authority: CN
Inventors: 郭漪; 樊媛媛; 刘刚; 陈镇涛; 符志航
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2040-04-20
Also published as: CN111478871B

Abstract

本发明公开了一种基于补给索引载波索引调制OFDM的实现方式，主要解决未使用补给索引的OFDM‑IM传统方法频谱效率低的问题。其实现方案如下：1)确定补给索引的数目，选取补给索引构成索引样式集；2)在发射端首先进行索引调制，为每个子块划分p₁比特信息；3)每个子块先根据索引信息确定符号信息比特数p₂，再将子块中激活的载波进行星座调制传输数据；4)接收端采用最大似然检测，综合考虑索引样式和星座符号进行检测，通过解索引和解映射对比特信息进行恢复。本发明由于每一个子块的索引样式利用率达到最大，因而其载波索引调制方式能够有效提高传统载波索引调制的频谱效率，可用于数据传输。

Description

基于补给索引的高频谱效率载波索引调制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种高频谱效率的载波索引调制方法，可用于数据传输。

背景技术

正交频分复用OFDM技术是一种无线通信领域的高速传输技术，通过将数据调制到低速并行的多个子载波上，可以在有限的频谱资源上提升频谱效率，并且能够在有效的频带内提供可靠的数据传输，因此得到广泛的应用。

但OFDM存在能效低、对载波频偏敏感和峰均比峰均比高的缺点，针对这些问题，E.Baser等人提出载波索引调制OFDM-IM。OFDM-IM是一种新型多载波传输方式，其原理是只激活一部分确定的子载波来传输数据，其余子载波在发送端发送的时候保持静默状态，使得除了数字调制符号的信息外，还有一部分信息通过激活子载波的组合方式即载波索引来传输，且无需能耗。它与传统OFDM一样，具有频谱效率高、抗多径效应强的特性。同时由于其频域的稀疏性，改善了OFDM高峰均比的问题，且具有更高的能效。但由于静默子载波的存在，随着调制阶数增大，其频谱效率有待提高。为提高OFDM-IM的频谱效率，多模索引调制技术MM-OFDM被提出，其原理是通过可以分辨的模式以及其全排列传递信息，通过增加符号信息提高频谱效率。但由于激活了所有载波，不再具备频域稀疏性，导致系统能耗大大增加。

当今移动服务数据和智能设备数量已经爆炸式增加，这种变化使得对通信系统频谱效率的提高成为必要。而在OFDM-IM中由于载波索引样式的数量与2的整数幂不匹配，往往丢弃部分索引样式使索引信息量取到下限值，造成索引样式利用率降低。如何高效利用索引样式增加索引信息，在不损失能效的基础上提高系统的频谱效率，是当前OFDM-IM需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有OFDM-IM技术的不足，提出一种基于补给索引的高频谱效率载波索引调制方法，以提高频谱效率。

本发明的技术思路是：通过选取补给索引激活载波样式与原激活载波样式共同构成索引样式集W，使索引样式的总数T与2的整数幂次匹配，即

从而使索引信息量取到上限值，有效提高系统的频谱效率。

根据上述思路，本发明的技术方案包括包括如下步骤：

(1)设正交频分复用OFDM系统有N个子载波，将这些子载波划分为G个子块，每个子块的子载波个数为：n＝N/G，每个子块激活的载波个数：k＝n/2，每个子块共有

种原索引样式；

(2)根据(1)中原索引样式数确定补给索引样式的个数：

使索引样式总数T与2的整数幂次匹配，其中，符号

代表取上限，索引样式总数T为原索引样式数

与补给索引样式数t之和，即

(3)从

个可选的索引样式中选择t个互不相同的索引样式作为补给索引，并将其与

个原索引样式共同构成索引样式集W，其k′是可选索引样式的激活载波数，k′∈{1,2,3...n}且k′≠k；

(4)在发射端，为每个子块划分p₁比特索引信息，根据(3)构成的索引样式集W，将索引信息映射为索引样式向量，并根据索引信息的内容划分p₂个比特为符号信息，得到每个子块可传输的信息量为：p＝p₁+p₂；

(5)根据符号信息对所选索引样式中激活的载波进行符号调制，生成第g个子块的发送向量：x_g＝[s₁ s₂ s₃ ... s_i ... s_n]，g∈{1,2,3...G}，s_i第i个载波上的调制符号，i∈{1,2,3...n}，在采用二进制相移键控BPSK调制方式时，若第i个载波未被激活则，s_i＝0，否则，s_i∈{-1,1}；

(6)将(5)生成的G个子块发送向量合并生成频域OFDM信号：X＝[x₁ x₂ x₃ ... x_g... x_G]^H，其中[]^H表示对向量或矩阵转置，并将该频域OFDM信号通过N点的离散傅里叶反变换转换到时域；

(7)将(6)得到的时域OFDM信号依次经过加循环前缀、并串转换、数模转换和上变频处理后送入信道进行传输；

(8)接收端接收(7)输出的信号，对其先进行依次下变频、模数转换、串并转换、去循环前缀操作，再通过离散傅里叶变换将其从时域OFDM信号转换到频域并输出；

(9)将(8)输出的频域OFDM信号进行最大似然检测，并通过解索引和解映射将其信号恢复为二进制信息。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明通过增加补给索引使索引样式数目T与2的整数幂次匹配，即

使得对激活k个载波的原索引样式利用率达到了100％，减少了索引样式的浪费，使索引信息取到上限值；

第二，本发明在OFDM-IM系统中可灵活通过控制补给索引中激活载波所占比例，有效联合优化系统的频谱效率和能量效率，可实现绿色通信。

附图说明

图1为本发明的发送端实现流程图。

图2为本发明实施例基于补给索引的载波索引调制频谱效率性能曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描。

本发明以现有的OFDM-IM系统为基础，增加一定数量的补给索引，使索引信息达到上限，在选取补给索引时须遵循一个原则，激活载波数的种类最少化，将补给索引与原索引样式共同组成系统索引样式集W。与现有OFDM-IM的不同之处是每个子块的符号信息量可能不同，即子块激活载波的个数可能不同，但激活载波数的种类仅两个，分别是原索引样式激活载波数k和补给索引样式激活载波数k′，且索引样式集中并非包含激活k′个载波的所有组合样式，仅选取其中t个使索引样式总数T与2的整数幂匹配,使得

t为补给索引样式数，

为原索引样式数，符号

代表取上限。

本实例设OFDM-IM系统有N＝1024个子载波，划分为G＝N/n＝256个子块，每个子块有n＝4个子载波，为使性能最佳原索引样式激活载波数k＝n/2＝2，调制方式选择二进制相移键控BPSK。

参照图1，本实例的实现步骤如下：

步骤1，确定补给索引的数目t。

补给索引的数目t是用索引样式上限数减去实际索引样式个数，即

本实例中补给索引个数

其中

为原索引样式数，符号

代表取上限，本实例中索引样式总数T即为索引样式上限值，

步骤2：选择补给索引，选择t个激活索引样式。

为遵循激活载波数的种类最少原则，首选补给索引样式激活载波k′＝k+1，k为原索引样式激活载波数，由于此时激活k′个载波的可选补给索引样式数

取到最大值，k′∈{1,2,3...n}且k′≠k，故设

为激活k+1个载波的可选索引样式数，其选择规则如下：

情形1：

首选激活k′＝k+1个载波索引样式中的t个索引样式作为补给索引与原有的

个原索引样式共同构成索引样式集W，其中第p个索引样式表示为I_p，表示第p个索引样式中激活的载波，0≤p＜T，此时补给索引激活载波数k′＝k+1；

情形2：

首选激活k₁′＝k+1中的所有可选索引样式，其数目为

再选择激活k₂′＝k-1中的

个索引样式作为补给索引样式，并与

个原索引样式共同构成索引样式集W，此时补给索引激活载波数k′∈{k+1,k-1}，该情况出现的概率较小。

本实施例中

属于情形1，由步骤1得补给索引数目t＝2，所以首选激活k′＝k+1＝3个载波的可选索引样式中的2个与原索引样式共同组成索引样式集W。索引样式总数T为8，其中I₀～I₅为原索引样式，I₆、I₇为补给索引样式，I₆＝{1,2,3},I₇＝{2,3,4}。本实施例所构成的索引样式集W，如表1所示。

表1

在具体实施过程中对于补给索引的选择是多样的，可依据能效最佳、频谱效率最佳或复杂度调整补给索引激活子载波所占比例，本实例采用但不限于在能效与频域效率之间折衷。

步骤3：进行索引调制，划分符号信息。

3.1)为每个子块划分p₁比特索引信息，p₁＝log₂ T；

3.2)根据索引样式集W，将索引信息映射为索引样式I：

如果索引信息的十进制值小于6,则映射到原索引样式上，I∈{I₀,I₂,I₃,I₄,I₅}；

如果索引信息十进制值大于等于6，则映射到补给索引样式上，I∈{I₆,I₇}，即如果索引信息是110或111,则映射为索引样式I₆＝{1,2,3}或I₇＝{2,3,4}；

3.3)根据3.2)映射的索引样式I，划分符号信息：

如果索引样式I为原索引样式，即I∈{I₀,I₂,I₃,I₄,I₅}则划分符号信息p₂为：

p₂＝K*log₂ M＝2比特，其中，M为符号调制阶数；

如果索引样式I为补给索引样式，即I∈{I₆,I₇}，则划分符号信息p₂＝k′*log₂ M＝3比特；

由此得到每个子块可传输的信息量为：p＝p₁+p₂。

本实例中加入两个补给索引样式使索引样式总数T为8，一个子块传输的索引比特p₁＝log₂8＝3比特，原索引样式激活载波数k＝2，补给索引样式激活载波数k′＝3。假设索引比特服从均匀分布，经过二进制相移键控BPSK调制后一个子块传输的符号信息平均长：

比特，其中T表示索引样式总数，t为补给索引数目，M表示符号调制阶数。

一个子块所传输的总信息p＝p₁+p₂＝5.25比特。而传统的OFDM-IM系统，将舍弃两个索引样式使索引样式总数T为4，一个子块传输的索引比特长p₁＝log₂4＝2比特，二进制相移键控BPSK调制后符号调制阶数M＝2，传输的调制比特长p₂＝k*log₂ M＝2*1＝2比特，每个子块共传输p＝p₁+p₂＝4比特。可见,本发明相比传统的OFDM-IM系统，提高了传输量。

步骤4：对索引样式中激活的载波进行符号调制。

根据p₂比特符号信息和索引样式I，将符号信息映射为星座符号加载到索引样式I中激活的载波上，得到第g个子块的发送向量x_g＝[s₁s₂s₃s₄]，g∈{1,2,3...256}，s_i为第i个载波上的调制符号，i∈{1,2,3,4}。

本实例采用二进制相移键控BPSK调制方式，若第i个载波未被激活，则s_i＝0，否则，s_i∈{-1,1}；

步骤5：生成频域OFDM信号，进行频域-时域变换。

将上述子块发送向量合并生成频域OFDM信号，再将该频域OFDM信号通过离散傅立叶反变换转换到时域。

本实例中，将步骤4生成的256个子块发送向量合并生成频域OFDM信号X_F＝[x₁ x₂x₃ ... x₂₅₆]^H＝[s₁s₂s₃...s₁₀₂₄]^H,再将该频域OFDM信号转换成时域OFDM信号X_T＝IDFT{X_F}＝[S₁S₂S₃...S_q...S₁₀₂₄]^H,IDFT{}表示离散傅里叶反变换，S_q为时域上第q个符号，q∈{1,2,3...1024}。

步骤6：对时域OFDM信号进行处理并传输。

6.1)将步骤5得到的时域OFDM信号进行加循环前，得到信号：X_cp＝[S₁₀₀₉S₁₀₁₀S₁₀ ₁₁...S₁₀₂₄S₁S₂S₃...S_q...S₁₀₂₄]^H；

6.2)对加过循环前缀后的时域OFDM信号进行并串转换，得到信号：X_p/s＝[S₁₀₀₉S₁₀₁ ₀S₁₀₁₁...S₁₀₂₄S₁S₂S₃...S_q...S₁₀₂₄]；

6.3)对并串转换后的时域OFDM信号进行数模转换和上变频处理，将离散的时域OFDM信号转换为模拟信号，再通过上变频将此基带信号调制到高频载波上；

6.4)将上变频处理后的时域OFDM信号送入信道进行传输。

步骤7：将时域OFDM信号转换到频域。

7.1)接收端接收到步骤6输出的时域OFDM信号，对其依次进行下变频、模数转换、串并转换、去循环前缀操作；

7.2)对通过7.1)处理后的时域OFDM信号进行离散傅里叶变换，将其从时域OFDM信号转换到频域并输出。

步骤8：将频域OFDM信号恢复为二进制信息。

8.1)将步骤7输出的频域OFDM信号通过如下公式对频域OFDM信号进行最大似然检测：

其中Y^(g)(i)表示接收的第g个子块中第i个载波上的信号，g∈{1,2,3...256}，i∈{1,2,3,4}；H^(g)(i)表示第g个子块中第i个载波经过的频域信道衰减系数；s^(g)(i)表示第g个子块中第i个载波上的信号，若第g个子块中第i个载波被激活，则s^(g)(i)＝0，否则s^(g)(i)为星座符号；

表示接收端第g个子块的索引样式估计值，

表示接收端第g个子块的符号信息估计值，I表示索引映射表W中所有可能的索引样式，S表示符号调制中所有可能的星座符号；

8.2)通过解索引和解映射将检测后的信号恢复为二进制信息：

8.2.1)根据索引样式集W将子块索引样式估计值

反映射为二进制索引信息:

如果

则索引信息反映射为00，

如果

则索引信息反映射为01，依此类推；

8.2.2)根据二进制相移键控BPSK星座图映射将子块符号信息的估计值

反映射为二进制信息：

若第g个子块中第i个符号估计值

则反映射为0；

若

则反映射为1。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明:

1.仿真条件

设载波数目为1024个，划分为256个子块，每个子块4个载波激活2个，设循环前缀长度为16，所经历的信道为瑞利信道。

1.仿真内容

分别用本发明方法和未使用补给索引的OFDM-IM传统方法进行频谱效率性能仿真，结果如图2。

由图2可见，本发明使用相等的频谱资源数量，提高了OFDM-IM系统的频谱效率。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本申请的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本申请内容和原理后，都可能在不背离本申请原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本申请思想的修正和改变仍在本申请的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种基于补给索引的载波索引调制OFDM方法，其特征在于，包括如下：

种原索引样式；

(2)根据(1)中原索引样式数确定补给索引样式的个数：

使索引样式总数T与2的整数幂次匹配，其中，符号

代表取上限，索引样式总数T为原索引样式数

与补给索引样式数t之和，即

(3)从

个原索引样式共同构成索引样式集W，其中k′是可选索引样式的激活载波数，k′∈{1,2,3…n}且k′≠k；

(5)根据符号信息对所选索引样式中激活的载波进行符号调制，生成第g个子块的发送向量：x_g＝[s₁ s₂ s₃…s_i...s_n]，g∈{1,2,3…G}，s_i为第i个载波上的调制符号，i∈{1,2,3…n}，在采用二进制相移键控BPSK调制方式时，若第i个载波未被激活则，s_i＝0，否则，s_i∈{-1,1}；

(6)将(5)生成的G个子块发送向量合并生成频域OFDM信号：X＝[x₁ x₂ x₃…x_g…x_G]^H，其中[]^H表示对向量或矩阵转置，并将该频域OFDM信号通过N点的离散傅里叶反变换转换到时域；

2.根据权利要求书1所述的方法，其中(4)中为每个子块划分p₁比特索引信息，是指将每个子块分配的索引信息量达到激活k个载波索引量的上限值，表示如下：

其中，

为原索引样式数。

3.根据权利要求书1所述的方法，其中(4)中根据索引信息的内容划分p₂个比特为符号信息，是指将索引信息p₁映射到索引样式集W上，索引样式集W由t个补给索引样式和

个原索引样式组成，p₂根据p₁所映射的索引样式是由原索引样式或补给索引样式决定：

若映射为原索引样式，则p₂表示如下：

p₂＝K*log₂M；

若映射为补给索引样式，则p₂表示如下：

p₂＝K′*log₂M；

其中，k表示原索引样式激活载波数，k′表示补给索引样式激活载波数，M表示星座调制阶数。

4.根据权利要求书1所述的方法，其中，所述(9)实现如下：

(9a)通过如下公式对频域OFDM信号进行最大似然检测：

其中Y^(g)(i)表示接收的第g个子块中第i个载波上的信号，g∈{1,2,3...G}，i∈{1,2,3...n}；H^(g)(i)表示第g个子块中第i个载波经过的频域信道衰减系数；s^(g)(i)表示第g个子块中第i个载波上的信号，若第g个子块中第i个载波被激活，则s^(g)(i)＝0，否则s^(g)(i)为星座符号；

表示接收端第g个子块的索引样式估计值，

表示接收端第g个子块的符号信息估计值，I表示索引映射表W中所有可能的子载波索引样式，S表示符号调制中所有可能的星座符号；

(9b)根据索引样式集W将子块索引样式估计值

反映射为二进制索引信息；

(9c)根据符号调制的星座映射将子块符号信息的估计值

反映射为二进制信息。