CN111884983B - 基于星座图优化的多载波信号索引调制和解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于星座图优化的多载波索引调制和解调方法，属于信息传输技术领域。在发射端，采用利用差错控制编码对信号激活方案进行星座图优化，扩大信号激活方案间最小欧式距离，提升信号激活方案检测性能的思路，提升整体系统误码性能。在接收端，利用对数域似然比，建立信号激活方案检测与差错控制编码译码间关联，采用基于差错控制码译码的载波信号激活方案检测方法，实现在完成差错控制码译码的同时完成对载波信号激活方案的检测。相对于传统结合差错控制编码的多载波索引调制和解调方法，本发明提供的调制和解调方法具有更高的系统频带利用率和系统误码性能，同时具有更低的信号检测复杂度。

Description

基于星座图优化的多载波信号索引调制和解调方法

技术领域

本发明涉及无线电通信技术，更具体地，本发明涉及一种基于星座图优化的多载波信号索引调制和解调方法，属于信息传输技术领域。

背景技术

索引调制作为一种新型数字调制技术，通过索引天线、载波信号、映射星座图、扩频码等通信系统基本元素，能够有效提高信息传输效率。其中，结合索引调制的正交频分复用技术(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing with Index Modulation,OFDM-IM)首次将信号索引思想引入多载波调制，利用OFDM子载波索引、多进制调制符号同时进行信息加载，有效提高了系统频带利用率。OFDM-IM自提出之后，得到相关领域专家学者的广泛关注，近年来多种多载波索引调制方法(Multi-Carrier Modulation with IM,MCM-IM)相继被提出，如广义索引调制、多模OFDM-IM、分层OFDM-IM、增强OFDM-IM等。且得益于OFDM-IM调制良好系统性能，其在5G、物联网等领域也不断被探索、研究。但在实际应用中不同场景下可用资源、对系统性能要求存在一定差异，而MCM-IM的系统频带利用率和误码性能与每组信号路数、信号激活路数以及调制进制数等参数密切相关，不同参数下系统性能存在一定差异，为获取最佳的系统性能，甚至需要遍历全部可能的参数集，系统复杂度较高，特别是参数集较大时。因此，如何在满足系统性能要求的前提下，实现系统频带利用率与系统误码性能间更优权衡，成为MCM-IM急需解决的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的多载波信号索引调制和解调方法，以较低的系统复杂度，实现系统频带利用率与系统误码性能间更有益权衡。本发明提供了一种基于星座图优化的多载波信号索引调制和解调方法。其中，本发明提供的基于星座图优化的多载波信号索引调制方法，依据系统对误码性能、系统频带利用率、信息传输速率的要求，在传统多载波信号索引调制([1]BAEAR E,AYGOLU U.,PANAYLRCL E,et al.Orthogonalfrequency division multiplexing with index modulation[J].IEEE Transactions onSignal Processing,2013,61(8):5536–5549.[2]Fan R,Yu Y J,Guan YL.Generalization of Orthogonal Frequency Division Multiplexing With IndexModulation[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2015,14(10):5350-5359.)的基础上，利用差错控制编码对载波信号激活方案进行编码，优化载波信号激活方案对应星座，扩大载波信号激活方案间最小欧式距离，提升载波信号激活方案检测性能、系统整体误码性能，最终实现对系统频带利用率与系统误码性能的更有益权衡。与传统结合差错控制编码的多载波信号索引调制(H.Zhang L.L.Yang L.Hanzo"LDPC-coded index-modulation aided OFDM for in-vehicle power line communications"Proc.IEEE 83rdVeh.Technol.Conf.(VTC Spring)pp.1-5May 2016.)相比，本发明提供的基于星座图优化的多载波信号索引调制方法能够在系统频带利用率与系统误码性能间进行更优权衡。本发明提供的解调方法先利用差错控制码的译码对载波信号激活方案进行检测，提升载波信号激活方案检测准确率，进而对调制符号进行检测。与传统结合差错控制编码的多载波信号索引调制相比，本发明提供的解调方法具有更低的信号检测复杂度。

根据本发明的一个方面，基于星座图优化的多载波信号索引调制方法(Constellation Optimized MCM-IM,CO-MCM-IM)，该方法采用载波索引调制，对待传输信息进行信息映射，获取待传输信息对应的载波信号激活方案与激活载波信号的调制符号S₁，S表示Symbol，1为下标；利用差错控制编码对载波信号激活方案进行编码，并对编码后序列中的监督位序列进行信息映射，获取其对应的调制符号S₂，2为下标；将调制符号S₁、调制符号S₂合并，获取全部载波信号对应的调制符号S，进而产生调制符号S对应的基于星座图优化的多载波信号索引调制信号。包括以下具体步骤：

步骤1，依据系统对误码性能、系统频带利用率、信息传输速率的要求，确定每组信号路数n、激活信号路数k，以及信号分组数g，并采用排列组合法，获取每组信号路数n、激活信号路数k对应的信号索引方案，并将ng个载波编号为1至ng。

为便于分析且不失一般性，假设待传输信息为mbits，载波信号分组数g，每组信号路数为n，每组激活的信号路数不再固定为k＝[k₁,k₂,···,k_h],h≤n,k_i∈[0,n]，采用信号索引与脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)进行2个维度的信息映射，PAM调制进制数为M，差错控制编码的长度为N、编码效率为R。不同组I/Q支路采用相同的载波信号激活方案，下面以第α组I支路为例，设计载波信号激活方案。如当激活载波信号路数为k时，全部载波信号激活方案Z∈[0,2ⁿ-1]可由长度为k的序列J＝{c_k,···,c₁}表示，其中，c_k＞···＞c₁＞0可利用如下公式获取

Z＝C(c_k,k)+C(c_k-1,k-1)+···+C(c₁,1), (1)

式中，Z为比特信号p_α,I,1,p_α,Q,1(bits)对应十进制数。如当n＝4,k＝3时，序列J分别为

由于激活载波信号路数k不再固定，其由输入比特信息p_α,1bits决定，具有一定的随机性。因此，为更加直观的展现载波信号激活方案模块如何依据p_α,1bits，选择激活载波信号，下面以n＝4时，第α个子块I支路为例，对载波信号激活方案选择进行说明。如当PAM采用二进制调制时，第α个子块I支路共有3⁴-1＝80种调制符号组合，其对应的信息比特数为

选择80种调制符号组合中的前64种进行信息传输，并按照激活载波信号路数，将种调制符号组合划分为3组、并进行编号，即激活1个载波信号，共

种调制符号组合，编号0～7；激活2个载波信号，共

种调制符号组合，编号9～32；激活3个载波信号，共

种调制符号组合，编号33～63。

步骤2，采用载波索引调制，对待传输信息进行信息映射，获取待传输信息对应的载波信号激活方案、ng载波的调制符号S₁，n为每组载波信号路数，g为载波信号分组数，S表示Symbol，1为下标；并依据载波信号激活方案，对不同载波信号进行标记，被激活的载波信号标记为1，未被激活的载波信号标记为0。即将mbits待传输信息平均分为g组，每组包含的比特信息为

p_α＝m/g(bits)＝p_α,1+p_α,2(bits),α＝1,2,···,g (3)

式中，p_α,1＝p_α,1,I+p_α,1,Q(bits),p_α,2＝p_α,2,I+p_α,2,Q(bits)分别为第α个子块载波信号激活方案、PAM调制符号对应比特信息，p_α,1,I,p_α,1,Q(bits)分别为I/Q支路载波信号激活方案对应比特信息，p_α,2,I,p_α,2,Q(bits)分别为I/Q支路PAM调制符号对应比特信息。CO-MCM-IM采用2个星座图进行信息映射，第1个星座图(即载波信号索引)依据输入信息p_α,1,I,p_α,1,Q(bits)，选择载波信号激活方案；第2个星座图(即M-PAM映射)，依据PAM映射规则，将p_α,2,I,p_α,2,Q(bits)映射为PAM调制符号。对于第α个子块，M-PAM映射模块将比特信息p_α,I,2,p_α,Q,2(bits)映射为M进制PAM调制符号，即

x′_α,I＝[x_α,I(1),···,x_α,I(k_α,I)],x′_α,Q＝[x_α,Q(1),···,x_α,Q(k_α,Q)], (4)

式中，x_α,I/Q(γ)∈S′,γ＝1,···,k_α,I/Q，S′为M进制PAM调制符号集合，k_α,I/Q为第α个子块I/Q支路载波信号激活路数。与此同时，激活载波信号选择模块依据p_α,1,I,p_α,1,Q(bits)，从第α个子块对应的n个载波信号中选择k_α,I,k_α,Q∈[1,n]个载波信号激活，载波信号激活方案可表示为

I_I,α＝{i_α,I,1,i_α,I,2,···,i_α,I,n},I_Q,α＝{i_α,Q,1,i_α,Q,2,···,i_α,Q,n},I_α＝I_I,α+i*I_Q,α, (5)

式中，i_α,I/Q,γ为第α个子块、第γ∈[1,n]个载波信号的状态，若i_α,I/Q,γ＝1，则表示第γ个载波信号被激活；若i_α,I/Q,γ＝0，则表示第γ个载波信号未被激活。进而，按照载波信号激活状态，将式(4)所示调制符号对应于激活的载波信号的位置，即

S_1,α＝[x′_α,I(1)+ix′_α,Q(1),···,x′_α,I(n)+ix′_α,Q(n)],x′_α(k)＝x′_α,I(k)+ix′_α,Q(k), (6)

式中，x′_α,I/Q(k),k∈[1,n]分别为第k个载波信号I/Q支路的调制符号，若第k个载波信号I/Q支路为激活状态，则其为式(4)中对应位置的调制符号，若为未激活状态则其为0。相应的g个子块的调制符号可表示为

S₁＝[S_1,1,S_1,2,···,S_1,g]＝[x′₁(1),x′₁(2),···,x′₁(n),x′₂(1),···,x′_g(n)]. (7)

步骤3，按照载波信号的编号，将不同载波信号对应的标记进行排序，组成一个长度为ng、由0,1组成的序列X₁，1为下标；并利用低密度奇偶校验码对序列X₁进行编码，获取编码序列Y。将式(5)所示载波信号激活方案进行排序，或取g个子块的载波信号激活方案

I_I＝[I_I,1,I_I,2,···,I_I,g],I_Q＝[I_Q,1,I_Q,2,···,I_Q,g]. (8)

相应的序列X₁可表示为

X₁＝I_I+i*I_Q (9)

进而，利用低密度奇偶校验码对序列X₁进行编码，即

Y＝X₁G＝I_IG+i*I_QG (10)

式中，G为低密度奇偶校验码(Low-Density Parity-Check,LDPC)编码矩阵。

步骤4，将编码序列Y拆分为2部分，第1部分为信息位序列，即编码前的序列X₁，第2部分为监督位序列X₂，2为下标，对序列X₂进行信息映射，获取调制符号S₂，2为下标。即利用PAM进行映射，获取监督位序列X₂对应调制符号

S₂＝[x″_I(1)+ix″_Q(1),x″_I(2)+ix″_Q(2),···,x″_I(q)+ix″_Q(q)] (11)

式中，q＝(N-ng)/log₂M,x″_I/Q(γ)∈{0,S′}，S′为M进制PAM调制符号。

步骤5，分别对调制符号S₁、调制符号S₂进行功率增益，并将功率增益后的调制符号合并，获取全部载波信号对应的调制符号S。其中，由于调制符号S₁中仅部分载波信号激活，其对应的载波信号能量低于传统的多载波调制，需要对S₁进行功率增益，保证其与传统多载波调制具有相同的能量，同时获取性能增益，即

式中，G_P,1为第1部分是调制符号S₁对应功率增益G_P,1，其为ng支路载波信号全部激活时载波信号能量与调制符号S₁对应的载波信号能量的比值，其中，G表示Gain，P表示Power，1为下标，表示第1部分，其表达式为

式中，

χ(k_i)为不同激活信号路数对应的载波信号激活方案的个数，即

G_P,2为第2部分是调制符号S₂对应功率增益G_P,2，其为路数等于调制符号S₂长度的载波信号全部激活时载波信号能量与调制符号S₂对应的载波信号能量的比值，其中，2为下标，表示第2部分。

最后，将调制符号S与载波信号相乘，产生调制信号，即

式中，

为第i个载波信号。

根据本发明的另一个方面，基于星座图优化的多载波信号索引调制信号的解调方法，该方法采用相干检测方法对基于星座图优化的多载波信号索引调制信号进行检测，获取不同支路载波信号对应的统计检测量；依据统计检测量，利用差错控制码的译码获取载波信号激活方案，并恢复载波信号激活方案对应的信息；进而依据获取的载波信号激活方案，对激活载波信号对应的调制符号进行解调，恢复激活载波信号调制符号对应信息。具体步骤如下：

步骤1，对基于星座图优化的多载波信号索引调制信号采用相干检测，获取不同支路载波信号的检测统计量，并去除功率增益，即

步骤2，将载波信号的检测统计量分为2部分，第1部分为调制符号S₁对应的检测统计量R₁，R表示Receive，1下标，表示第1部分；第2部分为调制符号S₂对应的检测统计量R₂，2下标，表示第2部分。即

步骤3，对第1部分检测统计量R₁进行检测，计算不同支路载波信号的激活与未激活状态的对数域似然比；并按照载波信号的编号顺序，将不同载波信号对应的对数域似然比进行排序，组成一个长度为ng的序列X_R,1，其中，R下标，表示Receive，1下标，表示第1部分。

即

式中，X_R,1(m)为接收端第m个载波信号的检测统计量，S(m)为第m个载波信号调制符号，S′为激活载波信号可能加载的调制符号，X_R,1(m)数值越大则表明第m支路载波信号被激活的可能性越大。

步骤4，对第2部分检测统计量R₂进行检测，计算调制符号R₂对应对数域似然比序列X_R,2，其中，2下标，表示第2部分。即

式中，S′_1,i,S′_0,i分别为第i∈[1，log₂M]为比特信息为1、0的PAM调制符号集合，且S′_1,i,S′_0,i∈S′。

步骤5，按照编码序列信息位、监督位的顺序，将序列X_R,1、序列X_R,2合并，获取序列Y_R；并采用低密度奇偶校验码的译码方法，对序列Y_R进行译码，提取译码后序列中序列X_R,1对应的序列X_A，将序列X_A作为载波信号激活方案，其中，A表示After。即

Y_R＝[X_R,1,X_R,2] (20)

进而，对X_A和调制符号y(m),m∈[1,ng]进行分组，即y_α＝y_α,I+i*y_α,Q,I_α＝I_I,α+i*I_Q,α,α＝1,2,···,g，并将y_α,I,y_α,Q分别与I_I,α,I_Q,α相乘，获取激活载波信号对应调制符号。然后，依据载波信号激活方案、PAM调制逆映射规则，对载波信号激活方案、PAM调制符号进行解调，恢复发射端发送比特信息。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)系统频带利用率

为便于理论对比分析，本发明与现有技术间性能差异。假设由CO-MCM-IM基本原理可知，当k＝0,1,2,···,n时，ng支路信号可携带的信息量为

相应的其系统频带利用率为

由式(21)可知，当编码长度N一定时，随着R增加，LDPC码信息位对应载波信号路数ng不断增加，相应的所提方法的系统频带利用率不断提高。此外，传统结合差错控制编码的多载波信号索引调制(H.Zhang L.L.Yang L.Hanzo"LDPC-coded index-modulation aidedOFDM for in-vehicle power line communications"Proc.IEEE 83rdVeh.Technol.Conf.(VTC Spring)pp.1-5May 2016.)，即MCM-IM-LDPC的系统频带利用率为

令

由于N≥ng+(N-ng)/log₂M，故在相同编码长度和效率下，CO-MCM-IM系统频带利用率不低于MCM-IM-LDPC，特别是当PAM调制进制数M＞2时，CO-MCM-IM系统频带利用率高于MCM-IM-LDPC。

2)信号检测系统复杂度

由MCM-IM-CO、MCM-IM-LDPC基本原理可知，信号检测乘法运算主要产生于信号索引检测、差错控制编码译码，故以信号索引检测、差错控制编码译码的复数域乘法复杂度为度量标准，对所提方法系统复杂度进行分析。

在GF(2)下LDPC译码复杂度(迭代m次)为

式中，w_r为LDPC码生成矩阵行重(w_r＜N)。

MCM-IM-CO信号检测复杂度：由式(18)、式(19)可知，MCM-IM-CO计算长度为N的译码序列不同位置“1”“0”似然比的运算量为

由式(24)、式(25)可知，MCM-IM-CO信号检测复杂度为

MCM-IM-LDPC信号检测复杂度：由MCM-IM基本原理可知，当每组信号路数为n，每组信号激活路数为k＝0,1,2,···,n时，每组调制符号个数有

种，其对应的比特序列长度为

计算单个比特“1”“0”似然比的运算量为

相应的计算长度为N的译码序列不同位置“1”“0”似然比的运算量为

由式(24)、式(27)可知，MCM-IM-LDPC信号检测复杂度为

由式(26)、式(28)可知，MCM-IM-CO信号检测复杂度与每组信号路数n无关，低于MCM-IM-LDPC，且随着每组信号路数n、PAM调制进制数M增加，降低程度不断提高。如当M＝2,N＝128,R＝2/3,m＝10,n＝8时，MCM-IM-CO信号检测复杂度为4.4×10⁵，相对于复杂度为9.6×10⁵的MCM-IM-LDPC，复杂度降低约55％。

总的来说，对于本发明提供的方法，与现有技术(MCM-IM-LDPC)，本发明提供的方法具有更高的系统频带利用率、更低信号检测复杂度。

附图说明

以下参照附图对本发明具体实施方式和实施例作进一步说明，其中：

图1是基于星座图优化的多载波信号索引调制和解调方法原理框图。

图2是信号索引LDPC编码与调制符号产生原理框图。

图3是基于LDPC译码的载波信号激活方案检测方法原理框图。

图4是系统误码性能曲线。

具体实施方式

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可仅利用本发明的一部分或全部结构或流程来实施本发明。为了解释的明确性，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。由于本发明采用的具体技术均为本领域普通技术人员熟知的基本技术，为了不混淆本发明，对于众多周知的特征将不再进行详细阐述。

为了更好说明本发明的实施步骤，同时展现本发明的优良特性，下面对本发明所提供的调制和解调方法进行进一步描述。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他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

为更好说明本发明的优势，实施例以传统结合差错控制编码的多载波信号索引调制(MCM-IM-LDPC)作为对比。依据图1、图2、图3，根据基于星座图优化的多载波信号索引调制和解调方法的信号处理步骤，设置相关参数如表1。

表1系仿真参数设置

在上述仿真条件下，按具体调制和解调步骤对本发明进行仿真验证。

系统误码性能如图4所示，从仿真结果可知，与MCM-IM-LDPC相比，本发明提供的方法具有更高的系统频带利用率和系统误码性能。如当编码长度为128时，相对于系统频带利用率为2.00bit/s/Hz的MCM-IM-LDPC(R＝2/3)，MCM-IM-CO(R＝0.85)的系统频带利用率2.55bit/s/Hz，提升约0.55bit/s/Hz，约27％，同时系统误码性能提升0.11dB。此外，在表1参数条件下，MCM-IM-CO信号检测复杂度为4.4×10⁵，相对于复杂度为4.5×10⁵的MCM-IM-LDPC，复杂度降低约1.7％。

结合实施例分析可知，总的来说，对于本发明提供的基于星座图优化的多载波信号索引调制和解调方法，与现有技术相比(传统结合差错控制编码的多载波信号索引调制)，具有如下有益效果：

①本发明提供的调制和解调方法具有更高的系统频带利用率和系统误码性能；

②本发明提供的信号检测方法具有更低的信号检测系统复杂度。

最后需要说明的是，以上具体实施方式和实施例旨在说明本发明的技术方案而不是对技术方法的限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变换、应用和实施例都在本发明的精神和教导范围之内。

Claims (3)

1.一种基于星座图优化的多载波信号索引调制方法，其特征在于，采用载波索引调制，对待传输信息进行信息映射，获取待传输信息对应的载波信号激活方案与激活载波信号的调制符号S₁；利用差错控制编码对载波信号激活方案进行编码，并对编码后序列中的监督位序列进行信息映射，获取其对应的调制符号S₂；将调制符号S₁、调制符号S₂合并，获取全部载波信号对应的调制符号S，进而产生调制符号S对应的基于星座图优化的多载波信号索引调制信号；

步骤1，采用载波索引调制，对待传输信息进行信息映射，获取待传输信息对应的载波信号激活方案、ng载波的调制符号S₁，n为每组载波信号路数，g为载波信号分组数；并依据载波信号激活方案，对不同载波信号进行标记，被激活的载波信号标记为1，未被激活的载波信号标记为0；

步骤2，按照载波信号的编号，将不同载波信号对应的标记进行排序，组成一个长度为ng、由0,1组成的序列X₁；并利用差错控制编码中的低密度奇偶校验码对序列X₁进行编码，获取编码序列Y；

步骤3，将编码序列Y拆分为2部分，第1部分为信息位序列，即编码前的序列X₁，第2部分为监督位序列X₂，对序列X₂进行信息映射，获取调制符号S₂；

步骤4，分别对调制符号S₁、调制符号S₂进行功率增益，并将功率增益后的调制符号合并，获取全部载波信号对应的调制符号S；

功率增益分为2部分，第1部分是调制符号S₁对应功率增益G_P,1，其为ng支路载波信号全部激活时载波信号能量与调制符号S₁对应的载波信号能量的比值；第2部分是调制符号S₂对应功率增益G_P,2，其为路数等于调制符号S₂长度的载波信号全部激活时载波信号能量与调制符号S₂对应的载波信号能量的比值；

步骤5，产生调制符号S对应的基于星座图优化的多载波信号索引调制信号。

2.一种使用权利要求1调制方法所得调制信号的解调方法，其特征在于，采用相干检测对权利要求1调制方法所产生的调制信号进行检测，获取不同支路载波信号对应的统计检测量；依据统计检测量，利用差错控制码的译码获取载波信号激活方案，并恢复载波信号激活方案对应的信息；进而依据获取的载波信号激活方案，对激活载波信号对应的调制符号进行解调，恢复激活载波信号调制符号对应信息。

3.根据权利要求2所述的解调方法，其特征在于，获取载波信号激活方案包括以下步骤：

步骤1，将载波信号的检测统计量分为2部分，第1部分为调制符号S₁对应的检测统计量R₁；第2部分为调制符号S₂对应的检测统计量R₂；

步骤2，对第1部分检测统计量R₁进行检测，计算不同支路载波信号的激活与未激活状态的对数域似然比；并按照载波信号的编号顺序，将不同载波信号对应的对数域似然比进行排序，组成一个长度为ng的序列X_R,1；

步骤3，对第2部分检测统计量R₂进行检测，计算调制符号R₂对应对数域似然比序列X_R,2；

步骤4，按照编码序列信息位、监督位的顺序，将序列X_R,1、序列X_R,2合并，获取序列Y_R；并采用低密度奇偶校验码的译码方法，对序列Y_R进行译码，提取译码后序列中序列X_R,1对应的序列X_A，将序列X_A作为载波信号激活方案。

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