CN112491774B - 一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法及系统。通过高维信号星座图的设计，在每个正交频分复用信号子帧通过同相正交调制的方式映射一个或两个高维信号，更多的发送比特隐含在子帧子载波同相正交分量的激活位置信息中，正交频分复用信号子帧中更少的映射信号有效的提高了系统的能量效率，更多的发送比特隐含在各种索引信息中提高了系统的频谱效率，高维信号较传统二维信号能有效降低系统的误比特率，且通过分组码设计的高维信号星座图更有利于通过有效的译码方法改善误比特率性能指标。所提出的多维度信号索引调制正交频分复用方法及系统较传统正交频分复用系统在能量效率、频谱效率和误比特率性能方面均具有优势。

Description

一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用(OFDM)方法及系统，包括高维信号星座图设计、索引调制和正交频分复用技术等。

背景技术

在通信领域，特别是移动通信，正交频分复用技术已经得到了广泛的研究和应用，特别是第四代(4G)和第五代(5G)移动通信中，因为它具有频谱利用率高、有效抗多径和频率选择性衰落等优点。然而，传统的及一般索引调制的正交频分复用系统频谱效率、能量效率和误比特率性能等方面都比较低，且传统的二维信号星座图的噪声容限较小，不能满足要求。将空间调制技术引入正交频分复用系统，名为索引调制的正交频分复用技术能有效的提高系统的频谱效率和能量效率，由于一个索引调制正交频分复用信号只有部分子载波被激活用于传输常规的多进制相移键控(MPSK)或多进制正交振幅调制(MQAM)信号，未被激活的子载波为0值，而更多的待发送比特信息可隐含在索引图样中，也就是利用发送的比特信息决定子载波的激活样式，从而改善系统的频谱效率和能量效率。

随着高维信号即大于等于三维的星座图在通信领域的研究与应用，其在通信系统发端发送功率不变的条件下，相邻信号点间的最小欧几里德距离要大于传统的二维信号星座图，且随着信号星座图维度的提高，其具有更大噪声容限的优势更加突显，如三维、四维或五维信号星座图等。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，传统的及一般索引调制的正交频分复用系统频谱效率、能量效率和误比特率性能等方面都比较低，且传统的二维信号星座图的噪声容限较小，不能满足要求。本发明提供的技术方案是：结合多维度信号和索引调制正交频分复用技术，提供了一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法及系统，主要目的在于提高索引调制正交频分复用系统的频谱效率、能量效率和误比特率性能，包括多维度信号的设计、映射方案的设计和系统模型的设计等问题。

根据本发明解决的技术问题的一个方面，一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，所述基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统包括发送端和接收端：

所述发送端获取待发送的串行比特流，将每m比特的所述串行比特流转换为并行比特流；

所述发送端将所述并行比特流每p比特为一组，获得多个并行比特流分组，所述并行比特流分组包含p_D比特、p_C比特、p_I比特、p_Q比特和p_S比特；

所述发送端将多个所述并行比特流分组分别输入到多个一帧正交频分复用信号的G个子帧，获得n个子载波；这里一帧包含N个子载波的正交频分复用信号被分为G＝m/p＝N/n个子帧，X_g＝[X_g,1X_g,2…X_g,n]表示第g个子帧，1≤g≤G，X表示正交频分复用信号的频域子载波，n表示每个子帧包含的子载波个数。

所述发送端将所述p_D比特和所述p_C比特分别输入维度索引选择器，所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择；

所述发送端将所述p_I比特输入同相索引选择器，将所述p_Q比特输入正交索引选择器，所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式；

所述发送端将所述p_S比特输入多维度信号映射器，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

所述发送端根据所述子载波的同相分量激活样式、所述子载波的正交分量激活样式和所述映射高维信号星座图中的信号点采用预设映射方案进行高维信号的映射，分别获得映射后子载波的同相分量和子载波的正交分量，将所述映射后的子载波的同相分量和子载波的正交分量进行叠加，得到G个复数形式子帧；

所述发送端将G个所述复数形式子帧合并成频域正交频分复用信号；

所述发送端将所述频域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶反变换，获得时域正交频分复用信号；

所述发送端将所述时域正交频分复用信号进行并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理，获得串行的时域正交频分复用信号，将所述串行的时域正交频分复用信号送入信道传输至所述接收端；

所述接收端将所述串行的时域正交频分复用信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理，获得并行的时域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的时域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶变换，获得并行的频域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的频域正交频分复用信号的每个子帧进行最大似然检测或对数似然比检测、解索引、解映射、译码处理，得到二进制信号；

所述接收端将所述二进制信号进行并串转换，恢复发送的二进制信息。

进一步地，所述预设映射方案包括：多维度信号映射方案I或多维度信号映射方案II。

所述多维度信号映射方案I为：

所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，从W种维度的高维信号中选择两种维度的高维信号用于多维度信号的索引调制，即

式中

表示平台函数，即向下取整；

一个正交频分复用信号子帧映射一对高维信号(S_DA，S_DB)，其中所述子帧中子载波的同相分量映射一个DA维信号S_DA，子载波的正交分量映射一个DB维信号S_DB；

所述DA维信号S_DA和所述DB维信号S_DB分别是尺寸为MA和尺寸为MB的高维信号星座图中的信号点；

所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择，在所述多维度信号映射方案I中p_C＝0；

所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

从n个所述子载波的同相分量和正交分量中分别选出k个子载波的同相分量和正交分量映射高维信号对(S_DA，S_DB)，满足

且k＝DA，

且k＝DB，p_S＝log₂MA+log₂MB，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足1≤k≤n；

由所述p_I比特和所述p_Q比特分别决定的所述子载波的同相分量索引位置和正交分量索引位置分别为I_Re1＝[I_Re,1I_Re,2…I_Re,DA]和I_Im1＝[I_Im,1I_Im,2…I_Im,DB]，所述映射后子载波的同相分量和所述映射后子载波的正交分量为S_Re1＝[C₁(I_Re,1)C₂(I_Re,2)…C_DA(I_Re,DA)]和S_Im1＝[C₁(I_Im,1)C₂(I_Im,2)…C_DB(I_Im,DB)]；

经多维度信号索引调制后的一个正交频分复用信号子帧X_g1＝S_Re1+jS_Im1，式中j²＝-1，X_g1＝[X_g,1X_g,2…X_g,n]表示第g个子帧，1≤g≤G，X表示正交频分复用信号的频域子载波。

所述多维度信号映射方案II为：

所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，从W种维度的高维信号中选择一种维度的高维信号用于多维度信号的索引调制，即

式中

表示平台函数，即向下取整；

一个正交频分复用信号子帧映射一个DC维信号S_DC，其中子帧中所述子载波的同相分量映射DC维信号S_DC的一部分，子帧中所述子载波的正交分量映射DC维信号S_DC的其余部分；所述DC维信号S_DC是尺寸为MC的高维信号星座图中的信号点；

所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择，即子帧子载波同相分量映射的高维信号分量个数的选择，有

所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

从子帧中n个所述子载波的同相分量选出k个所述子载波映射高维信号S_DC的一部分，从n个所述子载波的正交分量选出DC–k个所述子载波映射高维信号S_DC的其余部分，其中激活的子载波的同相分量k的个数由p_C决定，有

p_S＝log₂MC，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足1≤k≤n和DC–k≤n；

由所述p_I比特和所述p_Q比特分别决定的所述子载波的同相分量索引位置和正交分量索引位置分别为I_Re2＝[I_Re,1I_Re,2…I_Re,k]和I_Im2＝[I_Im,1I_Im,2…I_Im,DC-k]，所述映射后子载波的同相分量和所述映射后子载波的正交分量表示为S_Re2＝[C₁(I_Re,1)C₂(I_Re,2)…C_k(I_Re,k)]和S_Im2＝[C_k+1(I_Im,1)C_k+2(I_Im,2)…C_DC(I_Im,DC-k)]；

经多维度信号索引调制后的一个子帧正交频分复用信号X_g2＝S_Re2+jS_Im2，式中j²＝-1。

进一步地，所述频域正交频分复用信号为X_D＝[X₁X₂…X_g…X_G]。

进一步地，所述基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统还包括：

所述发送端将所述高维信号采用超立方体结构，所述超立方体的顶点或交叉点作为高维信号点，利用分组码的编码规则，设计包括M个信号点的高维信号二进制码组，使相邻码组间的汉明距离为1，再将码组中的1用振幅A_m表示，将码组中的0用振幅-A_m表示，获得M进制的高维信号星座图。

在设计的M进制高维信号星座图基础上，通过降阶和精选，保证相邻信号点间的汉明距离逐步变大，得到更低阶进制的高维信号星座图。也可直接通过一些线性分组码进行高维信号星座图的设计，通过有效的译码方法进一步改善系统的误比特率性能。此外，根据高维信号点坐标分量振幅A_m的多样化选择，可设计更多新的高维信号星座图。

本发明解决的技术问题的另一个方面，一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法，基于所述的一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，所述基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法包括以下步骤：

所述发送端获取待发送的串行比特流，将每m比特的所述串行比特流转换为并行比特流；

所述发送端将所述并行比特流每p比特为一组，获得多个并行比特流分组，所述并行比特流分组包含p_D比特、p_C比特、p_I比特、p_Q比特和p_S比特；

所述发送端将多个所述并行比特流分组分别输入到多个一帧正交频分复用信号的G个子帧，获得n个子载波；

所述发送端将所述p_D比特和所述p_C比特分别输入维度索引选择器，所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择；

所述发送端将所述p_I比特输入同相索引选择器，将所述p_Q比特输入正交索引选择器，所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式；

所述发送端将所述p_S比特输入多维度信号映射器，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点，根据所述子载波的同相分量激活样式、所述子载波的正交分量激活样式和所述映射高维信号星座图中的信号点进行高维信号的映射，分别获得映射后子载波的同相分量和子载波的正交分量，将所述映射后的子载波的同相分量和子载波的正交分量进行叠加，得到G个复数形式子帧；

所述发送端将G个所述复数形式子帧合并成频域正交频分复用信号；

所述发送端将所述频域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶反变换，获得时域正交频分复用信号；

所述发送端将所述时域正交频分复用信号进行并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理，获得串行的时域正交频分复用信号，将所述串行的时域正交频分复用信号送入信道传输至所述接收端；

所述接收端将所述串行的时域正交频分复用信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理，获得并行的时域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的时域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶变换，获得并行的频域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的频域正交频分复用信号的每个子帧进行最大似然检测或对数似然比检测、解索引、解映射、译码处理，得到二进制信号；

所述接收端将所述二进制信号进行并串转换，恢复发送的二进制信息。

进一步地，在进行所述高维信号的映射之前，所述基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法还包括：所述发送端将所述高维信号采用超立方体结构，所述超立方体的顶点或交叉点作为高维信号点，利用分组码的编码规则，设计包括M个信号点的高维信号二进制码组，使相邻码组间的汉明距离为1，再将码组中的1用振幅A_m表示，将码组中的0用振幅-A_m表示，获得M进制的高维信号星座图。

尺寸为M的高维信号星座图，其中任意一个信号点S_D可表示为一个D≥1维列向量，即S_D＝(C₁,C₂,…,C_d,…,C_D)^T，1≤d≤D，这里C_d表示信号点在星座图中的第d维分量坐标值，且为非零实数，T表示转置操作。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明提出了一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法及系统，通过多个维度的高维信号星座图的设计，在一个正交频分复用信号子帧中传输一或两个高维信号，而更多的二进制信息隐含在各种索引位置信息中，从而提高系统的频谱效率，由于索引位置信息不占用子载波能量，从而提高系统的能量效率，且高维信号较传统的二维信号在发送平均功率不变的条件下具有更大的最小欧几里德距离，更大的噪声容限有利于改善系统的误比特率性能，且随着信号维度的提高，性能会进一步加强。通过分组码的高维信号星座图设计，在所述接收端进行译码也可进一步提高系统的误比特率性能指标。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明具体实施例基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统发送端框图。

图2是本发明具体实施例基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统接收端框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

具体实施例中一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统包括发送端和接收端；

参照图1，图1为具体实施例基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统发送端框图，包括串并转换和比特分组模块，维度索引选择器模块，同相索引选择器模块，正交索引选择器模块，多维度信号映射器模块，频域正交频分复用信号生成器模块，N点IDFT模块，并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频模块。

发送端获取待发送的串行比特流，将每m比特的串行比特流转换为并行比特流；

发送端将并行比特流每p比特为一组，获得多个并行比特流分组，并行比特流分组包含p_D比特、p_C比特、p_I比特、p_Q比特和p_S比特；

发送端将多个并行比特流分组分别输入到多个一帧正交频分复用信号的G个子帧，获得n个子载波；这里一帧包含N个子载波的正交频分复用信号被分为G＝m/p＝N/n个子帧，X_g＝[X_g,1X_g,2…X_g,n]表示第g个子帧，1≤g≤G，X表示正交频分复用信号的频域子载波，n表示每个子帧包含的子载波个数。

发送端将p_D比特和p_C比特分别输入维度索引选择器，p_D比特用于决定不同维度的信号选择，p_C比特用于决定信号维度分量的选择；

发送端将p_I比特输入同相索引选择器，将p_Q比特输入正交索引选择器，p_I比特用于选择子载波的同相分量激活样式，p_Q比特用于选择子载波的正交分量激活样式；

发送端将p_S比特输入多维度信号映射器，p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

发送端根据子载波的同相分量激活样式、子载波的正交分量激活样式和映射高维信号星座图中的信号点采用预设映射方案进行高维信号的映射，分别获得映射后子载波的同相分量和映射后子载波的正交分量，将映射后的子载波的同相分量和映射后的子载波的正交分量进行叠加，得到G个复数形式子帧；

发送端将G个复数形式子帧合并成频域正交频分复用信号；

发送端将频域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶反变换，获得时域正交频分复用信号；

发送端将时域正交频分复用信号进行并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理，获得串行的时域正交频分复用信号，将串行的时域正交频分复用信号送入信道传输至接收端；

基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统还包括：设计高维信号星座图；

假定一个尺寸为M的高维信号星座图，其中任意一个信号点S_D可表示为一个D≥1维列向量，即S_D＝(C₁,C₂,…,C_d,…,C_D)^T，1≤d≤D，这里C_d表示信号点在星座图中的第d维坐标值，且为非零实数，T表示转置操作。高维信号采用超立方体结构，超立方体的顶点或交点作为高维信号点，超立方体采用常数包络高维信号星座图或非常数包络高维信号星座图。常数包络高维信号星座图利用分组码的编码规则，设计包括M个信号点的高维信号二进制码组，使相邻码组间的汉明距离为1，再将码组中的1用振幅A_m表示，将码组中的0用振幅-A_m表示，从而构成一个M进制的高维信号星座图。在设计的M进制高维信号星座图基础上，通过降阶和精选，保证相邻信号点间的汉明距离逐步变大，得到更低阶进制的高维信号星座图。在实施中，选择M＝8，根据分组码的设计方法得到的三维信号星座图坐标如表1所示：

表1

表1中，相邻信号点间的汉明距离为1，经过降阶和精选，选择第1、3、5、7信号点可构成一个汉明距离为2的四进制三维信号星座图。另外，也可直接通过一些线性分组码进行高维信号星座图的设计，如(7，4)汉明码或(7，3)循环码等，通过有效的译码方法进一步改善系统的误比特率性能，这里(7，4)汉明码指的是2⁴＝16进制的七维信号星座图，(7，3)循环码指的是2³＝8进制的七维信号星座图。此外，根据高维信号点坐标分量振幅A_m的多样化选择，可设计更多新的高维信号星座图。

具体实施例中的预设映射方案包括：多维度信号映射方案I或多维度信号映射方案II。

多维度信号映射方案I为：

p_D比特用于决定不同维度的信号选择，从W种维度的高维信号中选择两种维度的高维信号用于多维度信号的索引调制，即

式中

表示平台函数，即向下取整；

一个正交频分复用信号子帧映射一对高维信号(S_DA，S_DB)，其中子帧中子载波的同相分量映射一个DA维信号S_DA，子载波的正交分量映射一个DB维信号S_DB；

DA维信号S_DA和DB维信号S_DB分别是尺寸为MA和尺寸为MB的高维信号星座图中的信号点；

p_C比特用于决定信号维度分量的选择，在多维度信号映射方案I中p_C＝0；

p_I比特用于选择子载波的同相分量激活样式，p_Q比特用于选择子载波的正交分量激活样式，p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

从n个子载波的同相分量和正交分量中分别选出k个子载波的同相分量和正交分量映射高维信号对(S_DA，S_DB)，满足

且k＝DA，

且k＝DB，p_S＝log₂MA+log₂MB，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足1≤k≤n；

由p_I比特和p_Q比特分别决定的子载波的同相分量索引位置和正交分量索引位置分别为I_Re1＝[I_Re,1I_Re,2…I_Re,DA]和I_Im1＝[I_Im,1I_Im,2…I_Im,DB]，映射后子载波的同相分量和映射后子载波的正交分量为S_Re1＝[C₁(I_Re,1)C₂(I_Re,2)…C_DA(I_Re,DA)]和S_Im1＝[C₁(I_Im,1)C₂(I_Im,2)…C_DB(I_Im,DB)]；

经多维度信号索引调制后的一个正交频分复用信号子帧X_g1＝S_Re1+jS_Im1，式中j²＝-1，X_g1＝[X_g,1X_g,2…X_g,n]表示第g个子帧，1≤g≤G，X表示正交频分复用信号的频域子载波。

当采用W＝2种高维信号进行映射时，p_D＝2，p_C＝0，子帧中子载波的同相分量和子帧中子载波的正交分量映射的高维信号有四种选择或组合方式，如00比特(第一种高维信号，第一种高维信号)、01比特(第一种高维信号，第二种高维信号)、10比特(第二种高维信号，第一种高维信号)、11比特(第二种高维信号，第二种高维信号)。当n＝4,k＝DA＝DB＝3，M＝8时，p_I＝p_Q＝2，p_S＝6，一个正交频分复用信号子帧中包含的比特数为12，子帧中子载波的同相分量的索引位置与映射的高维信号的关系如表2所示：

表2

索引比特p<sub>I</sub>	索引位置I<sub>Re1</sub>	映射同相子载波分量S<sub>Re1</sub>
			00	[1 2 3]	[C<sub>1</sub> C<sub>2</sub> C<sub>3</sub> 0]
01	[1 2 4]	[C<sub>1</sub> C<sub>2</sub> 0 C<sub>3</sub>]
			10	[1 3 4]	[C<sub>1</sub> 0 C<sub>2</sub> C<sub>3</sub>]
11	[2 3 4]	[0 C<sub>1</sub> C<sub>2</sub> C<sub>3</sub>]

子帧中子载波的正交分量的映射方法与同相分量相同。

多维度信号映射方案II为：

p_D比特用于决定不同维度的信号选择，从W种维度的高维信号中选择一种维度的高维信号用于多维度信号的索引调制，即

式中

表示平台函数，即向下取整；

一个正交频分复用信号子帧映射一个DC维信号S_DC，其中子帧中子载波的同相分量映射DC维信号S_DC的一部分，子帧中子载波的正交分量映射DC维信号S_DC的其余部分；DC维信号S_DC是尺寸为MC的高维信号星座图中的信号点；

p_C比特用于决定信号维度分量的选择，即子帧子载波同相分量映射的高维信号分量个数的选择，有

p_I比特用于选择子载波的同相分量激活样式，p_Q比特用于选择子载波的正交分量激活样式，p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

从子帧中n个子载波的同相分量选出k个子载波映射高维信号S_DC的一部分，从n个子载波的正交分量选出DC–k个子载波映射高维信号S_DC的其余部分，其中激活的子载波的同相分量k的个数由p_C决定，有

p_S＝log₂MC，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足1≤k≤n和DC–k≤n；

由p_I比特和p_Q比特分别决定的子载波的同相分量索引位置和正交分量索引位置分别为I_Re2＝[I_Re,1I_Re,2…I_Re,k]和I_Im2＝[I_Im,1I_Im,2…I_Im,DC-k]，映射后子载波的同相分量和映射后子载波的正交分量表示为S_Re2＝[C₁(I_Re,1)C₂(I_Re,2)…C_k(I_Re,k)]和S_Im2＝[C_k+1(I_Im,1)C_k+2(I_Im,2)…C_DC(I_Im,DC-k)]；

经多维度信号索引调制后的一个子帧正交频分复用信号X_g2＝S_Re2+jS_Im2，式中j²＝-1。

当W＝2，DC＝3，n＝4，M＝8时，p_D＝1，p_C＝1，针对k＝2，p_I＝p_Q＝2，p_S＝3，子帧中子载波的同相分量和帧中子载波的正交分量的索引位置与映射的高维信号的关系如表3所示：

表3

参照图2，图2为具体实施例基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统接收端框图，包括下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，N点DFT模块，最大似然或对数似然比检测、解索引和解映射(译码)模块，并串转换模块。

接收端将串行的时域正交频分复用信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理，获得并行的时域正交频分复用信号；

接收端将并行的时域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶变换，获得并行的频域正交频分复用信号；

接收端将并行的频域正交频分复用信号的每个子帧进行最大似然检测或对数似然比检测、解索引、解映射、译码处理，得到二进制信号；

接收端将二进制信号进行并串转换，恢复发送的二进制信息。

与现有技术相比，本发明具有以下效果增益：

本发明提出的多维度信号索引调制正交频分复用方法及系统，相较于传统的正交频分复用系统和一般索引调制正交频分复用系统在频谱效率、能量效率和误比特率性能方面具有优势：

在改善频谱效率方面，由于一个正交频分复用信号子帧只包含一个或两个高维信号，更多的发送比特隐含在维度索引、子载波同相分量和正交分量索引信息中，从而能有效的改善系统频谱效率。

在改善能量效率方面，由于正交频分复用信号子帧中只有一到两个高维信号消耗能量，未激活的子载波分量为0值，因而系统的能量效率更高。

在改善系统的误比特率方面，一方面由于高维信号较传统的二维信号在发送平均功率不变的条件下具有更大的最小欧几里德距离，更大的噪声容限有利于改善系统的误比特率性能，且随着信号维度的提高，性能会进一步加强，另外通过分组码的高维信号星座图设计，在接收端进行译码也可进一步提高系统的误比特率性能指标。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多变化形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，其特征在于，所述基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统包括发送端和接收端：

所述发送端获取待发送的串行比特流，将每m比特的所述串行比特流转换为并行比特流；

所述发送端将所述并行比特流每p比特为一组，获得多个并行比特流分组，所述并行比特流分组包含p_D比特、p_C比特、p_I比特、p_Q比特和p_S比特；

所述发送端将多个所述并行比特流分组分别输入到多个一帧正交频分复用信号的G个子帧，获得n个子载波；

所述发送端将所述p_D比特和所述p_C比特分别输入维度索引选择器，所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择；

所述发送端将所述p_I比特输入同相索引选择器，将所述p_Q比特输入正交索引选择器，所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式；

所述发送端将高维信号采用超立方体结构，所述超立方体的顶点或交叉点作为高维信号点，利用分组码的编码规则，设计包括M个信号点的高维信号二进制码组，使相邻码组间的汉明距离为1，再将码组中的1用振幅A_m表示，将码组中的0用振幅-A_m表示，获得M进制的高维信号星座图；

所述发送端将所述p_S比特输入多维度信号映射器，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

所述发送端根据所述子载波的同相分量激活样式、所述子载波的正交分量激活样式和所述映射高维信号星座图中的信号点采用预设映射方案进行高维信号的映射，分别获得映射后子载波的同相分量和子载波的正交分量，将所述映射后的子载波的同相分量和子载波的正交分量进行叠加，得到G个复数形式子帧；

所述发送端将G个所述复数形式子帧合并成频域正交频分复用信号；

所述发送端将所述频域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶反变换，获得时域正交频分复用信号；

所述发送端将所述时域正交频分复用信号进行并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理，获得串行的时域正交频分复用信号，将所述串行的时域正交频分复用信号送入信道传输至所述接收端；

所述接收端将所述串行的时域正交频分复用信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理，获得并行的时域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的时域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶变换，获得并行的频域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的频域正交频分复用信号的每个子帧进行最大似然检测或对数似然比检测、解索引、解映射、译码处理，得到二进制信号；

所述接收端将所述二进制信号进行并串转换，恢复发送的二进制信息。

2.如权利要求1所述的一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，其特征在于，所述预设映射方案包括：多维度信号映射方案I或多维度信号映射方案II。

3.如权利要求2所述的一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，其特征在于，所述多维度信号映射方案I为：

所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，从W种维度的高维信号中选择两种维度的高维信号用于多维度信号的索引调制，即

式中

表示平台函数，即向下取整；

一个正交频分复用信号子帧映射一对高维信号(S_DA，S_DB)，其中所述子帧中子载波的同相分量映射一个DA维信号S_DA，子载波的正交分量映射一个DB维信号S_DB；

所述DA维信号S_DA和所述DB维信号S_DB分别是尺寸为MA和尺寸为MB的高维信号星座图中的信号点；

所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择，在所述多维度信号映射方案I中p_C＝0；

所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

从n个所述子载波的同相分量和正交分量中分别选出k个子载波的同相分量和正交分量映射高维信号对(S_DA，S_DB)，满足

且k＝DA，

且k＝DB，p_S＝log₂MA+log₂MB，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足1≤k≤n；

由所述p_I比特和所述p_Q比特分别决定的所述子载波的同相分量索引位置和正交分量索引位置分别为I_Re1＝[I_Re,1I_Re,2…I_Re,DA]和I_Im1＝[I_Im,1I_Im,2…I_Im,DB]，所述映射后子载波的同相分量和所述映射后子载波的正交分量为S_Re1＝[C₁(I_Re,1)C₂(I_Re,2)…C_DA(I_Re,DA)]和S_Im1＝[C₁(I_Im,1)C₂(I_Im,2)…C_DB(I_Im,DB)]；

经多维度信号索引调制后的一个正交频分复用信号子帧X_g1＝S_Re1+jS_Im1，式中j²＝-1，X_g1＝[X_g,1X_g,2…X_g,n]表示第g个子帧，1≤g≤G，X表示正交频分复用信号的频域子载波。

4.如权利要求2所述的一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，其特征在于，所述多维度信号映射方案II为：

所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，从W种维度的高维信号中选择一种维度的高维信号用于多维度信号的索引调制，即

式中

表示平台函数，即向下取整；

一个正交频分复用信号子帧映射一个DC维信号S_DC，其中子帧中所述子载波的同相分量映射DC维信号S_DC的一部分，子帧中所述子载波的正交分量映射DC维信号S_DC的其余部分；所述DC维信号S_DC是尺寸为MC的高维信号星座图中的信号点；

所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择，即子帧子载波同相分量映射的高维信号分量个数的选择，有

所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点；

从子帧中n个所述子载波的同相分量选出k个所述子载波映射高维信号S_DC的一部分，从n个所述子载波的正交分量选出DC–k个所述子载波映射高维信号S_DC的其余部分，其中激活的子载波的同相分量k的个数由p_C决定，有

p_S＝log₂MC，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足1≤k≤n和DC–k≤n；

由所述p_I比特和所述p_Q比特分别决定的所述子载波的同相分量索引位置和正交分量索引位置分别为I_Re2＝[I_Re,1I_Re,2…I_Re,k]和I_Im2＝[I_Im,1I_Im,2…I_Im,DC-k]，所述映射后子载波的同相分量和所述映射后子载波的正交分量表示为S_Re2＝[C₁(I_Re,₁)C₂(I_Re,2)…C_k(I_Re,k)]和S_Im2＝[C_k+1(I_Im,1)C_k+2(I_Im,2)…C_DC(I_Im,DC-k)]；

经多维度信号索引调制后的一个子帧正交频分复用信号X_g2＝S_Re2+jS_Im2，式中j²＝-1。

5.如权利要求1所述的一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，其特征在于，所述频域正交频分复用信号为X_D＝[X₁X₂…X_g…X_G]。

6.一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法，基于权利要求1-5任意一项所述的一种基于多维度信号索引调制的正交频分复用系统，其特征在于，所述基于多维度信号索引调制的正交频分复用方法包括以下步骤：

所述发送端获取待发送的串行比特流，将每m比特的所述串行比特流转换为并行比特流；

所述发送端将所述并行比特流每p比特为一组，获得多个并行比特流分组，所述并行比特流分组包含p_D比特、p_C比特、p_I比特、p_Q比特和p_S比特；

所述发送端将多个所述并行比特流分组分别输入到多个一帧正交频分复用信号的G个子帧，获得n个子载波；

所述发送端将所述p_D比特和所述p_C比特分别输入维度索引选择器，所述p_D比特用于决定不同维度的信号选择，所述p_C比特用于决定信号维度分量的选择；

所述发送端将所述p_I比特输入同相索引选择器，将所述p_Q比特输入正交索引选择器，所述p_I比特用于选择所述子载波的同相分量激活样式，所述p_Q比特用于选择所述子载波的正交分量激活样式；

所述发送端将高维信号采用超立方体结构，所述超立方体的顶点或交叉点作为高维信号点，利用分组码的编码规则，设计包括M个信号点的高维信号二进制码组，使相邻码组间的汉明距离为1，再将码组中的1用振幅A_m表示，将码组中的0用振幅-A_m表示，获得M进制的高维信号星座图；

所述发送端将所述p_S比特输入多维度信号映射器，所述p_S比特用于映射高维信号星座图中的信号点，根据所述子载波的同相分量激活样式、所述子载波的正交分量激活样式和所述映射高维信号星座图中的信号点进行高维信号的映射，分别获得映射后子载波的同相分量和子载波的正交分量，将所述映射后的子载波的同相分量和子载波的正交分量进行叠加，得到G个复数形式子帧；

所述发送端将G个所述复数形式子帧合并成频域正交频分复用信号；

所述发送端将所述频域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶反变换，获得时域正交频分复用信号；

所述发送端将所述时域正交频分复用信号进行并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理，获得串行的时域正交频分复用信号，将所述串行的时域正交频分复用信号送入信道传输至所述接收端；

所述接收端将所述串行的时域正交频分复用信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理，获得并行的时域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的时域正交频分复用信号进行N点的离散傅里叶变换，获得并行的频域正交频分复用信号；

所述接收端将所述并行的频域正交频分复用信号的每个子帧进行最大似然检测或对数似然比检测、解索引、解映射、译码处理，得到二进制信号；

所述接收端将所述二进制信号进行并串转换，恢复发送的二进制信息。

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