CN112866167A - 广义零填充三模ofdm索引调制算法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广义零填充三模OFDM索引调制算法与系统。为提高零填充三模OFDM索引调制系统的频谱效率，本发明对原系统进行了扩展。在本发明中，活跃子载波的个数不再固定，而是可以根据输入比特流的不同而变化，因此，一个OFDM子模块具有更多的子载波激活模式，从而传输更多的信息比特。在接收端，本发明采用改进的三级LLR检测器，其将检测出活跃子载波的激活样式，以便恢复出原始的比特信息。仿真结果表明，在信噪比损失小于1dB的情况下，本发明较零填充三模OFDM索引调制系统获得了频谱增益。

Description

广义零填充三模OFDM索引调制算法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种广义零填充三模正交频分复用(OFDM)索引调制算法和系统。

背景技术

基于子载波索引调制的正交频分复用技术利用开关键控调制来传输信息，被认为是5G无线通信系统的待选技术之一。为了进一步提高系统的数据传输速率，基于索引调制的OFDM(OFDM-IM)系统被提出。在该系统中，信息不仅仅由星座图上的符号点表示，也由子载波的索引表示，实现了系统从两维到三维的突破。OFDM-IM系统利用查表法或组合数法得到活跃子载波的索引，提高了系统的频谱效率和能量效率。为进一步提升系统传输索引比特和符号比特的能力，零填充三模OFDM索引调制(ZTM-OFDM-IM)系统利用两个互无交集的星座图来调制活跃子载波。在该系统中，子载波可由星座图A、星座图B上的符号点或{0}调制，增加了子载波索引的排列模式。由于允许非活跃子载波的存在，该系统兼顾了高频谱效率和能量效率的优势。

近期，为了进一步提高ZTM-OFDM-IM系统的频谱效率，有学者提出了实部虚部ZTM-OFDM-IM(RI-ZTM-OFDM-IM)系统，对活跃子载波的同向分量和正交分量同时进行索引调制，从而增强了系统传输索引比特的能力。然而，在上述系统中，活跃子载波的个数都是固定的，从而使得子载波激活模式不够灵活。因此，一种活跃子载波个数可变的零填充三模索引调制OFDM系统有待开发。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提高ZTM-OFDM-IM系统的频谱效率，提供了一种广义零填充三模OFDM索引调制(GZTM-OFDM-IM)算法及系统。

根据本发明解决的技术问题的一个方面，一种广义零填充三模OFDM索引调制算法，包括如下步骤：

一种广义零填充三模OFDM索引算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将二进制串行比特流进行串并转换与比特分离，具体是将长度为B的二进制串行比特流经过串并转换，变为并行的数据流，其中每P_GZTM比特输入到一个索引调制模块中得到一帧OFDM信号的一个子帧，一帧OFDM信号包括N个子载波，共有G＝N/n个子帧，n个每个子帧所包含的子载波个数。

步骤2，对于第β个子帧，1≤β≤G，P_GZTM比特输入子模块比特分离器被分为P₁比特和P₂比特两个比特流，即P_GZTM＝P₁+P₂。，P₁和P₂的大小根据系统参数的设置而改变。定义活跃子载波个数所组成的集合表示为K＝{k¹,k²,...,k^T}，其中T是集合K的长度。K中的某一个元素kⁱ＝kⁱ ₁+kⁱ ₂，i＝1,2,...,T，kⁱ ₁和kⁱ ₂分别代表分配给星座图A(M_A)和星座图B(M_B)的子载波个数

M_A和M_B中的符号点分别由S_A和S_B表示。活跃子载波的分配模不可变，即对应某一个kⁱ，kⁱ ₁和kⁱ ₂皆为定值。定义在某一次传输中，活跃子载波个数为kⁱ，S_A调制的子载波个数为kⁱ ₁，S_B调制的子载波个数为kⁱ ₂。P₁比特输入索引选择器，得到活跃子载波索引表示为：J_β＝[J_β(1)J_β(2)...J_β,I(kⁱ ₁)...J_β(kⁱ)]。P₂输入由M_A和M_B组而成的联合映射器(尺寸为两星座图之和)，输出可表示为：X_β’＝[X_β(1)X_β(2)...X_β(kⁱ ₁)...X_β(kⁱ)]，其中X_β(γ)，γ＝1,2,...,kⁱ可能的取值为S_A、S_B。

步骤3，根据步骤2中索引选择器和联合映射器的输出信号，OFDM块生成器首先得到一个OFDM子帧，对于第β个子帧，表示为：X_β＝[X_β(1)X_β(2)...X_β(n)]，其中X_β(j)，j＝1,2,...,n可能的取值为S_A、S_B或{0}。系统中每一个索引调制模块的输出表示为X_i，i＝1,2,...,G。之后，OFDM块生成器将G个OFDM子帧中的元素进行组合，可得频域上的一帧OFDM信号为：X＝[X(1)X(2)...X(N)]。

步骤4，将步骤3得到的频域OFDM信号进行N点的快速傅里叶反变换(IFFT)转换到时域。

步骤5，将步骤4的时域OFDM信号经过并串转换、加循环前缀、数模变换和上变频后输入瑞利型频率选择性衰落信道。

步骤6，在接收端，对OFDM信号进行下变频、模数变换、去循环前缀和串并变换。

步骤7，将步骤6的输出信号进行N点的快速傅里叶变换(FFT)，得到频域上的OFDM接收信号，表示为：Y＝[Y(1)Y(2)...Y(N)]。其中，第β组子模块可表示为：Y_β＝[Y_β(1)Y_β(2)...Y_β(n)]。

步骤8，对步骤7的输出信号进行改进的三级对数似然比(LLR)检测，得到由S_A和S_B调制的活跃子载波的索引。

步骤9，对步骤8的输出信号进行索引比特估计和符号比特估计，恢复出二进制数据流。

步骤10，将步骤9的输出信号输入并串转换器并与原始的二进制信息相比较，得到系统的误比特率。

在上述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，步骤1中的P_GZTM＝P₁+P₂，其中P₁为索引比特，P₂为符号比特。在步骤2中，P₁比特输入索引选择器，生成每个子帧的子载波排列模式，P₂比特输入联合映射器进行符号映射。分析可知：

其中

表示向下取整，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足k<n，N_A为M_A的尺寸，N_B为M_B的尺寸。

综上所述，本发明的频谱效率为：

其中L_cp为循环前缀的长度，G为一帧OFDM信号的子帧个数。

当系统采用BSPK调制且n＝4，N＝128，L_cp＝16，K＝{2,3}且k¹ ₁＝1，k² ₁＝2时，频谱效率为1.56bits/s/Hz。

在上述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，步骤5中第β组瑞利型频率选择性衰落信道的单位冲激响应系数为H_β，长度为ν。结合步骤7，发送端和接收端符号点之间的关系表示为：

Y_β＝diag(X_β)H_β+Z_β,β＝1,2,...,G

其中X_β表示第β组发送端的符号点向量，Y_β表示第β组接收端的符号点向量，diag{X_β}表示对角线上的元素为X_β的对角线矩阵，Z_β为频域内第β组加性高斯白噪声向量，能量为N₀。

在上述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，步骤8中的改进的三级LLR检测过程，包括如下步骤：

步骤8.1，对于第β个子帧，在接收端，虽然K集合是已知的，但是在某一次传输中，kⁱ是未知的。因此，对于每一个kⁱ∈K，进行第一级LLR检测，得到活跃子载波的索引，共有T种检测结果；

步骤8.2，对步骤8.1的输出信号中的每一种情况分别进行第二级LLR检测，得到由S_A和S_B调制的子载波索引，共有T种检测结果；

步骤8.3，根据步骤8.1和步骤8.2的输出信号结果解调出每一种情况下的符号点，并计算其与接收端FFT输出信号的欧氏距离，距离最小的判为最终检测结果。

在上述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，步骤8.1中的检测过程可表示为：

式中α＝1,2,...,n，Y_β(α)表示接收端第β组中第α个符号点，H_β(α)表示衰落信道第β组中第α个单位冲激响应系数，i＝1,2,...,T，δ_C,r＝M_A∪M_B联合星座图上的第r个符号点。γ_α越大，子载波是活跃的概率越大，反之，γ_α越小，子载波是非活跃的概率越大。对于每一个kⁱ∈K，皆可得到活跃子载波的索引。但是，由S_A和S_B调制的子载波索引仍然是未知的。

在上述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，步骤8.2中的第二级检测过程可表示为：

式中α＝1,2,...,kⁱ，i＝1,2,...,T，S_A,i和S_B,i分别表示M_A和M_B上的第r个符号点。γ_α ^*越大，该子载波由S_A调制的概率越大，反之，γ_α ^*越小，该子载波由S_B调制的概率越大。对于每一个kⁱ∈K，皆可得到由S_A和S_B调制的子载波索引。

在上述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，步骤8.3中的第三级检测过程可表示为：

式中

表示活跃子载波索引的最优检测结果，

表示符号点的最优检测结果，

表示在某一个kⁱ∈K的情况下解调出的符号点。

一种广义零填充三模OFDM索引调制系统，包括：

发送端串并转换和比特分离模块，用于将长度为B的二进制串行比特流转换为并行的数据流，其中每P_IQ-ZTM比特输入到一个索引调制模块中得到一帧OFDM信号的一个子帧，这里的一帧为包括N个子载波的OFDM信号。考虑整个系统，共有G＝N/n个子帧，n为每个子帧所包含的子载波个数。

子模块比特分离器模块，将P_GZTM比特分为两个比特流，分别输入索引选择器和联合映射器。

索引选择器模块，根据P₁比特确定每一子帧的子载波激活模式，即确定由S_A和S_B调制的子载波索引，其个数分别为kⁱ ₁和kⁱ ₂，两者满足约束条件：kⁱ ₁+kⁱ ₂＝kⁱ。

联合映射器模块，根据P₂比特从联合星座图中选择出符号点来调制相应的活跃子载波。星座图A和星座图B中的符号点集合互无交集。

OFDM信号生成器模块，用于对每一个子帧的OFDM信号进行排列，得到频域上的一帧OFDM信号。

N点IFFT模块，通过N点的IFFT运算将索引调制系统的一帧OFDM信号从频域转换到时域。

发送端串并转换、加循环前缀、数模变换和上变频模块，用于对发送端一帧时域OFDM信号进行串并转换、加循环前缀、数字信号变换为模拟信号和基带信号调制为带通信号处理。

接收端下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，用于对接收端一帧时域OFDM信号进行带通信号调制为基带信号、模拟信号转换为数字信号、去循环前缀和串并转换处理。

N点FFT模块，通过N点的FFT运算将接收端的一帧OFDM信号从时域转换到频域。

三级对数似然比检测模块，用于采用三级LLR检测算法检测出子载波的激活样式，即由S_A和S_B调制的子载波索引。

解索引和解符号模块，根据检测出的子载波激活模式，对照查找表和联合星座图，恢复出索引比特和符号比特。

并串转换和误比特率计算模块，用于将恢复出的并行二进制比特流转换为串行数据流并与原索引比特和符号比特相比较，得到系统的误比特率。

本发明提供了一种广义零填充三模OFDM索引调制算法和系统。在本发明中，每个OFDM子模块可以进行活跃子载波个数不同的零填充三模索引调制，增加了索引排列模式，从而提高了系统的频谱效率。在接收端，本发明提供了一种改进的三级LLR解调器。仿真结果表明，在信噪比损失小于1dB的情况下，本发明较ZTM-OFDM-IM系统获得了频谱增益。

附图说明

图1是本发明广义零填充三模OFDM索引调制系统发送端框图。

图2是本发明广义零填充三模OFDM索引调制系统索引调制模块框图。

图3是本发明广义零填充三模OFDM索引调制系统接收端框图。

图4是本发明实施例中的广义零填充三模OFDM索引调制系统误比特率性能曲线示意图。

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认识和理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参考图1、图2和图3，图1所示为本发明提出的广义零填充三模OFDM索引调制系统发送端框图，包括串并转换和比特分离模块，索引调制模块，OFDM信号生成器模块，N点IFFT模块，发送端串并转换、加循环前缀、数模变换和上变频模块。图2所示为本发明提出的广义零填充三模OFDM索引调制系统索引调制模块框图，包括子模块比特分离器模块、索引选择器模块和联合映射器模块。图3所示为本发明提出的广义零填充三模OFDM索引调制系统接收端框图，包括下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，N点的FFT模块，三级LLR检测模块，解索引和解符号模块，并串转换和误比特率计算模块。

假设一个广义零填充三模OFDM索引调制系统的子载波个数为N，发送端发送的信号可表示为：X＝[X(1)X(2)...X(N)]。每一帧OFDM信号被分为G个子帧，每个子帧包含n＝N/G个子载波。此外，假设一帧OFDM信号携带P_GZTM比特，其中索引比特为P₁，符号比特为P₂。分析可知，一帧OFDM信号总共可携带m＝P_GZTM G个比特，P_GZTM、P₁、P₂均为正整数。

在本发明的广义零填充三模OFDM索引调制算法中，包括以下步骤：

步骤1，串并转换与比特分离：长度为B的二进制串行比特流经过串并转换，变为并行的数据流，其中每P_GZTM比特输入到一个索引调制模块中得到一帧OFDM信号的一个子帧，这里的一帧为包括N个子载波的OFDM信号。考虑整个系统，共有G＝N/n个子帧，n个每个子帧所包含的子载波个数。每个子帧包含P_GZTM比特，其中P₁比特输入索引选择器，用于确定子载波激活样式，P₂比特输入联合映射器进行信号映射。

步骤2，不失一般性，以第β(1≤β≤G)个子帧(子模块)为例。P_GZTM比特输入子模块比特分离器并被分为P₁比特和P₂比特两个比特流，即P_GZTM＝P₁+P₂。在本发明中，由于活跃子载波的个数是可变的，因此，P₁和P₂的大小可根据系统参数的设置而改变。假设活跃子载波个数所组成的集合可表示为K＝{k¹,k²,...,k^T}，其中T是集合K的长度。K中的某一个元素kⁱ，i＝1,2,...,T，可以被表示为两者之和，即kⁱ＝kⁱ ₁+kⁱ ₂，分别代表分配给星座图A(M_A)和星座图B(M_B)的子载波个数

其符号点分别由S_A和S_B表示。在本发明中，活跃子载波的分配模是不可变的，即对应某一个kⁱ，kⁱ ₁和kⁱ ₂皆为定值。假设在某一次传输中，活跃子载波个数为kⁱ，S_A调制的子载波个数为kⁱ ₁，S_B调制的子载波个数为kⁱ ₂。P₁比特输入索引选择器，得到活跃子载波索引可表示为：J_β＝[J_β(1)J_β(2)...J_β,I(kⁱ ₁)...J_β(kⁱ)]。P₂输入由M_A和M_B组而成的联合映射器(尺寸为两星座图之和)，输出可表示为：X_β’＝[X_β(1)X_β(2)...X_β(kⁱ ₁)...X_β(kⁱ)]，其中X_β(γ)，γ＝1,2,...,kⁱ可能的取值为S_A、S_B。分析可知：

其中N_A为M_A的尺寸，N_B为M_B的尺寸。在零填充三模OFDM索引调制(ZTM-OFDM-IM)系统中，集合K中只有一个元素，因此，ZTM-OFDM-IM可以看成是本发明的一个特例。

综上所述，本发明的频谱效率为：

其中，L_cp为循环前缀的长度，G为一帧OFDM信号的子帧个数。而ZTM-OFDM-IM系统的频谱效率为：

因此，相比于ZTM-OFDM-IM系统，本发明的索引调制模式更多灵活，从而提高了系统的频谱效率。当系统采用BSPK调制且n＝4，k₁＝1，k₂＝1，N＝128，L_cp＝16时，原系统的频谱效率为1.11bits/s/Hz，而在本发明中K＝{2,3}且k¹ ₁＝1，k² ₁＝2，当活跃子载波个数不同时，P₁和P₂的大小也是不同的。在本例中，当索引比特的第一位为0时，子模块采用k¹＝2，k¹ ₁＝1且P₁＝4；当索引比特的第一位为1时，子模块采用k²＝3，k² ₁＝2且P₁＝3。此时，本发明的查找表如表1所示。

表1

因此，在本发明的一个OFDM子模块中共有64中组合方式，即可携带6比特信息，频谱效率为1.33bits/s/Hz，获得了19.8％的频谱增益。

步骤3，根据步骤2中索引选择器和联合映射器的输出信号，OFDM块生成器可以首先得到一个OFDM子帧，以第β个子帧为例，可表示为：X_β＝[X_β(1)X_β(2)...X_β(n)]，其中X_β(j)，j＝1,2,...,n可能的取值为S_A、S_B或{0}。类似的，系统中每一个索引调制模块的输出可表示为X_i，i＝1,2,...,G。之后，OFDM块生成器将G个OFDM子帧中的元素进行组合，可得频域上的一帧OFDM信号为：X＝[X(1)X(2)...X(N)]。

步骤4，将步骤3得到的频域OFDM信号进行N点的快速傅里叶反变换(IFFT)转换到时域。这一过程可表示为：

x＝[x(1)x(2)...x(N)]＝IFFT{X}＝IFFT([X(1)X(2)...X(N)])

步骤5，将步骤4的时域OFDM信号经过并串转换、加循环前缀、数模变换和上变频后输入瑞利型频率选择性衰落信道。

步骤6，在接收端，对OFDM信号进行下变频、模数变换、去循环前缀和串并变换。

步骤7，将步骤6的输出信号进行N点的快速傅里叶变换(FFT)，得到频域上的OFDM接收信号，表示为：Y＝[Y(1)Y(2)...Y(N)]。其中，第β组子模块可表示为：Y_β＝[Y_β(1)Y_β(2)...Y_β(n)]。步骤5中第β组瑞利型频率选择性衰落信道的单位冲激响应系数为H_β，长度为ν。结合步骤7，收发双方符号点之间的关系可表示为：

Y_β＝diag(X_β)H_β+Z_β,β＝1,2,...,g

其中diag{X_β}表示对角线上的元素为X_β的对角线矩阵，Z_β为频域内第β组加性高斯白噪声，能量为N₀。

步骤8，对步骤7的输出信号进行改进的三级对数似然比(LLR)检测，得到由S_A和S_B调制的活跃子载波的索引。包括如下步骤：

步骤8(1)，不失一般性，以第β个子模块为例。在接收端，虽然K集合是已知的，但是在某一次传输中，kⁱ是未知的。因此，对于每一个kⁱ∈K，进行第一级LLR检测，得到活跃子载波的索引，共有T种检测结果。这一检测过程可表示为：

式中α＝1,2,...,n，i＝1,2,...,T，δ_C,r＝M_A∪M_B联合星座图上的第r个符号点。γ_α越大，子载波是活跃的概率越大，反之，γ_α越小，子载波是非活跃的概率越大。对于每一个kⁱ∈K，皆可得到活跃子载波的索引。但是，由S_A和S_B调制的子载波索引仍然是未知的。

步骤8(2)，对步骤8(1)的输出信号中的每一种情况分别进行第二级LLR检测，得到由S_A和S_B调制的子载波索引，共有T种检测结果。这一检测过程可表示为：

式中α＝1,2,...,kⁱ，i＝1,2,...,T，S_A,i和S_B,i分别表示M_A和M_B上的第r个符号点。γ_α ^*越大，该子载波由S_A调制的概率越大，反之，γ_α ^*越小，该子载波由S_B调制的概率越大。对于每一个kⁱ∈K，皆可得到由S_A和S_B调制的子载波索引。

步骤8(3)，根据步骤8(1)和步骤8(2)的输出信号结果解调出每一种情况下的符号点，并计算其与接收端FFT输出信号的欧氏距离，距离最小的判为最终检测结果。这一检测过程可表示为：

式中X_β,ki(α)表示在某一个kⁱ∈K的情况下解调出的符号点。

步骤9，对步骤8的输出信号进行索引比特估计和符号比特估计，恢复出二进制数据流。

步骤10，将步骤9的输出信号输入并串转换器并与原始的二进制信息相比较，得到系统的误比特率。

实施例具体实施方案为：

具体参数方案：一帧OFDM信号包含子载波个数N＝128；n＝4，k₁＝2，k₂＝1每个子帧的子载波个数n＝4；共有G＝32个子帧；系统采用两个互无交集的BPSK联合星座图。在ZTM-OFDM-IM系统中，S_A调制的活跃子载波个数k₁＝2；S_B调制的活跃子载波个数k₂＝1；共有k＝k₁+k₂＝3个活跃子载波；在本发明中，K＝{2,3}且k¹ ₁＝1，k² ₁＝2，当活跃子载波个数不同时，P₁和P₂的大小也是不同的。当索引比特的第一位为0时，子模块采用k¹＝2，k¹ ₁＝1且P₁＝4；当索引比特的第一位为1时，子模块采用k²＝3，k² ₁＝2且P₁＝3。此时系统的查找表如表1所示。此外，循环前缀长度L_CP＝16；系统采用瑞利型频率选择性衰落信道，信道长度ν＝10(满足L_cp>ν的条件)；系统一次性能够发送B比特；噪声的能量为N₀；信道估计无误差；不考虑发送端和接收端的频率偏移。分析可知，在本发明中，每个子帧携带6比特信息，频谱效率为1.33bits/s/Hz。

仿真结果如图4所示，图4中横轴表示信噪比，即每比特信息的功率和噪声功率之比。纵轴为误比特率，即错误判决的比特数与总比特数之比。为了证明本发明的优势，图4也提供了OFDM索引调制(OFDM-IM)和ZTM-OFDM-IM的仿真结果。在OFDM-IM系统中，每个子帧包含8个子载波，有k＝4个是活跃的，系统采用BPSK调制，因此，每个子帧携带5比特信息，频谱效率为1.11bits/s/Hz；在ZTM-OFDM-IM系统中，每个子帧包含4个子载波，有k＝2个是活跃的，分别被两个不同的BPSK调制，因此，每个子帧携带5比特信息，频谱效率为1.11bits/s/Hz。由图4可知，在信噪比损失较小的情况下，本发明相比于前两个系统获得了0.22bits/s/Hz的频谱增益，即19.8％的频谱增益。当误比特率为10^-3时，本发明较ZTM-OFDM-IM系统有最大的信噪比损失，约为1dB。

与现有技术相比，本发明具有以下效果增益：在频谱增益方面，通过使得每个OFDM子模块中活跃子载波的个数可变，本发明实现了更多的子载波激活模式，从而增强了系统传输索引比特的传输能力，提高了频谱效率。同时，分析可知，ZTM-OFDM-IM系统可以看成是本发明的一个特例。仿真结果表明，在信噪比损失小于1dB的情况下，本发明较现有技术获得了较高的频谱增益。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种广义零填充三模OFDM索引算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将二进制串行比特流进行串并转换与比特分离，具体是将长度为B的二进制串行比特流经过串并转换，变为并行的数据流，其中每P_GZTM比特输入到一个索引调制模块中得到一帧OFDM信号的一个子帧，一帧OFDM信号包括N个子载波，共有G＝N/n个子帧，n个每个子帧所包含的子载波个数；

步骤2，对于第β个子帧，1≤β≤G，P_GZTM比特输入子模块比特分离器被分为P₁比特和P₂比特两个比特流，即P_GZTM＝P₁+P₂；，P₁和P₂的大小根据系统参数的设置而改变；定义活跃子载波个数所组成的集合表示为K＝{k¹,k²,...,k^T}，其中T是集合K的长度；K中的某一个元素kⁱ＝kⁱ ₁+kⁱ ₂，i＝1,2,...,T，kⁱ ₁和kⁱ ₂分别代表分配给星座图A(M_A)和星座图B(M_B)的子载波个数

M_A和M_B中的符号点分别由S_A和S_B表示；活跃子载波的分配模不可变，即对应某一个kⁱ，kⁱ ₁和kⁱ ₂皆为定值；定义在某一次传输中，活跃子载波个数为kⁱ，S_A调制的子载波个数为kⁱ ₁，S_B调制的子载波个数为kⁱ ₂；P₁比特输入索引选择器，得到活跃子载波索引表示为：J_β＝[J_β(1) J_β(2) ... J_β,I(kⁱ ₁) ... J_β(kⁱ)]；P₂输入由M_A和M_B组而成的联合映射器(尺寸为两星座图之和)，输出可表示为：X_β’＝[X_β(1) X_β(2) ... X_β(kⁱ ₁) ... X_β(kⁱ)]，其中X_β(γ)，γ＝1,2,...,kⁱ可能的取值为S_A、S_B；

步骤3，根据步骤2中索引选择器和联合映射器的输出信号，OFDM块生成器首先得到一个OFDM子帧，对于第β个子帧，表示为：X_β＝[X_β(1) X_β(2) ... X_β(n)]，其中X_β(j)，j＝1,2,...,n可能的取值为S_A、S_B或{0}；系统中每一个索引调制模块的输出表示为X_i，i＝1,2,...,G；之后，OFDM块生成器将G个OFDM子帧中的元素进行组合，可得频域上的一帧OFDM信号为：X＝[X(1) X(2) ... X(N)]；

步骤4，将步骤3得到的频域OFDM信号进行N点的快速傅里叶反变换(IFFT)转换到时域；

步骤5，将步骤4的时域OFDM信号经过并串转换、加循环前缀、数模变换和上变频后输入瑞利型频率选择性衰落信道；

步骤6，在接收端，对OFDM信号进行下变频、模数变换、去循环前缀和串并变换；

步骤7，将步骤6的输出信号进行N点的快速傅里叶变换(FFT)，得到频域上的OFDM接收信号，表示为：Y＝[Y(1) Y(2) ... Y(N)]；其中，第β组子模块可表示为：Y_β＝[Y_β(1) Y_β(2)... Y_β(n)]；

步骤8，对步骤7的输出信号进行改进的三级对数似然比(LLR)检测，得到由S_A和S_B调制的活跃子载波的索引；

步骤9，对步骤8的输出信号进行索引比特估计和符号比特估计，恢复出二进制数据流；

步骤10，将步骤9的输出信号输入并串转换器并与原始的二进制信息相比较，得到系统的误比特率。

2.根据权利要求1所述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，其特征在于，步骤1中的P_GZTM＝P₁+P₂，其中P₁为索引比特，P₂为符号比特；在步骤2中，P₁比特输入索引选择器，生成每个子帧的子载波排列模式，P₂比特输入联合映射器进行符号映射；分析可知：

其中

表示向下取整，C(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足k<n，N_A为M_A的尺寸，N_B为M_B的尺寸；

综上所述，本发明的频谱效率为：

其中，L_cp为循环前缀的长度，G为一帧OFDM信号的子帧个数；

当系统采用BSPK调制且n＝4，N＝128，L_cp＝16，K＝{2,3}且k¹ ₁＝1，k² ₁＝2时，频谱效率为1.56bits/s/Hz。

3.根据权利要求1所述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，其特征在于，步骤5中第β组瑞利型频率选择性衰落信道的单位冲激响应系数为H_β，长度为ν；结合步骤7，发送端和接收端符号点之间的关系表示为：

Y_β＝diag(X_β)H_β+Z_β,β＝1,2,...,G

其中X_β表示第β组发送端的符号点向量，Y_β表示第β组接收端的符号点向量，diag{X_β}表示对角线上的元素为X_β的对角线矩阵，Z_β为频域内第β组加性高斯白噪声向量，能量为N₀。

4.根据权利要求1所述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，其特征在于，步骤8中的改进的三级LLR检测过程，包括如下步骤：

步骤8.1，对于第β个子帧，在接收端，虽然K集合是已知的，但是在某一次传输中，kⁱ是未知的；因此，对于每一个kⁱ∈K，进行第一级LLR检测，得到活跃子载波的索引，共有T种检测结果；

步骤8.2，对步骤8.1的输出信号中的每一种情况分别进行第二级LLR检测，得到由S_A和S_B调制的子载波索引，共有T种检测结果；

步骤8.3，根据步骤8.1和步骤8.2的输出信号结果解调出每一种情况下的符号点，并计算其与接收端FFT输出信号的欧氏距离，距离最小的判为最终检测结果。

5.根据权利要求1所述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，其特征在于，步骤8.1中的检测过程可表示为：

式中α＝1,2,...,n，Y_β(α)表示接收端第β组中第α个符号点，H_β(α)表示衰落信道第β组中第α个单位冲激响应系数，i＝1,2,...,T，δ_C,r＝M_A∪M_B联合星座图上的第r个符号点；γ_α越大，子载波是活跃的概率越大，反之，γ_α越小，子载波是非活跃的概率越大；对于每一个kⁱ∈K，皆可得到活跃子载波的索引；但是，由S_A和S_B调制的子载波索引仍然是未知的。

6.根据权利要求1所述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，其特征在于，步骤8.2中的第二级检测过程可表示为：

式中α＝1,2,...,kⁱ，i＝1,2,...,T，S_A,i和S_B,i分别表示M_A和M_B上的第r个符号点；γ_α ^*越大，该子载波由S_A调制的概率越大，反之，γ_α ^*越小，该子载波由S_B调制的概率越大；对于每一个kⁱ∈K，皆可得到由S_A和S_B调制的子载波索引。

7.根据权利要求1所述的广义零填充三模OFDM索引调制算法，其特征在于，步骤8.3中的第三级检测过程可表示为：

式中

表示活跃子载波索引的最优检测结果，

表示符号点的最优检测结果，X_β,ki(α)表示在某一个kⁱ∈K的情况下解调出的符号点。

8.一种广义零填充三模OFDM索引调制系统，其特征在于，主要：

发送端串并转换和比特分离模块，用于将长度为B的二进制串行比特流转换为并行的数据流，其中每P_IQ-ZTM比特输入到一个索引调制模块中得到一帧OFDM信号的一个子帧，这里的一帧为包括N个子载波的OFDM信号；考虑整个系统，共有G＝N/n个子帧，n为每个子帧所包含的子载波个数；

子模块比特分离器模块，将P_GZTM比特分为两个比特流，分别输入索引选择器和联合映射器；

索引选择器模块，根据P₁比特确定每一子帧的子载波激活模式，即确定由S_A和S_B调制的子载波索引，其个数分别为kⁱ ₁和kⁱ ₂，两者满足约束条件：kⁱ ₁+kⁱ ₂＝kⁱ；

联合映射器模块，根据P₂比特从联合星座图中选择出符号点来调制相应的活跃子载波；星座图A和星座图B中的符号点集合互无交集；

OFDM信号生成器模块，用于对每一个子帧的OFDM信号进行排列，得到频域上的一帧OFDM信号；

N点IFFT模块，通过N点的IFFT运算将索引调制系统的一帧OFDM信号从频域转换到时域；

发送端串并转换、加循环前缀、数模变换和上变频模块，用于对发送端一帧时域OFDM信号进行串并转换、加循环前缀、数字信号变换为模拟信号和基带信号调制为带通信号处理；

接收端下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，用于对接收端一帧时域OFDM信号进行带通信号调制为基带信号、模拟信号转换为数字信号、去循环前缀和串并转换处理；

N点FFT模块，通过N点的FFT运算将接收端的一帧OFDM信号从时域转换到频域；

三级对数似然比检测模块，用于采用三级LLR检测算法检测出子载波的激活样式，即由S_A和S_B调制的子载波索引；

解索引和解符号模块，根据检测出的子载波激活模式，对照查找表和联合星座图，恢复出索引比特和符号比特；

并串转换和误比特率计算模块，用于将恢复出的并行二进制比特流转换为串行数据流并与原索引比特和符号比特相比较，得到系统的误比特率。

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