CN114301748B - 一种多维度多模索引调制ofdm分集阶数提高系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统及方法。本发明系统中，每个OFDM子帧信号的同向分量和正交分量同时传输一个多维度符号点，更多的信息比特隐含在了子载波激活模式和子星座图激活模式中且不消耗能量，因此，系统的能量效率得到了有效提高。本发明方法被采用，使得符号比特的分集阶数与星座图的维度相一致，从而改善了所提出系统在瑞利衰落信道中的误比特率性能。仿真结果标明，在频谱效率相同的条件下，所提出的多维度多模索引调制OFDM系统相比于传统的OFDM系统，在能量效率和误比特率性能方面均具有优势。

Description

一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统及方法。

背景技术

在无线通信领域，由于具有高频谱利用率、有效抗多径和抗频率选择性衰落的优点，基于索引调制的OFDM技术正在被广泛的研究和应用，甚至对于第五代(5G)移动通信也是一个有利的技术候选。索引调制OFDM技术能有效的提高系统频带利用率和发送端信号的能量效率，由于一个基于索引调制的OFDM信号只有部分子载波被激活用于传输信息，其它子载波为0，而更多的发送比特信息隐含在索引信息中，也就是利用发送的比特信息决定子载波的激活样式。为了进一步提高系统的频谱效率，多模索引调制OFDM技术被提出，其采用多个二维子星座图用于映射数据并且利用这些子星座图的排列组合来传输索引信息，这里的所有子星座图中的符号点是互不相交的。

然而，这种多模索引调制OFDM技术所使用的多个子星座图通常是由二维的正交幅度调制(QAM)或相移键控(PSK)星座图分解而来。因此，多模索引调制OFDM技术所使用的多个子星座图的最小模内间距和最小模间间距通常是比较小的，这将导致系统的误比特率(BER)性能变差。因此，一种能够拥有较大的最小膜内间距和最小模间间距的多模索引调制OFDM系统有待开发。此外，上述三种系统的符号比特分集阶数均为1，这也将导致这些系统在瑞利衰落信道中的BER性能较差。因此，一种符号比特的分集阶数大于1的系统也有待开发。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，降低传统的索引调制OFDM系统和多模索引调制OFDM系统的误比特率，提供了一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统及方法。

本发明系统的技术方案为一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统，主要包含的模块和功能描述如下：

发送端串并转换和比特分组模块，用于将待发送的二进制序列经过串并转换，把长度为m比特的串行比特数据流转换成并行数据流，其中每p个比特为一组输入到一帧OFDM信号的一个子帧，这里一帧包含N个子载波的OFDM信号被分为G＝N/n个子帧，X^g表示第g个子帧，1≤g≤G，n为每个子帧包含的子载波个数；

联合索引选择器模块，用于根据每组P比特中的前P₁个比特确定子星座图激活模式、同向分量子载波激活模式和正交分量子载波激活模式。

多维多模映射器模块，用于根据每组P比特中的P_2,I(或P_2,Q)比特确定同向分量(或正交分量)的多维符号点。

分集阶数提高器，用于提高同向分量和正交分量的索引比特的分集阶数。

频域OFDM信号生成器模块，用于把每个OFDM子帧结合起来，形成一帧OFDM信号。

交织和N点IDFT模块，用于进行子载波层面的交织操作和把一帧频域OFDM信号转换到时域；

发送端并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频模块，用于对发送端产生的时域OFDM信号进行并串转换、添加循环前缀、数字信号到模拟信号转换和上变频处理；

接收端下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，用于对接收到的时域OFDM信号进行下变频、模拟信号到数字信号转换、去除循环前缀和串并转换处理；

N点DFT模块和反交织，用于把接收到的一帧时域OFDM信号转换到频域并进行子载波层面的反交织操作；

最大似然检测、解索引和解映射模块，用于采用最大似然检测综合考虑每帧OFDM信号子帧中所有可能的子星座图激活模式，子载波激活模式和映射的信号，搜索所有可能的情况从而检测出发送端使用的子星座图激活模式，子载波激活模式和映射的信号，再通过解索引和解映射处理恢复二进制信息；

接收端并串转换模块，用于将恢复的二进制信息进行并串转换，恢复原始发送的二进制序列。

本发明方法的技术方案为一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将长度为m比特的串行比特数据流转换成并行数据流，并行数据流的每P个比特划分为一个比特组，共有G＝m/P个比特组，所述一个比特组输入到每帧OFDM信号的任意一个子帧，所述每帧OFDM信号包含N个子载波，所述每帧OFDM信号的N个子载波划分为G＝N/n个子帧，子帧的个数和比特组的个数相等，X^g表示第g个子帧，1≤g≤G，n为每个子帧包含的子载波个数；在所述的一个比特组中，P＝P₁+P_2,I+P_2,Q，P₁为P₁个索引比特，P_2,I为P_2,I个同向分量符号比特，P_2,Q为P_2,Q个同向分量符号比特；

步骤2：将步骤1中一个比特组的前P₁个比特通过传统的查表法决定子星座图激活模式、同向分量子载波激活模式和正交分量子载波激活模式；

所述子星座图定义为模态；

所述子星座图激活模式表示为：I^g＝[I^g(1),I^g(2)]，I^g(1)为第g个子帧的同向分量子星座图激活模式，I^g(2)为第g个子帧的正交分量子星座图激活模式，

其中，I^g(t)∈{χ₁χ₂...χ_M}，1≤t≤2,χ_m为第m个子星座图的索引，1≤m≤M，M为多维多模星座图所包含的子星座图个数的数量；

所述同向分量子载波激活模式表示为：J_I ^g＝[J_I ^g(1)J_I ^g(2)...J_I ^g(K)]

其中，J_I ^g(k)∈{1,2,...,n}为第g个子帧的同向分量中第k个活跃子载波的索引，1≤k≤n，D表示同向分量中活跃子载波的个数且满足k≤n；

所述正交分量子载波激活模式表示为：J_Q ^g＝[J_Q ^g(1)J_Q ^g(2)...J_Q ^g(K)]

其中，J_Q ^g(k)∈{1,2,...,n}为第g个子帧的正交分量中第k个活跃子载波的索引，正交分量中的活跃子载波个数和同向分量相同；

其中，└·┘表示向下取整；C_n ^K代表从n个子载波取K个的二项式系数，C_M ²代表从M个子星座图取2个的二项式系数；

步骤3：将步骤1中一个比特组的P_2,I个比特输通过星座图映射法可映射成为一个多维符号点E_I ^g＝[E_I ^g(1)E_I ^g(2)...E_I ^g(D)]，其中D表示此多维多模星座图的维度且D＝K，E_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点的第d个坐标值。此外，E_I ^g∈C(I^g(1))，C(I^g(1))表示第g个子帧中子星座图索引为I^g(1)所对应的子星座图；

所述多维度符号点通过分集阶数提高器的多维度旋转处理，可使得前述的P_2,I个比特的分集阶数获得提升，处理之后的符号可表示为：S_I ^g＝[S_I ^g(1)S_I ^g(2)...S_I ^g(D)]，S_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点经过分集阶数提高器处理之后的的第d个坐标值。

结合步骤2中的同向分量子载波激活模式，使得S_I ^g中的坐标值调制J_I ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的同向分量X_I ^g＝[X_I ^g(1)X_I ^g(2)...X_I ^g(n)]，其中X_I ^g(α)∈{0,S_I ^g}表示第g个OFDM子帧信号的同向分量的第α个子载波，1≤α≤n。

步骤4：将步骤1中一个比特组的P_2,Q个比特通过星座图映射法映射成为一个多维的符号点E_Q ^g＝[E_Q ^g(1)E_Q ^g(2)...E_Q ^g(D)]，E_Q ^g(d)表示第g个子帧中此符号点的第d个坐标值。此外，E_Q ^g∈C(I^g(2))，C(I^g(2))表示子星座图索引为I^g(2)所对应的子星座图。

所述多维度符号点通过分集阶数提高器的多维度旋转处理，可使得前述的P_2,I个比特的分集阶数获得提升，处理之后的符号点表示为：S_Q ^g＝[S_Q ^g(1)S_Q ^g(2)...S_Q ^g(D)]，S_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点经过分集阶数提高器处理之后的的第d个坐标值。

结合步骤2中的正交分量子载波激活模式，使得S_Q ^g中的坐标值调制J_Q ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的正交分量X_Q ^g＝[X_Q ^g(1)X_Q ^g(2)...X_Q ^g(n)]，其中X_Q ^g(α)∈{0,S_Q ^g}表示第g个OFDM子帧信号的正交分量的第α个子载波。

步骤5：分别将第g个OFDM子帧信号同向分量X_I ^g和正交分量X_Q ^g分别作为第g个子帧的同向分量和正交分量，得第g个子帧为：X^g＝X_I ^g+jX_Q ^g.

步骤6：将G个OFDM子帧信号结合起来，得到频域上一帧OFDM信号X＝[X¹,X²,...,X^G]。

步骤7：将步骤6得到的一帧频域OFDM信号通过子载波层面的交织后，进入N点的离散傅里叶反变换转换到时域；

步骤7所述一帧时域OFDM信号为：

x＝IDFT{X}＝IDFT{[X¹ X²...X^G]}

式中，IDFT{.}表示离散傅里叶反变换操作，x表示发送的一帧时域OFDM信号。

步骤8：将步骤7得到的一帧时域OFDM信号经过并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理后送入信道进行传输；

步骤9：在接收端，将接收的OFDM信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理；

步骤10：将步骤9的输出信号进行离散傅里叶变换，把时域OFDM信号转换到频域，并进行子载波层面的反交织；

步骤11：将步骤10的输出信号进行最大似然检测、解索引和解映射处理，恢复为二进制信息。

步骤12：将步骤11的输出信号进行并串转换，得到原始发送的二进制序列。

进一步，步骤3所述利用传统的星座图映射法，根据P_2,I个比特确定同向分量使用的多维度符号点，具体定义如下：

P_2,I＝log₂T

上式中，P_2,I为P_2,I个同向分量符号比特，log₂表示第2为底的对数运算，T代表每个子星座图所包含的符号点的个数。假设每个子星座图所含的符号点的个数相等，则多维度多模星座图所包含的符号点的总个数为MT。

进一步，步骤4所述利用传统的星座图映射法，根据P_2,I个比特确定正交分量使用的多维度符号点，具体定义如下：

P_2,Q＝log₂T

上式中，P_2,Q为P_2,Q个正交分量符号比特，log₂表示第2为底的对数运算，T代表每个子星座图所包含的符号点的个数。假设每个子星座图所含的符号点的个数相等，则多维度多模星座图所包含的符号点的总个数为MT。

步骤3所述分集阶数提高方法具体为：

对符号点的处理可表示成一个符号点向量和一个矩阵F的乘积。以同向分量为例，符号点向量E_I ^g是一个D维的行向量，矩阵F是一个D维乘以D维的矩阵。在本发明中，矩阵F可以写成以下形式：

其中i,j均为平面索引，J(i,j,θ_i,j)为第(i,j)个平面上D维乘以D维的旋转矩阵，θ_i,j表示在第(i,j)个平面上逆时针旋转的角度，共有C_D ²个平面和C_D ²个旋转角度。旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)具有以下形式：

在旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)的主对角线元素中，第i行第i列和第j行第j列的元素为cosθ_i,j，其余皆为1；在旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)的非主对角线元素中，第i行第j列的元素为sinθ_i,j，，第j行第i列的元素为-sinθ_i,j，其余皆为0。对于D维的符号点而言，所有的旋转角度可以构成一个C_D ²维的行向量θ＝[θ₁₂,θ₁₃,...,θ_D-1,D]，最优的旋转角度向量记为θ_opt，可通过下式得到：

其中，X^g _diag为发送端第g个子帧所有可能的实现形式，共2^P种实现形式；假设接收端将X^g _diag错误判决为(.)^H表示厄米转置；max[.]表示取最大值；det(.)表示求矩阵的行列式；I_n表示n维乘以n维的单位矩阵；ρ₁＝1/(3N₀)，ρ₂＝1/(4N₀)，N₀为衰落信道中加性噪声的能量；

步骤11所述最大似然检测将综合考虑每个子帧OFDM信号的所有可能的子星座图激活模式、子载波激活模式和映射的符号点，具体的检测过程表示为：

式中Y^g表示接收的频域子载波信号，Y^g表示频域的信道衰减系数，表示接收端第g个子帧的子星座图激活模式，/>表示第g个子帧的同向分量子载波激活模式，/>表示第g个子帧的正交分量子载波激活模式，/>表示第g个子帧的同向分量所使用的多维符号点，表示第g个子帧的正交分量所使用的多维符号点的估计值，上标g表示每帧OFDM信号的第g个子帧。根据检测的索引信息和信号，通过查表法进行解索引和解映射，恢复二进制信息。

本发明提出了一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法及系统，由于所提出系统使用的多维度多模星座图拥有较大的最小模间距离和最小模内距离，此系统的BER性能明显优于传统的多模索引调制OFDM系统。此外，所提出系统的多维度多模星座图在经过分集阶数提高器的处理之后，索引比特的分集阶数可以达到和星座图的阶数一样的数值，这也将提高索引调制系统在瑞利衰落信道中的BER性能。

附图说明

图1：是本发明多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统发送端框图；

图2：是本发明多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统接收端框图；

图3：是本发明实施例中原始的多维度多模星座图和经过分集阶数提高器处理之后的星座图。

图4：是本发明实施例的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高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。

本发明第一实施例具体如下：

请参考图1和图2，图1所示为本发明提出的本发明多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统发送端框图，包括串并转换和比特分组模块、联合索引选择器模块、多模多维度映射器模块、分集阶数提高器模块、频域OFDM信号生成器模块，交织和N点IDFT模块，发送端并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频模块。图2所示为本发明提出的本发明多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统接收端框图，包括接收端下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，N点DFT和反交织模块，最大似然检测、解索引和解映射模块，并串转换模块。

设定一个OFDM信号的子载波数为N，这样一帧发送的频域OFDM信号可以表示为X＝[X¹ X²...X^G]，每帧OFDM信号被分成G＝N/n个子帧，n为每个子帧包含的子载波数，每个子帧携带P＝P₁+P_2,I+P_2,Q个比特的信息，P₁、P_2,I和P_2,Q所对应的比特信息依次排列，这里每帧OFDM信号共包含m＝PG个比特信息，P₁、P_2,I和P_2,Q均为正整数。

根据本发明的本发明多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法及系统，包括如下步骤：

(1)串并转换和比特分组：将待发送的二进制序列经过串并转换，把长度为m比特的串行比特数据流转换成并行数据流，其中每p个比特为一组输入到一帧OFDM信号的一个子帧，这里一帧包含N个子载波的OFDM信号被分为G＝N/n个子帧，X^g表示第g个子帧，1≤g≤G，n为每个子帧包含的子载波个数；P＝P₁+P_2,I+P_2,Q，P₁为P₁个索引比特，P_2,I为P_2,I个同向分量符号比特，P_2,Q为P_2,Q个同向分量符号比特；此外，P₁个索引比特输入联合索引选择器，P_2,I个和P_2,Q个符号比特分别输入同向分量和正交分量的多维度多模映射器用于多维度符号映射。

(2)将步骤(1)中每组P比特中的前P₁个比特输入联合索引选择器，用于决定子星座图激活模式、同向分量子载波激活模式和正交分量子载波激活模式；这里的子星座图也可称之为模态；子星座图激活模式可表示为I^g＝[I^g(1)I^g(2)],其中I^g(t)∈{χ₁χ₂...χ_M}(1≤t≤2),χ_m(1≤m≤M)为子星座图索引，M为多维多模星座图所包含的子星座图个数的个数；同向分量子载波激活模式可表示为J_I ^g＝[J_I ^g(1)J_I ^g(2)...J_I ^g(K)]，其中J_I ^g(k)∈{1,2,...,n}(1≤k≤n)为同向分量中活跃子载波的索引，D表示同向分量中活跃子载波的个数且满足k≤n；正交分量子载波激活模式可表示为J_Q ^g＝[J_Q ^g(1)J_Q ^g(2)...J_Q ^g(K)]，其中J_Q ^g(k)∈{1,2,...,n}为正交分量中活跃子载波的索引，正交分量中的活跃子载波个数和同向分量相同。。因此，可知：

上式中└·┘表示向下取整；C_n ^K代表二项式系数，即从n个子载波取K个；M表示子星座图的个数。

(3)将步骤(1)中每组P比特中的P_2,I个比特输入同向分量的多模多维映射器，映射成为一个多维的符号点E_I ^g＝[E_I ^g(1)E_I ^g(2)...E_I ^g(D)]，其中D表示此多维多模星座图的维度且D＝K，E_I ^g(d)(1≤d≤D)表示此符号点的第d个坐标值。此外，E_I ^g∈C(I^g(1))，C(I^g(1))表示子星座图索引为I^g(1)所对应的子星座图。之后，分集阶数提高器对此符号点进行进一步的处理，以提高同向分量符号比特的分集阶数。因此，同向分量使用的是处理之后的符号点，可表示为：S_I ^g＝[S_I ^g(1)S_I ^g(2)...S_I ^g(D)]。结合步骤(2)中的同向分量子载波激活模式，使得S_I ^g中的坐标值调制J_I ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的同向分量X_I ^g＝[X_I ^g(1)X_I ^g(2)...X_I ^g(n)]，其中X_I ^g(α)∈{0,S_I ^g}(1≤α≤n)。

(4)将步骤(1)中每组P比特中的P_2,Q个比特输入同向分量的多模多维映射器，映射成为一个多维的符号点E_Q ^g＝[E_Q ^g(1)E_Q ^g(2)...E_Q ^g(D)]，E_Q ^g(d)表示此符号点的第d个坐标值。此外，E_Q ^g∈C(I^g(2))，C(I^g(2))表示子星座图索引为I^g(2)所对应的子星座图。之后，分集阶数提高器对此符号点进行进一步的处理，以提高正交分量符号比特的分集阶数。因此，正交分量使用的是处理之后的符号点，可表示为：S_Q ^g＝[S_Q ^g(1)S_Q ^g(2)...S_Q ^g(D)]。结合步骤(2)中的正交分量子载波激活模式，使得S_Q ^g中的坐标值调制J_Q ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的正交分量X_Q ^g＝[X_Q ^g(1)X_Q ^g(2)...X_Q ^g(n)]，其中X_Q ^g(α)∈{0,S_Q ^g}。因此，可知：

P_2,Q＝log₂ T

P_2,I＝log₂ T

上式中Q代表每个子星座图所包含的符号点的个数。此外，假设每个子星座图所含的符号点的个数相等，则多维度多模星座图所包含的符号点的总个数为MQ。分集阶数提高器对符号点的处理可表示成一个符号点向量和一个矩阵F的乘积。以同向分量为例，符号点向量E_I ^g是一个D维的行向量，矩阵F是一个D维乘以D维的矩阵。在本发明中，矩阵F可以写成以下形式：

即矩阵F为C_D ²个旋转矩阵J(i,j,θ_ij)的乘积，θ_ij表示在第(i,j)个平面上逆时针旋转的角度，共有C_D ²个平面和C_D ²个旋转角度，旋转矩阵J(i,j,θ_ij)也为D维乘以D维的矩阵。旋转矩阵J(i,j,θ_ij)具有以下形式：

在旋转矩阵J(i,j,θ_ij)的主对角线元素中，第i行第i列和第j行第j列的元素为cosθ_ij，其余皆为1；在旋转矩阵J(i,j,θ_ij)的非主对角线元素中，第i行第j列的元素为sinθ_ij，，第j行第i列的元素为-sinθ_ij，其余皆为0。对于D维的符号点而言，所有的旋转角度可以构成一个C_D ²维的行向量θ＝[θ₁₂,θ₁₃,...,θ_D-1,D]，最优的旋转角度向量记为θ_opt，可通过下式得到：

其中X^g _diag为发送端第g个子帧所有可能的实现形式，共2^P种实现形式；假设接收端将X^g _diag错误判决为(.)^H表示厄米转置；max[.]表示取最大值；det(.)表示求矩阵的行列式；I_n表示n维乘以n维的单位矩阵；ρ₁＝1/(3N₀)，ρ₂＝1/(4N₀)，N₀为衰落信道中加性噪声的能量

(5)分别将步骤(3)中的X_I ^g和步骤(4)中的X_Q ^g分别作为第g个子帧的同向分量和正交分量，得第g个子帧为X^g＝X_I ^g+jX_Q ^g.

(6)将G个OFDM子帧信号结合起来，得到频域上一帧OFDM信号X＝[X¹ X²...X^G]。

(7)将步骤(6)得到的一帧频域OFDM信号通过子载波层面的交织后，进入N点的离散傅里叶反变换转换到时域，一帧时域OFDM信号为：

x＝IDFT{X}＝IDFT{[X¹ X²...X^G]}

式中IDFT{.}表示离散傅里叶反变换操作，x表示发送的一帧时域OFDM信号。

(8)将步骤(7)得到的一帧时域OFDM信号经过并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理后送入信道进行传输；通过步骤(1)到步骤(8)的调制过程，提出的系统的频带利用率可表示为：

式中L_CP表示添加的循环前缀的长度。频带利用率的单位是：比特/秒/赫兹。例如，当n＝4,K＝D＝3,M＝4,Q＝2,N＝128，L_CP＝16时，所提出系统的频带利用率为1.78比特/秒/赫兹。

(9)在接收端，将接收的OFDM信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理；

(10)将步骤(9)的输出信号进行离散傅里叶变换，把时域OFDM信号转换到频域，并进行子载波层面的反交织；

(11)将步骤(10)的输出信号进行最大似然检测、解索引和解映射处理，恢复为二进制信息。最大似然检测将综合考虑每个子帧OFDM信号的所有可能的子星座图激活模式、子载波激活模式和映射的符号点，具体的检测过程表示为：

式中Y^g表示接收的频域子载波信号，Y^g表示频域的信道衰减系数，分别表示接收端每个子帧的子星座图激活模式、同向分量子载波激活模式、正交分量子载波激活模式、同向分量所使用的多维符号点和正交分量所使用的多维符号点的估计值，上标g表示每帧OFDM信号的第g个子帧。根据检测的索引信息和信号，通过查表法进行解索引和解映射，恢复二进制信息。

(12)将步骤(11)的输出信号进行并串转换，得到原始发送的二进制序列。

本发明第二实施例具体如下：

具体参数方案：一帧OFDM信号所包含的子载波数N＝128，每帧OFDM信号所包含的的子帧个数G＝32，每个子帧中的子载波数n＝4，所提系统的所有子星座图皆为三维星座图，即D＝K＝3，子星座图(模态)的个数M＝4，所有子星座图的尺寸Q＝2，所有子星座图如图3(a)所示，所有的符号点都分布在半径为1的单位球上，所有子星座图的所有符号点你组成了一个单位球的内置立方体。分集阶数提高器中共有三个旋转角度，即θ_opt＝[θ₁₂θ₁₃θ₂₃]＝[4.5o 4o 3.5o]，旋转之后的多维度多模星座图如图3(b)所示。此外，来自于任意两个不同的子星座图之间的符号点的最小欧氏距离称之为最小模间间距，来自于同一个子星座图的符号点之间的最小欧氏距离称之为最小模内间距。循环前缀的长度L_CP＝16。每个子帧可以包含8比特信息，系统的频谱效率可计算得1.78比特/秒/赫兹。信道采用频率选择性瑞利衰减信道，其中瑞利信道的信道脉冲响应长度为10。假设所有的符号点的能量都进行了归一化，则系统的信噪比定义为每比特信息所消耗的平均能量和加性噪声的能量之比。

一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将长度为m比特的串行比特数据流转换成并行数据流，并行数据流的每P个比特划分为一个比特组，共有G＝m/P个比特组，所述一个比特组输入到每帧OFDM信号的任意一个子帧，所述每帧OFDM信号包含N个子载波，所述每帧OFDM信号的N个子载波划分为G＝N/n个子帧，子帧的个数和比特组的个数相等，X^g表示第g个子帧，1≤g≤G，n为每个子帧包含的子载波个数；在所述的一个比特组中，P＝P₁+P_2,I+P_2,Q，P₁为P₁个索引比特，P_2,I为P_2,I个同向分量符号比特，P_2,Q为P_2,Q个同向分量符号比特；

步骤2：将步骤1中一个比特组的前P₁个比特通过传统的查表法决定子星座图激活模式、同向分量子载波激活模式和正交分量子载波激活模式；

所述子星座图定义为模态；

所述子星座图激活模式表示为：I^g＝[I^g(1),I^g(2)]，I^g(1)为第g个子帧的同向分量子星座图激活模式，I^g(2)为第g个子帧的正交分量子星座图激活模式，

其中，I^g(t)∈{χ₁χ₂...χ_M}，1≤t≤2,χ_m为第m个子星座图的索引，1≤m≤M，M为多维多模星座图所包含的子星座图个数的数量；

所述同向分量子载波激活模式表示为：J_I ^g＝[J_I ^g(1)J_I ^g(2)...J_I ^g(K)]

其中，J_I ^g(k)∈{1,2,...,n}为第g个子帧的同向分量中第k个活跃子载波的索引，1≤k≤n，D表示同向分量中活跃子载波的个数且满足k≤n；

所述正交分量子载波激活模式表示为：J_Q ^g＝[J_Q ^g(1)J_Q ^g(2)...J_Q ^g(K)]

其中，J_Q ^g(k)∈{1,2,...,n}为第g个子帧的正交分量中第k个活跃子载波的索引，正交分量中的活跃子载波个数和同向分量相同；

其中，└·┘表示向下取整；C_n ^K代表从n个子载波取K个的二项式系数，C_M ²代表从M个子星座图取2个的二项式系数；

步骤3：将步骤1中一个比特组的P_2,I个比特输通过星座图映射法可映射成为一个多维符号点E_I ^g＝[E_I ^g(1)E_I ^g(2)...E_I ^g(D)]，其中D表示此多维多模星座图的维度且D＝K，E_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点的第d个坐标值。此外，E_I ^g∈C(I^g(1))，C(I^g(1))表示第g个子帧中子星座图索引为I^g(1)所对应的子星座图；

步骤3所述利用传统的星座图映射法，根据P_2,I个比特确定同向分量使用的多维度符号点，具体定义如下：

P_2,I＝log₂T

上式中，P_2,I为P_2,I个同向分量符号比特，log₂表示第2为底的对数运算，T代表每个子星座图所包含的符号点的个数。假设每个子星座图所含的符号点的个数相等，则多维度多模星座图所包含的符号点的总个数为MT。

之后，前述多维度符号点通过分集阶数提高器的多维度旋转处理，可使得前述的P_2,I个比特的分集阶数获得提升，处理之后的符号点可表示为：S_I ^g＝[S_I ^g(1)S_I ^g(2)...S_I ^g(D)]，S_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点经过分集阶数提高器处理之后的的第d个坐标值。

结合步骤2中的同向分量子载波激活模式，使得S_I ^g中的坐标值调制J_I ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的同向分量X_I ^g＝[X_I ^g(1)X_I ^g(2)...X_I ^g(n)]，其中X_I ^g(α)∈{0,S_I ^g}表示第g个OFDM子帧信号的同向分量的第α个子载波，1≤α≤n；

步骤4：将步骤1中一个比特组的P_2,Q个比特通过星座图映射法映射成为一个多维的符号点E_Q ^g＝[E_Q ^g(1)E_Q ^g(2)...E_Q ^g(D)]，E_Q ^g(d)表示第g个子帧中此符号点的第d个坐标值。此外，E_Q ^g∈C(I^g(2))，C(I^g(2))表示子星座图索引为I^g(2)所对应的子星座图。

步骤4所述利用传统的星座图映射法，根据P_2,I个比特确定正交分量使用的多维度符号点，具体定义如下：

P_2,Q＝log₂T

上式中，P_2,Q为P_2,Q个正交分量符号比特，log₂表示第2为底的对数运算，T代表每个子星座图所包含的符号点的个数。假设每个子星座图所含的符号点的个数相等，则多维度多模星座图所包含的符号点的总个数为MT。

之后，前述多维度符号点通过分集阶数提高器的多维度旋转处理，可使得前述的P_2,I个比特的分集阶数获得提升，处理之后的符号点可表示为：S_Q ^g＝[S_Q ^g(1)S_Q ^g(2)...S_Q ^g(D)]，S_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点经过分集阶数提高器处理之后的的第d个坐标值。

结合步骤2中的正交分量子载波激活模式，使得S_Q ^g中的坐标值调制J_Q ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的正交分量X_Q ^g＝[X_Q ^g(1)X_Q ^g(2)...X_Q ^g(n)]，其中X_Q ^g(α)∈{0,S_Q ^g}表示第g个OFDM子帧信号的正交分量的第α个子载波；

步骤5：分别将第g个OFDM子帧信号同向分量X_I ^g和正交分量X_Q ^g分别作为第g个子帧的同向分量和正交分量，得第g个子帧为：X^g＝X_I ^g+jX_Q ^g.

步骤6：将G个OFDM子帧信号结合起来，得到频域上一帧OFDM信号X＝[X¹,X²,...,X^G]。

步骤7：将步骤6得到的一帧频域OFDM信号通过子载波层面的交织后，进入N点的离散傅里叶反变换转换到时域，一帧时域OFDM信号为：

x＝IDFT{X}＝IDFT{[X¹ X²...X^G]}

式中，IDFT{.}表示离散傅里叶反变换操作，x表示发送的一帧时域OFDM信号。

步骤8：将步骤7得到的一帧时域OFDM信号经过并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理后送入信道进行传输；

步骤9：在接收端，将接收的OFDM信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理；

步骤10：将步骤9的输出信号进行离散傅里叶变换，把时域OFDM信号转换到频域，并进行子载波层面的反交织；

步骤11：将步骤10的输出信号进行最大似然检测、解索引和解映射处理，恢复为二进制信息。

步骤11所述最大似然检测将综合考虑每个子帧OFDM信号的所有可能的子星座图激活模式、子载波激活模式和映射的符号点，具体的检测过程表示为：

式中Y^g表示接收的频域子载波信号，Y^g表示频域的信道衰减系数，表示接收端第g个子帧的子星座图激活模式，/>表示第g个子帧的同向分量子载波激活模式，/>表示第g个子帧的正交分量子载波激活模式，/>表示第g个子帧的同向分量所使用的多维符号点，表示第g个子帧的正交分量所使用的多维符号点的估计值，上标g表示每帧OFDM信号的第g个子帧。根据检测的索引信息和信号，通过查表法进行解索引和解映射，恢复二进制信息。

步骤12：将步骤11的输出信号进行并串转换，得到原始发送的二进制序列。

步骤3所述分集阶数提高方法具体为：

对符号点的处理可表示成一个符号点向量和一个矩阵F的乘积。以同向分量为例，符号点向量E_I ^g是一个D维的行向量，矩阵F是一个D维乘以D维的矩阵。在本发明中，矩阵F可以写成以下形式：

其中i,j均为平面索引，J(i,j,θ_i,j)为第(i,j)个平面上D维乘以D维的旋转矩阵，θ_i,j表示在第(i,j)个平面上逆时针旋转的角度，共有C_D ²个平面和C_D ²个旋转角度。旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)具有以下形式：

在旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)的主对角线元素中，第i行第i列和第j行第j列的元素为cosθ_i,j，其余皆为1；在旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)的非主对角线元素中，第i行第j列的元素为sinθ_i,j，，第j行第i列的元素为-sinθ_i,j，其余皆为0。对于D维的符号点而言，所有的旋转角度可以构成一个C_D ²维的行向量θ＝[θ₁₂,θ₁₃,...,θ_D-1,D]，最优的旋转角度向量记为θ_opt，可通过下式得到：

其中，X^g _diag为发送端第g个子帧所有可能的实现形式，共2^P种实现形式；假设接收端将X^g _diag错误判决为(.)^H表示厄米转置；max[.]表示取最大值；det(.)表示求矩阵的行列式；I_n表示n维乘以n维的单位矩阵；ρ₁＝1/(3N₀)，ρ₂＝1/(4N₀)，N₀为衰落信道中加性噪声的能量；

仿真结果如图4所示，图4横轴表示信噪比，纵轴为误比特率。为了证明本发明的优势，在相同的频谱效率条件下，图4也提供了经典OFDM、索引调制OFDM和多模索引调制OFDM的仿真结果，每个子帧的子载波数均为4。经典OFDM采用4QAM进行符号映射；索引调制OFDM系统采用4QAM进行信号映射，每个子帧中有3个子载波被激活；在多模索引调制OFDM系统中，四个子载波分别采用有8QAM分解而来的四个子星座图。由仿真结果可以看出，在相同的频谱效率条件下，当信噪比大于10dB时，本发明所提出的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统的误比特率性能要优于其他三种OFDM系统。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将长度为m比特的串行比特数据流转换成并行数据流，并行数据流的每P个比特划分为一个比特组，共有G＝m/P个比特组，所述一个比特组输入到每帧OFDM信号的任意一个子帧，所述每帧OFDM信号包含N个子载波，所述每帧OFDM信号的N个子载波划分为G＝N/n个子帧，子帧的个数和比特组的个数相等，X^g表示第g个子帧，1≤g≤G，n为每个子帧包含的子载波个数；在所述的一个比特组中，P＝P₁+P_2,I+P_2,Q，P₁为P₁个索引比特，P_2,I为P_2,I个同向分量符号比特，P_2,Q为P_2,Q个同向分量符号比特；

步骤2：将步骤1中一个比特组的前P₁个比特通过查表法决定子星座图激活模式、同向分量子载波激活模式和正交分量子载波激活模式；

所述子星座图定义为模态；

所述子星座图激活模式表示为：I^g＝[I^g(1),I^g(2)]，I^g(1)为第g个子帧的同向分量子星座图激活模式，I^g(2)为第g个子帧的正交分量子星座图激活模式，

其中，I^g(t)∈{χ₁χ₂...χ_M}，1≤t≤2,χ_m为第m个子星座图的索引，1≤m≤M，M为多维多模星座图所包含的子星座图个数的数量；

所述同向分量子载波激活模式表示为：J_I ^g＝[J_I ^g(1)J_I ^g(2)...J_I ^g(K)]

其中，J_I ^g(k)∈{1,2,...,n}为第g个子帧的同向分量中第k个活跃子载波的索引，1≤k≤n，D表示同向分量中活跃子载波的个数且满足k≤n；

所述正交分量子载波激活模式表示为：J_Q ^g＝[J_Q ^g(1)J_Q ^g(2)...J_Q ^g(K)]

其中，J_Q ^g(k)∈{1,2,...,n}为第g个子帧的正交分量中第k个活跃子载波的索引，正交分量中的活跃子载波个数和同向分量相同；

其中，└·┘表示向下取整；C_n ^K代表从n个子载波取K个的二项式系数，C_M ²代表从M个子星座图取2个的二项式系数；

步骤3：将步骤1中一个比特组的P_2,I个比特输通过星座图映射法可映射成为一个多维度符号点E_I ^g＝[E_I ^g(1)E_I ^g(2)...E_I ^g(D)]，其中D表示此多维多模星座图的维度且D＝K，E_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点的第d个坐标值；此外，E_I ^g∈C(I^g(1))，C(I^g(1))表示第g个子帧中子星座图索引为I^g(1)所对应的子星座图；

所述多维度符号点通过分集阶数提高器的多维度旋转处理，可使得前述的P_2,I个比特的分集阶数获得提升，处理之后的符号可表示为：S_I ^g＝[S_I ^g(1) S_I ^g(2) ... S_I ^g(D)]，S_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点经过分集阶数提高器处理之后的的第d个坐标值；

结合步骤2中的同向分量子载波激活模式，使得S_I ^g中的坐标值调制J_I ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的同向分量X_I ^g＝[X_I ^g(1) X_I ^g(2) ... X_I ^g(n)]，其中X_I ^g(α)∈{0,S_I ^g}表示第g个OFDM子帧信号的同向分量的第α个子载波，1≤α≤n；

步骤4：将步骤1中一个比特组的P_2,Q个比特通过星座图映射法映射成为一个多维的符号点E_Q ^g＝[E_Q ^g(1) E_Q ^g(2) ... E_Q ^g(D)]，E_Q ^g(d)表示第g个子帧中此符号点的第d个坐标值；此外，E_Q ^g∈C(I^g(2))，C(I^g(2))表示子星座图索引为I^g(2)所对应的子星座图；

所述多维度符号点通过分集阶数提高器的多维度旋转处理，可使得前述的P_2,I个比特的分集阶数获得提升，处理之后的符号点表示为：S_Q ^g＝[S_Q ^g(1) S_Q ^g(2) ... S_Q ^g(D)]，S_I ^g(d)，1≤d≤D，表示第g个子帧中此符号点经过分集阶数提高器处理之后的的第d个坐标值；

结合步骤2中的正交分量子载波激活模式，使得S_Q ^g中的坐标值调制J_Q ^g中对应的活跃子载波，得到第g个OFDM子帧信号的正交分量X_Q ^g＝[X_Q ^g(1) X_Q ^g(2) ... X_Q ^g(n)]，其中X_Q ^g(α)∈{0,S_Q ^g}表示第g个OFDM子帧信号的正交分量的第α个子载波；

步骤5：分别将第g个OFDM子帧信号同向分量X_I ^g和正交分量X_Q ^g分别作为第g个子帧的同向分量和正交分量，得第g个子帧为：X^g＝X_I ^g+jX_Q ^g.

步骤6：将G个OFDM子帧信号结合起来，得到频域上一帧OFDM信号X＝[X¹,X²,...,X^G]；

步骤7：将步骤6得到的一帧频域OFDM信号通过子载波层面的交织后，进入N点的离散傅里叶反变换转换到时域；

一帧时域OFDM信号为：

x＝IDFT{X}＝IDFT{[X¹ X² ... X^G]}

式中，IDFT{.}表示离散傅里叶反变换操作，x表示发送的一帧时域OFDM信号；

步骤8：将步骤7得到的一帧时域OFDM信号经过并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理后送入信道进行传输；

步骤9：在接收端，将接收的OFDM信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理；

步骤10：将步骤9的输出信号进行离散傅里叶变换，把时域OFDM信号转换到频域，并进行子载波层面的反交织；

步骤11：将步骤10的输出信号进行最大似然检测、解索引和解映射处理，恢复为二进制信息；

步骤12：将步骤11的输出信号进行并串转换，得到原始发送的二进制序列。

2.根据权利要求1所述的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法，其特征在于，步骤3所述利用星座图映射法，根据P_2,I个比特确定同向分量使用的多维度符号点，具体定义如下：

P_2,I＝log₂ T

上式中，P_2,I为P_2,I个同向分量符号比特，log₂表示第2为底的对数运算，T代表每个子星座图所包含的符号点的个数；假设每个子星座图所含的符号点的个数相等，则多维度多模星座图所包含的符号点的总个数为MT。

3.根据权利要求1所述的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法，其特征在于，步骤4所述利用星座图映射法，根据P_2,I个比特确定正交分量使用的多维度符号点，具体定义如下：

P_2,Q＝log₂ T

上式中，P_2,Q为P_2,Q个正交分量符号比特，log₂表示第2为底的对数运算，T代表每个子星座图所包含的符号点的个数；假设每个子星座图所含的符号点的个数相等，则多维度多模星座图所包含的符号点的总个数为MT。

4.根据权利要求1所述的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法，其特征在于，

步骤3所述分集阶数提高方法具体为：

对符号点的处理可表示成一个符号点向量和一个矩阵F的乘积；以同向分量为例，符号点向量E_I ^g是一个D维的行向量，矩阵F是一个D维乘以D维的矩阵；

矩阵F可以写成以下形式：

其中i,j均为平面索引，J(i,j,θ_i,j)为第(i,j)个平面上D维乘以D维的旋转矩阵，θ_i,j表示在第(i,j)个平面上逆时针旋转的角度，共有C_D ²个平面和C_D ²个旋转角度；旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)具有以下形式：

在旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)的主对角线元素中，第i行第i列和第j行第j列的元素为cosθ_i,j，其余皆为1；在旋转矩阵J(i,j,θ_i,j)的非主对角线元素中，第i行第j列的元素为sinθ_i,j，，第j行第i列的元素为-sinθ_i,j，其余皆为0；对于D维的符号点而言，所有的旋转角度可以构成一个C_D ²维的行向量θ＝[θ₁₂,θ₁₃,...,θ_D-1,D]，最优的旋转角度向量记为θ_opt，可通过下式得到：

其中，X^g _diag为发送端第g个子帧所有可能的实现形式，共2^P种实现形式；假设接收端将X^g _diag错误判决为 (.)^H表示厄米转置；max[.]表示取最大值；det(.)表示求矩阵的行列式；I_n表示n维乘以n维的单位矩阵；ρ₁＝1/(3N₀)，ρ₂＝1/(4N₀)，N₀为衰落信道中加性噪声的能量。

5.根据权利要求1所述的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法，其特征在于，

步骤11所述最大似然检测将综合考虑每个子帧OFDM信号的所有可能的子星座图激活模式、子载波激活模式和映射的符号点，具体的检测过程表示为：

式中，Y^g表示接收的频域子载波信号，H^g表示频域的信道衰减系数，表示接收端第g个子帧的子星座图激活模式，/>表示第g个子帧的同向分量子载波激活模式，/>表示第g个子帧的正交分量子载波激活模式，/>表示第g个子帧的同向分量所使用的多维符号点，/>表示第g个子帧的正交分量所使用的多维符号点的估计值，上标g表示每帧OFDM信号的第g个子帧；根据检测的索引信息和信号，通过查表法进行解索引和解映射，恢复二进制信息。

6.一种应用于权利要求1-5任意项所述的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高方法的多维度多模索引调制OFDM分集阶数提高系统，其特征在于，

发送端串并转换和比特分组模块，用于将待发送的二进制序列经过串并转换，把长度为m比特的串行比特数据流转换成并行数据流，其中每p个比特为一组输入到一帧OFDM信号的一个子帧，这里一帧包含N个子载波的OFDM信号被分为G＝N/n个子帧，X^g表示第g个子帧，1≤g≤G，n为每个子帧包含的子载波个数；

联合索引选择器模块，用于根据每组P比特中的前P₁个比特确定子星座图激活模式、同向分量子载波激活模式和正交分量子载波激活模式；

多维多模映射器模块，用于根据每组P比特中的P_2,I或P_2,Q比特确定同向分量或正交分量的多维符号点；

分集阶数提高器，用于提高同向分量和正交分量的索引比特的分集阶数；

频域OFDM信号生成器模块，用于把每个OFDM子帧结合起来，形成一帧OFDM信号；

交织和N点IDFT模块，用于进行子载波层面的交织操作和把一帧频域OFDM信号转换到时域；

发送端并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频模块，用于对发送端产生的时域OFDM信号进行并串转换、添加循环前缀、数字信号到模拟信号转换和上变频处理；

接收端下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，用于对接收到的时域OFDM信号进行下变频、模拟信号到数字信号转换、去除循环前缀和串并转换处理；

N点DFT模块和反交织，用于把接收到的一帧时域OFDM信号转换到频域并进行子载波层面的反交织操作；

最大似然检测、解索引和解映射模块，用于采用最大似然检测综合考虑每帧OFDM信号子帧中所有可能的子星座图激活模式，子载波激活模式和映射的信号，搜索所有可能的情况从而检测出发送端使用的子星座图激活模式，子载波激活模式和映射的信号，再通过解索引和解映射处理恢复二进制信息；

接收端并串转换模块，用于将恢复的二进制信息进行并串转换，恢复原始发送的二进制序列。