CN117728924A - 一种基于tcm的高维索引调制ofdm实现方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法及设备，涉及无线通信领域，包括：构建基于高维TCM技术的索引调制OFDM系统，对高维星座图的索引序列集进行第一最佳子集分割，实现索引序列间的最小汉明距离最大化；通过对索引调制OFDM系统应用TCM技术，构建基于TCM的高维索引调制OFDM系统，对高维信号集进行第二最佳子集分割，实现信号点间的最小欧氏距离最大化；将高维星座图像输入至基于TCM的高维索引调制OFDM系统，通过在多径衰落信道环境下传输信号，得到经过最大似然序列译码器译码后的星座图像信息。本发明的有益效果为，具有更大信号点间欧几里德距离，系统获得编码增益使接收信号检测性能有所提升，编码增益和信号点具有更大欧几里德距离，具有可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法及设备。
背景技术
基于索引调制的OFDM系统作为近年来提出的一种新型多载波传输方式，继承了OFDM技术的众多优点。索引调制OFDM系统仅激活部分子载波来传输符号信息，它能在一定程度上减少峰均比与载波间干扰，同时由于OFDM子载波索引携带的信息比特不消耗系统能量，使该系统具有更高的能量效率和频谱效率。然而传统基于索引调制的OFDM系统大部分采用的是二维信号星座图，在相同星座图尺寸和发送平均功率的情况下,可靠性方面比不上能提供更大最小欧几里德距离(MED)的高维信号星座图。
为了将高维信号引入索引调制OFDM系统中，现有一种基于同相/正交索引调制的高维OFDM系统被提出，提出的系统通过将OFDM信号子载波的同相分量(I路)和正交分量(Q路)两路分别进行独立的索引调制，用激活子载波的同相分量与正交分量共同传输一个高维信号，但由于不能利用任何编码增益，高维信号在多径衰落信道环境下表现不佳。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，包括：
S1：构建基于高维TCM技术的索引调制OFDM系统，对高维星座图的索引序列集进行第一最佳子集分割，实现索引序列间的最小汉明距离最大化；
S2：通过对所述索引调制OFDM系统应用TCM技术，构建基于TCM的高维索引调制OFDM系统，对高维信号集进行第二最佳子集分割，实现信号点间的最小欧氏距离最大化；
所述基于TCM的高维索引调制OFDM系统包括：TCM编码器、OFDM帧生成器、IFFT模块、循环前缀模块、去循环前缀模块、FFT模块、最大似然序列译码器；
TCM编码器的输出端连接OFDM帧生成器的输入端，OFDM帧生成器的输出端连接IFFT模块的输入端，IFFT模块的输出端连接循环前缀模块的输入端，循环前缀模块的输出端通过信道连接去循环前缀模块输入端，去循环前缀模块输出端连接FFT模块输入端，FFT模块输出端连接最大似然序列译码器输入端；
S3：将高维星座图像输入至所述基于TCM的高维索引调制OFDM系统，通过在多径衰落信道环境下传输信号，得到经过最大似然序列译码器译码后的星座图像信息。
进一步地，步骤S1中第一最佳子集分割的具体过程为：
将索引序列集划分成两个第一子集，第一子集内索引序列之间的最小汉明距离将增加，满足d0<d1<d2<…<dn，直至多次划分后达到最小汉明距离dn，其中，d0为划分前的最小汉明距离，d1,d2…dn为每次划分后的最小汉明距离；通过对索引序列集的不同分割构建不同状态数的第一网格图。
进一步地，第一子集分割需要遵循的原则有：同级子集的索引序列数与最小汉明距离需要保持一致；所有索引序列出现的频率相等，且有相当的规则性和对称性；若每个调制间隔有p比特被编码，那么网格图中每个状态到下一状态有2p个可能的转移；从同一状态出发的分支对应的索引序列属于同一个经第一级划分后的子集；进入同一状态的分支对应的索引序列属于同一个经第一级划分后的子集；平行分支对应的索引序列属于同一个经末级划分后的子集。
进一步地，步骤S2中第二最佳子集分割的具体过程为：
进一步地，高维信号集的分割基于构成它的二维信号集的分割，对于2L维信号集，首先将其分为L个二维子集；再将这些二维子集划分成两个第二子集，第二子集内信号点之间的最小欧氏距离将增加，满足d0<d1<d2<…<dn，直至多次划分后达到最小欧氏距离dn，其中，d0为划分前的最小欧氏距离，d1,d2…dn为每次划分后的最小欧氏距离；每一级划分后的L个二维子集的笛卡尔积将构成对应级的2L维子集；通过对二维信号集的不同分割构建不同状态数的第二网格图，同时对不同的二维信号集进行级联处理。
进一步地，步骤S2中，TCM编码器包括：第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器、比特分组器、G个OFDM子帧生成器，第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器通过比特分组器的输出结果分别连接G个OFDM子帧生成器的输入端。
进一步地，步骤S2中，每个OFDM子帧生成器包括：同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器、IQ调制器，第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器通过比特分组器的输出结果分别连接同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器的输入端，同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器的输出端均连接于IQ调制器的输入端。
进一步地，步骤S2中，所述基于TCM的高维索引调制OFDM系统的工作原理为：
S21：每帧OFDM信号均发送m比特信息，将m比特信息输入至TCM编码器，m比特信息包括mI比特、mQ比特和mS比特，即m＝mI+mQ+mS；mI比特包括pIG比特和(bI-pI)G比特，mQ比特包括pQG比特和(bQ-pQ)G比特，mS比特包括pSG比特和(bS-pS)G比特，其中bI＝mI/G，bQ＝mQ/G，bS＝mS/G，而G＝N/n，N表示一帧OFDM信号的子载波数，n表示每个OFDM信号子帧的子载波数；将pIG输入至第一卷积编码器，该第一卷积编码器采用码率为RI＝pI/(pI+rI)的卷积编码器，即经过编码得到(pI+rI)G比特；将pQG输入至第二卷积编码器，该第二卷积编码器采用码率为RQ＝pQ/(pQ+rQ)的卷积编码器，即经过编码得到(pQ+rQ)G比特；将pSG输入至第三卷积编码器，该第三卷积编码器采用码率为RS＝pS/(pS+rS)的卷积编码器，即经过编码可得到(pS+rS)G比特；由比特分组器将输入比特(pI+rI)G、(bI-pI)G、(pS+rS)G、(bS-pS)G、(pQ+rQ)G、(bQ-pQ)G均分成G组，每组包含(bI+rI)、(bS+rS)、(bQ+rQ)比特；在任意一帧OFDM信号的第g个子帧中，1≤g≤G；其中，bI表示每个OFDM子帧中同相索引比特个数，pI表示每个OFDM子帧中输入第一卷积编码器的同相索引比特个数，rI表示pI输入第一卷积编码器经编码后所增加的比特个数；bQ表示每个OFDM子帧中正交索引比特个数，pQ表示每个OFDM子帧中输入第二卷积编码器的正交索引比特个数，rQ表示pQ输入第二卷积编码器经编码后所增加的比特个数；bS表示每个OFDM子帧中高维信号承载的比特个数，pS表示每个OFDM子帧中输入第三卷积编码器的高维符号比特个数，rS表示pS输入第三卷积编码器经编码后所增加的比特个数；
S22：将(bI+rI)比特分为(pI+rI)比特和(bI-pI)比特，并通过同相索引映射器，将(bQ+rQ)比特分为(pQ+rQ)比特和(bQ-pQ)比特，并通过正交索引映射器，最后分别输出同相索引序列IRe,g＝(iRe,1,iRe,2,...,iRe,k)T和正交索引序列IIm,g＝(iIm,1,iIm,2,...,iIm,D-k)T；其中，T表示转置，iRe,α，1≤α≤k，表示OFDM子帧中被激活的子载波同相分量位置索引，iIm,β，1≤β≤D-k表示OFDM子帧中被激活的子载波正交分量位置索引；
S23：将(bS+rS)比特分为(pS+rS)比特和(bS-pS)比特，并输入至高维信号映射器，最后输出一个D维符号sg＝(s1,s2,...,sD)T；将sg分为sRe,g＝(s1,s2,...,sk)T和sIm,g＝(sk+1,sk+2,...,sD)T；T表示转置，元素si表示D维信号星座图中高维信号的坐标分量，1≤i≤D；k表示激活的同相分量子载波数，激活的正交分量子载波数表示为(D-k)；
S24：将sRe,g与IRe,g相结合，得到I分支输出信号为SRe,g＝(s1(iRe,1),s2(iRe,2),...,sk(iRe,k))T；将sIm,g与IIm,g相结合，得到Q分支输出信号为SIm,g＝(sk+1(iIm,1),sk+2(iIm,2),...,sD(iIm,D-k))T；将SRe,g和SIm,g输入IQ调制器，输出第g个OFDM信号子帧输出信号Tg，表达式为：
Tg＝SRe,g+jSIm,g
S25：将所有OFDM子帧生成器获得的G个信号T1至TG，获得一帧频域的OFDM信号，再经过IFFT模块和循环前缀模块后，将产生的时域OFDM信号送入信道进行传输；接收端接收到时域OFDM信号，经过去循环前缀模块和FFT模块，将产生的频域OFDM信号通过最大似然序列译码器进行译码，最终得到输出。
进一步地，步骤S25具体为：
S251、将G个OFDM子帧通过OFDM帧生成器形成一帧频域的OFDM信号XT，即
XT＝[T1 T T2 T…TG T] (4)
其中，T1 T表示第1个OFDM子帧的转置，T2 T表示第2个OFDM子帧的转置，TG T表示第G个OFDM子帧的转置；
S252、由S251产生的频域OFDM信号经IFFT模块转换为时域OFDM信号xT，即
xT＝ifft{XT} (5)
其中，ifft{·}表示N点快速傅里叶反变换操作；
S253、对S252产生的时域OFDM信号添加CP，将基于TCM的高维索引调制OFDM信号送入信道进行传输；
S254、接收端对S253产生的时域OFDM信号去CP，并经FFT模块转换为频域OFDM信号，最后通过基于维特比译码的最大似然序列译码器进行译码，得到译码后的星座图像信息。
一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现设备，包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
本发明具有以下有益效果：本发明首先将高维TCM技术引入索引调制OFDM系统，由于高维TCM技术可以看作是多个二维TCM的笛卡尔积，因而可以传递更多的符号比特，实现分数值的频谱效率；然后针对索引调制OFDM系统的索引调制部分应用了TCM技术，使得其任意一对TCM索引序列之间的最小汉明距离更大，因而在接收端对激活子载波和信号的检测性能更好；使用TCM的索引调制相较于未编码的索引调制，具有更大的编码增益；高维信号星座图相较于对应的二维信号星座图，也具有更大的MED；本发明相对于传统的高维索引调制OFDM系统，具备更大的索引编码增益和更大的星座图MED，实现了高分集增益，从而具有优秀的误比特率性能，有利于满足在多径衰落信道环境下高质量通信需求。
附图说明
图1是本发明实施例中本发明实施例方法流程图；
图2是本发明实施例中基于TCM的高维索引调制OFDM系统结构图；
图3是本发明实施例中卷积编码器结构图；
图4是本发明实施例中八进制二维信号集分割示意图；
图5是本发明实施例中基于八进制二维信号集的四维信号集分割示意图；
图6是本发明实施例中硬件设备工作的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决传统高维索引调制OFDM系统在多径衰落信道环境下性能表现不佳的问题，本发明提出了一种基于网格编码调制(TCM)的高维索引调制OFDM实现方法，构建一种基于TCM的高维索引调制OFDM系统，主要涉及索引调制与高维信号符号调制的TCM方案，有效地增大了索引调制的编码增益，提升了接收端对激活子载波和信号的检测性能，同时增大了高维星座图的最小欧氏距离，改善了系统可靠性，以满足日益增长的对无线通信系统可靠性的需求。
参照图1，本发明提供一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，包括：
S1：构建基于高维TCM技术的索引调制OFDM系统，对高维星座图的索引序列集进行第一最佳子集分割，实现索引序列间的最小汉明距离最大化，提高接收端信号的检测性能；
S2：通过对所述索引调制OFDM系统应用TCM技术，构建基于TCM的高维索引调制OFDM系统，对高维信号集进行第二最佳子集分割，实现信号点间的最小欧氏距离最大化，；
S3：将高维星座图像输入至所述基于TCM的高维索引调制OFDM系统，通过在多径衰落信道环境下传输信号，提升信息传输的可靠性，得到经过最大似然序列译码器译码后的星座图像信息。
通过步骤S1-S2对高维星座图进行子集分割，进行网格图设计，以获取编码增益。
步骤S1与步骤S2进行最优TCM设计的过程如下：
(1)应用于索引调制的TCM设计：通过对索引序列集进行最佳子集分割实现最优TCM，具体为：
将索引序列集划分成两个较小的子集，子集内索引序列之间的最小汉明距离将增加，满足d0<d1<d2<…<dn，多次划分至最小汉明距离为dn，以保证其得到最大限度的增加。其中，d0为划分前的最小汉明距离，d1,d2…dn为每次划分后的最小汉明距离。
子集分割需要遵循的原则有：同级子集的索引序列数与最小汉明距离需要保持一致；所有索引序列出现的频率相等，且有相当的规则性和对称性；若每个调制间隔有p比特被编码，那么网格图中每个状态到下一状态有2p个可能的转移；从同一状态出发的分支对应的索引序列应属于同一个经第一级划分后的子集；进入同一状态的分支对应的索引序列应属于同一个经第一级划分后的子集；平行分支对应的索引序列应属于同一个经末级划分后的子集。
通过OFDM信号子帧中子载波数n与激活子载波数k计算出激活子载波序列总数，从而决定TCM编码器的码率。通过对索引序列集的不同分割构建不同状态数的网格图，从而实现索引序列间的最小汉明距离最大化，提升接收端激活子载波的检测性能。
(2)高维TCM技术设计：通过对高维信号集进行最佳子集分割实现最优TCM，具体为：
高维信号集的分割基于构成它的二维信号集的分割。对于2L维信号集，首先将其分为L个二维子集。再将这些二维子集划分成两个较小的子集，子集内信号点之间的最小欧氏距离将增加，满足d0<d1<d2<…<dn，多次划分至最小欧氏距离为dn，以保证其得到最大限度的增加。其中，d0为划分前的最小欧氏距离，d1,d2…dn为每次划分后的最小欧氏距离。每一级划分后的L个二维子集的笛卡尔积将构成对应级的2L维子集。
高维TCM技术编码器的码率由高维信号集的尺寸决定，其中高维信号集可以看作是多个二维信号集的笛卡尔积，因而可以传递更多的符号比特，实现传输效率的提升。通过对二维信号集的不同分割构建不同状态数的网格图，同时采用不同的二维信号集级联方案，以实现信号点间的最小欧氏距离最大化，提升系统的误比特率性能。
参考图2，基于TCM的高维索引调制OFDM系统包括：TCM编码器、OFDM帧生成器、快速傅里叶反变换(IFFT)模块、循环前缀模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换(FFT)模块、最大似然序列译码器；TCM编码器的输出端连接OFDM帧生成器的输入端，OFDM帧生成器的输出端连接IFFT模块的输入端，IFFT模块的输出端连接循环前缀模块的输入端，循环前缀模块的输出端通过信道连接去循环前缀模块输入端，去循环前缀模块输出端连接FFT模块输入端，FFT模块输出端连接最大似然序列译码器输入端。
TCM编码器包括：第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器、比特分组器、G个OFDM子帧生成器；第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器通过比特分组器的输出结果分别连接G个OFDM子帧生成器的输入端。
每个OFDM子帧生成器包括：同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器、IQ调制器，第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器通过比特分组器的输出结果分别连接同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器的输入端，同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器的输出端均连接于IQ调制器的输入端。
基于TCM的高维索引调制OFDM系统的工作原理为：
S21：每帧OFDM信号均发送m比特信息，将m输入TCM编码器，m比特将分为mI比特、mQ比特和mS比特，即m＝mI+mQ+mS；mI比特将分为pIG比特和(bI-pI)G比特，mQ比特将分为pQG比特和(bQ-pQ)G比特，mS比特将分为pSG比特和(bS-pS)G比特，其中bI＝mI/G，bQ＝mQ/G，bS＝mS/G，而G＝N/n，N表示一帧OFDM信号的子载波数，n表示每个OFDM信号子帧的子载波数；将pIG输入第一卷积编码器，将pQG输入第二卷积编码器，将pSG输入第三卷积编码器，卷积编码器均参照图3，其中v为输出比特，u为输入比特，K为约束长度；卷积编码器编码效率为R＝u/v，编码表达式为：
其中V,U分别为输出输入序列，GT为生成矩阵，其行数列数由输入序列长度决定；gc为子生成矩阵，0≤c≤K-1，可表示为：
其中gc (u,v)表示第c组输入寄存器比特的第u位与第v个模2和加法器的连接关系，1为相连，0为不相连；
采用码率为RI＝pI/(pI+rI)的第一卷积编码器，即经过编码得到(pI+rI)G比特；采用码率为RQ＝pQ/(pQ+rQ)的第二卷积编码器，即经过编码得到(pQ+rQ)G比特；采用码率为RS＝pS/(pS+rS)的第三卷积编码器，即经过编码可得到(pS+rS)G比特；由比特分组器将输入比特(pI+rI)G、(bI-pI)G、(pS+rS)G、(bS-pS)G、(pQ+rQ)G、(bQ-pQ)G均分成G组，每组包含(bI+rI)、(bS+rS)、(bQ+rQ)比特；在任意一帧OFDM信号的第g个子帧中，1≤g≤G；其中，bI表示每个OFDM子帧中同相索引比特个数，pI表示每个OFDM子帧中输入第一卷积编码器的同相索引比特个数，rI表示pI输入第一卷积编码器经编码后所增加的比特个数；bQ表示每个OFDM子帧中正交索引比特个数，pQ表示每个OFDM子帧中输入第二卷积编码器的正交索引比特个数，rQ表示pQ输入第二卷积编码器经编码后所增加的比特个数；bS表示每个OFDM子帧中高维信号承载的比特个数，pS表示每个OFDM子帧中输入第三卷积编码器的高维符号比特个数，rS表示pS输入第三卷积编码器经编码后所增加的比特个数；
S22：将(bI+rI)比特分为(pI+rI)比特和(bI-pI)比特，并通过同相索引映射器，将(bQ+rQ)比特分为(pQ+rQ)比特和(bQ-pQ)比特，并通过正交索引映射器；由(pI+rI)比特决定同相索引子集，(bI-pI)比特则决定同相索引符号子集中的信号点，由(pQ+rQ)比特决定正交索引子集，(bQ-pQ)比特则决定正交索引符号子集中的信号点，最后分别输出同相索引序列IRe,g＝(iRe,1,iRe,2,...,iRe,k)T和正交索引序列IIm,g＝(iIm,1,iIm,2,...,iIm,D-k)T；其中，T表示转置，iRe,α，1≤α≤k，表示OFDM子帧中被激活的子载波同相分量位置索引，iIm,β，1≤β≤D-k表示OFDM子帧中被激活的子载波正交分量位置索引；
S23：将(bS+rS)比特分为(pS+rS)比特和(bS-pS)比特，并输入高维信号映射器；由(pS+rS)比特决定四维子集，(bS-pS)比特则决定D/2个二维子集中的信号点，最后输出一个D维符号sg＝(s1,s2,...,sD)T；将sg分为sRe,g＝(s1,s2,...,sk)T和sIm,g＝(sk+1,sk+2,...,sD)T；T表示转置，元素si表示D维信号星座图中高维信号的坐标分量，1≤i≤D；k表示激活的同相分量子载波数，激活的正交分量子载波数表示为(D-k)；
S24：将sRe,g与IRe,g相结合，得到I分支输出信号为SRe,g＝(s1(iRe,1),s2(iRe,2),...,sk(iRe,k))T；将sIm,g与IIm,g相结合，得到Q分支输出信号为SIm,g＝(sk+1(iIm,1),sk+2(iIm,2),...,sD(iIm,D-k))T；将SRe,g和SIm,g输入IQ调制器，输出第g个OFDM信号子帧输出信号Tg，表达式为：
Tg＝SRe,g+jSIm,g (3)
S25：将所有OFDM子帧生成器获得的G个信号T1至TG，获得一帧频域的OFDM信号，再经过IFFT模块和循环前缀模块后，将产生的时域OFDM信号送入信道进行传输；接收端接收到时域OFDM信号，经过去循环前缀模块和FFT模块，将产生的频域OFDM信号通过最大似然序列译码器进行译码，最终得到输出；
步骤S25的具体过程为：
S251、将G个OFDM子帧通过OFDM帧生成器形成一帧频域的OFDM信号XT，即
XT＝[T1 T T2 T…TG T] (4)
S252、由S351产生的频域OFDM信号经IFFT模块转换为时域OFDM信号xT，即
xT＝ifft{XT} (5)
其中ifft{·}表示N点快速傅里叶反变换操作；
S253、对S352产生的时域OFDM信号添加循环前缀(CP)，目的是减小码间串扰和子载波间干扰；添加CP后，将基于TCM的高维索引调制OFDM信号送入信道进行传输；
S254、接收端对S353产生的时域OFDM信号去CP，并经FFT模块转换为频域OFDM信号，最后通过基于维特比译码的最大似然序列译码器进行译码，得到输出。
实例：
在本发明的一个基于TCM的高维索引调制OFDM系统中，假设采用一个四维信号星座图，即D＝4。其它参数如下，n＝4，k＝2。由于信号集只需扩展一倍就能达到几乎所有增益，令rI＝1，rQ＝1，rS＝1。索引调制部分采用码率为1/2的TCM编码器，即bI＝1，pI＝1，bQ＝1，pQ＝1。根据索引序列集的最佳子集分割原则，经过一次分割后，序列集的最小自由汉明距离由d0＝2变为d1＝d({1,1,1},{4,2,4})＝2d(1,4)+d(1,2)＝8+2＝10，因而可以得到同相子载波激活序列映射关系与正交子载波激活序列映射关系，如表Ⅰ所示。
表Ⅰ
在本实例中，四维星座图将由两个八进制二维星座图构成，二维星座图采用8PSK映射，因而四维星座图的尺寸为64，采用码率为5/6的TCM编码器，即bS＝5，pS＝3，(bS-pS)＝2。对传统八进制二维星座图应用TCM，按码率2/3计算，每个信号点可传送2比特信息，而本实例中的四维星座图每个信号点可传送5比特信息，等效于每个二维信号点可传送2.5比特信息，传输效率显然得到了提升。根据高维信号集的最佳子集分割原则，首先对二维星座图进行子集分割，如图4所示。该八进制二维星座图经过两次子集分割得到子集Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，此时最小欧氏距离为d2＝2。由两个二维信号集的笛卡尔积构成的四维信号集的子集分割如图5所示，经过两次子集分割得到子集(Ⅰ×Ⅰ),(Ⅰ×Ⅱ),…,(Ⅳ×Ⅳ)。
本发明提供一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现设备，包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现上述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
请参见图6，图6是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现设备401、处理器402及存储设备403。
一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现设备401：所述一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现设备401实现所述一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
处理器402：所述处理器402加载并执行所述存储设备403中的指令及数据用于实现所述一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
存储设备403：所述存储设备403存储指令及数据；所述存储设备403用于实现所述一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：包括：
S1：构建基于高维TCM技术的索引调制OFDM系统，对高维星座图的索引序列集进行第一最佳子集分割，实现索引序列间的最小汉明距离最大化；
S2：通过对所述索引调制OFDM系统应用TCM技术，构建基于TCM的高维索引调制OFDM系统，对高维信号集进行第二最佳子集分割，实现信号点间的最小欧氏距离最大化；
所述基于TCM的高维索引调制OFDM系统包括：TCM编码器、OFDM帧生成器、IFFT模块、循环前缀模块、去循环前缀模块、FFT模块、最大似然序列译码器；
TCM编码器的输出端连接OFDM帧生成器的输入端，OFDM帧生成器的输出端连接IFFT模块的输入端，IFFT模块的输出端连接循环前缀模块的输入端，循环前缀模块的输出端通过信道连接去循环前缀模块输入端，去循环前缀模块输出端连接FFT模块输入端，FFT模块输出端连接最大似然序列译码器输入端；
S3：将高维星座图像输入至所述基于TCM的高维索引调制OFDM系统，通过在多径衰落信道环境下传输信号，得到经过最大似然序列译码器译码后的星座图像信息。
2.如权利要求1所述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：步骤S1中第一最佳子集分割的具体过程为：
将索引序列集划分成两个第一子集，第一子集内索引序列之间的最小汉明距离将增加，满足d0<d1<d2<…<dn，直至多次划分后达到最小汉明距离dn，其中，d0为划分前的最小汉明距离，d1,d2…dn为每次划分后的最小汉明距离，n为非负整数；通过对索引序列集的不同分割构建不同状态数的第一网格图。
3.如权利要求2所述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：第一子集分割需要遵循的原则有：同级子集的索引序列数与最小汉明距离需要保持一致；所有索引序列出现的频率相等，且有相当的规则性和对称性；若每个调制间隔有p比特被编码，那么第一网格图中每个状态到下一状态有2p个可能的转移，p为正整数；从同一状态出发的分支对应的索引序列属于同一个经第一级划分后的子集；进入同一状态的分支对应的索引序列属于同一个经第一级划分后的子集；平行分支对应的索引序列属于同一个经末级划分后的子集。
4.如权利要求1所述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：步骤S2中第二最佳子集分割的具体过程为：
高维信号集的分割基于构成它的二维信号集的分割，对于2L维信号集，首先将其分为L个二维子集，L为正整数；再将这些二维子集划分成两个第二子集，第二子集内信号点之间的最小欧氏距离将增加，满足d0<d1<d2<…<dn，直至多次划分后达到最小欧氏距离dn，其中，d0为划分前的最小欧氏距离，d1,d2…dn为每次划分后的最小欧氏距离，n为非负整数；每一级划分后的L个二维子集的笛卡尔积将构成对应级的2L维子集；通过对二维信号集的不同分割构建不同状态数的第二网格图，同时对不同的二维信号集进行级联处理。
5.如权利要求1所述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：步骤S2中，TCM编码器包括：第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器、比特分组器、G个OFDM子帧生成器，第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器通过比特分组器的输出结果分别连接G个OFDM子帧生成器的输入端，G为正整数。
6.如权利要求5所述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：步骤S2中，每个OFDM子帧生成器包括：同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器、IQ调制器，第一卷积编码器、第二卷积编码器、第三卷积编码器通过比特分组器的输出结果分别连接同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器的输入端，同相索引映射器、正交索引映射器、高维信号映射器的输出端均连接于IQ调制器的输入端。
7.如权利要求6所述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：步骤S2中，所述基于TCM的高维索引调制OFDM系统的工作原理为：
S21：每帧OFDM信号均发送m比特信息，将m比特信息输入至TCM编码器，m比特信息包括mI比特、mQ比特和mS比特，即m＝mI+mQ+mS，m、mI、mQ、mS均为正整数；mI比特包括pIG比特和(bI-pI)G比特，mQ比特包括pQG比特和(bQ-pQ)G比特，mS比特包括pSG比特和(bS-pS)G比特，其中，bI＝mI/G，bQ＝mQ/G，bS＝mS/G，而G＝N/n，N表示一帧OFDM信号的子载波数，n表示每个OFDM信号子帧的子载波数；将pIG输入至第一卷积编码器，该第一卷积编码器采用码率为RI＝pI/(pI+rI)的卷积编码器，即经过编码得到(pI+rI)G比特；将pQG输入至第二卷积编码器，该第二卷积编码器采用码率为RQ＝pQ/(pQ+rQ)的卷积编码器，即经过编码得到(pQ+rQ)G比特；将pSG输入至第三卷积编码器，该第三卷积编码器采用码率为RS＝pS/(pS+rS)的卷积编码器，即经过编码可得到(pS+rS)G比特；由比特分组器将输入比特(pI+rI)G、(bI-pI)G、(pS+rS)G、(bS-pS)G、(pQ+rQ)G、(bQ-pQ)G均分成G组，每组包含(bI+rI)、(bS+rS)、(bQ+rQ)比特；在任意一帧OFDM信号的第g个子帧中，1≤g≤G；其中，bI表示每个OFDM子帧中同相索引比特个数，pI表示每个OFDM子帧中输入第一卷积编码器的同相索引比特个数，rI表示pI输入第一卷积编码器经编码后所增加的比特个数；bQ表示每个OFDM子帧中正交索引比特个数，pQ表示每个OFDM子帧中输入第二卷积编码器的正交索引比特个数，rQ表示pQ输入第二卷积编码器经编码后所增加的比特个数；bS表示每个OFDM子帧中高维信号承载的比特个数，pS表示每个OFDM子帧中输入第三卷积编码器的高维符号比特个数，rS表示pS输入第三卷积编码器经编码后所增加的比特个数；
S22：将(bI+rI)比特分为(pI+rI)比特和(bI-pI)比特，并通过同相索引映射器，将(bQ+rQ)比特分为(pQ+rQ)比特和(bQ-pQ)比特，并通过正交索引映射器，最后分别输出同相索引序列IRe,g＝(iRe,1,iRe,2,...,iRe,k)T和正交索引序列IIm,g＝(iIm,1,iIm,2,...,iIm,D-k)T；其中，T表示转置，iRe,α，1≤α≤k，表示OFDM子帧中被激活的子载波同相分量位置索引，iIm,β，1≤β≤D-k表示OFDM子帧中被激活的子载波正交分量位置索引；
S23：将(bS+rS)比特分为(pS+rS)比特和(bS-pS)比特，并输入至高维信号映射器，最后输出一个D维符号sg＝(s1,s2,...,sD)T；将sg分为sRe,g＝(s1,s2,...,sk)T和sIm,g＝(sk+1,sk+2,...,sD)T；T表示转置，元素si表示D维信号星座图中高维信号的坐标分量，1≤i≤D；k表示激活的同相分量子载波数，激活的正交分量子载波数表示为(D-k)；
S24：将sRe,g与IRe,g相结合，得到I分支输出信号为SRe,g＝(s1(iRe,1),s2(iRe,2),...,sk(iRe,k))T；将sIm,g与IIm,g相结合，得到Q分支输出信号为SIm,g＝(sk+1(iIm,1),sk+2(iIm,2),...,sD(iIm,D-k))T；将SRe,g和SIm,g输入IQ调制器，输出第g个OFDM信号子帧输出信号Tg，表达式为：
Tg＝SRe,g+jSIm,g
S25：将所有OFDM子帧生成器获得的G个信号T1至TG，获得一帧频域的OFDM信号，再经过IFFT模块和循环前缀模块后，将产生的时域OFDM信号送入信道进行传输；接收端接收到时域OFDM信号，经过去循环前缀模块和FFT模块，将产生的频域OFDM信号通过最大似然序列译码器进行译码，最终得到输出。
8.如权利要求7所述的一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法，其特征在于：步骤S25具体为：
S251、将G个OFDM子帧通过OFDM帧生成器形成一帧频域的OFDM信号XT，即
XT＝[T1 T T2 T … TG T] (4)
其中，T1 T表示第1个OFDM子帧的转置，T2 T表示第2个OFDM子帧的转置，TG T表示第G个OFDM子帧的转置；
S252、由S251产生的频域OFDM信号经IFFT模块转换为时域OFDM信号xT，即
xT＝ifft{XT} (5)
其中，ifft{·}表示N点快速傅里叶反变换操作；
S253、对S252产生的时域OFDM信号添加CP，将基于TCM的高维索引调制OFDM信号送入信道进行传输；
S254、接收端对S253产生的时域OFDM信号去CP，并经FFT模块转换为频域OFDM信号，最后通过基于维特比译码的最大似然序列译码器进行译码，得到译码后的星座图像信息。
9.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～8任一项所述的基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
10.一种基于TCM的高维索引调制OFDM实现设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～8任一项所述的基于TCM的高维索引调制OFDM实现方法。
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