一种空-频-码三维索引调制无线通信方法与流程

本发明属于高速无线通信技术领域，涉及的技术包括多输入多输出的空间调制、码索引调制、子载波索引调制和直接序列扩频通信。

背景技术

近年来，随着人们对高速数据传输速率和频带利用率的需求越来越高，无线通信技术也在迅猛的发展。高速的数据传输速率和可靠的传输质量已经成为无线通信发展的必要前提，有限的频谱资源已经不能满足用户快速增长的需求，正是在这样的背景下，扩频调制、正交频分复用、大规模多输入多输出等调制技术被提出。并且得到了广泛的研究，目前这些技术在理论与实际工程中都已趋于成熟，并被广泛应用于4g和ieee802.11等无线通信标准中。然而，随着人们对数据传输速率和频谱效率越来越高的要求，现有的一些技术不再能够满足人们的需求，再加上现有技术存在的一些不足。比如系统能量消耗过高、实现复杂度大等。因此，亟待提出一种能实现频谱效率和能量效率平衡，同时又符合绿色通信的通讯技术。于是，索引调制技术就这样诞生了。

索引调制(indexmodulation，im)技术是近年来兴起的一种新型的传输技术，主要包括空域索引调制技术、频域索引调制技术和码索引调制技术。其分别对应空间调制(spatialmodulation，sm)技术、基于索引调制的ofdm(ofdmwithindexmodulation,ofdm-im)技术和码索引调制(codeindexmodulation，cim)技术。这三类技术是近几年研究的热点。其中空间调制技术和基于索引调制的ofdm技术已经有大量的研究成果，码索引调制技术是在2015年才提出来的，目前仅有几篇论文。索引调制技术的相关论文可见文献^[1][2]。

2008年，国外的mesleh等学者首次提出sm技术的基本概念^[3]，sm技术的提出是索引调制技术的一次重大突破，它作为一种新型多天线传输技术，在保持多天线系统传输效率和性能的同时，还能明显降低复杂度和硬件开销，是未来mimo技术发展进步的一个主要方向。与传统的mimo技术相比，空间调制技术能够有效的避免信道间干扰和多天线发射同步的问题。正是空间调制的这些优点，最近几年，sm技术得到了国内外学者的广泛研究，并得到了充分地发展，一系列多天线调制技术被提出。其中，尤以空移键控(spaceshiftkeying，ssk)、广义空移键控调制(generalizedspaceshiftkeying,gssk)和正交空间调制(quadraturespatialmodulation,qsm)为代表。在文献^[4][5]中分别提出了ssk与gssk。这两种多天线调制方案都没有传统的幅相调制，完全是利用天线开关状态传递信息，而两者的区别又在于，ssk每个时隙只激活一根天线，通过单天线索引映射的方式传递信息；gssk每个时隙激活多根天线，通过激活的天线索引组合的方式传递信息。文献^[6]提出一种qsm，扩展了sm的映射星座图，最大化利用了调制符号的同相域和正交域。每个传输时隙，调制符号的同相分量和正交分量分别选择不同的天线发射。目前，在国外基于大规模mimo的索引调制技术在第五代移动通信技术中已经展开了相关的研究，主要针对在大规模mimo系统中基站的多用户协作进行研究，并已经取得一定的研究进展^[7]。在国内，电子科技大学李少谦教授小组最早对多天线空间调制技术进行了研究，同时指导的研究生论文^[8][9]，对sm通信的可行性以及解调算法的优化进行了研究。除此之外还有大连海事大学^[10]、西安电子科技大学^[11]等高校也开展了相关研究。

2009年，受sm技术迅猛发展的影响，国外的r.abu-alhiga和h.haas教授将空间调制技术的天线索引思想运用到ofdm子载波中，并提出了一种基于键控方式的子载波索引调制(subcarrier-indexmodulation)^[12]。子载波索引调制在频域引入索引调制以及子载波块的概念，以一个子载波块为调制单位，根据索引信息比特对应着映射关系表只激活其中的一部分载波并发送数据，其基本原理可以看作是空间调制技术在频域的变体。ofdm-im系统与传统的ofdm系统不一样的地方就在于：ofdm-im系统在调制过程中多了索引调制，就是根据索引比特，由具体的映射关系表选择具体的子载波激活并发送数据，而其余的索引调制比特可以弥补部分静默子载波所带来的频谱效率损失的问题。接收端检测以一个子载波块为检测、解调的单位，同时恢复出索引信息比特和星座符号比特。目前，有许多研究人员已从键控方式、子载波交织方式、最大化欧式距离与增强型索引映射等角度，提出了许多不同调制方案^{[13][14][15][16]}。文献^[17]从理论与仿真两个角度，深入分析对比了sim与ofdm的性能，并分析了sim频域分集方面的优势。

2015年，g.kaddoum教授等基于扩频通信技术提出码索引调制(codeindexmodulation,cim)^[18]，码索引调制技术提出的初衷是为了避免多天线空间调制技术中，不断变化的天线映射组合而带来的复杂的信道估计问题。码索引调制技术的基本思想来源于空间调制，它实现的基础是直接序列扩频调制技术^[19-21]，码索引调制在收发端分别设置一根发射天线和一根接收天线，采用相互正交扩频码映射信息比特与qam调制相结合的方式来传输信息，相比于传统的直接序列扩频技术，码索引调制技术不仅保留了直接序列扩频通信本身就具备的性能优势，而且在更低能量消耗的情况下，进一步提高了信息传输速率。cim的出现使得扩频通信理论的发展过程，又迈出了历史性的一步。目前已知的cim研究成果很少，在国内只有厦门大学王琳教授研究小组，展开了对cim调制的研究，发表的文献^[22]中，将差分混沌键控调制引入到cim，提出了一种混沌方式的码索引调制。

二维的索引调制是将两种一维的索引调制结合起来的一种调制技术，2016年basar提出了广义空频索引调制^[23]，广义空频索引调制是将广义空间调制和子载波索引调制联合起来，在空域和频域都建立索引构成联合索引调制结构。目前能够查阅到二维索引调制的研究团队并不多，二维索引调制优势之处在于，通过两种索引方式增加了隐形传输的信息比特数，因而在能量效率与频谱效率方面更加具有优势；不足之处在于，接收端解调复杂度大，同时难以通过预编码技术获得信道状态信息。目前二维索引调制技术的研究才刚刚开始，所涉及的基础调制方案、解调算法和性能分析等有待进一步深入研究。

目前的一维索引调制技术都是以提升索引资源使用量来换取频谱效率，如cim是通过增大伪随机码(pseudorandom，pn)映射表维度来换取频谱效率，sm是通过增加发射端天线个数来换取频谱效率，这种以增加索引资源使用量来换取频谱效率的方式使得系统需消耗大量物理资源且接收端检测算法的复杂度大。此外，sm与sim抗干扰能力较差，相比之下，直接序列扩频技术在抗干扰能力方面有着良好的性能，但这种扩频方式有一个缺点就是频带利用率较低，表现为在给定的带宽，传输速率较低。因此cim通过引入pn码索引的方式，在保持直接序列扩频良好抗干扰能力的同时，又增大了扩频系统的传输速率。如果要进一步提升系统的传输速率，那么cim调制系统将要采用大量的pn码，使得接收端需要大量相关器实现对发射端采用的pn码的相关检测。由于目前对二维的索引调制还很少，暂时还没有将天线索引、码索引和子载波索引结合起来的三维索引调制研究。本发明的主要目的在于，提出一种空-频-码三维索引调制无线通信系统，旨在进一步提高索引映射传输的信息比特数。同相同频谱效率的cim相比较，本次提出的三维索引调制使用的pn码个数更少，减少了接收端相关器的使用个数，更便于工程上的实现。同相同频谱效率的sm相比较，本次提出的三维索引调制在发射端使用的天线个数更少；且系统在整个发送过程中，始终激活两根天线，同相同频谱效率的子载波索引调制相比较，激活的子载波个数更少，因而减少了调制解调的复杂度。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种调制使用的pn码个数更少、发射端使用的天线个数更少、减少了调制解调的复杂度的空-频-码三维索引调制无线通信方法。本发明的技术方案如下：

一种空-频-码三维索引调制无线通信方法，其包括以下步骤：在发射端，包括：产生信息比特并串并转换成以下四部分，分别为调制部分gmod、天线索引部分gant、pn码索引部分gcode与子载波索引部分gsub；

索引调制与符号调制的步骤，其中索引调制包括天线索引调制、扩频码索引调制和子载波索引调制；天线索引调制是根据天线索引块gant选择待激活的天线，扩频码索引调制是根据pn码索引块gcode选择待激活的扩频码，子载波索引调制是根据子载波索引块gsub选择待激活的子载波，符号调制是根据调制块gmod调制成符号；

调制符号扩频传输的步骤：首先是将调制符号的同相部分和正交部分分别选择由pn码索引块gcode激活的pn码，然后各自与激活的pn码相乘扩频，扩频以后再通过天线切换至发射天线处，经ofdm调制后将信号发射出去。

在接收端，进行信号检测与解调，包括激活的子载波、激活的天线、激活的扩频码和调制符号的检测与解调。

进一步的，所述产生信息比特并串并转换成以下四部分，分别为调制部分gmod、天线索引部分gant、pn码索引部分gcode与子载波索引部分gsub，具体包括：

(1)假设本系统发射机天线根数为nt，接收机天线根数为nr，pn码组维度为nc，子载波的个数为ns，基带调制的调制阶数为m，记作系统配置(nt,nr,nc,ns,m)；

(2)假设在任意一个传输间隙，发送端信息比特q的长度为经串并转换后分成四个部分，分别为天线索引部分gant、pn码索引部分gcode与子载波索引部分gsub、调制部分gmod，其对应的长度依次为2log2nt、2log2nc、2log2ns、m，其中m满足2^m＝m。

进一步的，所述天线索引部分gant再分为同相天线索引块和正交天线索引块长度均为log2nt；pn码索引部分gcode再分为同相pn码索引块和正交pn码索引块长度均为log2nc；子载波索引部分gsub再分为同相子载波索引块和正交子载波索引块长度均为log2ns。

进一步的，所述索引调制与符号调制，其中索引调制包括天线索引调制、扩频码索引调制和子载波索引调制，具体包括：

(1)符号调制过程中，调制部分gmod经过基带调制后，调制成调制符号x，其同相分量为xre，正交分量为xim，则调制符号x可表示为x＝xre+jxim；

(2)天线索引过程中，同相天线索引块为正交天线索引块为分别通过查找天线索引表，选择要采用的天线txre与天线txim；

(3)扩频码索引调制中，同相pn码索引块为正交pn码索引块为分别通过查找pn码索引表，选择扩频需要的pn码wm和pn码wn；

(4)子载波索引调制中，同相子载波块为正交子载波块为分别通过查找子载波索引表，选择要采用的子载波bxre与子载波bxim；

进一步的，所述调制符号扩频传输过程具体包括：

(1)调制符号x的同相分量xre首先通过同相pn码索引块选择的pn码wm扩频，然后再通过余弦载波调制；同样正交分量xim通过正交pn码索引块选择的pn码wn扩频，然后再通过正弦载波调制；

(2)经过载波调制后的同相支路信号和正交支路信号分别通过功率放大器，然后送往各自的天线切换模块，在每一根天线前面有一个mimo-ofdm调制器，每个调制器有ns个子载波，同相支路信号先通过同相天线索引块选择的天线txre前面的调制器调制以后再发射出去，正交支路信号也是先通过正交天线索引块选择的天线txim前面的调制器调制以后再发射出去。

进一步的，所述接收端进行信号检测与解调，包括激活的子载波、激活的天线、激活的扩频码和调制符号的检测与解调，具体包括：

(1)信号到达接收端经载波恢复后，首先通过mimo-ofdm解调器，检测出同相分量使用的子载波和正交分量使用的子载波然后通过反向查找子载波索引映射表解映射出同相子载波索引部分对应的信息比特和正交子载波索引部分对应的信息比特

然后通过估计过程检测出每个时隙激活的天线与激活的pn码与以及调制符号的同相分量与正交分量

(2)将检测到调制符号的同相分量与正交分量合成为调制符号然后经过解调，恢复出调制部分对应的信息比特

(3)将检测到的激活天线与通过反向查找天线索引表，解映射出发送端同相天线索引部分对应的信息比特与正交天线索引部分对应的信息比特

(4)将检测到的激活pn码的与通过反向查找pn码索引表，解映射出发送端同相pn码索引部分对应的信息比特与正交pn码索引部分对应的信息比特

(5)最后将和七部分信息比特块，经过并串转换恢复出源信息比特

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出了一种空-频-码三维索引调制方案，本发明的主要思想是：将空间调制的天线索引、码索引调制的扩频码索引和子载波索引调制的子载波索引相结合，然后采用正交映射方式使得天线索引、扩频码索引和子载波索引得到重复利用，增加了索引映射传输的信息比特。主要的特点在于以下两点：(1)采用三种索引资源参与索引，将天线索引、扩频码索引和子载波索引结合成三维索引方式，这种三维索引映射的多天线通信系统采用基于码索引调制的直接序列扩频技术和子载波索引调制的频域变体；(2)在每个传输时隙，激活的扩频码个数、激活的天线根数和激活的子载波个数均为两个。发射端将基带调制符号的同相分量和正交分量拆开，同相分量和正交分量采用正交映射方式，独立进行索引映射，分别选取当前分量扩频激活的扩频码、激活的天线和激活的子载波。接收端首先是通过mimo-ofdm解调器，解调出同相分支与正交分支所选择的子载波，然后在通过估计的方式检测信息，检测信息也是按照信号的同相分支和正交分支分别进行。首先检测的是用于扩频调制符号同相分量的扩频码与发送调制符号同相分量的天线；然后检测用于扩频调制符号正交分量的扩频码与发送符号正交分量的天线，最后将调制符号的同相分量和正交分量合成，方可解调出调制符号信息比特。最终通过串并转换的方式恢复原始信息比特。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的发射机框图。

图2是本发明的接收机框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本次发明的无线通信系统，在收发端采用多根天线，信号发射过程中采用直接序列扩频技术和子载波索引调制技术。发射端分为四个部分，分别进行基带调制、天线索引、扩频码索引和子载波索引；同样地，在接收端的检测过程也分为四个部分，分别是检测激活的子载波、激活的天线、激活的扩频码和调制符号。

本发明具体的实现步骤如下：

步骤1：产生信息比特并串并转换，见图1。

(1)假设本系统发射机天线根数为nt，接收机天线根数为nr，pn码组维度为nc，子载波的个数为ns，基带调制的调制阶数为m，记作系统配置(nt,nr,nc,ns,m)。

(2)假设在任意一个传输间隙，发送端信息比特q的长度为经串并转换后分成四个部分，分别为天线索引部分gant、pn码索引部分gcode与子载波索引部分gsub、调制部分gmod，其对应的长度依次为2log2nt、2log2nc、2log2ns、m，其中m满足2^m＝m。

(3)同时天线索引部分gant再分为同相天线索引块和正交天线索引块长度均为log2nt；pn码索引部分gcode再分为同相pn码索引块和正交pn码索引块长度均为log2nc；子载波索引部分gsub再分为同相子载波索引块和正交子载波索引块长度均为log2ns。

上述信息比特q分割方式可通过式(1-8)表示：

其中，

bi表示信息比特q中的第i位比特。

步骤2：索引调制与符号调制，其中索引调制包括天线索引调制、扩频码索引调制和子载波索引调制。

(1)符号调制过程中，调制部分gmod经过基带调制后，调制成调制符号x，其同相分量为xre，正交分量为xim。则调制符号x可表示为x＝xre+jxim。

(2)天线索引过程中，同相天线索引块为正交天线索引块为分别通过查找天线索引表，选择要采用的天线txre与天线txim。

(3)扩频码索引调制中，同相pn码索引块为正交pn码索引块为分别通过查找pn码索引表，选择扩频需要的pn码wm和pn码wn。

(4)子载波索引调制中，同相子载波块为正交子载波块为分别通过查找子载波索引表，选择要采用的子载波bxre与子载波bxim。

步骤3：调制符号扩频传输过程。

(1)调制符号x的同相分量xre首先通过同相pn码索引块选择的pn码wm扩频，然后再通过余弦载波调制；同样正交分量xim通过正交pn码索引块选择的pn码wn扩频，然后再通过正弦载波调制。

(2)经过载波调制后的同相支路信号和正交支路信号分别通过功率放大器，然后送往各自的天线切换模块。在每一根天线前面有一个mimo-ofdm调制器，每个调制器有ns个子载波。同相支路信号先通过同相天线索引块选择的天线txre前面的调制器调制以后再发射出去，正交支路信号也是先通过正交天线索引块选择的天线txim前面的调制器调制以后再发射出去。

步骤4：接收端信号检测与解调。

(1)信号到达接收端经载波恢复后，首先通过mimo-ofdm解调器，检测出同相分量使用的子载波和正交分量使用的子载波然后通过反向查找子载波索引映射表解映射出同相子载波索引部分对应的信息比特和正交子载波索引部分对应的信息比特

(2)然后通过估计过程检测出每个时隙激活的天线与激活的pn码与以及调制符号的同相分量与正交分量

(3)将检测到调制符号的同相分量与正交分量合成为调制符号然后经过解调，恢复出调制部分对应的信息比特

(4)将检测到的激活天线与通过反向查找天线索引表，解映射出发送端同相天线索引部分对应的信息比特与正交天线索引部分对应的信息比特

(5)将检测到的激活pn码的与通过反向查找pn码索引表，解映射出发送端同相pn码索引部分对应的信息比特与正交pn码索引部分对应的信息比特

(6)最后将和七部分信息比特块，经过并串转换恢复出源信息比特

下面举一实例说明本发明发射端信息比特映射过程，假设我们采用的系统配置为：nt＝4，nr＝4，nc＝4，ns＝4，m＝4。即(4,4,4,4,4)。因此在发射端每一个传输时隙发送的信息比特q应为个比特。假设一个传输时隙发送的信息比特流q＝[01101101100111]，由式子(1-8)可得，各映射块包含的信息比特依次为：gmod＝[11]。通过查找表1、表2和表3可知，映射为天线tx-2，映射为天线tx-3，映射为pn码w4，映射为pn码w2，映射为子载波bx-3，映射为子载波bx-2。gmod经过qam调制后，调制成调制符号：x＝1+j,其中，调制符号的实部xre＝1，虚部xim＝1。

索引映射过程完成以后，发射端调制符号x的同相分量xre＝1首先通过由同相pn码索引块选择的pn码w4扩频，然后经载波调制后经过功率放大器，在每一根发射天线前面有一个mimo-ofdm调制器，每个调制器里都有ns个子载波，不过只激活由同相子载波块选择的子载波bx-3，最后经mimo-ofdm调制器调制后由同相天线映射块选择的天线tx-2将信号发射出去，正交分量处理的过程完全一样。

需要说明的是由激活的天线可能是同一根天线。假设映射块中信息比特均为01时，查找天线索引表可知，发射端激活的天线均为tx-2，因此在tx-2天线上同时发送调制符号的同相分量与正交分量，其中正交分量与同相分量均由选择的pn码扩频。因此由和选择的pn码也可能是同一个pn码，同样的道理，由和选择的子载波也有可能是同一个子载波。

以下表1-表3分别为：

表1为天线索引表

表2为pn码索引表

表3为子载波索引表

本次发明的空-频-码三维索引调制无线通信方法，丰富了目前索引调制技术理论，从一维的索引调制不断向二维、三维发展。本次发明采用了空域、码域和频域三种索引映射方式，结合了空间调制、子载波索引调制和码索引调制中扩频技术的优势，既利用了多天线信道链路资源，又通过扩频技术本次发明的无线通信系统具有抗干扰和抗多径能力，与此同时，本次发明的无线通信系统采用正交映射的方式，使得三种索引资源得到了重复利用，降低了成本的消耗。在每个传输时隙，激活的天线数目、扩频码个数和子载波个数始终为两个，与现有的一维和二维索引调制相比，本发明具有如下优势：

(1)系统频谱效率的提升。本发明相比于一维和二维的索引调制，系统的频谱效率会更高，原因就是增加了索引维度，使得每一个传输时隙传输更多的信息比特，因此频谱效率是优势之一。

(2)索引资源的消耗会更少。假设本发明我们采用的系统配置为：nt＝4，nr＝4，nc＝4，ns＝4，m＝4，即(4,4,4,4,4)。那么频谱效率为14bits/s/hz，假设一维的空间调制也要达到相同的频谱效率，在调制阶数也为4的情况下，则需要4096根发射天线。由此可见，更高维的索引调制会更加节省索引资源。

(3)本发明采用的是正交映射方式，使得天线索引资源、码索引资源和子载波资源都得到了二次利用，进而增加了隐形传输的索引映射比特，因此在能量效率方面也更加具有优势。

(4)本发明利用了cim中的扩频技术，保持了扩频通信良好的性能，具有一定的抗干扰能力和抗多径能力。

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以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。