本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及基于频域均衡(Frequency Domain Equalization,FDE)的块数据传输技术和索引调制(Index Modulation,IM)技术。
背景技术：
基于频域均衡的块数据传输技术是近年来研究较多的用于频率选择性衰落信道的通信方式。其将整个带宽划分为多个子带宽，每个子带宽均小于信道相干带宽，因此呈现平坦衰落特性，可以利用导频完成信道的估计与均衡。块传输技术主要包含正交频分复用和单载波频域均衡技术，二者都能较好地应对频率选择性衰落。
近些年，有学者提出了索引调制(Index Modulation,IM)传输技术。其思想是利用通信系统固有的索引序号，如天线的索引、子载波索引以及时隙索引等作为载体传输额外的信息比特。由于这样的数据传输是基于系统内固有的索引序号特征实现的，因此IM可以同时提高通信系统的频谱效率和功率效率。
基于频域均衡的块传输技术中，每个符号块内也存在索引，因此其也是IM技术的研究热点之一。早期的IM技术中，每个数据块中的符号状态分为激活和不激活两种，激活的符号正常传输调制信息，而未激活的符号则置为零，不传输任何信息。尽管其能在某些参数设定情况下提高系统的传输性能，但静默符号的存在使得频谱资源始终存在较多浪费，不利于系统传输效率的提升。鉴于此，又有学者提出将数据块内的符号状态从激活和不激活变为经两种不同调制模式(MA和MB)调制，即双模式调制(Dual-mode,DM)，从而得到双模式索引调制(DM-IM)技术。在DM-IM技术中，所有符号均传输调制信息，同时符号调制方式的选取根据索引比特而定。接收端通过判定接收到符号的调制模式来恢复索引比特。
DM-IM技术可以进一步提升块传输技术的频谱效率，但同时引入了新的问题。为了较为方便地进行索引调制和解调，DM-IM通常会用一张查找表来定义索引比特和符号调制模式的映射关系。如果查找表设计不当，会导致索引比特的误码率和符号解调比特的误码率显著提升。以系统子块大小L＝4为例，由调制方式MA调制的符号数K＝2，由调制方式MB调制的符号数则为L-K＝2。这样，每个子块所能传输的索引比特数为2个。目前尚无查找表设计的方法，而常用的查找表如下：
表1：现有的DM-IM索引调制查找表
其中和代表来自调制方式MA和MB的符号，i和j分别表示来自同一调制方式的2个不同符号。经分析，该查找表存在以下两个问题。
首先，调制模式I1与I4为相似的模式，其第一、第三个符号的调制方式相同，第一个符号的调制方式为MA，第二个符号的调制方式为MB，因此受到信道环境和噪声的影响，接收端有较大概率误判I1与I4。根据查找表中定义，此时误判将导致索引比特由00变为11(或11变为00)，得到两个误码，为所有误判情况下的最大错误比特数。同理，调制模式I2和I4之间也存在相同的问题。而调制模式I1与I3属于彻底相反的模式，四个符号的调制方式均不同。在判决时，得到彻底相反的调制模式的概率很低，而二者分配的比特差异却只有1个比特(00和10)。很显然，将相似的调制模式分配以最多的索引比特差异，同时将相反的调制模式分配以最少的索引比特差异，是不合理的分配方式。相同情况下，平均索引比特误码率会更高。
其次，当调制方式MA和MB的阶数不同，即mA≠mB时，这意味着和解调得到的比特个数不同。当接收端错误判决子块的调制模式时，如将I1误判为I2，可以看到第一、第三个符号因为误判而采用了错误的解调器进行解调，同时，尽管第二个符号使用了正确的解调器解调(仍然为MA)，其解调结果仍会出错。因为发送端处，第一个符号是有log2(mA)个比特。而接收端则认为前一个符号是解调后会得到log2(mB)个比特。由于MA和MB调制阶数可能不同，因此log2(mA)和log2(mB)大小也可能不同，这就使得第二个符号的解调比特可能会发生平移和错位，导致其解调结果发生突发差错，误码率显著提升。这就是目前DM-IM技术在采用不同调制阶数的调制方式时的误差传播问题——调制模式的判决错误不仅会导致判错的符号解调出错，还可能使得其它符号的解调结果因为错位而出错，产生大量误码。
综合以上两个问题，为了确保DM-IM技术能得到较好的误码率性能，需要科学合理地设计查找表，降低索引比特的误码率，同时尽可能避免误差传播问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种双模式索引调制映射设计方法，即一种查找表设计方法，可以提高DM-IM技术的误码率性能，同时不会引入额外的资源和复杂度开销。
本发明中的查找表设计方法，主要包括两部分内容。一是子符号调制模式的设计和选择，二是索引比特和符号调制模式的映射关系设计。具体包括以下步骤：
步骤一：在DM-IM系统中，从每个子块可供选取的调制模式中按照本发明给出的限制条件选择符合要求的调制模式。
本步骤具体为：确定DM-IM系统的各项参数。设系统的子块数为G，每个子块包含的符号数为L，为满足本专利的设计要求，每个子块中激活的符号数限制为K＝L/2，根据组合公式可以得到，每个子块的可供选取的调制模式个数共有个。从这些可能的调制模式中，选择满足以下条件的模式：
其中[s2i-1,s2i]表示符号上传输的一对符号，sA和sB表示来自调制方式MA和调制方式MB的符号。此处对调制方式MA和MB没有限制，可以是PSK调制或QAM调制。MA和MB的调制阶数mA和mB可以相同或不同，但需要确保二者的星座图没有交集，即
上述限制条件使得选取出的各调制模式之间的差异均以符号对为基本单元。由于每一个符号对中的比特数均等于log2(mA)+log2(mB)，因而当接收端误判当前符号对的调制方式时，解调恢复的比特数不变，不会影响子块中其余符号对的解调。这就避免了目前DM-IM系统在使用两种不同阶数的调制方式时所出现的误差传播问题。
从式(1)可以看到每一对(两个)符号可能的调制模式有两种，因此当每个子块的符号数为L时，共有L/2对符号，所有满足条件的模式数即为2L/2个，每个子块可以传输的索引比特数为个。
步骤二：定义L/2个索引比特与2L/2个调制模式之间的映射关系。为了减少因调制模式判决错误而导致的索引比特错误，映射关系定义原则为：两个调制模式之间，调制模式的差异越大，所安排的对应索引比特的差异越大。
这里有两种对差异的具体计算方式：
方式一：索引比特组的汉明距离正比于调制模式之间的欧式距离，即：
其中代表调制模式I1和I2对应的索引比特组的汉明距离，||I1-I2||2是I1和I2之间的欧式距离。根据式(2)完成索引比特和调制模式之间的映射定义，确定查找表对应内容。
方式二：对于绝大多数的不太复杂的星座图，方式一中的计算方式可以简化为判断索引比特中不同比特的个数正比于调制方式不同的符号对的个数。具体做法为：以调制模式中的调制方式对为单位，比较两个调制模式之间位置对应的两个调制方式对，获取调制方式差异对的个数；两调制模式之间，差异对的个数越大，所安排的对应索引比特的差异越大。
以上步骤一和步骤二即完成了映射设计，即查找表的搭建。下面步骤三和四是对查找表的使用。
步骤三：在前两步确定DM所用的查找表后，即可进行调制与解调。对于每一个符号块，可以传输的索引比特数最多为个，调制方式MA所传输的比特数b2＝Klog2(mA)，调制方式MB传输的比特数为b3＝(L-K)log2(mB)，因此每个子块共可传输B＝b1+b2+b3个比特。信源一共产生G·B个比特，分给G个子块，其中b1个比特确定每个子块的调制模式，b2个比特确定MA调制的符号上的符号，b3个比特确定MB调制的符号上的符号，由此完成每个子块的索引调制。随后，G个子块组合成一个完整的符号块。
步骤四：之后步骤与普通DM-IM系统相同。以基于单载波频域均衡的DM-IM系统为例，发送端对符号块添加CP(循环前缀)后进行传输；信号经过频率选择性衰落信道后到达接收端；接收端将接收到的信号去循环前缀，并通过FFT变换到频域进行频域均衡；而后通过IFFT返回时域进行ML(最大似然概率)检测，得到调制模式的检测结果，并相应对各个符号上的符号进行解映射。
本发明的核心为式(1)和式(2)所示的查找表设计方法。式(1)确保当采用不同阶数的两种调制方式时，DM-IM系统不会遇到误差传播问题。因为不同的调制模式之间的差异始终是成对的，如果接收端对模式的判决出现错误，只会影响判错的一对或多对符号，并不会影响其余各对符号。这就保证了DM-IM系统在不同调制方式的情况下仍然能取得很好的误码率性能。式(2)的设计方法则保证了索引比特的平均误码率最低。二者结合，可以提高DM-IM的整体误码率性能。
综上所述，本发明与传统DM-IM技术的最大不同在于索引调制查找表的设计方法。目前索引调制系统所采用的查找表均无设计依据，相比于此，本发明提出的设计原则(1)和(2)可以降低索引比特的误码率，同时避免符号子块内部的误差传播现象，进一步提高DM-IM系统的传输性能。
附图说明
图1为本发明双模式索引调制映射设计方法的设计流程；
图2为系统框图；
图3为现有的DM-IM系统与采用所提出的映射查找表后系统的索引比特误码率性能对比图，系统采用的两种调制方式均为QPSK；
图4为传统单载波频域均衡系统、现有的DM-IM系统和采用所提出的映射查找表后系统的整体误码率性能对比图，单载波系统的调制方式为8PSK，而DM-IM系统中的两种调制方式分别为MA＝8PSK，MB＝QPSK。
具体实施方式
本发明提供了一种双模式索引调制映射设计方法，其主要思想是：如图1所示，通过调制模式的设计和索引比特与调制模式之间映射关系的设计，降低索引比特的误码率，同时避免符号子块内部的误差传播现象，进一步提高DM-IM系统的传输性能。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
步骤一：以单载波频域均衡技术为例，设DM-IM系统中的每个符号块大小为N＝256，且分为64个子块，子块大小为L＝4。同时，每个子块内，由调制方式MA调制的符号数K＝2，由调制方式MB调制的符号数为L-K＝2。利用组合数公式，可以得到此时所有可能的调制模式共有种，分别为：
步骤二：根据式(1)中的要求，可以看到这6种模式里，符合条件的为I1、I2、I3和I4，即每个调制模式中，奇数位与偶数位的调制方式满足[sA,sB]或[sB,sA]的特征，因此确定查找表中所用的四种调制模式。
步骤三：根据式(2)确定索引比特和调制模式之间的映射关系。
本步骤中，先计算比较不同模式之间的欧式距离。由于不需要精确计算，只需定性比较大小，因此欧式距离可以等效为不同模式之间的符号差异对的个数。例如I1和I2，其第一对符号的调制模式相同，第二对符号的调制模式相反，因此符号差异对数为一对；而I1和I4之间，两对符号的调制方式均不同，因此符号差异对数为二对。以I1为基准，各调制模式之间的距离排序为：
I1>I2＝I3>I4
根据式(2)，若设索引比特组00映射为I1，则索引比特组的汉明距离排序为：
00>01＝10>11
由此得到各组映射关系为：
表2：根据提出的设计原则而得到的索引调制查找表
其索引比特的汉明距离(不同比特个数)与调制模式之间的欧式距离成正比，符合式(2)中的约束。
步骤四：得到符合式(1)和式(2)的查找表后，其余步骤与普通DM-IM系统相同。如图2所示，发送端对符号块添加循环前缀CP后进行传输；信号经过频率选择性衰落信道后到达接收端；接收端将接收到的信号去循环前缀，并通过FFT变换到频域进行频域均衡；而后通过IFFT返回时域进行如式(3)的ML检测，得到调制模式的检测结果，并相应对各个符号上的符号进行解映射。
式中，是ML检测的结果；是经频域均衡后的时域的第g个子块，Xg＝[Xg,1,Xg,2,...,Xg,L]代表备选的发射信号，Λ为所有可能的发射信号向量集合，集合内的元素一共有个。
根据表2中的映射关系可以看到，当且仅当两对符号调制模式都判断错时，如I1判为I4或I2判为I3时，才会导致两个索引比特都出错，否则均只会得到一个错误比特。而一般情况下两对符号全部判错的概率很低。因此这样的映射规则设计相比原先的方案能在相同情况下取得更低的平均索引比特错误率。另一方面，表2中的各调制模式之间的差异均成对，一旦接收端误判了调制模式，仅会导致误判的符号对出现错误，而不会像原先那样影响其余正确判决的符号，这就避免了DM-IM系统中，采用不同阶数的调制方式时所出现的误差传播问题，提高了系统的误码率性能。对于不同的子块大小L，利用式(1)和式(2)也可以设计出相应的查找表。
由图3和图4的仿真结果可以看出，本发明提出的映射表设计方法能有效提高系统的索引比特误码率性能。同时，也有效避免了DM-IM系统在采用不同阶数的调制方式时的误差传播问题，使得系统整体的误码率性能也得到了提高。
虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。