发送分集的OFDM‑IM调制方法与流程

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种正交频分复用OFDM指数调制方法，可改善无线通信系统的误码性能，实现可靠传输。

背景技术：

OFDM是无线通信中广泛采用的一种多载波调制方式，它能够有效地克服多径衰落。在2013年，等人在文章“Orthogonal Frequency Division Multiplexing With Index Modulation”(IEEE Transaction on Signal Processing,Volume:61,No.22,November 15,2013)中提出了一种基于指数调制的OFDM结构，称为OFDM-IM。区别于传统的OFDM结构，OFDM-IM不仅通过信号星座点传输信息比特，还通过选取正交子载波的激活位置来传输信息比特。具体实施步骤如下：

首先，将N个子载波均分成g组，每组包含n个子载波n＝N/g，同样将m个输入信息比特均分成g组，每组包含p比特信息m＝pg；

然后，将每组p比特信息映射到一个OFDM-IM子块上，这里的映射既包含传统的信号星座点映射，也包含选取实际传输信息的激活子载波位置，即每个子块的n个子载波中只有k个子载波被激活，其余n-k个子载波保持沉默，所以用每组的p比特信息的前p₁比特信息选取将要传输信息的激活子载波的位置，余下的p₂比特信息用来选取激活子载波上信号星座符号。

在上述步骤中，可以看到有n-k个子载波虽然携带了位置信息，但是却没有携带符号信息，所以OFDM-IM并没有利用全部的自由度来获得更好的误比特性能和信息可靠传输。

技术实现要素：

本发明的目的针对OFDM-IM没有利用全部的自由度的问题，利用OFDM-IM中的空闲子载波，提出一种能够获得发送分集的OFDM-IM方法，改善系统误比特性能，实现高可靠传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1.一种基于分集的OFDM-IM调制方法，其特征在于，包括：

(1)在一个OFDM符号周期内进行频域信号设计：

(1a)将N个子载波均分成g个子块，每个子块包含n个子载波；

(1b)将一个OFDM符号周期内所要传输的m比特均分成g组，每个子块包含p比特信息，即m＝pg，再将p比特信息分成第一部分比特信息p₁和第二部分比特信息p₂，即p＝p₁₊p₂；

(1c)对上述两部分比特信息p₁和p₂进行映射：

(1c1)将第一部分比特信息p₁映射为激活子载波的位置，即根据第一部分比特信息p₁从n个子载波里选取k个活跃的子载波；

(1c2)将第二部分比特信息p₂先映射到传统QAM/PAM信号星座图上，得到传统频域信号，并将该传统频域信号对应到激活的k个子载波上；

(1c3)设计辅助信号星座图，使该辅助信号星座图与传统信号星座图合并后，得到的联合信号星座图其最小欧氏距离能最大化，其中，辅助信号星座图的大小要小于或等于传统信号星座图的大小；

(1c4)将第二部分比特信息p₂再映射到辅助信号星座图上，得到辅助频域信号，并将该辅助频域信号对应到n-k个空闲子载波上，至此，得到第一个子载波块上所有n个子载波的频域信号；

(1d)根据(1c)的方法，分别产生其余g-1个子载波块上的频域信号，将全部g个子子载波块上的频域信号按顺序连接，得到一个OFDM符号周期内的频域信号序列A；

(2)将频域信号序列A进行深度为n的均匀块交织，得到频域发送信号序列B；

(3)将频域发送信号序列B先经傅里叶逆变换IFFT操作，再加循环前缀CP，得到时域发送信号序列C；

(4)将时域发送信号序列C在频率选择性衰落信道中进行传输，得到时域接收信号序列E；

(5)对时域接收信号序列E，依次进行去循环前缀CP操作、傅里叶变换FFT操作和块解交织操作，得到频域解调信号序列G；

(6)将频域解调信号序列G均分成g个子块，每个子块大小为n，分别对每个子块进行最大似然检测，得到频域信号序列的估计信号序列I；

(7)将频域信号序列的估计信号序列I反映射成比特信息，完成信息传输过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.降低了误比特率

现有技术只通过激活子载波发送频域符号，而本发明同时利用激活子载波与空闲子载波发送频域符号，且激活子载波上的频域符号与空闲子载波上的频域符号携带相同比特信息，即第二部分比特信息p₂既通过激活子载波传输又通过空闲子载波传输，能够获得分集增益，具有比现有技术更低的误比特率；

2.提高了抗衰落能力

本发明由于采用了块交织频域信号设计方案，降低了激活子载波与空闲子载波对应的频域信道之间的相关性，提高了本发明的抗衰落能力。

附图说明

图1为本发明的实现原理图；

图2为本发明中设计的辅助信号星座示意图；

图3为本发明中比特序列到频域符号映射关系示例图；

图4为用本发明在场景n＝2,k＝1,M＝2下的误比特率性能仿真图；

图5为用本发明在场景n＝2,k＝1,M＝4下的误比特率性能仿真图；

图6为用本发明在场景n＝2,k＝1,M＝16下的误比特率性能仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明是在传统OFDM-IM的基础上，利用OFDM-IM中的空闲子载波，使得相同比特信息既在激活子载波信道传输又在空闲子载波信道传输，进一步通过块交织频域信号设计方案降低激活子载波信道和空闲子载波信道的相关性，获得发送分集增益。另外，空闲子载波上辅助信号星座图的设计起到至关重要的作用，其设计原则是，使得该辅助信号星座图和传统信号星座图合并后，得到联合信号星座图的最小欧氏距离最大化。图2列举了不同调制方式下辅助信号星座图的设计方案。

参照图1，对本发明的具体实现步骤阐述如下：

步骤1，在一个OFDM符号周期内进行频域信号设计。

1.1)将OFDM的N个子载波均分成g个子块，每个子块包含n个子载波；

1.2)将一个OFDM符号周期内所要传输的m比特均分成g组，每组包含p比特信息，即m＝pg，再将p比特信息分成第一部分比特信息p₁和第二部分比特信息p₂，即p＝p₁₊p₂；

1.3)将第一部分比特信息p₁映射为激活子载波的位置，即从n个子载波里选取k个活跃的子载波，其选取方法可以采用查找表法或者组合数法，且p₁取值为不大于log₂(C(n,k))的最大整数，其中C(n,k)表示从n个子载波里选取k个激活子载波位置的所有组合数。

1.4)将第二部分比特信息p₂映射到信号星座点：

1.41)将第二部分比特信息p₂先映射到传统的QAM/PAM信号星座图上，得到传统频域信号，并将该传统频域信号对应到激活的k个子载波上；

1.42)设计辅助信号星座图，使该辅助信号星座图与传统信号星座图合并后，得到的联合信号星座图其最小欧氏距离能最大化，且辅助信号星座图的大小要小于或等于传统信号星座图的大小：

当激活子载波上采用传统的2点信号星座BPSK＝{-1,+1}时，则设计2点辅助信号星座BPSK’＝{-j,+j}，其中，j为虚数单位；

当激活子载波上采用传统的4点信号星座时，则设计4点辅助信号星座QPSK’＝{-j,+j,-1,+1}；

当激活子载波上采用传统的16点信号星座16-QAM＝{a+bj,a,b＝-3,-1,+1,+3}时，则设计8点辅助信号星座16-QAM’＝{1,-1,+j,-j,2+2j,2-2j,-2+2j,-2-2j}；

上述设计好的辅助信号星座图和相应的传统信号星座图如图2所示，其中图2a是传统的2点信号星座图BPSK和2点辅助信号星座图BPSK’，图2b是传统的4点信号星座图QPSK和4点辅助信号星座图QPSK’，图2c是传统的16点信号星座图16-QAM和8点辅助信号星座图16-QAM’；

1.43)将第二部分比特信息p₂映射到辅助信号星座图上，是根据激活子载波k与空闲子载波n-k的大小关系进行映射：

当k＝n-k时，将第二部分比特信息p₂映射到设计好的辅助信号星座图上，得到辅助频域信号，并将该辅助频域信号对应到n-k个空闲子载波上；

当k<n-k，采用如下两种方法映射：

第一种方法，先从n-k个空闲子载波中随机选择k个空闲子载波，再将第二部分比特信息p₂映射到设计好的辅助信号星座图上，得到辅助频域信号，并将该辅助频域信号对应到该k个空闲子载波上，其余未被选择的空闲子载波不发送频域信号；

第二种方法，先给第l个激活子载波分配t_l个空闲子载波，其中，l＝1,…,k,并满足t_l≥1，t₁+t₂+…+t_l+…+t_k＝n-k，再将第二部分比特信息p₂映射到设计好的辅助信号星座图上，得到辅助频域信号，并将该辅助频域信号对应到t_l个空闲子载波上；

至此，得到第一个子载波块上所有n个子载波的频域信号；

以n＝2，k＝1，BPSK调制为例，现结合图2a和图3对上述两部分映射做举例说明：

由可知，第一部分比特信息包含1个比特，由p₂＝klog₂M可知，第二部分比特信息包含1个比特，即共需2个比特完成比特序列到频域符号的映射。

结合图2a和图3，当输入两比特序列为0和1时，即p₁＝1，p₂＝0，第一部分比特信息p₁＝1选取第二个子载波为激活子载波；第二部分比特信息p₂＝0先根据图2a中传统2点信号星座BPSK选取-1符号放在激活的子载波上；再根据图2a中2点辅助信号星座BPSK’选取-j符号放在空闲子载波上，得到频域发送符号为-j,-1。

1.5)根据1.3和1.4的方法，分别产生其余g-1个子载波块上的频域信号，将全部g个子子载波块上的频域信号按顺序连接，得到一个OFDM符号周期内的频域信号序列A。

步骤2，将频域信号序列A进行深度为n的均匀块交织。

2.1)依次取出频域信号序列A中每个子块的第一个频域符号，即B₁＝A_1,1,A_2,1,…,A_g,1；

2.2)依次取出频域信号序列A中每个子块的第二个频域符号，即B₂＝A_1,2,A_2,2,…,A_g,2；

2.3)以此类推，取出频域信号序列A中每个子块的第n个频域符号，即B_n＝A_1,n,A_2,n,…,A_g,n,其中，A_g,n代表频域信号序列A中第g个子块的第n个频域符号；

2.4)按顺序连接B₁，B₂…,B_n，得到频域发送信号序列B。

步骤3，将频域发送信号B进行OFDM调制。

3.1)对长度为N的频域发送信号序列B进行快速傅里叶逆变换，得到时域发送信号序列B’；

3.2)对时域发送信号序列B’加上长度为L的循环前缀，以避免符号间干扰，即把信号序列的最后L个符号复制到该信号序列前面，使时域发射信号序列长度变为N+L，得到时域发射信号序列C。

步骤4，将时域发射信号序列C在频率选择性衰落信道中进行传输。

4.1)将时域发射信号序列C与时域信道系数做卷积，即将时域发射信号序列C与时域信道矩阵H做卷积，得到时域卷积信号序列D；

4.2)将时域卷积信号序列D加上高斯白噪声，得到时域接收信号序列E。

步骤5，对时域接收信号序列E进行正交频分复用OFDM解调和解交织。

5.1)去除时域接收信号序列E的循环前缀，即把长度为N+L的时域接收信号序列E的前L个符号去掉，得到时域无前缀信号序列F；

5.2)对时域无前缀信号序列F进行正交频分复用OFDM解调，即对长度为N的时域无前缀信号序列F进行快速傅里叶变换，得到频域解调信号序列G’；

5.3)对频域解调信号序列G’进行解交织，得到频域解调信号序列G。

步骤6，对频域解调信号序列G进行检测，得到频域信号序列的估计信号序列I。

对频域解调信号序列的检测可采用现有技术的多种方法，例如最小均方误差检测、LLR检测方法，最大似然检测方法等，本实例采用最大似然方法检测，其步骤如下：

(6a)将频域解调信好序列G均分成g个子块，每个子块大小为n；

(6b)将被检测子块记为G_i，i＝1,2….g，并将频域信道矩阵中与被检测子块G_i相对应的频域信道子矩阵记为H_i，用该信道子矩阵H_i右乘一个频域信号T，得到待估计频域信号T’，其中频域信号T属于发送信号集合，共有2^p个，其中，p是一个子载波块包含的比特数；

(6c)根据d＝||G_i-T’||_F，求出待估计频域信号T’与被检测子块Gi的距离d，其中，||·||_F表示范数；

(6d)依据上述过程，遍历发送信号集合中所有的频域信号T，将d取最小值时对应的频域信号T作为被检测子块的估计信号I_i；

(6e)对每个子载波块均重复上述过程，得到频域信号序列的估计信号序列I。

步骤7，将频域信号序列的估计信号序列I反映射成比特信息，完成信息传输过程。

对本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

本发明通过C++平台得到仿真数据，在Matlab平台上，得到仿真图。

仿真信道为独立同分布的频率选择性瑞利衰落信道，设置子载波数N＝128，子块数为g＝64，每个子块包含n＝2个子载波，每个子块中激活子载波的个数k＝1，循环前缀的长度为L＝16，信道弥散长度为v＝10，采用最大似然检测算法。

2.仿真内容

仿真内容包括传统的OFDM-IM和本发明方法提出的方法。激活子载波上的信号星座采用传统BPSK、QPSK和16-QAM，空闲子载波上的辅助信号星座如图2所示。

仿真1，利用上述信道，在场景n＝2,k＝1,M＝2下，分别仿真传统的OFDM-IM和本发明设计的发送分集的OFDM-IM的误比特性能，结果如图4所示。

图4的横坐标为信噪比，即信号噪声功率比，单位为分贝dB，纵坐标为误比特率。

由图4可以看出，在低信噪比区域，误比特性能并没有得到明显的改善，而在高信噪比区域，本发明发送分集的OFDM-IM的误比特性能明显比传统的OFDM-IM误比特性能好很多，如在误比特率BER＝10^-5时，本发明比传统的OFDM-IM误比特性能好约12dB。这与分集增益主要体现在高信噪比区域是一致的，验证了本发明方法相比传统OFDM-IM能获得额外的发送分集增益。

仿真2，利用上述信道，在场景n＝2,k＝1,M＝4下，分别仿真传统的OFDM-IM和本发明设计的发送分集的OFDM-IM误比特性能，结果如图5所示。

图5的横坐标为信噪比，即信号噪声功率比，单位为分贝dB，纵坐标为误比特率。

由图5可以看出，在低信噪比区域，本发明较传统的OFDM-IM性能改善并不明显，而在高信噪比区域，本发明比传统的OFDM-IM性能好很多，如在误比特率BER＝10^-5时，本发明比传统的OFDM-IM误比特性能好约12dB。验证了本发明方法能获得发送分集增益。

仿真3，利用上述信道，在场景n＝2,k＝1,M＝16下，分别仿真传统的OFDM-IM和本发明设计的发送分集的OFDM-IM误比特性能，结果如图6所示。

图6的横坐标为信噪比，即信号噪声功率比，单位为分贝dB，纵坐标为误比特率。

由图6可以看出，在低信噪比区域，误比特性能并没有得到明显的改善，而在高信噪比区域，本发明比传统的OFDM-IM性能好很多，如在误比特率BER＝10^-5时，本发明比传统的OFDM-IM误比特性能好约8dB。验证了本发明方法能够获得发送分集增益。