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CN108847917B - 一种导频图案调制的正交频分复用传输方法 - Google Patents

一种导频图案调制的正交频分复用传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体的说是一种导频图案调制正交频分复用传输方法。本发明以子载波块为单位，设计并生成长度等于块内子载波数的导频符号序列，子块中每个子载波都对应一导频符号，子块中不同的导频激活子载波组合对应着的导频符号组合不同，索引比特用于选择该子块的导频激活子载波以及相对应的导频符号组合；所有子块均采用这一相同的导频符号序列。本发明充分利用收发端已知的导频信息，根据索引比特进行导频图案调制，改善了系统的导频位置检测性能和信号检测性能，最终改善了系统的BER性能。

Description

一种导频图案调制的正交频分复用传输方法
技术领域
本发明属于通信抗干扰技术领域，具体涉及一种用于索引调制正交频分复用(Index Modulation Orthogonal Frequency Division Multiplexing,IM-OFDM)系统中的导频图案调制正交频分复用传输方法。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是一种无线通信领域的高速传输技术，已成为4G移动通信系统的核心技术之一。它是将高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流，即将信号分成许多正交的子载波，利用这些相互正交的子载波同时进行传输。它子载波间的正交性使各个子信道所经历的衰落相对平坦，再通过引入循环前缀来降低符号间干扰，具有频谱利用率高、抗多径效应好等优点，并且快速傅里叶变换为其提供了一种简单、低成本的实现方式。
为保证OFDM系统的性能不受信道的多径和衰落效应的影响，需要采用信道估计的方法来跟踪信道响应的变化。在众多信道估计算法中，基于导频信号的信道估计因其能够有效地减轻和补偿无线信道多径衰落的影响而成为最常用的方法。在传统的OFDM系统中，根据导频放置方式的不同，常见的导频结构可以分为块状导频、梳状导频和菱形导频，它们都是通过在固定的位置上插入导频来完成信道估计。
近年来出现的索引调制(Index Modulation,IM)技术则进一步提升了OFDM系统的性能。它将系统频域子载波分为激活子载波和静默子载波，其中只有激活子载波传输星座点符号，静默子载波不发送数据，索引比特信息被隐含在子载波的选择上进行传输。相比于传统的OFDM系统，IM-OFDM系统由于采用了分块的方式，导频符号可以由静默子载波进行传输，导频的插入位置不再固定，因此在接收端需要对导频位置进行检测，导频位置检测的性能将对系统性能产生巨大影响。在IM-OFDM系统中，通过充分利用收发端已知的导频信息，可以有效地提升系统性能，降低系统的误码率。
发明内容
本发明基于降低系统误码率的目的，提出一种导频图案调制正交频分复用传输方法。该方法以子块为单位，子块中每个子载波都对应一导频符号，索引比特用于选择该子块的导频激活子载波以及相对应的导频符号组合。
本发明的技术方案是：
设子载波总数为N，每个子块的子载波个数为n，其中k个子载波为数据激活子载波，用于发送星座点符号，(n-k)个子载波为导频激活子载波，用于发送导频，αS为数据映射子载波的平均归一化发送功率，αP为导频映射子载波的平均归一化发送功率，M＝αS/αP；
发射端：
a.分块：对IM-OFDM系统的子载波进行分块处理，得到g＝N/n个子块；
b.导频生成：设计并生成一个长度为n的导频符号序列，并将其分配给子块的n个子载波，从而每个子载波都对应一个导频符号；所有子块均采用这一长度为n的导频符号序列，也均采用相同的子载波和导频符号之间的映射关系；长度为n的导频符号序列需要满足的条件是：
(1)这个长度为n的导频符号序列中，可以有相同的导频符号；
(2)一个子块中，对于由索引比特决定的所有可能的导频映射子载波组合，不同的导频映射子载波组合对应的导频符号组合不同；
c.导频功率计算：在本发明中，设置数据映射子载波的发送功率大于导频映射子载波的发送功率，数据映射子载波、导频映射子载波的发送功率在平均归一化后满足k·αS+(n-k)·αP＝n，且αS>1,αP<1，结合M＝αS/αP，计算出αS、αP；
d.导频图案调制：对每个子块，调制模块先提取对应的索引比特，根据索引比特与导频激活子载波之间的映射关系，选择出该子块的(n-k)个导频激活子载波，并根据子载波与导频符号之间的映射关系，选择这(n-k)个导频激活子载波所对应的(n-k)个导频符号作为该子块传输的导频序列，每个导频激活子载波分别发送各自对应的导频符号，并按照c中计算的功率αP对导频激活子载波进行功率分配；子块中剩余的k个子载波则作为该子块的数据激活子载波；每个子块对应的索引比特的长度为
Figure GDA0002903334690000021
其中
Figure GDA0002903334690000022
为向下取整函数；
e.信息数据放置：提取调制比特，调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号，然后按序放置在相应的数据激活子载波上，并对数据激活子载波按照c中计算的功率αS进行功率分配，得到发送符号向量X；
f.频域-时域变换：将e得到的发送符号向量X依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀(CP)等操作得到IM-OFDM符号，并发送出去；
接收端：
g.导频获取：按照子载波的排列顺序，将每个子载波所对应的导频符号组合成长度为N的导频符号序列P；
h.第一次导频位置判断：频域接收信号Y采用与发送端相同的分块方式，分块后对每个子块进行能量检测，查找出每个子块中能量最低的(n-k)个子载波位置并标记为当前子块的导频位置，所有子块的导频位置构成导频位置集合L1，由导频位置集合L1获取导频位置处的频域接收信号YP1，以及导频位置处的导频P1；
i.初始信道估计：根据频域接收信号YP1，导频P1和导频位置集合L1，进行信道估计得到第一次信道估计值
Figure GDA0002903334690000031
j.第二次导频位置判断：根据信道估计值
Figure GDA0002903334690000032
以及频域接受信号Y进行检测，恢复出发送的数据流，按照和发射端相同的调制模块得到导频位置集合L2，根据L2获取YP2和P2；
k.再次更新信道估计值：根据频域接收信号YP2，导频P2和导频位置集合L2，进行第二次信道估计，得到第二次信道估计值
Figure GDA0002903334690000033
根据设置的均衡次数重复步骤j～k，得到最终的信道估计值
Figure GDA0002903334690000034
l.根据最终的信道估计值
Figure GDA0002903334690000035
和频域接受信号Y进行检测，恢复出发送的数据流。
本发明的有益效果是:本发明根据索引比特进行导频图案调制，索引比特不同，子块的导频激活子载波组合不同，相应地，子块传输的导频符号序列也就不同，更加充分地利用了收发端已知的导频信息，改善了系统的导频位置检测性能和信号检测性能，最终改善了系统的BER性能。
附图说明
图1为实施例的任意一个子块内的子载波与导频符号的映射关系，其中P1,P2,P3,P4表示每个子块的导频符号；
图2为实施例的调制原理图，其中X11,X12...,Xg1,Xg2表示调制数据符号，P1,P2,P3,P4表示每个子块的导频符号；
图3为应用导频图案调制正交频分复用传输方法的系统发射端的框图。
图4为应用导频图案调制正交频分复用传输方法的系统接收端的框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
本发明设计了一种导频图案调制正交频分复用传输方法。本发明以长度为n的子载波块为单位，设计生成长度为n的导频符号序列，子块内每一子载波都对应一导频符号，索引比特用于选择该子块的导频激活子载波以及相对应的导频符号组合。
实施例：
下面以总的子载波个数N＝1024，每个子块的子载波个数n＝4，子块中用于发送星座点符号的数据激活子载波个数k＝2，循环前缀CP＝64，调制符号采用BPSK，进行交织索引调制，信道估计均采用CS信道估计，信号检测均采用ML检测方法，均衡1次为例介绍本发明的具体实施方式。
如图2所示的调制原理图，具体实施过程大致分为如下几步：
发送端，具体结构如图3所示：
步骤1-1：对子载波分块，分成的子块数g＝N/n＝256。然后根据公式计算出一帧的比特数量。对于其中任意一个子块而言索引比特长度为：
Figure GDA0002903334690000041
Figure GDA0002903334690000042
表示向下取整，则对于该系统的一帧而言，索引比特共有m1＝p1g＝512位；数据激活子载波用于发送BPSK调制符号，调制阶数M＝2，一帧可以发送的调制比特个数为：m2＝g·k·log2 M＝512，则一帧总的比特数m＝m1+m2＝1024。将此帧数据分成两组，一组为索引比特，用于选择导频激活子载波以及与之对应的导频符号组合，一组为调制比特，经过BPSK调制得到要发送的星座点符号。
步骤1-2：生成导频，如图1所示，对于任意一个包含4个子载波的子块，导频符号序列设计为[P1,P2,P3,P4]＝[-1j,1j,1j,-1j]，其中，索引比特00对应导频激活子载波为子载波3和子载波4，导频符号组合为[1j,-1j]，索引比特01对应导频激活子载波为子载波1和子载波4，导频符号组合为[-1j,-1j]，索引比特10对应导频激活子载波为子载波1和子载波2，导频符号组合为[-1j,1j]，索引比特11对应导频激活子载波为子载波2和子载波3，导频符号组合为[1j,1j]，该导频符号序列设计满足本发明中的要求；
步骤1-3：计算子载波发送功率，设置αS/αP＝4，根据发送功率在平均归一化后满足k·αS+(n-k)·αP＝n，计算出αS＝1.6，αP＝0.4，其中αS为数据映射子载波的平均归一化发送功率，αP为导频映射子载波的平均归一化发送功率；
步骤1-4：进行导频图案调制，对每个子块，提取出对应的p1＝2位索引比特，根据索引比特与导频激活子载波之间的映射关系，选择出该子块的2个导频激活子载波，并选择这2个导频激活子载波所对应的2个导频符号作为该子块传输的导频序列，这两个导频激活子载波分别发送各自对应的导频符号，并按照步骤1-3中计算的功率αP＝0.4对导频激活子载波进行功率分配；子块中剩余的2个子载波则作为该子块的数据激活子载波；
步骤1-5：信息数据放置，提取调制比特，调制比特经过BPSK调制得到要发送的星座点符号，然后按序放置在相应的数据激活子载波上，并对数据激活子载波按步骤1-3中计算的功率αS＝1.6进行功率分配；
步骤1-6：交织，将相邻子载波以交织方式放置，得到发送符号向量X；
步骤1-7：频域-时域变换，将发送符号向量X依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀(CP)等操作得到IM-OFDM符号，并发送出去。
接收端，具体结构如图4所示：
步骤2-1：导频获取，按照子载波的排列顺序，将每个子载波所对应的导频符号组合成长度为N＝1024的导频符号序列P；
步骤2-2：第一次导频位置判断，频域接收信号Y采用与发送端相同的分块方式，分块后对每个子块的子载波按能量进行降序排列，查找出每个子块中能量最低的(n-k)＝2个子载波位置并标记为当前子块的导频位置，由所有子块的512个导频位置构成导频位置集合L1，由导频位置集合L1获取导频位置处的频域接收信号YP1，以及导频位置处的导频P1；
步骤2-3：初始信道估计，根据频域接收信号YP1，导频P1和导频位置集合L1，采用CS信道估计方法得到第一次信道估计值
Figure GDA0002903334690000061
步骤2-4：第二次导频位置判断，根据信道估计值
Figure GDA0002903334690000062
以及频域接受信号Y进行最大似然检测(ML)，恢复出发送的数据流，按照和发射端相同的调制模块得到导频位置集合L2，根据L2获取YP2和P2；其中，ML检测按子块进行，每个子块采用和发射端相同的导频符号序列，每个子块的4个子载波对应的导频符号序列为[P1,P2,P3,P4]＝[-1j,1j,1j,-1j]；
步骤2-5：再次更新信道估计值，根据频域接收信号YP2，导频P2和导频位置集合L2，采用CS信道估计方法得到第二次信道估计值
Figure GDA0002903334690000063
由于均衡次数设置为1，所以
Figure GDA0002903334690000064
即为最终的信道估计值
Figure GDA0002903334690000065
步骤2-6：根据最终的信道估计值
Figure GDA0002903334690000066
和频域接收信号Y进行ML检测，恢复出发送的数据流。

Claims (1)

1.一种导频图案调制正交频分复用传输方法，该方法用于IM-OFDM系统，设子载波总数为N，每个子块的子载波个数为n，其中k个子载波为数据激活子载波，用于发送星座点符号，(n-k)个子载波为导频激活子载波，用于发送导频，调制阶数M＝αS/αP，其中αS为数据映射子载波的平均归一化发送功率，αP为导频映射子载波的平均归一化发送功率，其特征在于，所述传输方法包括以下步骤：
发射端：
a.分块：对IM-OFDM系统的子载波进行分块处理，得到g＝N/n个子块；
b.导频生成：设计并生成一个长度为n的导频符号序列，并将其分配给子块的n个子载波，从而每个子载波都对应一个导频符号；所有子块均采用这一长度为n的导频符号序列，也均采用相同的子载波和导频符号之间的映射关系；长度为n的导频符号序列需要满足的条件是：
(1)这个长度为n的导频符号序列中，有相同的导频符号；
(2)一个子块中，对于由索引比特决定的所有可能的导频映射子载波组合，不同的导频映射子载波组合对应的导频符号组合不同；
c.导频功率计算：设定数据映射子载波的发送功率大于导频映射子载波的发送功率，数据映射子载波、导频映射子载波的发送功率在平均归一化后满足k·αS+(n-k)·αP＝n，且αS>1,αP<1，结合M＝αS/αP，计算出αS、αP；
d.导频图案调制：对每个子块，调制模块先提取对应的索引比特，根据索引比特与导频激活子载波之间的映射关系，选择出该子块的(n-k)个导频激活子载波，并根据子载波与导频符号之间的映射关系，选择这(n-k)个导频激活子载波所对应的(n-k)个导频符号作为该子块传输的导频序列，每个导频激活子载波分别发送各自对应的导频符号，并按照步骤c中获得的功率αP对导频激活子载波进行功率分配；子块中剩余的k个子载波则作为该子块的数据激活子载波；每个子块对应的索引比特的长度为
Figure FDA0002903334680000011
其中
Figure FDA0002903334680000012
为向下取整函数；
e.信息数据放置：提取调制比特，调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号，然后按序放置在相应的数据激活子载波上，并对数据激活子载波按照步骤c中获得的功率αS进行功率分配，得到发送符号向量X；
f.频域-时域变换：将步骤e得到的发送符号向量X依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀得到IM-OFDM符号，并发送出去；
接收端：
g.导频获取：按照子载波的排列顺序，将每个子载波所对应的导频符号组合成长度为N的导频符号序列P；
h.第一次导频位置判断：频域接收信号Y采用与发送端相同的分块方式，分块后对每个子块进行能量检测，查找出每个子块中能量最低的(n-k)个子载波位置并标记为当前子块的导频位置，所有子块的导频位置构成导频位置集合L1，由导频位置集合L1获取导频位置处的频域接收信号YP1，以及导频位置处的导频P1；
i.初始信道估计：根据频域接收信号YP1，导频P1和导频位置集合L1，进行信道估计得到第一次信道估计值
Figure FDA0002903334680000021
j.第二次导频位置判断：根据信道估计值
Figure FDA0002903334680000022
以及频域接收信号Y进行检测，恢复出发送的数据流，按照和发射端相同的调制模块得到导频位置集合L2，根据L2获取YP2和P2；
k.再次更新信道估计值：根据频域接收信号YP2，导频P2和导频位置集合L2，进行第二次信道估计，得到第二次信道估计值
Figure FDA0002903334680000023
根据设置的均衡次数重复步骤j～k，得到最终的信道估计值
Figure FDA0002903334680000024
l.根据最终的信道估计值
Figure FDA0002903334680000025
和频域接受信号Y进行检测，恢复出发送的数据流。
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