基于两阶段索引调制的OFDM实现方法和系统与流程

本发明涉及无线通信
技术领域：
，具体涉及一种基于两阶段索引调制的正交频分复用(ofdm)实现方法和系统。
背景技术：
：在无线通信领域，ofdm技术已经得到了广泛应用，甚至在第五代(5g)移动通信中，因为它具有频谱利用率高、有效抗多径和频率选择性衰落的优点。索引调制ofdm技术能有效的提高系统频带利用率和发送端的功率效率，由于一个基于索引调制的ofdm信号只有部分子载波被激活用于传输信息，其它子载波为0，而更多的发送比特信息隐含在索引信息中，也就是利用发送的比特信息决定子载波的激活样式。为了进一步提高系统的频谱效率，双模索引调制ofdm技术被提出，其采用两种星座图用于映射数据，通过索引信息选出来的激活子载波用星座图a来实现映射过程，而其余的子载波用星座图b来实现映射过程，这里的两种星座图中的信号点是互不相交的。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于，提高传统索引调制ofdm系统的频带利用率、改善双模索引调制ofdm系统的功率效率和提高索引调制ofdm系统的误比特率性能，提供了一种基于两阶段索引调制的ofdm实现方法和系统。根据本发明解决的技术问题的一个方面，一种基于两阶段索引调制的ofdm实现方法，包括如下步骤：(1)串并转换和比特分组，将待发送的二进制序列经过串并转换，把串行的比特数据流转换成并行数据流，其中每p比特为一组输入到一帧ofdm信号的一个子帧，这里一帧包含n个子载波的ofdm信号被分为g＝n/n个子帧，gg＝[xg,1xg,2…xg,n]表示第g个子帧，1≤g≤g，n为每个子帧包含的子载波个数，x表示一帧ofdm信号中的子载波。(2)第一阶段索引调制，将步骤(1)中每组p比特中的前p1个比特输入第一阶段索引选择器，选择ofdm信号的每个子帧中激活的子载波，即p1个比特决定gg中子载波的激活样式，再将步骤(1)中每组p比特中的p2个比特输入映射器a进行映射。(3)第二阶段索引调制，将步骤(1)中每组p比特中的p3个比特输入第二阶段索引选择器，从步骤(2)的gg中未激活的子载波中再次选择子载波进行激活，再将步骤(1)中每组p比特中的p4个比特输入映射器b进行映射。(4)频域ofdm信号生成，根据步骤(2)及(3)中的子载波激活样式，将步骤(1)每组p比特中的p2+p4个比特通过映射器a和映射器b映射到相应的激活子载波上。(5)将步骤(4)得到的频域ofdm信号通过n点的离散傅里叶反变换(idft)转换到时域。(6)将步骤(5)得到时域ofdm信号经过并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频处理后送入信道进行传输。(7)在接收端，将接收的ofdm信号进行下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换处理。(8)将步骤(7)的输出信号进行离散傅里叶变换(dft)，把时域ofdm信号转换到频域。(9)将步骤(8)的输出信号进行最大似然检测、解索引和解映射处理，恢复为二进制信息。(10)将步骤(9)的输出信号进行并串转换，得到原始发送的二进制序列。进一步，在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，步骤(1)中一帧ofdm信号的每个子帧中包含的比特数p＝p1+p2+p3+p4，其中前p1个比特和p3个比特分别输入到第一阶段索引选择器和第二阶段索引选择器，用于选择ofdm信号每个子帧中子载波的激活样式，p2个比特和p4个比特分别输入到映射器a和映射器b用于信号映射，p1、p2、p3和p4对应的比特信息依次排列。进一步，在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，步骤(2)的第一阶段索引调制，是从每个子帧的n个子载波中选出k个子载波，用于映射比特信息，所以：p2＝klog2ma式中表示平台函数，即向下取整，c(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足k<n,ma表示映射器a中采用的星座图的尺寸。由p1个比特信息决定的索引信息为ia＝[ia,1ia,2…ia,k]，由p2个比特信息决定的信号为sa＝[s(ia,1)s(ia,2)…s(ia,k)]。进一步，在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，步骤(3)的第二阶段索引调制，是在步骤(2)中的n–k个未被激活的子载波中再选出k’个子载波用于映射比特信息，所以：p4＝k'log2mb式中mb表示映射器b中采用的星座图的尺寸，星座图b和星座图a中的信号点互不相交，同时满足k+k’<n，保证有0载波即未激活的子载波存在，以便提高系统的功率效率。由p3个比特信息决定的索引信息ib＝[ib,1ib,2…ib,k’]，由p4个比特信息决定的信号sb＝[s(ib,1)s(ib,2)…s(ib,k’)]。进一步，在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，步骤(4)频域ofdm信号生成器是根据步骤(2)及(3)中的子载波激活样式，将步骤(2)及(3)中的sa和sb通过映射器a和映射器b映射到相应的激活子载波ia和ib上。进一步，在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，步骤(5)输出的时域ofdm信号可以表示为：xt＝[x0x1…xn-1]＝idft{xt}＝idft{[x0x1…xn-1]}式中idft{}表示离散傅里叶反变换操作，xt＝[x0x1…xn-1]表示发送的频域ofdm信号，包括来自星座图a和星座图b的信号点和0载波。进一步，在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，步骤(9)中采用最大似然检测，根据步骤(2)和步骤(3)，检测过程将综合考虑每帧ofdm信号子帧所有可能的子载波激活样式和映射的信号，具体的检测过程可以表示为：式中xr表示接收的频域子载波信号，h表示频域的信道衰减系数，上标g表示每个ofdm信号的第g个子帧，分别表示接收端每个子帧的索引信息和映射信号的估计值，再根据检测的索引信息和信号，通过查表法进行解索引和解映射，恢复二进制信息。进一步，在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，通过步骤(1)到步骤(6)的两个阶段的索引调制过程，提出的ofdm频带利用率可表示为：式中lcp表示添加的循环前缀的长度，g表示每个ofdm信号的子帧个数。根据本发明解决的技术问题的另一方面，还提供了一种基于两阶段索引调制的ofdm系统，主要包含的模块和功能描述如下：发送端串并转换和比特分组模块，用于将待发送的二进制序列经过串并转换，把串行的比特数据流转换成并行数据流，其中每p比特为一组输入到一帧ofdm信号的一个子帧，这里一帧包含n个子载波的ofdm信号被分为g＝n/n个子帧，gg＝[xg,1xg,2…xg,n]表示第g个子帧，1≤g≤g，n为每个子帧包含的子载波个数，x表示一帧ofdm信号中的子载波。第一阶段索引选择器模块，用于根据每组p比特中的前p1个比特选择ofdm信号的每个子帧中的子载波激活样式。映射器a模块，用于通过a映射器将每组p比特中的p2个比特映射到星座图a中的信号点。第二阶段索引选择器模块，用于根据每组p比特中的p3个比特从第一阶段每个子帧未激活的子载波中再次选择子载波的激活样式。映射器b模块，用于通过b映射器将每组p比特中的p4个比特映射到星座图b中的信号点，星座图b中的信号点与星座图a中的信号点互不相交。频域ofdm信号生成器模块，用于根据第一阶段索引和第二阶段索引选出来的激活子载波，分别经过映射器a和映射器b把信号映射到ofdm信号的激活子载波上。n点idft模块，用于通过idft模块把通过两阶段索引调制得到的频域ofdm信号转换到时域。发送端并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频模块，用于对发送端产生的时域ofdm信号进行并串转换、添加循环前缀、数字信号到模拟信号转换和上变频处理。接收端下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，用于对接收到的时域ofdm信号进行下变频、模拟信号到数字信号转换、去除循环前缀和串并转换处理。n点dft模块，用于把接收到的时域ofdm信号转换到频域。最大似然检测、解索引和解映射模块，用于采用最大似然检测综合考虑每帧ofdm信号子帧中所有可能的子载波激活样式和映射的信号，搜索所有可能的情况从而检测子载波激活样式和每个激活子载波所映射的信号，再通过解索引和解映射处理恢复二进制信息。接收端并串转换模块，用于将恢复的二进制信息进行并串转换，恢复原始发送的二进制序列。本发明在传统索引调制ofdm系统的基础上，提出了基于两阶段索引调制的ofdm系统，在第一阶段与传统的索引调制ofdm一致，通过第二阶段的索引调制增加了传输比特信息，包括第二阶段的索引比特和信号比特，从而在不改变ofdm信号子载波个数的条件下提高了系统的频谱频率。同时，在第二阶段并未将ofdm信号每个子帧的全部子载波激活用于传输数据，而是保留了一些子载波为0，从而提高发送ofdm信号的功率效率。附图说明图1是本发明基于两阶段索引调制的ofdm发送端系统框图。图2是本发明基于两阶段索引调制的ofdm接收端系统框图。图3是本发明实施例中的星座图a和星座图b。图4是本发明实施例的两阶段索引调制ofdm系统误比特率性能曲线示意图。具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的认识和理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。请参考图1和图2，图1所示为本发明提出的基于两阶段索引调制的ofdm发送端系统框图，包括串并转换和比特分组模块，第一阶段索引选择器模块，第二阶段索引选择器模块，映射器a模块，映射器b模块，频域ofdm信号生成器模块，n点idft模块，并串转换、加循环前缀、数模转换和上变频模块。图2所示为本发明提出的基于两阶段索引调制的ofdm接收端系统框图，包括下变频、模数转换、去循环前缀和串并转换模块，n点dft模块，最大似然检测、解索引和解映射模块，并串转换模块。设定一个ofdm信号的子载波数为n，这样一个发送的频域ofdm信号可以表示为xt＝[x0x1…xn-1]，每个ofdm信号子载波被分成g＝n/n个子组，每个子组即一个ofdm信号子帧，n为每个子帧包含的子载波数，每个ofdm信号子帧携带p＝p1+p2+p3+p4个比特的信息，p1、p2、p3和p4所对应的比特信息依次排列，这里每个ofdm信号共包含m＝pg个比特信息，p1、p2、p3和p4均为正整数。在本发明的基于两阶段索引调制的ofdm实现方法中，包括以下步骤：(1)串并转换和比特分组，将待发送的二进制序列经过串并转换，把串行的比特数据流转换成并行数据流，其中每p比特为一组输入到ofdm信号的一个子帧，一帧ofdm信号被分为g个子帧，gg＝[xg,1xg,2…xg,n](1≤g≤g)表示ofdm信号的第g个子帧，x表示一帧ofdm信号中的子载波，n为子帧包含的子载波数。对于每个子帧中包含的p个比特信息，其中前p1个比特和p3个比特分别输入到第一阶段索引选择器和第二阶段索引选择器，用于选择ofdm信号每个子帧中子载波的激活样式，p2个比特和p4个比特分别输入到映射器a和映射器b用于信号映射。(2)第一阶段索引调制，将步骤(1)中每组p比特中的前p1个比特输入第一阶段索引选择器，选择ofdm信号的每个子帧中激活的子载波，即p1个比特决定gg中子载波的激活样式，被激活的子载波索引用ia来表示，再将步骤(1)中每组p比特中的p2个比特输入映射器a进行映射，用于映射的信号用sa来表示。第一阶段索引调制，是从每个子帧的n个子载波中选出k个子载波，用于映射比特信息，p1和p2可以计算为：p2＝klog2ma式中表示平台函数，即向下取整，c(n,k)表示二项式系数，即从n取k的组合个数，同时满足k<n,ma表示映射器a中采用的星座图的尺寸，这里映射器a可以采用bpsk星座图、qpsk星座图等。由p1个比特信息决定的索引信息为ia＝[ia,1ia,2…ia,k]，由p2个比特信息决定的信号为sa＝[s(ia,1)s(ia,2)…s(ia,k)]。当n＝4,k＝1时，p1＝2时，索引比特与子帧中激活子载波的对应关系可由表1表示。表1索引比特索引子帧001[sa000]012[0sa00]103[00sa0]114[000sa](3)第二阶段索引调制，将步骤(1)中每组p比特中的p3个比特输入第二阶段索引选择器，从步骤(2)的gg中未激活的子载波中再次选择子载波进行激活，被激活的子载波索引用ib来表示，再将步骤(1)中每组p比特中的p4个比特输入映射器b进行映射，用于映射的信号用sb来表示。第二阶段索引调制，是在步骤(2)中的n–k个未被激活的子载波中再选出k’个子载波用于映射比特信息，p3和p4可以计算为：p4＝k'log2mb式中mb表示映射器b中采用的星座图的尺寸，星座图b和星座图a中的信号点互不相交，同时满足k+k’<n，保证有0载波即未激活的子载波存在，以便提高系统的功率效率。由p3个比特信息决定的索引信息ib＝[ib,1ib,2…ib,k’]，由p4个比特信息决定的信号sb＝[s(ib,1)s(ib,2)…s(ib,k’)]。映射器b可以采用qpsk星座图、8psk星座图等，为了不降低系统的频谱效率，星座图b的尺寸可以大于星座图a。在第一阶段索引调制的基础上，当k’＝1，p3＝1时，索引比特与子帧中激活子载波的对应关系可由表2表示。表2(4)频域ofdm信号生成，频域ofdm信号生成器是根据步骤(2)及(3)中的子载波激活样式，将步骤(2)及(3)中的sa和sb通过映射器a映射器b映射到相应的激活子载波ia和ib上。(5)将步骤(4)得到的频域ofdm信号通过n点的离散傅里叶反变换(idft)转换到时域，输出的时域ofdm信号可以表示为：xt＝[x0x1...xn-1]＝idft{xt}＝idft{[x0x1...xn-1]}式中idft{}表示离散傅里叶反变换操作，xt包括来自星座图a和星座图b的信号点和0载波。(6)将步骤(5)得到时域ofdm信号经过并串转换、添加循环前缀、数模转换和上变频处理后送入信道进行传输。通过步骤(1)到步骤(6)的两个阶段的索引调制过程，提出的ofdm频带利用率可表示为：式中lcp表示添加的循环前缀的长度，g表示每个ofdm信号的子帧个数。(7)在接收端，将接收的ofdm信号进行下变频、模数转换、去除循环前缀和串并转换处理。(8)将步骤(7)的输出信号进行离散傅里叶变换(dft)，把时域ofdm信号转换到频域。(9)将步骤(8)的输出信号进行最大似然检测、解索引和解映射处理，恢复为二进制信息。根据步骤(2)和步骤(3)，最大似然检测过程将综合考虑每帧ofdm信号子帧所有可能的子载波激活样式和映射的信号，具体的检测过程可以表示为：式中xr表示接收的频域子载波信号，h表示频域的信道衰减系数，上标g表示每个ofdm信号的第g个子帧，分别表示接收端每个子帧的索引信息和映射信号的估计值，再根据检测的索引信息和信号，通过查表法进行解索引和解映射，恢复二进制信息。(10)将步骤(9)的输出信号进行并串转换，得到原始发送的二进制序列。实施例：具体参数方案：一个ofdm信号的子载波数n＝128，每个ofdm信号的子帧个数g＝32，每个子帧中的子载波数n＝4,第一阶段被激活的子载波个数k＝1,第二阶段被激活的子载波个数k’＝1,映射器a采用bpsk星座图，即ma＝2，映射器b采用qpsk星座图，即mb＝4，如图3所示，其中空心圆表示星座图a、实心圆表示星座图b，星座图b和星座图a中相邻信号点的距离为d，循环前缀的长度lcp＝16，每个子帧包含6比特信息，系统的频谱效率可计算得1.3333比特/秒/赫兹。信道采用加性高斯白噪声(awgn)信道和频率选择性瑞利衰减信道，其中瑞利信道的信道脉冲响应长度为10。仿真结果如图4所示，图横轴表示信噪比，即信号每比特功率比噪声功率，纵轴为误比特率。为了证明本发明的优势，在相同的频谱效率条件下，图4也提供了传统索引调制ofdm和双模索引调制ofdm的仿真结果，每个子帧的子载波数均为4，传统索引调制ofdm系统采用16qam进行信号映射，每个子帧中有k＝1个子载波被激活；在双模索引调制ofdm系统中，模式a采用bpsk星座图，模式b采用与a互相垂直的bpsk星座图，其信号功率大于模式a中的信号，其中k＝2个子载波用模式a映射数据，另外两个子载波采用模式b映射数据。由仿真结果可以看出，在相同的频谱效率条件下，本发明所提出的基于两阶段索引调制的ofdm系统的误比特率性能要优于传统的基于索引调制的ofdm系统。与现有技术相比，本发明具有以下效果增益：在提高频带利用率方面，本发明提出的两阶段索引调制ofdm技术，在第一阶段与传统的索引调制ofdm一致，通过第二阶段的索引调制增加了传输的比特信息，包括第二阶段的索引比特和信号比特，从而在不改变ofdm信号子载波个数的条件下提高了系统的频谱频率；在发送端的发射功率效率方面，本发明提出的两阶段索引调制ofdm技术，在第二阶段并未将ofdm信号每个子帧在第一阶段未激活的子载波全部激活用于传输数据，而是保留一些子载波为0，与传统的双模索引调制ofdm技术相比，可以提高发送ofdm信号的功率效率。同时，在频谱效率相同的条件下，本发明提出的系统较传统的索引调制ofdm和双模索引调制ofdm系统有更好的误比特率性能。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。当前第1页12