CN105337921A - 基于子载波索引调制的多载波非正交传输方法 - Google Patents

Abstract

基于索引调制的多载波高效率频分复用传输方法，涉及多载波信号调制技术，本发明包括下述步骤：A、根据子载波数目、索引调制参数对原始的二进制比特进行分块；B、根据索引调制选择激活子载波并在激活子载波上进行传统M-ary调制；C、将调制后的数据用非正交载波信号进行调制；D、接收端块最大似然信号检测；E、索引解调与M-ary解调。在保障传输速率相同的情况下，本发明可以降低非正交多载波传输中的载波间干扰，提升传输可靠性。

Description

基于子载波索引调制的多载波非正交传输方法

技术领域

本发明涉及多载波信号调制技术，尤其涉及到非正交子载波信号调制的传输方法。

背景技术

随着无线技术的不断发展以及人们对于无线宽带上网需求的日益增加，无线频谱资源变得原来越稀缺，如何利用好有限的频谱资源，实现更加高效与可靠的通信，是无线通信急需解决的一大问题。在这种背景下，非正交传输技术吸引了通信界极大的关注，并被专家认为很有可能成为未来5G蜂窝***的备选技术之一。作为一种典型的非正交传输技术，高效率频分复用技术(SpectrallyEfficientFrequencyDivisionMultiplexing，SEFDM)采用非正交的子载波来携带数据，由于减小了子载波之间的间隔，因而提升了传输效率。然而，在SEFDM***中，由于各个子载波间不正交，会引发子载波间干扰，造成接收信号检测性能的下降。为了在提升传输效率的同时，控制误码率性能，一般需要采用迭代接收机，采用迭代的方式，抑制子载波间干扰，可是，基于迭代的接收机复杂度一般偏高，制约了其在实际***中的应用。因此，如何在SEFDM中，合理的结合其他技术，抑制子载波间干扰，提升传输可靠性，并控制接收机复杂度，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于索引调制的多载波高效率频分复用传输方法，该方法能够提高传输效率，并且控制子载波间的干扰，保持一定的传输可靠性。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于索引调制的多载波高效率频分复用传输方法，包括下述步骤：

A、根据子载波数目、索引调制参数对原始的二进制比特进行分块：总的子载波数目为N，索引调制为每k个子载波中选择k₁个子载波作为激活子载波，剩余子载波为空闲子载波；

对原始二进制比特进行分块，分为每p＝p₁+p₂个比特的子块，其中，(C(k,k₁)为k中取k₁的组合)，p₂＝log₂M，每个子块组成一个子帧，在激活子载波上传输；

B、根据索引调制选择激活子载波并在激活子载波上进行传统M‐ary调制：

在每一个子块上，根据前p₁位二进制比特选择激活子载波，然后在每一个激活子载波上，对p₂/k₁个二进制比特进行M‐ary调制；

C、将调制后的数据用非正交载波信号进行调制：

M‐ary调制后的一帧数据，在非激活子载波位置插零，形成N个信号符号。对这N个符号进行串并变换，然后每一路用一个子载波进行调制，不同的载波之间不正交，载波调制后的信号形成基带信号，在移至射频后进入无线信道进行传输；

D、接收端块最大似然信号检测：

根据信道估计的结果得到多径信道每一径的信道系数，然后利用非正交子载波的特性，对频域等效信道矩阵进行分块，将其近似处理为一个块对角矩阵，并对接收到的数据进行子载波解调后并分块，块大小与等效信道块信道子矩阵大小相同，根据分块以后的接收数据与块信道子矩阵进行最大似然信号检测，恢复出每一块的传输符号；

E、索引解调与M‐ary解调：对于最大似然信号检测器输出的传输符号，再进行索引解调与M‐ary解调恢复出原始的二进制比特。

本发明的有益效果是：

1、使用非正交多载波代替正交多载波，因此，相比于传统OFDM传输，能够提高传输的效率。

2、非正交多载波的问题是会引入子载波间的干扰，降低接收机的可靠性，使得误码率性能恶化，本发明在非正交多载波传输中引入索引调制技术，该技术一方面只利用一部分的子载波来进行传统调制与传输数据，另一方面又通过选择子载波的编号而携带额外的比特。因此在保障传输速率相同的情况下，该发明可以降低非正交多载波传输中的载波间干扰，提升传输可靠性。

3、由于本发明降低了子载波间干扰，子载波间干扰多集中在相邻的几个载波之内，因此，在接收端，等效信道矩阵可以近似地用块对角矩阵来表示，从而降低了接收机的复杂度，不用复杂的迭代接收机，而仅仅使用块最大似然接收机就可以达到较好的接收效果。

附图说明

图1为本发明和采用传统调制的SEFDM***在传输效率相同的条件下误码率随信噪比的变化关系对比曲线图。

图2为本发明和采用传统调制的SEFDM***在传输效率相同的条件下误码率随子载波间间隔因子的变化关系对比曲线图。

图中，SEFDM‐IM为本发明方案，SEFDM则为现有技术的采用传统调制方式的非正交传输方案。

具体实施方式

本发明提供了一种基于索引调制的多载波高效率频分复用传输方法，包括下述步骤：

A、根据子载波数目、索引调制参数对原始的二进制比特进行分块：总的子载波数目为N,索引调制为每k个子载波中选择k₁个子载波作为激活子载波，剩余子载波为空闲子载波，在激活子载波上采用传统M‐ary调制。根据以上参数对原始二进制比特进行分块，首先被分为每p＝p₁+p₂个比特的子块，其中，(C(k,k₁)为k中取k₁的组合)，p₂＝log₂M。每个子块组成一个子帧，在N个子载波上传输。

B、根据索引调制选择激活子载波并在激活子载波上进行传统M‐ary调制：在每一个子块上，根据前p₁位二进制比特选择激活子载波，子载波的选择可以根据具体索引调制星座图而定，然后在每一个激活子载波上，对p₂/k₁个二进制比特进行M‐ary调制。

C、将调制后的数据用非正交载波信号进行调制：M‐ary调制后的一帧数据，在非激活子载波位置插零，形成N个信号符号。对这N个符号进行串并变换，然后每一路用一个子载波进行调制，不同的载波之间不正交，载波调制后的信号形成基带信号，在移至射频后进入无线信道进行传输。

D、接收端块最大似然信号检测：根据信道估计的结果得到多径信道每一径的信道系数，然后利用非正交子载波的特性，对频域等效信道矩阵进行分块，将其近似为一个块对角矩阵(即仅仅保留矩阵对角左右的元素，而将远离对角线的元素置为零)，同时对接收到的数据进行子载波解调后并分块，块大小与等效信道块信道子矩阵大小相同，根据分块以后的接收数据与块信道子矩阵进行最大似然信号检测，恢复出每一块的传输符号。

E、索引解调与M‐ary解调：对于最大似然信号检测器输出的传输符号，再进行索引解调与M‐ary解调恢复出原始的二进制比特。

实施例

下面详细给N＝1024，k＝4，k₁＝1，激活子载波上采用QPSK调制时的体操作过程：

步骤A：对原始的二进制比特进行分块，每4个比特为1个子块，占用4个子载波，每G＝256个子块构成一帧，因此每1024个二进制比特构成一帧，共同进行后续的非正交多载波调制。

步骤B:在每一个子块中，前两个比特采用索引调制，选择一个激活子载波，然后在选择的子载波上进行QPSK。假设每个子块中激活子载波选择与二进制比特的映射关系可以采用表1所示，也可以定义其他的映射关系，QPSK可以用传统的星座图映射。经过两级调制以后的信号可以用s_n,n∈M_g，其中M_g,g＝0,1,2,...,G-1为第g个子块的激活子载波序号集合。

表1二进制比特与激活子载波编号映射关系

二进制比特	激活子载波编号(在每一个子块内)
		00	0
01	1
		10	2
11	3

步骤C:

将调制后的数据用非正交载波信号进行调制，调制后的信号可以表示为：

$x\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{T}}{\mathrm{\Σ}}_{g=0}^{G-1}\underset{g\∈M_g}{\Σ}{s}_n{e}^{j2\mathrm{\π}n\mathrm{\α}t/T}$

其中，T非正交多载波调制的一帧长度，α<1为载波间隔调整因子，其取值越小，频谱使用效率越高，而引起的子载波间干扰就会越大。用(T/N)为采样间隔对该模拟信号进行采样，得到数字多载波调制信号如下：

$x_m=\frac{1}{\sqrt{N}}{\mathrm{\&Sigma;}}_{g=0}^{G-1}\underset{g\&Element;M_g}{\&Sigma;}{s}_n{e}^{j2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&alpha;}nm/N}$

以上信号在添加循环前缀以后便可进入到无线信道进行传输，循环前缀的长度不能低于信道的时延扩展。

步骤D：

发送信号在经过无线信道以后，在接收端经过多载波解调后可以写成以下矢量形式：

y＝Φ^*HΦs+Φ^*n

其中，y、s与n均为N×1的向量，分别代表接收信号向量，发送信号向量以及噪声信号向量，Φ与H均为N×N的矩阵，分别代表非正交子载波矩阵与循环信道矩阵，Φ^*是Φ的共轭转置矩阵。Φ^*与Φ中的元素分别为：

${\mathrm{\&phi;}}_{k,n}=\frac{1}{\sqrt{N}}\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&alpha;}nk}{N}\right)$

${\mathrm{\&phi;}}_{k,n}^{*}=\frac{1}{\sqrt{N}}\exp (-\frac{j2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&alpha;}nk}{N})$

显然，Φ^*n分量是复高斯噪声向量n在Φ^*上的投影，其协方差矩阵为：C中的元素可以表示为：

$c_{m,n}=\frac{1-e^{j2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&alpha;}(m-n)}}{N(1-e^{\frac{j2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&alpha;}(m-n)}{N}})},m\&NotEqual;n$

由于是非正交子载波，因此不同子载波间存在着干扰，等效信道矩阵Φ^*HΦ不是对角矩阵，但是子载波间干扰主要集中在相邻的几个子载波上，尤其是索引调制的使用，更是减小了子载波间干扰，因此等效信道矩阵Φ^*HΦ可以近似地写成块对角矩阵的形式，即：

$G={\mathrm{\&Phi;}}^{*}H\mathrm{\&Phi;}\&ap;\left(\begin{array}{cccc}{\tilde{G}}_0& 0& 0& 0\\ 0& {\tilde{G}}_1& 0& 0\\ ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& 0& {\tilde{G}}_{T-1}\end{array}\right)$

其中，其中为v×v的信道矩阵，而0为v×v的全零矩阵。矩阵或0的尺寸可以根据需求进行设计，更大的尺寸将获得更优的检测性能，但是会增加实现复杂度，在本例中，出于检测方便，令v＝k，在这种情况下，每一个子块的接收信号可以写成：

$y_g={\tilde{G}}_g{s}_g+n_g,g=0,1,2,...,G-1$

因此，基于以上接收信号的块最大似然接收机可以写成：

$\begin{array}{c}{\hat{s}}_g=\underset{s_g}{\arg \max }p\left(y_g\right|s_g,{\tilde{G}}_g)\\ =\underset{s_g}{\arg \max }\frac{1}{{\left({\mathrm{\&pi;\&sigma;}}_n^2\right)}^N{\mathrm{detC}}_g}{e}^{-\frac{1}{2{\mathrm{\&sigma;}}_n^2}{(y_g-{\tilde{G}}_g{s}_g)}^{*}{C}_g^{-1}(y_g-{\tilde{G}}_g{s}_g)}\\ =\underset{s_g}{\arg \min }{(y_g-{\tilde{G}}_g{s}_g)}^{*}{C}_g^{-1}(y_g-{\tilde{G}}_g{s}_g)\end{array}$

仿真实验

本发明的传输方案的性能可以通过以下仿真实验检验，仿真试验过程中，假设共有N＝1024个子载波，分为256个子块，即每一个子块包含4个子载波，在4个子载波中，考虑k₁＝1与k₁＝3两种情况，在所有激活子载波上均采用QPSK调制。在k₁＝1的情况下，每一个子组中，QPSK调制每一个符号携带2个比特，索引调制携带2个比特，其速率等效为每个子载波都激活并采用BPSK调制；在k₁＝3的情况下，每一个子组中，有3个采用QPSK调制的子载波，共携带6个比特，索引调制携带2个比特，其速率等效为每个子载波都激活并采用QPSK调制。仿真中的信道均采用20径的频选信道，每一径服从独立同分布的复高斯分布。

1.误码率随信噪比变化仿真实验

在以上实验条件下，误码率随信噪比变化的仿真曲线见图1，其中，SEFDM‐IM为本发明方案，即结合了非正交传输与索引调制的方案，而SEFDM则为采用传统调制方式的非正交传输方案，考虑的信噪比范围为0～20dB。从图1可以看出，本发明的误码率性能明显优于采用传统调制方式非正交传输方案的误码率性能。可见本发明能有效传输的可靠性，这是因为，在本发明在非正交传输中引入了索引调制，因此并不是每一个子载波均激活，因而降低了子载波间干扰，提高了传输可靠性。

2.误码率随载波间隔调整因子变化仿真实验

在以上实验条件下，仿真误码率随载波间隔调整因子α变化的关系，得到的误码率仿真曲线见图2。从图2可以看出，当载波间隔调整因子α增加的时候，子载波间干扰变小，所有方案的误码率性能均有提升，但所提方案的误码率始终低于采用传统调制方式的非正交传输方案。

Claims (1)

1.基于索引调制的多载波高效率频分复用传输方法，包括下述步骤：

A、根据子载波数目、索引调制参数对原始的二进制比特进行分块：总的子载波数目为N，索引调制为每k个子载波中选择k₁个子载波作为激活子载波，剩余子载波为空闲子载波；

对原始二进制比特进行分块，分为每p＝p₁+p₂个比特的子块，其中，(C(k,k₁)为k中取k₁的组合)，p₂＝log₂M，每个子块组成一个子帧，在激活子载波上传输；

B、根据索引调制选择激活子载波并在激活子载波上进行传统M-ary调制：

在每一个子块上，根据前p₁位二进制比特选择激活子载波，然后在每一个激活子载波上，对p₂/k₁个二进制比特进行M-ary调制；

C、将调制后的数据用非正交载波信号进行调制：

M-ary调制后的一帧数据，在非激活子载波位置插零，形成N个信号符号。对这N个符号进行串并变换，然后每一路用一个子载波进行调制，不同的载波之间不正交，载波调制后的信号形成基带信号，在移至射频后进入无线信道进行传输；

D、接收端块最大似然信号检测：

根据信道估计的结果得到多径信道每一径的信道系数，然后利用非正交子载波的特性，对频域等效信道矩阵进行分块，将其近似处理为一个块对角矩阵，并对接收到的数据进行子载波解调后并分块，块大小与等效信道块信道子矩阵大小相同，根据分块以后的接收数据与块信道子矩阵进行最大似然信号检测，恢复出每一块的传输符号；

E、索引解调与M-ary解调：对于最大似然信号检测器输出的传输符号，再进行索引解调与M-ary解调恢复出原始的二进制比特。