基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现方法及设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现方法及设备。

背景技术

传统的高维信号索引调制技术如文献[1]-[3]所示，在文献[1]提出的索引调制OFDM系统中，比特数据通过子载波索引和星座图符号来传输，且传输的索引比特数据不占用系统能量，索引调制OFDM系统能实现能量效率、频谱效率和可靠性的相互均衡。但传统的索引调制OFDM系统仅考虑了用二维信号星座图来承载比特信息，没有利用高维信号星座图在最小欧几里德距离(MED)方面的优势，如三维、四维或更高维度的星座图在平均功率不变的条件下能提供较相应二维信号更大的MED值。

鉴于高维信号星座图的优势，文献[2]提出了一种高维同相正交索引调制OFDM系统，系统具有较高的能量效率和可靠性能，但是仅有一个高维信号的坐标分量利用索引调制映射到OFDM子帧的同相和正交子载波上。

为了提高索引调制OFDM系统的分集增益，文献[3]提出了坐标交织索引调制OFDM，系统的高分集增益大幅提升了传统索引调制OFDM系统的可靠性。由于传统高维索引调制OFDM系统的分集增益较低，其系统可靠性能还有较大上升空间。

[1]E.

[2]Z.Chen,Y.Lu,and S.G.Kang,“High-dimensional OFDM with in-phase/quadrature index modulation,”IEEEAccess,vol.9,pp.44198-44206,Mar.2021.

[3]E.

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现方法，包括：

S1：构建高维信号映射及高维坐标交织的索引调制OFDM系统，即坐标交织高维索引调制OFDM系统；

S2：通过优化高维信号星座图的旋转角度，提高坐标交织高维索引调制OFDM系统的可靠性，获得优化后的坐标交织高维索引调制OFDM系统；

S3：基于优化后的坐标交织高维索引调制OFDM系统传输数字信号，提高信息传输的鲁棒性。

优选的：

坐标交织高维索引调制OFDM系统包括：比特分组器模块、G个OFDM子帧生成器模块、OFDM帧生成器模块、子帧交织器模块、IFFT模块和循环前缀模块；

每个OFDM子帧生成器包括：第一高维信号映射器模块、第二高维信号映射器模块、索引选择器模块和坐标交织器模块。

优选的，步骤S3具体为：

S31：每帧OFDM信号均发送m个信息比特，m比特由比特分组器模块分成G组输入信号，每组输入信号包含p＝m/G比特，其中G＝N/n，N表示一帧OFDM信号的子载波数，n表示每个OFDM信号子帧的子载波数；

S32：在任意一帧OFDM信号的第g个子帧中，1≤g≤G；将p比特输入信号分为p

将p

S33：将S

将更新后的S

C

其中，j

S34：将p

S35：将所有OFDM子帧生成器获得的G个交织信号C

优选的，通过第一方法优化高维信号星座图的旋转角度，具体为：

计算矩阵A＝(X-X')

其中，θ表示高维信号星座图的旋转角度或旋转角度序列组合，α表示矩阵A的秩的值，X表示由C

优选的，通过第二方法优化高维信号星座图的旋转角度，具体为：

使矩阵A的所有不同的非零秩MCGD的最小值最大化，计算公式为：

其中，[δ(α

优选的，通过第三方法优化高维信号星座图的旋转角度，具体为：

使用坐标交织高维索引调制OFDM系统的平均比特错误概率ABEP，搜索所有的旋转角度组合使ABEP最小，计算公式为：

其中，

一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现设备，包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现上述的一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现方法。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明具有灵活的信号坐标交织处理方式，不像传统的二维信号只有两个坐标分量，高维信号如三维、四维及更高维度的信号，每个高维符号有更多的坐标分量个数，可实现更多的交织信号组合；

(2)与传统的高维信号索引调制技术相比，每个OFDM子帧传输了两个高维符号，而传统高维信号索引调制OFDM每个子帧仅发送一个高维符号，本发明的系统频谱效率是传统高维索引调制OFDM的2倍；

(3)高维信号星座图有更多的旋转角度自由度，如三维信号有3个旋转角度、四维信号有6个旋转角度，利用不同的交织方法和旋转角度选择，本发明的系统有利于保密通信；

(4)结合本发明的高维信号坐标交织、子载波激活样式、及高维星座图最佳的旋转角度，本发明系统的分集增益最大可与高维信号维度相同，同时高维信号星座图相较于对应的二维信号星座图，高维信号星座图具有更大的MED；相对于一些传统的索引调制OFDM系统，高分集增益和更大的星座图MED，使本明的系统实现了非常优秀的系统误比特率性能，有利于满足对高质量通信的要求。

附图说明

图1为本发明实施例方法流程图；

图2为坐标交织高维索引调制OFDM系统结构图；

图3为信息传输误比特率的对比图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了提高传统高维索引调制OFDM系统的分集增益，进而改善系统的可靠性，本发明提出了一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现方法，即提供一种坐标交织高维索引调制OFDM系统。主要涉及高维信号坐标交织方案，基于上述方案的索引调制计划，以及高维信号星座图的最佳旋转角度搜索算法。所发明的系统有效的提高了高维索引调制OFDM系统的分集增益，改善了系统可靠性，可为下一代无线通信提供新的调制技术。同时，鉴于提出系统的信号处理方面的灵活性，提出的系统也可用于保密通信。系统的灵活性主要体现在不同的星座图旋转、星座图尺寸的选择、和不同的交织方案等。

参照图1，本发明提供一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现方法，包括：

S1：构建高维信号映射及高维坐标交织的索引调制OFDM系统，即坐标交织高维索引调制OFDM系统；

S2：通过优化高维信号星座图的旋转角度，提高坐标交织高维索引调制OFDM系统的可靠性，获得优化后的坐标交织高维索引调制OFDM系统；

S3：基于优化后的坐标交织高维索引调制OFDM系统传输数字信号，提高信息传输的鲁棒性。

进一步的，参考图2，坐标交织高维索引调制OFDM系统包括：比特分组器模块、G个OFDM子帧生成器模块、OFDM帧生成器模块、子帧交织器模块、IFFT模块和循环前缀模块；

每个OFDM子帧生成器包括：第一高维信号映射器模块、第二高维信号映射器模块、索引选择器模块和坐标交织器模块。

进一步的，步骤S3具体为：

S31：每帧OFDM信号均发送m个信息比特，m比特由比特分组器模块分成G组输入信号，每组输入信号包含p＝m/G比特，其中G＝N/n，N表示一帧OFDM信号的子载波数，n表示每个OFDM信号子帧的子载波数；

S32：在任意一帧OFDM信号的第g个子帧中，1≤g≤G；将p比特输入信号分为p

在一个尺寸为M的高维信号星座图中，一个D维符号可以表示为一个列向量S

S33：在每个坐标交织器模块中，输入的两个D维符号S

将更新后的S

C

其中，j

S34：将p

例如当n＝4,D＝3,tr＝0,ti＝1和M＝8时，通过步骤S32至步骤S34，一个基于坐标交织的高维索引调制OFDM子帧实现如表I所示；

表I

S35：将所有OFDM子帧生成器获得的G个交织信号C

具体过程为：

S351、所有经过高维符号坐标交织产生的G个OFDM子帧通过OFDM帧生成器模块形成一帧频域的OFDM信号S

S

S352、在子帧交织器模块中，一帧OFDM信号中的所有子帧完成子载波交织，子帧交织器模块的输出信号为

S'

S353、由S352产生的频域OFDM信号经IFFT模块的离散傅里叶反变换(IDFT)转换为时域OFDM信号s

s

这里ifft{·}表示N点快速傅里叶反变换操作；

S354、对S353产生的时域OFDM信号添加循环前缀(CP)，目的是减小码间串扰和子载波间干扰；添加CP后，基于坐标交织的高维索引调制OFDM信号送入信道进行传输。

步骤S2为系统的最优化：

提出系统的最优化问题主要是通过搜索算法优化高维信号星座图的旋转角度，进而提高系统的分集增益，完成系统误比特率的减小，提高系统的可靠性。

高维信号星座图的旋转角度优化原则是最大化所有OFDM信号子帧中任意两个子帧间的最小编码增益距离(MCGD)，MCGD作为一个重要参考指标定义为

/>

在(5)中，r表示系统发送端发送的频域子帧OFDM信号X＝diag(C

在(6)中

是一个雅可比式，θ

本发明提出系统的最优化方法，包括如下三种：

通过第一方法优化高维信号星座图的旋转角度，具体为：

计算矩阵A＝(X-X')

其中，θ表示高维信号星座图的旋转角度或旋转角度序列组合，α表示矩阵A的秩的值，X表示由C

通过第二方法优化高维信号星座图的旋转角度，具体为：

使矩阵A的所有不同的非零秩MCGD的最小值最大化，计算公式为：

其中，[δ(α

通过第三方法优化高维信号星座图的旋转角度，具体为：

使用坐标交织高维索引调制OFDM系统的平均比特错误概率ABEP，搜索所有的旋转角度组合使ABEP最小，计算公式为：

其中，公式(11)表示发送X时错误检测为X'的概率，e表示X与X'间的错误的比特个数，X表示由C

实例：

在本发明的一个基于坐标交织的高维索引调制OFDM系统中，假设采用一个三维八进制的信号星座图，即M＝8，D＝3，所有符号的坐标如表II表示。其它参数如下，N＝128，G＝32，n＝4，tr＝0，ti＝1，坐标交织及映射关系如表I所示。循环前缀的长度为16，信道环境为频率选择性瑞利衰落、且多径信道的路径数为10。发送端发送10

表II

在本实例中，旋转后的星座图表示为：

最优化第一方法(1)中的公式(8)具体为：

在本实例的所有OFDM子帧实现中，矩阵A的最小秩的值为3。由于星座图符号点的对称性，角度θ的搜索范围设定为0到90度，搜索间隔为1度，利用公式(12)和(13)，通过电脑搜索的最佳旋转角度θ＝49度。电脑仿真结果如图3所示，其中参考文献[1]采用QPSK调制，n＝4，每个OFDM子帧中3个子载波被激活；参考文献[2]中采用六维的十六进制信号星座图，n＝4，每个OFDM信号子帧的实部和虚部分量均激活3个；参考文献[3]中采用旋转的格状8QAM星座图、其最佳旋转角度为11.5度，n＝4，每个OFDM子帧中2个子载波被激活。图3所示的所有系统的频谱效率均为2比特每秒每赫兹。由图3可见，本发明系统的可靠性最优。

本发明的技术关键点在于：

(1)高维信号坐标交织。在每个OFDM信号的子帧中，包含两个高维符号，并通过本发明的交织技术结合在一起进行信道传输。通过循环移位参数tr和ti的不同，所提出高维符号坐标交织可以有多种实现形式。同时，基于本发明提出的交织技术，两个高维符号坐标也可以实现交叉交织，或是不同OFDM信号子帧间的交织。

(2)OFDM信号子帧的载波激活样式。结合本发明的高维符号坐标交织技术，OFDM子帧中的子载波激活样式需要保证系统的分集增益最大化，从而提高系统的BER性能。一种循环移位的子载波激活样式产生方法，可最大化系统分集增益，特别是当n＝D时，系统分集增益最大，即系统的分集增益等于信号的维度或OFDM信号子帧的长度。

(3)高维信号星座图旋转角度最优化。高维信号星座图的旋转角度最优化是在高维信号坐标交织和子载波激活样式的基础上的一个关键因素，不同的旋转角度直接影响系统的BER性能。本发明给出了三种星座图旋转角度最优化方法。三种方法均是基于高维信号的特点进行的最佳搜索。

本发明提供一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现设备，包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现上述的一种基于坐标交织的高维索引调制OFDM实现方法。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。