阅读说明：本技术 一种空间频率索引调制传输方法 (Space frequency index modulation transmission method ) 是由 蒋婷敏 肖悦 但黎琳 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空间频率索引调制传输方法。本发明首先引入空频索引调制，利用空间和频域索引调制的优势，避免了天线间干扰，降低PAPR以及对频偏的敏感性，以提高系统误码性能。同时利用空间和频域两个维度的索引信息来传递额外的比特信息，以弥补系统频谱效率的损失。其次通过利用信道信息预编码，在激活的子载波上进行天线偏移，进一步实现了系统误码率性能的提升。(The invention belongs to the technical field of wireless communication, and particularly relates to a space frequency index modulation transmission method. The invention firstly introduces space frequency index modulation, utilizes the advantages of space and frequency domain index modulation, avoids interference between antennas, reduces PAPR and sensitivity to frequency deviation, and improves the error code performance of the system. And simultaneously, the index information of two dimensions of space and frequency domain is utilized to transmit extra bit information to make up the loss of the spectrum efficiency of the system. And secondly, by utilizing channel information precoding, antenna offset is carried out on the activated subcarriers, and the improvement of the error rate performance of the system is further realized.)

一种空间频率索引调制传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种空间频率索引调制传输方法。

背景技术

随着人们对通信业务需求的日益增长，进一步发掘更高带宽效率和可靠传输性能的无线通信技术迫在眉睫。正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)技术由于其频谱利用率高、抗多径衰落能力好、硬件简单成本低等原因，成为目前最流行的多载波传输技术之一。

多数入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)传输技术通过在收发端设置多根天线进行传输，在不需要占用额外频谱资源的情况下，能够有效提高数据率和系统容量，近年来得到了广泛的关注和研究。空间调制(Spatial Modulation,SM)作为一种新型多天线技术，利用天线的索引信息来传输额外的比特信息，以其高传输效率、高能量效率以及低复杂度的发射机设计而闻名。由于每个发送时隙只有一根发射天线被激活，避免了天线间同步和干扰问题，同时，由于只需要一个射频单元传输数据，相比传统MIMO技术，降低了硬件实现成本。

索引调制OFDM(Index Modulation OFDM，OFDM-IM)是一种新型的多载波传输技术，已被提出作为传统OFDM的替代方案。受到SM的启发，索引调制被应用到OFDM系统中，利用子载波的索引来传输额外的比特信息。与传统OFDM不同，OFDM-IM只激活部分子载波来传输信息，已被证明在中低频谱效率下相比于传统OFDM具有更好的误码率性能，且能降低OFDM系统的峰均比。

为了进一步挖掘IM的潜力，研究者提出将OFDM-IM和MIMO技术相结合，以发挥两者的优势，该系统被定义为MIMO-OFDM-IM。与传统MIMO-OFDM相比，其能获得更高的信噪比增益。但是，该系统只在每个天线上独立进行子载波索引调制，忽略了空间维度上的索引信息。为解决这一局限性，空频索引调制方案被提出，进一步来提高频谱效率和传输可靠性能。

发明内容

本发明基于提高多载波系统误码性能的目的，提出一种新的空频索引调制传输方案。本发明首先引入空频索引调制，利用空间和频域索引调制的优势，避免了天线间干扰，降低PAPR以及对频偏的敏感性，以提高系统误码性能。同时利用空间和频域两个维度的索引信息来传递额外的比特信息，以弥补系统频谱效率的损失。其次通过利用信道信息预编码，在激活的子载波上进行天线偏移，进一步实现了系统误码率性能的提升。

本发明的技术方案是：

假设多载波空频索引调制(SFIM-OFDM)系统有N_t根发射天线，一根接收天线，每根天线发射的OFDM信号的IFFT长度为N，则每个OFDM符号周期有N_t×N个空间频率资源单元，将空频资源划分为G个子块，每个子块有n_SF＝N_t×L个单元，其中L为每个子块上的每个发射天线选择的子载波数。系统以空频资源块为单位进行比特映射，每个子块相互独立，故可以任意一个空频资源块为例进行说明，假设系统每个子块只激活k个资源单元，且每个激活单元只能在不同频率域上，其余保持静默。发射机结构如图1所示，系统具体实现过程包括以下步骤：

发送端：

a.划分信息比特流：将信息比特流划分为索引比特和调制比特，其中索引比特用于选择每个空频资源块上具体的传输图案，即激活的资源单元，调制比特经过M-QAM调制被映射成星座点符号并在激活的资源单元上进行传输。对于任意子块，其中索引比特的长度为

表示向下取整；调制比特长度p₂＝k·log₂M。则系统一帧符号当中索引比特共有m₁＝p₁·G位，调制比特共有m₂＝p₂·G位，总比特数为m_total＝m₁+m₂位。

b.进行索引调制和信息映射：对于每个子块，按照p₁位索引比特与传输图案之间的映射关系，激活相应的资源单元；将p₂位调制比特由M元星座点集合Ω调制映射成星座点符号，并经ρ＝L/k的归一化功率配置，放置在激活单元上。

c.生成OFDM块并交织：G个子块经过信息映射后连接生成OFDM块，分配给N_t根天线并对每根天线上的OFDM块进行交织。

d.按块进行天线偏移：对于交织后的N_t×N个空频资源单元再重新分成G个子块。对于任意子块，若第n个子载波上的符号表示为

其中

子块传输符号为X＝[X₁,X₂,…,X_L]^T。第n个子载波上的信道信息为

其中|H_a,n|表示第n个子载波上第a根天线与接收天线之间所对应的信道频率响应，a∈Φ＝{1,2,…,N_t}，整个子块的频域信道矩阵为

d1.偏移天线选择：对于任意子块，假设第l个合法的空频索引调制符号被选择，其中

根据索引比特映射关系，第i个发射天线和块内第m个子载波所指向的资源单元被激活，则子块符号为

在所激活的子载波上根据信道信息H_m选择出模值最大的元素所对应的发射天线，即：j表示激活的第m个子载波所选择的最优发射天线，即偏移天线。

d2.预编码：为使接收端能够正确检测并恢复数据，需对选择的待发送符号S_i,m进行预编码处理：

则预编码后的发送向量可表示为：

其中

是发送信号功率归一化系数，

可视为发送信号的预编码系数。i为步骤d1中索引比特激活的资源单元对应的发射天线，j为激活资源单元对应的第m子载波上选出的偏移天线。

e.频域-时域变换：将预编码后的G个子块的发送向量连接生成OFDM块并根据所选偏移天线分配给对应的N_t根天线，再依次在对应天线上进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后发射出去。

接收端：

当传输信号从发射天线发射并经历瑞利衰落信道后，接收端对收到信号进行去循环前缀和FFT操作，对于任意子块，若索引比特映射为第l个合法空频索引调制信号模式X^l，其在频域上的接收信号可表示为：且W服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布。

表达式具体可写成以下形式：

上式可进一步表示为：

Y＝βHX^l+W

接收端采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的空频索引调制信号模式，检测出对应子块的原始信息。即：

其中X^κ为总数为

的传统空间调制信号中的第κ个信号模式。

本发明的有益效果为：相比于传统多载波空间调制系统，本发明在空间维度的基础上，扩展到了频域维度，利用空间和频域的索引信息进行额外的比特传输，提高了系统的频谱效率。相比于传统空频索引多载波(SFIM-OFDM)技术，本发明引入偏移天线的概念，利用CSI信息对发送信号进行预编码，进一步提高了系统的误码率性能。

附图说明

图1为本发明提出的新型空频索引调制技术的发送端框图。

图2为实施例的误码率性能对比仿真图。

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：

实施例：

假设SFIM-OFDM系统有N_t＝2根发射天线，一根接收天线，每根天线发射的OFDM信号的IFFT长度为N＝128，则每个OFDM符号周期有N_t×N＝256个空间频率资源单元，将空频资源划分为G＝64个子块，每个子块有n_SF＝N_t×L＝4个单元，每个子块上的每个发射天线选择的子载波数为L＝2。系统以空频资源块为单位进行比特映射，每个子块相互独立，以任意一个空频资源块为例进行说明，假设系统每个子块只激活k＝1个资源单元，其余保持静默。系统具体实现过程包括以下步骤：

发送端：

a.划分信息比特流：将信息比特流划分为索引比特和调制比特，其中索引比特用于选择每个空频资源块上具体的传输图案，即激活的资源单元，调制比特经过QPSK调制(M＝4)被映射成星座点符号并在激活的资源单元上进行传输。对于任意子块，其中索引比特的长度为

表示向下取整；调制比特长度p₂＝k·log₂M＝2。则系统一帧符号当中索引比特共有m₁＝p₁·G＝128位，调制比特共有m₂＝p₂·G＝128位，总比特数为m_total＝m₁+m₂＝256位。

b.进行索引调制和信息映射：对于每个子块，按照索引比特与传输图案之间的映射关系，激活相应的资源单元；将调制比特由QPSK星座点集合Ω调制映射成星座点符号，并经ρ＝L/k＝2的归一化功率配置，放置在激活单元上。

c.生成OFDM块并交织：64个子块经过信息映射后连接生成OFDM块，分配给N_t＝2根天线，并对每根天线上的OFDM块进行交织，确保同一块之间的不同子载波之间的信道衰落相互独立。

d.按块进行天线偏移：对于交织后的256个空间频率资源单元再重新分成64个子块。对于任意子块，若第n个子载波上的符号表示为

其中

子块上的传输符号为X＝[X₁,X₂,…,X_L]^T。第n个子载波上的信道信息为

其中|H_a,n|表示第n个子载波第a根天线与接收天线之间的信道频率响应，a∈Φ＝{1,2,…,N_t}，整个子块的频域信道矩阵为

d1.偏移天线选择：对于任意子块，假设第l个合法的空频索引调制符号被选择，其中

根据索引比特映射关系，第i个发射天线和块内第m个子载波所指向的资源单元被激活，则子块符号为

在所激活的子载波上根据信道信息H_m选择出模值最大的元素所对应的发射天线，即：

j表示激活的第m个子载波所选择的最优发射天线，即偏移天线。

d2.预编码：为使接收端能够正确检测并恢复数据，需对选择的待发送符号S_i,m进行预编码处理：

则预编码后的发送向量可表示为：

i为步骤d1中索引比特激活的资源单元对应的发射天线，j为激活资源单元对应的第m子载波上选出的偏移天线。

e.频域-时域变换：将预编码后的所有子块的发送向量连接生成OFDM块并根据所选择的偏移天线分配给两根天线，再依次在对应天线上进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后发射出去。

接收端：

当传输信号从发射天线发射并经历瑞利衰落信道后，接收端对收到信号进行去循环前缀和FFT操作，对于任意子块，若索引比特映射为第l个合法空频索引调制信号模式X^l，其在频域上的接收信号可表示为：且W服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布。

表达式进一步可表示为：

Y＝βHX^l+W

接收端采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的空频索引调制信号模式，检测出对应子块的原始信息。即：

其中X^κ为总数为

的传统空间调制信号中的第κ个信号模式。

由图2实施例的仿真结果可以看出，本发明所提的新型空频索引调制技术，能明显提高系统的误码率性能。相比于传统的多载波空间调制(SM-OFDM)和基于天线偏移的多载波空间调制(OSM-OFDM)技术，本发明从空间维度进一步扩展到频域维度，利用空间和子载波两个维度的索引来传输额外信息，提高了频谱效率。在相同频谱效率下，当误码率为10^-2时，相比于传统SM-OFDM技术和OSM-OFDM技术，本发明分别能带来3.3dB和1.6dB的信噪比增益。本发明通过引入偏移天线的方法，利用信道信息进行预编码，相比于传统的空频索引调制(SFIM-OFDM)技术，同样提高了误码性能，当误码率为10^-2时，能带来2dB的性能增益。