基于广义码索引调制的方法

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及无线通线系统的索引调制方法，具体地说是一种基于广义码索引调制(gcim)方法。


背景技术：

2.在第五代移动通信(5g)中，移动数据服务的爆发式增长与智能设备的广泛普及对频谱效率和能量效率提出了更高的要求。新兴的一种物理层调制技术——索引调制(im)，是一种具有高频谱效率和高能量效率的数字调制技术，利用资源的索引来传递额外的信息位，能够达到5g对高吞吐量和低能量消耗的需求，使得人们对它的兴趣与日俱增。传统索引调制主要分为空域、频域、时域、码域四种，对应的激活资源分别为天线、子载波、时隙和扩频码。其中，码域中提出的是码索引调制(cim)，该方案使用扩频码与星座符号一起映射数据，与传统的直接序列扩频(ds-ss)相比，可以在不增加系统复杂度的同时，实现更高的数据速率和更低的能量消耗。而且，cim还可以与多输入与多输出(mimo)、空间调制(sm)和正交空间调制(qsm)等系统结合成二维系统以获得更高的吞吐量。
3.码索引调制(cim)比特位流被分成块，每个块又分成两个子块:扩频映射子块和调制子块。调制子块和扩频映射子块分别用来选择调制符号和扩频码，然后用该扩频码来扩频调制子块所选择的调制符号。因此，cim使用扩频码与星座符号一起映射数据，增加了一种新的扩频码域，可以在不增加系统额外计算复杂度的情况下提高数据速率。但是cim存在选择调制符号限制的问题，每次只激活一个调制符号，传输效率达不到很好效果。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于广义码索引调制方法。该方法可实现低复杂度、高传输效率且高性能的优势。
5.本发明采用以下技术方案实现：
6.一种基于广义码索引调制的方法，构建一个具有1根发射天线、1根接收天线、m-qam调制符号和l扩频码的gcim系统，l为可供选择的扩频码个数；系统的接收端可以利用最大似然检测和匹配检测两种方法进行检测，最大似然检测是所有可能结果的遍历，匹配检测是利用扩频码的自相关性质采取先解扩后进行调制符号的检测。
7.上述技术方案中，进一步地，所述gcim的工作方法为：
8.1.1)在gcim系统的发射端，发送维数为1
×bgcim
的位序列p＝[p1,p2]；b
gcim
比特被细分为两个块:b
gcim
＝b1 b2，比特，b2＝klog2(m)比特；其中，b1比特用来从l个扩频码中激活k个扩频码扩频码使用hadamard码，长度为len，里面的元素由
±
1组成；b2比特拆成k个子块b
2,1
…b2,k
…b2,k
，b
2,k
用来选择一个m-qam调制符号i1...ik∈{1,...,l},k∈{1,...,l}；m-qam调制符号为是调制符号的实部，是调制符号的虚部；第k个调制符号与选择的第k个扩频码相乘后，对乘法器块的输
出进行求和得到发射信号；
[0009]
1.2)发射信号通过一个服从复高斯分布的瑞利衰落信道h∈c1×1，并经过一个服从复高斯分布加性高斯白噪声因此，信道输出端的接收基带信号由下式给出
[0010][0011]
其中，扩频码接收基带信号y∈c1×
len
；
[0012]
1.3)最大似然检测方法
[0013]
在gcim系统的接收端，采取最大似然检测方法，直接遍历所有可能性；gcim系统的ml检测器表示为：
[0014][0015]
其中，分别为被解调出来k个扩频码和k个调制符号的索引估计值；最后，索引值借助解映射器可以得到接收端处的估计比特
[0016]
1.4)匹配检测方法
[0017]
在gcim的接收端先解扩然后解调，检测出发射端所使用的扩频码索引估计值以及调制符号索引估计值解扩操作是接收基带信号和l个扩频码相乘；因此，接收端第l个相关器的解扩输出公式可以写为
[0018][0019]
其中，l∈{1,...,l}，为每个扩频码传输的能量,为加性高斯白噪声项乘以扩频码；
[0020]
在接收端，接收基带信号需要经过l个相关器，执行解扩操作，则在接收端处得到的向量集表示为
[0021][0022]
根据扩频码的自相关性质获得扩频码索引估计值找出k个较大值即可得对应的索引估计值，公式表示为
[0023][0024]
如此，将获得的扩频码索引估计值反馈到解扩向量集中作为解调器的输入；系统的解调使用的是ml检测算法，公式表示为
[0025][0026]
将得到的扩频码索引估计值与调制符号索引估计值合并得到全部索引值最后，索引值借助解映射器可以得到接收端处的
[0027]
在本发明中所提出的gcim方案中，推导出了误码率性能的上界。然后通过蒙特卡罗仿真验证了gcim的性能。
[0028]
对gcim方案性能分析具体为：
[0029]
2.1)本部分是gcim系统的理论推导部分，其误码率上界可以用下面的渐近紧密联合边界来计算
[0030][0031]
其中，为扩频码，为调制符号。是与相应无条件成对差错概率pep事件相关联的比特错误数，是无条件差错概率。
[0032]
2.2)基于信道h条件下的pep(cpep)可以使用q函数表示，如下所示
[0033][0034]
其中，噪声分布服从复高斯分布，其均值为零，方差为
[0035]
由于q函数表达式为因此，公式可以写为
[0036][0037]
对应的cpep可以写为
[0038][0039]
然后调用moment generating function(mgf)函数，得到pep结果如下
[0040][0041]
其中，z＝hh。为z＝hh对应的均值。因此gqcim系统的pep为
[0042][0043]
利用mathematica、matlab等进行数值积分的软件可以对上述公式中的上界数值积分进行求解。
[0044]
本发明的有益效果为：
[0045]
本发明提出了一种新的方法来提高cim技术的传输效率，即广义码索引调制(gcim)。gcim是单输入单输出方案，从而方案复杂度更低。物联网和m2m系统应具有低功耗设备和低复杂性。因此，单输入单输出(siso)解决方案比多输入多输出(mimo)解决方案更适用物联网和m2m。
[0046]
gcim采用两种资源来传递信息位，即扩频码索引和m-qam调制符号。gcim选择激活一部分的扩频码来发送调制符号，每一个扩频码都要对应一个调制符号。因此，相比cim在扩频码数量相同的情况下，可以实现更高的传输效率。本发明还推导了gcim的平均成对差错概率，实验结果表明所提出系统的仿真结果与理论性能分析一致。同时，对比了gcim系统与pim、cim-qsm、cim-sm、cim系统误码性能。结果表明，在相同的传输效率下，gcim的性能优于cim、cim-qsm、cim-sm、pim。
附图说明
[0047]
图1为gcim方案模型示意图；
[0048]
图2为gcim与pim、cim-qsm、cim-sm、cim的性能比较。
具体实施方式
[0049]
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
[0050]
如图1为本发明的gcim方案的模型示意图。
[0051]
一种基于广义码索引调制的方法，该方法首先构建一个具有1根发射天线、1根接收天线、m-qam调制符号和l扩频码的gcim系统，l为可供选择的扩频码个数；系统的接收端可以利用最大似然检测和匹配检测两种方法进行检测，最大似然检测是所有可能结果的遍历，匹配检测是利用扩频码的自相关性质采取先解扩后进行调制符号的检测。
[0052]
所述gcim系统的工作方法为：
[0053]
1.1)在gcim系统的发射端，发送维数为1
×bgcim
的位序列p＝[p1,p2]；b
gcim
比特被细分为两个块:b
gcim
＝b1 b2，比特，b2＝klog2(m)比特；其中，b1比特用来从l个扩频码中激活k个扩频码扩频码使用hadamard码，长度为len，里面的元素由
±
1组成；b2比特拆成k个子块b
2,1
…b2,k
…b2,k
，b
2,k
用来选择一个m-qam调制符号i1...ik∈{1,...,l},k∈{1,...,l}；m-qam调制符号为是调制符号的实部，是调制符号的虚部；第k个调制符号与选择的第k个扩频码相乘后，对乘法器块的输出进行求和得到发射信号；
[0054]
1.2)发射信号通过一个服从复高斯分布的瑞利衰落信道h∈c1×1，并经过一个服从复高斯分布加性高斯白噪声因此，信道输出端的接收基带信号由下式给出
[0055][0056]
其中，扩频码接收基带信号y∈c1×
len
；
[0057]
1.3)最大似然检测方法
[0058]
在gcim系统的接收端，采取最大似然检测方法，直接遍历所有可能性；gcim系统的ml检测器表示为：
[0059][0060]
其中，分别为被解调出来k个扩频码和k个调制符号的索引估计值；最后，索引值借助解映射器可以得到接收端处的估计比特
[0061]
1.4)匹配检测方法
[0062]
在gcim的接收端先解扩然后解调，检测出发射端所使用的扩频码索引估计值以及调制符号索引估计值解扩操作是接收基带信号和l个扩频码相乘；因此，接收端第l个相关器的解扩输出公式可以写为
[0063]
[0064]
其中，l∈{1,...,l}，为每个扩频码传输的能量,为加性高斯白噪声项乘以扩频码；
[0065]
在接收端，接收基带信号需要经过l个相关器，执行解扩操作，则在接收端处得到的向量集表示为
[0066][0067]
根据扩频码的自相关性质获得扩频码索引估计值找出k个较大值即可得对应的索引估计值，公式表示为
[0068][0069]
如此，将获得的扩频码索引估计值反馈到解扩向量集中作为解调器的输入；系统的解调使用的是ml检测算法，公式表示为
[0070][0071]
将得到的扩频码索引估计值与调制符号索引估计值合并得到全部索引值最后，索引值借助解映射器可以得到接收端处的
[0072]
在本发明中所提出的gcim方案中，推导出了误码率性能的上界。然后通过蒙特卡罗仿真验证了gcim的性能。
[0073]
gcim方案的性能分析具体为：
[0074]
2.1)本部分是gcim系统的理论推导部分，其误码率上界可以用下面的渐近紧密联合边界来计算
[0075][0076]
其中，为扩频码，为调制符号。是与相应无条件成对差错概率pep事件相关联的比特错误数，是无条件差错概率。
[0077]
2.2)基于信道h条件下的pep(cpep)可以使用q函数表示，如下所示
[0078][0079]
其中，噪声分布服从复高斯分布，其均值为
零，方差为
[0080]
由于q函数表达式为因此，公式可以写为
[0081][0082]
对应的cpep可以写为
[0083][0084]
然后调用moment generating function(mgf)函数，得到pep结果如下
[0085][0086]
其中，z＝hh。为z＝hh对应的均值。因此gqcim系统的pep为
[0087][0088]
利用mathematica、matlab等进行数值积分的软件可以对上述公式中的上界数值积分进行求解。
[0089]
图2中给出了在10bit的情况下，gcim系统、脉冲索引调制pim系统、码索引调制-正交空间调制cim-qsm系统、码索引调制-空间调制cim-sm系统和码索引调制cim系统误码率性能对比。从图中可以看出gcim系统相比pim、cim-qsm、cim-sm和cim系统具有更好的误码率性能。由图2中给出的误码率结果可知，在ber＝10-3
情况下，gcim系统相比pim、cim-qsm、cim-sm、cim系统可以获得的信噪比增益分别为1db、1.5db、3db、3.5db。
[0090]
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本技术的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。