本發(fā)明涉及通信，更具體地，涉及一種靈活配置的時(shí)延多普勒域otfs索引調(diào)制方法、系統(tǒng)及程序產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、索引調(diào)制技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其是正交頻分復(fù)用(ofdm)系統(tǒng)中取得了重要進(jìn)展。索引調(diào)制ofdm(ofdm-im)以及其眾多衍生技術(shù)的提出，代表了索引調(diào)制應(yīng)用的重要里程碑。然而，這些技術(shù)在高速移動(dòng)通信場(chǎng)景下，尤其是面臨顯著多普勒頻移時(shí)，仍然暴露出了局限性。多普勒頻移導(dǎo)致的符號(hào)間干擾(ici)嚴(yán)重影響了ofdm系統(tǒng)的性能，限制了其在高移動(dòng)性環(huán)境下的可靠性和頻譜效率。

2、針對(duì)這一挑戰(zhàn)，otfs(orthogonal?time?frequency?space?modulation，正交時(shí)頻空間調(diào)制)作為一種新興的調(diào)制技術(shù)，因其在高多普勒環(huán)境下表現(xiàn)的魯棒性而備受關(guān)注。進(jìn)一步地，otfs索引調(diào)制(otfs-im)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為高速移動(dòng)通信提供了一條新途徑。otfs-im通過(guò)在時(shí)延多普勒(dd)域中實(shí)施索引調(diào)制，利用未被激活的dd域網(wǎng)格作為保護(hù)符號(hào)，對(duì)抗高多普勒頻移場(chǎng)景下的信號(hào)干擾，顯著提高了在高多普勒頻移條件下的通信可靠性。并且與傳統(tǒng)ofdm-im相比，其在抗多普勒頻移和時(shí)變信道條件下的性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3、然而，現(xiàn)有otfs-im技術(shù)仍存在不足，主要體現(xiàn)在其對(duì)整個(gè)otfs幀內(nèi)不同子塊采用固定比例的網(wǎng)格激活策略，以及被激活的網(wǎng)格僅能攜帶固定調(diào)制階數(shù)的信號(hào)，這在一定程度上抑制了其在頻譜效率和系統(tǒng)靈活性方面的潛能。此外，信息比特到索引模式和調(diào)制符號(hào)的映射機(jī)制，以及相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)復(fù)雜度，也是制約現(xiàn)有otfs-im技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，如何在時(shí)延多普勒域引入更多自由度，同時(shí)簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程，提升頻譜效率和系統(tǒng)靈活性，成為亟待解決的問(wèn)題。特別是對(duì)于高移動(dòng)性場(chǎng)景，如高速列車(chē)、航空通信等應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出能夠適應(yīng)大范圍移動(dòng)速度需求，且能有效應(yīng)對(duì)多徑效應(yīng)和多普勒頻移影響的索引調(diào)制技術(shù)，顯得尤為迫切。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、由于現(xiàn)有技術(shù)存在上述缺陷，本發(fā)明致力于提出一種靈活配置的時(shí)延多普勒域otfs索引調(diào)制(簡(jiǎn)稱(chēng)e-otfs-im-iq)方法、系統(tǒng)及程序產(chǎn)品，旨在解決現(xiàn)有otfs-im技術(shù)中激活子載波比率固定、調(diào)制階數(shù)單一以及信息映射與檢測(cè)復(fù)雜性問(wèn)題。該增強(qiáng)型時(shí)延多普勒域索引調(diào)制技術(shù)，使得otfs幀內(nèi)不同子塊能采用不同的網(wǎng)格激活比率，并允許被激活的網(wǎng)格攜帶不同調(diào)制階數(shù)的調(diào)制符號(hào)。同時(shí)，解耦同相分支和正交分支為系統(tǒng)增加另一個(gè)自由度，從而大幅提升系統(tǒng)靈活性、頻譜效率和可靠性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供一種靈活配置的時(shí)延多普勒域otfs索引調(diào)制方法，其特征在于：通過(guò)包括可動(dòng)態(tài)網(wǎng)格激活比與調(diào)制階數(shù)配置的iq映射模塊和接收端在內(nèi)的系統(tǒng)執(zhí)行：

3、在所述可動(dòng)態(tài)網(wǎng)格激活比與調(diào)制階數(shù)配置的iq映射模塊中，輸入比特流經(jīng)過(guò)比特分流器分成若干組，每組比特經(jīng)過(guò)iq比特分割模塊，獲得同相分量和正交分量的二進(jìn)制序列；分別對(duì)同相分量和正交分量的二進(jìn)制序列進(jìn)行映射，構(gòu)造子塊的同相分量和正交分量，獲得子塊級(jí)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格激活比與調(diào)制階數(shù)配置；將所有子塊拼接在一起生成otfs符號(hào)塊，經(jīng)過(guò)otfs調(diào)制后傳送到快時(shí)變信道進(jìn)行傳輸；

4、在接收端，時(shí)域接收信號(hào)經(jīng)過(guò)otfs解調(diào)，獲得時(shí)延多普勒域的接收信號(hào)，采用改進(jìn)的消息傳遞檢測(cè)算法獲得激活的時(shí)延多普勒域網(wǎng)格位置和調(diào)制符號(hào)。

5、本發(fā)明不僅采用同相/正交分量獨(dú)立激活：將每個(gè)子塊中的二維調(diào)制符號(hào)分解為同相(in-phase)和正交(quadrature)分量，各自獨(dú)立激活子載波，增加系統(tǒng)的自由度和信息傳輸容量，而且提出一種創(chuàng)新的子塊級(jí)動(dòng)態(tài)子載波激活與調(diào)制階數(shù)配置策略，允許根據(jù)實(shí)際傳輸需求動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)子塊內(nèi)激活的子載波數(shù)量及其對(duì)應(yīng)的調(diào)制階數(shù)，以適應(yīng)變化的信道條件和傳輸需求。此外，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種計(jì)算高效的編碼映射方法，將信息比特序列合理映射為同相和正交分量的子塊實(shí)現(xiàn)，確保了在不同配置下的有效信息傳輸，同時(shí)維持較低的映射復(fù)雜度。針對(duì)接收端檢測(cè)復(fù)雜度和誤比特率(ber)性能之間的平衡，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的消息傳遞檢測(cè)算法，能夠有效處理不同激活模式和調(diào)制階數(shù)的子載波，降低檢測(cè)復(fù)雜度同時(shí)保持良好的ber性能。

6、進(jìn)一步地，在所述可動(dòng)態(tài)網(wǎng)格激活比與調(diào)制階數(shù)配置的iq映射模塊中，二進(jìn)制比特信息根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)信息，首先獲得同相分量和正交分量的二進(jìn)制序列；然后分別將這兩個(gè)二進(jìn)制序列傳入比特映射器，確定指示參數(shù)，進(jìn)行比特分割，再結(jié)合補(bǔ)償值分別將分割后的二進(jìn)制序列傳入索引選擇模塊和調(diào)制符號(hào)映射模塊；在接收端采用改進(jìn)的消息傳遞檢測(cè)，以檢測(cè)同相和正交分量的激活網(wǎng)格索引和調(diào)制符號(hào)，隨后恢復(fù)原始信息比特。

7、進(jìn)一步地，所述可動(dòng)態(tài)網(wǎng)格激活比與調(diào)制階數(shù)配置的iq映射模塊的工作過(guò)程具體包括：將發(fā)送的二進(jìn)制比特信息根據(jù)比特分流器分成若干組，每組比特根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)信息，首先獲得同相分量和正交分量的二進(jìn)制序列；然后分別將這兩個(gè)二進(jìn)制序列傳入比特映射器，確定指示參數(shù)，進(jìn)行比特分割，再結(jié)合補(bǔ)償值分別將分割后的二進(jìn)制序列傳入索引選擇模塊和調(diào)制符號(hào)映射模塊；再分別得到同相和正交分量以后組合為子塊；在得到所有子塊之后，將這些子塊拼接在一起生成otfs符號(hào)塊，產(chǎn)生的時(shí)延多普勒域信號(hào)經(jīng)isfft變換，又經(jīng)heisenberg變換模塊變化為時(shí)域信號(hào)，最后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換、添加循環(huán)前綴、數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入到快時(shí)變信道進(jìn)行傳輸。

8、進(jìn)一步地，對(duì)于第g個(gè)子塊，將長(zhǎng)度為b的信息比特序列b映射到子塊xg的步驟如下：

9、第1步：將信息比特序列b轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)z，z∈[0,2b-1]；

10、第2步：根據(jù)以下公式計(jì)算參數(shù)：

11、

12、第3步：將zi轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為的二進(jìn)制序列并將zq轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為的二進(jìn)制序列

13、第4步：映射和分別構(gòu)造同相分量和正交分量進(jìn)而得到所要傳輸?shù)淖訅K到和到的映射過(guò)程相同，到的映射過(guò)程具體如下：

14、第4.1步：將轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)根據(jù)以下公式確定指示參數(shù)：

15、

16、計(jì)算符號(hào)比特?cái)?shù)則網(wǎng)格激活模式比特?cái)?shù)為b1＝b-b2；將信息比特序列b的前b1個(gè)比特記為b1，其余的b2個(gè)比特記為b2；

17、第4.2步：如果r＝1，設(shè)置補(bǔ)償值z(mì)c＝0；如果r≠1，將轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度為的二進(jìn)制序列并將的前b1個(gè)比特轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)償值z(mì)c；

18、第4.3步：將b1轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)z1，然后從z1中減去zc；根據(jù)差值z(mì)1-zc，確定激活的網(wǎng)格的索引i中的每個(gè)元素滿(mǎn)足以下條件：

19、

20、其中，是滿(mǎn)足的最大整數(shù)，是滿(mǎn)足的最大整數(shù)，以此類(lèi)推，且對(duì)于a＜b時(shí)，認(rèn)為

21、第4.4步：根據(jù)b2得到kr個(gè)來(lái)自星座圖的調(diào)制符號(hào)；

22、第4.5步：通過(guò)組合得到的網(wǎng)格激活模式和調(diào)制符號(hào)，構(gòu)造子塊的同相分量

23、第5步：將同相分量和正交分量組合起來(lái)，得到第g個(gè)子塊xg的向量形式：

24、

25、進(jìn)一步地，所述接收端的工作過(guò)程具體包括：

26、經(jīng)過(guò)快時(shí)變信道和噪聲影響后，對(duì)接收的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換、去循環(huán)前綴和串并變換；隨后經(jīng)wigner變換再經(jīng)sfft變換得到dd域接收信號(hào)；對(duì)于dd域接收信號(hào)，采用改進(jìn)的消息傳遞檢測(cè)算法，獲得同相和正交分量的激活網(wǎng)格索引和調(diào)制符號(hào)，隨后對(duì)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行解映射，恢復(fù)原始信息比特。

27、進(jìn)一步地，改進(jìn)的消息傳遞檢測(cè)算法在第t次迭代中的步驟描述如下：

28、第1步：干擾項(xiàng)的均值和方差作為來(lái)自觀測(cè)節(jié)點(diǎn)y′[d]的消息傳遞到變量節(jié)點(diǎn)可以近似為一個(gè)高斯隨機(jī)變量，寫(xiě)作：

29、

30、的均值為：

31、

32、方差為：

33、

34、變量節(jié)點(diǎn)x[c]根據(jù)下式計(jì)算的概率：

35、

36、變量節(jié)點(diǎn)x′[c]傳遞到觀測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的消息是概率質(zhì)量函數(shù)中的元素可以通過(guò)下式計(jì)算：

37、

38、其中：

39、

40、在概率更新中引入了一個(gè)阻尼因子δ∈(0,1]用于控制收斂速度以提高性能；δ可以通過(guò)蒙特卡羅模擬得到；

41、第2步：計(jì)算收斂性指標(biāo)：

42、

43、式中，是指示函數(shù)，如果括號(hào)中的表達(dá)式為真，則其值為1，否則為0；傳輸符號(hào)的后驗(yàn)概率表示為：

44、

45、如果γ(t)＞γ(t-1)，將傳輸符號(hào)的概率更新為：

46、

47、重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到γ(t)＝1或最大迭代次數(shù)tmax。

48、第3步：一旦滿(mǎn)足了停止標(biāo)準(zhǔn)，接下來(lái)根據(jù)下式計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的對(duì)數(shù)似然比llr：

49、

50、然后計(jì)算處理后的llr：

51、

52、其中h0(·)表示heaviside階梯函數(shù)；和分別用于得到第g個(gè)子塊的同相分量和正交分量激活的索引位置；與獲得正交分量激活的索引位置類(lèi)似，從獲得同相分量激活的索引位置的過(guò)程具體如下：

53、確定與每個(gè)合法網(wǎng)格激活模式之間的漢明距離，并找出與最小漢明距離dmin相關(guān)的可能的合法網(wǎng)格激活模式集合，記為p；做以下判斷：

54、如果dmin＝0，判定為估計(jì)的合法網(wǎng)格激活模式；

55、如果dmin＞1，則將中對(duì)應(yīng)llr值最小的元素反轉(zhuǎn)，以減少最小漢明距離，直到dmin＝1；

56、如果dmin＝1，找出中與p中所有元素不相同的位置，并對(duì)llr幅度最小的元素進(jìn)行反轉(zhuǎn)，得到激活的索引位置；

57、第4步：根據(jù)以下度量確定被激活網(wǎng)格上的調(diào)制符號(hào)：

58、

59、

60、其中和分別表示同相分量和正交分量檢測(cè)到的被激活的網(wǎng)格的集合；隨后逐個(gè)子塊解映射，即實(shí)施編碼映射的反向過(guò)程，恢復(fù)原始信息比特。

61、另一方面，本發(fā)明提供一種靈活配置的時(shí)延多普勒域otfs索引調(diào)制系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)射端和如上所述的接收端，所述發(fā)射端包括可動(dòng)態(tài)網(wǎng)格激活比與調(diào)制階數(shù)配置的iq映射模塊，用于執(zhí)行上述的靈活配置的時(shí)延多普勒域otfs索引調(diào)制方法。

62、再一方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述的靈活配置的時(shí)延多普勒域otfs索引調(diào)制方法。

63、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的有益效果為：

64、(1)提高頻譜效率：通過(guò)動(dòng)態(tài)配置子載波激活比率和調(diào)制階數(shù)，根據(jù)信道條件優(yōu)化信息傳輸，顯著提升頻譜資源利用效率。

65、(2)增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性：適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)論是低移動(dòng)性還是高移動(dòng)性，都能通過(guò)調(diào)整配置達(dá)到最佳性能。

66、(3)優(yōu)化檢測(cè)性能：提出低復(fù)雜度的改進(jìn)的消息傳遞檢測(cè)器，在保證解碼準(zhǔn)確性的同時(shí)降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，有利于實(shí)際部署。

67、(4)提升系統(tǒng)可靠性：通過(guò)靈活的資源配置和高效的信息映射，增強(qiáng)了在高多普勒頻移場(chǎng)景下的傳輸可靠性。

68、(5)優(yōu)化ber性能：通過(guò)自適應(yīng)調(diào)制階數(shù)和高效檢測(cè)算法，即便在高移動(dòng)性環(huán)境中也能保持較低的誤比特率。