一种细粒度自适应OFDM调制解调系统和方法

一种细粒度自适应ofdm调制解调系统和方法
技术领域
1.本发明属于无线光通信领域，具体的，涉及一种细粒度自适应ofdm调制解调系统和方法。


背景技术：

2.第六代(6g)网络有望提供覆盖空间、空中、地面和水下环境的超高容量、超低延迟通信。随着海洋勘探、海洋环境监测和海洋安全等水下活动需求的不断增加，水下无线通信(underwater wireless communication，uwc)引起了学术界和工业界的极大关注。近年来，作为6g关键使能技术之一的可见光通信(visible light communication,vlc)在水下环境中得到了广泛的应用和研究。与水声通信、水下射频通信等传统uwc技术相比，水下vlc(underwater visible light communication,uvlc)具有带宽大、传播时延低、安全性高、体积小、功耗低、成本低等固有优势。因此，uvlc通常被认为是传统水声通信的有效补充技术，可以在水下环境中建立高效的通信链路。最近，基于发光二极管(led)的uvlc系统已经被广泛关注，但是实际的uvlc系统存在的调制带宽有限的问题使得系统的传输速率受到了一定限制，可以考虑采用高频谱效率调制技术来提高系统的可用数据速率，比如高阶调制正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)技术。
3.ofdm有多载波特性，每个子载波所分配的调制阶数可以相同，也可以不同。自适应技术就是根据系统的信道增益信息给不同子载波动态分配不同的调制方式，从而在给定总发射功率条件下实现系统传输速率最大化。传统的ofdm自适应比特加载技术在相同时刻给每个子载波分配相应的比特数，具体而言，根据已知的信道信息并且满足目标误码率前提下，给每个子载波分配最佳调制阶数来获得系统最大频谱效率，使系统能够传输更多比特，实现频谱效率与误码率间的最佳平衡。由于实际uvlc系统的信道具有低通特性，处于不同位置的子载波要经历的信道状态是不同的，可以根据实际的信道状态给每个子载波灵活分配发送功率和信息比特，可实现给低频子载波分配高阶调制方式，加载更多比特，给高频子载波分配低阶调制方式来适应信道特性，所有子载波独立传输各自相应的比特信息，不会受到相邻载波的干扰。但是，传统的ofdm自适应比特加载技术分配给每个子载波的比特数为整数，系统传输速率的实现受到了一定的限制。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种细粒度自适应ofdm调制解调系统和方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种细粒度自适应ofdm调制解调系统，包括，发射端和接收端，其特征在于，
7.发射端包括第一串并转换模块、细粒度自适应调制模块、厄米对称模块、ifft模块、第一并串转换模块，
8.其中，细粒度自适应调制模块包括整数级调制单元和小数级调制单元，其接收接收端反馈的信道估计结果并根据该信道估计结果对数据进行细粒度自适应调制，
9.整数级调制单元用于进行整数级粒度调制，其由ofdm采用不同的星座方式实现；
10.小数级调制单元用于进行小数级粒度调制，其包括df-dmim调制器，df-dmim调制器利用基于双帧的双模索引调制方法进行调制，即在相邻时隙对所有子载波进行双模索引调制，生成ofdm调制信号；
11.接收端包括第二串并转换模块、fft模块、信道估计模块、频域均衡模块、细粒度自适应解调模块、第二并串转换模块，
12.其中，细粒度自适应解调模块包括llr检测器和与df-dmim调制器对应的df-dmim解调器。
13.进一步地，所述包括df-dmim调制器包括时隙索引选择器、星座映射器a、星座映射器b和df-dmim映射器，其中，
14.时隙索引选择器用于将所有子载波在两个相邻时隙索引进行编码；
15.星座映射器a用于对相邻时隙中的激活时隙的数据利用星座图a进行星座映射，生成m
a-qam信号，ma表示星座图a的阶数；
16.星座映射器b用于对相邻时隙中的未激活时隙的数据利用星座图b进行星座映射，生成m
b-qam信号，mb表示星座图b的阶数；
17.df-dmim映射器用于根据时隙索引编码和星座映射的结果生成df-dmim调制信号，
18.其中，星座图a和星座图b为不同的星座图。
19.进一步地，df-dmim解调器包括llr检测器、时隙索引选择器、星座解映射器a、星座解映射器b，其中，
20.时隙索引选择器用于对接收到的信号的编码时隙索引进行解码；
21.星座解映射器a用于对解码得到的激活时隙索引对应的m
a-qam信号进行解映射；
22.星座解映射器b用于对解码得到的非激活时隙索引对应的m
b-qam信号进行解映射。
23.进一步地，ma和mb可以相同或不同。
24.本发明还提供了一种细粒度自适应ofdm调制解调方法，该包括：
25.在发送端，
26.将输入数据进行串并转换，生成第一串行数据；
27.根据接收端反馈的信道估计结果，对第一串行数据进行细粒度自适应调制，其中，细粒度包括整数级粒度和小数级粒度，对于整数级粒度，由ofdm采用不同星座方式实现，对于小数级粒度，采用基于双帧的双模索引调制df-dmim方法进行调制，即在相邻时隙对所有子载波进行双模索引调制，包括，
28.将所有子载波在两个相邻时隙索引进行编码；
29.对于相邻时隙中的激活时隙的数据利用星座图a进行星座映射，生成m
a-qam信号，ma表示星座图a的阶数，
30.对于相邻时隙中的未激活时隙的数据利用星座图b进行星座映射，生成m
b-qam信号，mb表示星座图b的阶数，其中，星座图a和星座图b为不同的星座图，
31.根据时隙索引编码和星座映射的结果生成df-dmim调制信号；
32.在接收端，
33.对接收到的数据进行细粒度自适应解调，具体包括：
34.对接收到的信号的编码时隙索引进行解码；
35.对解码得到的激活时隙索引对应的m
a-qam信号进行解映射；
36.对解码得到的非激活时隙索引对应的m
b-qam信号进行解映射。
37.进一步地，在进行细粒度自适应调制之后，还包括对df-dmim调制信号进行厄米对称、ifft、并串转换、数模转换和增加直流偏置操作生成传输信号。
38.进一步地，在进行细粒度自适应解调之前还需要对接收到的传输信号进行模数转换、去除直流偏置、串并转换、fft、信道估计、频域均衡等操作，之后进行细粒度自适应解调并进行并串转换、生成输出信号。
39.本发明的有益效果是：
40.一方面，本发明将传输比特数扩展到了小数级粒度，通过将小数级和整数级粒度结合来最大化系统传输速率；另一方面，由于当在两个相邻子载波上考虑信号传输得到小数级粒度的实际系统会受到低通频率响应的影响，主要是由于相邻子载波对应的功率衰减不一样，针对这个问题，本发明在相邻时隙考虑所有子载波的分配比特情况，实现了小数级粒度加载，有效解决实际系统低通频率响应的影响，实现了系统传输速率最大化。
41.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
42.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
43.图1是根据本技术的一个实施例所示的一种细粒度自适应ofdm调制解调系统示意图；
44.图2是基于bpsk ofdm的0.5bit/s/hz粒度实现示意图；
45.图3是df-dmim调制解调示意图。
具体实施方式
46.以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
47.图1是一种细粒度自适应ofdm调制解调系统示意图，如图1所示，该系统包括，发射端和接收端。
48.发射端包括第一串并转换模块、细粒度自适应调制模块、厄米对称模块、ifft模块、第一并串转换模块、数模转换模块。输入数据首先通过第一串并转换模块进行串并转换(即s/p)实现并行数据的传输。
49.细粒度自适应调制模块可以接收接收端反馈的信道估计结果(例如信道增益、snr估计等)并根据该信道估计结果对串并转换之后的并行数据数据进行细粒度自适应调制。
50.细粒度自适应调制模块包括整数级调制单元和小数级调制单元。
51.整数级调制单元用于进行整数级粒度调制，其由ofdm采用不同的星座方式实现。
52.小数级调制单元用于进行小数级粒度调制，其包括df-dmim调制器。
53.df-dmim调制器利用基于双帧的双模索引调制方法进行调制，即在相邻时隙对所有子载波进行双模索引调制，生成df-dmim调制信号。
54.图3是基于双帧的双模索引调制df-dmim示意图。如图3所示，df-dmim调制器包括时隙索引选择器、星座映射器a、星座映射器b和df-dmim映射器，其中，
55.时隙索引选择器用于将所有子载波在两个相邻时隙索引进行编码；
56.星座映射器a用于对相邻时隙中的激活时隙的数据利用星座图a进行星座映射，生成m
a-qam信号，ma表示星座图a的阶数；
57.星座映射器b用于对相邻时隙中的未激活时隙的数据利用星座图b进行星座映射，生成m
b-qam信号，mb表示星座图b的阶数；
58.df-dmim映射器用于根据时隙索引编码和星座映射的结果生成df-dmim调制信号。
59.星座图a和星座图b为不同的星座图，其二者的星座图阶数ma和mb可以相同，也可以不同，只要保证两个星座图是可区分的即可。
60.结合图3(a)可知，在进行df-dmim调制过程中，首先进行s/p得到并行数据，再将得到的信号通过时隙索引选择器、星座映射器a和星座映射器b来完成双模索引调制，通过df-dmim映射后就可以得到df-dmim调制信号。
61.也就是说，在df-dmim调制时可以将所有子载波在两个相邻时隙索引进行编码；接着，对于相邻时隙中的激活时隙的数据利用星座图a进行星座映射，生成m
a-qam信号，对于相邻时隙中的未激活时隙的数据利用星座图b进行星座映射，生成m
b-qam信号，然后，根据时隙索引编码和星座映射的结果生成df-dmim调制信号。
62.在一些实施例中，为了生成实信号，在进行快速傅里叶反变换(ifft)之前施加厄米对称(hs)操作，并在ifft之后进行并串转换(p/s)来得到串行信号。接着，将得到的串行信号通过数模(d/a)转换为模拟信号，并进一步增加直流偏置以确保模拟信号的非负性。最后，利用得到的模拟、实值和非负信号调制led，实现信号在水下环境中的传输。
63.基于bpsk ofdm的0.5bit/s/hz粒度实现的示意图如图2所示。其中，在图2中，sc1、sc2、sc3、。。。scn表示所有的子载波，n为单个帧对应的子载波个数。dij表示bpsk星座符号。
64.如图2所示，信息的传送在相邻时刻间进行，将占用所有的系统带宽，即信息在ofdm的所有子载波上传送。而且，只有其中一个时刻在相同子载波上传输信号，另一个时刻在该子载波上不传输信号，进而使得系统实现0.5bit/s/hz频谱效率。表1是示意性的df-dmim映射表。
65.表1 df-dmim映射表
[0066][0067]
df-dmim考虑在相邻时隙对所有子载波进行索引调制，激活的时隙传输星座a符号，剩下的时隙传输星座b符号来实现双帧索引调制过程。在表1中，表示星座a对应的星座符号，表示星座b对应的星座符号。
[0068]
基于双帧的双模索引调制的小数级粒度为0.5+nbit/s/hz(n＝1，2，
…
)。通过在相邻时隙对所有子载波进行双模索引调制，激活的时隙传输星座a符号，剩下的时隙传输星座b符号，通过改变两个可区分星座的星座阶数大小来获得不同的频谱效率。在df-dmim调制过程中，对经过s/p后的并行数据进行索引调制，具体在相邻时隙内进行双模索引调制，每两个时隙含有p比特，p比特主要有三部分功能：(1)将pi比特送入时隙索引选择器，可提供相邻时隙中选择1个时隙来传输m
a-qam星座信号，静默时隙传输m
b-qam星座信号的索引信息，ma和mb分别为星座a和星座b阶数大小；(2)pa比特进入星座映射器a生成m
a-qam星座信号；(3)将pb比特送入星座映射器b生成m
b-qam星座信号，而且，满足p＝pi+pa+pb。然后，对得到的索引比特和星座比特进行df-dmim映射，就可以实现df-dmim调制信号的生成。
[0069]
回到图1，接收端包括第二串并转换模块、fft模块、信道估计模块、频域均衡模块、细粒度自适应解调模块和第二并串转换模块。
[0070]
即在接收端，通过水通道传播后，首先采用光电探测器(pd)接收光信号，实现光电转换，接着，将转换后到的模拟信号通过模数(a/d)转换为数字信号，并且去除直流偏置。然后，产生的数字信号进行解调得到最终的输出信号。
[0071]
其中，细粒度自适应解调模块包括llr检测器和与df-dmim调制器对应的df-dmim解调器。
[0072]
图3(b)是df-dmim解调示意图。如图4所示，df-dmim解调器包括llr检测器、时隙索引选择器、星座解映射器a和星座解映射器b。
[0073]
时隙索引选择器用于对接收到的信号的编码时隙索引进行解码。
[0074]
星座解映射器a用于对解码得到的激活时隙索引对应的m
a-qam信号进行解映射。
[0075]
星座解映射器b用于对解码得到的非激活时隙索引对应的m
b-qam信号进行解映射。
[0076]
因此，也就是说，在df-dmim解调过程中，将接收到的信号经过llr检测器进行信号检测，接着对得到的索引比特信息、星座a对应的星座信号和星座b对应的星座信号分别经过时隙索引选择器、星座解映射器a和星座解映射器b，实现对接收到的信号的编码时隙索引进行解码，并且可以对解码得到的激活时隙索引对应的m
a-qam信号进行解映射以及对解码得到的非激活时隙索引对应的m
b-qam信号进行解映射。再经过p/s后，就可以实现df-dmim解调过程。
[0077]
本发明提出的细粒度自适应ofdm调制技术可以实现对每个子载波进行小数级和整数级粒度比特加载，使得系统传输速率最大化。在实现小数级粒度时，在相邻时隙传输所有子载波，还可以缓解带限uvlc系统的低通频率响应特性影响。
[0078]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种细粒度自适应ofdm调制解调系统，包括，发射端和接收端，其特征在于，发射端包括第一串并转换模块、细粒度自适应调制模块、厄米对称模块、ifft模块、第一并串转换模块，其中，细粒度自适应调制模块包括整数级调制单元和小数级调制单元，其接收接收端反馈的信道估计结果并根据该信道估计结果对数据进行细粒度自适应调制，整数级调制单元用于进行整数级粒度调制，其由ofdm采用不同的星座方式实现；小数级调制单元用于进行小数级粒度调制，其包括df-dmim调制器，df-dmim调制器利用基于双帧的双模索引调制方法进行调制，即在相邻时隙对所有子载波进行双模索引调制，生成ofdm调制信号；接收端包括第二串并转换模块、fft模块、信道估计模块、频域均衡模块、细粒度自适应解调模块、第二并串转换模块，其中，细粒度自适应解调模块包括llr检测器和与df-dmim调制器对应的df-dmim解调器。2.根据权利要求1所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调系统，其特征在于，所述包括df-dmim调制器包括时隙索引选择器、星座映射器a、星座映射器b和df-dmim映射器，其中，时隙索引选择器用于将所有子载波在两个相邻时隙索引进行编码；星座映射器a用于对相邻时隙中的激活时隙的数据利用星座图a进行星座映射，生成m
a-qam信号，m
a
表示星座图a的阶数；星座映射器b用于对相邻时隙中的未激活时隙的数据利用星座图b进行星座映射，生成m
b-qam信号，m
b
表示星座图b的阶数；df-dmim映射器用于根据时隙索引编码和星座映射的结果生成df-dmim映射信号，其中，星座图a和星座图b为不同的星座图。3.根据权利要求2所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调系统，其特征在于，df-dmim解调器包括llr检测器、时隙索引选择器、星座解映射器a、星座解映射器b，其中，时隙索引选择器用于对接收到的信号的编码时隙索引进行解码；星座解映射器a用于对解码得到的激活时隙索引对应的m
a-qam信号进行解映射；星座解映射器b用于对解码得到的非激活时隙索引对应的m
b-qam信号进行解映射。4.根据权利要求3所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调系统，其特征在于，m
a
和m
b
相同。5.根据权利要求3所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调系统，其特征在于，m
a
和m
b
不同。6.一种细粒度自适应ofdm调制解调方法，其特征在于，包括：在发送端，将输入数据进行串并转换，生成第一串行数据；根据接收端反馈的信道估计结果，对第一串行数据进行细粒度自适应调制，馈的信道估计结果并根据该信道估计结果对数据进行细粒度自适应调制，其中，细粒度包括整数级粒度和小数级粒度，对于整数级粒度，由ofdm采用不同星座方式实现，对于小数级粒度，采用基于双帧的双模索引调制df-dmim方法进行调制，即在相邻时隙对所有子载波进行双模索引调制，包括，
将所有子载波在两个相邻时隙索引进行编码；对于相邻时隙中的激活时隙的数据利用星座图a进行星座映射，生成m
a-qam信号，m
a
表示星座图a的阶数，对于相邻时隙中的未激活时隙的数据利用星座图b进行星座映射，生成m
b-qam信号，m
b
表示星座图b的阶数，其中，星座图a和星座图b为不同的星座图，根据时隙索引编码和星座映射的结果生成df-dmim调制信号；在接收端，对接收到的数据进行细粒度自适应解调，具体包括：对接收到的信号的编码时隙索引进行解码；对解码得到的激活时隙索引对应的m
a-qam信号进行解映射；对解码得到的非激活时隙索引对应的m
b-qam信号进行解映射。7.根据权利要求6所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调方法，其特征在于，m
a
和m
b
相同。8.根据权利要求6所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调方法，其特征在于，m
a
和m
b
不同。9.根据权利要求6所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调方法，其特征在于，在进行细粒度自适应调制之后，还包括对df-dmim调制信号进行厄米对称、ifft、并串转换、数模转换和增加直流偏置操作生成传输信号。10.根据权利要求9所述的一种细粒度自适应ofdm调制解调方法，其特征在于，在进行细粒度自适应解调之前还需要对接收到的传输信号进行模数转换、去除直流偏置、串并转换、fft、信道估计、频域均衡等操作，之后进行细粒度自适应解调并进行并串转换、生成输出信号。

技术总结
本发明公开了一种细粒度自适应OFDM调制解调系统，包括发射端和接收端，发射端包括第一串并转换模块、细粒度自适应调制模块、厄米对称模块、IFFT模块、第一并串转换模块，其中，细粒度自适应调制模块可以根据接收端反馈的信道估计结果对数据进行细粒度自适应调制；接收端包括第二串并转换模块、FFT模块、信道估计模块、频域均衡模块、细粒度自适应解调模块、第二并串转换模块。本发明可以有效解决实际系统低通频率响应的影响，实现系统传输速率最大化。化。化。


技术研发人员：陈晨 聂云桂 刘敏
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/20