CN104618082A - 一种多天线sim-ofdm多载波无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法，并提出用于该多载波无线传输方法中的低复杂度的检测方法，用以解决ML检测方法复杂度极高、不具有实用性的问题。该检测方法的主要思路是：先对块的接收符号进行MMSE均衡得到各种激活子载波组合的发送符号(称为均衡符号)，然后对所得的均衡符号进行硬判，根据硬判符号和均衡符号之间的欧氏距离进行排序，认为距离较小的子载波组合具有较大的激活可能性。最后，根据距离的大小选择可能性较大的几种作为候选组合，并从中得到最可能的激活子载波组合和对应的发送符号。该检测方法在保证比特误码性能的同时，有效降低复杂度。

Description

一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)，多天线(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)和子载波索引调制(SubcarrierIndex Modulation,SIM)技术及相关信号检测技术，具体为一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术，作为一种多载波调制方式，可以有效地提高频谱效率和对抗频率选择性衰落。该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的相互正交子载波进行调制，大大扩展了符号的脉冲宽度，从而有效减小符号间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)的影响来克服信道的频率选择性衰落。与传统多载波技术相比，OFDM技术允许有频谱重叠，但是各个载波之间是相互正交的，根据正交性原理可知各个载波之间并不存在干扰，从而极大地提高了频谱利用率，且可以利用快速傅利叶变换(FFT/IFFT)实现调制和解调，使得OFDM成为移动通信的关键技术之一。

近来，基于子载波索引调制(Subcarrier Index Modulation,SIM)的OFDM技术被提出作为新型的多载波无线传输方法。传统的SIM-OFDM多载波无线传输方法，如图1所示，信息比特串送入SIM调制模块进行子载波索引调制，然后经过串并转换、IFFT操作、加CP和并串转换，作为发送数据发送出去，经过多径信道和高斯白噪声信道后到达接收端。在接收端经过去CP和串并转换、FFT后进行信号检测，得到估计的发送符号，最后将估计的发送符号进行并串转换后输出。与OFDM***相比，SIM-OFDM***的发射机多了一个载波索引调制模块，而该模块首先将整个子载波连续地分成多个子块，每个子块中的子载波相关邻接，并通过索引比特来选择其中一些子载波发送数据，而另外的子载波静默。索引比特携带的信息是通过发送数据的子载波(下文称为“激活子载波”)在整个多载波中的位置来恢复的，即子载波位置携带索引比特的信息，索引比特并不是通过相正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation,QAM)调制符号的方式被发送。一种改进的SIM-OFDM***的发射机方案最近被提出，如图2所示，通过改进子载波索引调制的映射方法，即引入载波交织模块使得每个子块中的子载波间相互独立，这样增大了星座点之间的最小欧氏距离，从而提升了***性能。与传统的OFDM相比，SIM-OFDM具有更小的峰值平均功率(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)；通过调整功率分配策略可节约发射机能量；具有更佳的比特误码性能；对抗子载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI)能力更强。

为了进一步利用有限的频谱资源来满足现代生活对无线通信的高速率需求，多天线(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)技术被提出，它采用多个发射和接收天线充分利用空间资源，增加了信号承载的空间自由度，因而在不需要增加频谱资源的情况下，可以成倍地提高信道容量。可见，MIMO和SIM-OFDM两项技术的结合更满足移动通信发展的需求，MIMO-SIM-OFDM***特性的研究具有一定的现实意义。然而，多天线SIM-OFDM技术的难点主要集中在接收端的解调，涉及到每根发射天线激活子载波位置和对应的调制符号的检测。目前，还没有相关的文献提出MIMO-SIM-OFDM的信号检测算法。最大似然检测(Maximum Likelihood，ML)能取得最佳性能，但其复杂度极高，甚至当天线数目较大、信号调制阶数较高或者每个块的子载波组合种类较多时，ML检测算法不具有实用性。对此，本发明针对ML算法的局限，提出一种可行的低复杂度检测算法，其复杂度不会受信号调制阶数的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法，并提出了一种针对多天线SIM-OFDM的低复杂度的检测方法，用于该多载波无线传输方法中，用以解决ML检测方法复杂度极高、不具有实用性的问题。该检测方法的主要思路是：先对块的接收符号进行MMSE均衡得到各种激活子载波组合的发送符号(称为均衡符号)，然后对所得的均衡符号进行硬判，根据硬判符号和均衡符号之间的欧氏距离进行排序，认为距离较小的子载波组合具有较大的激活可能性；最后，根据距离的大小选择可能性较大的几种作为候选组合，并从中得到最可能的激活子载波组合和对应的发送符号。

本发明详细技术方案如下：

一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法，包括以下步骤：

步骤1.产生信息比特，设***的发射天线和接收天线数目分别是N_t和N_r，由数字化信源产生B＝N_tb＝N_t(b₁+b₂)位信息比特，并做串并转换，则分配到每根发射天线的信息比特数目是b＝b₁+b₂；b位信息比特中，前b₁位作为载波索引调制的索引比特，后b₂位作为M-QAM符号，用于调制由索引比特选择的激活子载波。假设子载波总个数为N个，每个子块的子载波个数为L，选择其中的K个子载波发送数据，记作子载波配置(L,K)；则一共有G＝N/L个子块，b₁＝p₁G，其中表示向下取整操作；b₂＝p₂G，其中p₂＝Klog₂(M)；

步骤2.载波索引调制，对每个发射天线上的信息比特进行载波索引调制，具体调制准则为：将N个子载波分成G＝N/L个子块，每个子块含有L个子载波，这L个子载波是相邻的(这里采用的传统的载波索引调制方案)；对于G＝N/L个子块而言，每个子块中根据对应的p₁位索引比特来确定K个子载波发送数据，每个子载波携带一个M-QAM符号，每个符号携带log₂(M)位比特信息，剩余子载波不发送数据，因此每个发射天线的每个子块包含p₁+p₂位比特；

步骤3.OFDM调制，每根发射天线的数据经过相同的OFDM调制，包括串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀CP；

步骤4.信息比特串经步骤1～3处理后，通过发送天线发送，信号经瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端；

步骤5.接收端预处理，接收端将接收到的信号去CP、串并转换，然后经FFT变换到频域；

步骤6.解载波索引调制，根据发送端采取的载波索引映射方案提取每根接收天线每个子块中所对应的接收符号Y_j,g,j＝1,2,…,N_r,g＝0,1,…,G-1，其中表示第j根接收天线上的第g个子块的频域符号；且第g个子块对应的信道矩阵为 $H_g=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{\mathrm{1,1}}^g& H_{\mathrm{1,2}}^g& ...& H_{1,N_t}^g\\ H_{\mathrm{2,1}}^g& H_{\mathrm{2,2}}^g& ...& H_{2,N_t}^g\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^g& H_{N_r,2}^g& ...& H_{N_r,N_t}^g\end{array}\right],$ 其中，i＝1,2,…N_t表示第i根发射天线到第j根接收天线之间的第g个子块对应的信道矩阵，表示块的第l个子载波对应的信道系数；

步骤7.信号检测，根据步骤6所得子块的接收符号Y_j,g和对应的信道矩阵H_g对每个子块的发送符号进行检测，每个子块的信号检测需要联合检测所有发射天线上的符号，不失一般性。

下面以第g块的信号检测为例，其具体过程包括如下步骤：

在实际的检测之前，先对MIMO-SIM-OFDM***进行数学建模，第g块的接收信号的频域表达式可以表示为：

Y_g＝H_gX_g+W_g

$\left[\begin{array}{c}{Y}_{1,g}\\ Y_{2,g}\\ ...\\ Y_{N_r,g}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{\mathrm{1,1}}^g& H_{\mathrm{1,2}}^g& ...& H_{1,N_t}^g\\ H_{2,1}^g& H_{\mathrm{2,2}}^g& ...& H_{2,N_t}^g\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^g& H_{N_r,2}^g& ...& H_{N_r,N_t}^g\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_{1,g}\\ W_{2,g}\\ ...\\ W_{N_r,g}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，X_i,g＝[X_i,0,X_i,1,...,X_i,L-1]^T,i＝1,2,...,N_t是第i根发射天线发送的第g个子块的符号，Y_j,g＝[Y_j,0,Y_j,1,...,Y_j,L-1]^T,j＝1,2,...,N_r是第j根接收天线的第g个子块的符号，是第j根接收天线第g个子块的高斯白噪声。

ML检测时最佳检测算法，MIMO-SIM-OFDM的ML检测需要遍历每根发射天线的激活子载波组合和对应的发送数据。这意味着ML检测的复杂度随发射天线个数、激活子载波组合数及信号调制阶数的增大而显著上升。ML估计的发送符号如下：

${\hat{X}}_g=\arg \underset{\∀X}{\min }{\left|\right|Y_g-H_g{X}_g\left|\right|}_F^2---\left(2\right)$

其中||·||_F表示向量的Frobenius范数。

针对ML检测具有极高的搜索复杂度，现提出如下的低复杂度检测算法：

步骤7-1：假设子载波配置采取(L,K)，则激活子载波组合数目为根据公式(3)对所有激活子载波组合进行MMSE均衡，得到各种组合下的发送符号的估计值并对其进行硬判决得到1≤c≤C，其中Q(·)为硬判操作；

${\tilde{X}}_c={(\left(H_{g,c}^1\right)H_{g,c}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}_{g,c}^H{Y}_g---\left(3\right)$

其中 $H_{g,c}=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{\mathrm{1,1}}^{g,c}& H_{\mathrm{1,2}}^{g,c}& ...& H_{1,N_t}^{g,c}\\ H_{\mathrm{2,1}}^{g,c}& H_{\mathrm{2,2}}^{g,c}& ...& H_{2,N_t}^{g,c}\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^{g,c}& H_{N_r,2}^{g,c}& ...& H_{N_r,N_t}^{g,c}\end{array}\right],$ 表示取在第c种载波组合的K个激活子载波对应的信道系数组成的子矩阵，I表示N_tK×N_tK的单位矩阵，σ²是高斯白噪声的功率；

步骤7-2：计算每种激活子载波组合的硬判符号和均衡符号之间的欧氏距离d_c：

$d_c={\left|\right|{\hat{X}}_c-{\tilde{X}}_c\left|\right|}_F^2---\left(4\right)$

步骤7-3：根据步骤7-2所得的d_c，选取欧氏距离最小的P种载波组合作为候选子载波组合Π，进行下一步的检测，其中1≤P≤C；

步骤7-4：针对步骤7-3所得的P种候选载波组合和对应的硬判决符号根据公式(5)得到最终的激活子载波组合和对应的发送符号的估计值。

$\left\{\begin{array}{c}\hat{c}=\arg \underset{c\∈\mathrm{\Π}}{\min }{\left|\right|Y_g-H_{g,c}{\hat{X}}_c\left|\right|}^2\\ \hat{X}={\hat{X}}_{\hat{c}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

本发明的有益效果是：

本发明提供一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法，并提出了用于该多载波无线传输方法中的一种低复杂度的检测算法，其优点主要体现在以下两点：第一，该检测算法的复杂度与信号的调制阶数无关，因此更适用于高阶调制的场合；第二，在对步骤7-4进行最终判决输出时，提供了一个参数1≤P≤C，此参数的调节可以在***性能与复杂度之间取得更加灵活的平衡。

附图说明

图1是传统的SIM-OFDM多载波无线传输方法的***框图。

图2是SIM-OFDM的交织索引调制方法的原理框图。

图3是本发明提出的针对MIMO-SIM-OFDM的低复杂度检测算法的流程图。

具体实施方式

现在结合具体实施方式对本发明的方法进行解释：

本实施方式采用Matlab2012a仿真平台进行实验。MIMO-SIM-OFDM***参数：天线配置是2*2，子载波配置(L＝2,K＝1)，子载波总数N＝1024，信号调制阶数为BPSK，仿真采用的标准的LTE-EVA信道参数。本发明利用上述参数在Matlab上进行实验仿真，该算法具有不错的综合性能：在符号信噪比SNR＝20dB时能达到10^-3的BER性能，并且与ML算法相比，很大程度地降低了复杂度。本发明提供一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法，并提出了用于该多载波无线传输方法中的低复杂度的检测算法，该算法其主要创新在于：在保证取得不错的比特误码性能的同时，与ML检测相比，有效降低复杂度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施实例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施实例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多天线SIM-OFDM多载波无线传输方法，包括以下步骤：

步骤1.产生信息比特，设***的发射天线和接收天线数目分别是N_t和N_r，由数字化信源产生B＝N_tb＝N_t(b₁+b₂)位信息比特，并做串并转换，则分配到每根发射天线的信息比特数目是b＝b₁+b₂；b位信息比特中，前b₁位作为载波索引调制的索引比特，后b₂位作为M-QAM符号，用于调制由索引比特选择的激活子载波；设定子载波总个数为N个，每个子块的子载波个数为L，选择其中的K个子载波发送数据，记作子载波配置(L,K)；则一共有G＝N/L个子块，b₁＝p₁G，其中表示向下取整操作；b₂＝p₂G，其中p₂＝Klog₂(M)；

步骤2.载波索引调制，对每个发射天线上的信息比特进行载波索引调制，具体调制准则为：将N个子载波分成G＝N/L个子块，每个子块含有L个子载波，这L个子载波是相邻的；对于G＝N/L个子块而言，每个子块中根据对应的p₁位索引比特来确定K个子载波发送数据，每个子载波携带一个M-QAM符号，每个符号携带log₂(M)位比特信息，剩余子载波不发送数据，因此每个发射天线的每个子块包含p₁+p₂位比特；

步骤3.OFDM调制，每根发射天线的数据经过相同的OFDM调制，包括串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀CP；

步骤4.信息比特串经步骤1～3处理后，通过发送天线发送，信号经瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端；

步骤5.接收端预处理，接收端将接收到的信号去CP、串并转换，然后经FFT变换到频域；

步骤6.解载波索引调制，根据发送端采取的载波索引映射方案提取每根接收天线每个子块中所对应的接收符号Y_j,g,j＝1,2,…,N_r,g＝0,1,…,G-1，其中表示第j根接收天线上的第g个子块的频域符号；且第g个子块对应的信道矩阵为 $H_g=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{\mathrm{1,1}}^g& H_{\mathrm{1,2}}^g& ...& H_{1,N_t}^g\\ H_{\mathrm{2,1}}^g& H_{\mathrm{2,2}}^g& ...& H_{2,N_t}^g\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^g& H_{N_r,2}^g& ...& H_{N_r,N_t}^g\end{array}\right],$ 其中,i＝1,2,…N_t表示第i根发射天线到第j根接收天线之间的第g个子块对应的信道矩阵，表示块的第l个子载波对应的信道衰落系数；

步骤7.信号检测，根据步骤6所得子块的接收符号Y_j,g和对应的信道矩阵H_g对每个子块的发送符号进行检测，具体包括以下步骤：

先对MIMO-SIM-OFDM***进行数学建模，第g块的接收信号的频域表达式可以表示为：

Y_g＝H_gX_g+W_g

$\left[\begin{array}{c}{Y}_{1,g}\\ Y_{2,g}\\ ...\\ Y_{N_r,g}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{\mathrm{1,1}}^g& H_{\mathrm{1,2}}^g& ...& H_{1,N_t}^g\\ H_{\mathrm{2,1}}^g& H_{\mathrm{2,2}}^g& ...& H_{2,N_t}^g\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^g& H_{N_r,2}^g& ...& H_{N_r,N_t}^g\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{1,g}\\ X_{2,g}\\ ...\\ X_{N_r,g}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_{1,g}\\ W_{2,g}\\ ...\\ W_{N_r,g}\end{array}\right]$

其中，X_i,g＝[X_i,0,X_i,1,...,X_i,L-1]^T,i＝1,2,...,N_t是第i根发射天线发送的第g个子块的符号，Y_j,g＝[Y_j,0,Y_j,1,...,Y_j,L-1]^T,j＝1,2,...,N_r是第j根接收天线的第g个子块的符号，是第j根接收天线第g个子块的高斯白噪声；

步骤7-1.假设子载波配置采取(L,K)，则激活子载波组合数目为根据公式

${\tilde{X}}_c{(\left(H_{g,c}^H\right)H_{g,c}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}_{g,c}^H{Y}_g,$

对所有激活子载波组合进行MMSE均衡，得到各种组合下的发送符号的估计值并对其进行硬判决得到 ${\hat{X}}_c=Q\left({\tilde{X}}_c\right),1\≤c\≤C;$

其中 $H_{g,c}=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{\mathrm{1,1}}^{g,c}& H_{\mathrm{1,2}}^{g,c}& ...& H_{1,N_t}^{g,c}\\ H_{\mathrm{2,1}}^{g,c}& H_{\mathrm{2,2}}^{g,c}& ...& H_{2,N_t}^{g,c}\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^{g,c}& H_{N_r,2}^{g,c}& ...& H_{N_r,N_t}^{g,c}\end{array}\right],$ 表示取在第c种载波组合的K个激活子载波对应的信道系数组成的子矩阵，I表示N_tK×N_tK的单位矩阵，σ²是高斯白噪声的功率，Q(·)为硬判操作；

步骤7-2.计算每种激活子载波组合的硬判符号和均衡符号之间的欧氏距离d_c：

$d_c={\left|\right|{\hat{X}}_c-{\tilde{X}}_c\left|\right|}_F^2$

步骤7-3.根据步骤7-2所得的d_c，选取欧氏距离最小的P种载波组合作为候选子载波组合Π，进行下一步的检测，其中1≤P≤C；

步骤7-4.针对步骤7-3所得的P种候选载波组合和对应的硬判决符号根据公式：

$\left\{\begin{array}{c}\hat{c}=\arg \underset{c\∈\mathrm{\Π}}{\min }{\left|\right|Y_g-H_{g,c}{\hat{X}}_c\left|\right|}^2\\ \hat{X}={\hat{X}}_{\hat{c}}\end{array}\right.$

得到最终的激活子载波组合和对应的发送符号的估计值。