CN102694587B - 一种用于sm-ofdm系统中的非相干检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于SM-OFDM系统中的非相干检测方法，本发明的非相干检测方法通过每次映射2个时刻的比特流得到由第一时刻的天线信息矩阵和第二时刻的天线信息矩阵组成的天线矩阵以及由第一时刻的调制信息符号和第二时刻的调制信息符号组成的符号矩阵，并且第二时刻的天线信息矩阵不仅由反馈的第一时刻的天线信息矩阵决定，而且旋转了适当的相位，这样不仅将将差分技术应用到了SM-OFDM系统，而且提高了接收端的性能。本发明的方法适合于两根天线的SM-OFDM系统，不需要进行信道估计和信道均衡，有效降低了SM-OFDM系统的复杂度。

Description

一种用于SM-OFDM系统中的非相干检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种用于SM-OFDM系统中的非相干检测方法。

背景技术

传统的多天线技术的复用增益依赖于发射天线和接收天线的正交性，一种新的天线技术空间调制（Spatial Modulation，SM）技术完全避免了码间干扰（Inter-Carrier Interference，ICI），并不要求发射天线和接收天线的正交性。在发射端，比特信息被相应的映射到某个星象点以及特别的天线上发送，而在接收端，根据接收信号估计出发送信息和发送天线序号，即可完全恢复发送信息。而将空间调制与OFDM技术结合（SM-OFDM），通过正交频分复用在多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系统中将频率选择性信道转化为平坦衰落信道，从而实现信道估计和均衡。

传统的相干MIMO系统检测中信道估计和载波相位恢复带来的实现复杂度和频谱开销都远大于传统单天线通信系统，而差分信号发射接收不需要信道信息，亦不需要锁相环以恢复载波，从而简化了系统实现，尤其适合在无法进行信道估计和载波恢复的信道环境很快衰落的信道中使用，SM-OFDM系统中使用非相干检测方法有着很大的优势。

2010年，S.Sugiura等人针对基于SM系统扩展的新型MIMO系统（STSK，Space-TimeShift Keying）系统提出非相干检测算法（参见文献：S.Sugiura,S.Chen,and L.Hanzo,“Coherent and differential space-time shift keying:a dispersion matrix approach,”IEEE Trans.Commun.,vol.58,no.11,pp.3219-3230,Novermber 2010），然而这种非相干检测算法只针对某些特殊的STSK系统，这些STSK系统都有一个共同的特点：系统的弥散矩阵为Hermitian矩阵，而SM系统的弥散矩阵也在上述文献中提到，为一个1维的矩阵，不可能是Hermitian矩阵，因此上述非相干算法不适合SM系统。

发明内容

本发明的目的是解决SM-OFDM系统无法进行非相干检测的问题，提出了一种用于SM-OFDM系统中的非相干检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于SM-OFDM系统中的非相干检测方法，具体在发射端包括如下步骤：

步骤1：对输入比特流进行分组，具体分组原则为：所述SM-OFDM系统一次映射2个时刻，每个时刻映射(1+log2(L))比特，L为星座调制阶数，每次共2×(1+log2(L))比特为一组进行映射；

步骤2：映射分组的比特流，第一时刻的(1+log2(L))比特数据经过串并转化后进行空间调制得到第一时刻的天线信息矩阵和第一时刻的调制信息符号，其中天线信息矩阵携带1比特信息，调制信息符号携带log2(L)比特信息，并将第一时刻的天线信息矩阵反馈给第二时刻；

将第二时刻的(1+log2(L))比特数据经过串并转化后进行空间调制得到第二时刻的调制信息符号，并根据反馈得到的第一时刻的天线信息矩阵得到第二时刻的天线信息矩阵；

将第一时刻的天线信息矩阵和第二时刻的天线信息矩阵组成天线矩阵；

将第一时刻的调制信息符号和第二时刻的调制信息符号组成符号矩阵；

步骤3：将步骤2得到的天线矩阵和符号矩阵相乘得到空间调制信号矩阵，所述空间调制信号矩阵具体为两根天线两个时刻的所携带的比特信息，将空间调制信号矩阵进行差分编码得到差分信号矩阵；

步骤4：重复步骤1、2、3得到N/2个差分信号矩阵，其中，N为每根天线上一帧OFDM符号子载波个数，所述N/2个差分信号矩阵组成一个2×N的矩阵，每一行代表该天线上所有的子载波，然后对每根天线上的N个子载波进行OFDM调制。

进一步的，还包括对步骤2中得到第二时刻的天线信息矩阵进行相位旋转处理的步骤，具体处理过程为：将第二时刻的天线信息矩阵与预先设置的旋转因子相乘，所述旋转因子满足：旋转因子与调制信息符号相乘得到的符号不能在所调制的星座图上。

本发明的有益效果：本发明的非相干检测方法通过每次映射2个时刻的比特流得到由第一时刻的天线信息矩阵和第二时刻的天线信息矩阵组成的天线矩阵以及由第一时刻的调制信息符号和第二时刻的调制信息符号组成的符号矩阵，并且第二时刻的天线信息矩阵不仅由反馈的第一时刻的天线信息矩阵决定，而且旋转了适当的相位，这样不仅将将差分技术应用到了SM-OFDM系统，而且提高了接收端的性能。本发明的方法适合于两根天线的SM-OFDM系统，不需要进行信道估计和信道均衡，有效降低了SM-OFDM系统的复杂度。

附图说明

图1是本发明的非相干检测方法发射端示意图。

图2是本发明的非相干检测方法接收端示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。需要说明的是：实施例中的参数并不影响本发明的一般性。

在阐述具体实施方式之前，首先介绍其中所用的术语和其中使用到的定理：

空间调制信号矩阵X(i)为天线矩阵A(i)与符号矩阵s(i)的乘积:X(i)=s(i)·A(i)，其中X(i)∈C^2×2，C^M×N表示M×N维的复数矩阵。s(i)∈C^2×2，A(i)∈C^2×2，i＝1,2,…,N/2，L表示调制阶数，Y(i)∈C^2×2为第i个经过OFDM解调后的接收符号块，H(i)∈C^2×2和V(i)∈C^2×2分别指信道系数及零均值高斯噪声，其中，假设相邻的信道系数近似不变H(i)≈H(i-1)。

天线矩阵的设计及说明：

为了方便进行差分编码，需要占有2个时刻的天线矩阵，在差分SM-OFDM调制系统中第一个时刻的天线信息矩阵反馈给第二时刻，第二时刻的天线信息矩阵由第一时刻决定。具体过程如下：第二时刻经过空间调制得到的天线信息矩阵如果与反馈的第一时刻天线信息矩阵相同，则第二时刻选择与第一时刻不同的天线信息矩阵，并将选择的天线信息矩阵进行一定相位旋转；否则不做任何改变。第二时刻的天线信息矩阵获取过程可以描述为：如果第二时刻按照空间调制得到的天线信息矩阵与反馈的天线信息矩阵相同，则将空间调制得到的天线信息矩阵乘以相应的相位因子得到第二时刻的天线信息矩阵；如果与反馈的天线信息矩阵不同，则空间调制得到的天线信息矩阵就为第二时刻的天线信息矩阵。

差分SM-OFDM调制系统第i个符号矩阵第一时刻的天线信息矩阵映射比特与天线信息矩阵的映射关系：

$0\→B_1\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],$ $1\→B_1\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],$

第二时刻的天线信息矩阵根据第一时刻的天线信息矩阵相关：

如果第一时刻天线信息矩阵为 $B_1\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],$ 第二时刻的天线信息矩阵映射比特与天线信息矩阵的映射关系为：

按照空间调制得到第二时刻的天线信息矩阵为：

$0\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],$ $1\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],$

与反馈的第一时刻天线信息矩阵比较相同则乘以一定的相位因子，不同则不变，得到第二时刻的天线信息矩阵：

$0\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ e^{j*\mathrm{\θ}}\end{array}\right],$ $1\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],$

如果第一时刻天线信息矩阵为 $B_1\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],$ 第二时刻的天线信息矩阵映射比特与天线信息矩阵的映射关系为：

按照空间调制得到第二时刻的天线信息矩阵为：

$0\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],$ $1\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],$

与反馈的第一时刻天线信息矩阵比较相同则乘以一定的相位因子，不同则不变，得到第二时刻的天线信息矩阵：

$0\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],$ $1\→B_2\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}{e}^{\mathrm{j\θ}}\\ 0\end{array}\right].$

两个时刻组成的天线矩阵A(i)=[B₁(i),B₂(i)]如下四种情况：

$00\→A_1=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{j*\mathrm{\θ}}\end{array}\right],$ $01\→A_2=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

$10\→A_3=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right],$ $11\→A_4=\left[\begin{array}{cc}0& e^{j*\mathrm{\θ}}\\ 1& 0\end{array}\right]$

符号矩阵的设计及说明：

$s\left(i\right)=\left[\begin{array}{cc}{s}_{2i-1}& 0\\ 0& s_{2i}\end{array}\right],$ 对角矩阵中的元素s_2i-1表示第i个符号矩阵第一时刻经过空间调制得到的调制信息符号，s_2i表示第i个符号矩阵第二时刻经过空间调制得到的调制信息符号。其中，s_2i-1和s_2i为采用L-PSK调制的符号，分别有L种情况，因此s(i)共有L²种情况。

对应天线矩阵的四种不同情况，空间调制信号矩阵X(i)有如下四种形式： $\left[\begin{array}{cc}{s}_{2i-1}& 0\\ 0& s_{2i}{e}^{j*\mathrm{\θ}}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}{s}_{2i-1}& 0\\ 0& s_{2i}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}0& s_{2i}\\ s_{2i-1}& 0\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{cc}0& s_{2i}{e}^{j*\mathrm{\θ}}\\ s_{2i-1}& 0\end{array}\right]$

关于天线信息矩阵相位因子的说明：

接收端检测数据需要检测出天线信息矩阵A(i)和符号矩阵s(i)，如果s_2ie^j*θ的符号在所调制的星座图上，即：

$\left[\begin{array}{cc}{s}_{2i-1}& 0\\ 0& s_{2i}{e}^{j*\mathrm{\θ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{s}_{2i-1}& 0\\ 0& {\hat{s}}_{2i}\end{array}\right],$ 为星座图上的点。

这种检测的过程中，会出现错误，即：天线信息矩阵是改变了的，但是检测的结果是天线信息矩阵没有改变，调制信息符号是而不是s_2i，因此相位因子需满足s_2ie^j*θ不在星座图上。

下面对本发明用于SM-OFDM系统中的非相干检测方法的具体过程进行了说明，工作原理如图1和图2表示，具体在发射端包括如下步骤：

步骤1：对比特流进行分组，分组原则：以2×(1+log2(L))比特为一组进行映射，传统的SM-OFDM每个时刻映射（1+log2(L)）比特，L为星座调制阶数，SM-OFDM系统一次映射2个时刻，共2×(1+log2(L))比特。

步骤2：映射分组的比特流，第一时刻的1+log2(L)比特数据经过串并转化后进行空间调制得到第一时刻的天线信息矩阵和第一时刻的调制信息符号s_2i-1，其中天线信息矩阵携带1比特信息，调制信息符号携带log2(L)比特信息，并将第一时刻的天线信息矩阵反馈给第二时刻；

将第二时刻的(1+log2(L))比特数据经过串并转化后进行空间调制得到第二时刻的调制信息符号s_2i，并根据反馈得到的第一时刻的天线信息矩阵得到第二时刻的天线信息矩阵；

将第一时刻的天线信息矩阵和第二时刻的天线信息矩阵组成天线矩阵A(i)；

将第一时刻的调制信息符号s_2i-1和第二时刻的调制信息符号s_2i组成符号矩阵s(i)；

步骤3：将步骤2得到的天线矩阵A(i)和符号矩阵s(i)相乘得到空间调制信号矩阵X(i)，所述空间调制信号矩阵X(i)具体为两根天线两个时刻的所携带的比特信息，将空间调制信号矩阵X(i)进行差分编码得到差分信号矩阵S(i)，S(0)=I₂，其中，I₂为2×2的单位矩阵；

X(i)=s(i)·A(i)；

S(i)=S(i-1)·X(i)

步骤4：重复步骤1、2、3得到N/2个差分信号矩阵，其中，N为每根天线上OFDM调制子载波个数，这N/2个差分信号矩阵组成一个2×N的矩阵，每一行代表该天线上所有的子载波，然后对每根天线上的N个子载波进行OFDM调制。

可以看出，这里的差分信号矩阵具体为一个2×2的矩阵，依照时间顺序依次将新生成的矩阵放置在前一次生成的矩阵后面，经过N/2次后即可组成一个2×N的矩阵。

具体在接收端包括如下步骤：

步骤5：系统经过瑞利和高斯信道。

步骤6：接收端对每根天线上的数据进行OFDM解调。

步骤7：差分空间解调恢复原始发送信息比特序列；利用步骤6的数据进行最大似然（Maximum Likelihood，ML）检测。具体检测步骤如下：（发射端有OFDM调制，所以有OFDM解调，发射端有差分空间调制，接收端有差分空间解调）

（7.1）将步骤6的数据进行分块，2个时刻为一个接收数据块Y(i)，则：

Y(i)=H(i)S(i)+V(i)；S(i)=S(i-1)·X(i)；X(i)=s(i)·A(i)；

Y(i-1)=H(i-1)S(i-1)+V(i-1)；

Y(i)≈Y(i-1)s(i)·A(i)+V(i)-V(i-1)X(i)

（7.2）利用Y(i-1)接收数据块进行ML检测：

$(\hat{s}\left(i\right),\hat{A}\left(i\right))=\arg \underset{s\left(i\right),A\left(i\right)}{\min }{\left|\right|Y\left(i\right)-Y(i-1)s\left(i\right)A\left(i\right)\left|\right|}^2$

（7.3）利用检测出的恢复比特流信息。

本发明的非相干检测方法通过每次映射2个时刻的比特流得到天线矩阵和符号矩阵，不需要进行信道估计和信道均衡，适合于两根天线的SM-OFDM系统；本发明的方法由于引入了相位旋转，对天线信息矩阵的检测的准确性有一定的提高，误码率损失在2-dB内，可以达到在保证性能的同时大大降低了系统实施的复杂度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，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内。

Claims (2)

1.一种用于SM-OFDM系统中的非相干检测方法，具体在发射端包括如下步骤：

步骤1：对比特流进行分组，分组原则：所述SM-OFDM系统一次映射2个时刻，每个时刻映射（1+log2(L)）比特，L为星座调制阶数，每次共2×(1+log2(L))比特为一组进行映射；

步骤2：映射分组的比特流，第一时刻的(1+log2(L))比特数据经过串并转化后进行空间调制得到第一时刻的天线信息矩阵和第一时刻的调制信息符号，其中天线信息矩阵携带1比特信息，调制信息符号携带log2(L)比特信息，并将第一时刻的天线信息矩阵反馈给第二时刻；

将第二时刻的(1+log2(L))比特数据经过串并后进行空间调制得到第二时刻的调制信息符号，并根据反馈得到的第一时刻的天线信息矩阵得到第二时刻的天线信息矩阵；具体为：如果第二时刻按照空间调制得到的天线信息矩阵与反馈的天线信息矩阵相同，则将空间调制得到的天线信息矩阵乘以相应的相位因子得到第二时刻的天线信息矩阵；如果与反馈的天线信息矩阵不同，则空间调制得到的天线信息矩阵就为第二时刻的天线信息矩阵；

将第一时刻的天线信息矩阵和第二时刻的天线信息矩阵组成天线矩阵；

将第一时刻的调制信息符号和第二时刻的调制信息符号组成符号矩阵；

步骤3：将步骤2得到的天线矩阵和符号矩阵相乘得到空间调制信号矩阵，所述空间调制信号矩阵具体为两根天线两个时刻的所携带的比特信息，将空间调制信号矩阵进行差分编码得到差分信号矩阵；

步骤4：重复步骤1、2、3得到N/2个差分信号矩阵，其中，N为每根天线上一帧OFDM符号子载波个数，所述N/2个差分信号矩阵组成一个2×N的矩阵，每一行代表该天线上所有的子载波，然后对每根天线上的N个子载波进行OFDM调制。

2.根据权利要求1所述的非相干检测方法，其特征在于，步骤2中所述相位因子满足：相位因子与调制信息符号相乘得到的符号不能在所调制的星座图上。