CN104796374A - 一种用于载波索引调制ofdm系统的信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于载波索引调制OFDM系统的信号检测方法，属于无线通信技术领域。本发明首先将子块的信道矩阵的所有列向量分别与接收符号向量做相关运算，得到均衡符号。一方面，从均衡符号中取p个最大模平方所对应的子载波为激活子载波候选集；另一方面，对所得的均衡符号进行硬判，获得硬判符号，该符号被视为对应子载波的发送符号。最后，基于激活子载波候选集波构成有效的激活子载波组合集，并通过一定的判决准则从中选择最可能的激活子载波组合和对应的发送符号。本发明的信号检测方法的复杂度不受信号调制阶数的影响，且可以取得近ML的误码性能的信号检测方法。

Description

一种用于载波索引调制OFDM系统的信号检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及正交频分复用和载波索引调制的信号检测。

背景技术

近来，一种基于子载波索引调制(Subcarrier Index Modulation,SIM)的正交频分复用OFDM技术被提出作为新型的多载波传输方案(下文称为SIM-OFDM)，该方案可被视为空间调制思想在频域的扩展。与OFDM系统相比，SIM-OFDM系统的信息传输方式扩展到了三维，即在传统的正交幅度调制符号的二维星座点基础上，还引入了子载波位置这一新型的信息携带机制。

在传统的SIM-OFDM系统中，信息比特串送入SIM模块进行子载波索引调制，即首先将整个多载波连续地分成大小相同的多个子块，每个子块中通过索引比特来选择其中若干个子载波(称之为激活子载波)来发送数据，而其余的子载波不发送数据(称之为静默子载波)，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。SIM-OFDM系统的信息比特包含两个部分，一部分称为“索引比特”，用于选择子块中激活子载波的位置；另一部分作为“调制比特”，用于调制成星座点符号并通过前面选定的激活子载波来发送，剩下的静默子载波不发送数据。

在SIM-OFDM系统中，接收端在进行信号检测时，首先是将频域接收信号Y采用与发送端对子载波相同的分块方式进行分块，即将频域接收信号Y分为G个子块，每个子块对应L个子载波，信号检测是以一个子块为基本单位，再分别对每个子块进行信号检测，即检测每个子块对应的激活子载波位置和对应的发送符号。当前，比较熟知的是ML检测，其通过遍历所有的激活子载波组合和对应的星座点符号空间得到每个子块的发送符号即其中g为子块标识符，Y_g表示子块g的频域接收信号(也称接收符号)，H_g表示子块g的信道信息，且H_g＝diag[h_g,1 h_g,2 h_g,3 ... h_g,L]，h_g，l(l＝1，2，...，L)表示子块g的第l个子载波对应的信道衰落系数，‖·‖_F表示向量的Frobenius范数，X表示发送符号向量，Λ表示发送符号向量空间，以系统的每个子块包含2个子载波，激活子载波的个数为1以及调制方式为BPSK为例，发送符号空间为 $\mathrm{\Λ}=\{\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}+1\\ 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}0\\ -1\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}0\\ +1\end{array}\right]\}.$

一种改进的SIM-OFDM系统的发射机方案(以下称为ISIM-OFDM)最近被提出，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，从而提升了系统性能。并且与OFDM相比，SIM-OFDM特殊的系统结构，使得其具有更好的抗载波间干扰(Inter-Carrier Interface,ICI)的能力。与OFDM系统相比，ISIM-OFDM系统具有更佳的误码率性能，但通信系统的可靠性与检测算法的好坏有直接关系。ISIM-OFDM的检测的研究仍是一个尚在研究的话题，熟知的ML检测具有最优的算法性能，它会对激活子载波和对应的星座点符号做联合检测，这导致了其具有极高的遍历复杂度的弊端，限制了ML在实际通信中的应用。由于ML检测需要遍历所有的星座点符号，因此其复杂度会随着调制阶数的增大而显著增长。

因此，有必要研究一种低检测复杂度的检测方法以适应SIM-OFDM系统、ISIM-OFDM系统等的通信需求。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对ML检测方法的局限性，提出一种复杂度不受信号调制阶数的影响，且可以取得近ML的误码性能的信号检测方法。

本发明的用于载波索引调制OFDM系统的信号检测方法，包括下列步骤：

步骤一：将接收的频域接收信号Y分成G个子块，每个子块对应L个子载波；

步骤二：基于每个子块的接收符号Y_g和信道信息H_g，根据公式(1)计算每个子块的均衡符号Z_l：

$Z_l=\frac{H_{g,l}^H}{{\left|\right|H_{g,l}\left|\right|}^2}{Y}_g---\left(1\right)$

其中g为子块标识符，下标l＝1,2,...,L，所述为信道信息H_g的列向量H_g,l＝[0 0 … h_g,l … 0]^T的共轭转置矩阵；

步骤三：基于均衡符号Z_l的模平方(或模)，选取p个最大模平方(或模)所对应的子载波为激活子载波候选集，其中K≤p≤L，所述K为系统每个子块的激活子载波个数；

步骤四：用c表示从激活子载波候选集中选择K个子载波的任一组合，基于均衡符号Z_l的硬判决符号从所有组合c中查找使得取最小值的目标组合作为最终的激活子载波组合。其中表示组合c中的K个子载波所对应的关于均衡符号Z_l的硬判符号构成的向量，简称硬判符号向量。

在SIM-OFDM系统中，第g块的频域接收信号的表达式可以表示为：

Y_g＝H_gX_g+W_g                           (2)

$\left[\begin{array}{c}{Y}_{g,0}\\ Y_{g,1}\\ ...\\ Y_{g,L-1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{g,0}& 0& ...& 0\\ 0& h_{g,0}& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& ...& h_{g,L-1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{g,0}\\ X_{g,1}\\ ...\\ X_{g,L-1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_{g,0}\\ W_{g,1}\\ ...\\ W_{g,L-1}\end{array}\right]$

其中X_g＝[X_g,0,X_g,1,...,X_g,L-1]^T表示第g个子块的发送符号，W_g＝[W_g,0,W_g,1,...,W_g,L-1]^T表示叠加在第g个子块符号的噪声向量，其元素服从均值为0方差为1的高斯分布。因此，由公式(1)可推导出公式(3)：

其中表示h_g,l的复数共轭。由公式(3)可知，当第l个子载波发送数据时(即第l个子载波为激活子载波时)，其发送符号的估计值就是均衡符号Z_l的硬判决符号因此，在本发明中，当在从激活子载波候选集中选择K个子载波的组合中查找到目标组合(用表示)后，即可直接由目标组合所对应的硬判符号向量，即在本步骤中，基于均衡符号Z_l的硬判决符号根据公式(4)即可得到子块g的激活子载波组合和对应的发送符号的估计值

$\left\{\begin{array}{c}\hat{c}=\arg \underset{\∀c}{\min }{\left|\right|Y_g-H_g{\hat{X}}_c\left|\right|}^2\\ {\hat{X}}_g={\hat{X}}_{\hat{c}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：第一，在取得最佳性能(ML可检测实现的性能)的同时，大大降低计算复杂度，这是由于本发明的检测方法的复杂度与信号的调制阶数无关，因此更适用于高阶信号调制的场合；第二，选择备选激活子载波时，通过可调节参数p(K≤p≤L)的合理选择可以在系统性能与复杂度之间取得更加灵活的平衡(p＝L时，可以实现与ML等效的最佳性能)。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中，信号检测流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

将本发明用于SIM-OFDM系统中，其发送端和接收端的处理具体为：

步骤A-1：产生信息比特。本具体实施方式中，系统的子载波总个数为N，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。对于每一个子块，子载波激活的组合数一共有但有效的备用组合为因此需要索引比特数为其中表示向下取整操作；另外，激活的K个子载波用于发送调制符号，因此调制比特数为b₂＝K log₂(M)，其中M为符号星座点空间大小。综上，一帧SIM-OFDM符号传输的比特数为B＝G·(b₁+b₂)，即数字信源需要产生B＝G·(b₁+b₂)位信息比特，其中前面的B₁＝G·b₁位作为索引比特，剩下的B₂＝G·b₂为作为调制比特。

步骤A-2：载波索引调制。对B位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，L个子载波是相邻的。对于每个子块而言，SIM模块先提取对应的b₁位索引比特和b₂位调制比特，然后调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号，最后根据索引比特来激活K个子载波来发送星座点符号，剩下的(L-K)个子载波不发数据。

步骤A-3：OFDM调制。经过载波索引调制的SIM-OFDM符号还需要进行OFDM调制，包括串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀CP。

步骤A-4：信息比特串经步骤1～3处理后，得到发送符号，并经瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端。

步骤B-1：接收端预处理。接收端将接收的SIM-OFDM符号进行去CP、串并转换，然后经FFT变换到频域。

步骤B-2：信号检测。以一个块为基本单位，检测激活子载波的位置和对应的发送符号。参见图1，基于本发明的信号检测的具体实现过程为：

S1：输入每个子块的接收符号Y_g和信道信息H_g，调节参数p；

S2：根据公式(1)计算每个子块的L个均衡符号Z_l；

S3：L个Z_l进行取模方运算，并按降序进行排列，不失一般性，得到的相关性向量记为且|Z₁|²≥|Z₂|²≥,…,≥|Z_L|²；

S4：分别对L个Z_l做硬判决操作，得到每个子载波的硬判决符号其中Q(·)表示硬判决操作；

S5：根据相关性向量R，选取前面p(K≤p≤L)个元素(p个最大模平方)对应的子载波为激活子载波候选集，并由从激活子载波候选集中选择K个子载波构的所有组合构成激活子载波组合集Π，并设|Π|＝C。

S6：针对C种组合(即c＝1,2,…,C)和对应的硬判符号向量根据公式(4)在Π中查找目标组合并将作为当前子块的发送符号，从而得到当前子块最终的激活子载波组合和对应的发送符号。

步骤B-3：解载波索引调制和解调。对步骤B-2得到的激活子载波组合和对应的发送符号分别做解载波索引调制和数字解调操作，恢复得到信息比特流。

在上述发送端和接收端的处理步骤中，仅步骤B-2为本发明的特有处理方式，其余步骤均与现有的SIM-OFDM系统相同。

实施例1

本实施方式采用Matlab2012a仿真平台进行实验。实验仿真参数设置如下：子载波总数N＝1024，子载波配置(L＝2,K＝1)和(L＝4,K＝3)，信号调制为BPSK、QPSK和16QAM，仿真中的信号经过瑞利衰落和高斯白噪声信道。本发明利用上述参数在Matlab上进行实验仿真，该算法具有较优秀的综合性能：在(L＝2,K＝1)配置及采用BPSK的环境下，当p＝2时，本发明的信号检测方法具有与ML一致的性能；当p减小到1时，系统性能BER(误码率)为10^-3时，比特信噪比E_b/N₀损失为2dB左右，并且与ML相比极大程度地降低了计算复杂度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种用于载波索引调制OFDM系统的信号检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：将接收的频域接收信号Y分成G个子块，每个子块对应L个子载波；

步骤二：基于每个子块的接收符号Y_g和信道信息H_g计算每个子块的均衡符号Z_l：其中g为子块标识符，下标l＝1,2,...,L，所述为信道信息H_g的列向量H_g,l＝[0 0 … h_g,l … 0]^T的共轭转置矩阵；

步骤三：基于均衡符号Z_l的模平方或模，选取p个最大模平方或模所对应的子载波为激活子载波候选集，其中K≤p≤L，所述K为系统每个子块的激活子载波个数；

步骤四：基于均衡符号Z_l的硬判决符号从激活子载波候选集中查找每个子块的激活子载波位置和发送符号，其中Q(·)表示硬判决操作：

用c表示从激活子载波候选集中选择K个子载波的任一组合，从所有组合c中查找使得取最小值时所对应的组合为当前子块g的激活子载波，其中表示组合c中的K个子载波所对应的关于均衡符号Z_l的硬判符号构成的向量；并将所确定的K个激活子载波对应的关于均衡符号Z_l的硬判符号作为当前子块g的发送符号。