CN105959047A - 一种nc预编码sm-ofdm系统的最优功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NC预编码SM‑OFDM系统的最优功率分配方法，属于通信抗干扰技术领域。本发明最优功率分配方案主要是在接收端根据估计信道得到系统的平均BER理论值，从而得到最优功率分配方案。具体方法如下：根据与数据子载波相邻的L处导频子载波信道估计，采用L阶广义线性内插技术得到该处数据子载波的估计信道，然后计算数据子载波的平均BER理论上界，最后通过最小化平均BER上界得到导频符号和数据符号间的最优功率分配方案。在总功率有限的条件下，本发明的最优功率分配方案能够在不增加计算复杂度的情况下，使NC预编码SM‑OFDM系统的BER性能得到显著的提高。本发明适用于任意阶线性内插技术。

Description

一种NC预编码SM-OFDM系统的最优功率分配方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及空间调制(Spatial Modulation,SM)技术，正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)，N连续(N-continuous，NC)预编码技术，信道估计技术，及其相关的SM-OFDM技术。

背景技术

多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术是一种无线环境下的高速传输技术，它在发射端和接收端配置更多的天线单元，并结合先进的空时编码调制方案，通过对空间自由度的充分利用，带来额外的分集，复用和波束成型增益。SM技术是一种高效低复杂度的MIMO调制方案，SM系统的实施简单，并利用传输数据的天线索引来携带额外的信息比特。OFDM技术能充分利用频谱资源，有效对抗多径衰落和大时延扩展引起的符号间干扰。SM-OFDM技术被认为是未来移动通信系统很有可能选用的技术方案之一。利用高阶导数平滑连续符号的NC预编码技术能有效解决传统OFDM系统存在的频谱泄漏问题。因此值得分析NC预编码对SM-OFDM系统性能的影响。

NC预编码SM-OFDM系统的信道估计误差会影响接收机对信号的检测准确度，使系统性能降低，可通过增加导频数量来提高信道估计的准确性，但其会降低系统传输效率。本发明即是针对以上问题，本发明首先分析采用基于干扰抑制的最小均方误差(minimummean square error，MMSE)信道估计时NC预编码SM-OFDM系统的误比特率(Bit ErrorRate，BER)上界，然后给出采用多阶线性内插技术时导频符号和数据符号间的最优功率分配方案。

发明内容

本发明的目的，针对NC预编码对SM-OFDM系统BER性能的影响和信道估计误差对NC预编码SM-OFDM系统BER性能的影响，分析基于干扰抵消的MMSE信道估计下NC预编码SM-OFDM系统的理论性能，并提供一种基于BER上界最小准则的适用于任一阶线性内插技术的导频符号和数据符号间的最优功率分配方案。

本发明的技术方案：一种NC预编码SM-OFDM系统的最优功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定子载波数个数K，相干带宽内的子载波数N_c，平均符号功率E₀，发射天线个数N_t，接收天线个数N_r，调制阶数M，NC预编码中的连续阶数N。

步骤2：根据信噪比r₀，计算出最优功率分配因子a^*。然后计算出导频符号的功率E_P和数据符号的功率E_d。

其中其中表示平均信噪比，δ＝εN_t/K，其中E_p＝E₀/[δ(1+a^*)]、E_d＝a^*E₀/[(1-δ)(1+a^*)]，E₀表示系统的总发射功率。

步骤3：将数据子载波进行空间调制，在每段相干带宽内插入导频块，数据子载波上的数据信号乘以导频子载波上的导频信号乘以对每根发射天线的K个子载波上的信号依次做NC预编码处理和正交频分复用调制，最后通过该天线发射调制后的信号。

本发明的有益效果为，本发明提供了NC预编码SM-OFDM系统的平均BER理论上界和一种能改善不完美信道估计下NC预编码SM-OFDM系统BER性能的导频与数据符号间的最优功率分配方案。该技术首先计算采用基于干扰抵消的MMSE估计法和L阶广义线性内插技术的系统平均BER上界并集界，然后通过最小化BER上界得到适用于任意阶的广义线性内插技术的最优功率分配方案。在总功率有限的条件下，该最优功率分配方案能使系统的BER性能得到显著的提高。

附图说明

图1为NC预编码SM-OFDM系统框图和信息的传输模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里讲被忽略。

为更好地对本发明进行说明，先介绍本发明技术方案所用到的术语和空间调制系统发射机结构。

NC预编码SM-OFDM系统：如图1，空间调制前的数据是需要传输的比特数据b，可以被视为一个η×K的矩阵，其中K是OFDM系统中的子载波数，是一个SM调制符号所携带的比特数量，M是QAM或者PSK调制的阶数。可以看出，一个SM调制符号所能携带的比特数量由QAM或者PSK调制阶数和发射天线数量共同决定。SM调制准则是根据SM转化表将b转化成为一个N_t×K的矩阵X。在X中，一列代表一个子载波上发送的数据，任意一列只有一个非零数据，意味着任意时刻只有一根天线发送数据。

本发明的具体实施方案如图1所示的系统模型图。

一种NC预编码SM-OFDM系统的最优功率分配方法，具体包括以下步骤：

A.初始化

NC预编码SM-OFDM系统有N_t根发射天线和N_r根接收天线的，一个OFDM符号有K个子载波。在发射端，每个频点上的个比特选择一根发射天线携带M阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)或者相位调制(multiple phase shiftkeying，M-PSK)字母表中一个符号，然后分别对每根发射天线上待发射的OFDM符号做NC预编码，最后发射天线发送预编码后的OFDM符号。每个子载波上每次传输的比特数量为相干信道内包含N_c个子载波，其中N_t个子载波传播导频符号，剩下的子载波传播数据符号。一个OFDM符号中有个导频块。每个导频符号的功率是E_p，每个数据符号的功率是E_d，平均每个符号的功率为E₀，它们满足E_p＝E₀/[δ(1+a)]和E_d＝aE₀/[(1-δ)(1+a)]，其中δ＝εN_t/K，a(a>0)是功率分配因子。

B.计算第ξ^th(1≤ξ≤ε)个相关带宽内导频处的信道估计

B1.接收到的导频符号

导频矩阵表示为其中是第n(n＝1,2,…,N_t)根发射天线在第个子载波上传输的导频符号，且|x_p,n|＝1，其中预编码后的导频矩阵表示为

${\stackrel{\‾}{X}}_{\mathrm{\ξ}}^p=\sqrt{E_p}{F}_{\mathrm{\ξ}}^p{X}_{\mathrm{\ξ}}^p+W_{\mathrm{\ξ}}^p,$

其中 表示第个子载波上由NC预编码引入的干扰向量，且中的每个元素都服从分布其中 是矩阵F的第行第列元素，其中F＝I_K-Φ^HA^H(AA^H)^-1AΦ，I_K表示K×K的单位矩阵，

$\mathrm{\Φ}=diag(e^{{\mathrm{j\φk}}_0},e^{{\mathrm{j\φk}}_1},...,e^{{\mathrm{j\φk}}_{K-1}}),$

T_cp和T_s分别表示循环前缀和符号周期。接收到的导频信号是

其中表示信道矩阵，它的每个元素都是均值为0方差为1的复高斯随机变量，表示中的噪声部分。Z′_p,ξ的自相关矩阵为

B2.导频处基于干扰抑制的信道估计

基于干扰抑制的MMSE信道估计矩阵为

其中因为所以可简化为

的自相关矩阵为

所以中每个元素的方差是其中

C.数据载波处的信道估计

在第ξ(1≤ξ≤ε)个相干带宽内，第个到第个子载波传输数据，其中

$N_{\mathrm{\&xi;}}=\left\{\begin{array}{c}{N}_c,1\&le;\mathrm{\&xi;}<\mathrm{\&epsiv;}\\ K-(\mathrm{\&epsiv;}-1)N_c,\mathrm{\&xi;}=\mathrm{\&epsiv;}\end{array}\right..$

实际中，采用L阶线性插值技术计算第个数据子载波处的估计信道是通过求与该数据子载波信道相邻的L个导频符号处的估计信道的线性组合来计算该数据子载波信道的估计值，具体实施过程如下

因此信道的自相关矩阵为

中每个元素的方差为

其中估计误差矩阵的自相关矩阵为

中每个元素的方差为

D.NC预编码系统的平均BER理论上界

D1.接收到的数据符号

在第ξ个相干带宽内，在第l(l＝N_t+1,N_t+2,…,N_ξ)个子载波上接收到的数据符号向量为

其中和分别表示第个子载波上的信号和干扰部分，表示中的噪声部分。向量中每个元素的方差是

中每个元素的平均功率为

最后进一步简化为

其中是等效的AWGN向量，它的每个元素相互独立同分布于

D2.系统的平均BER理论值

将改写成其中矩阵H_w中的每个元素都是独立同分布于且

矩阵的唯一一个特征值为

其中得到NC预编SM-OFDM系统中的平均BER上界为

其中表示信号向量和间不同的比特数，

$\mathrm{\&gamma;}\left(x\right)=0.5(1-\sqrt{\frac{x}{1+x}}),$

E.计算最优功率分配因子

E1.对BER理论值做近似处理

假设和发送的M-QAM/PSK调制符号分别是s₁和s₂。当和都激活第n根发射天线时

其中是矩阵的第n行n列元素。由于每根天线被激活的概率为所以

当激活的是第n₁根发射天线，激活的是第n₂根发射天线，且n₁≠n₂时，

因为和激活天线不同的情况有N_t(N_t-1)种，所以

从上面的分析可以得到

其中将E_p＝E₀/[δ(1+a)]和E_d＝aE₀/[(1-δ)(1+a)]带入和中得到

此时

其中

E2.BER上界对功率分配因子a求导数

BER上界对功率分配因子a求倒数得到

其中

其中

E2.1计算

对a求导得到

由于所以方程符合条件的解为其中表示平均信噪比。

当0<a<a^*时，当a>a^*时，所以a^*是的最小值点。由于所以且当时因此的最小值点也是的最小值点。所以a^*是NC预编码SM-OFDM系统采用MMSE信道估计和L阶信道插值技术时导频符号和数据符号间最优功率分配因子。

在不同的线性内插技术中，同一频率位置处数据子载波的估计信道的方差系数通常是不相同的。由于最优功率分配因子a^*与无关，因此可以得出如下结论，SM-OFDM系统无论采用任意阶线性内插技术，导频与数据符号间的最优功率分配因子都是a^*。

Claims (1)

1.一种NC预编码SM-OFDM系统的最优功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定子载波数个数K，相干带宽内的子载波数N_c，平均符号功率E₀，发射天线个数N_t，接收天线个数N_r，调制阶数M，NC预编码中的连续阶数N；

步骤2：根据信噪比r₀，计算出最优功率分配因子a^*；然后计算出导频符号的功率E_P和数据符号的功率E_d；

其中其中表示平均信噪比，δ＝εN_t/K，其中E_p＝E₀/[δ(1+a^*)]、E_d＝a^*E₀/[(1-δ)(1+a^*)]，E₀表示系统的总发射功率；

步骤3：将数据子载波进行空间调制，在每段相干带宽内插入导频块，数据子载波上的数据信号乘以导频子载波上的导频信号乘以对每根发射天线的K个子载波上的信号依次做NC预编码处理和正交频分复用调制，最后通过该天线发射调制后的信号。