CN106357311A - 一种基于载波索引调制的mimo‑ofdm系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及多输入多输出(Multiple‑Input Multiple‑Output,MIMO)、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和载波索引调制(Subcarrier Index Modulation,SIM)技术及相关信号检测技术。本发明针对MIMO‑SIM‑OFDM系统提出了一种基于载波索引调制的MIMO‑OFDM系统的检测方法，其主要思想是：(1)在接收端，对每个子载波对应的接收符号向量进行MMSE检测，并对检测符号进行硬判决；(2)遍历所有的索引组合，取出索引组合中的索引位置对应的硬判决符号得到发射符号向量，乘上对应的信道矩阵后，计算与接收符号向量的欧氏距离；(3)对所有的索引组合对应的发射符号向量的欧式距离进行排序，欧氏距离越小可靠性越高；(4)引入门限值，若欧氏距离的最小值满足门限值，则直接输出对应的索引组合和调制符号；否则最后进行ML检测。

Description

一种基于载波索引调制的MIMO-OFDM系统的检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和载波索引调制(Subcarrier Index Modulation,SIM)技术及相关信号检测技术。

背景技术

MIMO-OFDM系统的提出是无线移动通信领域的一项重大突破。该系统结合了MIMO技术和OFDM技术的优势，可以有效抵抗多径衰落和频率选择性衰落，同时具有信道容量大、传输速率高等突出优点，是未来无线移动通信系统物理层的关键技术之一。

近年来，子载波索引调制(Subcarrier Index Modulation,SIM)作为一种新型的调制技术被提出，在无线通信领域引起广泛的关注。该方案具有峰均比(Peak to AveragePower Ratio,PAPR)低、能量效率高、对抗频偏强等优势，其基本思想是：在传统的多载波系统中，一部分子载波被激活，而另一部分子载波保持静默，激活的子载波在传输数据的同时，其位置索引也承载数据信息。具体来说，系统的传输信息比特可以分为两个部分：一部分称为“索引比特”，即该部分的信息比特映射为激活的子载波的索引位置；另一部分称为“符号比特”，即该部分的信息比特映射为激活的子载波上的调制符号。在MIMO-OFDM系统中引入新的子载波索引调制技术(下文简称MIMO-SIM-OFDM系统)，将使其具有更好地抗载波间干扰(Inter-Carrier Interface,ICI)的能力，同时有效降低峰均比(Peak to AveragePower Ratio,PAPR)，上述优势已在相关的研究中得到验证。MIMO-SIM-OFDM系统如图1所示。

与传统的MIMO-OFDM系统相比，MIMO-SIM-OFDM系统具有更优的误码率性能，但整个通信系统的可靠性往往也与接收机的性能息息相关。如何在保证低误码率的同时，有效降低接收机的复杂度，一直是信号检测领域的研究热点。在接收端最优的检测算法是最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测算法。ML检测算法需要搜索所有可能的组合空间，找到与接收信号欧氏距离最小的组合作为发送信号组合，从而恢复出索引比特和调制比特信息。MIMO-SIM-OFDM系统中的ML检测算法，需要联合搜索索引空间和符号空间，是一种联合检测算法，具有最优的误码率性能，但是该算法需要穷尽搜索每种组合空间，其复杂度随着组合数、调制阶数和天线数呈指数增长。ML检测算法极高的复杂度限制了其在实际通信系统中的应用。为此，本发明针对ML检测算法的缺点，提出了一种改进的低复杂度的检测方案，同时可以取得近ML检测算法的性能。

发明内容

本发明针对MIMO-SIM-OFDM系统提出了一种改进的低复杂度的检测算法，其主要思想是：(1)在接收端，对每个子载波对应的接收符号向量进行MMSE检测，并对检测符号进行硬判决；(2)遍历所有的索引组合，取出索引组合中的索引位置对应的硬判决符号得到发射符号向量，乘上对应的信道矩阵后，计算与接收符号向量的欧氏距离；(3)对所有的索引组合对应的发射符号向量的欧式距离进行排序，欧氏距离越小可靠性越高；(4)引入门限值，若欧氏距离的最小值满足门限值，则直接输出对应的索引组合和调制符号；否则最后进行ML检测。

一种基于载波索引调制的MIMO-OFDM系统的检测方法，具体步骤如下：

步骤1：产生信息比特。假设系统发射天线数为N_t，接收天线数为N_r，每根发射天线上的子载波总数为N，分为若干子块，每个子块包含L子载波，子块中有K个子载波被激活，记作子载波配置(L,K)，则子块数为G＝N/L。对于每根天线上的每个子块，激活子载波的索引位置组合数为有效组合数为对应的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，对应的符号比特数为b₂＝Klog₂(M)，其中M为符号星座点空间大小。因此，系统总的比特数为B＝N_t×(B₁+B₂)，其中B₁＝G·b₁和B₂＝G·b₂分别作为每根发射天线上的索引比特数和符号比特数。

步骤2：发送端载波索引调制和符号调制。将每根发射天线上的信息比特分为两部分，分别进行载波索引调制和符号调制，具体步骤为：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，提取每个子块对应的(b₁+b₂)信息比特，对b₁位和b₂位信息比特分别进行索引调制和符号调制，根据索引信息激活对应的K个子载波用于发送星座点符号，剩余的(L-K)个子载波保持静默。

步骤3：对经过载波索引调制和符号调制后的符号进行OFDM调制，包括串并转换、IFFT和加循环前缀CP，并经瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端，在接收端对接收到的符号进行OFDM解调，包括去循环前缀CP、FFT、并串转换。

步骤4：接收端信号检测。MIMO-SIM-OFDM系统中信号的检测是以一个块为基本单位，检测包含两部分：激活子载波的索引位置和调制符号。不失一般性，下面以第g(g＝1,2,...,G)块的信号检测为例，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

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1^g\\ Y_2^g\\ ...\\ Y_{N_r}^g\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{1,1}^g& H_{1,2}^g& ...& H_{1,N_t}^g\\ H_{2,1}^g& H_{2,2}^g& ...& H_{2,N_t}^g\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^g& H_{N_r,2}^g& ...& H_{N_r,N_t}^g\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1^g\\ X_2^g\\ ...\\ X_{N_t}^g\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_1^g\\ W_2^g\\ ...\\ W_{N_r}^g\end{array}\right]$

其中，表示第i根发射天线上发送的第g个子块的符号，表示第j根接收天线上接收的第g个子块的收符号，是第i根发射天线与第j根接收天线之间第g个子块对应的信道矩阵，其中表示块的第l个子载波对应的信道衰落系数，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σ²的高斯分布。

第g块中第l个子载波的接收信号频域表达式可以表示为：

Y^g,l＝H^g,lX^g,l+W^g,l

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1^{g,l}\\ Y_2^{g,l}\\ \mathrm{...}\\ Y_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{1,1}^{g,l}& h_{1,2}^{g,l}& \mathrm{...}& h_{1,N_t}^{g,l}\\ h_{2,1}^{g,l}& h_{2,2}^{g,l}& \mathrm{...}& h_{2,N_t}^{g,l}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ h_{N_r,1}^{g,l}& h_{N_r,2}^{g,l}& \mathrm{...}& h_{N_r,N_t}^{g,l}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1^{g,l}\\ X_2^{g,l}\\ \mathrm{...}\\ X_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_1^{g,l}\\ W_2^{g,l}\\ \mathrm{...}\\ W_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]$

ML检测虽然具有最优的检测性能，但需要遍历所有的激活子载波组合和对应的星座点符号空间，其复杂度随激活子载波组合数、调制阶数和天线数呈指数增长，难以应用于实际的通信系统中。为此，本发明提出了一种改进的低复杂度的检测算法，具体流程如图2所示，其详细步骤如下：

步骤4-1：对每个子块中每个子载波对应的接收信号Y^g,l作MMSE均衡，并进行硬判决

${\hat{s}}^{g,l}=Q\left({\left({\left(H^{g,l}\right)}^H{H}^{g,l}+{\mathrm{\σ}}^{2}I\right)}^{-1}{\left(H^{g,l}\right)}^H{Y}^{g,l}\right)$

其中g∈{1,2,…,G}，l∈{1,2,…,L}，Q为数字解调函数，I为N_t×N_t的单位矩阵。

步骤4-2：遍历所有的索引组合，根据索引组合中的索引位置取出对应的硬判决符号，并得到发射符号向量。以N_t＝2,N_r＝2,L＝2,K＝1，BPSK调制为例，假设索引组合为I＝(2,1)，步骤4-1中硬判决得到的符号按照发射天线依次放置发射符号向量即为

步骤4-3：对索引组合I_j对应的发射符号向量乘上信道矩阵后，计算与接收符号向量Y^g的欧氏距离，

$d_j=\left|\right|Y^g-H_{I_j}^g{\stackrel{\‾}{X}}_{I_j}^g|{|}_F^2$

其中为I_j对应的H^g列集合信道矩阵，j∈{1,2,…,N_C},为所有的组合数。

步骤4-4：对欧式距离进行排序，选取欧氏距离的最小值d_k，

$k=\underset{\∀j\∈\{1,...,N_C\}}{\arg min}{d}_j$

步骤4-5：引入门限值V_th，若d_k≤V_th，则直接输出否则最后进行ML检测，

$(\hat{I},\hat{X})=\underset{\∀I}{\arg min}\left|\right|Y^g-H_I^g{X}_I^g|{|}_F^2$

步骤4-6：解调恢复原始比特信息。对经检测后得到的各个块的激活子载波组合和对应的发送符号分别进行子载波索引解调和数字解调，恢复得到原始比特信息。

本发明的有益效果是：

本发明针对MIMO-SIM-OFDM系统提出了一种改进的低复杂度的信号检测算法，该算法的优点主要体现在：由于该检测算法对MMSE均衡得到的硬判符号，依次选取每种组合对应的硬判符号，计算其与接收信号的欧氏距离，并选取其中欧氏距离的最小值，若满足门限要求则直接输出索引信息和调制符号。由于欧氏距离的最小值在很大概率上满足门限要求，从而有效避免了针对每个块均进行ML检测。该算法在取得近ML检测性能的同时，极大地降低了计算的复杂度。

附图说明

图1是MIMO-SIM-OFDM系统框图。

图2是本发明提出的针对MIMO-SIM-OFDM系统改进的检测算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步地详细描述。

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：发射天线数N_t＝2，接收天线数N_r＝2，子载波总数N＝512，子载波配置为L＝2,K＝1，信号调制为QPSK，仿真中的信道为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QPSK调制下，门限值V_th＝N_rLσ²，当系统BER性能为10^-5时，比特信噪比E_b/N₀损失约为0.7dB，并且仿真统计数据显示复杂度相对ML检测降低了90％左右。本发明针对MIMO-SIM-OFDM系统提出了一种改进的检测算法，该算法在具有低复杂度的前提下，可以实现近ML检测性能。

一种基于载波索引调制的MIMO-OFDM系统的检测方法，具体步骤如下：

步骤1：产生信息比特。假设系统发射天线数为N_t，接收天线数为N_r，每根发射天线上的子载波总数为N，分为若干子块，每个子块包含L子载波，子块中有K个子载波被激活，记作子载波配置(L,K)，则子块数为G＝N/L。对于每根天线上的每个子块，激活子载波的索引位置组合数为有效组合数为对应的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，对应的符号比特数为b₂＝Klog₂(M)，其中M为符号星座点空间大小。因此，系统总的比特数为B＝N_t×(B₁+B₂)，其中B₁＝G·b₁和B₂＝G·b₂分别作为每根发射天线上的索引比特数和符号比特数。

步骤2：发送端载波索引调制和符号调制。将每根发射天线上的信息比特分为两部分，分别进行载波索引调制和符号调制，具体步骤为：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，提取每个子块对应的(b₁+b₂)信息比特，对b₁位和b₂位信息比特分别进行索引调制和符号调制，根据索引信息激活对应的K个子载波用于发送星座点符号，剩余的(L-K)个子载波保持静默。

步骤3：对经过载波索引调制和符号调制后的符号进行OFDM调制，包括串并转换、IFFT和加循环前缀CP，并经瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端，在接收端对接收到的符号进行OFDM解调，包括去循环前缀CP、FFT、并串转换。

步骤4：接收端信号检测。MIMO-SIM-OFDM系统中信号的检测是以一个块为基本单位，检测包含两部分：激活子载波的索引位置和调制符号。不失一般性，下面以第g(g＝1,2,...,G)块的信号检测为例，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

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1^g\\ Y_2^g\\ ...\\ Y_{N_r}^g\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{1,1}^g& H_{1,2}^g& ...& H_{1,N_t}^g\\ H_{2,1}^g& H_{2,2}^g& ...& H_{2,N_t}^g\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^g& H_{N_r,2}^g& ...& H_{N_r,N_t}^g\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1^g\\ X_2^g\\ ...\\ X_{N_t}^g\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_1^g\\ W_2^g\\ ...\\ W_{N_r}^g\end{array}\right]$

其中，表示第i根发射天线上发送的第g个子块的符号，表示第j根接收天线上接收的第g个子块的收符号，是第i根发射天线与第j根接收天线之间第g个子块对应的信道矩阵，其中表示块的第l个子载波对应的信道衰落系数，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σ²的高斯分布。

第g块中第l个子载波的接收信号频域表达式可以表示为：

Y^g,l＝H^g,lX^g,l+W^g,l

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1^{g,l}\\ Y_2^{g,l}\\ \mathrm{...}\\ Y_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{1,1}^{g,l}& h_{1,2}^{g,l}& \mathrm{...}& h_{1,N_t}^{g,l}\\ h_{2,1}^{g,l}& h_{2,2}^{g,l}& \mathrm{...}& h_{2,N_t}^{g,l}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ h_{N_r,1}^{g,l}& h_{N_r,2}^{g,l}& \mathrm{...}& h_{N_r,N_t}^{g,l}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1^{g,l}\\ X_2^{g,l}\\ \mathrm{...}\\ X_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_1^{g,l}\\ W_2^{g,l}\\ \mathrm{...}\\ W_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]$

ML检测虽然具有最优的检测性能，但需要遍历所有的激活子载波组合和对应的星座点符号空间，其复杂度随激活子载波组合数、调制阶数和天线数呈指数增长，难以应用于实际的通信系统中。为此，本发明提出了一种改进的低复杂度的检测算法，具体流程如图2所示，其详细步骤如下：

步骤4-1：对每个子块中每个子载波对应的接收信号Y^g,l作MMSE均衡，并进行硬判决

${\hat{s}}^{g,l}=Q\left({\left({\left(H^{g,l}\right)}^H{H}^{g,l}+{\mathrm{\σ}}^{2}I\right)}^{-1}{\left(H^{g,l}\right)}^H{Y}^{g,l}\right)$

其中g∈{1,2,…,G}，l∈{1,2,…,L}，Q为数字解调函数，I为N_t×N_t的单位矩阵。

步骤4-2：遍历所有的索引组合，根据索引组合中的索引位置取出对应的硬判决符号，并得到发射符号向量。以N_t＝2,N_r＝2,L＝2,K＝1，BPSK调制为例，假设索引组合为I＝(2,1)，步骤4-1中硬判决得到的符号按照发射天线依次放置发射符号向量即为

步骤4-3：对索引组合I_j对应的发射符号向量乘上信道矩阵后，计算与接收符号向量Y^g的欧氏距离，

$d_j=\left|\right|Y^g-H_{I_j}^g{\stackrel{\‾}{X}}_{I_j}^g|{|}_F^2$

其中为I_j对应的H^g列集合信道矩阵，j∈{1,2,…,N_C},为所有的组合数。

步骤4-4：对欧式距离进行排序，选取欧氏距离的最小值d_k，

$k=\underset{\∀j\∈\{1,...,N_C\}}{\arg min}{d}_j$

步骤4-5：引入门限值V_th，若d_k≤V_th，则直接输出否则最后进行ML检测，

$(\hat{I},\hat{X})=\underset{\∀I}{\arg min}\left|\right|Y^g-H_I^g{X}_I^g|{|}_F^2$

步骤4-6：解调恢复原始比特信息。对经检测后得到的各个块的激活子载波组合和对应的发送符号分别进行子载波索引解调和数字解调，恢复得到原始比特信息。

Claims (2)

1.一种基于载波索引调制的MIMO-OFDM系统的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：产生信息比特。假设系统发射天线数为N_t，接收天线数为N_r，每根发射天线上的子载波总数为N，分为若干子块，每个子块包含L子载波，子块中有K个子载波被激活，记作子载波配置(L,K)，则子块数为G＝N/L。对于每根天线上的每个子块，激活子载波的索引位置组合数为有效组合数为对应的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，对应的符号比特数为b₂＝K log₂(M)，其中M为符号星座点空间大小。因此，系统总的比特数为B＝N_t×(B₁+B₂)，其中B₁＝G·b₁和B₂＝G·b₂分别作为每根发射天线上的索引比特数和符号比特数；

步骤2：发送端载波索引调制和符号调制。将每根发射天线上的信息比特分为两部分，分别进行载波索引调制和符号调制，具体步骤为：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，提取每个子块对应的(b₁+b₂)信息比特，对b₁位和b₂位信息比特分别进行索引调制和符号调制，根据索引信息激活对应的K个子载波用于发送星座点符号，剩余的(L-K)个子载波保持静默；

步骤3：对经过载波索引调制和符号调制后的符号进行OFDM调制，包括串并转换、IFFT和加循环前缀CP，并经瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端，在接收端对接收到的符号进行OFDM解调，包括去循环前缀CP、FFT、并串转换；

步骤4：接收端信号检测，MIMO-SIM-OFDM系统中信号的检测是以一个块为基本单位，检测包含两部分：激活子载波的索引位置和调制符号，不失一般性，下面以第g(g＝1,2,...,G)块的信号检测为例，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

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1^g\\ Y_2^g\\ ...\\ Y_{N_r}^g\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{H}_{1,1}^g& H_{1,2}^g& ...& H_{1,N_t}^g\\ H_{2,1}^g& H_{2,2}^g& ...& H_{2,N_t}^g\\ ...& ...& ...& ...\\ H_{N_r,1}^g& H_{N_r,2}^g& ...& H_{N_r,N_t}^g\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1^g\\ X_2^g\\ ...\\ X_{N_t}^g\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_1^g\\ W_2^g\\ ...\\ W_{N_r}^g\end{array}\right]$ ，

其中，i＝1,2,...,N_t表示第i根发射天线上发送的第g个子块的符号，j＝1,2,...,N_r表示第j根接收天线上接收的第g个子块的收符号，是第i根发射天线与第j根接收天线之间第g个子块对应的信道矩阵，其中l＝1,2,...,L-1表示块的第l个子载波对应的信道衰落系数，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σ²的高斯分布，第g块中第l个子载波的接收信号频域表达式可以表示为：

Y^g,l＝H^g,lX^g,l+W^g,l。

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1^{g,l}\\ Y_2^{g,l}\\ ...\\ Y_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{1,1}^{g,l}& h_{1,2}^{g,l}& ...& h_{1,N_t}^{g,l}\\ h_{2,1}^{g,l}& h_{2,2}^{g,l}& ...& h_{2,N_t}^{g,l}\\ ...& ...& ...& ...\\ h_{N_r,1}^{g,l}& h_{N_r,2}^{g,l}& ...& h_{N_r,N_t}^{g,l}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1^{g,l}\\ X_2^{g,l}\\ ...\\ X_{N_t}^{g,l}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{W}_1^{g,l}\\ W_2^{g,l}\\ ...\\ W_{N_r}^{g,l}\end{array}\right]$

2.根据权利要求1所述的一种基于载波索引调制的MIMO-OFDM系统的检测方法，其特征在于，步骤4所述接收端信号检测方法具体如下：

步骤4-1：对每个子块中每个子载波对应的接收信号Y^g,l作MMSE均衡，并进行硬判决其中，g∈{1,2,…,G}，l∈{1,2,…,L}，Q为数字解调函数，I为N_t×N_t的单位矩阵；

步骤4-2：遍历所有的索引组合，根据索引组合中的索引位置取出对应的硬判决符号，并得到发射符号向量。以N_t＝2,N_r＝2,L＝2,K＝1，BPSK调制为例，假设索引组合为I＝(2,1)，步骤4-1中硬判决得到的符号按照发射天线依次放置发射符号向量即为

步骤4-3：对索引组合I_j对应的发射符号向量乘上信道矩阵后，计算与接收符号向量Y^g的欧氏距离，

$d_j=\left|\right|Y^g-H_{I_j}^g{\stackrel{\‾}{X}}_{I_j}^g|{|}_F^2$

其中，为I_j对应的H^g列集合信道矩阵，j∈{1,2,…,N_C},为所有的组合数；

步骤4-4：对欧式距离进行排序，选取欧氏距离的最小值d_k，

$k=\underset{\∀j\∈\{1,...,N_C\}}{\mathrm{argmin}}{d}_j;$

步骤4-5：引入门限值V_th，若d_k≤V_th，则直接输出否则最后进行ML检测，

$(\hat{I},\hat{X})=\underset{\∀I}{\mathrm{argmin}}\left|\right|Y^g-H_I^g{X}_I^g|{|}_F^2;$

步骤4-6：解调恢复原始比特信息。对经检测后得到的各个块的激活子载波组合和对应的发送符号分别进行子载波索引解调和数字解调，恢复得到原始比特信息。