CN106453190A - 一种多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法。在发送端，首先采用正交幅度调制阶数M对子载波进行逻辑分块；然后所有用户的信息比特也进行相应分组，每组再分成两个部分，第一部分选择每块中一个子载波使其静默，另一部分调制每个子块中剩余激活子载波；再经过反快速傅里叶变换、并串转换和加循环前缀后形成SIM‑OFDM符号进行发送；在接收端，采用在非理想信道状态信息下基于广义近似消息传递算法的多用户迭代检测方法，对GAMP检测器输出的检测信号进行与发送端相同的逻辑分组，判断每组内功率最小的符号以识别静默子载波的位置，恢复索引比特，解调剩余的符号得数字调制比特。本发明提高了能量效率和BER性能。

Description

一种多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别是涉及一种多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法。

背景技术

空间调制(SM)作为传统数字调制方式的扩展是一种单载波传输方式，只需要一条射频链路，所有发射天线在任意时刻只有一根天线被激活发送调制信息，利用激活天线的空间位置来传递部分信息，能够在保证系统频带利用率的同时提高能量效率。

OFDM技术作为一种多载波传输方式具有很高的频谱效率，但缺点是峰值平均功率(PAPR)比较高。将SM的思想扩展到频域，基于SIM的单用户OFDM系统被提出以降低PAPR和能量消耗，在该技术中，信息比特被分为两个部分，一部分为索引比特，用以选择若干子载波进行激活，另一部分调制比特被调制到激活子载波上。

现有的单用户SIM-OFDM与传统的OFDM相比，虽然降低了PAPR、提高了能量效率、有助于对抗子载波间干扰等优点，但根据SIM-OFDM原理：在发射端将所K个子载波逻辑均等分为G个子块，每个子块包含n个子载波，激活其中k个子载波传输M阶调制符号，频谱效率为一般情况下小于传统OFDM的频谱效率η＝log₂M，造成了频谱浪费；而且在单用户SIM-OFDM系统的接收端，多采用复杂度较高的最大似然检测算法或误比特性能不理想的最小均方误差(MMSE)检测算法。所以需要一种SIM-OFDM数据传输方法，在保证不降低OFDM系统的频谱效率情况下，实现PAPR的降低和能量效率的提高，并应用到多用户系统中，同时在接收端设计一种非理想信道状态信息下低误比特性能的多用户检测算法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的一种多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法，包括以下步骤：

S1：子载波逻辑分块：将K个子载波根据QAM调制阶数M逻辑分成G＝K/M个子块，每个子块中含有M个子载波，并设定每个子块中只有一个子载波静默，其余子载波激活；

S2：用户信息比特分组：用户u的l位输入比特经串并转换后为序列b^u，将b^u分成G组信息比特U为总用户数，为第g组信息比特；

S3：子载波索引调制预处理：将每组信息比特分成两个部分：前l_s＝log₂M位比特用作SIM的索引比特，用以选择每个子块中一个子载波使其静默；后l_m＝(M-1)log₂M位比特作为数字调制比特，用于调制剩余的(M-1)个激活子载波；

S4：子载波索引调制：根据索引比特选择当前子载波块中的一个子载波不进行数据符号传输，即置为数据0；根据数字调制比特，依次进行M-QAM调制得到(M-1)个QAM符号，为用户u子块g的传输信号，其中k_s为静默的子载波的索引号，所有子块依次排列组成用户u的发送符号向量得到为所有用户的频域发送符号向量；

S5：OFDM调制：每个用户的发送符号向量经过相同的OFDM调制，首先经过IFFT得到然后并串转换、加循环前缀得到SIM-OFDM符号；

S6：过信道：所有用户的发射天线同时发射各自的SIM-OFDM符号，经过频率选择性多径瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端，第n_r根接收天线的接收信号为其中为L抽头的信道响应，且加性噪声 为第n_r根接收天线接收到的用户u经过信道的信号，p_s为发射功率，s^u为用户u的时域数据，σ²为高斯噪声的方差，I_K为K阶单位矩阵；

S7：信道估计：基于最小二乘估计，设信噪比为SNR_CE＝10lg(Up_t/σ²)，估计误差为E，则信道矩阵H被估计为p_t为用于信道估计的训练序列的发射功率；

S8：接收端预处理：接收端将接收的时域信号经过去循环前缀、串并转换以及FFT变换得到频域信号W为加性高斯噪声，Y展开为其中 为用户u到第n_r根接收天线的信道增益矩阵，为第n_r根接收天线的噪声，且干扰与噪声之和N服从分布，

S9：GAMP迭代检测：对X进行迭代检测，得到X的检测值；

S10：比特恢复：首先对X的检测值进行并串转换和分组处理，得到 为检测出的用户子块g的传输信号，然后根据SIM准则逆映射判断每个子块中静默子载波的索引，接着解调剩下的(M-1)个激活子载波上承载的数字符号，恢复出信息比特流。

进一步，所述步骤S9包括以下步骤：

S9.1：初始化：迭代次数t＝0，待检测信号X中的元素x_i的均值为元素x_i的方差为令对偶变量

S9.2：进行迭代：

计算

对于每个j∈[N_rK]，计算τ^p(t)为的方差，其中，为中序号为(j,i)的元素，y_j为Y中第j个元素；

然后计算

对于每个i∈[UK]，计算τ^r(t)为的方差；

更新x_i的均值和方差：

其中为M-QAM星座符号，概率归一化因子为复高斯函数为

S9.3：终止判断，若满足条件tol为迭代终止误差限，则迭代终止，输出作为X的检测值，否则返回到步骤S9.2执行下一次迭代。

进一步，所述步骤S10中，对X的检测值进行并串转换和分组处理后得到了多组符号，其中第g组符号

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供了比现有SIM-OFDM系统更高的频谱效率，而且降低了OFDM系统的PAPR，提高了能量效率，并且不损失误比特性能；

(2)本发明针对多用户SIM-OFDM技术在非理想信道状态信息下的GAMP检测器，其BER性能优于MMSE检测，复杂度低于最大似然检测。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的方法示意图；

图2为本发明具体实施方式在非理想信道状态信息下的GAMP检测与MMSE检测的BER性能对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：子载波逻辑分块：将K个子载波根据QAM调制阶数M逻辑分成G＝K/M个子块，每个子块中含有M个子载波，并设定每个子块中只有一个子载波静默，其余子载波激活。

S2：用户信息比特分组：用户u的l位输入比特经串并转换后为序列b^u，将b^u分成G组信息比特U为总用户数，为第g组信息比特。

S3：子载波索引调制预处理：将每组信息比特分成两个部分：前l_s＝log₂M位比特用作SIM的索引比特，用以选择每个子块中一个子载波使其静默；后l_m＝(M-1)log₂M位比特作为数字调制比特，用于调制剩余的(M-1)个激活子载波。

S4：子载波索引调制：根据索引比特选择当前子载波块中的一个子载波不进行数据符号传输，即置为数据0；根据数字调制比特，依次进行M-QAM调制得到个QAM符号，为用户u子块g的传输信号，其中k_s为静默的子载波的索引号，所有子块依次排列组成用户u的发送符号向量得到为所有用户的频域发送符号向量。

S5：OFDM调制：每个用户的发送符号向量经过相同的OFDM调制，首先经过IFFT得到然后并串转换并加循环前缀得到SIM-OFDM符号。

S6：过信道：所有用户的发射天线同时发射各自的SIM-OFDM符号，经过频率选择性多径瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端，第n_r根接收天线的接收信号为其中为L抽头的信道响应，且加性噪声 为第n_r根接收天线接收到的用户u经过信道的信号，p_s为发射功率，s^u为用户u的时域数据，σ²为高斯噪声的方差，I_K为K阶单位矩阵。

S7：信道估计：基于最小二乘估计，设信噪比为SNR_CE＝10lg(Up_t/σ²)，估计误差为E，则信道矩阵H被估计为p_t为用于信道估计的训练序列的发射功率。

S8：接收端预处理：接收端将接收的时域信号经过去循环前缀、串并转换以及FFT变换得到频域信号W为加性高斯噪声，Y展开为其中 为用户u到第n_r根接收天线的信道增益矩阵，为第n_r根接收天线的噪声，且干扰与噪声之和N服从分布，

S9：GAMP迭代检测：对X进行迭代检测，得到X的检测值；迭代检测过程如下：

S9.1：初始化：迭代次数t＝0，待检测信号X中的元素x_i的均值为元素x_i的方差为令对偶变量

S9.2：进行迭代：

计算

对于每个j∈[N_rK]，计算τ^p(t)为的方差，其中，为中序号为(j,i)的元素，y_j为Y中第j个元素；

然后计算

对于每个i∈[UK]，计算τ^r(t)为的方差；

更新x_i的均值和方差：

其中为M-QAM星座符号，概率归一化因子为复高斯函数为

S9.3：终止判断，若满足条件tol为迭代终止误差限，则迭代终止，输出作为X的检测值，否则返回到步骤S9.2执行下一次迭代。

S10：比特恢复：首先对X的检测值进行并串转换和分组处理，得到 为检测出的用户子块g的传输信号，然后根据SIM准则逆映射判断每个子块中静默子载波的索引，接着解调剩下的(M-1)个激活子载波上承载的数字符号，恢复出信息比特流。

本具体实施方式中，子载波总数K＝128，信道抽头数＝4，接收天线数＝32，数字调制方式为BPSK，在用户数为U＝4和8时，图2对比本具体实施方式中针对多用户SIM-OFDM技术在非理想信道状态信息下的GAMP检测和传统的MMSE检测的BER性能，从图中可以看出，在误比特率为10^-3时，本具体实施方式所提出的多用户SIM-OFDM技术在非理想信道状态信息下的GAMP检测相比于MMSE检测可以取得大约1dB的信噪比增益。

Claims (3)

1.一种多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：子载波逻辑分块：将K个子载波根据QAM调制阶数M逻辑分成G＝K/M个子块，每个子块中含有M个子载波，并设定每个子块中只有一个子载波静默，其余子载波激活；

S2：用户信息比特分组：用户u的l位输入比特经串并转换后为序列b^u，将b^u分成G组信息比特U为总用户数，为第g组信息比特；

S3：子载波索引调制预处理：将每组信息比特分成两个部分：前l_s＝log₂M位比特用作SIM的索引比特，用以选择每个子块中一个子载波使其静默；后l_m＝(M-1)log₂M位比特作为数字调制比特，用于调制剩余的(M-1)个激活子载波；

S4：子载波索引调制：根据索引比特选择当前子载波块中的一个子载波不进行数据符号传输，即置为数据0；根据数字调制比特，依次进行M-QAM调制得到(M-1)个QAM符号，为用户u子块g的传输信号，其中k_s为静默的子载波的索引号，所有子块依次排列组成用户u的发送符号向量得到为所有用户的频域发送符号向量；

S5：OFDM调制：每个用户的发送符号向量经过相同的OFDM调制，首先经过IFFT得到然后并串转换、加循环前缀得到SIM-OFDM符号；

S6：过信道：所有用户的发射天线同时发射各自的SIM-OFDM符号，经过频率选择性多径瑞利衰落信道和高斯信道后到达接收端，第n_r根接收天线的接收信号为其中为L抽头的信道响应，且加性噪声 为第n_r根接收天线接收到的用户u经过信道的信号，p_s为发射功率，s^u为用户u的时域数据，σ²为高斯噪声的方差，I_K为K阶单位矩阵；

S7：信道估计：基于最小二乘估计，设信噪比为SNR_CE＝10lg(Up_t/σ²)，估计误差为E，则信道矩阵H被估计为p_t为用于信道估计的训练序列的发射功率；

S8：接收端预处理：接收端将接收的时域信号经过去循环前缀、串并转换以及FFT变换得到频域信号W为加性高斯噪声，Y展开为其中 为用户u到第n_r根接收天线的信道增益矩阵，为第n_r根接收天线的噪声，且干扰与噪声之和N服从分布，

S9：GAMP迭代检测：对X进行迭代检测，得到X的检测值；

S10：比特恢复：首先对X的检测值进行并串转换和分组处理，得到 为检测出的用户子块g的传输信号，然后根据SIM准则逆映射判断每个子块中静默子载波的索引，接着解调剩下的(M-1)个激活子载波上承载的数字符号，恢复出信息比特流。

2.根据权利要求1所述的多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法，其特征在于：所述步骤S9包括以下步骤：

S9.1：初始化：迭代次数t＝0，待检测信号X中的元素x_i的均值为元素x_i的方差为令对偶变量

S9.2：进行迭代：

计算

对于每个j∈[N_rK]，计算τ^p(t)为的方差，其中，为中序号为(j,i)的元素，y_j为Y中第j个元素；

然后计算 ${\mathrm{\τ}}^r\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\τ}}^p\left(t\right)+{\widetilde{\mathrm{\σ}}}^2}{N_r(p_s+p_s{\mathrm{\σ}}^2/{\mathrm{Up}}_t)};$

对于每个i∈[UK]，计算τ^r(t)为的方差；

更新x_i的均值和方差：

其中为M-QAM星座符号，概率归一化因子为复高斯函数为

S9.3：终止判断，若满足条件tol为迭代终止误差限，则迭代终止，输出作为X的检测值，否则返回到步骤S9.2执行下一次迭代。

3.根据权利要求1所述的多用户子载波索引调制正交频分复用传输方法，其特征在于：所述步骤S10中，对X的检测值进行并串转换和分组处理后得到了多组符号，其中第g组符号