CN110113281B - 一种mimo通信中多进制fsk非相干检测实现空分复用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法，其特征是，包括如下步骤：1）调制信号并发送；2）通过信道；3）各天线上独立进行MFSK能量检测；4）系统等效处理；5）信道估计；6）信号解调。这种方法适用于快衰落、随相环境下的高容量无线通信，应用于散射通信环境的多天线空分复用，在保证通信质量的条件下能提高通信容量。

Description

一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法

技术领域

本发明涉及通信技术，具体是一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法。

背景技术

非相干通信由于其对无线衰落信道造成的相位变化不敏感，适用于一些相位变化快、或相位随机性强且难以估计的通信环境，例如FSK(移频键控信号)、ASK(幅度键控信号)、LFM(线性调频信号)、DPSK(差分移相键控信号)等信号一般适合采用非相干解调方法，广泛应用于VHF、UHF等散射通信、以及其它衰落和干扰环境通信应用中。

多发射天线和多接收天线即MIMO无线通信技术是4G和5G的关键技术，可以通过多天线空间分集增强无线通信信号的抗衰落、抗干扰能力；也可以通过多天线收发的空分复用技术显著提升通信系统容量。

MIMO通信因为存在空分信道之间的相关性，因此往往采用相干检测的方法实现分集或空分复用。而采用相干检测的MIMO通信系统需要知道精确的信道状态信息(ChannelState Information，简称CSI)，因此随着天线数的增加，信道估计的开销和复杂度也随着增加。在快衰落等无线通信环境下，实现精确的信道估计和相位估计对硬件要求较高且功耗较大，为了避免精确的信道估计和相位估计，往往采用非相干检测方法。多天线通信系统中，当前非相干MIMO通信技术主要应用于高信噪比(SNR)环境下的弱相关MIMO信道环境。另外，通过设计特殊的信号星座、码本设计辅助差分检测方法，也可以在未知信道信息的条件下实现多天线信号检测，码本利用MIMO信道特性并考虑正交子空间来区分接收机侧的符号，这类方法当前仍停留在理论上，尚未足以实用化。除此之外，通过设计空时编码获得近正交信道特性，从而在未知信道矩阵条件下通过似然检测等非相干检测手段获得分集增益也是非相干MIMO研究的途径之一，但主要实现空间分集增益。以上这些非相干MIMO通信方法的缺点：首先，没有利用信道信息，对信号SNR要求较高，且星座、码本、空时码、算法性能严重受限于MIMO信道的相关特性；其次，快衰落引起的随机相位变化仍然会影响多天线信号的解调。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法。这种方法适用于快衰落、随相环境下的高容量无线通信，应用于散射通信环境的多天线空分复用，在保证通信质量的条件下能提高通信容量。

实现本发明目的的技术方案是：

一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法，与现有技术不同的是，包括如下步骤：

1)调制信号并发送：采用多发射天线和多接收天线构成的V-BLAST-MIMO系统，发送端在多天线上分别采用M元正交信号调制的MFSK调制独立的导频序列X₀(t)和数据流X_w(t)，导频序列X₀(t)采用已知的随机多进制码；

2)通过信道：对于N发L收的MIMO系统，无线信道衰落矩阵为：

其中A_kn表示从第n根发射天线至第k根接收天线的信道衰落幅度系数，n＝1，...N，k＝1，…L，

是第n根发射天线至第k根接收天线的信道相位偏移量，

是由于多普勒造成的角度偏移，接收信号可以表示为Y＝HX+N₀，其中，Y表示接收信号矩阵，维度为L×T，X代表发送信号矩阵，维度为N×T，N₀表示噪声矩阵；

3)各天线上独立进行MFSK能量检测：调制后的MFSK符号可表示为：

其中f_c表示码元c调制的单频信号频率，c＝{0，1，...，M-1}，T表示码元周期，相关器为与对应单频信号做相关的结果，即s(t)在频率f_i输出为：

表示如果码元调制信号的频率与相关器的频率一致，即c＝i，相关器输出为1；如果码元调制的频率与相关器的频率不一致，即c≠i，相关器输出为0，

用X_w表示多天线的第w码元的发送信号矢量，这样在接收端第k根天线的第w个码元的信号y_kw表示为：y_kw＝h_kX_w+n_kw，其中h_k对应接收天线k的信道矢量，k＝1，...，L，n_kw是指接收天线k接收的热噪声信号，将该信号通过频率f_i滤波器后，有：

其中

表示X_w在频点f_i的分量，n_k，fi是经过f_i滤波器后的热噪声，经过推导有：

为y_kw在频率f_i的能量检测器输出；

4)系统等效处理：将步骤3)中的

等效为公式(1)：

其中等效信道矩阵

为公式(2)：

其中i，j∈{1，2，…，N}，l∈{1，2，…，N(N+1)/2}，

等效的输入信元

为公式(3)：

其中l_{i，j}＝1，...，N(N+1)/2，是由i＝1，...N，j＝1，...N所组成的不同组合的索引，

对应的是索引l_{i，j}等效发射阵元信号，

是指在f_i频点下的等效信道矩阵中由第l_{i，j}等效发射信元向第k接收天线传播的信道系数，即等效信元数从原来的N增加到N(N+1)/2；

5)信道估计：按导频序列的等效信元

及对应的各天线能量检测的结果

采用最小二乘信道估计算法，获得L×(N(N+1)/2)等效矩阵

的估计，信道估计的算法过程与常规MIMO信道矩阵的估计完全一致，在此不再累述；

6)信号解调：通过步骤5)所估计的等效信道矩阵

及待测数据的能量检测输出

结合MIMO技术中的最大似然检测方法，获得等效信元的估计

依据公式(3)，根据估计信元

中的

从而计算出X_w。

本技术方案利用M元正交信号调制的MFSK调制，通过MFSK非相干能量检测，结合多发射天线和多接收天线构成的V-BLAST-MIMO系统，采用等效的实信道矩阵，实现一种非相干的MIMO通信系统。

采用非相干能量检测的MFSK在高斯白噪声环境下具有最优的误比特率性能，MFSK是将信源调制到M个正交的单频信号上，接收端通过多发射天线和多接收天线构成的V-BLAST-MIMO系统，非相干能量检测实现信源解调，该解调方式对载波相位偏移，发射端和接收端之间的固定多普勒频移不敏感，具有较强的抗干扰能力。

本技术方案的优点为：

1.通过在MIMO信道中引入M元正交信号的非相干能量检测，从而在实现多天线空分复用的同时，非相干能量检测对信号的相位变化不敏感，从而能够在高多普勒衰落环境、存在频差的无线环境下获得较好的通信性能；

2.由于引入非相干能量检测，构建的新整体MIMO信道能够等效为一种实信道模型，从而在实际信道估计是降低了估计复杂度；

3.对于新的MIMO信道模型，已有的MIMO信道估计方法依然适用；

4.BLAST-MIMO中引入非相干能量检测，避免了传统BLAST-MIMO对相干检测的要求，包括降低了对接收机高精度相位同步的要求，以及降低频偏所带来的相位变化跟踪需求。

这种方法适用于快衰落、随相环境下的高容量无线通信，应用于散射通信环境的多天线空分复用，在保证通信质量的条件下能提高通信容量。

附图说明

图1为实施例中的MFSK能量检测原理示意图；

图2为实施例中的MFSK-MIMO非相干检测通信系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步地阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法，包括如下步骤：

1)调制信号并发送：采用多发射天线和多接收天线构成的V-BLAST-MIMO系统，如图1所示，发送端在多天线上分别采用M元正交信号调制的MFSK调制独立的导频序列X₀(t)和数据流Xw(t)，导频序列X₀(t)采用已知的随机多进制码；

2)通过信道：对于N发L收的MIMO系统，无线信道衰落矩阵为：

其中A_kn表示从第n根发射天线至第k根接收天线的信道衰落幅度系数，n＝1，...N，k＝1，…L，

是第n根发射天线至第k根接收天线的信道相位偏移量，

是由于多普勒造成的角度偏移，接收信号可以表示为Y＝HX+N₀，其中，Y表示接收信号矩阵，维度为L×T，X代表发送信号矩阵，维度为N×T，N₀表示噪声矩阵；

3)各天线上独立进行MFSK能量检测：调制后的MFSK符号可表示为：

其中f_c表示码元c调制的单频信号频率，c＝{0，1，…，M-1}，T表示码元周期，相关器为与对应单频信号做相关的结果，即s(t)在频率f_i输出为：

表示如果码元调制信号的频率与相关器的频率一致，即c＝i，相关器输出为1；如果码元调制的频率与相关器的频率不一致，即c≠i，相关器输出为0，

用X_w表示多天线的第w码元的发送信号矢量，这样在接收端第k根天线的第w个码元的信号y_kw表示为：y_kw＝h_kX_w+n_kw，其中h_k对应接收天线k的信道矢量，k＝1，...，L，n_kw是指接收天线k接收的热噪声信号，将该信号通过频率f_i滤波器后，有：

其中

表示X_w在频点f_i的分量，n_k，fi是经过f_i滤波器后的热噪声，经过推导有：

依照图2所示接收端做多频能量检测(也就是平方率检测)方案输出，经过推导有：

为y_kw在频率f_i的能量检测器输出；

4)系统等效处理：将步骤3)中的

等效为公式(1)：

其中等效信道矩阵

为公式(2)：

其中i，j∈{1，2，…，N}，l∈{1，2，…，N(N+1)/2}，

等效的输入信元

为公式(3)：

其中l_{i，j}＝1，...，N(N+1)/2，是由i＝1，...N，j＝1，...N所组成的不同组合的索引，

对应的是索引l_{i，j}等效发射阵元信号，

是指在f_i频点下的等效信道矩阵中由第l_{i，j}等效发射信元向第k接收天线传播的信道系数，即等效信元数从原来的N增加到N(N+1)/2；

5)信道估计：按导频序列的等效信元

及对应的各天线能量检测的结果

采用最小二乘信道估计算法，获得L×(N(N+1)/2)等效矩阵

的估计，信道估计的算法过程与常规MIMO信道矩阵的估计完全一致，在此不再累述；

6)信号解调：通过步骤5)所估计的等效信道矩阵

及待测数据的能量检测输出

结合MIMO技术中的最大似然检测方法，获得等效信元的估计

依据公式(3)，根据估计信元

中的

从而计算出X_w。

本例技术方案利用M元正交信号调制的MFSK调制，通过MFSK非相干能量检测，结合多发射天线和多接收天线构成的V-BLAST-MIMO系统，采用等效的实信道矩阵，实现一种非相干的MIMO通信系统。

采用非相干能量检测的MFSK在高斯白噪声环境下具有最优的误比特率性能，MFSK是将信源调制到M个正交的单频信号上，接收端通过多发射天线和多接收天线构成的V-BLAST-MIMO系统，非相干能量检测实现信源解调，该解调方式对载波相位偏移，发射端和接收端之间的固定多普勒频移不敏感，具有较强的抗干扰能力。

Claims (1)

1.一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法，其特征是，包括如下步骤：

1)调制信号并发送：采用多发射天线和多接收天线构成的V-BLAST-MIMO系统，发送端在多天线上分别采用M元正交信号调制的MFSK调制独立的导频序列X₀(t)和数据流X_w(f)，导频序列X₀(t)采用已知的随机多进制码；

2)通过信道：对于N发L收的MIMO系统，无线信道衰落矩阵为：

其中A_kn表示从第n根发射天线至第k根接收天线的信道衰落幅度系数，n＝1，...N，k＝1，…L，

是第n根发射天线至第k根接收天线的信道相位偏移量，

是由于多普勒造成的角度偏移，接收信号可以表示为Y＝HX+N₀，其中，Y表示接收信号矩阵，维度为L×T，X代表发送信号矩阵，维度为N×T，N₀表示噪声矩阵；

3)各天线上独立进行MFSK能量检测：接收到的MFSK调制信号可表示为：

其中f_c表示码元c调制的单频信号频率，c＝{0，1，…，M-1}，T表示码元周期，相关器为与对应单频信号做相关的结果，即s(t)在频率f_i输出为：

表示如果码元调制信号的频率与相关器的频率一致，即c＝i，相关器输出为1；如果码元调制的频率与相关器的频率不一致，即c≠i，相关器输出为0，

用X_w表示多天线的第w码元的发送信号矢量，这样在接收端第k根天线的第w个码元的信号y_kw表示为：y_kw＝h_kX_w+n_kw，其中h_k对应接收天线k的信道矢量，k＝1，...，L，n_kw是指接收天线k接收的热噪声信号，将该信号通过频率f_i滤波器后，有：

其中

表示X_w在频点f_i的分量，n_k，fi是经过f_i滤波器后的热噪声，经过推导有：

为y_kw在频率f_i的能量检测器输出；

4)系统等效处理：将步骤3)中的

等效为公式(1)：

其中等效信道矩阵

为公式(2)：

其中i，j∈{1，2，…，N}，l∈{1，2，…，N(N+1)/2}.

等效的输入信元

为公式(3)：

其中l_{i，j}＝1，..，N(N+1)/2，是由i＝1，...N，j＝1，...N所组成的不同组合的索引，

对应的是索引l_{i，j}等效发射阵元信号，

是指在f_i频点下的等效信道矩阵中由第l_{i，j}等效发射信元向第k接收天线传播的信道系数，即等效信元数从原来的N增加到N(N+1)/2；

5)信道估计：按导频序列的等效信元

及对应的各天线能量检测的结果

采用最小二乘信道估计算法，获得L×(N(N+1)/2)等效矩阵

的估计；

6)信号解调：通过步骤5)所估计的等效信道矩阵

及待测数据的能量检测输出

结合MIMO技术中的最大似然检测方法，获得等效信元的估计

依据公式(3)，根据估计信元

和的

从而计算出X_m。

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