CN110932766B - 一种用于降低射频切换次数的多载波空间调制传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于降低射频切换次数的多载波空间调制传输方法。本发明通过利用CSI信息进行发射天线选择和预编码，提高了系统误码率性能，在系统多射频结构下，可通过预先设定发射天线子集并只对其配备射频链，达到缩减射频链的目的。此外，在系统单射频结构下，利用CSI信息在OFDM符号周期内选择出一根最优的发射天线并固定射频链，可提高系统误码率性能，并降低射频链的切换频率。最后，可以通过预先将射频链固定在某根发射天线上，彻底解决了射频链的切换问题。

Description

一种用于降低射频切换次数的多载波空间调制传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于降低射频切换次数的多载波空间调制传输方法。

背景技术

随着移动互联网应用需求的日益增长，对无线通信的传输性能提出了更高的要求。大规模MIMO技术通过在基站部署大量天线来获得更大的空间自由度，从而极大提升了系统容量和频谱效率。然而在发射端配置大规模天线会使得收发端设计复杂度增高，且所需配置大量射频链，导致系统实现成本昂贵。空间调制(Spatial modulation，SM)技术利用空间自由度和幅度相位调制来传递信息，是一种低成本、低复杂度的单射频链路技术。将SM与MIMO结合，由于每一传输周期只激活一根发射天线进行数据传输，将避免MIMO信道间的干扰，且不再要求发送端天线同步。此外，在SM-MIMO系统中，发射端只需配备单条射频链，这将大大降低系统实现复杂度和成本。然而，SM-MIMO系统的单射频链结构导致发射天线和射频链之间需要进行频繁的切换，而切换是由每个时隙输入信息控制的，这将导致SM-OFDM的传输速率受到射频链切换的限制。为解决这一问题，已有文献提出一种基于天线偏移的空间调制(Offset Spatial Modulation，OSM)技术，其通过预编码技术将射频链偏移到特定发射天线上，从而解决射频链和发射天线之间频繁切换问题，并且有效提升了SM-MIMO系统的误码率性能。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术以其频谱利用率高、抗多径干扰、实现成本低等优点，在宽带移动通信中得到了广泛的应用。考虑到SM和OFDM技术的优点，它们的结合在未来的无线通信中有着巨大的潜力。然而，SM-OFDM技术通常要求每个发射天线配有单独的射频链，这导致了巨大的成本和能源消耗。因此，SM-OFDM不适用于实际的大规模MIMO系统，特别是在子载波数较大的情况下。这一问题将限制SM-OFDM系统的实际应用。

发明内容

本发明基于缩减SM-OFDM系统射频链和降低射频链切换频率的目的，提出一种基于CSI预编码的新型天线偏移空间调制OFDM(OSM-OFDM)方案。本发明通过利用CSI信息进行发射天线选择和预编码，提高了系统误码率性能，在系统多射频结构下，可通过预先设定发射天线子集并只对其配备射频链，达到缩减射频链的目的。此外，在系统单射频结构下，利用CSI信息在OFDM符号周期内选择出一根最优的发射天线并固定射频链，可提高系统误码率性能，并降低射频链的切换频率。最后，可以通过预先将射频链固定在某根发射天线上，彻底解决射频链切换问题。

本发明的技术方案是：

假设OSM-OFDM系统有N个子载波，N_t根发射天线，以及一根接收天线，并采用i.i.d信道，系统模型框图如图1和图2所示。系统具体实现过程包括以下步骤：

发送端：

a.设置系统的射频结构类型：类型一为多射频结构，此时假设从N_t根发射天线中预先选定l根发射天线进行信号传输，则将只需配备l根射频链即可；类型二为单射频结构，此时所有信息将通过一根发射天线进行传输。

b.划分信息比特流：将信息比特流划分为索引比特和调制比特，其中索引比特用于选择每个子载波上所激活的发射天线，调制比特经过M-QAM调制被映射成星座点符号在激活天线子载波上进行传输。对于每个子载波，索引比特长度为b₁＝log₂(N_t)，调制比特长度为b₂＝log₂(M)。

c.进行传统空间调制：对每个子载波上的APM符号进行传统空间调制。若第n个子载波上符号X_i ⁿ根据索引比特将由发射天线i进行传输，则该子载波上发射信号可表示为

d.选择射频结构类型和偏移天线：确定系统的射频链结构类型，并根据CSI信息选择最优发射天线。

d1.若步骤a设置的系统射频结构为多射频，射频链个数为l，确定偏移发射天线集合为Φ＝{1,2,…,l}，其中l∈{1,2,…,N_t}。则每个子载波根据其相应的CSI信息

选择出

最大时所对应的发射天线，即：

其中，

表示第n个子载波上第k根发射天线与接收天线之间所对应的信道频率响应，k∈Φ，jⁿ表示第n个子载波所选择的最优发射天线。最大化

可提高接收信号的信噪比，从而优化系统的BER性能。

d2.若步骤a设置的系统射频结构为单射频，则联合所有子载波上的信道信息，选择同一发射天线下所有子载波的

的乘积最大的天线为最优发射天线，即：

其中，

表示第n个子载波上第k根天线与接收天线之间所对应的信道频率响应，k∈Ψ，Ψ为发射天线集合且Ψ∈{1,2,…,N_t}。射频链将在这一OFDM符号周期内固定在第j根发射天线上，并随着信道信息的改变进行射频链切换。若要使射频链固定不再切换，此时将不再利用CSI信息进行天线选择，只需提前将射频链固定在某一根发射天线上，所有OFDM符号均只从这根天线上发送出去。

e.进行预编码和子载波映射：为使接收端能够正确检测并恢复数据，需对每个子载波上的待发送符号

进行预编码处理：

则预编码后的发送信号可表示为：

其中

是发送信号功率归一化系数，

可视为发送信号的预编码系数。iⁿ为步骤c中第n个子载波上索引比特所映射的发射天线，jⁿ为步骤d所选出的第n个子载波上的偏移天线。每个子载波根据所选偏移天线进行子载波映射，即可得到所选发射天线上的待发送符号向量。

f.频域-时域变换：将得到的信号依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后通过所选偏移天线发射出去。

接收端：

当传输信号从所选发射天线发射并经历衰落信道后，接收端收到信号后进行去循环前缀和FFT操作，第n个子载波上的频域接收信号可表示为：

W_n服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布。接收信号Y_n可进一步表示为：

接收端采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的传统空间调制信号模式，检测出第n个子载波上的原始信息。即：

其中空间调制信号模式集合Λ＝{1,2,…,N_tM}，X_n,k为总数为N_tM的空间调制信号模式中的第k个信号模式。

本发明的有益效果为：相比于传统SM-OFDM，本发明利用CSI信息进行预编码，提高了系统的误码率性能。同时可以在不降低频谱效率的情况下缩减射频链个数，甚至可以保持系统单射频链的结构，以及完全解决单射频链路时的射频链切换问题。

附图说明

图1为本发明提出的一种新型空间调制OFDM技术的多射频系统模型图；

图2为本发明提出的一种新型空间调制OFDM技术的单射频系统模型图；

图3为实施例中本发明所提系统单射频和多射频配置下的误码率性能对比仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

实施例：

假设OSM-OFDM系统有N＝16个子载波，N_t＝4根发射天线，以及一根接收天线。所述方法包括以下步骤：

发送端：

a.设置系统的射频结构类型：类型一为多射频结构，此时假设从N_t＝4根发射天线中预先选定l＝2根发射天线进行信号传输，则系统将只需配备两根独立的射频链即可；类型二为单射频结构，此时所有信息将通过一根发射天线进行传输。

b.划分信息比特流：将信息比特流划分为索引比特和调制比特，其中索引比特用于选择每个子载波上所激活的发射天线，调制比特经过QPSK调制(M＝4)被映射成星座点符号并在激活天线子载波上进行传输。对于每个子载波，索引比特长度为b₁＝log₂(N_t)＝2，调制比特长度为b₂＝log₂(M)＝2。

c.进行传统空间调制：对每个子载波上的APM符号进行传统空间调制。若第n个子载波上符号

根据索引比特将由发射天线i进行传输，则该子载波上发射信号可表示为

d.选择射频结构类型和偏移天线：确定系统的射频结构类型，并根据CSI信息选择最优发射天线。

d1.若步骤a设置的系统射频结构为多射频，射频链个数为l＝2，确定偏移发射天线集合为Φ＝{1,2}。则每个子载波根据其相应的CSI信息

采用

的天线选择准则，选择

和

中模最大的元素所对应的发射天线1或2。

d2.若步骤a设置的系统射频结构为单射频，则联合所有子载波上的信道信息，根据

的最优天线选择准则，从N_t＝4根发射天线中选出最优的一根发射天线作为偏移天线，其中发射天线集合Ψ＝{1,2,3,4}。此时射频链将在这一OFDM符号周期内固定在第j根发射天线上，并随着信道信息的改变进行射频链切换。若要使射频链固定不再切换，则提前将射频链固定在第一根发射天线上，所有OFDM符号均只从这根天线上发送出去。

e.进行预编码和子载波映射：为使接收端能够正确检测并恢复数据，需对每个子载波上的待发送符号

进行预编码处理：

且

iⁿ为步骤c中第n个子载波上索引比特所映射的发射天线，jⁿ为步骤d所选出的第n个子载波上的偏移天线。每个子载波根据所选偏移天线进行子载波映射，即可得到所选发射天线上的待发送符号向量。

f.频域-时域变换：将得到的信号依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后通过所选偏移天线发送出去。

接收端：

当信号从发射天线发射并经历衰落信号后，接收端对接收信号后进行去循环前缀和FFT操作，并采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的传统空间调制信号模式，检测出第n个子载波上的原始信息。即：

其中空间调制信号模式集合Λ＝{1,2,…,N_tM}，X_n,k为总数为N_tM的空间调制信号模式中的第k个信号模式。

在实施例所设参数N＝16，N_t＝4，QPSK调制下，若设置系统为多射频结构，选定前两根天线为偏移天线集合，并分别为其配备单独的射频链，由图3的仿真结果可以看出，相比于传统的SM-OFDM系统，本发明所提系统多射频结构能在相同频谱效率下，缩减一半的射频链，且当误码率为10^-2时，能提供大约2.4dB的性能增益。若设置系统为单射频结构，本发明所提系统能保持单射频结构，且在一个OFDM周期内射频链不用切换，由仿真结果可见，利用CSI信息进行最优天线选择，可达到和传统SM-OFDM相近的误码性能。若直接预先将射频链固定在第一根天线，相比于传统SM-OFDM，系统误码率会降低，但能保持单射频结构且完全避免了射频链的切换问题。

Claims (1)

1.一种用于降低射频切换次数的多载波空间调制传输方法，定义OSM-OFDM系统有N个子载波，N_t根发射天线，以及1根接收天线，经历独立同分布的瑞利衰落信道；所述传输方法包括：

发送端：

a.设置系统的射频结构类型：将系统分别定义为多射频结构和单射频结构，即，多射频结构为从N_t根发射天线中预先选定l根发射天线进行信号传输，需配备l根射频链；单射频结构为所有信息将通过1根发射天线进行传输；

b.划分信息比特流：将信息比特流划分为索引比特和调制比特，其中索引比特用于选择每个子载波上所激活的发射天线，调制比特经过M-QAM调制被映射成星座点符号在激活天线子载波上进行传输，对于每个子载波，索引比特长度为b₁＝log₂(N_t)，调制比特长度为b₂＝log₂(M)；

c.进行空间调制：对每个子载波上的APM符号进行空间调制，若第n个子载波上符号

根据索引比特将由发射天线i进行传输，则该子载波上发射信号表示为

d.选择偏移天线：根据步骤a设置的射频结构类型，并根据CSI信息选择发射天线，若为多射频结构，进入步骤d1，若为单射频结构，进入步骤d2；

d1.根据射频链个数l，确定偏移发射天线集合为Φ＝{1,2,…,l}，其中l∈{1,2,…,N_t}；每个子载波根据其相应的CSI信息

选择出

最大时所对应的发射天线，即：

其中，

表示第n个子载波上第k根发射天线与接收天线之间所对应的信道频率响应，k∈Φ，jⁿ表示第n个子载波所选择的最优发射天线；进入步骤e；

d2.联合所有子载波上的信道信息，选择同一发射天线下所有子载波的

的乘积最大的天线为最优发射天线，即：

其中，

表示第n个子载波上第k根发射天线与接收天线之间所对应的信道频率响应，k∈Ψ，Ψ为发射天线集合，且Ψ∈{1,2,…,N_t}，射频链将在这一OFDM符号周期内固定在第j根发射天线上，并随着信道信息的改变进行射频链切换；

e.进行预编码和子载波映射：对每个子载波上的待发送符号

进行预编码处理：

则预编码后的发送信号表示为：

其中

是发送信号功率归一化系数，

为发送信号的预编码系数，iⁿ为步骤c中第n个子载波上索引比特所映射的发射天线，jⁿ为步骤d所选出的第n个子载波上的偏移天线；每个子载波根据所选偏移天线进行子载波映射，即可得到所选发射天线上的待发送符号向量；

f.频域-时域变换：将得到的信号依次进行串并转换、IFFT、并串转换和加循环前缀操作后通过所选偏移天线发射出去；

接收端：

接收端收到信号后进行去循环前缀和FFT操作，第n个子载波上的频域接收信号表示为：

W_n服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布；接收信号Y_n进一步表示为：

接收端采用ML检测来恢复原始数据，通过遍历所有可能的空间调制信号模式，检测出第n个子载波上的原始信息，即：

其中，Λ表示空间调制信号模式集合，Λ＝{1,2,…,N_tM}，X_n,k为总数为N_tM的空间调制信号模式中的第k个信号模式。

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