CN111163026A - 用于空间调制多天线系统的导频放置与信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种用于空间调制多天线系统的导频放置与信道估计方法。本发明首先采用设定的导频和数据配置方式，然后根据BCJR算法检测出信道和数据。在此导频配置方案下，使用不同能量分配的导频叠加在调制信号后通过同一天线、同一时刻进行发送，在降低导频传输的资源消耗的同时，通过高效信道估计算法保证系统的信道估计性能。本发明通过叠加导频实现了全天线全时隙的信道估计，并基于最优信道估计信息进行空间调制信号检测，提供了新的高效导频传输方法及相应的信道估计与数据检测方法，提高了信道估计在快衰落信道下的性能。

Description

用于空间调制多天线系统的导频放置与信道估计方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体涉及一种用于空间调制多天线系统的导频放置与信道估计方法。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation,SM)技术是一种多天线无线通信领域的基于索引调制的多天线传输技术，其本质是利用发送天线本身携带信息来增加系统频谱效率。此外，由于SM系统对每次传输信息时，发送端每次仅有一根天线被激活发送符号，进行信息传输，同时利用激活天线的序号携带部分信息，提高空间调制系统的频谱效率。空间调制由于其任何时刻只有一个天线工作的特性，消除了MIMO会有的信道间干扰和多射频链路成本问题，而且由于无源天线也用来传递信息，使得空间调制有更高的能量效率；SM对接收端的天线数目没有任何要求。因此在未来可见光通信和大规模MIMO通信中具有良好的应用前景。

随着人们对通信业务的需求日益增长，移动通信系统不断在数据速率和系统容量方面取得突破。然而，昂贵的频谱资源限制了通信数据速率的进一步提高。如何突破频谱利用率的瓶颈，提高系统的传输速率和系统容量，是当前通信系统亟须解决的问题。

发明内容

本发明基于提高系统性能的目的，提出一种用于空间调制多天线系统的数据与导频配置方法及其信道估计方法。该方法通过使用不同能量分配的导频叠加在调制信号后通过同一天线、同一时刻进行发送，在降低导频传输的资源消耗的同时，通过高效信道估计算法保证系统的信道估计性能。

为了便于理解，对空间调制系统进行以下定义：

对于一个N_T×N_R的空间调制系统，N_T是发送天线的数量，N_R是接收端天线的数量，在空间调制的信息以空间星座和符号星座两种方式传输，其中，空间星座的大小等于发射端天线的数目，因此要求发射端天线的数量必须是2ⁿ的形式，而符号星座大小为M，因此空间调制中传输比特率可以表示为Rate＝log₂(N_T×M)＝log₂N_T+log₂M，采用M-PAM(Phase andamplitude modulation)调制，第一部分表示激活天线的序号，第二部分表示在激活天线上发送的M-PAM调制符号。

本发明的技术方案是：

用于空间调制多天线系统的导频放置与信道估计方法，包括：

步骤1.产生信息比特流：对于任意一个子块，信息比特由天线选择比特和调制信息比特组成，天线选择比特用于选择所激活的第j根天线(j∈[1,N_T])，调制信息比特用于在所激活的天线上发送调制数据。天线选择比特长度为：n₁＝log₂N_T，调制信息比特长度为：n₂＝log₂M；对于进行M-PAM调制的SM系统而言，天线选择比特共有m₁＝n₁位，调制信息比特共有m₂＝n₂位，一帧总的比特数为m＝m₁+m₂；因此，一帧数据被分成两组，第一组为天线选择比特，用于选择数据激活天线发送星座点符号，第二组为调制信息比特，经过M-PAM调制得到要发送的星座点符号；

步骤2.数据叠加导频序列：

设导频序列长度为L，空间调制后的调制数据变量为

平均功率为E_d，其中

([·]^T表示矩阵的转置)，且

中包括(N_T-1)个0元素。导频矩阵为

其中天线j对应的导频序列为

导频序列平均功率为

且满足

令导频叠加数据信号为D＝[D_l,…D_l,…D_L]，其中

则根据不同能量分配的调制序列和导频数据的叠加，得到D＝X_d+P。具体而言，在时刻l∈{1,…L}，天线j∈{1,…N_T}，若天线j为激活状态，则发送数据和导频的叠加；若该天线未激活，则发送导频数据，即第l时刻第j根天线的发送数据为

步骤3.定义K＝N_T个时隙的联合预编码矩阵为

其中θ表示非零相位，则W_k为W的第k列，

对K＝N_T个时隙的发射符号进行空时预编码：使用W进行空时预编码，表示为

(D为传输矩阵)，具体如下

其中D_j,k第k个时刻步骤2中第j根天线上发送的数据,

表示矩阵A和B间的点积运算。

步骤4.将步骤3得到的发送符号向量

得到的SM符号，发送出去。

步骤5.进行BCJR信道估计与数据联合检测，设已知初始信道估计信息为

接收信号为y，y_k为第k个时刻的接收信号,定义k时刻的前向状态为和后向状态分别为S_n和S_p，其中

即状态数为

(M为符号星座大小，N_T为发送天线数)。定义递归因子为v，

初始化：

分别计算k时刻的前向因子α，后向因子β和增量指标γ：

其中Z代表k时刻与前向状态S_n连接的状态集合，集合大小为

其中Q代表k时刻与后向状态S_p连接的状态集合，集合大小为

w_k为预编码矩阵W的第k列，N_o为噪声功率谱密度，

表示由k-1时刻状态S_ω到k时刻状态S_n对应的维度为N_T×1的调制数据叠加导频的备选信号列向量，为

u_k为待选的发送星座图，ρ_k为

由于发端采用导频与数据叠加方式，因此此处采用导频和转移状态对应调制信息进行信道估计，

的具体计算方式如下

R_HH为信道相关矩阵，φ＝E{X(k)}²·E{1/X(k)}²，

(

为噪声方差)；其中

为从k-v时刻状态S_u到k时刻状态S_n，维度为N_T×1的调制数据叠加导频的备选信号列向量，

u_k为待选的发送星座图，ρ_k为

I_N为单位矩阵。

计算比特软信息：

1)第k时刻的第i根天线的激活比特软信息为

和

分别代表激活第i根天线的状态集合和未激活第i根天线的状态集合

2)第k时刻的第i根天线的调制比特软信息为

和

分别代表第i根天线上发送1的状态集合和第i根天线上发送0的状态集合

判决并进行串并转换：根据获得的软信息

和

判决恢复出信息比特，

使用公式

然后进行串并转换得到了原始数据。

与传统技术相比，本发明的技术方案中在激活天线与未激活天线上均进行全时隙全天线放置导频序列，形成调制符号与导频叠加的发送数据结构，利用检测数据与导频进行信道估计，目的是为了提高信道估计准确性，提升跟踪信道的性能。相应的处理方法是在全时隙全天线放置叠加导频序列，采用导频和转移状态对应调制信息进行信道估计。

本发明通过叠加导频实现了全天线全时隙的信道估计，并基于最优信道估计信息进行空间调制信号检测，提供了新的高效导频传输方法及相应的信道估计与数据检测方法，提高了信道估计在快衰落信道下的性能。

附图说明

图1为SM空间调制系统的框图；

图2为实施例的叠加导频原理图示意。

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：

本发明以现有的SM系统为基础增加叠加导频来联合进行信道估计与数据检测

实施例：

下面以发送天线和接收天线数均为2，调制符号采用BPSK，记忆深度v＝2的SM系统为例介绍本发明的具体实施方式。

如图1所示的空间调制原理图，具体实施过程大致分为如下几步：

步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定发射天线数N_T为2，接收天线数N_R为2，每个时刻选择激活一根天线，调制阶数M＝2。然后根据公式计算出一帧的比特数量。对于其中任意一个时刻，天线选择比特长度为：p₁＝log₂(N_t)＝1，调制信息比特长度为：p₂＝log₂M＝1，；利用数据激活天线来发送BPSK调制符号，对于2发2收的SM系统而言，一个时刻总的比特数m＝m₁+m₂＝2。随机产生长度χ＝4的二进制比特流，并将此比特流分成两组，第一组为天线选择比特，用于选择激活的天线，第二组为调制信息比特x，用于在激活天线上发送调制信息。对于发送天线为2的BPSK空间调制系统‘00’选择天线1，并发送-1。‘01’选择天线1，并发送1。‘10’选择天线2，并发送-1，‘11’选择天线2，并发送1。

示例：信息数据为[0 0 1 0],则天线选择比特为[0 1]，代表第一个时隙激活第一根天线，第二个时隙激活第二根天线，待用调制信息比特为[0 0]，调制后为x＝[-1-1]。则天线1的发送数据是[-1 0]，天线2的发送数据是[0 -1]。

步骤2：叠加导频序列，设置调制数据的能量与叠加导频的能量比为E_d:E_p＝0.9:0.1，在本实施方式中，对于空间调制系统，数据和导频的发送功率在平均归一化后满足E_d+E_p/N_T＝1，结合E_d/E_P＝0.9:0.1，计算出

在步骤1的示例信息数据条件下，产生天线1和天线2上的导频序列分别为p₁＝[1，-1]，p₂＝[-1，1]，并叠加在发送的空间调制的发送符号上，则

叠加导频的原理如图2所示。

步骤3：对步骤2之后的发送数据流D进行空时预编码，使用预编码矩阵

即

得到最终的发射向量

步骤4：过信道。将步骤3得到的

符号先通过瑞利信道，再通过高斯信道，到达接收端。

步骤5：接收端处理。根据所接收到的接收信号，进行BCJR数据检测和信道估计联合操作，恢复出信息比特流。采取2发2收，记忆深度v＝2，BPSK调制的方式，状态数一共有

种，每个时刻的转移状态有

种。先初始化α,β,再根据γ逐时刻计算每个状态的α,β,在此过程中由

的计算公式进行计算

同时根据

保留每个状态对应的最优

最后由计算到的结果联合计算

然后将得到的

判决成为0，1比特流，判决标准为

然后将判决出的信息流进行串并转换。至此得到了发送的比特。

本发明中的方法在N_T＝2,N_R＝2、调制阶数M＝2时，每时刻传输的平均比特数为2比特。在接收端使用BCJR联合检测数据和信道估计可以很好的跟踪信道特性，本发明中的叠加导频方法可以有效地提高系统的性能。

Claims (1)

1.用于空间调制多天线系统的导频放置与信道估计方法，定义空间调制多天线系统中包括N_T根发射天线，N_R根接收天线，空间调制的信息以空间星座和符号星座两种方式传输，其中，空间星座的大小等于发射天线的数目，即发射端天线的数量是2ⁿ的形式，符号星座大小为M，空间调制中传输比特率表示为Rate＝log₂ N_T+log₂M，采用M-PAM调制，第一部分表示激活天线的序号，第二部分表示在激活天线上发送的M-PAM调制符号；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、产生信息比特流：信息比特由天线选择比特和调制信息比特组成，天线选择比特用于选择所激活的第j根天线，调制信息比特用于在所激活的天线上发送调制数据；天线选择比特长度为：n₁＝log₂ N_T，调制信息比特长度为：n₂＝log₂M，即一帧总的比特数为m＝n₁+n₂；

S2、数据叠加导频序列：设导频序列长度为L，空间调制后的调制数据变量为

平均功率为

E_d为调制符号的能量，其中

且

中包括(N_T-1)个0元素，[·]^T表示矩阵的转置，导频矩阵为

其中天线j对应的导频序列为

导频序列平均功率为

为导频符号的能量，且满足

令导频叠加数据信号为D＝[D_l,…D_l,…D_L]，其中

则根据不同能量分配的调制序列和导频数据的叠加，得到D＝X_d+P，即在时刻l∈{1,…L}，天线j∈{1,…N_T}，若天线j为激活状态，则发送数据和导频的叠加；若该天线未激活，则发送导频数据，即第l时刻第j根天线的发送数据为

S3、定义K＝N_T个时隙的联合预编码矩阵为

其中θ表示非零相位，则W_k为W的第k列；

对发射符号进行空时预编码：

使用W进行空时预编码，表示为

具体如下

其中D_j,k为第k个时刻步骤2中第j根天线上发送的数据,

表示矩阵A和B间的点积运算；

S4、发射端将步骤S3得到的发送符号向量

发送出去；

S5、由于发射端采用导频与数据叠加的方式，因此采用导频和转移状态对应调制信息进行信道

的估计：

R_HH为信道相关矩阵，φ＝E{X(k)}²·E{1/X(k)}²，

为噪声方差，

u_k为待选的发送星座图，ρ_k为

I_N为单位矩阵。

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