CN111277306B - 一种高速环境下mimo-fsk空分复用检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MIMO通信中采用FSK非相干平方率检测实现空分复用的方法，采用多发射天线和多接收天线构成的，包括发送端和接收端的MIMO系统，利用由两个正交信号组成的FSK调制，通过非相干FSK检测，通过系统等效处理，将系统等效为信号通过实信道，实现非相干MIMO通信系统。本发明方法适用于高速移动（高铁，低空通信）环境的高容量无线通信，在保证通信质量的条件下成倍提高信道容量，解决具有多普勒频移和多普勒扩展下的多天线通信问题。

Description

一种高速环境下MIMO-FSK空分复用检测方法
技术领域
本发明涉及高速环境下多天线通信技术，具体是一种MIMO通信中采用FSK平方率检测实现空分复用的方法。
背景技术
MIMO无线通信是第四代和第五代移动通信的关键技术之一，采用空间复用或分集的思想，结合已有的调制方式可以进一步提高通信系统传输效率，如FSK(频移键控信号)和OFDM(正交频分复用)。MIMO系统可以分为相干检测MIMO系统和非相干MIMO系统。采用相干检测的MIMO系统需要知道精确、实时的信道状态信息(Channel State Information简称CSI)，但是随着收发双方天线数目增加，信道估计和均衡的复杂度和开销也会随之增加。在快衰落、高速移动等复杂通信环境中，为避免精确的信道估计、和相偏、频偏补偿等算法对硬件系统的较高要求和大功耗，常采用非相干检测方法。非相干检测复杂度较低，对多普勒频偏以及随机相位干扰不敏感，在快衰落、高速移动等复杂通信环境非相干MIMO系统更具优势。
当前多天线非相干通信系统中，非相干MIMO通信技术主要应用于高信噪比(SNR)环境，并且试图通过不依赖信道信息实现空分分集、空分复用以提高系统容量。当前非相干MIMO通信技术中，通过设计特殊的信号星座，可以在未知信道信息的条件下实现多天线信号检测，码本设计利用MIMO信道特性并考虑正交子空间来区分接收机侧的符号。但这类方法当前仍停留在理论研究，尚不足以实用化。通过设计空时编码实现差分非相干检测，从而降低对信道信息的依赖性也是非相干MIMO研究的途径之一，但主要以实现空间分集增益为主。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，并且对信号SNR 要求较高，星座设计复杂度高，码本、空时编码、算法性能严重受限于MIMO信道的相关特性。其次，快衰落引起信道相干时间变短严重影响非相干MIMO的解码性能。
申请人的CN110113281A一种MIMO通信中多进制FSK非相干检测实现空分复用的方法，该方法中MFSK信号仅采用了平方率检测，MIMO信道等效为具有更高维度的MIMO信道模型，这样检测复杂度会有增加，但可以通过似然算法进行求解，且支持MIMO下多进制 FSK信号的解调。优势在于具有非相干平方率检测对衰落环境的适应性，且MFSK应用普适性强，调制效率较高；缺点是MIMO-MFSK检测复杂度需要采用似然检测，且等效维度较高，算法复杂度高。
申请人的CN108768478A一种非相干的MIMO通信系统及通信方法，该方法是基于调频连续波(FMCW)信号是一种扩频信号，它进行正负斜率线性调频BOK调制和检测。该通信系统的优势是利用扩频FMCW信号抗干扰能力强，MIMO空分复用后可以弥补调制效率的不足。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，而提供一种MIMO通信中采用FSK非相干平方率检测实现空分复用的方法。该方法适用于高速移动(高铁，低空通信)环境的高容量无线通信，在保证通信质量的条件下成倍提高信道容量，解决具有多普勒频移和多普勒扩展下的多天线通信问题。
实现本发明目的的技术方案是：
一种高速环境下MIMO-FSK空分复用检测方法，采用多发射天线和多接收天线构成的，包括发送端和接收端的MIMO系统，数据在发送端首先经过V-BLAST编码，然后在多天线上分别采用二元正交信号组成的FSK调制，调制的信号通过无线信道发送到接收端；
调制的数据包括训练序列s0(t)和数据序列snw(t)，其中训练序列采用常用的Hadamard 矩阵编码方案，第n根发送天线的第w个FSK调制信号可表示为：
snw(t)＝(1-cnw)s1(t)+cnws2(t)
其中s1(t)＝cos(w1t)，s2(t)＝cos(w2t)；或者
Figure BDA0002376596240000023
cnw＝{0，1}表示第n根发送天线的第w个码元，cnw＝0用s1(t)表示，cnw＝1用 s2(t)表示；
无线信道在高铁、地空通信环境中是典型的莱斯信道，对于一个N发M收的MIMO 系统，远场环境下调制的信号通过无线信道，各天线具有近似的多普勒频移，可得无线信道的衰落模型矩阵为：
Figure BDA0002376596240000021
其中
Figure BDA0002376596240000022
表示多普勒引起的随机相位旋转，接收端的接收信号表示为Y＝HS+N，其中，Y表示接收信号矩阵，S表示发送信号矩阵，N表示噪声矩阵。
检测方法包括如下步骤：
1)各天线对接收信号做FSK非相干平方率检测：
接收端收到信号后，在第m根接收天线上的第w个接收信号表示为：
Figure BDA0002376596240000031
Ymw表示对ymw(t)的非相干FSK检测：
Figure BDA0002376596240000032
经过运算，Ymw具有如下形式：
Figure BDA0002376596240000033
2)系统等效处理：
因为当ciw＝cjw时，ciw+cjw-1＝2cnw-1；当ciw≠cjw时， ciw+cjw-1＝0，所以将步骤1)中的Ymw等效为：
Figure BDA0002376596240000034
其中与原信道矩阵同维度的等效信道矩阵为：
Figure BDA0002376596240000035
等效的输入
Figure BDA0002376596240000036
信号为：
Figure BDA0002376596240000037
3)信道估计：通过步骤2)的等效处理，得到导频序列对应随相检测结果的
Figure BDA0002376596240000038
和等效信号
Figure BDA0002376596240000039
采用与常规MIMO信道估计算法一样的最小二乘法信道估计算法，估计等效信道矩阵
Figure BDA00023765962400000310
4)信号解调：通过步骤3)估计出等效信道矩阵
Figure BDA00023765962400000311
通过步骤2)得到数据的随相检测输出
Figure BDA0002376596240000041
通过MIMO系统中的常规V-BLAST解码算法，例如迫零检测或者最大似然检测方法等，获得等效信号估计
Figure BDA0002376596240000042
根据
Figure BDA0002376596240000043
计算出cnw。
本发明方法的优点：
1.本发明方法，通过将有两个正交信号组成的FSK调制引入MIMO系统，采用非相干FSK平方率检测，从而在实现多天线空分复用的同时，非相干FSK平方率检测对信号的随机相位变化不敏感，从而能够在高速移动、存在频差的衰落环境中获得较好的通信性能。
2.由于引入非相干FSK平方率检测，通过系统等效处理，将MIMO系统等效为信号通过实信道，解调过程都是实数处理过程，从而降低了实际信道的信道估计和信道均衡复杂度。
3.对于新的实MIMO信道模型，已有的MIMO信道估计和信道均衡方法依然适用。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的详细说明，但不是对本发明的限定。
实施例
参照图1，一种高速环境下MIMO-FSK空分复用检测方法，采用多发射天线和多接收天线构成的，包括发送端和接收端的MIMO系统，数据在发送端首先经过V-BLAST编码，然后在多天线上分别采用二元正交信号组成的FSK调制，调制的信号通过无线信道发送到接收端；
调制的数据包括训练序列s0(t)和数据序列snw(t)，其中训练序列采用常用的Hadamard 矩阵编码方案，第n根发送天线的第w个FSK调制信号可表示为：
snw(t)＝(1-cnw)s1(t)+cnws2(t)
其中s1(t)＝cos(w1t)，s2(t)＝cos(w2t)；或者
Figure BDA0002376596240000044
cnw＝{0，1}表示第n根发送天线的第w个码元，cnw＝0用s1(t)表示，cnw＝1用 s2(t)表示；
无线信道在高铁、地空通信环境中是典型的莱斯信道，对于一个N发M收的MIMO 系统，远场环境下调制的信号通过无线信道，各天线具有近似的多普勒频移，可得无线信道的衰落模型矩阵为：
Figure BDA0002376596240000051
其中
Figure BDA0002376596240000052
表示多普勒引起的随机相位旋转，接收端的接收信号表示为Y＝HS+N，其中，Y表示接收信号矩阵，S表示发送信号矩阵，N表示噪声矩阵。
检测方法包括如下步骤：
1)各天线对接收信号做FSK非相干平方率检测：接收端收到信号后，在第m根接收天线上的第w个接收信号表示为：
Figure BDA0002376596240000053
各天线对接收信号做FSK非相干平方率检测，如图1中②－①所示，Ymw表示对ymw(t)的非相干FSK检测：
Figure BDA0002376596240000054
经过运算，Ymw具有如下形式：
Figure BDA0002376596240000055
2)系统等效处理：
因为当ciw＝cjw时，ciw+cjw-1＝2cnw-1；当
Figure BDA0002376596240000056
时， ciw+cjw-1＝0，所以将步骤1)中的Ymw等效为：
Figure BDA0002376596240000057
其中与原信道矩阵同维度的等效信道矩阵为：
Figure BDA0002376596240000058
等效的输入
Figure BDA0002376596240000061
信号为：
Figure BDA0002376596240000062
3)信道估计：通过步骤2)的等效处理，得到导频序列对应随相检测结果的
Figure BDA0002376596240000063
和等效信号
Figure BDA0002376596240000064
采用与常规MIMO信道估计算法一样的最小二乘法信道估计算法，估计等效信道矩阵
Figure BDA0002376596240000065
4)信号解调：通过步骤3)估计出等效信道矩阵
Figure BDA0002376596240000066
通过步骤2)得到数据的随相检测输出
Figure BDA0002376596240000067
通过MIMO系统中的常规V-BLAST解码算法，例如迫零检测或者最大似然检测方法等，获得等效信号估计
Figure BDA0002376596240000068
根据
Figure BDA0002376596240000069
计算出cnw。
本发明方法中，MIMO-FSK接收信号经过2FSK的非相干检测后，会使IMO-FSK信道等效为相同维度的线性模型，从而可以采用常规MIMO线性信号检测算法。本发明仅针对2FSK二元信号，更高阶MFSK信号在本发明的检测处理方法中无法适用。CN110113281A可处理MFSK信号的空分复用，但运算复杂度要比本发明对2FSK的处理复杂。

Claims (1)

1.一种高速环境下MIMO-FSK空分复用检测方法，采用多发射天线和多接收天线构成的，包括发送端和接收端的MIMO系统，其特征在于，数据在发送端首先经过V-BLAST编码，然后在多天线上分别采用二元正交信号组成的FSK调制，调制的信号通过无线信道发送到接收端；
检测方法包括如下步骤：
1)各天线对接收信号做FSK非相干平方率检测：
接收端的接收信号表示为Y＝HS+N，其中，Y表示接收信号矩阵，S表示发送信号矩阵，N表示噪声矩阵；接收端收到信号后，在第m根接收天线上的第w个接收信号表示为：
Figure FDA0002376596230000011
Ymw表示对ymw(t)的非相干FSK检测：
Figure FDA0002376596230000012
经过运算，Ymw具有如下形式：
Figure FDA0002376596230000013
2)系统等效处理：
因为当ciw＝cjw时，ciw+cjw-1＝2cnw-1；当ciw≠ciw时，ciw+cjw-1＝0，所以将步骤1)中的Ymw等效为：
Figure FDA0002376596230000014
其中与原信道矩阵同维度的等效信道矩阵为：
Figure FDA0002376596230000021
等效的输入
Figure FDA0002376596230000022
信号为：
Figure FDA0002376596230000023
3)信道估计：
通过步骤2)的等效处理，得到导频序列对应随相检测结果的
Figure FDA0002376596230000024
和等效信号
Figure FDA0002376596230000025
采用与常规MIMO信道估计算法一样的最小二乘法信道估计算法，估计等效信道矩阵
Figure FDA0002376596230000026
4)信号解调：
通过步骤3)估计出等效信道矩阵
Figure FDA0002376596230000027
通过步骤2)得到数据的随相检测输出
Figure FDA0002376596230000028
通过MIMO系统中的常规V-BLAST解码算法，获得等效信号估计
Figure FDA0002376596230000029
根据
Figure FDA00023765962300000210
计算出cnw。
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