CN117395111A - Mimo-ofdm系统的子载波空间排列索引方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO‑OFDM系统的子载波空间排列索引方法。该方法将发射端信源比特分组，分别进行QAM调制和索引调制。经过索引调制的比特被映射为子载波空间排列矩阵，与经过QAM调制后的星座图相乘，再经过空时映射，得到每个发射天线的子载波要发送的数据。之后通过IDFT变化生成每根天线要发送的时域信号。在接收端通过对应的方式解调，得到子载波空间排列矩阵和QAM符号，在同子载波空间排列矩阵与索引比特的映射，串并转换得到源比特数据。本方法从空间资源的利用入手，可以提高频谱利用率，实现一定程度的接收分集，误码率和解调机复杂度均优于现有技术，使通信质量与频谱利用率达到一种平衡。

Description

MIMO-OFDM系统的子载波空间排列索引方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及基带调制中索引调制的数字信号处理方法，具体涉及一种MIMO-OFDM系统的子载波空间排列索引方法。

背景技术

5G无线网络的庞大用户数量将大幅增加能源消耗。因此，在设备间的通信、频谱共享、超密集网络、毫米波网络、物联网通信和多输入多输出(MIMO)系统等设计过程中，无线通信系统的高数据速率和高能效具有很高的优先级。MIMO技术的提出使得空间资源被更好的利用，在信道容量和误差性能方面有显著的改进，是下一代无线通信系统的基础。MIMO系统一方面增加了吞吐量和覆盖面积，另一方面，通过利用多信道能力提供容量和多样性增益。MIMO系统使得空间资源的利用成为现实，关键目标之一就是利用可区分的空间信息来提高数据传输速率与频谱利用率。传统的空时分组码(STBC)或垂直分层空时编码(V-BLAST)可以将分集和复用增益最大化，但对信道的要求非常苛刻，当信道条件无法满足时，存在严重的子载波间的干扰(ICI)。

空间调制(SM)技术是近年来出现的一种重要的MIMO技术。在SM方案中，为了获得丰富散射环境的空间分集，接收端和发射端都配置了多根天线，但在每个发射时隙中，发射端只激活了一根天线，从而消除了天线间同步问题，避免了信道间的干扰，大大降低了通信系统的复杂性。此外，在SM方案中，除了传输数据符号外，还使用发射机的有源天线指标来传递信息。这种方案可以使得数据速率随着发射天线的数量呈对数增长。而在多输入多输出正交频分复用技术(MIMO-OFDM)系统中，由于一个OFDM符号传输的数据远大于发射机有源天线指标携带的数据，所以在MIMO-OFDM系统中SM调制技术对数据传输速率的提升微乎其微，但发射机与接收机却变得相对复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种MIMO-OFDM系统的子载波空间排列索引方法，通过将OFDM信号的子载波按照天线的数量进行分组，并将每个分组中的子载波按照不同的排列方式分别在不同的天线发射，可以在不增加带宽的情况下提高数据传输速率，提高频带利用率。

一种用于MIMO-OFDM系统的新型空间索引调制的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在P×Q天线的MIMO-OFDM系统中，先将经过信道编码的源数据分成m组，其中且m为整数。将每组源数据中的个数据映射为QAM符号，则m组共得到N个子载波携带的QAM符号{s₁,s₂,…,s_N}，其中N_QAM为QAM调制指数。第i组子载波构成的初始空频排列数据块矩阵M_i为：

所述矩阵M_i的大小为P*P，其中i＝1,2,…m,s_n代表OFDM的第n个子载波携带的QAM数据，n＝1,2,…N。

步骤2、将第i组源数据中剩余部分的D_imb比特数据映射为子载波空间排列索引矩阵I_i，D_imb满足所述索引矩阵I_i的大小为P*P，由P个相互正交的单位向量构成，P个单位向量的每一种排列方式对应一个D_imb比特数据。

步骤3、将初始的空频数据块M_i与索引矩阵I_i相乘，得到携带索引信息的空频数据块矩阵X_i，索引矩阵I_i中单位向量的排列方式不同，不会改变子载波携带的QAM符号，只会改变子载波对应的发射天线。每个空频数据块X_i携带D_imb+N_QAM*P比特数据。将m个空频数据块矩阵按照子载波的正序进行拼接，得到P个天线的空频数据矩阵S＝[X₁X₂X₃…X_m]。

步骤4、依次对空频数据矩阵S的每一行进行IDFT计算，为了使IDFT的计算结果是纯实数，因此在进行IDFT计算前，需要将矩阵S每行构造为如公式(4)所示的共轭对称矩阵形式：

上式中表示第p根天线上第n个子载波携带的QAM符号。s*表示s的共轭。是一个大小为1×N_zp的全零矩阵。根据0的个数设置过采样率C，C＝N_DFT/(N_DFT-N_zp)，其中N_DFT为IDFT和DFT的计算长度，大的过采样率可以降低系统的误码率。经过IDFT计算之后可以得到第p个天线要发送的离散形式的OFDM实信号x_p：

其中，k＝0,1,2,…,N_DFT-1。S[p][n]表示空频数据矩阵S的第p行第n列的数据。p＝1,2,..,P。经过IDFT运算之后，将天线要发送的空频数据矩阵S映射成了空时矩阵块，x₁,x₂,…,x_P分别通过P根天线同时发出。

步骤5、将接收数据按照发射子载波分组的方式进行分组。接收端接收到信号之后先通过DFT进行OFDM解调转换到频域。在MIMO-OFDM系统中，假设有完美信道估计，且MIMO信道具有良好的散射环境，信道空间不相关，信道相干时间远大于空时块的持续时间，经过频率选择性衰落信道，传输系统模型为:

其中为接收天线q接收到的第n个子载波携带的信号。为发射天线p、接收天线q上第n个子载波对应的信道响应。是发射天线p第n个子载波携带的QAM信号。表示接收天线q第n个子载波的加性噪声。

根据空频数据矩阵S，每个子载波只存在于一根天线，即中仅有一个不为0。所以可以表示为:

其中表示由编号为t_n的天线发射的第n个子载波数据，[t₁t₂t₃…t_N]代表子载波空间排列索引信息，t_n∈[1,2,…,P]。表示接收天线q，编号为t_n的发射天线下，第n个子载波的信道响应。因为OFDM的N个子载波被分为m组，每组有P个子载波，将每一组子载波接收的数据看作一个向量：

表示接收天线q接收的第m个子载波分组中编号为t_p的发射天线的第p个子载波的信道响应。其中表示接收天线q接收的第m个分组的数据向量。为第m个子载波分组中的第p个子载波所携带的QAM符号。

步骤6、采用最大似然(ML)检测器对接收的m组子载波分组的数据向量进行天线和QAM符号检测：

其中为第m组子载波的数据向量携带的空间索引信息以及QAM符号。携带QAM数据的子载波由编号为的天线发射。

步骤7、对每组经过ML解调后的数据信息进行QAM反映射，天线索引信息解映射，最后经过数据排序之后得到还原的源比特流。

本发明具有以下有益效果：

针对MIMO-OFDM系统的发送端使用子载波分组空间排列的方法，使得每一根天线上所发射的OFDM子载波数量一致，通过合理的设置子载波的分组，可以有效提升频带利用率，使得MIMO-OFDM系统中数据速率随着发射天线的数量呈对数增长，还可以减小每一根发射天线上PAPR的大小。接收端可以通过最大似然(ML)解调器解调，得到发射天线索引和QAM数据。另外也可以使用MMSE均衡器进行噪声去除与信道均衡，避免了对系统传输可靠性的不利影响。

附图说明

图1基于子载波空间排列索引的MIMO-OFDM系统示意图；

图2实施例中丰富散射环境信道下不同天线组合的系统误码率结果；

图3实施例中弱散射环境信道下不同天线组合的系统误码率结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；

实施例1

本实施例假设信源编码后的24个原始二进制比特数据为{011110110100_110011011101}，使用4QAM调制，OFDM的子载波数量N＝8，发射天线数量P＝4，分组数量m＝2，则原始二进制比特数据被分为{10110100_11011101}与{0111_1100}，将其中{10110100_11011101}经过4QAM调制，被映射为两个初始空频排列数据块M₁,M₂：

{0111_1100}被映射为子载波空间排列索引矩阵I₁,I₂：

映射关系如表1所示：

表1

将初始的空频数据块M_i与索引矩阵I_i相乘，得到携带索引信息的空频数据块矩阵X_i：

每个空频数据块矩阵X_i携带12bit的数据。对[X₁X₂]按照子载波位置重新排列，得到天线要发送的空频数据矩阵S：

将矩阵S的每一行代表一根天线要发送的数据。接收端接收到信号之后可以通过最大似然估计估计出发射的空间排列索引矩阵I,与QAM调制数据M，再通过反映射得到原序列。

实施例2

在实施例中，MIMO-OFDM系统的源比特序列在经过信道编码、QAM映射、索引矩阵映射，空时映射后，对得到的每一根天线的信号构造共轭数列，经过IDFT计算后生成每一根天线的OFDM信号，最后经过射频发射天线进行发射。在接收端上设计了相应的MMSE频域均衡器，并且在后面级联了QAM解调器，先通过QAM解调之后再传入ML子载波空间排列解码器。最后将索比特与数据比特组合,在经过信道解码得到源比特流。具体的，设置过采样率C＝4，IFFT与FFT长度为1024，子载波数N＝400。

计算上述方法在10条多径的瑞利衰落信道下不同信噪比的误码率，并对比MISO-OFDM系统，双发双收MIMO-OFDM系统和双发四收系统的性能，结果如图2所示，增加接收天线的数量，可以明显的改善误码率。可以看出MIMO-OFDM子载波空间排列索引调制可以有效地实现接收分集，在丰富的散射环境下，使用空间信息提高频谱利用率的同时可以有可靠的通信质量。图3为多径数量为2的瑞利衰落信道下，本方法在不同信噪比下的误码率。与图2相比，可以看出当多径效应弱的时候本系统有更好通信质量。与V-BLAST编码相比，本方法降低了对散射环境的要求，提高频谱利用率的同时能取得较好的通信质量。可以适用于多种信道环境。本方法可以实现一定程度的接收分集，误码率优于空间索引(SM-OFDM)和基于V-BLAST编码MIMO系统，解调机复杂度低于SM-OFDM与基于V-BLAST编码的MIMO系统。

Claims (4)

1.MIMO-OFDM系统的子载波空间排列索引方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、在P根天线的MIMO-OFDM系统发射端，先将经过信道编码的源数据分成m组，其中且m为整数；将每组源数据中的个数据映射为QAM符号，得到发射端N个子载波携带的QAM符号{s₁,s₂,…,s_N}，其中N_QAM为QAM调制指数；则第i组子载波上的QAM符号构成的初始空频排列数据块矩阵M_i为：

所述矩阵M_i的大小为P*P，其中i＝1,2,…m；

步骤2、将第i组源数据中剩余部分的D_imb比特数据映射为子载波空间排列索引矩阵I_i，D_imb满足所述索引矩阵I_i由P个相互正交的单位向量构成，大小为P*P，P个单位向量的每一种排列方式对应一个D_imb比特数据；

步骤3、将初始的空频数据块M_i与索引矩阵I_i相乘，得到携带索引信息的空频数据块矩阵X_i，每个空频数据块X_i携带D_imb+N_QAM*P比特数据；将m个空频数据块矩阵按照子载波的正序进行拼接，得到P个天线的空频数据矩阵S＝[X₁ X₂ X₃ … X_m]；

步骤4、对空频数据矩阵S进行IDFT计算，将其映射为时序信号，然后用对应的天线发射；在接收端使用ML对接收的数据向量进行天线和QAM符号检测，然后进行QAM反映射，并按照步骤2中的索引矩阵进行天线索引信息解映射，最后经过数据排序之后得到还原的源数据。

2.如权利要求1所述MIMO-OFDM系统的子载波空间排列索引方法，其特征在于：在对空频数据矩阵S进行IDFT计算前，先依次针对矩阵的每行构造如下共轭对称矩阵：

其中表示第p根天线上第n个子载波携带的QAM符号，p＝1,2,..,P；s^*表示s的共轭；是一个大小为1×N_zp的全零矩阵；根据0的个数设置过采样率C以及IDFT的计算长度N_DFT，C＝N_DFT/(N_DFT-N_zp)；

计算第p根天线发射的时序信号x_p：

其中，S[p][n]表示空频数据矩阵S的第p行第n列的数据。

3.如权利要求1所述MIMO-OFDM系统的子载波空间排列索引方法，其特征在于：在接收端，假设接收天线的数量为Q，传输系统模型为:

其中，为接收天线q接收到的第n个子载波携带的信号；表示由编号为t_n的天线发射的第n个子载波携带的QAM信号，[t₁ t₂ t₃ … t_N]代表子载波空间排列索引信息，t_n∈[1,2,…,P]；表示接收天线q、编号为t_n的发射天线下第n个子载波的信道响应；则接收端子载波接收到的数据表示为：

其中,表示接收天线q接收的第m个子载波分组中编号为t_p的发射天线的第p个子载波的信道响应；表示接收天线q接收的第m个分组的数据向量；为第m个子载波分组中的第p个子载波所携带的QAM符号。

4.如权利要求3所述MIMO-OFDM系统的子载波空间排列索引方法，其特征在于：采用最大似然检测器对接收的m组子载波分组的数据向量进行天线和QAM符号检测：

其中为第m组子载波的数据向量携带的空间索引信息以及QAM符号；携带QAM数据的子载波由编号为的天线发射。