用于多天线子载波索引调制ofdm的导频传输方法
技术领域
1.本发明属于通信抗干扰技术领域，具体涉及一种用于多天线下子载波索引调制正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing with subcarrier index modulation,ofdm-sim)系统中的导频传输方法。
背景技术：2.索引调制(index modulation,im)技术是一种无线通信领域的新型传输技术，其本质是用额外的比特选择激活的索引资源来传输信息比特，ofdm-sim系统利用子载波作为索引资源，选择部分子载波进行激活传输星座符号，从索引域和数字调制域两个维度进行信息的传递。一方面，ofdm-sim系统通过子载波的激活位置来携带额外的信息，以弥补静默子载波造成的频谱效率的损失，另一方面，ofdm-sim系统子载波稀疏映射结构具有更低的papr，静默部分子载波可以有效降低载波间干扰。因此，相较于传统的ofdm系统，ofdm-sim系统具有更强的鲁棒性以及更高的频偏忍耐度，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。
3.为了在接收端恢复发送的比特信息，接收机必须获取信道状态信息。通常，使用发射机和接收机均已知的导频信号进行信道估计。ofdm系统中，传统的导频放置采用频分复用的方式，额外占用系统子载波，因此，随着通信技术不断发展，系统传输速率不断提高，通信节点不断增长，在系统天线数增多时，导频开销成为了频谱消耗的主要部分。
技术实现要素：4.本发明基于提高系统频谱效率和信道估计性能的目的，提出一种用于多天线ofdm-sim系统的索引调制数据与导频配置及收发机设计方案。该方案在发射端通过将稀疏导频与调制信号在频域叠加后通过天线发送，在接收端利用导频进行信道估计获取信道信息，通过最大似然检测进行解调。该系统在降低导频传输所需资源消耗的同时，通过高效信道估计与检测方法保证接收端的信号检测性能。
5.为了便于理解，对多天线ofdm-sim系统进行以下定义：
6.对于一个n
t
×
nr的多天线ofdm-sim系统，n
t
是发送天线的数量，nr是接收天线的数量。在接收端设置信道估计迭代次数为i。对于每一根发射天线，设每一帧有ns个ofdm符号，n为ofdm系统子载波数，将n个子载波平均分为g个子块，每个子块包含l＝n/g个子载波，选择k个子载波进行激活，将此系统记作(l,k)ofdm-sim系统。发射天线编号用t(t＝1,2,
…
,n
t
)表示，接收天线编号用r(r＝1,2,
…
,nr)表示，一根天线上的一个ofdm符号编号用j(j＝1,2,
…
,ns)表示，子块编号用g(g＝1,2,
…
,g)表示，l(l＝1,2,
…
,l)表示子块的子载波编号。
7.对于天线t上的一个ofdm符号的任意一个子块g传输的比特由索引比特和调制比特组成，从l个子载波中选择k个进行激活的组合数为则需要(表示向下取整)位索引比特，有k个激活子载波传输m阶星座符号，所以调制比特数为b2＝k log
2 m，
一个块传输的总比特数为b＝b1+b2。
8.本发明的技术方案是：
9.用于多天线子载波索引调制ofdm的导频传输方法，包括：
10.发射端：
11.步骤1：产生信息比特流。以第t根发射天线的第j个ofdm符号的子块g为例，产生信息比特通过索引比特选择激活的k个子载波，用以传输调制比特进行m阶星座调制的符号，剩余的(l-k)个子载波保持静默，不传送信息。
12.步骤2：星座符号映射和子载波激活选择。对于发射天线t的第j个ofdm符号的子块g，调制比特为经过m阶星座映射后得到调制符号向量其中φ表示m阶星座符号集合。再通过索引比特进行激活子载波选择，得到激活子载波位置向量最后，通过映射规则：将星座调制符号放置到对应的激活子载波上，得到子块发射符号
13.步骤3：生成导频图案。在系统发送端，同一根天线上的ofdm符号使用相同的导频序列，发射天线t使用导频序列(其中v为导频数量，v＝1,2,
…
,v)。采用一种稀疏导频放置方案，导频等间隔放置，一帧包含ns个ofdm符号，设置导频位置集合为其中表示发射天线t的导频位置，其中表示发射天线t的第j个ofdm符号的第v个导频位置)。则发射天线t的第j个ofdm符号的第g个子块导频信号为令l'＝l+(g-1)*l，表示系统子载波编号，其中表示为：
[0014][0015]
则发射天线t的第j个ofdm符号的导频信号为发射天线t的导频信号为则生成的导频信号为
[0016]
步骤4：导频与数据叠加。将导频信号叠加在数据符号上，不单独分配频率资源。假设导频符号能量分配因子为e
p
，调制符号能量分配因子ed，为满足能量归一化，满足：g
·k·
ed+v
·ep
＝n。则发射天线t的第j个ofdm符号的第g个子块频域信号为其中
[0017][0018]
则发射天线t的第j个ofdm-sim频域信号为发射天线t的频域信号为则发射端的频域发射信号为
[0019]
步骤5：频域-时域变换。将步骤4得到的发送符号向量s进行ifft变换，得到时域信号其中其中表示发射天线t上第j个ofdm-sim时域符号，其中其中是的第n(n＝1,2,
…
,n)个元素。再在时域信号上添加循环前缀(cp)得到最终时域发送符号通过发射天线发送。
[0020]
接收端：
[0021]
步骤6：时域-频域转换。时域接收信号为其中进行去循环前缀(cp)操作，再进行fft操作得到频域待检测信号到频域待检测信号表示接收天线r上的频域接收信号，其中变换公式为：变换公式为：是的第m个元素。接收符号向量可以用矩阵表示为：
[0022]
y＝hs+w
[0023][0024]
其中，h为信道频域响应矩阵，s为频域发送符号，w为加性复高斯白噪声向量。
[0025]
步骤7：初始信道估计。按照已知的导频位置a，从第r根接收天线的接收信号yr中取出对应的检测信号利用频域检测信号导频p
t
和导频位置a
t
，使用某种信道估计方法得到接收天线r与发射天线t之间的初始信道估计值然后得到初始信道估计
[0026][0027]
若迭代次数i＝0，最终信道估计值转到步骤11，否则，设置i＝0，表示当前迭代次数，令转到步骤8。
[0028]
步骤8：信号粗检测。根据信道估计值频域接收信号y和导频p进行信号粗检测得到检测结果
[0029]
步骤9：干扰抵消操作。为了更加准确得到接收天线r与发射天线t之间的信道估计，根据步骤8得到的检测结果和导频信号p，从接收信号yr中减去其他发射天线数据和导频的影响，更新用于检测发射天线t到接收天线r之间信道系数的接收信号表示如下。
[0030][0031]
其中yr表示接收天线r的接收信号。
[0032]
步骤10：更新信道估计值。当前迭代次数i＝i+1，使用步骤8得到的粗检测结果导频p
t
和步骤9更新的频域检测信号进行信道估计，得到接收天线r与发射天线t之间的信道估计更新值更新所有接收天线与发射天线间的信道信息，得到当i＝i，迭代结束，最终信道估计值转到步骤11，否则，转到步骤8。
[0033]
步骤11：数据最终检测。使用最终的信道估计值和导频p，频域接收信号y进行信号检测，得到发送的数据比特流。
[0034]
本发明的有益效果为：本发明根据一定的导频数据能量比在频域将导频稀疏叠加在调制信号上，与导频单独占用子载波的放置方式相比，减少了导频开销，提高了系统的频谱效率，且通过迭代更新也改善了系统的ber性能。
附图说明
[0035]
图1为实施例1的叠加稀疏梳状导频原理图示意。
[0036]
图2为实施例2的叠加稀疏菱形导频原理图示意。
[0037]
图3为应用叠加稀疏导频方法的ofdm-sim系统的发射端框图。
[0038]
图4为应用叠加稀疏导频方法的ofdm-sim系统的接收端框图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
[0040]
实施例1：
[0041]
下面以发送天线n
t
为2，接收天线nr为1，循环前缀cp＝64，调制符号采用bpsk，每个子块子载波l＝2，激活子载波k＝1，总载波数n＝1024的(2,1)ofdm-sim系统，一帧包含ns＝4个ofdm符号，设插入导频间隔d＝4，则一个ofdm符号含有导频数量v＝256，设发射天线1使用的导频序列为发射天线2使用的导频序列为假设两根发射天线的导频位置相同，均为a，设置叠加梳状导频，每个ofdm符号的导频位置均为aj＝1:4:1024(j＝1,2,3,4)，则信道估计采用ls信道估计，信号检测采用ml检测方法，迭代次数i＝5，为例介绍本发明的具体实施方式。
[0042]
系统子块数为g＝n/l＝1024/2＝512，一个子块内索引比特长度系统子块数为g＝n/l＝1024/2＝512，一个子块内索引比特长度表示向下取整，bpsk调制符号的调制阶数m＝2，调制比特长度b2＝k log2(m)＝1
×
log2(2)＝1。
[0043]
用t(t＝1,2)表示发射天线编号，r(r＝1)表示接收天线编号，j(j＝1,2,3,4)表示ofdm符号编号，g(t＝1,2,
…
,512)表示子块编号，l(l＝1,2)表示子块内子载波编号。
[0044]
步骤1：产生信息比特流。以第t根发射天线的第j个ofdm符号的子块g为例，产生信息比特
[0045]
步骤2：星座符号映射和子载波激活选择。对于发射天线t第j个ofdm符号的子块g，它的发送比特将调制比特进行bpsk星座映射得到调制符号子载波激活规则为：索引比特为
‘0’
，表示激活该子块的第一个子载波，索引比特为
‘1’
，表示激活该子块的第二个子载波，则通过索引比特获得激活子载波位置通过索引映射将调制符号放置到激活子载波上得到频域信号其中
[0046]
步骤3：生成导频图案。利用导频位置a，生成对应发射天线t第j个ofdm符号的子块g的导频信号令l
′
＝l+(g-1)*2，其中l＝1,2，映射规则为：则发射天线t的第j个ofdm符号的导频信号为发射天线t的导频信号为则生成的导频信号为p＝[p1；p2]。
[0047]
步骤4：导频与数据叠加。对应现有参数设置的系统下，对应发射天线t，一个ofdm符号的数据和导频功率总和为1024，导频功率e
p
与数据功率ed满足512
×1×
ed+256
×ep
＝1024，设置e
p
＝0.6，ed＝1.7。将导频p
t
(t＝1,2)与经过bpsk调制和索引调制的数据叠加放置，对应发射天线t的第j个ofdm符号子块g的频域符号表示为：其中
[0048][0049]
则发射天线t的第j个ofdm-sim频域信号为发射天线t的频
域符号表示为：则最终发送的符号为s＝[s1；s2]。
[0050]
步骤5：频域-时域变换。将步骤4得到的发送符号向量s进行ifft变换，得到时域发送信号s＝[s1；s2]，其中而ifft变换公式为：ifft变换公式为：是的第n(n＝1,2,
…
,1024)个元素。再在时域信号上添加循环前缀(cp)得到最终时域发送符号通过发射天线发送。
[0051]
接收端：
[0052]
步骤6：时域-频域转换。将时域接收信号r＝[r1]，其中r＝[r1,r2,r3,r4]，进行去循环前缀(cp)操作，yj＝rj[64+(1:1024)](j＝1,2,3,4)，再进行fft操作得到频域待检测信号y＝[y1]＝[y1,y2,y3,y4]，用矩阵的形式可以表示为：其中，yj＝[y
1,j
,y
2,j
,
…
,y
1024,j
]
t
，fft计算公式为：
[0053]
步骤7：初始信道估计。根据插入导频位置a取出对应的检测信号y
p
＝y[a]和有效导频使用频域检测信号y
p
，导频和导频位置a，采用ls信道估计方法得到导频位置的第一次信道估计值其中再通过频域线性插值得到整个频带的初始信道估计值迭代次数i＝5，设置i＝0，表示当前迭代次数，令转到步骤8。
[0054]
步骤8：信号粗检测。根据信道估计值和频域检测信号y，导频p，以子块为单位，使用ml检测算法：ω表示一个子块的所有可能发送符号集合。检测完所有子块，最终得到信号粗检测结果其中
[0055]
步骤9：干扰抵消操作。为了检测第t根发射天线的数据，用步骤8得到的检测结果和导频信号p，从检测信号y中减去其他天线发射数据的影响。表示第t(t＝1,2)根发射天线到接收天线之间消除其他发射天线数据干扰的更新接收信号。
[0056][0057]
步骤10：更新信道估计值。当前迭代次数i＝i+1，使用步骤8得到的粗检测结果导频p
t
和步骤9更新的频域检测信号使用ls信道估计算法更新所有接收天线与发射天线间的信道信息，得到信道估计更新值其中
当i＝5，迭代结束，最终信道估计值转到步骤11，否则，转到步骤8。
[0058]
步骤11：数据最终检测。使用最终的信道估计值导频p和频域检测信号y以子块为单位进行ml检测：ω表示一个子块的所有可能发送符号集合。检测完所有子块，最终得到信号检测结果其中恢复出发送的数据比特流。
[0059]
实施例2：
[0060]
下面以发送天线n
t
为2，接收天线nr为1，循环前缀cp＝64，调制符号采用bpsk，每个子块子载波l＝2，激活子载波k＝1，总载波数n＝1024的(2,1)ofdm-sim系统，一帧包含ns＝4个ofdm符号，设插入导频间隔d＝4，则一个ofdm符号含有导频数量v＝256，设发射天线1使用的导频为发射天线2使用的导频为假设两根发射天线的导频位置相同，均为a，设置导频形状为菱形导频，相邻ofdm符号的导频交错放置，导频位置为aj＝1:4:1024(j＝1,3)和aj＝3:4:1024(j＝2,4)，则信道估计采用mmse和ls信道估计，信号检测采用ml检测方法，迭代次数i＝5，为例介绍本发明的具体实施方式。
[0061]
系统子块数为g＝n/l＝1024/2＝512，一个子块内索引比特长度系统子块数为g＝n/l＝1024/2＝512，一个子块内索引比特长度表示向下取整，bpsk调制符号的调制阶数m＝2，调制比特长度b2＝k log2(m)＝1
×
log2(2)＝1。
[0062]
用t(t＝1,2)表示发射天线编号，r(r＝1)表示接收天线编号，j(j＝1,2,3,4)表示ofdm符号编号，g(t＝1,2,
…
,512)表示子块编号，l(l＝1,2)表示子块内子载波编号。
[0063]
步骤1：产生信息比特流。以发射天线t的第j个ofdm符号的子块g为例，产生信息比特
[0064]
步骤2：星座符号映射和子载波激活选择。对于发射天线t第j个ofdm符号的子块g，它的发送比特将调制比特进行bpsk星座映射得到调制符号子载波激活规则为：索引比特为
‘0’
，表示激活该子块的第一个子载波，索引比特为
‘1’
，表示激活该子块的第二个子载波，则通过索引比特获得激活子载波位置通过索引映射将调制符号放置到激活子载波上得到频域信号其中
[0065]
步骤3：生成导频图案。利用导频位置a，生成对应发射天线t第j个ofdm符号的子块g的导频信号令l
′
＝l+(g-1)*2，其中l＝1,2，映射规则为：
则发射天线t的第j个ofdm符号的导频信号为发射天线t的导频信号为则生成的导频信号为p＝[p1；p2]。
[0066]
步骤4：导频与数据叠加。对应现有参数设置的系统下，对应发射天线t，一个ofdm符号的数据和导频功率总和为1024，导频功率e
p
与数据功率ed满足512
×1×
ed+256
×ep
＝1024，设置e
p
＝0.6，ed＝1.7。将导频p
t
(t＝1,2)与经过bpsk调制和索引调制的数据叠加放置，对应发射天线t的第j个ofdm符号子块g的频域符号表示为：其中
[0067][0068]
则发射天线t的第j个ofdm-sim频域信号为发射天线t的频域符号表示为：则发送符号为s＝[s1；s2]。
[0069]
步骤5：频域-时域变换。将步骤4得到的发送符号向量s进行ifft变换，得到时域发送信号s＝[s1；s2]，其中而ifft变换公式为：ifft变换公式为：是的第n(n＝1,2,
…
,1024)个元素。再在时域信号上添加循环前缀(cp)得到最终时域发送符号通过发射天线发送。
[0070]
接收端：
[0071]
步骤6：时域-频域转换。将时域接收信号r＝[r1]，其中r＝[r1,r2,r3,r4]，进行去循环前缀(cp)操作，yj＝rj[64+(1:1024)](j＝1,2,3,4)，再进行fft操作得到频域待检测信号y＝[y1]＝[y1,y2,y3,y4]，用矩阵的形式可以表示为：其中，fft计算公式为：
[0072]
步骤7：初始信道估计。根据插入导频位置a取出对应的检测信号y
p
＝y[a]和有效导频使用频域检测信号y
p
，导频和导频位置a，先采用ls信道估计方法得到导频位置的初始信道估计值其中再采用mmse信道估计得到整个频带的信道估计值mmse信道估计方法为：mmse信道估计方法为：是频域上真实信道向量和临时信道估计向量之间的互相关矩阵，r
hh
是信道自相关矩阵，e是维度与r
hh
相同的单位阵，表示信噪比。其中和r
hh
中的元素满足：其中，n(n＝1,2,
…
,1024)
和j(j＝1,2,3,4)分别表示子载波(频率)和ofdm符号(时间)的编号。在一个呈指数衰减的多径功率时延谱(pdp)中，频域相关
△
f是子载波间隔，τ
rms
是信道均方时延。同时，对于具有最大多普勒频率f
max
和jakes功率谱的衰落信道，时域相关r
t
[j]为：r
t
[j]＝j0(2πf
max
jt
sym
)，t
sym
为ofdm符号周期，j0(
·
)为第一类零阶贝塞尔函数。
[0073]
迭代次数i＝5，设置i＝0，表示当前迭代次数，令转到步骤8。
[0074]
步骤8：信号粗检测。根据信道估计值和频域检测信号y，导频p，以子块为单位，使用ml检测算法：ω表示一个子块的所有可能发送符号集合。检测完所有子块，最终得到信号粗检测结果其中
[0075]
步骤9：干扰抵消操作。为了检测第t根发射天线的数据，用步骤8得到的检测结果和导频信号p，从检测信号y中减去其他天线发射数据的影响。表示第t(t＝1,2)根发射天线到接收天线之间消除其他发射天线数据干扰的更新接收信号。
[0076][0077]
步骤10：更新信道估计值。当前迭代次数i＝i+1，使用步骤8得到的粗检测结果导频p
t
和步骤9更新的频域检测信号使用ls信道估计算法更新所有接收天线与发射天线间的信道信息，得到信道估计更新值其中当i＝5，迭代结束，最终信道估计值转到步骤11，否则，转到步骤8。
[0078]
步骤11：数据最终检测。使用最终的信道估计值导频p和频域检测信号y以子块为单位进行ml检测：ω表示一个子块的所有可能发送符号集合。检测完所有子块，最终得到信号检测结果其中恢复出发送的数据比特流。
技术特征：1.用于多天线子载波索引调制ofdm的导频传输方法，定义多天线ofdm-sim系统发射天线数量为n
t
，接收天线数量为n
r
，系统总子载波数为n，每个子块载波数为l，其中k个激活载波用于传输m阶星座调制符号，其余(l-k)个子载波静默，因此含有g＝n/l个子块；设置v为有效导频长度，e
d
为数据的归一化发送功率，e
p
为导频的归一化发送功率，且满足g
·
k
·
e
d
+v
·
e
p
＝n，接收机信道估计迭代次数设为i；其特征在于，所述方法包括以下步骤：发射端：步骤1：产生信息比特流：对于任意一个子块g，信息比特由索引比特和调制比特组成，其中个索引比特用于指示激活子载波位置，b2＝klog2(m)个调制比特进行星座符号映射，因此，一个ofdm-sim符号传输有m＝g(b1+b2)位比特；步骤2：星座符号映射和子载波激活选择：将调制比特进行m阶星座符号映射得到调制符号向量z，利用索引比特选择激活的子载波，得到激活子载波位置向量γ，根据γ将星座符号放置到激活子载波上，得到频域信号步骤3：生成导频信号：通过发射天线t的导频位置a
t
将长度为v的导频序列p
t
放置到对应位置，t＝1,2,
…
,n
t
，得到导频信号步骤4：在系统发送端，通过导频与数据叠加得到发射天线t的系统发送符号：从而得到发送端频域符号步骤5：频域-时域变换：将步骤4得到的发送符号向量s依次进行ifft、和加循环前缀得到ofdm-sim时域符号，通过发射天线发送；接收端：步骤6：时域-频域转换：将接收信号进行去循环前缀，fft操作后获得频域待检测信号y；步骤7：初始信道估计：按照已知的有效导频位置a，取出对应的检测信号y
p
和有效导频p
p
，使用频域检测信号y
p
和导频p
p
，依次进行信道估计和频域插值得到初始信道估计值若迭代次数i＝0，最终信道估计值转到步骤11，否则，设置i＝0，表示当前迭代次数，令转到步骤8；步骤8：信号粗检测：根据信道估计值频域接收信号y和导频p进行信号粗检测得到检测结果步骤9：干扰抵消操作：根据步骤8得到的检测结果和导频信号p，从检测信号y
r
中减去其他天线数据和导频的影响，更新用于检测发射天线t到接收天线r之间信道系数的接收信号表示为：步骤10：更新信道估计值：当前迭代次数i＝i+1，使用步骤8得到的粗检测结果导频p
t
和步骤9更新的频域检测信号进行信道估计，得到接收天线r与发射天线t之间的信
道估计更新值更新所有接收天线与发射天线间的信道信息，得到当i＝i，迭代结束，最终信道估计值转到步骤11，否则，转到步骤8；步骤11：使用最终的信道估计值和导频p，频域检测信号y进行检测，得到发送的数据比特流。
技术总结本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及一种用于多天线子载波索引调制OFDM的导频传输方法。本发明根据一定的导频数据能量比在频域将导频稀疏叠加在调制信号上，与导频单独占用子载波的放置方式相比，减少了导频开销，提高了系统的频谱效率，且通过迭代更新也改善了系统的BER性能。的BER性能。的BER性能。
技术研发人员：但黎琳 杨莉君 赵矗
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
