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CN107147483B - 一种基于导频图案调制的sim-ofdm系统通信方法 - Google Patents

一种基于导频图案调制的sim-ofdm系统通信方法 Download PDF

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Abstract

DJ3251‑04本发明属于无线通信技术领域,涉及一种基于导频图案调制的SIM‑OFDM系统通信方法。该方法针对现有基于SIM‑OFDM通信方法的导频设置问题,提出了一种简单的导频使用与放置方法,通过发送端在静默子载波上插入已设置对应ZC序列导频位置上导频集合,在接收端通过特殊的检测方法将导频所在的位置检测出来,并结合接收信号以及导频序列完成信道估计,该方法的优势在于既保留了SIM‑OFDM系统本身的优势,又可以利用任意功率比的ZC序列导频降低PAPR,同时进行信道估计,并且保证最终的BER性能。

Description

一种基于导频图案调制的SIM-OFDM系统通信方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及子载波索引调制正交频分复用(Subcarrier Index Modulation Orthogonal Frequency Division Multiplexing,SIM-OFDM)系统中基于导频图案调制的通信方法。
背景技术
OFDM系统作为一种多载波调制方式,把高速的数据流通过串/并变换,转换成若干并行的低速数据流,映射到OFDM符号的不同子载波进行传输。由于OFDM的调制与解调可以用FFT和IFFT实现,使得OFDM作为关键的技术之一,被广泛应用于B3G/4G演进的过程中。
但是OFDM系统在较高地提升系统性能的同时,也存在几个重要的缺陷,比如对频率偏移和相位噪声的影响非常敏感,在存在频率偏移和相位噪声的情况下性能极度恶化;峰均比(PAPR)较高,降低射频放大器的功率效率;并且为了消除码间串扰(ISI)而引入的循环前缀(CP)使得频谱利用率降低不少。
近来,一种新的多载波通信方式——基于子载波索引调制(Subcarrier IndexModulation,SIM)的OFDM系统被提出。对于SIM-OFDM系统而言,除了增加了SIM调制模块以外,其他的步骤和传统的OFDM系统并没有任何差异。其中,最核心的SIM调制模块采用了子载波分块的思想。首先将整个多载波连续地分成大小相同的多个子块,每个子块中通过索引比特来选择其中若干个子载波(称之为激活子载波)来发送数据,而其余的子载波不发送数据(称之为静默子载波)。由于索引比特本身并不发送,而是隐含在激活子载波的位置信息中的,所以索引比特并不占用频谱资源。在接收端,通过激活子载波的位置就可以获得索引比特的信息。
相对于传统OFDM系统,SIM-OFDM系统对抗子载波间干扰性能更好、误码率更低,通过选择不同的功率分配策略还可以节约发射机能量。缺点是由于采用了分块的方式,SIM-OFDM系统无法像OFDM系统中一样,简单地在固定的位置上插入导频以完成信道估计。SIM-OFDM系统中,若在每个块中的固定位置插入导频,又会产生浪费频谱资源的问题,并且不合时宜的导频种类与插入方式甚至会导致更大的系统峰均比,进而降低系统的性能,失掉其本身的优势。
发明内容
本发明针对现有基于导频的SIM-OFDM通信方法技术问题,提出了一种导频图案调制的多载波系统通信方法,利用ZC(Zadoff-chu)序列导频的特性,既降低了系统发射端的PAPR,保留了SIM-OFDM系统本身的优势,又可以利用ZC序列导频进行信道估计。
本发明的技术方案是:一种基于导频图案调制的SIM-OFDM系统通信方法,设定所述的SIM-OFDM系统中,子载波总个数为N,每个子块的子载波个数为n,则总共有g=N/n个子块,且每个子块中随机选择其中k个子载波发送数据;根据SIM-OFDM系统调制比特流和索引比特流的产生机制有:一帧SIM-OFDM符号传输的调制比特数为g·k·log2(M),索引比特数为则有总比特数为其特征在于,所述的通信方法,包括:
发射端:
S1、设置ZC序列导频信号为:
P=[P0,P1…Pi,…,PN-1]
其中,Pi=exp(j*2*π*(i+1)2/(2*N)),j表示虚数单位,i表示导频所在位置,0≤i≤N-1;
S2、载波索引调制:
对于每个子块,SIM模块先提取对应的索引比特和调制比特,然后调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号,最后根据索引比特来激活该块内k个子载波来发送星座点符号,剩下的n-k个子载波不发数据,最后得到频域信号X;
S3、插入导频并功率归一化,如图2所示:
在步骤S2中的n-k个静默子载波位置上加入ZC序列导频对应位置上的导频Pi,同时设置数据信号和导频信号的功率比α,得到功率归一化后信号集合其中αs、αp为功率分配后的比率,是静默子载波位置上对应ZC序列导频经过功率分配后的导频集合;
S4、将步骤S3中获得的频域信号集合经IFFT变换得到时域信号αsx+αpp并发送;
接收端:
S5、第一次导频位置判断:
频域接收信号Y采用与发送端相同的方式进行分块,得到g=N/n个子块,每个子块中含有n个子载波;分块之后,对每个块进行能量检测,认为每个子块中能量最低的n-k个子载波位置上放置的是经过信道之后的导频数据这些位置的集合为导频位置集合L1;由导频位置集合L1可获得导频位置处的频域接收信号Yp1
S6、初始信道估计:
由频域接收信号Yp1、导频数据和导频位置集合L1进行信道估计得到信道估计值信道估计方法包括线性最小二乘估计和线性最小均方误差估计;
S7、第二次导频位置判断:
利用步骤S6得到的信道估计值对频域接收信号Y进行均衡处理得到均衡信号同样,对均衡信号采用与发送端相同的方式进行分块,得到g=N/n个子块,每个块中含有n个子载波;
分块之后,对每个子块进行检测,检测方法为:每个子块中n个子载波上的均衡信号的数据与当前块对应的导频数据进行欧式距离dc的比较:
其中,r表示第r个块,c表示第r个块中的第c个子载波,认为欧式距离dc最小的n-k个子载波位置上放置的均衡信号的数据是经过信道之后的导频数据这些位置的集合为导频位置集合L2,由导频位置集合L2可获得导频位置处的频域接收信号Yp2
S8、更新信道估计:
由频域接收信号Yp2、导频数据和步骤S7得到的导频位置集合L2进行信道估计,得到更新后的信道估计值
本发明的有益效果为:针对现有基于SIM-OFDM通信方法的导频设置问题,提出了一种简单的导频使用与放置方法,通过发送端在静默子载波上插入已设置对应ZC序列导频位置上导频集合,在接收端通过特殊的检测方法将导频所在的位置检测出来,并结合接收信号以及导频序列完成信道估计,该方法的优势在于既保留了SIM-OFDM系统本身的优势,又可以利用任意功率比的ZC序列导频降低PAPR,同时进行信道估计,并且保证最终的BER性能。
附图说明
图1是传统的SIM-OFDM系统框图;
图2是本发明中提出的ZC序列导频放置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例,详细描述本发明的技术方案:
实施例
下面以(n,k)=(2,1),总的子载波个数N=1024,循环前缀CP=64,调制符号采用QPSK(4-QAM),采用ZF均衡、LMMSE信道估计为例:
发射端:
步骤1-1:确定要选择的系统的参数,即确定子载波个数N=1024,每个子块的子载波个数n=2,子块中激活多少子载波个数k=1,分成的子块数g=N/n=512,调制阶数M=4。然后根据公式计算出一帧的比特数量。对于其中任意一个子块而言索引比特长度为: 表示向下取整,则对于一帧的索引OFDM系统而言一共有m1=p1g=512位索引比特;对激活的子载波发送4-QAM调制符号,对于(n,k)=(2,1)的系统而言,可以发送一帧的调制比特个数为:m2=gp2=gk log2M=1024,则一帧总的比特数m=m1+m2=1536。将此帧数据分成两组,一组为索引比特,用于选择子载波发送数据,一组为调制比特,用于调制到被激活中的子载波中发送出去。
步骤1-2:设置ZC序列导频信号:P=[P0,P1…Pi,…,PN-1],其中Pi=exp(j*2*π*(i+1)2/(2*N)),j表示虚数单位,i表示导频所在位置。
步骤2-1:载波索引(SIM)调制。具体调制准则为:将N个子载波分成g=N/n个子块,每个子块含有n个子载波。对于每个子块而言,SIM模块先提取对应的索引比特和调制比特,然后调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号,最后根据索引比特来激活该块内k个子载波来发送星座点符号,剩下的n-k个子载波不发数据。最后得到频域信号X。
步骤2-2:插入导频并功率归一化。步骤2-1中的n-k个静默子载波位置上加入ZC序列导频对应位置上的导频Pi,同时设置数据信号和导频信号的功率比α,得到功率归一化后信号集合其中αs、αp为功率分配后的比率,是静默子载波位置上对应ZC序列导频经过功率分配后的导频集合。详见附图2。
步骤2-3:将频域信号经IFFT变换得到时域信号αsx+αpp并发送。
接收端:
步骤3-1:第一次导频位置判断。频域接收信号Y采用与发送端相同的方式进行分块,得到g=512个子块,每个块中含有n=2个子载波。分块之后,对每个块逐一进行能量检测ej=|Yi,j|,其中i表示第i个块,j表示第i个块中的第j个子载波,认为每个块中能量最低的n-k=1个子载波位置上放置的数据(频域接收信号Y的数据)是经过信道之后的导频数据这些位置的集合记为导频位置集合L1。由L1可获得导频位置处的频域接收信号Yp1
步骤3-2:初始信道估计。由频域接收信号Yp1、低能量的导频数据和导频位置集合L1进行LMMSE信道估计得到信道估计值
步骤3-3:第二次导频位置判断。利用步骤3-2得到的信道估计值对频域接收信号Y进行ZF均衡得到均衡信号同样,对均衡信号采用与发送端相同的方式进行分块,得到g=512个子块,每个子块中含有n=2个子载波。分块之后,对每个子块逐一进行检测。检测方法为:每个块中n个子载波上的数据与该块对应的导频数据进行欧式距离dc的比较:其中r表示第r个块,c表示第r个块中的第c个子载波,认为欧式距离dc最小的n-k=1个子载波位置上放置的数据(均衡信号的数据)是经过信道之后的导频数据这些位置的集合记为导频位置集合L2。由L2可获得导频位置处的频域接收信号Yp2
步骤3-4:更新信道估计。由导频位置处的频域接收信号Yp2、低能量的导频数据和步骤3-3得到的导频位置集合L2进行LMMSE信道估计,得到更新后的信道估计值
若此时,认为2次导频位置判断不能满足系统预设的性能要求,即若导频位置集合L2的精确度小于预设阈值,则重复执行步骤2-2和2-3,直到当前导频位置集合L2的精确度小于预设阈值大于或等于预设阈值。
基于本发明最终得到的信道估计值可得到对频域接收信号Y的解调数据,下面以ML检测简述其解调过程:
一个块内的ML检测空间(标准点向量):
频域接收信号Y和信道估计值采用与发送端相同的方式进行分块,得到g=512个子块,每个块中含有n=2个子载波。对每个子块进行ML检测,计算每个子块向量Yi与标准点向量D和信道块向量乘积整体的欧式距离,其中i表示第i个子块向量。标准点向量D包含n=2个数据,由经过能量分配后的k=1个调制符号和n-k=1个导频符号组成,可能的组合如上表所示(表中符号j表示虚数单位。)。每种组合与特定的索引比特向量I和调制符号向量Q对应,用DIQ表示。根据公式选取欧氏距离最小的一组为发送符号组,从而找到索引比特向量I和调制符号向量Q,对调制符号向量Q进行调制符号解映射得到调制比特。
本发明提出了一种导频图案调制的多载波系统传输装置,该装置的优点主要体现在:针对现有基于SIM-OFDM通信方法的导频设置问题,提出了一种简单的导频使用与放置方法。该方法的优势在于既保留了SIM-OFDM系统本身的优势,又可以利用任意功率比的ZC序列导频降低PAPR,同时进行信道估计,并且保证最终的BER性能。

Claims (1)

1.一种基于导频图案调制的SIM-OFDM系统通信方法,设定所述的SIM-OFDM系统中,子载波总个数为N,每个子块的子载波个数为n,则总共有g=N/n个子块,且每个子块中随机选择其中k个子载波发送数据;根据SIM-OFDM系统调制比特流和索引比特流的产生机制有:一帧SIM-OFDM符号传输的调制比特数为g·k·log2(M),索引比特数为则有总比特数为其特征在于,所述的通信方法,包括:
发射端:
S1、设置ZC序列导频信号为:
P=[P0,P1…Pi,…,PN-1]
其中,Pi=exp(j*2*π*(i+1)2/(2*N)),j表示虚数单位,i表示导频所在位置,0≤i≤N-1;
S2、载波索引调制:
对于每个子块,SIM模块先提取对应的索引比特和调制比特,然后调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号,最后根据索引比特来激活该块内k个子载波来发送星座点符号,剩下的n-k个子载波不发数据,最后得到频域信号X;
S3、插入导频并功率归一化:
在步骤S2中的n-k个静默子载波位置上加入ZC序列导频对应位置上的导频Pi,同时设置数据信号和导频信号的功率比α,得到功率归一化后信号集合其中αs、αp为功率分配后的比率,是静默子载波位置上对应ZC序列导频经过功率分配后的导频集合;
S4、将步骤S3中获得的频域信号集合经IFFT变换得到时域信号αsx+αpp并发送;
接收端:
S5、第一次导频位置判断:
频域接收信号Y采用与发送端相同的方式进行分块,得到g=N/n个子块,每个子块中含有n个子载波;分块之后,对每个块进行能量检测,认为每个子块中能量最低的n-k个子载波位置上放置的是经过信道之后的导频数据这些位置的集合为导频位置集合L1;由导频位置集合L1可获得导频位置处的频域接收信号Yp1
S6、初始信道估计:
由频域接收信号Yp1、导频数据和导频位置集合L1进行信道估计得到信道估计值信道估计方法包括线性最小二乘估计和线性最小均方误差估计;
S7、第二次导频位置判断:
利用步骤S6得到的信道估计值对频域接收信号Y进行均衡处理得到均衡信号同样,对均衡信号采用与发送端相同的方式进行分块,得到g=N/n个子块,每个块中含有n个子载波;
分块之后,对每个子块进行检测,检测方法为:每个子块中n个子载波上的均衡信号的数据与当前块对应的导频数据进行欧式距离dc的比较:
其中,r表示第r个块,c表示第r个块中的第c个子载波,认为欧式距离dc最小的n-k个子载波位置上放置的均衡信号的数据是经过信道之后的导频数据这些位置的集合为导频位置集合L2,由导频位置集合L2可获得导频位置处的频域接收信号Yp2
S8、更新信道估计:
由频域接收信号Yp2、导频数据和步骤S7得到的导频位置集合L2进行信道估计,得到更新后的信道估计值
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