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CN108832974B - 用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法 - Google Patents

用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法 Download PDF

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CN108832974B
CN108832974B CN201810411788.3A CN201810411788A CN108832974B CN 108832974 B CN108832974 B CN 108832974B CN 201810411788 A CN201810411788 A CN 201810411788A CN 108832974 B CN108832974 B CN 108832974B
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Abstract

本发明提供用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法。本发明通过对信号子帧中每个子载波的每种激活模式使用降维的MMSE估计,得到每种激活模式下的调制符号估计,并根据激活模式组成对应的完整估计矢量。通过使用MAP准则得到出每个子载波的激活模式和调制符号,并按顺序将子载波的估计结果组成完整的信号子帧,经过对信号子帧激活模式检测和错误激活模式的纠正后,对激活模式合法的信号子帧进行解调得到信息比特。本发明机首先使用MMSE准则估计每种激活模式下的调制符号,然后使用MAP准则计算每种激活模式下不同发送矢量的最大后验概率,通过考虑不同发送矢量的先验概率,提升每个子载的估计准确度,改善系统的误比特性能。

Description

用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法
技术领域
本发明涉及数字无线通信技术,具体涉及用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法。
背景技术
多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)是一种多天线通信系统,相比传统的单天线系统可以大幅提升系统容量和误比特性能。由于MIMO系统的高吞吐量,在不增加频谱资源的情况下,可以成倍地提高系统的信道容量,使得MIMO技术成为下一代无线通信的核心技术之一。
基于正交频分复用的载波序号调制(Orthogonal frequency divisionmultiplexing with index modulation,OFDM-IM)是一种新颖的多载波传输技术,作为一种传统的OFDM的改进技术,符合新型的绿色通信技术。在OFDM-IM技术中,子载波不再全部激活发送调制符号,只有部分子载波激活传输调制符号,同时激活子载波的序号也作为一种新的信息携带方式来传输信息比特。由于部分子载波没有激活,与传统OFDM相比具有更低的峰均比(Peak to average power ratio,PAPR)和更小的载波间干扰(Intercarrierinterference,ICI)。在系统能耗方面,由于只有部分子载波激活传输调制符号,而且激活子载波的序号也用于比特传输,具有更高能量效率,符合未来通信行业绿色低碳的发展趋势要求。
MIMO-OFDM-IM技术作为MIMO技术与OFDM-IM技术的结合,具有频谱利用率高、抗衰落性能强和数据速率高等优点,是传统MIMO-OFDM多载波技术的一种改进。在MIMO-OFDM-IM系统中,最大似然(Maximum-likelihood,ML)接收机可以实现最佳性能,但需要搜索所有可能组合,其计算复杂度与调制符号星座图阶数M,发送天线数Nt和OFDM-IM中每个子帧的子载波个数Nsub与激活个数K有关,计算复杂度随调制发送天线数呈指数增长,因此严重限制了ML接收机在实际应用中的使用。基于MMSE准则的MMSE-LLR虽然降低了解调复杂度,但相比ML接收机有较大的性能损失,因此在对实时性有要求的应用场合中,需要复杂度较低同时性能损失较小的接收机。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法。
用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法,其包括如下步骤:
a)基于MMSE准则辅助的MAP估计模块的实现:根据多输入多输出载波序号调制系统发送端采用的调制方案,将接收到的信号帧分为G个相互独立的信号子帧,对每个信号子帧中子载波逐个估计独立解调得到每个子载波的解调结果;对每个子载波的每种可能的激活模式进行降维MMSE估计,按照激活模式得到完整的发送矢量估计,然后使用MAP准则计算每个激活模式的矢量估计的最大后验概率,最终得到此子载波的估计;当信号子帧中的所有子载波估计结束,将各个子载波的估计按顺序组成信号子帧的估计;
b)激活模式检测模块的实现:检测信号子帧中对应每个天线发送的OFDM-IM子帧的激活模式,全部合法则输入到下一级信号子帧解调模块;如果检测到有不合法的激活模式,记录对应的发送天线索引,输入到错误激活模式纠正和出错子载波估计模块;
c)错误激活模式纠正和出错子载波估计模块的实现:根据激活模式检测模块输入的信息,计算激活模式出错的OFDM-IM子帧子载波的LLR值,计算所有激活模式的LLR值的和即LLR值和,估计出合法的激活模式;估计所有激活模式出错的OFDM-IM子帧,对估计激活模式出错的子载波按照重新估计后合法的激活模式使用MMSE估计,最后将重新估计的矢量和没有出错的子载波估计矢量组成新的信号子帧估计,输入到信号子帧解调模块;
d)信号子帧解调模块的实现:逐个解调激活模式合法的信号子帧中每个发送天线对应的OFDM-IM子帧,得到每个发送天线发送的相互独立的信息比特,包括序号调制比特和调制符号比特;当G个信号子帧全部解调结束后,将对应每个发送天线发送的信息比特组成信号帧的信息比特序列。
进一步的,所述基于MMSE准则辅助的MAP估计模块的实现具体包括:
S1:所述接收信号的经过块解交织处理后,得到第g个信号子帧,其信号模型为
Figure BDA0001648278710000031
为信号子帧索引,
Figure BDA0001648278710000032
为第t个发送天线到所有接收天线的信道矩阵,Nt为发送天线的个数,
Figure BDA0001648278710000033
是第t个发送天线发送的OFDM-IM子帧,ug是频域加性白噪声矩阵;对每个信号子帧中的子载波逐个独立解调处理,第n个子载波的信号模型为
Figure BDA0001648278710000034
Figure BDA0001648278710000035
为信号子帧中的子载波序号,Nsub为信号子帧中的子载波个数,xg(n)为第n个子载波Nt个天线发送的符号组成的发送信号矢量,
Figure BDA0001648278710000036
为第n个子载波对应的信道矩阵,ug(n)为第n个子载波上的噪声矢量;
S2:所述信号矢量xg(n)中包括映射到M阶调制符号集合χ的激活子载波和映射为0值的未激活子载波,每个发送天线的子载波之间相互独立且具有相同的激活概率;根据发送端选取的OFDM-IM激活模式方案,得到xg(n)中第t个发送天线对应的子载波的先验概率为
Figure BDA0001648278710000041
其中Nsub为每个子帧中子载波的个数,K为每个OFDM-IM子帧中激活子载波个数,则信号矢量xg(n)的先验概率为
Figure BDA0001648278710000042
通过在解调时考虑每个子载波的发送矢量xg(n)的先验概率,提高接收端对每个子载波的估计精度;
S3:所述MMSE降维激活模式调制符号估计,对xg(n)中每一种可能的激活模式,删除信道矩阵
Figure BDA0001648278710000043
中对应xg(n)中未激活子载波对应的列,得到此激活模式下的降维信道矩阵;计算得到第e种激活模式对应的降维的信道矩阵
Figure BDA0001648278710000044
此模式下的MMSE均衡矩阵
Figure BDA0001648278710000045
其中
Figure BDA0001648278710000046
为单位矩阵,a为此激活模式下xg(n)中未激活子载波的个数,e=1,2,...,Ce为激活模式索引;计算得到第e种激活模式下激活子载波的MMSE均衡矢量
Figure BDA0001648278710000047
激活子载波的MMSE调制符号估计结果为
Figure BDA0001648278710000048
则此激活模式下调制符号矢量为
Figure BDA0001648278710000049
S4:将MMSE的符号估计结果
Figure BDA00016482787100000410
按照第e种激活模式组成此种激活模式下完整的发送矢量估计
Figure BDA00016482787100000411
计算所有激活模式下发送矢量估计的最大后验概率,第n个子载波的发送矢量估计为
Figure BDA0001648278710000051
计算得到信号子帧中所有子载波的估计,将估计结果按子载波顺序组合成完整的子帧,输入下一级激活模式检测模块。
进一步的,所述的激活模式检测模块的具体实现包括:
检测信号子帧中每个发送天线对应发送的OFDM-IM子帧的激活模式,如果全部合法,则输入到信号子帧解调模块;如果出现激活模式不合法情况,记录所有出错OFDM-IM子帧对应的发送天线索引,输入到错误激活模式纠正和出错子载波估计模块。
进一步的,所述的错误激活模式纠正和出错子载波估计模块的实现具体包括:计算激活模式出错的OFDM-IM子帧的子载波的LLR值,按照合法激活模式集合C={c1,c2,...,cM}计算每一种激活模式的LLR值和,选择LLR值和中最大值对应的激活模式为此OFDM-IM子帧的激活模式估计,即
Figure BDA0001648278710000052
其中
Figure BDA0001648278710000053
为激活模式出错且对应发送天线索引为t的OFDM-IM子帧的LLR值,
Figure BDA0001648278710000054
Figure BDA0001648278710000055
当ki≠kj时,
Figure BDA0001648278710000056
为每个激活模式的子载波索引;完成所有激活模式出错的OFDM-IM子帧的估计后,对信号子帧中估计出错的子载波按照合法的激活模式执行降维的MMSE符号估计,最后将重新得到的估计和没有出错的子载波估计组成新的信号子帧,输入到信号子帧解调模块。
进一步的,所述的信号子帧解调模块的实现具体包括:对输入的信号子帧的每个发送天线对应的OFDM-IM子帧逐个解调,得到每个OFDM-IM子帧对应的序号调制比特和调制符号比特;当G个信号子帧全部解调结束后,将解调得到每个发送天线对应的信息比特组成完整的MIMO-ODFM-IM信号帧的信息比特序列。
本发明结合发送端每个发送天线相互独立的载波序号调制方案,计算得到每个天线上的子载波的激活后映射的每个星座图点的先验概率和未激活取0值的先验概率,在解调时考虑每个子载波发送矢量的先验概率,提高在接收端对每个子载波的估计精度。在每个子载波估计中,对应每一种激活模式只保留信道矩阵Hn中激活子载波对应的列,得到降维的信道矩阵Hn,e,计算此种激活模式下的MMSE均衡矩阵并估计出激活子载波上的调制符号,并按照此激活模式将估计出来的调制符号放入激活载波的位置,得到此种激活模式下的发送矢量估计,同时利用每个子载波的先验概率信息计算此估计矢量的先验概率。针对每个子载波的每一种激活模式的估计结果,计算其最大后验概率值得到此子载波的激活模式和相应调制符号的估计。在计算得到信号子帧的所有子载波的估计后,按子载波序号组成完整的信号子帧估计。检测信号子帧中每个OFDM-IM子帧的激活模式的合法性,对出错的OFDM-IM子帧的激活模式重新估计,最后对估计出错的子载波按照合法的激活模式进行降维MMSE估计,得到激活模式合法的信号子帧估计。
本发明可用于使用MQAM和MPSK调制方式的MIMO-OFDM-IM通信系统中。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和技术效果:本发明可以作为基于MMSE准则辅助的低复杂度最大后验概率(MMSE-MAP)接收机。本发明相对于MIMO-OFDM-IM技术,具有计算复杂度低的优点,而基于MMSE准则的MMSE-LLR虽然降低了解调复杂度,但相比ML接收机有较大的性能损失,因此在对实时性有要求的应用场合中受到限制,而本发明提供的基于MMSE准则辅助的低复杂度最大后验概率(MMSE-MAP)接收机不仅复杂度较低,而且性能损失较小。本接收机首先使用MMSE准则估计每种激活模式下的调制符号,然后使用MAP准则计算每种激活模式下不同发送矢量的最大后验概率,通过考虑不同发送矢量的先验概率,提升每个子载的估计准确度,改善系统的误比特性能。
附图说明
图1是本发明实例中用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法的流程示意图。
图2是本发明实例中MIMO-OFDM-IM系统的信号帧结构示意图。
图3是本发明实施例中MMSE-MAP接收机和MMSE-LLR接收机在不同MIMO配置下的性能对比图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明的实施和保护不限于此,需指出的是,以下若有未特别详细说明之处,均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
本实例的用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法的流程和实现模块如图1所示,具体实施步骤如下。
根据发送端的各个发送天线的载波序号调制方式,接收到的信号帧可以分为相互独立的G个信号子帧,接收信号帧的帧结构示意图如图2所示。取出当前解调的第g个信号子帧接收矩阵,第n个子载波的信号模型为
Figure BDA0001648278710000071
其中g=1,2,...,G信号子帧序号索引,n=1,2,...,Nsub为信号子帧中子载波序号,yg(n)为接收信号矢量,xg(n)为由Nt个天线的第n个子载波的调制符号组成的信号矢量,
Figure BDA0001648278710000072
第n个子载波对应的信道矩阵,ug(n)为第n个子载波上的噪声矢量。
对第g个信号子帧内每个子载波逐个独立解调,在解调得到信号子帧内所有子载波的估计后,将所有子载波的估计结果组合成完整的信号子帧估计。
对第n个子载波估计中,搜索计算xg(n)的所有可能激活模式。对第e种激活模式,删除信道矩阵
Figure BDA0001648278710000081
中对应xg(n)中未激活子载波的列,得到对应的降维的信道矩阵
Figure BDA0001648278710000082
为激活模式索引。计算当前激活模式下的MMSE均衡矩阵
Figure BDA0001648278710000083
其中
Figure BDA0001648278710000084
为单位矩阵,a为此激活模式下xg(n)中未激活子载波的个数。计算此激活模式下激活子载波的MMSE均衡接收矢量
Figure BDA0001648278710000085
激活子载波的MMSE估计结果为
Figure BDA0001648278710000086
此激活模式下激活符号矢量为
Figure BDA0001648278710000087
根据第e种激活模式,使用
Figure BDA0001648278710000088
中符号估计结果,得到完整的发送矢量估计
Figure BDA0001648278710000089
计算xe(n)的先验概率
Figure BDA00016482787100000810
其中
Figure BDA00016482787100000811
为第t个天线对应的第n个子载波的先验概率
Figure BDA00016482787100000812
按照MAP准则计算所有激活模式下发送矢量估计的最大后验概率,则第n个子载波的估计为
Figure BDA0001648278710000091
计算得到所有子载波的估计后,将信号子帧中所有子载波的估计组合在一起得到信号子帧的估计。
对估计得到的每个信号子帧进行激活模式检测,由于信号子帧包括Nt个相互独立的OFDM-IM子帧,依次检查每个发送天线发送的OFDM-IM子帧的激活模式的是否合法,并记录激活模式出错对应的发送天线索引。如果无错,则直接输入信号子帧解调模块得到每个信号子帧的信息比特序列。
当发现有错误激活模式时,计算激活模式出错的天线索引的OFDM-IM子帧的子载波的LLR值
Figure BDA0001648278710000092
其中t为激活模式出错的OFDM-IM子帧对应的发送天线索引,
Figure BDA0001648278710000093
cg(n)t,t为MMSE均衡矢量zg(n)的协方差矩阵
Figure BDA0001648278710000094
的对角元素
Figure BDA0001648278710000095
cov(xg(n))是发送矢量的协方差矩阵,其对角元素除第t个为0,其余为信号方差
Figure BDA0001648278710000096
按照合法激活模式集合C={c1,c2,...,cM}计算每一种模式的LLR值和,其中
Figure BDA0001648278710000097
为每个激活模式的子载波索引,
Figure BDA0001648278710000098
Figure BDA0001648278710000099
当ki≠kj时。选择计算结果中LLR值和中最大值对应的激活模式为此OFDM-IM子帧的激活模式估计,即
Figure BDA00016482787100000910
完成所有激活模式出错的OFDM-IM子帧的估计后,对信号子帧中估计出错的子载波按照从新估计后的合法的激活模式进行降维的MMSE估计,作为此子载波的估计,最后将重新估计的结果和没有出错的子载波估计结果组成新的信号子帧,输入到信号子帧解调模块。
解调信号子帧的每个OFDM-IM子帧独立解调,得到每个发送天线对应的OFDM-IM子帧的序号调制比特和调制符号比特。
当G个信号子帧解调结束后,将解调得到比特序列重组得到完整的MIMO-ODFM-IM信号帧的信息比特序列。
图3是本发明实施例中MMSE-MAP接收机和MMSE-LLR接收机在不同MIMO配置下的性能对比图。基于MMSE准则的MMSE-LLR虽然降低了解调复杂度,但相比ML接收机有较大的性能损失,因此在对实时性有要求的应用场合中受到限制,而本发明提供的基于MMSE准则辅助的低复杂度最大后验概率(MMSE-MAP)接收机不仅复杂度较低,而且性能损失较小。
上述说明为本发明的实施方式,只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,在具体实施方式和应用范围上所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法,其特征在于,包括如下步骤:
a)基于MMSE准则辅助的MAP估计模块的实现:根据多输入多输出载波序号调制系统发送端采用的调制方案,将接收到的信号帧分为G个相互独立的信号子帧,对每个信号子帧中子载波逐个估计独立解调得到每个子载波的解调结果;对每个子载波的每种可能的激活模式进行降维MMSE估计,按照激活模式得到完整的发送矢量估计,然后使用MAP准则计算每个激活模式的矢量估计的最大后验概率,最终得到此子载波的估计;当信号子帧中的所有子载波估计结束,将各个子载波的估计按顺序组成信号子帧的估计;
b)激活模式检测模块的实现:检测信号子帧中对应每个天线发送的OFDM-IM子帧的激活模式,全部合法则输入到下一级信号子帧解调模块;如果检测到有不合法的激活模式,记录对应的发送天线索引,输入到错误激活模式纠正和出错子载波估计模块;
c)错误激活模式纠正和出错子载波估计模块的实现:根据激活模式检测模块输入的信息,计算激活模式出错的OFDM-IM子帧子载波的LLR值,计算所有激活模式的LLR值的和即LLR值和,估计出合法的激活模式;估计所有激活模式出错的OFDM-IM子帧,对估计激活模式出错的子载波按照重新估计后合法的激活模式使用MMSE估计,最后将重新估计的矢量和没有出错的子载波估计矢量组成新的信号子帧估计,输入到信号子帧解调模块;
d)信号子帧解调模块的实现:逐个解调激活模式合法的信号子帧中每个发送天线对应的OFDM-IM子帧,得到每个发送天线发送的相互独立的信息比特,包括序号调制比特和调制符号比特;当G个信号子帧全部解调结束后,将对应每个发送天线发送的信息比特组成信号帧的信息比特序列。
2.根据权利要求1所述的用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法,其特征在于所述基于MMSE准则辅助的MAP估计模块的实现具体包括:
S1:接收到的信号经过块解交织处理后,得到第g个信号子帧,其信号模型为
Figure FDA0003192428460000021
G为信号子帧索引,
Figure FDA0003192428460000022
为第t个发送天线到所有接收天线的信道矩阵,Nt为发送天线的个数,
Figure FDA0003192428460000023
是第t个发送天线发送的OFDM-IM子帧,ug是频域加性白噪声矩阵;对每个信号子帧中的子载波逐个独立解调处理,第n个子载波的信号模型为
Figure FDA0003192428460000024
Nsub为信号子帧中的子载波序号,Nsub为信号子帧中的子载波个数,xg(n)为第n个子载波Nt个天线发送的符号组成的发送信号矢量,
Figure FDA0003192428460000025
为第n个子载波对应的信道矩阵,ug(n)为第n个子载波上的噪声矢量;
S2:所述信号矢量xg(n)中包括映射到M阶调制符号集合χ的激活子载波和映射为0值的未激活子载波,每个发送天线的子载波之间相互独立且具有相同的激活概率;根据发送端选取的OFDM-IM激活模式方案,得到xg(n)中第t个发送天线对应的子载波的先验概率为
Figure FDA0003192428460000031
其中Nsub为每个子帧中子载波的个数,K为每个OFDM-IM子帧中激活子载波个数,则信号矢量xg(n)的先验概率为
Figure FDA0003192428460000032
通过在解调时考虑每个子载波的发送矢量xg(n)的先验概率,提高接收端对每个子载波的估计精度;
S3:所述MMSE降维激活模式调制符号估计,对xg(n)中每一种可能的激活模式,删除信道矩阵
Figure FDA0003192428460000033
中对应xg(n)中未激活子载波对应的列,得到此激活模式下的降维信道矩阵;计算得到第e种激活模式对应的降维的信道矩阵
Figure FDA0003192428460000034
此模式下的MMSE均衡矩阵
Figure FDA0003192428460000035
其中INt-a为单位矩阵,a为此激活模式下xg(n)中未激活子载波的个数,e=1,2,K,Ce为激活模式索引;计算得到第e种激活模式下激活子载波的MMSE均衡矢量
Figure FDA0003192428460000036
激活子载波的MMSE调制符号估计结果为
Figure FDA0003192428460000037
则此激活模式下调制符号矢量为
Figure FDA0003192428460000041
S4:将MMSE的符号估计结果
Figure FDA0003192428460000042
按照第e种激活模式组成此种激活模式下完整的发送矢量估计
Figure FDA0003192428460000043
计算所有激活模式下发送矢量估计的最大后验概率,第n个子载波的发送矢量估计为
Figure FDA0003192428460000044
计算得到信号子帧中所有子载波的估计,将估计结果按子载波顺序组合成完整的子帧,输入下一级激活模式检测模块。
3.根据权利要求1所述的用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法,其特征在于所述的激活模式检测模块的具体实现包括:
检测信号子帧中每个发送天线对应发送的OFDM-IM子帧的激活模式,如果全部合法,则输入到信号子帧解调模块;如果出现激活模式不合法情况,记录所有出错OFDM-IM子帧对应的发送天线索引,输入到错误激活模式纠正和出错子载波估计模块。
4.根据权利要求1所述的用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法,其特征在于所述的错误激活模式纠正和出错子载波估计模块的实现具体包括:计算激活模式出错的OFDM-IM子帧的子载波的LLR值,按照合法激活模式集合C={c1,c2,K,cM}计算每一种激活模式的LLR值和,选择LLR值和中最大值对应的激活模式为此OFDM-IM子帧的激活模式估计,即
Figure FDA0003192428460000045
其中
Figure FDA0003192428460000051
为激活模式出错且对应发送天线索引为t的OFDM-IM子帧的LLR值,
Figure FDA0003192428460000052
Figure FDA0003192428460000053
当ki≠kj时,
Figure FDA0003192428460000054
为每个激活模式的子载波索引;完成所有激活模式出错的OFDM-IM子帧的估计后,对信号子帧中估计出错的子载波按照合法的激活模式执行降维的MMSE符号估计,最后将重新得到的估计和没有出错的子载波估计组成新的信号子帧,输入到信号子帧解调模块。
5.根据权利要求1所述的用于多输入多输出载波序号调制系统的低复杂度解调方法,其特征在于所述的信号子帧解调模块的实现具体包括:对输入的信号子帧的每个发送天线对应的OFDM-IM子帧逐个解调,得到每个OFDM-IM子帧对应的序号调制比特和调制符号比特;当G个信号子帧全部解调结束后,将解调得到每个发送天线对应的信息比特组成完整的MIMO-ODFM-IM信号帧的信息比特序列。
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