一種nc預編碼sm-ofdm系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種NC預編碼SM?OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方法，屬于通信抗干擾技術(shù)領域。本發(fā)明最優(yōu)功率分配方案主要是在接收端根據(jù)估計信道得到系統(tǒng)的平均BER理論值，從而得到最優(yōu)功率分配方案。具體方法如下：根據(jù)與數(shù)據(jù)子載波相鄰的L處導頻子載波信道估計，采用L階廣義線性內(nèi)插技術(shù)得到該處數(shù)據(jù)子載波的估計信道，然后計算數(shù)據(jù)子載波的平均BER理論上界，最后通過最小化平均BER上界得到導頻符號和數(shù)據(jù)符號間的最優(yōu)功率分配方案。在總功率有限的條件下，本發(fā)明的最優(yōu)功率分配方案能夠在不增加計算復雜度的情況下，使NC預編碼SM?OFDM系統(tǒng)的BER性能得到顯著的提高。本發(fā)明適用于任意階線性內(nèi)插技術(shù)。
【專利說明】
一種NC預編碼SM-OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方法
技術(shù)領域
[0001 ] 本發(fā)明屬于通信抗干擾技術(shù)領域，涉及空間調(diào)制（Spatial Modulation，SM)技術(shù)， 正交頻分復用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)，N連續(xù)（N-continuous，NC)預編碼技術(shù)，信道估計技術(shù)，及其相關的SM-OFDM技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIM0)技術(shù)是一種無線環(huán)境下的高 速傳輸技術(shù)，它在發(fā)射端和接收端配置更多的天線單元，并結(jié)合先進的空時編碼調(diào)制方案， 通過對空間自由度的充分利用，帶來額外的分集，復用和波束成型增益。SM技術(shù)是一種高效 低復雜度的MIM0調(diào)制方案，SM系統(tǒng)的實施簡單，并利用傳輸數(shù)據(jù)的天線索引來攜帶額外的 信息比特。(FDM技術(shù)能充分利用頻譜資源，有效對抗多徑衰落和大時延擴展引起的符號間 干擾。SM-0FDM技術(shù)被認為是未來移動通信系統(tǒng)很有可能選用的技術(shù)方案之一。利用高階導 數(shù)平滑連續(xù)符號的NC預編碼技術(shù)能有效解決傳統(tǒng)0FDM系統(tǒng)存在的頻譜泄漏問題。因此值得 分析NC預編碼對SM-0FDM系統(tǒng)性能的影響。
[0003] NC預編碼SM-CFDM系統(tǒng)的信道估計誤差會影響接收機對信號的檢測準確度，使系 統(tǒng)性能降低，可通過增加導頻數(shù)量來提高信道估計的準確性，但其會降低系統(tǒng)傳輸效率。本 發(fā)明即是針對以上問題，本發(fā)明首先分析采用基于干擾抑制的最小均方誤差（minimum mean square error，MMSE)信道估計時NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)的誤比特率（Bit Error Rate，BER)上界，然后給出采用多階線性內(nèi)插技術(shù)時導頻符號和數(shù)據(jù)符號間的最優(yōu)功率分 配方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，針對NC預編碼對SM-0FDM系統(tǒng)BER性能的影響和信道估計誤差對NC 預編碼SM-0FDM系統(tǒng)BER性能的影響，分析基于干擾抵消的MMSE信道估計下NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)的理論性能，并提供一種基于BER上界最小準則的適用于任一階線性內(nèi)插技術(shù)的 導頻符號和數(shù)據(jù)符號間的最優(yōu)功率分配方案。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方法，其特征在 于，包括以下步驟：
[0006] 步驟1:確定要選擇的系統(tǒng)的參數(shù)，即確定子載波數(shù)個數(shù)K，相干帶寬內(nèi)的子載波數(shù) Nc，平均符號功率E〇，發(fā)射天線個數(shù)Nt，接收天線個數(shù)Nr，調(diào)制階數(shù)M，NC預編碼中的連續(xù)階數(shù) N〇
[0007] 步驟2:根據(jù)信噪比ro,計算出最優(yōu)功率分配因子a'然后計算出導頻符號的功率EP 和數(shù)據(jù)符號的功率Ed。
[0008] 其中
表示平均信噪比，8 = eNt/K，其中廣=「尤 Ml，EP = Eo/[S(l+a*)]、Ed = a*Eo/[(l-S)(l+a*)]，E。表示系統(tǒng)的總發(fā)射功 率。
[0009] 步驟3:將數(shù)據(jù)子載波進行空間調(diào)制，在每段相干帶寬內(nèi)插入導頻塊，數(shù)據(jù)子載波 上的數(shù)據(jù)信號乘以#，導頻子載波上的導頻信號乘以對每根發(fā)射天線的K個子載波 上的信號依次做NC預編碼處理和正交頻分復用調(diào)制，最后通過該天線發(fā)射調(diào)制后的信號。
[0010] 本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明提供了 NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)的平均BER理論上界和 一種能改善不完美信道估計下NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)BER性能的導頻與數(shù)據(jù)符號間的最優(yōu) 功率分配方案。該技術(shù)首先計算采用基于干擾抵消的MMSE估計法和L階廣義線性內(nèi)插技術(shù) 的系統(tǒng)平均BER上界并集界，然后通過最小化BER上界得到適用于任意階的廣義線性內(nèi)插技 術(shù)的最優(yōu)功率分配方案。在總功率有限的條件下，該最優(yōu)功率分配方案能使系統(tǒng)的BER性能 得到顯著的提高。
【附圖說明】
[0011]圖1為NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)框圖和信息的傳輸模型。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，以便本領域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里講被忽略。
[0014] 為更好地對本發(fā)明進行說明，先介紹本發(fā)明技術(shù)方案所用到的術(shù)語和空間調(diào)制系 統(tǒng)發(fā)射機結(jié)構(gòu)。
[0015] NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)：如圖1，空間調(diào)制前的數(shù)據(jù)是需要傳輸?shù)谋忍財?shù)據(jù)b，可以 被視為一個n XK的矩陣，其中K是0FDM系統(tǒng)中的子載波數(shù)，？? = M +「bg2^是一個SM調(diào)制 符號所攜帶的比特數(shù)量，M是QAM或者PSK調(diào)制的階數(shù)?？梢钥闯?，一個SM調(diào)制符號所能攜帶 的比特數(shù)量由QAM或者PSK調(diào)制階數(shù)和發(fā)射天線數(shù)量共同決定。SM調(diào)制準則是根據(jù)SM轉(zhuǎn)化表 將b轉(zhuǎn)化成為一個NtXK的矩陣X。在X中，一列代表一個子載波上發(fā)送的數(shù)據(jù)，任意一列只有 一個非零數(shù)據(jù)，意味著任意時刻只有一根天線發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0016] 本發(fā)明的具體實施方案如圖1所示的系統(tǒng)模型圖。
[0017] 一種NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方法，具體包括以下步驟：
[0018] A ?初始化
[0019] NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)有Nt根發(fā)射天線和Nr根接收天線的，一個0FDM符號有K個子 載波。在發(fā)射端，每個頻點上的「log 2 % 1個比特選擇一根發(fā)射天線攜帶M階正交幅度調(diào)制 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM)或者相位調(diào)制（multiple phase shift keying，M-PSK)字母表中一個符號，然后分別對每根發(fā)射天線上待發(fā)射的OFDM符號做NC預 編碼，最后發(fā)射天線發(fā)送預編碼后的0FDM符號。每個子載波上每次傳輸?shù)谋忍財?shù)量為 7 = iog:l/+「log: V〕。相干信道內(nèi)包含Nc個子載波，其中Nt個子載波傳播導頻符號，剩下的子 載波傳播數(shù)據(jù)符號。一個0FDM符號中有￡ =1個導頻塊。每個導頻符號的功率是EP，每個 數(shù)據(jù)符號的功率是Ed，平均每個符號的功率為Eo，它們滿ME P = Eo/ [ S (1 +a)]和Ed = aEo/ [ (1 - S)(l+a)]，其中5 = eNt/K，a(a>0)是功率分配因子。
[0020] B.計算第|th(l<^e)個相關帶寬內(nèi)導頻處的信道估計 [0021] B1.接收到的導頻符號
[0022] 導頻矩陣表示為X卜具，…丨)，其中 <和,",是第n(n= 1，2，…， Nt)根發(fā)射天線在第個子載波上傳輸?shù)膶ьl符號，且| xP,n | = 1，其中 爐(名，《) = (#-1) 7乂, + ?:。預編碼后的導頻矩陣表示為
[0023] = ^FfX^ +Wf ,
[0024] 其中町以/呢丨心山抑廣/:似,.…,，.' )，W/ = (K^.1)' K(i.2r， e C啊(b = 1A.，?，爲)表示第外"):個子載波上由NC預編碼引入的干擾向量，且中 的每個元素都服從分布C^Ow^w；)，其中 的第供(^)行第列元素，其中F^K-OHAHUAHrlUK表示KXK的單位矩陣，
[0026] ? = diag(e1〇k'',eMl,? ? ?,eMx'1),
，1'。1)和1^分別表示循環(huán)前綴和符號周期。接收到的導頻信號￥ €^'>^是
[0029] 其中Hf表示信道矩陣，它的每個元素都是均值為〇方差為1的復高斯隨機變量，Zf 表示Y:中的噪聲部分。Z' ^的自相關矩陣為
[0030] =五|(Zf) (Zf)卜勒摩 +(j>f議
[0031 ] B2.導頻處基于干擾抑制的信道估計 [0032]基于干擾抑制的MMSE信道估計矩陣為
，所以可簡化為
[0036] §|的自相關矩陣為
[0038]所以Hf中每個元素的方差是% =盡馬/(五P + <)，其中馬=1/A^mce(0^)。 [0039] C.數(shù)據(jù)載波處的信道估計
[0040]在第個相干帶寬內(nèi)，第舛個到第約尤馬)個子載波傳輸數(shù)據(jù)， 其中 f NciXg<e
[0041 ] N￡ = { ' " 。
[0042] 實際中，采用L階線性插值技術(shù)計算第辦仏/)個數(shù)據(jù)子載波處的估計信道是通過求 與該數(shù)據(jù)子載波信道相鄰的L個導頻符號處的估計信道的線性組合來計算該數(shù) 據(jù)子載波信道的估計值，具體實施過程如下
[0043] 把功=1>;〇電。 f=l
[0044] 因此信道Hk,的自相關矩陣為
[0045] = ,
[0046] 與心,中每個元素的方差為
[0048]其中^.n=iXdn):。估計誤差矩陣AH^,n二的自相關矩陣為 /=1
[0050] 中每個元素的方差為
[0052] D.NC預編碼系統(tǒng)的平均BER理論上界
[0053] D1.接收到的數(shù)據(jù)符號
[0054]在第I個相干帶寬內(nèi)，在第1 (1 =Nt+l，Nt+2，…，呢)個子載波上接收到的數(shù)據(jù)符號 向量為
[0056]其中和分別表示第(喊or個子載波上的信號和干擾部分， 表示沖的噪聲部分。向量沖每個元素的方差是 幽
[0057] 2二n中每個元素的平均功率為
[0059] 最后進一步簡化為
[0060] y^j) = +Z>p(-;J) 9
[0061] 其中<_是等效的AWG響量，它的每個元素相互獨立同分布于CA/j〇,0^ 1。
[0062] D2.系統(tǒng)的平均BER理論值
[0063]將私糾改寫成私糾：^另^心其中矩陣仏中的每個元素都是獨立同分布于 CiV(OJ)，且
[0064] B^V) = 矩陣8^) (&"/ (Bia廣 Bk)的唯一一個特征值為 KdJ) ~^d trace ' K,j?\
[0065] L 」，
[0066] 其中5^v,二-<〇)。得到NC預編SM-OFDM系統(tǒng)中的平均BER上 界為
[0068]其中表示信號向量和間不同的比特數(shù)，
[0074] E.計算最優(yōu)功率分配因子
[0075] E1.對BER理論值做近似處理
[0076] 假設#為和4為發(fā)送的M-QAM/PSK調(diào)制符號分別是幻和幻。當和^為都激活第n 根發(fā)射天線時 -). 氣
[0077] {n,n) 1^*1 *^21 ?
[0078] 其中f是矩陣'的第n行n列元素。由于每根天線被激活的概率為
，所以
[0079]
[0080] 當激活的是第m根發(fā)射天線，激活的是第n2根發(fā)射天線，且m#n2時， _] M=Ed|/^,v?|2M\4 (^.? 2)hr)。
[0082]因為和激活天線不同的情況有Nt(Nt-l)種，所以
[0084]從上面的分析可以得到
[0086]其中;=(4A -心廣(*iA -4盡)。將EP = E〇/[S(l+a)]和Ed = aEo/[(l-S)(l+ ]帶入心力(A，A)和<心中得到
[0089] 此時
[0091] 其中
['2] 二 MW,/)"五。|.4(t〇.?>(;Vi| Aa.a:， KiiJ) =M〇 +^E,alS{\ + a)-Aw(p(4J] j/^,,,^,,,12 aEl
[0093] +4cr￡；)(l-^)(l+t/) + 4<<j)(l + c/)：(l-J) 。 +%{#,/)^0 \ ftp
[0094] E2.BER上界對功率分配因子a求導數(shù)
[0095] BER上界對功率分配因子a求倒數(shù)得到
[0101] E2.1 計算
[0102] 對a求導得到
[0104] 由于^，噸/…丨心f么#>0,（心力廣5(4 合條件的解為^二(卜外以(1-$]/[#+外W)],其中
「表示平均信噪比。
[0105] 當0〈a〈a*時，3i^v)/如 <0;當a>a*時，31>^,/如 >:0 0所以，是沒4.n/& 的最小 值點。由于〇 < < 〇.5，所以1 - (%功)? > 0_5 > (/)")廣> 0，且當XJ.A笑 爲時 <y > 0，因此3￡)^.^心的最小值點也是
的最小值 點。所以a*是NC預編碼SM-0FDM系統(tǒng)采用匪SE信道估計和L階信道插值技術(shù)時導頻符號和數(shù) 據(jù)符號間最優(yōu)功率分配因子。
[0106] 在不同的線性內(nèi)插技術(shù)中，同一頻率位置處數(shù)據(jù)子載波的估計信道的方差系數(shù)通 常是不相同的。由于最優(yōu)功率分配因子f與％n切無關，因此可以得出如下結(jié)論，SM-0FDM系 統(tǒng)無論采用任意階線性內(nèi)插技術(shù)，導頻與數(shù)據(jù)符號間的最優(yōu)功率分配因子都是
【主權(quán)項】
1. 一種NC預編碼SM-OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:確定要選擇的系統(tǒng)的參數(shù)，即確定子載波數(shù)個數(shù)K，相干帶寬內(nèi)的子載波數(shù)N。，平 均符號功率E〇,發(fā)射天線個數(shù)Nt，接收天線個數(shù)Nr，調(diào)制階數(shù)M，NC預編碼中的連續(xù)階數(shù)N; 步驟2:根據(jù)信噪比Π )，計算出最優(yōu)功率分配因子a%然后計算出導頻符號的功率EP和數(shù) 據(jù)符號的功率Ed; 其中，其中K 表示平均信噪比，δ = εΝι；/ Κ，其中 f =「從以，ΕΡ = Ε〇/ [ δ (1 +a*) ]、Ed = a*E〇/ [ (1 -δ) (1 +a*) ]，Ε〇表示系統(tǒng)的總發(fā)射功率； 步驟3:將數(shù)據(jù)子載波進行空間調(diào)制，在每段相干帶寬內(nèi)插入導頻塊，數(shù)據(jù)子載波上的 數(shù)據(jù)信號乘以#，導頻子載波上的導頻信號乘以對每根發(fā)射天線的Κ個子載波上的 信號依次做NC預編碼處理和正交頻分復用調(diào)制，最后通過該天線發(fā)射調(diào)制后的信號。
【文檔編號】H04B7/04GK105959047SQ201610392892
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】喻鳳, 雷霞, 肖悅, 和祿, 陳昱樹, 蔣兆翔
【申請人】電子科技大學