用于子载波索引调制OFDM系统的信道估计方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及用于子载波索引调制OFDM系统的信道估计方法。

背景技术：

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术是一种无线通信的高速传输技术，其基本原理是将高速的数据流分解成许多低速率的子数据流，即将信号分成许多正交的子载波，利用这些相互正交的子载波同时进行传输。该技术利用子载波对数据进行调制，扩展了符号的脉冲宽度，可以有效地抵抗符号间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)，提高了对抗多径衰落的性能。与传统频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)相比，OFDM不需要专门的保护频带。虽然频谱之间会有重叠，但是各个载波之间是相互正交的。根据正交性原理可知，各个载波之间是不存在干扰的，从而大大提高了频谱的利用率。

近来，一种新的多载波通信方式——基于子载波索引调制(Subcarrier Index Modulation,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。

现有的SIM-OFDM与传统的OFDM通信方法相比，有着诸多优点，例如SIM-OFDM系统峰值平均功率比更小、对抗子载波间干扰性能更好、误码率更低等，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。而导频位置判断错误将会对SIM-OFDM系统的信道估计性能产生巨大的影响。

技术实现要素：

本发明针对现有索引调制OFDM系统导频位置判断错误对系统产生影响的问题，提出一种选择性地剔除错误导频点的算法。从而使得既保留了SIM-OFDM系统本身的优势，又可以减少导频位置判断错误对系统产生的影响。

本发明的技术方案是：

用于子载波索引调制OFDM系统的信道估计方法，其特征在于，包括：

发射端：

a.分块：对子载波索引调制OFDM系统的子载波进行分块处理，得到g＝N/n个子块，其中N表示系统的子载波总个数，n表示每个子块的子载波个数；

b.调制：对每个子块，调制模块先提取对应的导频图案比特和调制比特，然后调制比特经过M-QAM调制得到要发送的星座点符号，最后根据导频图案比特来确定n-k个导频放置位置，其余k个子载波用于发送星座点符号；因此，一帧符号传输的信息比特数为g·k·log₂(M)；导频图案比特为k为每个子块中发送星座点符号的子载波个数，表示向下取整函数，则有总比特数为

c.发送：对系统的每个子块，由k个数据映射子载波携带经索引调制后的数据，n-k个导频映射子载波携带经索引调制后的导频数据，并设置两种子载波的发送功率；

接收端：

d.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分块方式，得到g＝N/n个子块，每个子块中含有n个子载波；分块之后，对每个子块进行能量检测，认为每个子块中能量最低的n-k个子载波位置为当前子块的导频数据所在子载波位置，即查找每个子块中能量最低的n-k个子载波位置并标记为当前子块的导频位置l_i，下标i为子块标识符，由g个导频位置l_i构成导频位置集合L₁，由导频位置集合L₁获取导频位置处的频域接收信号Y_P1；

e.初始信道估计：采用传统信道估计方法由频域接收信号Y_P1、导频数据P和导频位置集合L₁进行信道估计得到第一次信道估计值传统信道估计方法指线性最小二乘估计(LS)、线性最小均方误差估计(LMMSE)、压缩感知的信道估计(CS)等信道估计方法；

f.第二次导频位置判断：根据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对均衡信号采用与发射端相同的分块方式，得到g＝N/n个子块，每个子块中含有n个子载波，分块之后，对每个子块进行能量检测，同样认为均衡信号的每个子块中能量最低的n-k个子载波位置为当前子块的导频位置，由g个子块的导频位置构成导频位置集合L₂，由导频位置集合L₂获取导频位置处的频域接收信号Y_P2；采用的均衡方法包括但不仅限于破零均衡(ZF)、线性最小均方误差均衡(LMMSE)等

g.更新信道估计值：由频域接收信号Y_P2、导频数据P和导频位置集合L₂进行二次信道估计，得到第二次信道估计值

h.剔除m个判断错误的导频位置：计算导频位置集合L₂中各导频位置处第二次信道估计与第一次信道估计值的均方误差MSE_P,i,j：其中i表示第i个子块,j表示第i个子块的中的第j个子载波；假设导频位置剔除系数为λ，将均方误差MSE_P,i,j按降序排列，剔除前m＝λ·(n-k)·g个均方误差值所对应的导频位置，得到导频位置集合L₃，由导频位置集合L₃可获得导频位置处的频域接收信号Y_P3；

i.再次更新信道估计值：由频域接收信号Y_P3、导频数据P和导频位置集合L₃进行信道更新估计，得到第三次信道估计值

j.重复步骤f-步骤i，直到重复次数等于预设阈值T，得到最终的信道估计值

本发明的有益效果为：在现有的索引调制OFDM系统的基础上，在发送端对数据映射子载波和导频映射子载波进行功率分配，接收端通过能量检测获取导频所在位置，并选择性地剔除判断错误的导频位置，本发明用于基于导频的索引调制OFDM通信系统，通过剔除若干判断错误的导频位置，减少错误导频位置对系统产生的影响，提高系统信道估计的性能。

附图说明

图1为实施例的索引调制的原理图；其中X₁,...,X₅₁₂表示每个子块的发送数据，α_S表示数据映射子载波的发送功率，P₁,...,P₅₁₂表示每个子块的导频数据，α_P表示数据映射子载波的发送功率；

图2为应用错误导频位置剔除算法的索引调制系统接收端的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

本发明以现有的基于导频的索引调制OFDM系统为基础，与现有的基于导频的索引调制OFDM系统不同的是，采用了一种错误导频位置剔除算法，减少了由导频位置判断错误对信道估计的影响，其中所涉及的索引调制、发送和接收处理等均与现有的基于导频的索引调制OFDM系统相同。

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)，信道粗估计采用LS信道估计，信道精估计采用CS信道估计，采用ZF均衡为例介绍本发明的具体实施方式。

发送端：

如图1所示的SIM调制的原理图，具体实施过程大致分为如下几步：

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＝gklog₂M＝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：进行SIM调制，确定对应的数据映射子载波，然后将SIM调制符号分配到对应的数据映射子载波上。对每个子块，由数据映射子载波携带发送数据，导频映射子载波携带导频数据(对应图中的导频符号)，并设置数据映射子载波的发送功率大于导频映射子载波的发送功率。在本实施方式中，对于(n,k)的索引调制OFDM系统，设置数据映射子载波、导频映射子载波的发送功率在平均归一化满足kα_S+(n-k)α_P＝n，且α_S>1,α_P<1，其中α_S为数据映射子载波的平均归一化发送功率，α_P为导频映射子载波的平均归一化发送功率。

SIM调制的具体过程为：k个子载波携带p₂位比特信息，每个子载波携带1个符号，每个符号是将log₂M个比特映射成的1个M阶信号调制符号。每个子块中根据p₁个比特的数值取值来确定具体哪k个激活子载波来发送这k个M阶信号调制符号。

接收端：

步骤2-1：第一次导频位置判断。频域的接受信号Y采用与发送端相同的分块方式，得到g＝512个子块，每个块中含有2个子载波。分块之后，对每个子块逐一进行能量检测e_j＝|Y_i,j|，其中i表示第i个子块,j表示第i个子块的中的第j个子载波，认为每个子块中能量最低的n-k＝1个子载波位置为当前子块的导频数据P_i(i＝1,2,...,512)所在子载波位置，并记为当前子块的导频位置l_i(i＝1,2,...,g),由512个导频位置l_i构成导频位置集合L₁，由导频位置集合L₁可获取导频位置处的频域接收信号Y_P1。

步骤2-2：初始信道估计。由频域接收信号Y_P1、导频数据P＝[P_i]_1≤i≤g和导频位置集合L₁进行CS信道估计，得到信道估计值

步骤2-3：第二次导频位置判断。利用步骤2-2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分块方式，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能量检测同样认为均衡信号的每个子块中能量最低的n-k＝1个子载波位置为当前子块的导频位置，由512个子块的导频位置构成导频位置集合L₂，由导频位置集合L₂获取导频位置处的频域接收信号Y_P2。

步骤2-4：更新信道估计值由频域接收信号Y_P2、导频数据P和导频位置集合L₂进行信道粗估计和信道精估计，分别得到最小二乘法信道估计值和更优的CS信道估计值

步骤2-5：剔除m个判断错误的导频位置。导频位置剔除系数的取值范围通常为2％～5％，本发明以剔除12个导频位置为例，计算导频位置集合L₂中各导频位置处CS信道估计与LS信道估计的均方误差MSE_P,i,j：其中i表示第i个子块,j表示第i个子块的中的第j个子载波。将均方误差MSE_P,i,j按降序排列，剔除前12个均方误差值所对应的导频位置，剩下的500个导频位置构成集合L₃，由导频位置集合L₃可获得导频位置处的频域接收信号Y_P3。

步骤2-6：再次更新信道估计值由频域接收信号Y_P3、导频数据P和导频位置集合L₃进行CS信道估计，得到更新后的信道估计值

步骤2-7：重复执行步骤2-3、2-4、2-5和2-6，直到重复次数等于预设阈值T，得到最终的信道估计值

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。