一种基于混叠导频的OFDM信号传输方法

本发明涉及通信接收机设计领域，尤其涉及一种应用混叠导频的正交频分复用(ofdm)信号迭代传输方法。

背景技术：

1、作为现代通信系统的基石，正交频分复用(ofdm)技术在无线局域网、移动通信、水声通信和可见光通信等众多领域得到了广泛应用。近30年来，人们对ofdm系统的信道估计和检测算法进行了深入的研究，取得了大量研究成果。但是，随着高铁、无人机和低轨道卫星的发展，高速移动场景下下信道的快速时变、稀疏和多普勒效应给现有ofdm接收机带来了新的挑战。现有ofdm传输系统通常选择一些子载波来传输导频信号，以便进行信道估计和符号检测。但是在高速通信中由于多径效应的作用，信道参数复杂，精确的信道估计需要大量导频，致使频谱和复杂度开销较大。此外，第6代移动通信系统的峰值吞吐量将达到太比特(tbit)级，频谱资源将扩展到毫米波频段。毫米波具有更大的带宽，能够实现更高的数据速率，信道多径和稀疏特征更加明显，但是对信道估计和检测算法的复杂度提出了更高的要求。

2、ofdm系统通常将已知信息添加到信息比特或信道编码比特中作为导频，或选择多个子载波传输导频。但是，导频的插入会占用宝贵的频谱资源，并会产生更多的运算开销，从而引起频谱效率和传输速率的严重损失。

3、酉变换近似消息传递算法(uamp)是基于贝叶斯理论的系统建模和参数估计方法，这类方法首先对系统中所有变量的联合概率分布进行因式分解；然后根据变量间的约束关系，选择最优的消息更新规则进行计算；最后设计合理的初始化和迭代机制，形成迭代算法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于混叠导频的ofdm信号传输方法，能够将混叠导频作为频域符号的先验分布，完成迭代算法的引导，无需改变已有的接收机框架，有效提升了ofdm系统的频谱利用率和鲁棒性。

2、本发明采用下述技术方案：

3、一种基于混叠导频的ofdm信号传输方法，包括以下步骤：

4、a：生成频域数据向量xd、频域导频向量xp、频域传输向量x、ofdm信道h和接收向量y，最终建立混叠导频ofdm迭代接收机数学模型y＝h·x+w；其中，表示协方差矩阵为λ-1in的加性高斯白噪声，λ为噪声精度，in表示维度为n的单位阵；

5、b：进行迭代算法变量初始化；

6、包括初始化数据符号相关变量中的频域传输向量x的均值方差vx的初始值和噪声精度的初始值；还包括初始化信道相关变量中的时域信道抽头向量α的均值方差vα的初始值、中间变量s和超先验变量γ；以及观测矩阵ψ，以及伪频域信道向量h′；

7、c：利用酉变换近似消息传递方法进行信道估计；

8、d：应用置信传播算法进行混叠导频符号检测，得到发送信息序列b的估计

9、e：进行噪声精度估计；

10、f：迭代执行步骤c到e，对所建立的混叠导频ofdm迭代接收机数学模型进行更新，最后利用更新后的混叠导频ofdm迭代接收机数学模型完成信号传输。

11、所述的步骤a包括以下具体步骤：

12、a1：生成频域数据向量xd；

13、设所发送的信息序列b∈[0,1]2n×1经过q阶qam调制得到频域数据向量其中，下标d表示数据域，符号b∈[0,1]2n×1表示向量b中元素仅有0,1两种取值，向量长度为2n，n表示ofdm系统中子载波个数，符号表示复值矩阵，维度为n×1；

14、a2：随机生成频域导频向量xp；频域导频向量xp的长度与频域数据向量xd相同；

15、a3：加权生成频域传输向量x；

16、将频域数据向量xd与频域导频向量xp加权生成频域传输向量x；

17、x＝∈xd+(1-∈)xp；

18、其中，参数∈∈(0,1）为加权系数；

19、a4：生成ofdm信道；

20、将ofdm频域等效信道表示为时域抽头形式，h＝φα；其中，表示时域信道抽头向量，l表示信道抽头长度，矩阵φ为n×n离散傅里叶变换矩阵(dft)的左侧l列；抽头向量α具有稀疏性，即α中仅有k个非零元素，其中k表示非零抽头个数，取决于信道散射情况，且k＜＜l；

21、a5：生成接收向量；

22、在接收端，将频域接收向量表示为：

23、y＝h·x+w；

24、其中，运算h·x表示向量h和x对应元素相乘，表示协方差矩阵为λ-1in的加性高斯白噪声，λ为噪声精度，in表示维度为n的单位阵；

25、最终，得到混叠导频ofdm迭代接收机数学模型y＝h·x+w。

26、所述的步骤a1中，信息序列b的调制方法为：首先将信息序列b分为两个向量b1,b2∈[0,1]n×1，元素分别表示向量b1和b2中的第n个元素；然后根据元素的取值，将调制为对应的复值数据s1,s2,s3或s4；在qam调制中s1,s2,s3,s4称为星座点，表示频域数据向量xd中的第n个元素；qam调制关系如下，当分别取(0,0),(0,1),(1,0)和(1,1)时，分别将其调制为s1,s2,s3和s4。

27、所述的步骤a2中，随机生成频域导频向量xp的方法为：从星座点s1至s4中随机挑选n次，生成长度为n的频域导频向量下标p表示导频域。

28、所述的步骤b包括以下具体步骤：

29、b1：初始化数据符号相关变量，包括频域传输向量x的均值和方差vx的初始值，以及噪声精度的初始值；

30、其中，初始化频域传输向量x的均值和方差vx的初始值分别为和vx＝1n，即假定最初的频域传输向量为导频xp，噪声精度初始值为其中1n表示长度为n的全1向量；

31、b2：初始化信道相关变量，包括时域信道抽头向量α的均值和方差vα的初始值，以及中间变量s和超先验变量γ；

32、其中，初始化时域信道抽头向量α的均值和方差vα的初始值分别为和vα＝il；初始化中间变量s＝0n和超先验变量γ＝1l，其中，0n和1l分别表示长度为n的全0和长度为l全1向量，il表示维度为l单位阵；

33、b3：定义观测矩阵ψ；

34、对矩阵φ进行奇异值分解(svd)，即[u,λ,v]＝svd(φ)；根据奇异值分解理论得到分解后所得到的三个矩阵中，u和v为酉矩阵，λ为对角阵；

35、从而定义观测矩阵ψ为：ψ＝uhφ；

36、b4：定义伪频域信道向量h′为h′＝uhh；

37、其中，h′定义为伪频域信道向量，uh表示矩阵u的共轭转置。

38、所述的c包括以下具体步骤：

39、c1：利用和vx分别计算频域等效信道h的预估均值和预估方差分别为和分别计算为：

40、

41、其中，表示向量的共轭，表示向量和频域接收向量y的点乘，即对应元素相乘；

42、c2：计算伪频域信道h′的预估计均值和预估方差和分别为：

43、

44、其中，|u|2＝i，i表示单位阵，

45、c3：依次计算中间变量vp、p、vs和s；

46、vp＝|ψ|2vα；

47、其中，ψ为观测矩阵，vα为时域抽头向量的方差；

48、

49、其中，表示时域信道抽头向量α的均值，s为中间变量，运算符“·”表示向量的点乘；

50、

51、其中，运算符号“./”表示向量的点除，即两个向量对应元素除；

52、c4：依次计算中间变量vq和q；

53、vq＝1./(|ψh|2vs)，

54、其中，ψh表示矩阵ψ的共轭转置；

55、c5：利用超先验变量γ，计算时域信道抽头向量α的均值和方差vα：

56、vα＝vq./(1+γ·vq)；

57、c6：更新计算超先验变量γ；

58、

59、c7：分别计算伪频域信道h′的均值vh′和方差最终完成信道估计；

60、

61、其中，和vh′分别为伪频域信道h′的均值和方差，

62、

63、其中，和vh分别为等效频域信道h的均值和方差。

64、所述的步骤d包括以下具体步骤：

65、d1：利用得到的频域等效信道h的均值和方差vh，计算频域传输向量x的估计均值和方差vx，分别为

66、

67、其中，表示向量的共轭；

68、d2：计算频域数据向量xd的估计均值

69、

70、d3：根据频域数据向量xd的估计均值对发送符号进行判决，最终得到a1步骤中发送信息序列b的估计

71、所述的步骤d3中，已知qam调制的四个星座点为s1～s4，则依次判断变量距离四个星座点s1～s4中的哪个更近，将判决为该星座点所对应的0,1取值，其中，表示向量的第n个元素；具体方法如下：

72、首先，计算与s1～s4的欧几里得距离，分别记为

73、其次，判断中的最小值；然后，根据最小值判决得到发送信息比特的估计值，记为例如当中最小，则可以判决

74、最后，将所有的排列为向量，得到发送信息序列的估计

75、所述的步骤e中，依据步骤b和步骤c所得等效频域信道h的均值和方差vh，频域传输符号x的均值和方差vx，计算噪声精度λ的估计值，

76、

77、其中，|| ||2表示向量的2范数。

78、本文发明仅需将混叠导频作为频域符号的先验分布，即可完成迭代算法的引导，无需改变已有的接收机框架，非常适合应用于ofdm接收机构建场景。本发明首先引入uamp作为时/频域信道转换的处理方案，并嵌入稀疏贝叶斯学习(sbl)模型作为时域信道的先验模型；其次，在检测中应用置信传播规则进行调制和解调处理，仅通过改变调制系统的先验分布，即可将混叠导频嵌入现有的消息传递类检测算法，发明能够以相同的复杂度大幅提升了ofdm系统的频谱利用率和鲁棒性。