CN101068116B - 一种多用户多天线码分多址系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户多天线码分多址系统的检测方法，包括步骤：在所述多用户多天线码分多址系统的接收端构建系统矩阵H；将所述系统矩阵H的共轭转置与其自身相乘，得到对称正定矩阵A；确定所述对称正定矩阵唯一对应的无向图G；根据系统参数设置和具体应用环境，对所述无向图G中的顶点重新编号；根据新的顶点编号，重排所述对称正定矩阵的行列顺序；对所述排序后的对称正定矩阵进行Cholesky分解；逐次求解以Cholesky分解所得下三角矩阵和上三角矩阵为系数的线性方程组，得到每个用户的各个发送天线上符号的估计值。

Description

一种多用户多天线码分多址系统的检测方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统的检测方法，尤其涉及第三代(3G)移动通信系统、三代增强(E3G)移动通信系统、超三代(B3G)移动通信系统或第四代(4G)移动通信系统中的空时检测处理方法。

背景技术

图论是起源于十八世纪，兴起于二十世纪初期的一门独立的数学学科，其抽象有效的论证方法可以解决包括基础学科和技术学科在内的诸多问题。数学中的矩阵与图有着密切的联系，特别是对称矩阵可以对应唯一的无向图，因此，图论的原理和算法已被越来越多地应用于矩阵相关的研究领域。

近年来，随着无线通信网络和技术的不断发展，人们对高速率、高质量的业务需求显著增长。第三代移动通信TD-SCDMA系统采用码分多址(CDMA)技术与多天线接收技术，其接收端的联合检测处理方式可同时降低多址干扰与多径干扰，有效改善了系统性能；另一方面，随着对移动通信关键技术研究的深入，多天线传输/多输入多输出(MIMO)作为一种充分利用空域资源的技术，以其有效提高系统数据传输速率和频谱效率、改善通信质量等特点而成为近年来被广泛关注和采用的技术。因此，在针对未来移动通信系统的研究开发过程中，多天线技术与CDMA多址方式的结合成为学术界的研究热点之一。然而，在多用户多天线CDMA系统中，由于系统矩阵同时包含多用户、多天线、多径信道、扩频码字及信号处理块长等特征，造成矩阵规模庞大且具有较高的检测译码复杂度，对实际系统的处理能力、运算时间和存储空间都提出了较高的要求，难以实现。因此，有必要研究一种低复杂度的多用户多天线CDMA系统检测方法，以利于硬件实现。

发明内容

本发明提出了一种多用户多天线码分多址系统的检测方法。该方法基于图论的原理和算法，在针对系统矩阵生成的对称正定矩阵进行Cholesky分解之前添加了排序操作，有效降低了多用户多天线CDMA系统检测译码的复杂度。该方法包括步骤：(1)在系统接收端按照特定的方式构建包含多用户、多天线、多径信道、扩频码字及信号处理块长等特征的系统矩阵H；(2)将矩阵H的共轭转置与其自身相乘，得到对称正定矩阵A；(3)基于图论的思想，做出该对称正定矩阵唯一对应的无向图G；(4)根据系统的用户数、收发天线数、多径数、扩频因子及信号处理块长等参数选择不同的图论算法，对无向图中的顶点重新编号；(5)根据更新的顶点编号，重排对称正定矩阵的行列顺序；(6)对经过排序后的对称正定矩阵进行Cholesky分解；(7)逐次求解以Cholesky分解所得下三角矩阵和上三角矩阵为系数的线性方程组，得到每用户各发送天线上符号的估计值，即多用户多天线CDMA系统的检测结果。

该方法结合图论在矩阵处理上的优势，通过简单的矩阵行列排序操作，有效减少了Cholesky分解所得三角矩阵中非零元素的个数，既可以节省矩阵分解的运算量，又能够降低后续线性方程组求解的运算次数，在保证多用户多天线CDMA系统性能的前提下，显著改善了其检测译码的复杂度。

附图说明

图1示出了根据本发明的对称正定矩阵A；

图2示出了与图1的对称正定矩阵A相对应的无向图；

图3示出了图1的对称正定矩阵A的Cholesky分解结果；

图4示出了排序后的对称正定矩阵的Cholesky分解结果。

具体实施方式

针对存在的问题，结合图论在矩阵处理上的优势，本发明提出了一种基于图论的多用户多天线CDMA系统检测方法，具体步骤包括：

(1)在系统接收端，按照特定的方式构建包含多用户、多天线、多径信道、扩频码字及信号处理块长等特征的多用户多天线CDMA系统矩阵H。若系统中有K个用户，每用户的发送天线数为M，扩频因子为Q，系统的接收天线数为N，多径数为W，每次处理块长为N_s，则系统矩阵H为

$H={\left[\begin{array}{cccccccc}{H}^{\left(\mathrm{1,1,1}\right)}& H^{\left(\mathrm{1,2,1}\right)}& \·\·\·& H^{(1,M,1)}& H^{\left(\mathrm{1,1,2}\right)}& H^{\left(\mathrm{1,2,2}\right)}& \·\·\·& H^{(1,M,K)}\\ H^{\left(\mathrm{2,1,1}\right)}& H^{\left(\mathrm{2,2,1}\right)}& \·\·\·& H^{(2,M,1)}& H^{\left(\mathrm{2,1,2}\right)}& H^{\left(\mathrm{2,2,2}\right)}& \·\·\·& H^{(2,M,K)}\\ \·& \·& & \·& \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·& \·& \·& \·\·\·& \·\\ \·& \·& & \·& \·& \·& & \·\\ H^{(N,\mathrm{1,1})}& H^{(N,\mathrm{2,1})}& \·\·\·& H^{(N,M,1)}& H^{(N,\mathrm{1,2})}& H^{(N,\mathrm{2,2})}& \·\·\·& H^{(N,M,K)}\end{array}\right]}_{N(Q{N}_s+W-1)*\mathrm{MK}{N}_s}---\left(1\right)$

其中，

(2)将步骤(1)中系统矩阵H的共轭转置与其自身相乘，得到对称正定矩阵A。

(3)基于图论的思想，做出对称正定矩阵A唯一对应的无向图G；

(4)根据系统参数K，M，N，Q，W，N_s的具体取值，选择不同的图论算法(如，列计数算法、Cuthill-Mckee算法或最小度算法等)对无向图中的顶点重新编号；

(5)采用新的编号对矩阵A进行行列重新排序，得到A′；

(6)对经过排序的对称正定矩阵A′进行Cholesky分解，得到一个下三角矩阵L′和一个上三角矩阵(L′)^H；

(7)逐次求解以L′和(L′)^H为系数的线性方程组，得到每用户各发送天线上符号的估计值，即多用户多天线CDMA系统的检测结果。

特别地，当多用户多天线CDMA系统为每用户单天线发送、基站多天线接收时，该系统可以演化为传统的TD-SCDMA系统，同时，系统矩阵演化为联合检测系统矩阵；当多用户多天线CDMA系统中用户数为1且扩频因子也为1时，该系统演化为频率选择性衰落信道下的MIMO系统，同时，系统矩阵演化为频选MIMO矩阵，更进一步，若信道为平坦衰落时(多径数为1)，则系统演化为平坦MIMO系统，同时，系统矩阵演化为平坦MIMO矩阵。

下面结合附图并参照具体实施方式来描述本发明，以扩频因子为1的单用户2发4收3径CDMA系统(即频率选择性衰落信道下的MIMO系统)为例，每次处理块长为8，此处选择图论中的列计数算法作为对无向图重新编号的算法。

图1示出了系统矩阵H生成的对称正定矩阵A中非零元素的位置和数量，其中“×”表示A中非零元素的位置，nz表示A中非零元素的数量；

图2示出了对称正定矩阵A所对应的无向图G，其中，无向图G中圆圈外数字表示采用图论算法(此处以列计数算法为例)得到的新的矩阵行列顺序；

图3示出了对图1中对称正定矩阵A进行Cholesky分解所得下三角矩阵L的非零元素位置和数量；

图4示出了采用图论算法(此处以列计数算法为例)排序后进行Cholesky分解所得下三角矩阵L′的非零元素位置和数量。

在系统接收端首先构建系统矩阵H的模型，如式(3)所示。

将H的共轭转置与其自身相乘，得到对称正定矩阵A＝H^H*H，其非零元素的位置和数量如图1所示，所对应的无向图G如图2所示；采用列计数算法对G进行重新编号，具体做法为：设置一个整型数组NZ，初始化时依据顶点编号顺序将无向图G中每个顶点的度放入NZ中，再按照由小到大的顺序重新排列NZ中各元素，得到新的顶点编号顺序；采用新的编号顺序对矩阵A进行行列重新排序，构成A′；对A′进行Cholesky分解，得到一个下三角矩阵L′和一个上三角矩阵(L′)^H，作为对比，若设A进行Cholesky分解所得的下三角矩阵为L，则L中非零元素的位置和数量如图3所示，L′中非零元素的位置和数量如图4所示；逐次求解以L′和(L′)^H为系数的线性方程组，即可得到该用户各发送天线上符号的估计值，即系统检测译码结果。

Claims (9)

1.一种多用户多天线码分多址系统的检测方法，包括步骤：

(1)在所述多用户多天线码分多址系统的接收端构建系统矩阵H；

(2)将所述系统矩阵H的共轭转置与其自身相乘，得到对称正定矩阵A；

(3)确定所述对称正定矩阵唯一对应的无向图G；

(4)根据系统参数设置对所述无向图G中的顶点重新编号；

(5)根据新的顶点编号，重排所述对称正定矩阵的行列顺序；

(6)对所述排序后的对称正定矩阵进行Cholesky分解；

(7)逐次求解以Cholesky分解所得下三角矩阵和上三角矩阵为系数的线性方程组，得到每个用户的各个发送天线上符号的估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(1)中按照以下公式构建系统矩阵：

其中

其中K为所述多用户多天线码分多址系统的用户数，M为每用户的发送天线数，Q为扩频因子，N为系统的接收天线数，W为多径数，N_s为每次处理块长。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤(4)中的系统参数设置包括所述多用户多天线码分多址系统的用户数、收发天线数、多径数、扩频因子及信号处理块长。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤(4)还包括步骤：

根据相应的图论算法，对无向图G中的顶点重新编号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤(4)还包括步骤：

根据所述多用户多天线码分多址系统的用户数、收发天线数、多径数、扩频因子及信号处理块长，选择所述相应的图论算法。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述图论算法包括列计数算法、Cuthill-Mckee算法或者最小度算法。

7.根据权利要求2所述的方法，其中在所述多用户多天线码分多址系统中，每用户单天线发送，基站多天线接收。

8.根据权利要求2所述的方法，其中在所述多用户多天线码分多址系统中，用户数为1，且扩频因子也为1。

9.根据权利要求2所述的方法，其中在所述多用户多天线码分多址系统中，用户数、收发天线数、多径数、扩频因子及数据处理块长的其中一个为1，或者其中多个同时为1。

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