CN105262531B - 用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法 - Google Patents

用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法：一.信道模型；二.对输入信号矩阵X进行设计；三.信道估计；四.对输入信号矩阵X进行解码：在系统的接收端接收到的信号表示为：用估计出的信道对每一个用户发送序列进行解码：第1步：令其中 第2步：令则是4LK维的列向量；第3步：用以下式子求得本小区内第k个用户的第i个信息符号的估计；。

Description

用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及无线通信大规模天线技术领域，具体是针对用户具有双天线的一种解码方法应用于大规模天线系统。
背景技术
多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线通信系统在当今通信领域已得到广泛应用，它能提供改善频谱效率和无线链路传输性能的巨大潜力。一般来说，每个用户与基站(BS)之间的信道需要正交，这就使得他们之间的通信需处在不同时频资源上，从信息论的观点上看显然不是最佳的。如果不同用户与基站之间的通信能在同一时频资源上进行，就可以得到更高的频谱使用率，但这需要复杂的解码技术来消除用户间干扰。MU-MIMO技术在实际的蜂窝通信系统中不仅会受到小区内用户间干扰，位于小区边缘的用户还会受到来自邻小区的小区间干扰。
发明内容
本发明针对现有大规模天线系统及其解码方法的不足，提出了一种用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法。
本发明采取以下技术方案：
用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法，其按如下步骤进行：
一.信道模型
假定系统有L个小区且每个小区基站配有M根天线，每个小区有K个用户，每个用户配有两根天线且小区之间存在同频干扰。第k个用户的发送信号可表示成2×2矩阵Xk，该基站接收到的信号可表示成M×2的接收信号矩阵Y。ρ为信噪比,Hlk是维数为M×2第l个小区第k个用户到第1个基站的信道，W表示随机噪声,假设W中的每个分量均是服从零均值，方差为1的复高斯随机分布，且元素间是相互独立的。假定第l个小区的第k个用户先发送长度为2×2的训练序列Φlk，令
Φl表示第l个小区发送的训练序列矩阵，则系统发送的训练序列矩阵上标t表示向量或矩阵的转置(以下同)。第l个小区的第k个用户发送长度为T＝2的信息序列，形成输入信号矩阵Xlk。
记 这样第1个基站中与Φ和X对应的接收信号分别为：
其中，H＝[H1H2…Hl…HL]，Hl＝[Hl1Hl2…Hlk…HlK]，
B＝diag[B1B2…Bl…BL]，Bl＝diag[Bl1Bl2…Blk…BlK]，Blk＝diag[βlkβlk]为2×2的对角矩阵，βlk表示第l个小区第k个用户到第1个基站接受天线的大尺度衰弱因子。在本发明中，W0、W1表示高斯白噪声。
本发明基于Y0用MMSE估计信道信息H基础上，提出一种对输入信号矩阵X的设计和解码的方法。具体如下所述：
二.对输入信号矩阵X进行设计
第1步：构造信号矩阵。假设第l个小区第k个用户发送的信息序列为Xlk，均采用以下形式，即
其中,xlk1、xlk2、xlk3、xlk4是第l个小区第k个用户发送的符号序列，均独立地取自某一个QAM(正交幅度调制信号)。j是虚数单位。a、b、c、d是待定参数。
第2步：参数a、b、c、d的选取准则：
其中a、c为复数，b、d为实数。
第3步：则输入信号矩阵X可以表示为:其中
三.信道估计
根据发送的训练矩阵Φ和相应的接收信号Y0，用MMSE估计方法估计信道H，得到信道的估计值
其中，为M×2KL的矩阵。
令其中为M×2K的矩阵。表示对第l个小区第k个用户的信道估计。 分别表示对第l个小区第k个用户的信道估计的第一列和第二列。
四.对输入信号矩阵X进行解码
在系统的接收端接收到的信号可以表示为
也可以表示为如下形式：
其中，vec(Y)表示把矩阵Y的每一列竖叠而成的向量。对其进行进一步整理得
式中， 为第l个小区第k个用户所发送的四个信息符号序列。式中hlk1、hlk2分别表示第l个小区第k个用户信道矩阵的第一列和第二列，(xi1xi2xi3xi4)t表示第i个用户发送的信息序列。矩阵矩阵
下面用估计出的信道对每一个用户发送序列进行解码，采用MMSE检测算法对其进行解码，其过程如下：
第1步：令其中
第2步：令
则是4LK维的列向量。
第3步：用以下方法求得本小区内第k个用户的第i个信息符号的估计(k＝1,2,…K,i＝1,2,3,4)。
其中，为向量中第4k+i个分量。
本发明用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法受小区内用户间及邻小区的小区间的干扰小。
附图说明
图1是实施例1的性能分析图。
具体实施方式
下面对本发明优选实施例作详细说明。
实施例1
假设系统有3个小区，每个小区有一个基站和3个双天线用户，每个基站装有128根天线。下面以第一个小区为例。
第1步：令训练矩阵l＝1,2,3代表每个小区向第一个小区基站发送的训练序列。B＝diag[B1B2B3]，Bl＝diag[Bl1Bl2Bl3]，Blk＝diag[βlkβlk]为2×2的对角矩阵，βlk表示第l个小区第k个用户到第1个基站接受天线的大尺度衰弱因子，0-1之间随机产生。则可得发送训练序列接收到的信号为
第2步：对信道进行估计。根据发送的训练矩阵Φ和相应的接收信号Y0，用MMSE估计方法估计信道H，得到信道的估计值
其中，为128×18的矩阵。令其中为128×6的矩阵。表示对第l个小区第k个用户的信道估计。 分别表示对第l个小区第k个用户的信道估计的第一列和第二列。l＝1,2,3；k＝1,2,3。
第3步：根据估计出的信道对用户输入的数据进行解码。下面以解第一个小区的用户信息为例。输入信号采用黄金码的编码形式。即每个用户在发送端发送的信息矩阵其中x1，x2，x3，x4为用户所发送的四个信息符号。
在系统的接收端接收到的信号可以表示为
对其进行进一步整理得
在(3)式中 为第l个小区第k个用户所发送的四个信息符号序列。式中hlk1、hlk2分别表示第l个小区第k个用户信道矩阵的第一列和第二列，(xi1 xi2 xi3 xi4)t表示第i个用户发送的信息序列。矩阵矩阵其中1≤l≤3,1≤k≤3。第1步：根据上面化解整理后信道矩阵求得满足MMSE准则的线性算子为其中
第2步：令
则是36维的列向量。
第3步：用以下方法求得本小区内第k个用户的第i个信息符号的估计(k＝1,2,3,i＝1,2,3,4)。
其中为向量中第4k+i个分量。
通过仿真，得到该解码方法的性能分析如图1所示。
下面介绍该设计方法的理论依据：
在系统的接收端接收到的信号可以表示为
也可表示为如下形式：
对其进行进一步整理得
式中 为第l个小区第k个用户所发送的四个信息符号序列。式中，hlk1、hlk2分别表示第l个小区第k个用户信道矩阵的第一列和第二列，(xi1 xi2 xi3 xi4)t表示第i个用户发送的信息序列。矩阵矩阵
变化后信道矩阵中的向量是渐近正交性的论证,即要证明这里P表示概率意义上成立。
式中
而
当M→∞,1≤i≠j≤L,1≤p≠q≤K,(6)式中hip1和hjq1、hjq2相互正交，hip2也和hjq1、hjq2相互正交，所以
当M→∞，1≤i＝j≤L,1≤p＝q≤K，(6)式中hip1、hip2相互正交，hip1、hip2中的每个元素服从复高斯正态分布，所以
那么
由于所选取的a、b、c、d满足：其中a、c为复数，b、d为实数。所以其中I4表示4阶的单位阵。
进一步可知，当M→∞时，所以变形后的信道满足渐近正交性，即当接收天线数M→∞，信道的每一列相互正交。对于一个给定的小区i用户j(1≤j≤K,1≤i≤L)，要从等式(2)中解出其发送的信号Xij，其他的传送信号Xlk(1≤k≠j≤K,1≤l≠i≤L)均涉及在内，因而这些信号就成为解码过程中的干扰，通常的情况是将这些干扰当作噪声来处理(因为当接收天线数很大时，信道矩阵H中的向量是相互正交的)。
本领域的普通技术人员应当认识到，以上实例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化，变形都将落在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.用户具有双天线的大规模天线系统的解码方法，其按如下步骤进行：
一.信道模型
假定系统有L个小区且每个小区基站配有M根天线，每个小区有K个用户，每个用户配有两根天线且小区之间存在同频干扰；第k个用户的发送信号表示成2×2矩阵Xk，该基站接收到的信号表示成M×2的接收信号矩阵Y；ρ为信噪比,Hlk是维数为M×2第l个小区第k个用户到第1个基站的信道，W表示随机噪声,假设W中的每个分量均是服从零均值，方差为1的复高斯随机分布，且元素间是相互独立的；假定第l个小区的第k个用户先发送长度为2×2的训练序列Φlk，令
Φl表示第l个小区发送的训练序列矩阵，则系统发送的训练序列矩阵Φ＝[Φ1 t Φ2 t… ΦL t]t，上标t表示向量或矩阵的转置；第l个小区的第k个用户发送长度为T＝2的信息序列，形成输入信号矩阵Xlk；
记Xl＝[Xl1 t Xl2 t … XlK t]t，这样第1个基站中与Φ和X对应的接收信号分别为：
其中，H＝[H1 H2 … Hl … HL]，Hl＝[Hl1 Hl2 … Hlk … HlK]，
B＝diag[B1 B2 … Bl … BL]，Bl＝diag[Bl1 Bl2 … Blk … BlK]，Blk＝diag[βlk βlk]为2×2的对角矩阵，βlk表示第l个小区第k个用户到第1个基站接受天线的大尺度衰弱因子；W0、W1表示高斯白噪声；
二.对输入信号矩阵X进行设计
第1步：构造信号矩阵；
假设第l个小区第k个用户发送的信息序列为Xlk，均采用以下形式，即
其中,xlk1、xlk2、xlk3、xlk4是第个小区第k个用户发送的符号序列，均独立地取自某一个QAM；j是虚数单位；a、b、c、d是待定参数；
第2步：参数a、b、c、d的选取准则：
其中a、c为复数，b、d为实数；
第3步：则输入信号矩阵X可以表示为:其中，Xl＝[Xl1 t Xl2 t … XlK t]t
三.信道估计
根据发送的训练矩阵Φ和相应的接收信号Y0，估计信道H，得到信道的估计值
其中，为M×2KL的矩阵；
令其中为M×2K的矩阵；表示对第l个小区第k个用户的信道估计； 分别表示对第l个小区第k个用户的信道估计的第一列和第二列；
四.对输入信号矩阵X进行解码
在系统的接收端接收到的信号表示为
也能表示为如下形式：
其中，vec(Y)表示把矩阵Y的每一列竖叠而成的向量；对其进行进一步整理得
式中， 为第l个小区第k个用户所发送的四个信息符号序列；式中hlk1、hlk2分别表示第l个小区第k个用户信道矩阵的第一列和第二列，(xi1 xi2 xi3 xi4)t表示第i个用户发送的信息序列；矩阵矩阵
下面用估计出的信道对每一个用户发送序列进行解码：
第1步：令其中
第2步：令
则是4LK维的列向量；
第3步：用以下式子求得本小区内第k个用户的第i个信息符号的估计，k＝1,2,…K,i＝1,2,3,4；
其中，为向量中第4k+i个分量。
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