CN106788633B - 用于大规模天线系统的上链路非相干空时传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大规模天线系统的上链路非相干空时传输方法，主要解决大规模天线系统中获取精确信道状态信息复杂度高、时频资源开销较大的问题。其实现的步骤是：用户节点根据欲发送的信息符号构造二乘二的空时发送矩阵，并用两个符号周期通过两根天线同时将符号发送到基站节点；基站节点收到用户节点的发送符号后，对接收信号进行线性操作，得到待检测信号度量；基站节点利用最小距离检测算法进行译码，得到用户节点发送符号的估计值。本发明通过上链路空时传输技术，结合大规模天线系统信道的渐进正交特性，实现了非相干的信号传输和信号检测，降低了大规模天线系统的实现复杂度，可用于双天线用户与大规模天线基站之间的通信。

Description

用于大规模天线系统的上链路非相干空时传输方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种非相干空时传输方法，适用于由双天线用户节点和大规模天线配置的基站节点构成的通信系统。
背景技术
随着通信网络的发展，大规模天线系统的概念受到了广泛研究，其已经成为5G通信网络的候选技术之一。大规模天线系统可有效提升网络的容量、降低通信节点的信号处理复杂度。然而，大规模天线系统的实现仍然面临挑战，其中之一是大规模天线的信道状态信息获取问题。在基于相干传输的通信系统中，获取信道状态信息会占用大量的时间和频率资源，例如在LTE标准中大约占到15％。因此，在大规模天线系统中非相干信号传输的研究受到了广泛关注。如在2013年，Manolakos等作者在“Constellation design innoncoherent massive SIMO systems”提出了基于能量检测的非相干传输方案，在信道信息完全未知的条件下实现了信号传输和检测。2015年Armada等作者在“A non-coherentmulti-user large scale SIMO system relaying on M-ary DPSK”提出了基于差分PSK的非相干传输方案，利用差分发送和接收信号相关处理实现了非相干的信号传输。
然而，这些方案虽然在大规模天线系统中实现了非相干传输，但都只适用于用户节点配置单天线的场景。另外，Manolakos提出的基于能量检测的非相干传输方案，由于其发送信号仅局限于一维的实数，导致了系统的可接受性能需要依赖于大量的天线配置，天线使用效率较低；Armada提出的基于差分PSK信号的非相干传输方案，要求系统的信道具有相对较长的相干时间，导致在快时变信道环境中传输效率不高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种用于大规模天线系统的非相干空时传输方法，以增强信号传输的可靠性，提高系统天线的使用效率和系统的传输效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
1)用户节点构造空时信号矩阵：
1a)根据第一符号周期的发送功率P1和第二符号周期的发送功率P2，计算用于构造空时信号矩阵的旋转角度θr：
1b)从PSK星座集合A中选取星座符号x为用户的发送信息符号；
1c)构造2乘2的空时信号矩阵：
Figure BDA0001179629260000021
其中
Figure BDA0001179629260000022
(·)*表示取共轭操作，j表示虚数单位；
2)用户节点利用两根天线在两个符号周期内将空时信号矩阵S发送至基站节点，并在第一个发送符号周期内，用第一、第二根天线分别发送空时信号矩阵S的第一行第一列的元素s11和第二行第一列的元素s21，在第二个发送符号周期内，第一、第二根天线分别发送空时信号矩阵S的第一行第二列的元素s12和第二行第二列的元素s22。
3)基站节点在两个符号周期内通过M根天线接收信号，即在第一个符号周期内基站节点得到第一接收信号矢量y1，在第二个符号周期内基站节点得到第二接收信号矢量y2：
y1＝h1s11+h2s21+n1，
y2＝h1s12+h2s22+n2，
其中，h1＝[h11,h12,…,h1m,…h1M]T表示用户节点的第一根发射天线与基站节点间的信道衰落向量，h2＝[h21,h22,…,h2m,…h2M]T表示用户节点的第二根发射天线与基站节点间的信道衰落向量，m＝1,2,…,M，h1m和h2m均服从均值为0，方差为1的复高斯分布，[·]T表示转置操作；
n1＝[n11,n12,…,n1m,…,n1M]T表示第一个符号周期内基站节点收到的噪声向量，n2＝[n21,n22,…,n2m,…,n2M]T表示第二个符号周期内基站节点收到的噪声向量，n1m和n2m均服从均值为0，方差为δ2的复高斯分布；
4)基站节点根据第一接收信号矢量y1和第二接收信号矢量y2，构造待检测信号变量
Figure BDA0001179629260000031
[·]H表示共轭转置操作；
5)基站节点利用最小距离检测算法进行符号检测，得到用户发送符号的估计值
Figure BDA0001179629260000032
Figure BDA0001179629260000033
其中，arg min表示使目标函数取最小值时的变量值；|·|2表示取模平方运算；A表示发送PSK星座符号集合。
本发明具有如下优点：
1)由于本发明在信号发送和检测时均不需要任何信道状态信息，避免了对信道的估计，提升了系统信息的传输效率；
2)本发明由于给用户节点配置双天线，能够利用空时信号矩阵，提升了符号传输的可靠性，提高了大规模天线的使用效率；
3)本发明由于采用二乘二发送矩阵结构，能够适用于快时变信道的大规模天线上链路传输系统。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明仿真使用的场景图；
图3本发明的误符号性能仿真图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案和效果作进一步的描述。
参照图2，本发明使用的通信系统由一个用户节点和一个基站节点构成；其中，用户节点配置两根天线，基站节点配置M根天线，M>>2。
参照图1，本发明的具体实现步骤包括如下：
步骤1：用户节点构造待发送的空时信号矩阵。
1a)用户节点在两个符号周期内向基站节点发送数据，根据第一符号周期的发送功率P1和第二符号周期的发送功率P2，计算用于构造空时信号矩阵的旋转角度θr，具体计算如下：
Figure BDA0001179629260000034
其中arccos(·)表示反余弦函数，C为常数，取值范围为0≤C≤P1P2，P1>0,P2>0；
1b)从PSK星座集合A中选取星座符号x为用户的发送信息符号，其中PSK星座集合A表示为：
Figure BDA0001179629260000041
其中j表示虚数单位，L表示PSK星座集合A的大小；
1c)构造二乘二的空时信号矩阵
Figure BDA0001179629260000042
其中
Figure BDA0001179629260000043
其中(·)*表示取共轭操作。
步骤2：用户节点发送构造好的空时信号矩阵。
用户节点利用两根天线在两个符号周期内将空时信号矩阵S发送至基站节点：
在第一个发送符号周期内，用第一根天线发送空时信号矩阵S的第一行第一列的元素s11，用第二根天线发送空时信号矩阵S的第二行第一列的元素s21；
在第二个发送符号周期内，用第一根天线发送空时信号矩阵S的第一行第二列的元素s12，用第二根天线发送空时信号矩阵S的第二行第二列的元素s22。
步骤3：基站节点计算接收信号矢量。
基站节点在两个符号周期内通过M根天线接收信号，即在第一个符号周期内基站节点得到第一接收信号矢量y1，在第二个符号周期内基站节点得到第二接收信号矢量y2，分别表示如下：
y1＝h1s11+h2s21+n1，
y2＝h1s12+h2s22+n2，
其中，h1＝[h11,h12,…,h1m,…h1M]T表示用户节点的第一根发射天线与基站节点间的信道衰落向量，h2＝[h21,h22,…,h2m,…h2M]T表示用户节点的第二根发射天线与基站节点间的信道衰落向量，m＝1,2,…,M，h1m和h2m均服从均值为0，方差为1的复高斯分布，[·]T表示转置操作；
n1＝[n11,n12,…,n1m,…,n1M]T表示第一个符号周期内基站节点收到的噪声向量，n2＝[n21,n22,…,n2m,…,n2M]T表示第二个符号周期内基站节点收到的噪声向量，n1m和n2m均服从均值为0，方差为δ2的复高斯分布。
步骤4：基站节点构造待检测信号变量。
基站节点根据第一接收信号矢量y1和第二接收信号矢量y2，构造待检测信号变量
Figure BDA0001179629260000051
[·]H表示共轭转置操作。
步骤5：基站节点对发送符号进行估计。
基站节点利用最小距离检测算法进行符号检测，得到用户发送符号的估计值
Figure BDA0001179629260000053
Figure BDA0001179629260000052
其中，arg min表示使目标函数取最小值时的变量值；|·|2表示取模平方运算；A表示发送PSK星座符号集合。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
1.仿真条件
仿真使用的通信系统如图2，用户节点和基站节点之间的所有信道均为准静态瑞利平坦衰落信道，信道系数服从均值为零，方差为1的复高斯分布，发送信号功率与系统平均信号功率之比为5dB。
2.仿真内容与结果
用本发明分别仿真在传输比特速率为1比特和2比特时，基站节点处检测的系统平均传输误比特率，并将本发明与现有的基于能量检测的非相干传输方案相比较，结果如图3所示，图3中的bpcu为系统平均传输速率单位，表示每使用一次信道时系统所能处理的平均比特数。
由图3可知，本发明能够在相同基站节点天线数的条件获得更低的误比特率，具有更加可靠的信息传输。

Claims (3)

1.一种用于大规模天线系统的上链路非相干空时传输方法，包括：
1)用户节点构造空时信号矩阵：
1a)根据第一符号周期的发送功率P1和第二符号周期的发送功率P2，计算用于构造空时信号矩阵的旋转角度θr：
1b)从PSK星座集合A中选取星座符号x为用户的发送信息符号；
1c)构造2乘2的空时信号矩阵：
Figure FDA0002317645700000011
其中
Figure FDA0002317645700000012
(·)*表示取共轭操作，j表示虚数单位；
2)用户节点利用两根天线在两个符号周期内将空时信号矩阵S发送至基站节点，即在第一个发送符号周期内，用第一、第二根天线分别发送空时信号矩阵S的第一行第一列的元素s11和第二行第一列的元素s21，在第二个发送符号周期内，第一、第二根天线分别发送空时信号矩阵S的第一行第二列的元素s12和第二行第二列的元素s22；
3)基站节点在两个符号周期内通过M根天线接收信号，即在第一个符号周期内基站节点得到第一接收信号矢量y1，在第二个符号周期内基站节点得到第二接收信号矢量y2：
y1＝h1s11+h2s21+n1，
y2＝h1s12+h2s22+n2，
其中，h1＝[h11,h12,…,h1m,…h1M]T表示用户节点的第一根发射天线与基站节点间的信道衰落向量，h2＝[h21,h22,…,h2m,…h2M]T表示用户节点的第二根发射天线与基站节点间的信道衰落向量，m＝1,2,…,M，h1m和h2m均服从均值为0，方差为1的复高斯分布，[·]T表示转置操作；
n1＝[n11,n12,…,n1m,…,n1M]T表示第一个符号周期内基站节点收到的噪声向量，n2＝[n21,n22,…,n2m,…,n2M]T表示第二个符号周期内基站节点收到的噪声向量，n1m和n2m均服从均值为0，方差为δ2的复高斯分布；
4)基站节点根据第一接收信号矢量y1和第二接收信号矢量y2，构造待检测信号变量
Figure FDA0002317645700000021
[·]H表示共轭转置操作；
5)基站节点利用最小距离检测算法进行符号检测，得到用户发送符号的估计值
Figure FDA0002317645700000022
Figure FDA0002317645700000023
其中，arg min表示使目标函数取最小值时的变量值；|·|2表示取模平方运算；A表示发送PSK星座符号集合；C为一个常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1a)中的旋转角度θr，通过下式计算：
Figure FDA0002317645700000024
其中arccos(·)表示反余弦函数，C为一个常数，取值范围为0≤C≤P1P2。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1b)中PSK星座集合A，表示如下：
Figure FDA0002317645700000025
其中j表示虚数单位，L表示PSK星座集合A的大小。
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