CN100373841C - 一种多用户空时分组编码检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多用户空时分组编码(STBC)的检测方法,它是在接收端每检测一个用户之前,先对接收信噪比进行排序,找到最大的信噪比所对应的用户,首先检测该用户,得到该用户发送信号的估计值,然后从接收信号中减去该信号的估计值的影响,即重建信号,接着对剩余信号进行再次排序,确定下一个最大信噪比所对应的用户,并检测,依次直到检测出所有用户的发送信号。由于在每次检测一个用户的发送信号时,总是选出待检测信号中信噪比最高的那一个用户对应的发送信号,所以提高了每次检测的准确性,同时也提高了重建信号的准确性,因而降低了误码率。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,特别涉及多用户空时分组编码(STBC)的检测方法。
背景技术
从目前通信技术的发展来看,下一代的移动通信***必须具有更高的频谱效率和传输可靠性。多用户MIMO***在发送端和接收端分别采用多根发送天线和接收天线,能在不增加带宽的前提下,提高***的信道容量,同时获得发送和接收分集增益,提高传输可靠性,因此成为下一代无线通信的主要发展方向。
MIMO***获得高传输可靠性的关键是采用了空时编码技术。空时编码目前主要包括:空时格状编码(Space-Time Trellis Coded,STTC)和空时分组编码(Space-Time Block Coded,STBC)。单用户空时分组编码最早由Alamouti提出,一个用户利用两根发送天线发送符号,由于在发送端对于两根天线上的符号进行了正交编码,因此在接收端译码的时候,利用其码字的正交性,只需采用简单的线性处理即可,从而大大降低了译码复杂度,利于实现。内容详见Alamouti S M.,A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[J].IEEE Journal on Select Areas in Communications,1998,16(8).采用STBC的另一优点是,由于发送端符号存在一定联系,(这种联系是由其码字的正交构造决定的)因此,在平坦衰落信道条件下,通过过采样获得信道估计,能使接收天线的数目小于发送天线的数目,这是其它***,如VBLAST做不到的。随后,Tarokh在正交设计理论的基础上,把Alamouti的方案推广到多于两个天线的情况。
传统的多用户STBC***的检测采用干扰抵消的方法,每检测出一个用户的发送符号以后,重建剩余信号,依次直到检测出所有用户的发送符号。内容详见Waleed M.Younis,AliH.Sayed,Naofal Al-Dhahir,Efficient Adaptive Receivers for Joint Equalization and InterferenceCancellation in Mutiuser Space-Time Block-Coded Systems[J],IEEE Transactions on SignalProcessing,Vol.51.No.11,November 2003.
该方法存在的缺点是:检测顺序固定,依次从最后一个用户到第一个用户进行检测,由于没有考虑接收信噪比对解调的影响,导致性能不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种多用户空时分组编码的检测方法,采用该方法,能够在不显著提高传统多用户STBC***的检测方法复杂度的前提下,大大提高检测性能。
本发明提供了一种多用户空时分组编码STBC的检测方法,该方法是采用下面的步骤实现的:
步骤1:初始化,建立多用户STBC***模型:
我们定义***有M个用户,每个用户有两根发送天线,定义第j个用户发送的信号为Xj,第i根接收天线收到信号为Yi,Λij表示第j个用户对应第i根接收天线的等效信道矩阵,Ni为对应第i根接收天线的噪声矢量。则根据Alamouti提出的建立单用户STBC***的方法,单用户STBC***模型可以表示为:
Yi=ΛijXj+Ni (1)
k和k+l表示处于同一信道状态下的两个相邻时隙,表示第i根接收天线在第k时刻收到的信号,表示第i根接收天线在第(k+1)时刻收到的信号的共轭。 分别表示第j个用户的第一、第二根发送天线在七时刻发送的符号,表示第i根接收天线在第k时刻所对应的噪声分量,表示第i根接收天线在第(k+1)时刻所对应的噪声分量的共轭。
Λij的表达式为:
根据Waleed等提出的建立多用户STBC***的方法,多用户STBC***模型可以表示为:
称Y为接收信号矢量,X为发送信号矢量,N为噪声矢量,其中Yi,Xi,Ni,1≤i≤M均为公式(2)表示的结构。
称Λ为M用户STBC***的信道矩阵,其中每个Λij,1≤i≤M,1≤j≤M均为公式(3)表示的2×2的Alamouti结构的矩阵。为了描述方便,我们定义Λij为矩阵Λ的一个元素,于是Λ为M×M的矩阵。
步骤2:确定检测顺序:
由于每次检测出一个用户的发送符号后,就要重建一次剩余信号,更新一次信道矩阵,从而确定出新的检测顺序。而由于信道矩阵每更新一次,就会减少一列,假设在第i次确定检测顺序时的信道矩阵为Λi,于是Λi为M×(M+1-i)的矩阵。于是,公式(4)中的初始信道矩阵Λ即Λ1。
1)划分信道矩阵Λi:
第i次划分Λi的方法:在矩阵Λi的倒数第i行和最后一列划线,两条线将矩阵Λi划分为四个子矩阵,分别设为A,B,C,D。这里仍定义Λij,1≤i≤M,1≤j≤M+1-i为一个元素。
第一次确定检测顺序时划分Λ1如下:
其中A为(M-1)×(M-1)的子矩阵,B为(M-1)×1的子矩阵,C为1×(M-1)的子矩阵,D为1×1的子矩阵。
第i次确定检测顺序时划分Λi如下:
其中A为(M-i)×(M-i)的子矩阵,B为(M-i)×1的子矩阵,C为i×(M-i)的子矩阵,D为i×1的子矩阵。
2)根据公式
3)重排信道矩阵Λi:
将信道矩阵Λi的第一列置于最后一列,其余列依序提前,既是将原来第二列变成第一列,第三列变成第二列,依此类推,得到重新排序后的信道矩阵。
4)重复步骤1)、2)、3),一共(M+1-i)次,依次求出(M+1-i)个列范数,确定其中最大的列范数对应的信道矩阵Λi的排列方式,并确定最大的列范数对应的信道矩阵Λi的最后一列所对应的用户。
利用STBC的正交性,可以求出经步骤2得到的最大的列范数对应的信道矩阵Λi的对角化矩阵P,用对角化矩阵P左乘接收矢量Y,得到如下表达式:
其中Z1∶M-i,,∑1∶M-i,为中间变量,I2(M-i)×2(M-i)为2(M-i)×2(M-i)的单位矩阵,I2i×2i,为2i×2i的单位矩阵,设:
根据公式:
步骤4:重建信号:
步骤5:重复步骤2,3,4,一共(M-1)次,将较高信噪比对应的(M-1)个用户的发送信号解调出来。
步骤6:解调最后一个,即信噪比最低的用户的发送信号:
剩余最后一个用户时,有表达式:
根据公式:
得到最后,即第kM个用户的发送信号的估计值,其中Q(·)为公式(10)中的判决函数,这样就可以解调出最后一个用户的发送信号。
经过以上步骤后,就可以实现对多用户STBC***的检测。
需要说明的是:
在步骤2里面我们使用的是向量二范数,也可以用其他的范数。
在步骤3里面我们使用的是硬判决,也可以是软判决。
在步骤6结束之后,为了进一步提高***性能,我们还可以采用迭代的思想,即重复步骤2~6的操作,本发明不再详述。
本发明的实质是:对需要检测的接收信号进行排序,先检测接收信噪比最强的信号,其次从接收信号中扣除该信号的影响进行重建,然后对剩余信号再次排序,按同样方法,依次直到检测出所有的发送信号。
本发明的创新之处在于:
考虑到接收信噪比对于检测性能的影响,引入排序的思想。在接收端每检测一个用户之前,先对接收信噪比进行排序,找到最大的信噪比所对应的用户,首先检测该用户,得到该用户发送信号的估计值,然后从接收信号中减去该信号的估计值的影响,即重建信号,接着对剩余信号进行再次排序,确定下一个最大信噪比所对应的用户,并检测,依次直到检测出所有用户的发送信号。由于在每次检测一个用户的发送信号时,总是选出待检测信号中信噪比最高的那一个用户对应的发送信号,所以提高了每次检测的准确性,同时也提高了重建信号的准确性,因而降低了误码率。本发明所提出的方法可以广泛用于多用户STBC***的检测。
附图说明
图1是传统的多用户STBC***的工作原理图
其中,1是数据源单元、2是空时分组编码单元、3是发射天线阵列单元,4是接收天线阵列单元、5是多用户STBC检测单元、6是单用户STBC检测单元,y1,y2……,yM为单元5的输入信号, ……,分别为单元6中各个单用户STBC检测单元的输出信号。
图2是本发明主要工作步骤的工作流程图
图3是本发明的多用户STBC***的工作原理图
其中,1是数据源单元、2是空时分组编码单元、3是发射天线阵列单元,4是接收天线阵列单元、7是本发明多用户STBC检测单元、6是单用户STBC检测单元,y1,y2……,yM为单元7的输入信号, ……,分别为单元6中各个单用户STBC检测单元的输出信号。
图4是传统多用户STBC检测方法和本发明多用户STBC检测方法的在一个具体实例下的性能比较图
其中曲线1是传统检测方法的性能曲线,曲线2是本发明检测方法的性能曲线。设TX表示发送天线数,RX表示接收天线数,可以看到,采用排序思想的改进多用户STBC算法比传统的多用户STBC检测算法往15dB时有大约3dB左右性能的提高。
具体实施方式:
本发明的一个具体实例如下所述,参数设定不影响一般性,假设数据源的数据采用BPSK调制,用户数M=4,发送天线数为2M=8,接收天线数N=4,信道为不相关慢衰落信道,车速5公里/小时。
发射的数据经过BPSK调制之后,进行串并转换,分成M路信号流,由发射天线发射出去,发射出去的信号经过空间信道之后,由接收端的N个接收天线接收,假设发射天线发射的信号矢量为a=(X1 X2 X3 X4)′,接收天线收到的信号矢量为r=(Y1 Y2 Y3 Y4)′,高斯白噪声矢量为v=(N1 N2 N3 N4)′,信道矩阵为
1.在第i次确定检测顺序时,设信道矩阵为Λi,划分Λi的时候,按如下方式将其划分为四个子矩阵A,B,C,D:
根据公式(7),求出,计算的第一列的列范数,然后重排Λi,再次计算重排后的Λi经过再次划分得到的矩阵的列范数,直到求出(5-i)个列范数,确定其中最大的列范数对应的信道矩阵Λi的排列方式,并确定最大的列范数对应的信道矩阵Λi的最后一列所对应的用户。
求出经步骤1得到的最大的列范数对应的信道矩阵Λi的对角化矩阵P,用对角化矩阵P左乘接收矢量Y,得到如下表达式:
根据公式:
更新Y为Y′。从Λi。中去掉初始信道矩阵Λ的第ki列,更新信道矩阵Λi为Λi+1:
4.重复步骤1,2,3,一共三次,将较高信噪比对应的三个用户的发送信号解调出来。
5.解调最后一个(信噪比最低)用户的发送信号:
剩余最后一个用户时,有表达式:
根据公式:
得到最后,即第k4个用户的发送信号的估计值,其中Q(·)为公式(10)中的判决函数,这样就可以解调出最后一个用户的发送信号。
经过以上步骤后,就可以实现对四用户STBC***的检测。
Claims (1)
1.一种多用户空时分组编码STBC的检测方法,它是采用下面的步骤实现的:
步骤1:初始化,建立多用户STBC***模型:
我们定义***有M个用户,每个用户有两根发送天线,并定义第j个用户发送的信号为Xj,第i根接收天线收到信号为Yi,Λij表示第j个用户对应第i根接收天线的等效信道矩阵,Ni为对应第i根接收天线的噪声矢量;单用户STBC***模型可以表示为:
Yi=ΛijXj+Ni (1)
其中
k和k+1表示处于同一信道状态下的两个相邻时隙,Yi (k)表示第i根接收天线在第k时刻收到的信号,表示第i根接收天线在第(k+1)时刻收到的信号的共轭;Xj1 (k),Xj2 (k)分别表示第j个用户的第一、第二副发送天线在k时刻发送的符号,Ni (k)表示第i根接收天线在第k时刻所对应的噪声分量,表示第i根接收天线在第(k+1)时刻所对应的噪声分量的共轭;
Λij的表达式为:
其中Λij,Λij2分别表示第j个用户的第一、第二根发送天线对应第i根接收天线的信道衰落因子,Λij1 *,Λij2 *分别是Λij1,Λij2的共轭;
多用户STBC***模型可以表示为:
称Y为接收信号矢量,X为发送信号矢量,N为噪声矢量,其中Yi,Xi,Ni,1≤i≤M,为公式(2)表示的结构;
称Λ为M用户STBC***的信道矩阵,其中每个Λij,1≤i≤M,1≤j≤M均为公式(3)表示的2×2的Alamouti结构的矩阵;为了描述方便,我们定义Λij为矩阵Λ的一个元素,于是Λ为M×M的矩阵;
步骤2:确定检测顺序:
定义在第i次确定检测顺序时的信道矩阵为Λi,于是Λi为M×(M+1-i)的矩阵;
1)划分信道矩阵Λi:
第i次划分Λi的方法:在矩阵Λi的倒数第i行和最后一列划线,两条线将矩阵Λi划分为四个子矩阵,分别设为A,B,C,D,这里仍定义Λij为一个元素,并且1≤i≤M,1≤j≤M+1-i,
第一次确定检测顺序时划分Λi如下:
其中A为(M-1)×(M-1)的子矩阵,B为(M-1)×1的子矩阵,C为1×(M-1)的子矩阵,D为1×1的子矩阵;
第i次确定检测顺序时划分Λi如下:
其中A为(M-i)×(M-i)的子矩阵,B为(M-i)×1的子矩阵,C为i×(M-i)的子矩阵,D为i×1的子矩阵;
2)根据公式
求出Δki矩阵,并计算Δki矩阵的第一列的列范数;
3)重排信道矩阵Λi:
将信道矩阵Λi的第一列置于最后一列,其余列依序提前,既是将原来第二列变成第一列,第三列变成第二列,依此类推,得到重新排序后的信道矩阵;
4)重复步骤1)、2)、3),一共(M+1-i)次,依次求出(M+1-i)个列范数,确定其中最大的列范数对应的信道矩阵Λi的排列方式,并确定最大的列范数对应的信道矩阵Λi的最后一列所对应的用户;
利用STBC的正交性,可以求出经步骤2得到的最大的列范数对应的信道矩阵Λi的对角化矩阵P,用对角化矩阵P左乘接收矢量Y,得到如下表达式:
其中Z1:M-i,Zki,∑1:M-i为中间变量,I2(M-i)×2(M-i)为2(M-i)×2(M-i)的单位矩阵,I2i×2i为2i×2i的单位矩阵,设:
根据公式:
步骤4:重建信号:
其中Λki为公式(4)中初始信道矩阵Λ第ki列;
其次,重建剩余信号模型:更新Y为Y′;从Λi中去掉初始信道矩阵Λ第ki列,即Λki,更新信道矩阵Λi为Λi+1:
步骤5:重复步骤2,3,4,一共(M-1)次,将较高信噪比对应的(M-1)个用户的发送信号解调出来;
步骤6:解调最后一个,即信噪比最低的用户的发送信号:
剩余最后一个用户时,有表达式:
其中YkM为扣除已检测出的(M-1)个用户的影响后的接收信号矢量,ΛkM为初始信道矩阵Λ的kM列,XkM为最后一个用户的发送信号,NkM为检测最后一个用户时对应的噪声矢量;
根据公式:
经过以上步骤后,就可以实现对多用户STBC***的检测。
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