CN103684563B - 一种针孔信道中的迭代多天线传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种针孔信道中的迭代多天线传输方法和装置。本发明将同一用户的信息，利用不同的交织器交织到不同天线上，本发明方法包括编码发射和迭代检验接收两过程。本发明的有益效果在于：利用IDM多天线的方法，有效的提升了MIMO***在针孔信道下的传输性能，提升了正确率；接收模块中将判决器与译码器分开，在兼顾性能的同时降低了装置的复杂度，简化了装置；给出ESE可以进一步推广至QAM等高阶调制***中，使得本***在数据处理速率要求高的环境下依然适用。

Description

一种针孔信道中的迭代多天线传输方法和装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种针对针孔信道环境中的IDM多天线调制接收传输方法和装置。

背景技术

多发射多接收(Multi-Input Multi-Output,MIMO)***由多个发射天线与接收天线组成。与传统的单发射、单接收天线的通信***相比，可以在不增加信噪比的情况下，拓展带宽、降低误码率、提升性能。

针孔信道是指存在针孔散射效应的传输信道，一般用于表示超长距离通信信道或室内多散射环境。在室内通信需求不断增长的今天有一定的研究价值。同时，由于MIMO***在针孔信道下的性能远不及传统信道环境，针对针孔信道环境下的MIMO***研究很有必要。

交织多址调制(Interleave Division Modulation,IDM)技术将一用户的编码序列利用不同的交织器交织调制到不同的天线上，以提升***的信号质量，降低误码率。

本发明主要针对影响针孔信道下的IDM多天线传输***与传统MIMO***的性能提升。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种针孔信道中的迭代多天线传输方法和装置。其装置简单，其方法有效的提升了MIMO***在针孔信道下的传输性能，并提升了正确率。

本发明中由于针孔信道中存在的针孔效应，MIMO***的分集和容量都有别于一般的常规MIMO信道。为了描述针孔信道，一般使用双瑞丽衰落模型描述信道。公式如下：

对于N×L×M天线配置时，其信道的包络图样如图1所示，其中N,L,M分别对应于发射天线数量，针孔数量及接收天线数量。当所有发射天线发射信号相同时，接收端天线上所有所得信号的总和满足图中的概率分布。

对于N×L×M的针孔信道而言，在第m个接收端天线处接收到的信号可以表示为：

其中分别为由发射端天线到针孔与有针孔至接收端天线的信道矩阵。j代表码片长J的一帧中对应的比特序列。s_l(j)代表第l个针孔处信号的传播系数。x_n表示第n个发射天线处发射信号的功率。n_m(j)表示接收机的噪声。所以，对于整个***而言，M个接收天线总的接收信号矩阵为：

R(j)＝H^rS(j)H^Sx+n(j)

式中H^r,H^s分别为M×L,L×N维矩阵，S(j)为L维方阵，x是N×1维列向，R(j)是M×1维列向量；n(j)表示噪声的总和。图1中展示了不同针孔配置的衰落包络。

S(j)表示针孔的信号传播系数，即针孔处向接收端发射信号与针孔处接收发射信号的比值，一般可分为三种情况：

1)所有针孔传播系数相同

2)所有针孔传播系数独立

3)每个针孔会影响到其他针孔

在一般的针孔信道环境中，每个针孔都独立存在，不存在互相之间的干扰。对于多天线***，各个天线都可以独立发射信号，耦合不会在发生信道之外。所以对于本发明的IDM多天线***，选用各针孔传播系数独立的模型描述针孔效应。

本发明提供一种针孔信道中的迭代多天线传输方法，其将同一用户的信息，利用不同的交织器交织到不同的天线上，其包括多天线信号发射和迭代检验接收两步骤。

(1)多天线信号发射

首先，需要将原始信息进行编码，本文中使用重复扩频码进行编码。若此时同时有K个用户同时复用，其中第k个用户的输入数据为{d_k}。则将输入数据d_k使用编码器C进行扩频重复编码生成编码数据{c_k}，即N_c表示扩频比特长度，即将1数据长度的数据重复成N_c数据长度的数据；如d_k＝0,c_k＝0000；d_k＝1,c_k＝1111等。

其次，利用不同的交织器对编码后序列进行交织后调制至不同的天线上。若对于编码信号c_k共L有组不同的交织器则当c_k通过交织器后，生成l天线上的发射序列为c_k以一定随机顺序进行的重新排列，N_s为扩频符号长度；

最后，将不同用户在各天线上的发射信号合并进行发射。

(2)迭代检验接收

首先，对接收到的多路信号在每个接收天线利用ESE进行独立的判决，得出初始估计信号。对第m根天线而言，得到接收信号估计值{e_ESE(s_m(j))}。

其次，将来自不同天线，属于同一组用户的信息利用累加平均进行合并，得到用户的发送信息估计值。对于用户k而言，得到的发送信息估计值为{e_ESE(s_m(j))}。对此估计值利用该用户对应的交织器解交织得该用户的发送编码估计值，对用户k而言为{e_ESE(c_k(j))}。

然后，利用重复扩频码对应的译码器对发送编码估计值进行译码，得到原始发送信息的估计值，对于用户k而言，为

再接着，将返回译码器，对其进行编码后，得到编码数据序列的估计值{e_DEC(c_k(j))}，并利用用户k对应的交织器进行交织后，得到发射数据序列的估计值{e_DEC(s_k(j))}，将其返回到判决器ESE中作为下一次迭代的先验条件输入；其中，j是码片编号；c_k(j)为码片，{c_k(j)＝0,1}；s_k(j)为调制符号，{s_k(j)＝-1,+1}；

最后，重复上述步骤，进行迭代。视信号长度与用户数进行8至16次的迭代后，得到信号的估计值此时的即为最终结果。

由上文所示，第m个接收端天线处接收到的信号可以表示为：

可以将全部接收信号分解成是来自属于同一用户k的天线发射的有用信息与其他所有干扰ε_l总和的相加：

当用户数目、天线数量、针孔数量较大造成干扰信号数量增加至一定程度时，根据中心极限定理，可以近似认为ε_l(j)服从N(E[ε_l(j)],Var[ε_l(j)])的高斯分布其中，E[ε_l(j)]表示干扰信号ε_l(j)的均值，Var[ε_l(j)]表示干扰信号ε_l(j)的方差。ε_l(j)的概率密度函数可由下式表示：

当使用AWGN模型描述接收机噪声n_m(j)时，其均值E[n_m(j)]为0，方差因此，ε_l(j)的均值E[ε_l(j)]就可以用下式表示：

ε_l(j)的方差Var[ε_l(j)]就可以用下式表示：

其中E[s_l(j)]表示第l个用户对应数据的均值，Var[s_l(j)]表示第l个用户对应数据的方差。其中的E[s_l(j)]，Var[s_l(j)]信息将在下述迭代过程中更新，初次迭代时分别初始化为0与1。

为了判决接收信号对应的发送信号，我们对接收到的信号进行对数似然比判决，对于BPSK调制而言：

其中分别表示判决器ESE与译码器DEC的输出结果。表示个针孔的原始发射信号的估计值为+1的概率；表示个针孔的原始发射信号的估计值为-1的概率。

对于BPSK调制而言，发送信号s_l(j)为+1或-1，当发送信号为+1时：

对于制定信道而言，信道衰落系数与发射功率x_n已知。由于上述论证ε_l(j)服从高斯分布，所以r_m(j)也满足高斯分布，其均值与方差分别为：

同理可知，当发射信号为-1时，接收信号的均值与方差分别为：

所以，判决器输出e_ESE可表示为：

同上图译码器结构中所示，每一个天线将经过判决其后的信号e_ESE使用对应的交织器解交织得到e_ESE(c_k(j))。将属于同一组用户的解交织信号进行加权平均后，送入DEC译码器模块进行译码。译码后将得到发送信号的估计值同时，将发送信息的符号概率e_DEC作为反馈信息送回判决器进行下一次迭代判决。其中，e_DEC的表达式为：

在估算接收噪声ε_l(j)的均值E[ε_l(j)]和方差Var[ε_l(j)]过程中，需要利用发射信号s_l(j)的均值E[s_l(j)]和方差Var[s_l(j)]，这些信息可以通过对上述e_DEC进行计算得到。对于BPSK调制而言，均值E[ε_l(j)]：

Var[s_l(j)]为：

Var[s_l(j)]＝E[(s_l(j))²]-(E[s_l(j)])²＝1-(E[s_l(j)])²

最后，利用计算得出的发射信号s_l(j)的均值E[s_l(j)]和方差Var[s_l(j)]，更新接收噪声ε_l(j)的均值E[ε_l(j)]和方差Var[ε_l(j)]，并进一步更新判决结果与e_ESE与发送概率e_DEC，并重复上述步骤。

本发明还提供一种针孔信道中的迭代多天线传输装置，包括发射机和接收机，图2所示为基于非格雷码IDMA高阶调制的发射机结构；图3所示为基于迭代IDM的多天线接收机模型；其中包含其中M根接收天线和K个DEC译码器。其中用户1的信息由实线表示，另一组不同用户k的信息由虚线表示。其中{π}_k，{π^-1}_k分别表示属于用户k的所有交织器与对应的解交织器。

本发明中，发射机包括编码器、与发射天线对应的独立随机交织器和多发射天线

本发明中，接收机包括多接收天线、独立的ESE判决器进行符号判决和与用户对应的DEC译码器。

所述各个接收天线使用独立的交织器进行判决，并对使用属于同一用户的交织器的信息进行合并译码；接收信号各天线端使用独立的ESE判决器进行估计后，合并送入DEC译码器进行信号译码与概率统计，并利用估计到的发送信息概率进行迭代更新，最终获得对接收信号的有效估计；

所述ESE判决器，利用接收到的信号与发送符号的先验概率，推导接收到的码片的估计值；

所述DEC译码器，利用统计得到的发送信号的值，预测发送符号的先验值，并以此更新接收信号中干扰信号的均值E[ε_l(j)]和方差Var[ε_l(j)]的预测，进行迭代。

本发明的有益效果在于：

(1)利用IDM多天线的方法，有效的提升了MIMO***在针孔信道下的传输性能，提升了正确率。

(2)接收模块中将判决器与译码器分开，在兼顾性能的同时降低了装置的复杂度，简化了装置。

(3)给出ESE可以进一步推广至QAM等高阶调制***中，使得本***在数据处理速率要求高的环境下依然适用。

附图说明

图1不同配置的针孔信道的衰落包络

图2为IDMA高阶调制发射机结构。

图3为IDMA高阶调制接收机结构。

图4为本***与单天线***的性能对比

图5为迭代次数对本***性能的影响

具体实施方式

对本发明提出的一种针对针孔信道环境中的IDM多天线调制接收传输方式：由编码发射和迭代检验接收两部分组成，具体实施过程如下：

1.如图2所示，首先，对于第k个用户的输入数据为{d_k}，使用编码器C进行扩频重复编码生成编码数据{c_k}，即N_c表示扩频比特长度。如d_k＝0,c_k＝0011；d_k＝1,c_k＝1100等。

其次，利用不同的交织器对编码后序列进行交织后调制至不同的天线上。若对于编码信号c_k共L有组不同的交织器则当c_k通过交织器后，生成l天线上的发射序列为c_k以一定随机顺序进行的重新排列，N_s为扩频符号长度。

最后，将不同用户在各天线上的发射信号合并进行发射。

2.如图3所示，第m根接收天线接收到的信号为r_m。

首先，对接收校验端进行初始化：

e_DEC(s_l(j))＝0

其次，利用下述算法依次进行迭代校验：

Var[s_l(j)]＝1-(E[s_l(j)])²

其中：为天线编号；是码片编号；m是接收天线编号，；是接收天线总个数；上标表示针孔至接收端天线之间链路，上标发射端天线到针孔之间链路；是用户编号；n是发送天线编号；是发送天线总个数；e_DEC(s_l(j))表示发送信息的符号概率；E(s_l(j))表示第l个用户对应数据的均值；Var(s_l(j))表示第l个用户对应数据的方差；E(ε_l(j))表示干扰信号ε_l(j)的均值，Var(ε_l(j))表示干扰信号ε_l(j)的方差，x_n表示第n个发射天线信号的功率；s_l(j)代表第l个针孔处信号的传播系数；分别为由发射端天线到针孔与有针孔至接收端天线的信道矩阵；e_ESE(c_k(j))表示该用户的发送编码估计值；S_l表示l个针孔间的传播系数矩阵；表示个针孔的原始发射信号的估计值为+1的概率；表示个针孔的原始发射信号的估计值为-1的概率,表示接收机的热噪声方差，以白高斯噪声形式表现。

最后在进行了一定次数的迭代后，得到信号的估计值即为最终结果。

如在16QAM中环境中，发射机与接收机的结构不变，只需在调制时使用16QAM进行调制，并使用对应的ESE判决器进行判决。下面是其ESE的推导过程：

其中q表示根据贝叶斯定理：

其中，m表示所有对应位为a的调制信号组合，如QPSK调制下，m＝10或11。

可得：

其中表示由DEC统计的信号概率。

仿真结果：在图4中给出了BPSK调制下，单天线***与多天线***的性能对比。与上文所示发射机结构相同，对于有2个发射接收天线的***，每个天线上发射一路独立调制的信号。测试数据帧长度为128比特，接收端迭代次数为16次。图中横轴代表信号信号噪声能量比，纵轴表示比特误码率。

如图所示，相较于单天线环境，在多天线环境下，误码率有显著降低。对于双针孔信道环境，双发射接收天线***相比单天线***可以获得10dB的增益，即双天线***可在信噪比比单天线***低10dB的情况下，得到相同的正确率。

在图5中给出了迭代对于误码率的提升作用，通过迭代显著的降低了误码率，验证了本***在针孔信道中的有效性。同时，对于高信噪比条件下，需要更多的迭代次数得到最终结果的收敛。

对于16QAM而言，每一个星座位置可表示四个码字的信号，将每一位接受信号表示成S_abcd的形式，则其ESE表达式为：

更高阶的调制算法同理可得。

Claims (3)

1.一种针孔信道中的迭代多天线传输方法，其特征在于：其将同一用户的信息，利用不同的交织器交织到不同的天线上，具体步骤如下：

(1)多天线信号发射

首先对于第k个用户的输入数据{d_k}，使用编码器进行扩频重复编码生成编码数据{c_k}，即N_c表示扩频比特长度，即将1数据长度的数据重复成N_c数据长度的数据，{N＝2,3,…,∞}；其中：k是用户编号；

其次，利用不同的交织器对编码后序列进行交织后调制至不同的天线上，若对于编码信号c_k共有L组不同的交织器则当c_k通过交织器后，生成天线上的发射序列其为c_k以一定随机顺序进行的重新排列，N_s为扩频符号长度；其中，L为交织器组数；为天线编号；

最后，将K个不同用户在各天线上的发射信号合并进行发射；其中，K是总的用户数；

(2)迭代检验接收

首先，对接收到的多路信号在每个接收天线利用ESE进行独立的判决，得出初始估计信号；

其次，将来自不同天线，属于同一组用户的信息利用累加平均进行合并，得到用户的发送信息估计值；

然后，利用重复扩频码对应的译码器对发送编码估计值进行译码，得到原始发送信息的估计值，对于用户k而言，其原始发射信号的估计值为

再接着，将返回译码器，对其进行编码后，得到编码数据序列的估计值{e_DEC(c_k(j))}，并利用用户k对应的交织器进行交织后，得到发射数据序列的估计值{e_DEC(s_k(j))}，将其返回到判决器ESE中作为下一次迭代的先验条件输入；其中，j是码片编号；c_k(j)为码片，{c_k(j)＝0,1}；s_k(j)为调制符号，{s_k(j)＝-1,+1}；

最后，重复上述步骤，进行迭代，视信号长度与用户数进行8至16次的迭代后，得到信号的估计值此时的即为最终结果。

2.根据权利要求1所述的迭代多天线传输方法，其特征在于：迭代检验验收时的流程具体如下：

首先，对接收校验端进行初始化：

e_DEC(s_l(j))＝0

其次，利用下述算法依次进行迭代校验：

其中：为天线编号；j是码片编号；m是接收天线编号，{m＝1,2,3,…,M}；M是接收天线总个数；上标r表示针孔至接收端天线之间链路，上标s表示发射端天线到针孔之间链路；k是用户编号；n是发送天线编号；N是发送天线总个数；表示发送信息的符号概率；表示第个用户对应数据的均值；表示第个用户对应数据的方差；表示干扰信号的均值，表示干扰信号的方差，x_n表示第n个发射天线信号的功率；代表第个针孔处信号的传播系数；分别为由发射端天线到针孔与有针孔至接收端天线的信道矩阵；e_ESE(c_k(j))表示该用户的发送编码估计值；表示个针孔间的传播系数矩阵；表示个针孔的原始发射信号的估计值为+1的概率；表示个针孔的原始发射信号的估计值为-1的概率；表示接收机的热噪声方差，以白高斯噪声形式表现；

最后，视信号长度与用户数进行8至16次的迭代后，得到信号的估计值 即为最终结果。

3.一种针孔信道中的迭代多天线传输装置，包括发射机和接收机，其特征在于：

所述发射机包括编码器、与发射天线对应的独立随机的交织器和多发射天线；

所述接收机包括多接收天线、独立的进行符号判决的ESE判决器和用户对应的DEC译码器；

所述各个接收天线使用独立的交织器进行判决，并对使用属于同一用户的交织器的信息进行合并译码；接收信号各天线端使用独立的ESE判决器进行估计后，合并送入DEC译码器进行信号译码与概率统计，并利用估计到的发送信息概率进行迭代更新，最终获得对接收信号的有效估计；

所述ESE判决器，利用接收到的信号与发送符号的先验概率，推导接收到的码片的估计值；

所述DEC译码器，利用统计得到的发送信号的值，预测发送符号的先验值，并以此更新接收信号中干扰信号的均值和方差的预测，进行迭代。