CN105959045A - 一种多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法，该方法包括以下步骤：建立多用户广义空间调制***，将链路发送端天线进行分组，每组发送天线采用广义空间调制服务于一个接收端；对***中的信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维，得到等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵；利用所述降维矩阵对于发送端的发送信号矩阵进行相位调整线性预编码处理，并利用所述等效信道增益矩阵进行信号的传输，以将干扰转化为有利于目标符号的干扰。本发明方法能够有效提高***的误码性能和***的容量。

Description

一种多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种应用于多用户广义空间调制***的相位调整线性预编码方法。

背景技术

空间调制技术在链路发送端激活一根天线进行信息传输，将部分发送信息映射到传统的数字调制星座图上，剩余部分映射到天线序号生成的空间维上，有效解决了信道间干扰的问题。广义空间调制技术可以使链路发送端激活两根或者多根天线，这解除了空间调制中链路发送端天线数必须是2的幂次的限制，增加了分集增益，并且有效提高了频谱效率，但其不可避免的引入了信道间干扰。与传统预编码方法中干扰被完全消除不同，相位调整线性预编码技术从利用干扰的角度，将所有干扰转化为有利于目标符号的有利干扰。

现有技术中，J.Wu等人研究了结合空间调制的多用户MIMO***预编码，通过块对角化预编码操作，该***等价为多个并行的单用户MIMO***，再经过空间调制消除了信道间干扰，最后采用梯度下降算法，更新每个用户的功率分配因子，直到***误码率降到最低，获得闭式解。

J.Wu等人将多用户MIMO***经过块对角化预编码处理后，通过空间调制消除了干扰，但是该方法只适用于多用户空间调制***，即在单用户MIMO***中只激活发射端一根天线时的特殊情况。对于多用户广义空间调制***来说，由于存在两根或者两根以上的活跃天线数，所以信道间干扰依然存在。若将预编码技术直接应用于多用户广义空间调制***，由于信道增益矩阵不满秩，信道增益矩阵不存在广义逆，所以多用户广义空间调制***无法直接使用传统预编码方法以消除信道间干扰。

发明内容

为了解决目前传统相位调整线性预编码方法无法应用于多用户广义空间调制***的问题，本发明提出一种应用于多用户广义空间调制***下链路的相位调整线性预编码方法。

本发明提出的一种多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法包括以下步骤：

建立多用户广义空间调制***，将链路发送端天线进行分组，每组发送天线采用广义空间调制服务于一个接收端；

对所述多用户广义空间调制***中的信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维，得到等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵；

利用所述降维矩阵对于所述多用户广义空间调制***链路发送端的等效发送信号矩阵进行相位调整线性预编码处理，并利用所述等效信道增益矩阵进行信号的传输，以将干扰转化为有利于目标符号的干扰。

本发明提出的应用于多用户广义空间调制***下链路的相位调整线性预编码方法，通过对链路发射端天线分组将多用户广义空间调制***分解为许多独立的单用户广义空间调制***，在假定用户的接收天线数与对应发送天线组的激活天线数相同的条件下，根据广义空间调制存在沉默天线的特点生成降维矩阵以降低信道增益矩阵和发送信号矩阵的维数，得到的等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵将活跃天线的发送信息和信道状态信息提取出来，最后利用相位调整线性预编码方法来将所有干扰转化为有利于目标符号的有利干扰。本发明在链路接收端分别利用最大似然检测方法和最大合并比检测方法估计激活天线序号和发送符号信息，从图3-4可以看出，***的误码性能和***容量都会得到进一步提高，其中，最大合并比检测方法通过检测能量最大符号所在的位置判断发送天线序号并判决出相应的发送比特；最大似然检测方法能同时检测天线序号和发送符号，它通过穷举法找出与接收信号最接近的比特信息，从图4中可以看出最大合并比检方法测可以获得更好的误码性能。

附图说明

图1为本发明应用于多用户广义空间调制***下链路的相位调整线性预编码方法的流程图。

图2为本发明使用的多用户广义空间调制***的结构框图。

图3为使用本发明方法的速率性能仿真图。

图4为使用本发明方法的误码性能仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出了一种应用于多用户广义空间调制***下链路的相位调整线性预编码方法，应用于图2所示的多用户广义空间调制***。如图1所示，所述应用于多用户广义空间调制***下链路的相位调整线性预编码方法包括以下步骤：

步骤S1：建立多用户广义空间调制***，将多用户广义空间调制***下链路中的发送端天线进行分组，每组发送天线采用广义空间调制服务于一个特定的用户，即接收端；

对于一个多用户广义空间调制***来讲，假设发送端已知信道状态信息，考虑发送端基站拥有N_t根发送天线，同时服务K个用户，如图2所示。假设用户i∈{1,…,K}有M_i根天线，则接收天线总数为在多用户广义空间调制***中，N_r≤N_t。将N_t根发送天线分为K组，每组天线采用广义空间调制服务于一个特定的用户，该***等价于多个单用户广义空间调制***，假定每一发送天线组拥有N_t/K根天线，第i组发送天线服务于用户i，用户端的接收天线数与对应发送端天线组中激活天线数相同，在一组发送天线中激活天线在每个时隙上发送的符号信息相同。

对于上述多用户广义空间调制***，接收端的接收信号表示为：y＝f·HP_PALPx+n，f为功率限制因子，H表示瑞利平坦衰落信道增益矩阵，是发送端的预编码矩阵，x表示发送信号，n表示加性高斯白噪声。

所述接收信号可展开为：

$y=\left[\begin{array}{c}{y}^{\left(1\right)}\\ y^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ y^{\left(K\right)}\end{array}\right]=f\·{\mathrm{HP}}_{PALP}\left[\begin{array}{c}{x}^{\left(1\right)}\\ x^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ x^{\left(K\right)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}^{\left(1\right)}\\ n^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ n^{\left(K\right)}\end{array}\right],$

瑞利平坦衰落信道H可以用块矩阵的形式表示：

子矩阵代表第n组发送天线和用户i间的信道增益矩阵；表示用户i的接收信号；x⁽ⁱ⁾是第i组发送天线发送的符号向量其中，N_u ⁽ⁱ⁾代表第i组发送天线中的活跃天线数，表示从i组发送天线中第j根活跃天线发出的信号，sq表示M-QAM星座图中的第q个符号；表示用户i的加性高斯白噪声向量。令表示基站的发送符号向量，满足P_T是基站的发射总功率，E[·]表示求均值，||·||表示求Eucliden范数；发送端的总功率限制可以表示为：T_r(P_PALPP_PALP ^H)≤P_T，Tr(·)表示求迹操作。

步骤S2：根据广义空间调制的特性，对所述多用户广义空间调制***中的信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维，得到等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵；

在多用户广义空间调制***中，由于只有活跃天线进行信息传输而没有被激活的天线保持沉默，所以信道增益矩阵H中对应于沉默天线所在的列和被发送的信号x中对应于沉默天线所在的行都为零向量。针对这一特点，我们将分别建立降低信道增益矩阵H和发送信号矩阵x维数的降维矩阵和假设第i组天线中的活跃天线数M_i与第i个用户的接收天线数N_u ⁽ⁱ⁾相同，即M_i＝N_u ⁽ⁱ⁾，首先考虑当没有对发送信号进行预编码处理时，接收端的接收信号为:

$y=Hx+n=\[\begin{array}{ccccccccccc}0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_1,1)}& 0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\]\left[\begin{array}{c}0\\ .\\ .\\ .\\ 0\\ s_q^{(l_1,1)}\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\\ s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}^{\left(1\right)}\\ n^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ n^{\left(K\right)}\end{array}\right]$

其中，代表第i组发送天线中第j根活跃天线所对应的信道状态信息矩阵列，由于沉默天线不进行信息传输，因此当只考虑激活天线的信道信息和发送信息时，接收信号可以进一步写为：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ .\\ .\\ .\\ y_{N_r}\end{array}\right]=\[\begin{array}{ccc}{h}^{(l_1,1)}& \mathrm{...}& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\]\left[\begin{array}{c}{s}_q^{(l_1,1)}\\ .\\ .\\ .\\ s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}^{\left(1\right)}\\ n^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ n^{\left(K\right)}\end{array}\right],$

则等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵分别为：

$\tilde{h}=\[\begin{array}{ccc}{h}^{(l_1,1)}& \mathrm{...}& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\]=\[\begin{array}{ccccccccccc}0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_1,1)}& 0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\]P_1$

$\tilde{x}=\left[\begin{array}{c}{s}_q^{(l_1,1)}\\ .\\ .\\ .\\ s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\right]=P_3{\left[\begin{array}{ccccccccccc}0& \mathrm{...}& 0& s_q^{(l_1,1)}& 0& \mathrm{...}& 0& s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\right]}^H$

由此得出P₁的形式为在第l(l_j,i)行，第列的元素为1，其余元素为0，记为其他位置为0，其中，l(l_j,i)代表第i组发送天线中第j根活跃天线的序号，N_u ^(k)代表第k组发送天线中的活跃天线数；同时可得：其他位置为0，取预编码矩阵P_PALP＝P₁P₂P₃，为相位调整线性预编码矩阵时，可以满足使信道增益矩阵H和发送信号矩阵x降维的目的。

步骤S3：对于所述多用户广义空间调制***链路发送端的等效发送信号矩阵进行相位调整线性预编码处理，并利用所述等效信道增益矩阵进行信号的传输，从而可以将所有干扰转化为有利于目标符号的有利干扰。

该步骤中，取预编码矩阵为P_PALP＝P₁P₂P₃，时，用户的接收信号可以表示为：其中，令表示传输信道的等效信道增益矩阵。

所述步骤S3进一步包括以下步骤：

步骤S31：根据等效信道增益矩阵建立互相关矩阵

其中，指在等效信道增益矩阵中第i组天线与第i个用户间的信道增益，其中，

步骤S32：基于互相关矩阵R⁽ⁱ⁾计算相对相位差c_u,n ⁽ⁱ⁾；

其中，第n个符号对第u个符号造成的同信道干扰与第n个符号之间的相对相位差c_u,n ⁽ⁱ⁾表示为：

${c_{u,n}}^{\left(i\right)}=\∠{s_q}^{\left(i\right)}-\∠({s_q}^{\left(i\right)}\·{{\mathrm{\ρ}}_{u,n}}^{\left(i\right)})=s_q\·\frac{conj({s_q}^{\left(i\right)}\·{{\mathrm{\ρ}}_{u,n}}^{\left(i\right)})}{\left|{{\mathrm{\ρ}}_{u,n}}^{\left(i\right)}\right|},$

其中，u,n＝1,…,N_u ⁽ⁱ⁾，s_q ⁽ⁱ⁾是目标符号，ρ_u,n ⁽ⁱ⁾是互相关矩阵中第u行第n列的互相关元素，s_q ⁽ⁱ⁾·ρ_u,n ⁽ⁱ⁾表示第u个符号对第n个符号造成的干扰。∠(x)，conj(x)和|x|分别表示x的角度，共轭和求模运算。

步骤S33：基于互相关矩阵R⁽ⁱ⁾和相对相位差c_u,n ⁽ⁱ⁾建立第i个用户的相

位修正矩阵R_c ⁽ⁱ⁾；

由于沉默天线的发送功率为0，所以假设沉默天线发送的符号为0，可以得到第i个用户的相对相位矩阵c⁽ⁱ⁾为：

则第i个用户的相位修正矩阵为：

其中，ο表示两个矩阵对应元素相乘的运算。

步骤S34：基于第i个用户的相位修正矩阵R_c ⁽ⁱ⁾，建立多用户广义空间调制***相位调整线性预编码矩阵P_PALP；

对于所述多用户广义空间调制***，相位修正矩阵R_c可表示为：

可以得到相位调整线性预编码矩阵为：

${\tilde{P}}_{PALP}={\tilde{H}}^H{\left(\tilde{H}{\tilde{H}}^H\right)}^{-1}{R}_c=P_2,$

对于所述多用户广义空间调制***，多用户广义空间调制***相位调整线性预编码矩阵表示为：

$P_{PALP}=P_1{P}_2{P}_3=P_1{\tilde{H}}^H{\left(\tilde{H}{\tilde{H}}^H\right)}^{-1}{R}_c{P}_3.$

步骤S35：利用功率限制因子f控制发送端总功率，利用相位调整线

性预编码矩阵P_PALP进行信号的传输。

链路发送端的总发送功率为P_T，因此链路发送端的总功率限制为Tr(P_PALPP_PALP ^H)_＝P_T，由此可以得到功率限制因子f为：

$f=\sqrt{P_T/Tr\left(P_{PALP}{P_{PALP}}^H\right)},$

则第u根接收天线的接收信号为：

$\begin{array}{c}{y_{PALP,u}}^{\left(i\right)}=H_u{P}_{PALP}{s_q}^{\left(i\right)}+n_u=f\·H_u{P}_1{\tilde{H}}^H{\left(\tilde{H}{\tilde{H}}^H\right)}^{-1}{R}_c{P}_3{s_q}^{\left(i\right)}+n_u\\ =f\·R_{c,u}{s_q}^{\left(i\right)}+n_u=f\·({s_q}^{\left(i\right)}+\underset{n\≠u}{\overset{N_r}{\underset{n=1}{\Σ}}}{{\mathrm{\ρ}}_{u,n}}^{\left(i\right)}{c_{u,n}}^{\left(i\right)}{s_n}^{\left(i\right)})+n_u\end{array},$

其中，H_u表示H中的第u行。

下面结合图3-4对本发明的效果做进一步的描述。参见图3-4中使用本发明的多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法的速率和误码性能仿真图，以及图2所示的多用户广义空间调制***结构图。图3-4的仿真环境为：信道为平坦瑞丽衰落信道，噪声为零均值加性高斯白噪声，用户数K＝6，每一组天线都采用4-QAM广义空间调制方法，N_t/M＝7，激活天线数为N_u ⁽ⁱ⁾＝2。图3-4中MU-GSM和MU-GSM-PALP分别表示没有采用多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法的多用户广义空间调制***和采用多用户广义空间调制***相位调整线性预编码的多用户广义空间调制***；MU-GSM-MRC和MU-GSM-ML分别表示采用最大合并比检测方法的多用户广义空间调制***和采用最大似然检测方法的多用户广义空间调制***；MU-GSM-PALP-MRC表示采用最大合并比检测方法并且应用多用户广义空间调制***相位调整线性预编码的多用户广义空间调制***；MU-GSM-PALP-ML表示采用最大似然检测方法并且应用多用户广义空间调制***相位调整线性预编码的多用户广义空间调制***，从图3-4可以明显看出，在同样的信噪比区间，本发明提出的多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法能使***的速率和误码性能得到显著提高，并且当利用最大合并比检测方法时相比采用最大似然检测方法时会取得更好的误码性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多用户广义空间调制***相位调整线性预编码方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

建立多用户广义空间调制***，将链路发送端天线进行分组，每组发送天线采用广义空间调制服务于一个接收端；

对所述多用户广义空间调制***中的信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维，得到等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵，以及相应的降维矩阵；

利用所述降维矩阵对于所述多用户广义空间调制***链路发送端的发送信号矩阵进行相位调整线性预编码处理，并利用所述等效信道增益矩阵进行信号的传输，以将干扰转化为有利于目标符号的干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多用户广义空间调制***中，接收端的接收天线数与对应发送端天线组中的激活天线数相同，并且每组发送天线的激活天线在每个时隙上发送的符号信息相同。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对所述多用户广义空间调制***中的信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维的步骤中：

根据多用户广义空间调制***中，信道增益矩阵中对应于沉默天线所在的列和发送信号中对应于沉默天线所在的行均为零向量，构建对信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维的降维矩阵P₁和P₃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，降维矩阵P₁在第l(l_j,i)行第列的元素为1，其余元素为0，其中，l(l_j,i)代表第i组发送天线中第j根活跃天线的序号，N_u ^(k)代表第k组发送天线中的活跃天线数，i＝1,…,K，K为接收端个数，j＝1,…,N_u ⁽ⁱ⁾。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，降维矩阵P₃在第行第l(l_j,i)列的元素为1，其余元素为0，其中，l(l_j,i)代表第i组发送天线中第j根活跃天线的序号，N_u ^(k)代表第k组发送天线中的活跃天线数，i＝1,…,K，K为接收端个数，j＝1,…,N_u ⁽ⁱ⁾。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括以下步骤：

根据等效信道增益矩阵建立互相关矩阵其中，指在等效信道增益矩阵中第i组天线与第i个用户间的信道增益；

基于互相关矩阵R⁽ⁱ⁾计算相对相位差c_u,n ⁽ⁱ⁾；

基于互相关矩阵R⁽ⁱ⁾和相对相位差c_u,n ⁽ⁱ⁾建立第i个用户的相位修正矩阵R_c ⁽ⁱ⁾＝R⁽ⁱ⁾οc⁽ⁱ⁾，其中，c⁽ⁱ⁾表示第i个用户的相对相位矩阵：

基于第i个用户的相位修正矩阵R_c ⁽ⁱ⁾，建立多用户广义空间调制***相位调整线性预编码矩阵P_PALP；

利用功率限制因子f控制发送端总功率，利用相位调整线性预编码矩阵P_PALP进行信号的传输。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算相对相位差c_u,n ⁽ⁱ⁾的步骤中，第n个符号对第u个符号造成的同信道干扰与第n个符号之间的相对相位差c_u,n ⁽ⁱ⁾表示为：

${c_{u,n}}^{\left(i\right)}=\∠{s_q}^{\left(i\right)}-\∠({s_q}^{\left(i\right)}\·{{\mathrm{\ρ}}_{u,n}}^{\left(i\right)})=s_q\·\frac{conj({s_q}^{\left(i\right)}\·{{\mathrm{\ρ}}_{u,n}}^{\left(i\right)})}{\left|{{\mathrm{\ρ}}_{u,n}}^{\left(i\right)}\right|},$

其中，u,n＝1,…,N_u ⁽ⁱ⁾，s_q ⁽ⁱ⁾是目标符号，ρ_u,n ⁽ⁱ⁾是互相关矩阵中第u行第n列的互相关元素，s_q ⁽ⁱ⁾·ρ_u,n ⁽ⁱ⁾表示第u个符号对第n个符号造成的干扰，∠(x)、conj(x)和|x|分别表示x的角度、共轭和求模运算。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多用户广义空间调制***相位调整线性预编码矩阵P_PALP表示为：其中，R_c表示相位修正矩阵：

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用功率限制因子f控制发送端总功率，利用相位调整线性预编码矩阵P_PALP进行信号的传输之后，第u根接收天线的接收信号表示为：

y_PALP,u ⁽ⁱ⁾＝f·H_uP_PALPs_q ⁽ⁱ⁾+n_u，

其中，f为功率限制因子，H_u表示H中的第u行，n_u表示加性高斯白噪声。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收端采用最大合并比检测方法或者最大似然检测方法进行信号检测。