CN114050853B - 基于联合非正交码本与预编码设计的多用户mimo传输方法 - Google Patents

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CN114050853B CN202111333460.2A CN202111333460A CN114050853B CN 114050853 B CN114050853 B CN 114050853B CN 202111333460 A CN202111333460 A CN 202111333460A CN 114050853 B CN114050853 B CN 114050853B
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Abstract

基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法，本发明涉及多用户MIMO传输方法。本发明的目的是为了解决现有***在多用户场景下资源消耗大、频谱效率低以及多用户干扰带来的可靠性降低等问题。过程为：步骤一、建立联合非正交空时码本的下行MU‑MIMO***；所述MIMO为多输入多输出；MU为多用户；步骤二、基于步骤一设置基于CLST的非正交空时码本；所述CLST为循环分层空时结构；步骤三、基于步骤二进行联合预编码与信号检测；步骤四、采用维特比译码器消除步骤三检测得到的信号
Figure DDA0003349661260000011
中的干扰，得到最终检测信号。本发明用于多用户MIMO传输领域。

Description

基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法
技术领域
本发明属于通信信号设计和检测技术领域，具体涉及联合非正交码本与预编码的多用户MIMO传输方案设计，适用于下行多用户MIMO***中的用户码本设计、联合预编码与信号检测以及多用户干扰消除等情况。
背景技术
随着信息化的不断推进，移动设备更为普及，5G和beyond 5G需要更多的用户接入，更高的传输速率以及更高的可靠性。在这样的场景下，若采用传统的正交多址接入方案(Orthogonal Multiple Access,OMA)会引入很大的开销。非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)作为一种能够实现大规模接入和高频谱效率的接入方式，已被视为3GPP中的关键性技术，具有巨大潜力。
多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)***可以利用空间资源提高频谱效率和传输速率，同时不占用额外的时频资源，因而将MIMO与NOMA结合，可以使基站服务多用户，提高无线通信***的性能，满足大连接、高速率、高谱效、高可靠性等要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有***在多用户场景下资源消耗大、频谱效率低以及多用户干扰带来的可靠性降低等问题，而提出基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法。
基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法具体过程为：
步骤一、建立联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***；
所述MIMO为多输入多输出；MU为多用户；
步骤二、基于步骤一设置基于CLST的非正交空时码本；
所述CLST为循环分层空时结构；
步骤三、基于步骤二进行联合预编码与信号检测；
步骤四、采用维特比译码器消除步骤三检测得到的信号
Figure BDA0003349661240000011
中的干扰，得到最终检测信号。
本发明的有益效果为：
本发明的有益效果是：本发明提出了一种联合非正交码本与预编码的下行多用户MIMO传输设计方案，通过分别设计非正交空时码本、联合预编码与信号检测算法以及迭代的译码算法，更好地发挥了空时结构的特点，提升了误码性能，提升了频谱效率，在多用户场景下资源消耗低，为5G和beyond 5G场景下大连接、高速率、高可靠性等要求提供了有利的支撑方案。
本发明提出的基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方案，更好地发挥了空时结构的特点，同时提出联合设计的预编码与信号检测算法，并设计了基于维特比译码器的迭代译码算法，提升了***的误码性能，解决了现有***在多用户场景下资源消耗大、频谱效率低以及多用户干扰带来的可靠性降低等问题。
附图说明
图1为本发明联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***发送端模型图，bu为原始信息，c为编码后的向量，
Figure BDA0003349661240000021
为第nj个空时块对应的编码后的向量，
Figure BDA0003349661240000022
为在第nj个空时块上第Nt根发送天线上的发送符号，
Figure BDA0003349661240000023
为在第nj个空时块上第T个时隙上第nt根发送天线上的发送符号，W1为预编码序列，
Figure BDA0003349661240000024
为发送矩阵；
图2为本发明联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***接收端模型图，
Figure BDA0003349661240000025
为第u个用户在第nj个空时块的接收信号，W为预编码序列，Vu为检测矩阵，Hu为第u个用户接收端与发送端之间的信道矩阵，F为映射，
Figure BDA0003349661240000026
为原始信息经i-1次迭代得到的估计值，
Figure BDA0003349661240000027
为第i次迭代第u个用户第nj个空时块上的检测后信号，
Figure BDA0003349661240000028
为第i次迭代第u个用户在第nj个空时块上的发射信号估计值，
Figure BDA0003349661240000029
为第i次迭代第u个用户在第nj个空时块上发送矩阵
Figure BDA00033496612400000210
的估计值，
Figure BDA00033496612400000211
为第i次迭代对估计值
Figure BDA00033496612400000212
进行解映射后的向量，
Figure BDA00033496612400000213
为第i次迭代对
Figure BDA00033496612400000214
的缓存值，
Figure BDA00033496612400000215
为
Figure BDA00033496612400000216
经过维特比译码后的向量；
图3a为本发明无重叠结构(Non-overlapping structure,NOS)CLST空时码本结构的码本图；
图3b为本发明有重叠结构(Overlapping structure,OS)CLST空时码本结构的码本图；
图3c为本发明拖尾结构(Tailbiting structure,TS)CLST空时码本结构的码本图；
图4为非正交空时码本性能对比图，BER为误比特率，Eb为每比特能量，N0为高斯白噪声的单边功率谱密度；
图5为不同预编码算法复杂度对比图；
图6为不同预编码算法的Min-SMSE对比图，Min-SMSE为最小和均方误差；
图7为基于维特比译码器的迭代干扰消除译码算法性能曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法具体过程为：
本发明通过建立联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***的收发***模型，对码本设计、联合预编码与信号检测以及迭代译码方案进行了研究，给出了收发端的整体设计方案。
步骤一、建立联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***；
所述MIMO为多输入多输出；MU为多用户；
步骤二、基于步骤一设置基于CLST的非正交空时码本；
所述CLST为循环分层空时结构；
步骤三、基于步骤二进行联合预编码与信号检测；
步骤四、采用维特比译码器消除步骤三检测得到的信号
Figure BDA0003349661240000031
中的干扰，得到最终检测信号。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中建立联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***；具体过程为：
本***设计中，发送端包含多用户信道编码、空时码本映射和预编码等模块，接收端包含检测、多用户检测、解映射、维特比译码和迭代译码等模块。所有用户的原始信息经过多用户编码后，被映射为空时码字向量，经过预编码后得到的发射矩阵通过瑞利平坦衰落信道后到达接收端，接收信号经过检测矩阵处理后，通过多用户检测、解映射以及迭代的译码过程后得到检测结果。
步骤一一：如图1所示，联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***中共有U个用户，其中用户u的原始信息bu均为长度为K的二进制比特流；1≤u≤U；
将用户的原始信息bu进行多用户信道编码，得到编码后的长为N的向量c；
将编码后的向量c分成NJ块，每块包含J个比特，之后将每个块通过空时码本F映射为长为T·Nt的空时码字向量
Figure BDA0003349661240000032
其中T表示空时资源块的时隙数，Nt表示发射天线数目；
将空时码字向量经过预编码序列W＝[W(1),…,W(t),…,W(T)]得到发送矩阵
Figure BDA0003349661240000041
其中
Figure BDA0003349661240000042
步骤一二：将步骤一一得到的各用户的发送矩阵
Figure BDA0003349661240000043
经过瑞利平坦衰落信道到达接收机，且在T个时隙内信道状态保持不变；
第u个用户接收端的第nr根天线和发送端第nt根天线的信道增益为
Figure BDA0003349661240000044
第u个用户接收端的第nr根天线和发送端的信道增益矢量为
Figure BDA0003349661240000045
第u个用户接收端与发送端之间的信道矩阵表示为
Figure BDA0003349661240000046
[·]T表示转置；
***接收机如图2所示，第u个用户在第nj个空时块的接收信号
Figure BDA0003349661240000047
首先传递给检测矩阵Vu进行预处理，得到检测后的信号；
将检测后的信号进行多用户检测得到发送矩阵
Figure BDA0003349661240000048
的估计值
Figure BDA0003349661240000049
对估计值
Figure BDA00033496612400000410
进行解映射得到
Figure BDA00033496612400000411
对
Figure BDA00033496612400000412
进行缓存得到编码后的向量c的估计值
Figure BDA00033496612400000413
将估计值
Figure BDA00033496612400000414
经过迭代译码得到对原始信息b的估计值
Figure BDA00033496612400000415
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二中基于步骤一设置基于CLST的非正交空时码本；具体过程为：
本***采用基于循环分层空时结构(Cyclic Layered Space TimeArchitecture,CLST)的非正交空时码本设计方案，更好地发挥空时结构的特点。一般情况下，对于下行非正交多址***的研究中没有针对空时结构对码本进行优化，使其对不同的空时结构适应性较差，本***通过对码本结构和码元集合进行设计，使其应用更为简便且适应性更强。具体通过以下步骤来实现：
进行码本结构设计。空时码本展现的是编码向量和多维时空块上复数空时码字矩阵之间的映射关系，需要对其中非零元素的位置进行设计。本方案中给出三种结构，分别是无重叠结构(Non-overlapping structure,NOS)、有重叠结构(Overlapping structure,OS)以及拖尾结构(Tailbiting structure,TS)。
进行码元集合设计。本方案采用基于唯一可译映射(Uniquely DecodableMapping,UDM)的码本设计方案，采用自下向上的集合元素选取方案，即首先以2的幂次进行码元选取实部和虚部，然后再组合生成新集合，最后得到完整的码元集合。
步骤二一：设计码本结构；
在CLST码本中，第l行的非零元素来自于第l-1行非零元素的循环移位，码本的行重相同，但列重不一定相同；
在CLST码本中，本发明中提供三种码本结构，如图3a、3b、3c所示：
若采用无重叠NOS结构，即
Figure BDA0003349661240000051
中的每个符号仅占用一个资源，ρ＝1，且有J＝η+(T·Nt)；
其中
Figure BDA0003349661240000052
为第nj个空时块对应的编码后的向量；ρ为列重；η为行重；T表示空时资源块的时隙数，Nt表示发射天线数目；
若采用有重叠OS结构，即
Figure BDA0003349661240000053
中的每个符号占用不同数量的资源，ρ＝1,2,...,T·Nt，是不规则码本，且有J＝η+(T·Nt-1)；
若采用拖尾TS结构，即
Figure BDA0003349661240000054
中的每个符号占用相同数量的资源，ρ相同；在仿真中，采用OS结构；
步骤二二：设计码元集合：
采用基于唯一可译映射(Uniquely Decodable Mapping,UDM)的码元设计方案，采用自下向上的集合元素选取方案；过程为：
以2的幂次进行码元的选取，
Figure BDA0003349661240000055
然后再将实部和虚部组合形成新的集合
Figure BDA0003349661240000056
最终构成码元集合Ω＝{Ωre,Ωim,Ωco}；
式中，Ωre为实部，Ωim为虚部；
Figure BDA0003349661240000057
为正整数集；ωre为Ωre中任意元素；ωim为Ωim中任意元素；i为虚数单位。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中基于步骤二进行联合预编码与信号检测；具体过程为：
本***采用联合预编码与信号检测方案，在信道矩阵非满秩的情况下相对于经典方案做出性能的提升。在综合考虑复杂度与检测效果的情况下，本方案采用幅值部分遍历搜索(Amplitude Partial Traversal Searching,APTS)预编码算法，该算法的核心思想是将最小和均方误差(Minimum Sum Mean Square Error,Min-SMSE)作为准则进行目标函数设计，由于该目标函数没有闭合解，因此需要遍历搜索来求解，本算法忽略了相位信息以降低复杂度。具体通过以下步骤来实现：
结合码元集合的选取方法，初始化子星座图
Figure BDA0003349661240000061
的各星座点数值，并计算得到相应的最小幅值比αmin；
遍历幅值比α和幅值β的取值范围，生成预编码矩阵，模拟发送过程，并在接收端进行处理得到经过预编码的信号
Figure BDA0003349661240000062
的估计值
Figure BDA0003349661240000063
之后再通过进一步处理得到发送符号
Figure BDA0003349661240000064
的估计值
Figure BDA0003349661240000065
并消除掉相应的干扰，最后得到检测结果
Figure BDA0003349661240000066
并计算相应的SMSE值；
对应某一α和β值下，可以取到最小的SMSE值，选取该值对应的预编码矩阵用于发送信号。
步骤三一、根据码本设计的准则，每行的码元集合相同，所以只需要通过设置码本第一行的前η个码元即可；
利用式
Figure BDA0003349661240000067
完成子星座图
Figure BDA0003349661240000068
的各星座点数值的初始化；
其中，
Figure BDA0003349661240000069
为发送矩阵，nt∈Nt，Nt表示发射天线数目，t表示时间；
Figure BDA00033496612400000610
为中间变量，
Figure BDA00033496612400000611
Figure BDA00033496612400000612
为
Figure BDA00033496612400000613
中第j个元素；ωj,1(1)为码元集合Ω中任意一个元素；
步骤三二、利用式
Figure BDA00033496612400000614
计算得到相应的最小幅值比αmin；
Figure BDA00033496612400000615
其中，ψi、ψj、ψk、Ψ(t)为子星座图，
Figure BDA00033496612400000616
ψj,ψk∈Ψ(t)，
Figure BDA00033496612400000617
包含了子星座图；α为通过预编码矩阵给不同时空块上分配的平均幅值比；
步骤三三、遍历不同空时块上分配的平均幅值比α和幅值β，为了避免不同天线的发射功率差距太大，
Figure BDA00033496612400000618
α＝(1+l/L)αmin，生成预编码矩阵(对于每一个遍历的幅值比α和幅值β)W(t)；
步骤三四、遍历幅值比α和幅值β的取值范围，生成预编码矩阵，模拟发送过程，并在接收端进行处理得到经过预编码的信号
Figure BDA0003349661240000071
的估计值
Figure BDA0003349661240000072
之后再通过进一步处理得到发送符号
Figure BDA0003349661240000073
的估计值
Figure BDA0003349661240000074
并消除掉相应的干扰，最后得到检测结果
Figure BDA0003349661240000075
并计算相应的SMSE值；
利用得到的预编码矩阵W(t)对空时编码进行处理，得到发送信号对应的接收信号，则第u个用户在第nj个空时块的接收信号表达式为：
Figure BDA0003349661240000076
式中，
Figure BDA0003349661240000077
为第u个用户在第nj个空时块上的噪声；Hu为第u个用户接收端与发送端之间的信道矩阵；
Figure BDA0003349661240000078
为在第nj个空时块上的发送符号；
第u个用户在第nj个空时块上第nr根接收天线上的接收信号表示为
Figure BDA0003349661240000079
式中，
Figure BDA00033496612400000710
为中间变量，
Figure BDA00033496612400000711
Figure BDA00033496612400000712
为第u个用户在第nj个空时块上第nr根接收天线上的噪声；
Figure BDA00033496612400000713
为第u个用户接收端的第nr根天线和发送端第Nt根天线的信道增益，
Figure BDA00033496612400000714
为在第nj个空时块上第nt根发送天线上的发送符号；
Figure BDA00033496612400000715
为第nt-1根发送天线对应的平均幅值比；ε为功率归一化因子；
对接收信号
Figure BDA00033496612400000716
进行处理得到经过预编码的信号
Figure BDA00033496612400000717
的估计值
Figure BDA00033496612400000718
如式
Figure BDA00033496612400000719
式中，
Figure BDA00033496612400000720
为
Figure BDA00033496612400000721
的共轭值；
之后按照幅值从大到小的顺序从
Figure BDA00033496612400000722
上得到检测符号
Figure BDA00033496612400000723
如下式所示：
Figure BDA00033496612400000724
式中，
Figure BDA00033496612400000725
为检测符号，
Figure BDA00033496612400000726
为第
Figure BDA00033496612400000727
个发射天线，nt为第nt个发射天线；
Figure BDA00033496612400000728
为第nr-1根接收天线对应的平均幅值比，
Figure BDA00033496612400000729
为第
Figure BDA00033496612400000730
根发送天线对应的平均幅值比；
基于
Figure BDA00033496612400000731
计算最小和均方误差SMSE值Γ；
均方误差SMSE值Γ表达式为：
Figure BDA0003349661240000081
步骤三五、选取最小和均方误差SMSE值Γ对应的α和β值对应的预编码矩阵W(t)。
在仿真过程中，采用APTS算法，并将其与对角线元素相位遍历(DiagonalElements PTS,DE-PTS)算法、全元素相位遍历(All Elements PTS,AE-PTS)算法以及幅值部分遍历与相位遍历搜索(APT-PTS)算法进行了性能和复杂度的对比。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤三三中预编码矩阵
Figure BDA0003349661240000082
其中
Figure BDA0003349661240000083
Δβ＝0,2,…,L-1，Δβ是为了避免不同天线的发射功率差距过大而设置的幅值间隔，l＝1,2,…L，L表示幅值，α表示通过预编码矩阵给不同时空块上分配的平均幅值比；L越大则量化间隔更小，精度更高。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述第nj个空时块上第t个时隙的
Figure BDA0003349661240000084
表达式为：
Figure BDA0003349661240000085
式中，E为求均值；U为用户总数，
Figure BDA0003349661240000086
为第u个用户在第nj个空时块上的检测信号，
Figure BDA0003349661240000087
为第nj个空时块上的发射信号，
Figure BDA0003349661240000088
为F范数的平方；Vu(t)为第t个时隙的检测矩阵。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤四中采用维特比译码器消除步骤三检测得到的信号
Figure BDA0003349661240000089
(步骤三中的检测符号
Figure BDA00033496612400000810
)中的其他干扰，
Figure BDA00033496612400000811
得到最终检测信号；
在得到
Figure BDA0003349661240000091
后，据此以最小欧氏距离为原则，从相应空时资源块上的子星座图
Figure BDA0003349661240000092
上获取对
Figure BDA0003349661240000093
的估计，再以此估计消除掉
Figure BDA0003349661240000094
对后续检测的干扰。
本***采用基于维特比译码器的干扰消除迭代译码算法，对含有较多干扰的检测信号
Figure BDA0003349661240000095
进行处理，从而提升性能。该算法的核心思想是通过加入信道编码引入外信息，从而可以应用迭代的译码算法，消除检测得到的信号
Figure BDA0003349661240000096
中的其他干扰。具体通过以下步骤来实现：
计算主星座图各星座点数值，完成码本映射；
计算得到NJ个空时块上的编码比特的概率，并将其传递给维特比译码器，然后译出原始的传输比特，由此完成初始信息的获取；
步骤四一、根据
Figure BDA0003349661240000097
计算主星座图各星座点数值，完成码本映射；
步骤四二、遍历空时资源块的时隙数T和发射天线数目Nt，计算检测信号
Figure BDA0003349661240000098
步骤四三、利用MAP准则对
Figure BDA0003349661240000099
估计，得到
Figure BDA00033496612400000910
步骤四四、计算NJ个空时块上的编码比特的概率；
将计算得到的比特概率传递给维特比译码器，接收机译出发射机原始的传输比特
Figure BDA00033496612400000911
(接收机的)；
步骤四三、重复执行步骤一至步骤四，直到迭代次数达到设定值或计算得到的SMSE值小于设定值。
进行迭代的译码，即将译出的原始传输比特
Figure BDA00033496612400000912
进行再编码和映射得到
Figure BDA00033496612400000913
和
Figure BDA00033496612400000914
并重新处理以更新检测后的信号
Figure BDA00033496612400000915
之后重复步骤四二，进行迭代的译码，直到迭代次数达到设定值或计算得到的SMSE值小于设定值。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤四二中遍历空时资源块的时隙数T和发射天线数目Nt，计算检测信号
Figure BDA00033496612400000916
表达式为：
Figure BDA0003349661240000101
式中，
Figure BDA0003349661240000102
为第u个用户在第nj个空时块上第
Figure BDA0003349661240000103
根接收天线上的发射信号估计值，
Figure BDA0003349661240000104
为第u个用户在第nj个空时块上第
Figure BDA0003349661240000105
根发射天线上的检测信号；
Figure BDA0003349661240000106
为第u个用户在第nj个空时块上第nt根发射天线上第i次迭代得到的检测信号。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述步骤四三中利用MAP准则对
Figure BDA0003349661240000107
估计，得到
Figure BDA0003349661240000108
表达式为：
Figure BDA0003349661240000109
式中，φk为主星座图各星座点数值；
Figure BDA00033496612400001010
为第u个用户第nj个空时块上的检测后信号，表示为
Figure BDA00033496612400001011
其中
Figure BDA00033496612400001012
为第u个用户在第nj个空时块上的检测信号，
Figure BDA00033496612400001013
Figure BDA00033496612400001014
为第u个用户第nj个空时块上的接收信号。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述步骤四四中计算NJ个空时块上的编码比特的概率；表达式为：
Figure BDA00033496612400001015
Figure BDA00033496612400001016
式中，
Figure BDA00033496612400001017
为第0次迭代时第nj个空时块第j个元素对应的编码后的向量，
Figure BDA00033496612400001018
为第0次迭代时第nj个空时块第j个元素对应的编码后的向量，
Figure BDA00033496612400001019
为第0次迭代时第u个用户第nj个空时块上的检测后信号，N0为高斯白噪声的单边功率谱密度。
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
条件设定如下：
1)信道为瑞利平坦衰落信道；
2)码本结构为CLST-OS，码字构造方式为UDM；
3)信道编码采用(3，1，2)卷积码；
4)迭代算法回溯长度96，迭代最大次数5；
本实施例所述联合非正交码本与预编码的下行多用户MIMO传输方案按照以下步骤进行：
步骤一：用户生成原始比特流，经过多用户信道编码后进行空时码本映射，每个用户的空时码本与预编码矩阵相乘，得到发送矩阵；
步骤二：用户发送的信号经过瑞利平坦衰落信道到达接收机；
步骤三：接收机端对接收信号进行处理，首先将接收信号与检测矩阵相乘，之后进行多用户检测、解映射、维特比译码和迭代译码等过程，从而得到最终的检测结果。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、建立联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***；
所述MIMO为多输入多输出；MU为多用户；
步骤二、基于步骤一设置基于CLST的非正交空时码本；
所述CLST为循环分层空时结构；
步骤三、基于步骤二进行联合预编码与信号检测；
步骤四、采用维特比译码器消除步骤三检测得到的信号
Figure FDA0003788653290000011
中的干扰，得到最终检测信号；
所述步骤一中建立联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***；具体过程为：
步骤一一：联合非正交空时码本的下行MU-MIMO***中共有U个用户，其中用户u的原始信息bu均为长度为K的二进制比特流；1≤u≤U；
将用户的原始信息bu进行多用户信道编码，得到编码后的长为N的向量c；
将编码后的向量c分成NJ块，每块包含J个比特，之后将每个块通过空时码本F映射为长为T·Nt的空时码字向量
Figure FDA0003788653290000012
其中T表示空时资源块的时隙数，Nt表示发射天线数目；
将空时码字向量经过预编码序列W＝[W(1),…,W(t),…,W(T)]得到发送矩阵
Figure FDA0003788653290000013
其中
Figure FDA0003788653290000014
步骤一二：将步骤一一得到的各用户的发送矩阵
Figure FDA0003788653290000015
经过瑞利平坦衰落信道到达接收机，且在T个时隙内信道状态保持不变；
第u个用户接收端的第nr根天线和发送端第nt根天线的信道增益为
Figure FDA0003788653290000016
第u个用户接收端的第nr根天线和发送端的信道增益矢量为
Figure FDA0003788653290000017
第u个用户接收端与发送端之间的信道矩阵表示为
Figure FDA0003788653290000018
[·]T表示转置；
所述步骤二中基于步骤一设置基于CLST的非正交空时码本；具体过程为：
步骤二一：设计码本结构；
在CLST码本中，第l行的非零元素来自于第l-1行非零元素的循环移位，码本的行重相同；
在CLST码本中，提供三种码本结构：
若采用无重叠NOS结构，即
Figure FDA0003788653290000021
中的每个符号仅占用一个资源，ρ＝1，且有J＝η+(T·Nt)；
其中
Figure FDA0003788653290000022
为第nj个空时块对应的编码后的向量；ρ为列重；η为行重；T表示空时资源块的时隙数；
若采用有重叠OS结构，即
Figure FDA0003788653290000023
中的每个符号占用不同数量的资源，ρ＝1,2,...,T·Nt，是不规则码本，且有J＝η+(T·Nt-1)；
若采用拖尾TS结构，即
Figure FDA0003788653290000024
中的每个符号占用相同数量的资源，ρ相同；
步骤二二：设计码元集合：
以2的幂次进行码元的选取，
Figure FDA0003788653290000025
然后再将实部和虚部组合形成新的集合
Figure FDA0003788653290000026
最终构成码元集合Ω＝{Ωre,Ωim,Ωco}；
式中，Ωre为实部，Ωim为虚部；
Figure FDA0003788653290000027
为正整数集；ωre为Ωre中任意元素；ωim为Ωim中任意元素；i为虚数单位；
所述步骤三中基于步骤二进行联合预编码与信号检测；具体过程为：
步骤三一、利用式
Figure FDA0003788653290000028
完成子星座图
Figure FDA0003788653290000029
的各星座点数值的初始化；
其中，
Figure FDA00037886532900000210
为在第nj个空时块上第nt根发送天线上的发送符号，nt∈Nt，t表示时间；
Figure FDA00037886532900000211
为中间变量，
Figure FDA00037886532900000212
Figure FDA00037886532900000213
为
Figure FDA00037886532900000214
中第j个元素；ωj,1(1)为码元集合Ω中任意一个元素；
步骤三二、利用式
Figure FDA00037886532900000215
计算得到相应的最小幅值比αmin；
Figure FDA00037886532900000216
其中，ψi、ψj、ψk、Ψ(t)为子星座图，
Figure FDA00037886532900000217
包含了子星座图；α为平均幅值比；
步骤三三、遍历不同空时块上分配的平均幅值比α和幅值β，
Figure FDA0003788653290000031
α＝(1+l/L)αmin，生成预编码矩阵W(t)：
Figure FDA0003788653290000032
其中
Figure FDA0003788653290000033
Δβ＝0,2,…,L-1，Δβ是幅值间隔，l＝1,2,…L，L表示幅值，α表示平均幅值比；ε为功率归一化因子；
步骤三四、利用得到的预编码矩阵W(t)对空时编码进行处理，得到发送信号对应的接收信号，则第u个用户在第nj个空时块的接收信号表达式为：
Figure FDA0003788653290000034
式中，
Figure FDA0003788653290000035
为第u个用户在第nj个空时块上的噪声；Hu为第u个用户接收端与发送端之间的信道矩阵；
Figure FDA0003788653290000036
为在第nj个空时块上的发送符号；
第u个用户在第nj个空时块上第nr根接收天线上的接收信号表示为
Figure FDA0003788653290000037
式中，
Figure FDA0003788653290000038
为中间变量，
Figure FDA0003788653290000039
Figure FDA00037886532900000310
为第u个用户在第nj个空时块上第nr根接收天线上的噪声；
Figure FDA00037886532900000311
为第u个用户接收端的第nr根天线和发送端第Nt根天线的信道增益，
Figure FDA00037886532900000312
为第nt-1根发送天线对应的平均幅值比；
对接收信号
Figure FDA00037886532900000313
进行处理得到经过预编码的信号
Figure FDA00037886532900000314
的估计值
Figure FDA00037886532900000315
如式
Figure FDA00037886532900000316
式中，
Figure FDA00037886532900000317
为
Figure FDA00037886532900000318
的共轭值；
之后按照幅值从大到小的顺序从
Figure FDA00037886532900000319
上得到检测符号
Figure FDA00037886532900000320
如下式所示：
Figure FDA00037886532900000321
式中，
Figure FDA00037886532900000322
为检测符号，
Figure FDA00037886532900000323
为第
Figure FDA00037886532900000324
个发射天线，nt为第nt个发射天线；
Figure FDA00037886532900000325
为第nr-1根接收天线对应的平均幅值比，
Figure FDA0003788653290000041
为第
Figure FDA0003788653290000042
根发送天线对应的平均幅值比；
基于
Figure FDA0003788653290000043
计算最小和均方误差SMSE值Γ；
均方误差SMSE值Γ表达式为：
Figure FDA0003788653290000044
式中，
Figure FDA0003788653290000045
为第nj个空时块上第t个时隙的Min-SMSE；NJ为空时块总数；
步骤三五、选取最小和均方误差SMSE值Γ对应的α和β值对应的预编码矩阵W(t)；
所述步骤四中采用维特比译码器消除步骤三检测得到的信号
Figure FDA0003788653290000046
中的干扰，
Figure FDA0003788653290000047
得到最终检测信号；
步骤四一、根据
Figure FDA0003788653290000048
计算主星座图各星座点数值，完成码本映射；
步骤四二、遍历空时资源块的时隙数T和发射天线数目Nt，计算检测信号
Figure FDA0003788653290000049
步骤四三、利用MAP准则对
Figure FDA00037886532900000410
估计，得到
Figure FDA00037886532900000411
步骤四四、计算NJ个空时块上的编码比特的概率；
将计算得到的比特概率传递给维特比译码器，接收机译出发射机原始的传输比特
Figure FDA00037886532900000412
步骤四五、重复执行步骤一至步骤四，直到迭代次数达到设定值或计算得到的SMSE值小于设定值。
2.根据权利要求1所述基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法，其特征在于：所述步骤三四中第nj个空时块上第t个时隙的
Figure FDA00037886532900000413
表达式为：
Figure FDA00037886532900000414
式中，E为求均值；U为用户总数，
Figure FDA00037886532900000415
为第u个用户在第nj个空时块上的检测信号，
Figure FDA00037886532900000416
为第nj个空时块上的发射符号，
Figure FDA00037886532900000417
为F范数的平方；Vu(t)为第t个时隙的检测矩阵。
3.根据权利要求2所述基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法，其特征在于：所述步骤四二中遍历空时资源块的时隙数T和发射天线数目Nt，计算检测信号
Figure FDA0003788653290000051
表达式为：
Figure FDA0003788653290000052
式中，
Figure FDA0003788653290000053
为第u个用户在第nj个空时块上第
Figure FDA0003788653290000054
根接收天线上的发射信号估计值，
Figure FDA0003788653290000055
为第u个用户在第nj个空时块上第
Figure FDA0003788653290000056
根发射天线上的检测信号；
Figure FDA0003788653290000057
为第u个用户在第nj个空时块上第nt根发射天线上第i次迭代得到的检测信号。
4.根据权利要求3所述基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法，其特征在于：所述步骤四三中利用MAP准则对
Figure FDA0003788653290000058
估计，得到
Figure FDA0003788653290000059
表达式为：
Figure FDA00037886532900000510
式中，φk为主星座图各星座点数值；
Figure FDA00037886532900000511
为第u个用户第nj个空时块上的检测后信号，表示为
Figure FDA00037886532900000512
其中
Figure FDA00037886532900000513
为第u个用户在第nj个空时块上的检测信号，
Figure FDA00037886532900000514
Figure FDA00037886532900000515
为第u个用户第nj个空时块上的接收信号。
5.根据权利要求4所述基于联合非正交码本与预编码设计的多用户MIMO传输方法，其特征在于：所述步骤四四中计算NJ个空时块上的编码比特的概率；表达式为：
Figure FDA00037886532900000516
Figure FDA00037886532900000517
式中，
Figure FDA00037886532900000518
为第0次迭代时第nj个空时块第j个元素对应的编码后的向量，
Figure FDA00037886532900000519
为第0次迭代时第nj个空时块第j个元素对应的编码后的向量，
Figure FDA00037886532900000520
为第0次迭代时第u个用户第nj个空时块上的检测后信号，N0为高斯白噪声的单边功率谱密度。
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