用于在多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)中的解碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及無線通信多天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種 用于在多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)中的解碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多用戶多輸入多輸出（MU-MM))無線通信系統(tǒng)在當(dāng)今通信領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用， 它能提供改善頻譜效率和無線鏈路傳輸性能的巨大潛力。一般來說，每個(gè)用戶與基站（BS) 之間的信道需要正交，這就使得他們之間的通信需處在不同時(shí)頻資源上，從信息論的觀點(diǎn) 上看顯然不是最佳的。如果不同用戶與基站之間的通信能在同一時(shí)頻資源上進(jìn)行，就可以 得到更高的頻譜使用率，但這需要復(fù)雜的解碼技術(shù)來消除用戶間干擾。mu-mbto技術(shù)在實(shí)際 的蜂窩通信系統(tǒng)中不僅會(huì)受到小區(qū)內(nèi)用戶間干擾，位于小區(qū)邊緣的用戶還會(huì)受到來自鄰小 區(qū)的小區(qū)間干擾。
[0003] 大規(guī)模天線系統(tǒng)不同于一般的MM0系統(tǒng)，基站擁有大量天線，同時(shí)在同一頻段上 服務(wù)于多個(gè)用戶終端。根據(jù)大數(shù)定理，不同用戶與基站之間的信道趨于正交，這樣小區(qū)內(nèi)用 戶間的干擾就可以用簡單的線性解碼來消除，因此提高了頻譜效率。大規(guī)模天線系統(tǒng)中，由 于巨大的天線數(shù)目及多個(gè)用戶同時(shí)同頻通信，選擇一個(gè)低解碼復(fù)雜度的解碼器顯得尤為重 要。線性解碼器如最小均方誤差（MMSE)和迫零（ZF)解碼器，其解碼復(fù)雜度相對于ML解碼 已大大降低，但是他們都需要求信道矩陣的逆矩陣，當(dāng)天線數(shù)很大時(shí)計(jì)算復(fù)雜度還是比較 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了進(jìn)一步減小解碼的復(fù)雜度，本發(fā)明提出了一種信號(hào)在多小區(qū)多用戶大規(guī)模天 線系統(tǒng)中直接解碼方法，即充分利用大規(guī)模天線系統(tǒng)，隨著天線數(shù)的無限增加，用戶間的非 相關(guān)干擾和加性噪聲會(huì)隨著天線數(shù)的增加而消失，在不估計(jì)信道狀態(tài)信息的情況下直接解 碼的方法。
[0005] 本發(fā)明提供了一種用于在多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)中的解碼方法。
[0006] 假定系統(tǒng)模型為：
[0007]
⑴
[0008] 其中，設(shè)系統(tǒng)有L個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)基站和K個(gè)單天線用戶，每個(gè)基站裝有 M根天線，M要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有用戶數(shù)LK。假定系統(tǒng)的相干時(shí)間為T+t，再假定每個(gè)用戶發(fā) 送長為T+t的信息序列，假定t=K，且序列前端均包含有長為t的訓(xùn)練序列頭，則發(fā) 送信號(hào)可表示成KLX(T+t)的發(fā)送信號(hào)矩陣X，某小區(qū)基站接收信號(hào)可表示成MX(T+t) 的接收信號(hào)矩陣Y。P為信噪比，B=diag([0 n,…，0 1K, 021，…，為對角矩陣， 0U(1彡i彡L，1彡j彡K)表示第i個(gè)小區(qū)第j個(gè)用戶到基站的大尺度衰落因子，W表示 隨機(jī)噪聲。
[0009] 下面以第i(1彡i彡L)個(gè)小區(qū)為例說明解碼方法。
[0010] 第一步：發(fā)送訓(xùn)練序列接收的信號(hào)
[0011]
(2)
[0012] 其中，YQeCMXK，是發(fā)送訓(xùn)練序列時(shí)接收到的信號(hào)；p。是訓(xùn)練序列的信噪比；H是 MXKL的復(fù)矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的復(fù)高斯的隨機(jī)變量，且兩兩相互獨(dú)立。
實(shí)中1><是1(\1(的單位矩陣，而上標(biāo)t表示矩陣的轉(zhuǎn)置，符號(hào)I表示矩陣 O中有L個(gè)單位矩陣IK。這樣，〇是KLXK的矩陣。W。是MXK的噪聲矩陣，它的元素是均 值為零，方差為1的獨(dú)立的復(fù)高斯變量，且兩兩相互獨(dú)立。B=diag([0n，…，P1K，021，… ，后J)，是LKXLK的對角矩陣。
[0013] 第二步：發(fā)送信號(hào)接收到的信號(hào)
[0014] …，
. (3：)
[0015] 其中，Y#CMX1，是發(fā)送信號(hào)的接收信號(hào)；接收數(shù)據(jù)的信噪比；S= [sn，… ，s1K，s21，…，sj呔發(fā)送的數(shù)據(jù)，s,(1彡i彡L，1彡j彡K)表示第i個(gè)小區(qū)的第j個(gè)用戶 發(fā)送的數(shù)據(jù)，它的每個(gè)元素均勻地獨(dú)立地取某個(gè)QAM(正交幅度調(diào)制信號(hào)），S是LKX1的矩 陣A是加性高斯白噪聲，是MX1的噪聲矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的獨(dú)立的復(fù) 高斯變量，且兩兩相互獨(dú)立。
[0016] 第三步：解碼過程，具體如下：
[0017] 令
*對于給定的j(1彡j彡K)，第j個(gè)用戶的解碼方 法為
[0018]
(4)'
[0019] 本發(fā)明的有益效果：充分利用大規(guī)模天線系統(tǒng)，隨著天線數(shù)的無限增加，用戶間的 非相關(guān)干擾和加性噪聲會(huì)隨著天線數(shù)的增加而消失，在不估計(jì)信道狀態(tài)信息的情況下直接 解碼，進(jìn)一步減小解碼的復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明在實(shí)施例的情況下，關(guān)于解碼誤比特率的仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面介紹該設(shè)計(jì)方法的理論依據(jù)：
[0022] 假定系統(tǒng)模型為：
[0023]
(5)
[0024]其中，設(shè)系統(tǒng)有L個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)基站和K個(gè)單天線用戶，每個(gè)基站裝有 M根天線，M要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有用戶數(shù)LK。假定系統(tǒng)的相干時(shí)間為T+t，再假定每個(gè)用戶發(fā) 送長為T+t的信息序列，假定t=K，且序列前端均包含有長為t的訓(xùn)練序列頭，則發(fā) 送信號(hào)可表示成KLX(T+t)的發(fā)送信號(hào)矩陣X，某小區(qū)基站接收信號(hào)可表示成MX(T+t) 的接收信號(hào)矩陣Y。P為信噪比，B=diag([0n,…，01K,021，???，為對角矩陣， 0U(1彡i彡L，1彡j彡K)表示第i個(gè)小區(qū)第j個(gè)用戶到基站的大尺度衰落因子，W表示 隨機(jī)噪聲。
[0025] 下面以第i(1彡i彡L)個(gè)小區(qū)為例說明解碼方法。
[0026] 第一步：發(fā)送訓(xùn)練序列接收的信號(hào)
[0027]
(6)
[0028] 其中，YQeCMXK，是發(fā)送訓(xùn)練序列時(shí)接收到的信號(hào)；P。是訓(xùn)練序列的信噪比；H是 MXKL的復(fù)矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的復(fù)高斯的隨機(jī)變量，且兩兩相互獨(dú)立。
其中IK，是KXK的單位矩陣，而上標(biāo)t表示矩陣的轉(zhuǎn)置。這樣，〇是 一 - KLXK的矩陣。W。是MXK的噪聲矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的獨(dú)立的復(fù)高斯變 量，且兩兩相互獨(dú)立。B=diag([ 0 n,…，0 1K, 0 21，…，0J)，是LKXLK的對角矩陣。
[0029] 第二步：發(fā)送信號(hào)接收到的信號(hào)
[0030]
(7)
[0031] 其中，Y#CMX1，是發(fā)送信號(hào)的接收信號(hào)；接收數(shù)據(jù)的信噪比；S= [sn，… ，s1K，s21，…，sj1為發(fā)送的數(shù)據(jù)，它的每個(gè)元素均勻地獨(dú)立地取某個(gè)QAM(正交幅度調(diào)制信 號(hào)），S是LKX1的矩陣％是加性高斯白噪聲，是MX1的噪聲矩陣，它的元素是均值為零， 方差為1的獨(dú)立的復(fù)高斯變量，且兩兩相互獨(dú)立。
[0032] 第三步：解碼過程
[0033] 1、聯(lián)合公式（6)、（7)，可得如下
[0034]
[0035] 其中，（*)H表示矩陣的復(fù)共輒矩陣；在MM0系統(tǒng)中，當(dāng)M遠(yuǎn)大于LK且M-①時(shí)，
=0幾乎處處成立。
[0036]2、由公式（8)可知，信道狀態(tài)信息可被消去，進(jìn)一步分析可知
[0037]
[0038] 其中：
Si<L; Si=(su，…，SiK)1 <i<L，表示第i 個(gè)小區(qū)的發(fā)送信號(hào)；（?）t表示矩陣的轉(zhuǎn)置。
[0039] 3、將公式（9)代入到公式（8)中，且令f= (Y/Yi) /M，可得：
[0040]
Vl〇y
[0041] 將，中的每項(xiàng)展開可得：
[0042]
[0043] 其中第j個(gè)分量可以表示為：
[0044]
,J ：￥ I.J:乂 ?巧-.V... -
[0045] 對于給定的i(1彡i彡L)和j(1彡j彡K)，將其他L-1個(gè)小區(qū)的干擾信號(hào)當(dāng)做噪 聲處理，可以由公式（12)解出第i個(gè)小區(qū)的第j個(gè)用戶的信息Sl]。
[0046] 4、所以可得解碼方法為
[0047]
[0048] 實(shí)施例
[0049] 如圖1所示，假設(shè)系統(tǒng)有2個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)基站和2個(gè)單天線用戶，每個(gè) 基站裝有128根天線。下面以第一個(gè)小區(qū)為例。
[0050] 步驟1 :令訓(xùn)練序列〇 = [12,If，其中12是2X2的單位矩陣，①是4X2的矩 陣；假定B=diag([l, 1，0. 4, 0. 4])，是4X4的對角矩陣。則可得發(fā)送訓(xùn)練序列接收到的 信號(hào)為
[0051]
[0052] 其中，YQeC12SX2;H是128X4的復(fù)矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的復(fù)高斯 的隨機(jī)變量;W。是128X2的高斯白噪聲噪聲矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的獨(dú)立的 復(fù)高斯變量，且兩兩相互獨(dú)立。
[0053] 步驟2 :取發(fā)送的數(shù)據(jù)S= [sn，s12,s21，822]\是4X1的矩陣，其中每個(gè)元素均勻地 取4-QAM。其它的條件如同步驟1。則可得發(fā)送信號(hào)接收到的信號(hào)為
[0054]
(15)
[0055] 其中，Y#C12SX1;W^ 128X1的高斯白噪聲噪聲矩陣，它的元素是均值為零，方 差為1的獨(dú)立的復(fù)高斯變量，且兩兩相互獨(dú)立。
[0056] 步驟3:令貨=^?、1)/財(cái)，貨￡(：2><1，并將公式（14)、（15)代入可得
[0057]
[0058] 第j個(gè)分量可以表示為
[0059]
[0060] 步驟4 :在公式（17)中，對于給定的j(1彡j彡2)，將第2個(gè)小區(qū)的干擾信號(hào)當(dāng)做 噪聲處理，可以解出第1個(gè)小區(qū)的第j(l<j< 2)個(gè)用戶的信息Sl]。于是可得解碼方法 為
[0061]
[0062] 通過仿真，得到該解碼方法的性能分析如圖1所示。
[0063] 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上實(shí)例僅是用來說明本發(fā)明，而并非作為 對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對以上實(shí)施例的變化，變形都將落在本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于在多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)中的解碼方法，設(shè)定系統(tǒng)模型為：(1) 其中，系統(tǒng)有L個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)基站和K個(gè)單天線用戶，每個(gè)基站裝有M根天 線，M要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有用戶數(shù)LK ;設(shè)定系統(tǒng)的相干時(shí)間為T+τ，再設(shè)定每個(gè)用戶發(fā)送長為 T+τ的信息序列，設(shè)定τ =Κ，且序列前端均包含有長為τ的訓(xùn)練序列頭，則發(fā)送信號(hào)可 表示成KLX (Τ+ τ )的發(fā)送信號(hào)矩陣X，某小區(qū)基站接收信號(hào)可表示成MX (Τ+ τ )的接收信 號(hào)矩陣Υ;Ρ為信噪比，B = diag([i3n，···，βικ，β21，…，β J)為對角矩陣，Plj表示第i 個(gè)小區(qū)第j個(gè)用戶到基站的大尺度衰落因子，W表示隨機(jī)噪聲，1彡i彡L，1彡j彡K ; 其特征在于該方法包括以下步驟： 第一步：發(fā)送訓(xùn)練序列接收的信號(hào)C2)其中，YQecMXK，是發(fā)送訓(xùn)練序 列時(shí)接收到的信號(hào)；P c是訓(xùn)練序列的信噪比；H是MXKL的復(fù)矩陣，它的元素是均值為零， 方差為1的復(fù)高斯的隨機(jī)變量，且兩兩相互獨(dú)立；^其中1><是1(\1(的單 位矩陣，而上標(biāo)t表示矩陣的轉(zhuǎn)置，符號(hào)j表示矩陣Φ中有L個(gè)單位矩陣Ik;這樣，Φ是 KLXK的矩陣;W。是MXK的噪聲矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的獨(dú)立的復(fù)高斯變量， 且兩兩相互獨(dú)立；B = diag([0 n,…，β 1Κ, β21,…，β J)，是LKXLK的對角矩陣； 第二步：發(fā)送信號(hào)接收到的信號(hào)其中，Yle C ΜΧ1，是發(fā)送信號(hào)的接收信號(hào)；P 1是接收數(shù)據(jù)的信噪比； S = [S11,…，s1K, S21,…，sLK] tS發(fā)送的數(shù)據(jù)，S (1彡i彡L, 1彡j彡Κ)表示第i個(gè)小 區(qū)的第j個(gè)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，它的每個(gè)元素均勻地獨(dú)立地取某個(gè)QAM，S是LKX 1的矩陣J1 是加性高斯白噪聲，是MXl的噪聲矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的獨(dú)立的復(fù)高斯變 量，且兩兩相互獨(dú)立； 第三步：解碼過程，具體如下：對于給定的j，第j個(gè)用戶的解碼為 ⑷。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線系統(tǒng)中的解碼方法。本發(fā)明充分利用大規(guī)模天線系統(tǒng)，隨著天線數(shù)的無限增加，用戶間的非相關(guān)干擾和加性噪聲會(huì)隨著天線數(shù)的增加而消失，在不估計(jì)信道狀態(tài)信息的情況下直接解碼的方法。
【IPC分類】H04B7/08
【公開號(hào)】CN105187110
【申請?zhí)枴緾N201510470434
【發(fā)明人】王海泉, 鄭先俠, 李飛, 營夢云
【申請人】杭州電子科技大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月4日