專利名稱：一種基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法
技術領域：
本發明屬于多輸入多輸出(MMO)寬帶無線和移動通信物理層關鍵技術領域，具體涉及適用于采用填零數據塊傳輸形式的新型單載波寬帶無線和移動通信系統或正交頻分復用(OFDM)傳輸形式的新型多載波寬帶無線和移動通信系統在物理層多播場景中傳輸多路獨立數據流的MMO預編碼方法。
背景技術：
如何利用無線通信網絡發展多媒體多播業務，是新一代寬帶無線和移動通信系統普遍關注的現實問題。相比于單輸入單輸出(SISO)傳輸方式，在新一代寬帶無線和移動通信系統中引入多天線傳輸技術可以顯著提高系統容量，增強數據傳輸的可靠性。物理層多播場景與其他無線通信場景的主要區別在于基站端傳輸公共信息而非私有信息給所有多播用戶，從而用戶間并不存在相互干擾。在發送信號功率受限的情況下，基站端如何發揮多天線傳輸能力，提升MIMO多播鏈路的傳輸速率，是當前MIMO傳輸技術研究中備受關注的熱點問題。已有研究多采用秩-1發送波束賦形技術在多播鏈路中實現單路數據流傳輸，然而這種做法無法充分利用收發天線提供的空間自由度。若欲獲得MMO多播鏈路的最大傳輸速率，則必須在發送端引入可支持多路獨立數據流傳輸的預編碼方法。在《第48屆阿勒敦通信、控制與計算年會》(48th Annual Allerton Conference onCommunication, Control, and Computing, Monticello, Illinois, 2010, pp.102 - 106) “分解 MIMO 廣播信道”(Decomposing the MIMO broadcast channel) 一文中提出的一種米用聯合三角化分解實現的適合兩用戶MMO多播高斯信道的酉預編碼算法，結合串行干擾抵消接收機，可獲得較傳統秩-1發送波束賦形算法更大的多播傳輸速率，其本質上可認為是一種多播多流波束賦形算法。然而，隨著高速數據業務的推進發展，傳輸帶寬和數據傳輸速率需求不斷提升，使得采用單載波傳輸的MMO系統必然面對寬帶信道引入的頻率選擇性衰落特性的影響。若仍在MMO多播頻率選擇性衰落信道中采用聯合三角化分解算法，則必然會帶來兩方面弊端:一方面，在MIMO多播頻率選擇性衰落信道中，信道矩陣的維度不再僅僅決定于收發天線數，而是同時決定于多徑信道的有效路徑數，即信道矩陣的維度相比于MIMO多播高斯信道將被擴展數倍，這將導致基站端通過信道矩陣分解計算獲得酉預編碼矩陣所需的計算開銷大增，同時，高維酉預編碼矩陣在信號發送過程中直接參與的浮點乘法次數也將極大提高，進一步增加基站端的計算復雜度；另一方面，即使采用基于碼本的預編碼方法，由于酉預編碼矩陣維度過高，用于碼本的量化比特數也較多，從而增加了系統的反饋開銷。鑒于上述原因，當MMO多播系統收發天線數較多，特別是面對MMO頻率選擇性衰落信道時，現有方法難以以較低的計算復雜度和較少的系統反饋開銷實現有效的多播多數據流傳輸，無法滿足新型寬帶無線和移動通信系統的需求，迫切需要設計具有高性能低復雜度特征的多播多流預編碼方法。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法，以提高包含一個發射基站和兩個接收用戶在內的物理層多播鏈路的傳輸性能，改善在MMO頻率選擇性衰落信道中采用現有聯合三角化分解算法所存在的運算復雜度高、反饋開銷大，不利于實施的問題。本發明基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法，設多播場景中包含一個發射基站和兩個接收用戶，用戶編號i = 1，2，其中基站配置M根發射天線，接收用戶配置Ni根接收天線，基站通過KMXKM維塊對角預編碼矩陣F將MX I維數據塊Xk經信道階數為L的用戶信道發送給接收用戶，數據塊編號k = 1,2,...，K，數據塊長度K由基站設定，用戶i的(K+L) Ni X KM維信道矩陣Hi在基站端已知；其特征在于具體操作步驟為:第一步:基站初始設定分塊矩陣的維度bj和分塊矩陣數B，且滿足維度關系式
Σ Λ =ΚΜ 分塊矩陣編號j可以從集合U，2，...，B}中選取數值，初始值設為I;初始
設定用戶I待分解矩陣#為用戶I信道矩陣^，用戶2待分解矩陣 力用戶2信道矩陣H2;第二步:從用戶I待分解矩陣W1和用戶2待分解矩陣W2中分別提取前h列所有矩陣元素，重新構成(!(+UN1Xbj維用戶I第j分塊矩陣H1;j和(K+L)N2Xbj維用戶2第j
分塊矩陣H2 j將剩余的所有其他矩陣元素重新構成P +1)M)維用戶I第
j分塊余矩陣 .和+Σ Α)維用戶2第j分塊余矩陣H —.'72，/ I第三步:利用 聯合三角化分解算法對用戶I第j分塊矩陣Hu和用戶2信道第j分塊矩陣H2」進行聯合分解，獲得用戶I第j分塊矩陣分解表達式H1., =QuLi iP)和用戶2
第j分塊矩陣分解表達式H2;/ =Q1 P；,其中用戶I第j分塊半酉矩陣Q1J和用戶2第
j分塊半酉矩陣Q2;」維度分別是(!(+UN1Xbj和(K+L) N2Xbj,而用戶I第j分塊上三角矩陣L1;j、用戶2第j分塊上三角矩陣L2u.以及第j分塊酉矩陣P」維度均為上標符號表示共軛轉置；第四步:根據用戶I第j分塊余矩陣更新關系式并計算獲得用戶I第j分塊更新余矩陣％;.,_.利用該矩陣更新替換用戶I待分解矩陣片同時，根據用戶2第j分塊余矩陣更新關系式宄=(1-Q2y.Q〗;,)i2y計算獲得用戶2第j分塊更新余矩陣,利用該矩陣更新替換用戶2待分解矩陣W2 ；第五步:將分塊矩陣編號j更新替換為j+Ι，然后判斷分塊矩陣編號關系式j > B是否成立:若該式不成立，則返回第二步重復上述步驟；若該式成立，則以塊對角矩陣的形式輸出塊對角預編碼矩陣F = diag(P1, P2, , Pb)，該塊對角預編碼矩陣用于傳輸數據塊xk，其中diag(.)表示將括號內元素依次沿對角線放置以構造出對角矩陣。本發明利用矩陣分塊計算思想，通過聯合三角化分解算法迭代構造出適合單發射基站和兩接收用戶的物理層多播無線場景的塊對角預編碼矩陣。從信息論觀點看，當接收端采用串行干擾抵消接收機時，本發明基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法可獲得與聯合三角化分解算法相同的系統傳輸速率。當分塊矩陣數B = I時，本發明方法退化為聯合三角化分解算法；然而當分塊矩陣數B > I時，相比于聯合三角化分解算法，本發明方法通過矩陣分塊操作，將分解所得的上三角矩陣的對角線元素限定在較小的數值分布范圍內，從而增強了最差子信道增益，有效改善了各接收用戶的誤碼性能。在計算復雜度方面，本發明基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法相比于現有的聯合三角化分解算法可節約分塊矩陣數B倍浮點乘法次數，有利于降低在實際系統中應用的計算開銷，同時可以獲得更良好的系統誤碼性能，適合系統中收發天線規模較大及頻率選擇性衰落無線通信信道環境，便于在采用多輸入多輸出傳輸技術的新一代寬帶無線和移動通信系統中實施。
圖1為采用本發明基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法獲取預編碼矩陣的流程原理框圖。圖2為將本發明方法應用在實施例2時的誤碼率與數據塊長度關系曲線。圖3為將本發明方法應用在實施例2時的誤碼率與信噪比關系曲線。
具體實施例方式實施例1:塊對角·預編碼矩陣構造方法本實施例圍繞包含一個發射基站和兩個接收用戶的物理層多播無線場景，以基站采用基于單載波的填零塊數據傳輸情形為例，具體說明采用本發明基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法的操作過程。本實施例中設基站配置發射天線數M = 2，用戶I接收天線數N1 = 2，用戶2接收天線數N2 = 2，基站設定數據塊長度K=4，信道階數L = I且基站已知兩用戶信道矩陣分別是
權利要求
1.一種基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法，設多播場景中包含一個發射基站和兩個接收用戶，用戶編號i = 1，2，其中基站配置M根發射天線，接收用戶配置Ni根接收天線，基站通過KMXKM維塊對角預編碼矩陣F將MX I維數據塊Xk經信道階數為L的用戶信道發送給接收用戶，數據塊編號k = 1，2，...，K，數據塊長度K由基站設定，用戶i的(K+L)NiXKM維信道矩陣Hi在基站端已知；其特征在于具體操作步驟為: 第一步:基站初始設定分塊矩陣的維度h和分塊矩陣數B，且滿足維度關系式
全文摘要
本發明公開了一種基于聯合塊三角化的物理層多播多流傳輸方法，特征是利用矩陣分塊計算思想，通過聯合三角化分解算法迭代構造出適合單發射基站和兩接收用戶的物理層多播無線場景的塊對角預編碼矩陣。與現有的聯合三角化分解算法相比，本發明方法不僅可以降低塊對角預編碼矩陣用于數據傳輸時參與計算的浮點乘法次數，同時可以獲得更良好的系統誤碼性能，適合系統中收發天線規模較大及頻率選擇性衰落無線通信信道環境，便于在采用多輸入多輸出傳輸技術的新一代寬帶無線和移動通信系統中實施。
文檔編號H04L1/06GK103199963SQ20131008039
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月13日 優先權日2013年3月13日
發明者許小東, 張子龍 申請人:中國科學技術大學