用于在上行多用戶mimo系統中的導頻序列設計方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于在上行多用戶MIMO系統中的導頻序列設計方法。本發明首先在維復空間中的單位球面上取L個點，每一個點是一個維行向量。然后用得到的L個點來作為訓練序列的L個行向量，形成訓練矩陣。最后把訓練序列分配給用戶。當基站接收到帶有訓練序列的信號后，用最小均方誤差方法來估計信道。本發明在接收方不知道信道狀態信息的情況下，可以提高上行多用戶MIMO系統中信道估計的準確性，從而使估計出來的信道更接近于真實信道，提高數據傳輸速率。
【專利說明】用于在上行多用戶MIMO系統中的導頻序列設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無線通信【技術領域】，特別涉及無線通信多天線【技術領域】，具體是一種訓練序列設計方法在上行多用戶多輸入多輸出系統(MIMO)中的應用技術。
【背景技術】
[0002]眾所周知，在接收方知道信道狀態信息(CSI)的情況下，多用戶的MIMO系統可以提供很高的數據傳輸速率和能量效率。因此，如何獲得CSI顯得尤為重要，一種傳統獲得CSI的方法是基于訓練序列的信道估計。顯然，估計的準確性在很大程度上取決于訓練序列，所以，設計最優訓練序列是很重要和必要的。其中最優的一種設計是確保訓練序列是相互正交的，為此，當用戶數與能產生相互干擾的基站數很多時，需要花很多時間來發送這些正交的訓練序列，從而影響系統的傳輸率。事實上，這里存在兩個問題:一方面，訓練時間花銷很大，信道估計精確，但降低了數據傳輸速率；另一方面，如果訓練序列不是正交的，尤其是當訓練序列重復使用時，會產生導頻干擾，信道估計的性能極大下降。
【發明內容】
[0003]本發明針對現有技術的不足，提出了一種用于上行多小區多用戶MMO系統中的導頻序列設計方法。
[0004]假定系統有L個小區，每個小區有一個基站，基站配有M根天線，且小區之間存在同頻干擾。再假定每個小區的同時激活用戶數為一個。假定每個用戶發送長度為τ的訓練序列，即 Φι = (Φη, Φι2,..., Φ1τ)，其中 Φη, Φ12,..., Φ1τ, I = I, 2,..., L 是第 I 個用戶分別在第1，2，...τ時刻發送的訓練符號。令(D0=W”._,武),為LX τ矩陣，稱為訓練矩陣，這里上標t表示向量或矩陣的轉置(以下同)。
[0005]本發明就是要對Otl的設計提出其設計方法。具體如下:
[0006]第一步:在τ維復空間中的單位球面上取L個點,每一個點是一個τ維行向量。記為Φ?; i = 1，2，...，L,把疊成LX τ矩陣Φ。,把Φ。作為訓練矩陣。L個點的選取方法是使得以下的值
[0007]max I Φ?Φ}Η I⑴
l<ijt j<L
[0008]越小越好，這里上標H表示向量或矩陣的共軛轉置(以下同)。具體的選取可采用如下方式:取成ZfP，1,...，1]'為τ維向量,每個分量都為I。
[0009]令
[0010]φ.= (diag(\,οχρ( j^-^1) ,oxpij'—uJ，..., exp( /——wr l))(卜1V0 i ~ 1,2,..., L 0
TTT
[0011]其中j為虛數單位，UpU2,...,Uh1均為大于零小于τ的正整數。這些整數可以根據值％5^越小越好的要求用計算搜索得到。
[0012]第二步:將第一步中得到的L個點作為訓練序列的L個行向量，形成訓練矩陣Φ0 =(戎，成,...，武/。
[0013]第三步:第i個基站的用戶發送信號.，其中P ^為發送訓練序列所需的總能量。
[0014]第四步:假定基站接收到的信號Y0為
[0015]F0 =Z? Φ 0 + 炚(
[0016]其中H為信道矩陣，B為對角矩陣，它的第i個對角線上元素表示第i個小區用戶到基站的大尺度衰落因子。Wtl表示噪聲。
[0017]第五步:基站用如下的MMSE信道估計法得到信道估計片:
[0018]H = ^Υ?(?τ+^φξΒ2Φ0γιΦξΒ
[0019]上式中，Ιτ表示τ維的單位矩陣。
[0020]第六步:矩陣Φ--,的特征值記為H.,.Ato，其中τ ^ = min{L，τ }。則可以根據公式&{||丑-別+計算出信道估計方差分析并可以作出相
μ i + AA
應的估計方差分析圖。
[0021]本發明的有益效果:在接收方不知道信道狀態信息的情況下，該設計方法可以提高上行多用戶MMO系統中信道估計的準確性，從而使估計出來的信道更接近于真實信道，提高數據傳輸速率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的上行MMO系統中τ = 4的訓練序列在該設計方法下估計方差的分析圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖對本發明作進一步說明并給出一個具體實施例:
[0024]如圖1所示，設定系統有10根接收天線(Μ = 10)，8個用戶(L = 8)，訓練序列長度為 4( τ = 4) ο
[0025]根據本發明的訓練序列設計方法，按以下步驟得到信道的估計方差分析圖:
[0026]步驟1:在4維復空間中的單位球面上取8個點,每一個點是一個4維行向量。記為Φ?;? = 1,2，...，8,把(J)i疊成8X4矩陣把Φ(?作為訓練矩陣。8個點的選取方法是使得以下的值
[0027]max I ΦιΦ}Η I
\<i^j<L
[0028]越小越好。具體的選取可采用如下方式:取Φ。= [I I I 1?為4維向量，每個分量都為 I !令屮=2,U2 = 4,u3 = 5,B = diag(l, β ” β 2，...，β 7),其中 β i; i = 1，2，...，7是在區間(O，I)上隨機均勻選取的。令
2ττ2/γ2/γ -
[0029]Φ? - (diagO^xpU^—i^), Cxpi j-^-U1 ),cxp( j^-u, )))1' u φ{) / = 1,2,...,8。
444
[0030]步驟2:用步驟I得到的8個點Φ。Φ2，...，Φ8來作為訓練序列的8個行向量，形成訓練矩陣?Q=(H..,為7
[0031]步驟3:根據上面得到的訓練矩陣Otl和基站接收到的帶有訓練序列的信號Υη=^//βΦη+Η,η，代入信道的最小均方誤差估計公式
fl=4p^X(L+P^J1B1O,) 'Φ,/7/?中，得到估計出來的信道并且由設計的訓練矩陣Φ。計算得到矩陣的特征值X1, λ2，...，入4。
[0032]步驟4:根據估計方差公式
[0033]Επ{\\ N-N Il2I=M(L-Tu) +Μγ-^=\0χβ-4) + \0χΥ—^—
/-1 I + Ponμ 1 + Po Λ
[0034]將步驟3中的特征值代入，得到估計方差的分析圖。
[0035]下面介紹該設計方法的理論依據。
[0036]記真實信道為H，則基站接收到的信號可以記為
[0037]F0 =7^//Z?cI),)+r。
[0038]其中，Y為MX τ矩陣，表示在τ個訓練過程中基站所接收到的信號；B*LXL的對角矩陣，對角線上元素1表示用戶i到基站的大尺度衰落因子ItlSMX τ矩陣，表示在τ個訓練過程中基站所接收到的噪聲。則信道H的MMSE估計，記為/)，為
[0039]H = ^YliU7+PnOj1B2C^) 'φ^Β
[0040]設計方法為使得估計方差&{||i7-右||2}達到最小，經過計算可得
[0041]
‘[II Il2] =ML-pnMtr{{lr +Α,ΦΧ) ?:Φ
[0042]記矩陣Φ/爐Φ。的特征值為，其中τ。= min{L, τ丨，則有
[0043]ΕΗ[\\Η-Η\^ = Μ^-τ?) + Μ^—^-—
/=11+M
[0044]估計方差最小等價于
rOI
[0045]min-
w I+ Po 為
[0046]約束條件:A1+/^+..Χ =Ιι\Φ'^Β2Φη)
[0047]而"-(Φ,^Φ。)="■(β2Φ?Φ:;/) = (A+A+..+/ )記 // 二 /W2+._.+/々。因此，訓練序列Φο的最優化設計問題就轉化為:
Jo I
[0048]min-y 約束條件:；丄；+ ,
/-1 I + Poj^iA1+ +...Arcj — P0
[0049]顯然，上述最優化問題的最優解是4 = 4 =…=Ar。= ~~，但實際中是不可能做到的，因為要求％要與I獨立。但注意到此時的最優解是這些特征值的方差為零。所以，可以考慮￡(為-A2，其中，又」~-=—^代入化簡得
rO—rO_ 7rOβ 2
X (Λ- _2)_=X K —ro 兒=X Λ~ ~ °1-Ι?'-1?'-1Iq
[0050]因此，該問題又轉化為:
[0051]min ζλ,2
/~1
[0052]約束條件:A +毛+...\ =爲
[0053]顯然，ΣΛ:=仏(φ?W沒:φ")= ^(^:φ?φ^^:φ(!φ")-ZZW-1 Φ,Φ '' 1:(
?=1 /=1 j =1
[0054]所以，這個問題最終轉化為I。因此，最終設計最優訓練序列使得1為多/ I(i幸j)中的最大值越小越好。
[0055]本領域的普通技術人員應當認識到，以上實例僅是用來說明本發明，而并非作為對本發明的限定，只要在本發明的范圍內，對以上實施例的變化，變形都將落在本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.用于在上行多用戶MMO系統中的導頻序列設計方法，假定系統有L個小區，每個小區有一個基站，基站配有M根天線，且小區之間存在同頻干擾；再假定每個小區的同時激活用戶數為一個，每個用戶發送長度為τ的訓練序列，即Φ1= Q11, Φ12，...，Φ1τ)，其中Φη, Φ12,..., Φ1τ, I = 1，2，...，L是第I個用戶分別在第1，2，...τ時刻發送的訓練符號；令Φο=(成，武，為LX τ矩陣，稱為訓練矩陣，其特征在于該方法就是要對Otl的設計提出其設計方法，包括以下步驟: 第一步:在τ維復空間中的單位球面上取L個點,每一個點是一個τ維行向量；記為i = 1，2，...，L,把(J)i疊成LX τ矩陣,把作為訓練矩陣；L個點的選取是使得以下的值 max Kl
l<iV j<L 越小越好，這里上標H表示向量的共軛轉置；具體的選取可采用如下方式:取戎=j[IJ,…JT為τ維向量，每個分量都為1，其中上標t表示矩陣的轉置矩陣(以下同)； 令
? =(cliag(\,c\p(j—u\) ,Cxp(Z-U1) ，...,cxp(/'—μ.,))(/ l ^0 /=1,2,...,L ; τττ 其中j為虛數單位，U1, u2，...，Uh1均為大于零小于τ的正整數；這些整數可以根據值max \Φ,Φ? I越小越好的要求用計算搜索得到；\<ιψ j<L 第二步:用上述步驟得到的L個點來作為訓練序列的L個行向量，形成訓練矩陣
φ?={Φ[,Φ^-,Φ?)1 ; 第三步:把上述方式得到的訓練序列Φ?分配給用戶i ;當基站接收到帶有訓練序列的信號后，用最小均方誤差方法來估計信道。
【文檔編號】H04L25/02GK104135451SQ201410328521
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】王海泉, 張婉, 劉楊懿, 許倩, 潘鵬 申請人:杭州電子科技大學