用于在多小區多用戶大規模天線系統中的解碼方法
【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 用于在多小區多用戶大規模天線系統中的解碼方法。
【背景技術】
[0002] 多用戶多輸入多輸出（MU-MM))無線通信系統在當今通信領域已得到廣泛應用， 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頻資源上，從信息論的觀點 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頻資源上進行，就可以 得到更高的頻譜使用率，但這需要復雜的解碼技術來消除用戶間干擾。mu-mbto技術在實際 的蜂窩通信系統中不僅會受到小區內用戶間干擾，位于小區邊緣的用戶還會受到來自鄰小 區的小區間干擾。
[0003] 大規模天線系統不同于一般的MM0系統，基站擁有大量天線，同時在同一頻段上 服務于多個用戶終端。根據大數定理，不同用戶與基站之間的信道趨于正交，這樣小區內用 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。大規模天線系統中，由 于巨大的天線數目及多個用戶同時同頻通信，選擇一個低解碼復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，當天線數很大時計算復雜度還是比較 尚。
【發明內容】
[0004] 為了進一步減小解碼的復雜度，本發明提出了一種信號在多小區多用戶大規模天 線系統中直接解碼方法，即充分利用大規模天線系統，隨著天線數的無限增加，用戶間的非 相關干擾和加性噪聲會隨著天線數的增加而消失，在不估計信道狀態信息的情況下直接解 碼的方法。
[0005] 本發明提供了一種用于在多小區多用戶大規模天線系統中的解碼方法。
[0006] 假定系統模型為：
[0007]
⑴
[0008] 其中，設系統有L個小區，每個小區有一個基站和K個單天線用戶，每個基站裝有 M根天線，M要遠遠大于所有用戶數LK。假定系統的相干時間為T+t，再假定每個用戶發 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的訓練序列頭，則發 送信號可表示成KLX(T+t)的發送信號矩陣X，某小區基站接收信號可表示成MX(T+t) 的接收信號矩陣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個小區第j個用戶到基站的大尺度衰落因子，W表示 隨機噪聲。
[0009] 下面以第i(1彡i彡L)個小區為例說明解碼方法。
[0010] 第一步：發送訓練序列接收的信號
[0011]
(2)
[0012] 其中，YQeCMXK，是發送訓練序列時接收到的信號；p。是訓練序列的信噪比；H是 MXKL的復矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的復高斯的隨機變量，且兩兩相互獨立。
實中1><是1(\1(的單位矩陣，而上標t表示矩陣的轉置，符號I表示矩陣 O中有L個單位矩陣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的獨立的復高斯變量，且兩兩相互獨立。B=diag([0n，…，P1K，021，… ，后J)，是LKXLK的對角矩陣。
[0013] 第二步：發送信號接收到的信號
[0014] …，
. (3：)
[0015] 其中，Y#CMX1，是發送信號的接收信號；接收數據的信噪比；S= [sn，… ，s1K，s21，…，sj呔發送的數據，s,(1彡i彡L，1彡j彡K)表示第i個小區的第j個用戶 發送的數據，它的每個元素均勻地獨立地取某個QAM(正交幅度調制信號），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的獨立的復 高斯變量，且兩兩相互獨立。
[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個用戶的解碼方 法為
[0018]
(4)'
[0019] 本發明的有益效果：充分利用大規模天線系統，隨著天線數的無限增加，用戶間的 非相關干擾和加性噪聲會隨著天線數的增加而消失，在不估計信道狀態信息的情況下直接 解碼，進一步減小解碼的復雜度。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明在實施例的情況下，關于解碼誤比特率的仿真圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面介紹該設計方法的理論依據：
[0022] 假定系統模型為：
[0023]
(5)
[0024]其中，設系統有L個小區，每個小區有一個基站和K個單天線用戶，每個基站裝有 M根天線，M要遠遠大于所有用戶數LK。假定系統的相干時間為T+t，再假定每個用戶發 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的訓練序列頭，則發 送信號可表示成KLX(T+t)的發送信號矩陣X，某小區基站接收信號可表示成MX(T+t) 的接收信號矩陣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個小區第j個用戶到基站的大尺度衰落因子，W表示 隨機噪聲。
[0025] 下面以第i(1彡i彡L)個小區為例說明解碼方法。
[0026] 第一步：發送訓練序列接收的信號
[0027]
(6)
[0028] 其中，YQeCMXK，是發送訓練序列時接收到的信號；P。是訓練序列的信噪比；H是 MXKL的復矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的復高斯的隨機變量，且兩兩相互獨立。
其中IK，是KXK的單位矩陣，而上標t表示矩陣的轉置。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的獨立的復高斯變 量，且兩兩相互獨立。B=diag([ 0 n,…，0 1K, 0 21，…，0J)，是LKXLK的對角矩陣。
[0029] 第二步：發送信號接收到的信號
[0030]
(7)
[0031] 其中，Y#CMX1，是發送信號的接收信號；接收數據的信噪比；S= [sn，… ，s1K，s21，…，sj1為發送的數據，它的每個元素均勻地獨立地取某個QAM(正交幅度調制信 號），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的獨立的復高斯變量，且兩兩相互獨立。
[0032] 第三步：解碼過程
[0033] 1、聯合公式（6)、（7)，可得如下
[0034]
[0035] 其中，（*)H表示矩陣的復共輒矩陣；在MM0系統中，當M遠大于LK且M-①時，
=0幾乎處處成立。
[0036]2、由公式（8)可知，信道狀態信息可被消去，進一步分析可知
[0037]
[0038] 其中：
Si<L; Si=(su，…，SiK)1 <i<L，表示第i 個小區的發送信號；（?）t表示矩陣的轉置。
[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，中的每項展開可得：
[0042]
[0043] 其中第j個分量可以表示為：
[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個小區的干擾信號當做噪 聲處理，可以由公式（12)解出第i個小區的第j個用戶的信息Sl]。
[0046] 4、所以可得解碼方法為
[0047]
[0048] 實施例
[0049] 如圖1所示，假設系統有2個小區，每個小區有一個基站和2個單天線用戶，每個 基站裝有128根天線。下面以第一個小區為例。
[0050] 步驟1 :令訓練序列〇 = [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。則可得發送訓練序列接收到的 信號為
[0051]
[0052] 其中，YQeC12SX2;H是128X4的復矩陣，它的元素是均值為零，方差為1的復高斯 的隨機變量;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的獨立的 復高斯變量，且兩兩相互獨立。
[0053] 步驟2 :取發送的數據S= [sn，s12,s21，822]\是4X1的矩陣，其中每個元素均勻地 取4-QAM。其它的條件如同步驟1。則可得發送信號接收到的信號為
[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的獨立的復高斯變量，且兩兩相互獨立。
[0056] 步驟3:令貨=^?、1)/財，貨￡(：2><1，并將公式（14)、（15)代入可得
[0057]
[0058] 第j個分量可以表示為
[0059]
[0060] 步驟4 :在公式（17)中，對于給定的j(1彡j彡2)，將第2個小區的干擾信號當做 噪聲處理，可以解出第1個小區的第j(l<j< 2)個用戶的信息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。
【主權項】
1.用于在多小區多用戶大規模天線系統中的解碼方法，設定系統模型為：(1) 其中，系統有L個小區，每個小區有一個基站和K個單天線用戶，每個基站裝有M根天 線，M要遠遠大于所有用戶數LK ;設定系統的相干時間為T+τ，再設定每個用戶發送長為 T+τ的信息序列，設定τ =Κ，且序列前端均包含有長為τ的訓練序列頭，則發送信號可 表示成KLX (Τ+ τ )的發送信號矩陣X，某小區基站接收信號可表示成MX (Τ+ τ )的接收信 號矩陣Υ;Ρ為信噪比，B = diag([i3n，···，βικ，β21，…，β J)為對角矩陣，Plj表示第i 個小區第j個用戶到基站的大尺度衰落因子，W表示隨機噪聲，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：發送訓練序列接收的信號C2)其中，YQecMXK，是發送訓練序 列時接收到的信號；P c是訓練序列的信噪比；H是MXKL的復矩陣，它的元素是均值為零， 方差為1的復高斯的隨機變量，且兩兩相互獨立；^其中1><是1(\1(的單 位矩陣，而上標t表示矩陣的轉置，符號j表示矩陣Φ中有L個單位矩陣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的獨立的復高斯變量， 且兩兩相互獨立；B = diag([0 n,…，β 1Κ, β21,…，β J)，是LKXLK的對角矩陣； 第二步：發送信號接收到的信號其中，Yle C ΜΧ1，是發送信號的接收信號；P 1是接收數據的信噪比； S = [S11,…，s1K, S21,…，sLK] tS發送的數據，S (1彡i彡L, 1彡j彡Κ)表示第i個小 區的第j個用戶發送的數據，它的每個元素均勻地獨立地取某個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的獨立的復高斯變 量，且兩兩相互獨立； 第三步：解碼過程，具體如下：對于給定的j，第j個用戶的解碼為 ⑷。
【專利摘要】本發明涉及一種用于在多小區多用戶大規模天線系統中的解碼方法。本發明充分利用大規模天線系統，隨著天線數的無限增加，用戶間的非相關干擾和加性噪聲會隨著天線數的增加而消失，在不估計信道狀態信息的情況下直接解碼的方法。
【IPC分類】H04B7/08
【公開號】CN105187110
【申請號】CN201510470434
【發明人】王海泉, 鄭先俠, 李飛, 營夢云
【申請人】杭州電子科技大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月4日