一种多用户广义空间调制系统线性迫零预编码方法

摘要

本发明公开了一种多用户广义空间调制系统线性迫零预编码方法，该方法包括以下步骤：建立多用户广义空间调制系统，将链路发送端天线进行分组，每组发送天线采用广义空间调制服务于一个接收端；对系统中的信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维，得到等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵；利用所述降维矩阵对于发送端的发送信号矩阵进行迫零预编码处理，并利用所述等效信道增益矩阵进行信号的传输，以同时消除用户间干扰和信道间干扰。本发明方法能够有效提高系统的误码性能和系统的容量。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种多用户广义空间调制系统线性迫零预编 码方法。

背景技术

空间调制技术通过在链路发送端激活一根天线进行信息传输，将部分发送信息映 射到传统的数字调制星座图上，剩余部分映射到天线序号生成的空间维上，有效地解决了 信道间干扰的问题。广义空间调制技术可以使链路发送端激活两根或者多根天线，解除了 空间调制中链路发送端天线个数必须是2的幂次的限制，同时增加了分集增益，有效地提高 了频谱效率，但其不可避免的引入了信道干扰。迫零预编码技术广泛应用在多用户MIMO系 统中，它有效地消除了下链路中的干扰，提高了系统容量。

现有技术中，J.Wu等人研究了结合空间调制的多用户MIMO系统预编码，通过块对 角预编码操作，该系统等价为多个并行的单用户MIMO系统，再经过空间调制消除了信道内 部干扰，最后采用梯度下降算法，更新每个用户的功率分配因子，直到系统误码率降到最 低，获得闭式解。

J.Wu等人对多用户MIMO系统经过块对角化预编码处理后，通过空间调制消除了信 道间干扰，但是该方法只适用于多用户空间调制系统，即在单用户MIMO系统中只激活发送 端一根天线时的特殊情况，对于多用户广义空间调制系统来说，由于存在两根或者两根以 上的活跃天线数，所以信道间干扰依然存在。若将迫零预编码技术直接应用于多用户广义 空间调制系统，由于信道增益矩阵不满秩，信道增益矩阵不存在广义逆，所以多用户广义空 间调制系统无法直接使用迫零预编码方法以消除信道间干扰。

发明内容

为了解决目前传统迫零预编码方法无法应用于多用户广义空间调制系统的问题， 本发明提出一种应用于多用户广义空间调制系统下链路的线性迫零预编码方法。

本发明提出的一种多用户广义空间调制系统线性迫零预编码方法包括以下步骤：

建立多用户广义空间调制系统，将链路发送端天线进行分组，每组发送天线采用 广义空间调制服务于一个接收端；

对所述多用户广义空间调制系统中的信道增益矩阵和发送信号矩阵进行降维，得 到等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵；

利用所述降维矩阵对于所述多用户广义空间调制系统链路发送端的等效发送信 号矩阵进行迫零预编码处理，并利用所述等效信道增益矩阵进行信号的传输，以同时消除 用户间干扰和信道间干扰。

本发明提出的应用于多用户广义空间调制系统下链路的线性迫零预编码方法，通 过对链路发送端天线分组将多用户广义空间调制系统分解为许多独立的单用户广义空间 调制系统，在假定用户的接收天线数与对应发送天线组的激活天线数相同的条件下，根据 广义空间调制存在沉默天线的特点生成降维矩阵以降低信道增益矩阵和发送信号矩阵的 维数，得到的等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵将活跃天线的发送信息和信道状态信 息提取出来，最后利用信道逆的迫零预编码方法来消除干扰。本发明通过在发送端应用预 编码矩阵对发送信号矩阵进行处理，由于用户间干扰和信道间干扰被消除，接收端利用最 大似然检测方法或最大合并比检测方法时对于天线序号和发送符号的检测将更加准确，所 以系统的误码性能和系统容量都会得到进一步提高，其中，最大合并比检测方法通过检测 能量最大符号所在的位置判断发送天线序号并判决出相应的发送比特；最大似然检测方法 能同时检测天线序号和发送符号，它通过穷举法找出与接收信号最接近的比特信息，从图4 中可以看出最大合并比检测方法可以获得更好的误码性能。

附图说明

图1为本发明应用于多用户广义空间调制系统下链路的线性迫零预编码方法的流 程图。

图2为本发明使用的多用户广义空间调制系统的结构框图。

图3为使用本发明方法的速率性能仿真图。

图4为使用本发明方法的误码性能仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出了一种应用于多用户广义空间调制系统下链路的线性迫零预编码方 法，应用于图2所示的多用户广义空间调制系统。如图1所示，所述应用于多用户广义空间调 制系统下链路的线性迫零预编码方法包括以下步骤：

步骤S1：建立多用户广义空间调制系统，将多用户广义空间调制系统下链路中的 发送端天线进行分组，每组发送天线采用广义空间调制服务于一个特定的用户，即接收端；

对于一个多用户广义空间调制系统来讲，假设发送端已知信道状态信息，考虑发 送端基站拥有N_t根发送天线，同时服务K个用户，如图2所示。假设用户i∈{1,…,K}有M_i根天 线，则接收天线总数为在多用户广义空间调制系统中，N_r≤N_t。将N_t根发送天 线分为K组，每组天线采用广义空间调制服务于一个特定的用户，该系统等价于多个单用户 广义空间调制系统，假定每一发送天线组拥有N_t/K根天线，第i组发送天线服务于用户i，用 户端的接收天线数与对应发送端天线组中激活天线数相同，在一组发送天线中激活天线在 每个时隙上发送的符号信息相同。

对于上述多用户广义空间调制系统，接收端的接收信号表示为：y＝f·HPx＋n，f 为功率限制因子，H表示瑞利平坦衰落信道增益矩阵，是发送端的预编码矩阵，x 表示发送信号，n表示加性高斯白噪声。

所述接收信号可展开为：

$y=\left(\begin{array}{c}{y}^{\left(1\right)}\\ y^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ y^{\left(K\right)}\end{array}\right)=f·HP\left(\begin{array}{c}{x}^{\left(1\right)}\\ x^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ x^{\left(K\right)}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}^{\left(1\right)}\\ n^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ n^{\left(K\right)}\end{array}\right),$

瑞利平坦衰落信道H可以用块矩阵的形式表示：

子矩阵代表第n组发送天线和用户i间的信道增益矩阵； 表示用户i的接收信号；x⁽ⁱ⁾是第i组发送天线发送的符号向量， 其中，N_u⁽ⁱ⁾代表第i组发送天线中的活跃天线数，表示 从第i组发送天线中第j根活跃天线发出的信号，s_q表示M-QAM星座图中的第q个符号； 表示用户i的加性高斯白噪声向量。令表示基站的发送符号向量， 满足P_T是基站的发射总功率，E[·]表示求均值，||·||表示求Eucliden范 数；发送端的总功率限制可以表示为：T_r(PP^H)≤P_T，Tr(·)表示求迹操作。

步骤S2：根据广义空间调制的特性，对所述多用户广义空间调制系统中的信道增 益矩阵和发送信号矩阵进行降维，得到等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵；

在多用户广义空间调制系统中，由于只有活跃天线进行信息传输而没有被激活的 天线保持沉默，所以信道增益矩阵H中对应于沉默天线所在的列和被发送的信号x中对应于 沉默天线所在的行都为零向量。针对这一特点，我们将分别建立降低信道增益矩阵H和发送 信号矩阵x维数的降维矩阵和假设第i组发送天线中的活跃天线数 M_i与第i个用户的接收天线数N_u⁽ⁱ⁾相同，即M_i＝N_u⁽ⁱ⁾，首先考虑当没有对发送信号进行预编 码处理时，接收端的接收信号为：

$y=Hx+n=\left(\begin{array}{ccccccccccc}0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_1,1)}& 0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}0\\ .\\ .\\ .\\ 0\\ s_q^{(l_1,1)}\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\\ s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}^{\left(1\right)}\\ n^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ n^{\left(k\right)}\end{array}\right)$

其中，代表第i组发送天线中第j根活跃天线所对应的信道状态信息矩阵列， 沉默天线不进行信息传输，当只考虑激活天线的信道信息和发送信息时，接收信号可以进 一步写为：

$\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ .\\ .\\ .\\ y_{N_r}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{h}^{(l_1,1)}& \mathrm{...}& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_q^{(l_1,1)}\\ .\\ .\\ .\\ s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}^{\left(1\right)}\\ n^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ n^{\left(K\right)}\end{array}\right),$

则等效信道增益矩阵和等效发送信号矩阵分别为：

$\tilde{h}=\left(\begin{array}{ccc}{h}^{(l_1,1)}& \mathrm{...}& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccccccccc}0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_1,1)}& 0& \mathrm{...}& 0& h^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\right)P_1$

$\tilde{x}=\left(\begin{array}{c}{s}_q^{(l_1,1)}\\ .\\ .\\ .\\ s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}\end{array}\right)=P_3{\left(\begin{array}{ccccccccccc}0& \mathrm{...}& 0& s_q^{(l_1,1)}& 0& \mathrm{...}& 0& s_q^{(l_{{N_u}^{\left(K\right)}},K)}& 0& \mathrm{...}& 0\end{array}\right)}^H$

由此得出P₁的形式为在第l(l_j,i)行，第列的元素为1，其余元素为0， 记为其他位置为0，其中，l(l_j,i)代表第i组发送天线中第j根 活跃天线的序号，N_u^(k)代表第k组发送天线中的活跃天线数；同时可得： 其他位置为0，取预编码矩阵P＝P₁P₂P₃，其中，作为 迫零预编码矩阵时，可以满足使信道增益矩阵H和发送信号矩阵x降维的目的。

步骤S3：对于所述多用户广义空间调制系统链路发送端的等效发送信号矩阵进行 迫零预编码处理，并利用所述等效信道增益矩阵进行信号的传输，从而可以同时消除用户 间干扰和信道间干扰。

该步骤中，取预编码矩阵为P＝P₁P₂P₃，时，用户的接收信号可以表示 为：其中，令表示传输信道的等 效信道增益矩阵。为消除多用户之间和信道间的干扰，可利用所述等效信道增益矩阵并 采用信道逆的迫零预编码方法，这时：由此可知，采用多用户广义空间 调制系统迫零线性预编码方法时，基站发送端的预编码矩阵表示为：

$P=P_1{P}_2{P}_3=P_1{\tilde{H}}^H{\left(\tilde{H}{\tilde{H}}^H\right)}^{-1}{P}_3,$

链路发送端的总发送功率为P_T，因此链路发送端的总功率限制为T_r(PP^H)＝P_T，可 以得到功率限制因子为：

则第u根接收天线的接收信号为：

$y_u=f·{\mathrm{HP}}_1{P}_2{P}_{3}x+n=f·HPx+n={\bar{x}}_u+n_u.$

下面结合图2-4对本发明的效果做进一步的描述。参见图3-4中使用本发明多用户 广义空间调制系统线性迫零预编码方法的速率和误码性能仿真图，以及图2所示的多用户 广义空间调制系统结构图。图3-4的仿真环境为：多用户广义空间调制系统中的信道为平坦 瑞丽衰落信道，噪声为零均值加性高斯白噪声，用户数K＝6，每一组天线都采用4-QAM广义 空间调制方法，N_t/M＝7，激活天线数为N_u⁽ⁱ⁾＝2。图3-4中，MU-GSM和MU-GSM-ZF分别表示没有 采用多用户广义空间调制系统线性迫零预编码方法的多用户广义空间调制系统和采用多 用户广义空间调制系统线性迫零预编码方法的多用户广义空间调制系统；MU-GSM-MRC和 MU-GSM-ML分别表示采用最大合并比检测方法的多用户广义空间调制系统和采用最大似然 检测方法的多用户广义空间调制系统；MU-GSM-ZF-MRC表示采用最大合并比检测方法并且 应用多用户广义空间调制系统线性迫零预编码方法的多用户广义空间调制系统；MU-GSM- ZF-ML表示采用最大似然检测方法并且应用多用户广义空间调制系统线性迫零预编码方法 的多用户广义空间调制系统，从图3-4中可以明显地看出，在同样的信噪比区间，本发明提 出的多用户广义空间调制线性迫零预编码能使系统的速率和误码性能得到显著提高，并且 当利用最大合并比检测方法时相比采用最大似然检测方法时会取得更好的误码性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。