專利名稱：一種多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動(dòng)通信多輸入多輸出(MIMO)天線信號(hào)處理技術(shù)和移動(dòng)通信上行鏈路多址技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及非理想空間信道下提高系統(tǒng)性能的多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)及其分組優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
多輸入多輸出(MIMO)天線信號(hào)處理技術(shù)通過(guò)利用空間信道的自由度，可以增加系統(tǒng)容量，改善系統(tǒng)性能。MIMO技術(shù)近年已成為研究的熱點(diǎn)之一，并開始在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
根據(jù)《信號(hào)，系統(tǒng)與電子學(xué)1998年國(guó)際研討會(huì)論文集》(Signals，Systems，andElectronics，International Symposium on，29 Sep-2 Oct 1998；Page(s)295-300)介紹，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的一種被稱為分層時(shí)空技術(shù)(Vertical-Belllaboratories Layered Space-Time，簡(jiǎn)稱V-BLAST技術(shù))的多天線技術(shù)，利用空間信道的自由度來(lái)提高系統(tǒng)的容量。發(fā)送端的多路天線上并發(fā)多路獨(dú)立的數(shù)據(jù)，接收端將多個(gè)天線收到的所有信號(hào)做聯(lián)合處理，利用多用戶干擾對(duì)消算法解調(diào)出發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。由于所有的數(shù)據(jù)在相同的頻段內(nèi)同時(shí)發(fā)送，沒(méi)有占用額外的通信帶寬資源，采用該V-BLAST技術(shù)的系統(tǒng)顯著提高了頻譜利用效率。但V-BLAST技術(shù)是點(diǎn)到點(diǎn)的通信技術(shù)，不支持多個(gè)用戶同時(shí)通信。
《國(guó)際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)2001年國(guó)際通信會(huì)議論文集》(Communications，IEEE International Conference on，2001；Page(s)565-569 vol.2.)給出了一種結(jié)合碼分多址的多用戶同步V-BLAST系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每個(gè)用戶有一個(gè)或多個(gè)發(fā)送天線，該多用戶同步V-BLAST系統(tǒng)利用正交碼把用戶分為多個(gè)組，每個(gè)組內(nèi)所有用戶的天線和基站的多個(gè)接收天線構(gòu)成等效的V-BLAST系統(tǒng)；由于該多用戶同步V-BLAST系統(tǒng)利用了空間信道的自由度，一定程度上提高了系統(tǒng)的容量。
但是，正交碼將所有的天線分組，分組的可能組合方式卻很多，在同樣的信道條件下，各種不同的分組組合導(dǎo)致的系統(tǒng)性能不同；特別是在空間信道非理想的情況下，例如在部分收發(fā)天線對(duì)之間的信道相關(guān)性較強(qiáng)的情況下，或在空間信道出現(xiàn)“鎖孔現(xiàn)象”(KEYHOLE)的情況下，不同分組造成的性能差別尤其明顯。而在一定的信道條件下，存在著性能比較好的分組組合，如何選取性能比較好的分組組合是現(xiàn)有技術(shù)尚未解決的問(wèn)題；另外，實(shí)際系統(tǒng)中信道在不斷地變化，故信道的分組組合方式需要隨著信道的變化而變化，才能保證系統(tǒng)的性能始終得到優(yōu)化。但至今未見有關(guān)如何獲得有利于系統(tǒng)性能提高的分組組合方式的報(bào)道。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)上行同步鏈路的自適應(yīng)的多用戶分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，其基站根據(jù)當(dāng)前各用戶到基站的信道情況，選用本發(fā)明給出的兩種分組優(yōu)化方法之一，可自適應(yīng)地將各個(gè)用戶的天線進(jìn)行優(yōu)化分組，以有效的改善系統(tǒng)性能。
本發(fā)明應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)上行同步鏈路的多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，包括移動(dòng)用戶發(fā)送模塊和基站接收機(jī)(10)；設(shè)系統(tǒng)包括編號(hào)為U_1，…，U_K的K個(gè)用戶；第k個(gè)移動(dòng)用戶發(fā)送模塊有mk個(gè)發(fā)送天線，系統(tǒng)中的K個(gè)用戶共有M個(gè)發(fā)送天線，記為[A1，A2，...，AM]；所述第k個(gè)移動(dòng)用戶發(fā)送模塊將其待發(fā)送的數(shù)據(jù)(1)由調(diào)制模塊(2)調(diào)制，串并轉(zhuǎn)換模塊(3)取出mk·Nd個(gè)連續(xù)的調(diào)制后的數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)據(jù)塊，設(shè)為第n塊，將其轉(zhuǎn)換為mk路長(zhǎng)度為Nd的數(shù)據(jù)流，每路數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)送天線；復(fù)用模塊(5)以時(shí)分復(fù)用方式在每路數(shù)據(jù)流中插入用于信道估計(jì)的長(zhǎng)度為Np的訓(xùn)練序列(4)，形成長(zhǎng)度為NB＝Nd+Np的帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)；設(shè)T為每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，第n塊數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)度為TB＝NBT，在時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)，每路帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)在每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)被乘上基站指定給它的正交碼序列(6)，成為發(fā)送信號(hào)，該步驟稱為信道化過(guò)程；所有發(fā)送天線(8)同時(shí)發(fā)送的上述信號(hào)經(jīng)過(guò)上行信道(9)到達(dá)基站接收機(jī)(10)；所述基站接收機(jī)(10)的天線(12)將收到的所有用戶的信號(hào)送往解正交碼模塊(13)；設(shè)所有用戶的天線使用的正交碼序列(6)共有G個(gè)不同的序列，解正交碼模塊(13)利用解正交碼技術(shù)，按照G個(gè)不同的正交碼序列將所有用戶的信號(hào)分解成為對(duì)應(yīng)的G個(gè)分組的信號(hào)，其中每個(gè)分組的信號(hào)包括與訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(15)和與傳輸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(14)；對(duì)任意一個(gè)分組的信號(hào)，信道估計(jì)模塊(16)將與訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(15)作為輸入，對(duì)分組內(nèi)各個(gè)發(fā)送天線(8)到各個(gè)基站接收天線(12)的時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)的信道Hp進(jìn)行信道估計(jì)，得到信道估計(jì)值(17)；V-BLAST數(shù)據(jù)解調(diào)模塊(19)利用該信道估計(jì)值(17)和上述與傳輸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(14)，并調(diào)用多用戶干擾對(duì)消解調(diào)算法解調(diào)出在時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)所有發(fā)送天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)(20)；其特征在于所述基站接收機(jī)(10)還將信道估計(jì)模塊(16)得到的時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)的信道估計(jì)值(17)輸入到優(yōu)化分組模塊(18)，優(yōu)化分組模塊(18)根據(jù)信道情況，選用下面給出的分組優(yōu)化方法(24)中的一種，對(duì)時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)所有天線進(jìn)行優(yōu)化分組，把K個(gè)用戶的M個(gè)發(fā)送天線[A1，A2，...，AM]分為G個(gè)組，記分組矢量F＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)M](25)，其中Fi表示第i個(gè)天線被分在第Fi組，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}；基站通過(guò)下行反饋信道(11)通知各個(gè)用戶在時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)其各個(gè)天線所在的組號(hào)，設(shè)移動(dòng)用戶獲知第i個(gè)天線被分在第p＝Fi組里，并設(shè)與該組對(duì)應(yīng)的唯一的正交碼序列為Wp，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，取自含有G個(gè)沃爾什(WALSH)碼的集合，W＝[W1，W2，...，WG]，在時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)的信道化過(guò)程中，第1個(gè)天線上對(duì)應(yīng)的帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)所乘的正交碼序列(6)為Si＝Wp；優(yōu)化分組模塊(18)還將各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的分組矢量傳送給重組及并串轉(zhuǎn)換模塊(21)，重組及并串轉(zhuǎn)換模塊(21)利用與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的用戶的分組矢量(25)，將上述V-BLAST數(shù)據(jù)解調(diào)模塊(19)解調(diào)出的數(shù)據(jù)(20)整序重組，并串轉(zhuǎn)換后恢復(fù)為對(duì)應(yīng)的各個(gè)用戶的數(shù)據(jù)(22，23)。
本發(fā)明提出的可供優(yōu)化分組模塊(18)選用的分組優(yōu)化方法之一，是以總的系統(tǒng)理論容量作為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算各種分組方式下加權(quán)的信道理論容量之和，選擇使其最大化的分組矢量Fcap，即Fcap=argmaxF{C=1MΣp=1GMpCp}]]>式中參數(shù)分組矢量Fcap＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)i，...，F(xiàn)M]，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}；G是分組數(shù)；IN是N×N的單位陣；M是系統(tǒng)中發(fā)送天線的總數(shù)；優(yōu)化目標(biāo)是G個(gè)容量值Cp的加權(quán)和，Cp=log2{det(IN+ρpMpHpHp*)}]]>是分在第p組的所有Mp個(gè)發(fā)送天線與基站的N個(gè)接收天線構(gòu)成一個(gè)等效的Mp×N的V-BLAST子系統(tǒng)的容量，其中Hp=[hp1,hp2,...,hpMp]]]>是第p個(gè)分組的信道響應(yīng)矩陣，其元素也是矢量，hi＝[h1，ih2，i，...，hN，i]T＝[v]T，[v]T表示矢量v的轉(zhuǎn)置，hj，i是發(fā)送元i到接收元j的信道響應(yīng)系數(shù)；(p1，p2，...，pMp)是它們?cè)诎l(fā)送序列中的對(duì)應(yīng)位置；ρp是第p個(gè)分組構(gòu)成的V-BLAST子系統(tǒng)在接收天線處的信噪比。
本發(fā)明提出的可供優(yōu)化分組模塊(18)選用的分組優(yōu)化方法之二，是以信道的條件數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算各種分組方式下加權(quán)的信道矩陣條件數(shù)之和，選擇使其最小化的分組矢量Fcond，即Fcond=argminF{Cond=1MΣp=1GMp·Cond(Hp)}]]>式中參數(shù)分組矢量Fcond＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)i，...，F(xiàn)M]，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}；G是分組數(shù)；Cond(Hp)為Hp的條件數(shù)；其中Hp=[hp1,hp2...,hpMp]]]>是第p個(gè)分組的信道響應(yīng)矩陣，其元素也是矢量，hi＝[h1，ih2，i，...，hN，i]T，hi＝[h1，ih2，i，...，hN，i]T＝[v]T，[v]T表示矢量v的轉(zhuǎn)置，hj，i是發(fā)送元i到接收元j的信道響應(yīng)系數(shù)；(p1，p1，...，pMp)是它們?cè)诎l(fā)送序列中的對(duì)應(yīng)位置；將Hp做SVD奇異值分解，得到Hp＝UΛV，U，V為酉陣，對(duì)角陣Λ＝diag{Λ1，Λ2，...，Λr，0，...}中的對(duì)角元素為Hp的奇異值，所述信道的條件數(shù)定義為最大的奇異值與最小的奇異值之比。
該優(yōu)化分組模塊(18)也可根據(jù)信道情況選用其他分組優(yōu)化方法。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，由于本發(fā)明的多用戶分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)自適應(yīng)的利用了空間信道的自由度，顯著的提高了多用戶系統(tǒng)的性能，尤其是在空間信道非理想的情況下，可以有效避免多用戶系統(tǒng)性能的惡化。無(wú)線通信信道復(fù)雜多變，在同樣的信道下，多用戶分組分層時(shí)空收發(fā)系統(tǒng)的各種不同的分組組合可能導(dǎo)致不同的系統(tǒng)性能。在空間信道非理想的情況下，例如部分收發(fā)天線對(duì)之間的信道相關(guān)性較強(qiáng)，或當(dāng)出現(xiàn)KEYHOLE現(xiàn)象時(shí)，不同分組的性能差別尤其明顯，不適當(dāng)?shù)姆纸M會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行有效的通信。如果只是按照傳統(tǒng)的多址方式，每個(gè)用戶固定的使用一個(gè)正交碼，系統(tǒng)采用多天線技術(shù)并不能保證系統(tǒng)性能得到提高，而在空間信道不理想的時(shí)候，系統(tǒng)性能還會(huì)遭受嚴(yán)重的惡化。本發(fā)明給出的兩種分組優(yōu)化方法可保證基站每次做出的分組都是優(yōu)化的，基于兩種方法之一的分組方式會(huì)盡量把相關(guān)性強(qiáng)的天線分在不同的組里，把受KEYHOLE影響嚴(yán)重的天線分在不同的組里；在等效的各個(gè)子V-BLAST系統(tǒng)中，讓等效的信道響應(yīng)矩陣具有良好的結(jié)構(gòu)，有利于降低誤碼率。實(shí)際系統(tǒng)中的信道是變化的，分組組合的方式也需要隨之變化。本發(fā)明提出的自適應(yīng)的分組分層時(shí)空收發(fā)系統(tǒng)提供了自適應(yīng)分組的平臺(tái)，能保證其優(yōu)化分組結(jié)果得到正確及時(shí)的執(zhí)行，保證系統(tǒng)的性能始終得到優(yōu)化。與固定分組方式或隨機(jī)分組方式相比較，本發(fā)明的多用戶自適應(yīng)分組V-BLAST系統(tǒng)可以有效的改善系統(tǒng)的性能，提高無(wú)線通信的可靠性。


圖1是多用戶發(fā)送部分的自適應(yīng)分組V-BLAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是基站接收部分的自適應(yīng)分組V-BLAST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3是自適應(yīng)分組V-BLAST系統(tǒng)性能比較圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合

本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例以具有K＝4個(gè)用戶的同步上行系統(tǒng)為例，說(shuō)明本發(fā)明應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)上行同步鏈路的多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)。
設(shè)每個(gè)用戶有3個(gè)發(fā)送天線，K＝4個(gè)用戶共有M＝12個(gè)發(fā)送天線，記為[A1，A2，...，A12]，它們借助系統(tǒng)信息進(jìn)行上行定時(shí)同步。基站有N＝4個(gè)接收天線。
第k個(gè)用戶的發(fā)送模塊將其待發(fā)送的數(shù)據(jù)(1)由調(diào)制模塊(2)調(diào)制，串并轉(zhuǎn)換模塊(3)取3·Nd個(gè)連續(xù)的調(diào)制后的數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)據(jù)塊，設(shè)為第n塊，將其轉(zhuǎn)換為mk＝3路長(zhǎng)度為Nd的數(shù)據(jù)流，每路數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)送天線，復(fù)用模塊(5)以時(shí)分復(fù)用方式在每路數(shù)據(jù)流中插入用于信道估計(jì)的長(zhǎng)度為Np的訓(xùn)練序列(4)，形成帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)，長(zhǎng)度為NB＝Nd+Np；設(shè)T為每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間，第n塊數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)度為TB＝NBT，Np，Nd需要結(jié)合信道變化的快慢程度合理設(shè)定，要求在Np大于發(fā)送天線數(shù)，TB小于信道相關(guān)時(shí)間的前提下，Nd/Np盡可能大，以提高系統(tǒng)信道利用效率。在時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)，每路帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)在每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)被乘上基站指定給它的正交碼序列(6)，該步驟稱為信道化過(guò)程；所有發(fā)送天線(8)同時(shí)發(fā)送，信號(hào)通過(guò)上行信道(9)到達(dá)基站接收機(jī)(10)。
所有用戶的天線順序排列，定義上行多天線在時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)信道響應(yīng)矩陣H＝[h1，h2，h3，h4，...，h12]，其元素也是矢量，hi＝[h1，ih2，i...，h4，i]T，hj，i是發(fā)送元i到接收元j的信道響應(yīng)系數(shù)。與各個(gè)多天線信道對(duì)應(yīng)的帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)排列為B＝[b1，b2，b3，...，b12]。由于多用戶系統(tǒng)中理想功率控制的作用，各個(gè)用戶平均衰落的差異可以不必考慮，等效為各個(gè)用戶以相同功率發(fā)送數(shù)據(jù)。令所有用戶所有天線使用的正交碼序列(6)組成的矩陣T＝diag(S1，S2，...，Si，...，S12)T，Si表示第i個(gè)天線使用的正交碼序列?；?10)所有天線上收到的信號(hào)矢量r＝(r1，r2，...，r4)T為r＝HTB+nn是高斯白噪聲。
基站接收機(jī)(10)的天線(12)將收到的所有用戶的信號(hào)送往解正交碼模塊(13)。所有用戶的天線使用的正交碼序列(6)共有G＝4個(gè)不同的序列，使用不同正交碼序列的天線被視為在不同的組里，設(shè)第p組的所有成員使用正交碼Wp，第p組共有Mp個(gè)天線，它們?cè)诎l(fā)送序列中的對(duì)應(yīng)位置是(p1，p2，...，pMp)，解正交碼模塊(13)用正交碼Wp與天線(12)上的接收信號(hào)(12)r＝(r1，r2，...，r4)T做相關(guān)計(jì)算 可以提取第p組的信號(hào)rp＝(rp1，rp2，...，rp4)T這Mp個(gè)發(fā)送天線的數(shù)據(jù)流與基站的N＝4個(gè)接收天線收到的rp＝(rp1，rp2，...，rp4)T構(gòu)成一個(gè)等效的Mp×4的V-BLAST子系統(tǒng)rp＝HpBp+np其中np是高斯白噪聲，Bp=[bp1,bp2,...,bpMp]T]]>是子系統(tǒng)中要發(fā)送的數(shù)據(jù)，Hp=[hp1,hp2,...,hpMp]]]>是第p個(gè)分組的信道響應(yīng)矩陣。這樣等效的V-BLAST子系統(tǒng)共有G＝4個(gè)。
對(duì)任意一個(gè)分組，設(shè)第p個(gè)分組，上述分離出來(lái)該組信號(hào)包括兩個(gè)部分與訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(15)和與傳輸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(14)；信道估計(jì)模塊(16)將與訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(15)作為輸入，對(duì)第p個(gè)分組內(nèi)各個(gè)發(fā)送天線(8)到各個(gè)基站接收天線(12)的信道Hp進(jìn)行信道估計(jì)，得到信道估計(jì)值(17)；V-BLAST數(shù)據(jù)解調(diào)模塊(19)利用該信道估計(jì)值(17)和上述與傳輸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(14)，并調(diào)用多用戶干擾對(duì)消解調(diào)算法解調(diào)出在時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)第p個(gè)分組所有天線上的數(shù)據(jù)，對(duì)所有分組進(jìn)行類似的上述解調(diào)過(guò)程，得到系統(tǒng)中所有天線上的數(shù)據(jù)(20)；重組及并串轉(zhuǎn)換模塊(21)利用從下述優(yōu)化分組模塊(18)得到與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的用戶分組矢量(25)，將上述V-BLAST數(shù)據(jù)解調(diào)模塊(19)解調(diào)出的數(shù)據(jù)(20)整序，并串轉(zhuǎn)換后恢復(fù)為對(duì)應(yīng)的時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)各個(gè)用戶的數(shù)據(jù)(22，23)；本實(shí)施例的上述信道估計(jì)模塊(16)得到時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)的所有發(fā)送天線(8)到各個(gè)基站接收天線(12)的信道估計(jì)值(17)，除了作為V-BLAST數(shù)據(jù)解調(diào)模塊(19)的輸入，還輸入到優(yōu)化分組模塊(18)，優(yōu)化分組模塊(18)根據(jù)信道情況，選用下列2種分組優(yōu)化方法(24)之一對(duì)下一時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)所有天線進(jìn)行優(yōu)化分組，優(yōu)化分組每隔TB進(jìn)行一次。優(yōu)化分組模塊(18)把K＝4個(gè)用戶的M＝12個(gè)發(fā)送天線[A1，A2，...，AM]分為G＝4個(gè)組，記分組矢量F＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)i，...，F(xiàn)12]，其中Fi∈{1，2，...，4}，F(xiàn)i表示將第i個(gè)天線分在第Fi組；當(dāng)選擇以總的系統(tǒng)理論容量作為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，分組矢量Fcap=argmaxF{C=1MΣp=1GMpCp}]]>其中，Cp=log2{det(IN+ρpMpHpHp*)};]]>式中參數(shù)分組矢量Fcap＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)i，...，F(xiàn)M]，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}，；G＝4是分組數(shù)；ρp是第p個(gè)分組構(gòu)成的V-BLAST子系統(tǒng)在接收天線處的信噪比；Mp是第p個(gè)分組中發(fā)送天線的個(gè)數(shù)；Hp=[hp1,hp2,...,hpMp]]]>是第p個(gè)分組的信道響應(yīng)矩陣，hi＝[h1，ih2，i，...，hN，i]T，hj，i是發(fā)送元i到接收元j的信道響應(yīng)系數(shù)；IN是4×4的單位陣；M＝12是系統(tǒng)中發(fā)送天線的總數(shù)；F＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)12]為分組矢量。該方法是計(jì)算各種分組方式下加權(quán)的信道理論容量之和，選擇使其最大化的分組方式F。
當(dāng)選擇以信道的條件數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，分組矢量Fcond=argminF{Cond=1MΣp=1GMp·Cond(Hp)}]]>式中參數(shù)分組矢量Fcond＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)i，...，F(xiàn)M]，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}；G＝4是分組數(shù)；Cond(Hp)為Hp的條件數(shù)。條件數(shù)的定義是將Hp做奇異值分解(SVD)，得到Hp＝UΛV，U，V為酉陣，對(duì)角陣Λ＝diag{Λ1，Λ2，...，Λr，0，...}的對(duì)角元素為Hp的奇異值，條件數(shù)定義為最大的奇異值與最小的奇異值之比。該方法是計(jì)算各種分組方式下加權(quán)的信道矩陣條件數(shù)之和，選擇使其最小化的分組方式F。
該優(yōu)化分組模塊(18)也可根據(jù)信道情況選用其他分組優(yōu)化方法。
優(yōu)化分組模塊(19)輸出分組矢量(25)，基站通過(guò)下行反饋信道(11)通知各個(gè)用戶在下一時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)其各個(gè)天線所在的組號(hào)，設(shè)移動(dòng)用戶獲知第i個(gè)天線被分在第p＝Fi組里，與該組對(duì)應(yīng)的唯一的正交碼序列為Wp，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝4，取自含有G＝4個(gè)WALSH碼的集合，W＝[W1，W2，...，W4]，在下一時(shí)間段nTB～(n+1)TB的上述信道化過(guò)程中，第i個(gè)天線上對(duì)應(yīng)的帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)所乘的上述正交碼序列(6)為Si＝Wp；同時(shí)，時(shí)間段nTB～(n+1)TB的分組矢量(25)也要輸入到重組及并串轉(zhuǎn)換模塊(21)，以使時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)該模塊能夠正確恢復(fù)各個(gè)用戶的數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于基站對(duì)分組組合進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)是在給定功率和調(diào)制方式下，給定了系統(tǒng)的容量，使系統(tǒng)的誤碼率盡可能的小。由于V-BLAST解調(diào)算法具有非線性的干擾對(duì)消過(guò)程，系統(tǒng)的誤碼率無(wú)法定量表達(dá)，在分組的V-BLAST中也無(wú)法精確的找出最優(yōu)的分組方案?？偟南到y(tǒng)理論容量或信道的條件數(shù)是與誤碼率間接關(guān)聯(lián)的兩個(gè)數(shù)量，本實(shí)施例分別通過(guò)采用所述的2種分組方法之一優(yōu)化這兩個(gè)數(shù)量，獲得實(shí)際可行的近似于最優(yōu)的分組方案，顯著的改善系統(tǒng)的性能。
為了評(píng)估本發(fā)明對(duì)多用戶系統(tǒng)性能的改善，對(duì)具有K＝4個(gè)用戶的同步上行系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真。仿真中，所有用戶采用16QAM數(shù)字調(diào)制方式，采用的無(wú)線信道模型為準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落模型，M＝12個(gè)發(fā)送天線到接收天線的空間信道模型是混合模型，包含有獨(dú)立信道情況，相關(guān)信道情況，KEYHOLE信道情況。
H＝[H1，H2，H3，H4，...，H12]＝[A，B，C，D]，Hi＝[H1，iH2，i...，H4，i]T，Hj，i是發(fā)送元i到接收元j的信道響應(yīng)系數(shù)。其中A＝[H1，H2，H3]和B＝[H4，H5，H6]中各個(gè)元素為獨(dú)立同分布的復(fù)高斯隨機(jī)變量。C＝[H7，H8，H9]是具有空間相關(guān)性的信道，D＝[H10，H11，H12]是在KEYHOLE現(xiàn)象存在時(shí)的信道模型。如果按照用戶分組，同一個(gè)用戶的各個(gè)天線使用同一個(gè)正交碼，對(duì)應(yīng)的分組矢量為F＝[1，1，1，2，2，2，3，3，3，4，4，4]，這正好與傳統(tǒng)的多用戶多址情況一樣，正交碼用于區(qū)別用戶。各個(gè)等效的V-BLAST子系統(tǒng)的信道矩陣正好是A，B，C，D。這種按照用戶分組的方式作為評(píng)估時(shí)的參考比較用例。類似的，隨機(jī)的對(duì)M＝12個(gè)發(fā)送天線進(jìn)行分組也是一個(gè)參考比較用例。圖3中給出了自適應(yīng)分組V-BLAST系統(tǒng)性能比較圖。圖中橫坐標(biāo)為用dB表示的平均信噪比，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)的平均誤比特率。曲線1給出了利用方法1分組的系統(tǒng)性能，曲線2給出了利用方法2分組的系統(tǒng)性能，曲線3給出了隨機(jī)分組的系統(tǒng)性能，曲線4給出了按照用戶分組的系統(tǒng)性能。由圖可見，固定的按照用戶分組的方式，在這種非理想信道條件下，性能極端惡化。隨機(jī)分組方式的性能也不理想。較固定分組方式，或是隨機(jī)分組方式而言，多用戶自適應(yīng)分組V-BLAST系統(tǒng)在本發(fā)明提出的兩種優(yōu)化方法下可以有效的改善系統(tǒng)性能，提高無(wú)線通信的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)上行同步鏈路的多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，包括移動(dòng)用戶發(fā)送模塊和基站接收機(jī)(10)；設(shè)系統(tǒng)包括編號(hào)為U_1，...，U_K的K個(gè)用戶；第k個(gè)移動(dòng)用戶發(fā)送模塊有mk個(gè)發(fā)送天線，系統(tǒng)中的K個(gè)用戶共有M個(gè)發(fā)送天線，記為[A1，A2，...，AM]；所述第k個(gè)移動(dòng)用戶發(fā)送模塊將其待發(fā)送的數(shù)據(jù)(1)由調(diào)制模塊(2)調(diào)制，串并轉(zhuǎn)換模塊(3)取出mk·Nd個(gè)連續(xù)的調(diào)制后的數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)據(jù)塊，設(shè)為第n塊，將其轉(zhuǎn)換為mk路長(zhǎng)度為Nd的數(shù)據(jù)流，每路數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)送天線；復(fù)用模塊(5)以時(shí)分復(fù)用方式在每路數(shù)據(jù)流中插入用于信道估計(jì)的長(zhǎng)度為Np的訓(xùn)練序列(4)，形成長(zhǎng)度為NB＝Nd+Np的帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)；設(shè)T為每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，第n塊數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)度為TB＝NBT，在時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)，每路帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)在每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)被乘上基站指定給它的正交碼序列(6)，成為發(fā)送信號(hào)，該步驟稱為信道化過(guò)程；所有發(fā)送天線(8)同時(shí)發(fā)送的上述信號(hào)經(jīng)過(guò)上行信道(9)到達(dá)基站接收機(jī)(10)；所述基站接收機(jī)(10)的天線(12)將收到的所有用戶的信號(hào)送往解正交碼模塊(13)；設(shè)所有用戶的天線使用的正交碼序列(6)共有G個(gè)不同的序列，解正交碼模塊(13)按照G個(gè)不同的正交碼序列將所有用戶的信號(hào)分解成為對(duì)應(yīng)的G個(gè)分組的信號(hào)，其中每個(gè)分組的信號(hào)包括與訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(15)和與傳輸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(14)；對(duì)任意一個(gè)分組的信號(hào)，信道估計(jì)模塊(16)將與訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(15)作為輸入，對(duì)分組內(nèi)各個(gè)發(fā)送天線(8)到各個(gè)基站接收天線(12)的時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)的信道Hp進(jìn)行信道估計(jì)，得到信道估計(jì)值(17)；分層時(shí)空數(shù)據(jù)解調(diào)模塊(19)利用該信道估計(jì)值(17)和上述與傳輸數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)(14)，并調(diào)用多用戶干擾對(duì)消解調(diào)算法解調(diào)出在時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)所有發(fā)送天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)(20)；其特征在于所述基站接收機(jī)(10)還將信道估計(jì)模塊(16)得到的時(shí)間段(n-1)TB～nTB內(nèi)的信道估計(jì)值(17)輸入到優(yōu)化分組模塊(18)，優(yōu)化分組模塊(18)選用分組優(yōu)化方法(24)對(duì)時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)所有天線進(jìn)行優(yōu)化分組，把K個(gè)用戶的M個(gè)發(fā)送天線[A1，A2，...，AM]分為G個(gè)組，記分組矢量F＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)M](25)，其中Fi表示第i個(gè)天線被分在第Fi組，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}；基站通過(guò)下行反饋信道(11)通知各個(gè)用戶在時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)其各個(gè)天線所在的組號(hào)，設(shè)移動(dòng)用戶獲知第i個(gè)天線被分在第p＝Fi組里，并設(shè)與該組對(duì)應(yīng)的唯一的正交碼序列為Wp，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，取自含有G個(gè)沃爾什碼的集合，W＝[W1，W2，...，WG]，在時(shí)間段nTB～(n+1)TB內(nèi)的信道化過(guò)程中，第i個(gè)天線上對(duì)應(yīng)的帶訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)流(7)所乘的正交碼序列(6)為Si＝Wp；優(yōu)化分組模塊(18)還將各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的分組矢量傳送給重組及并串轉(zhuǎn)換模塊(21)，重組及并串轉(zhuǎn)換模塊(21)利用與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的用戶的分組矢量(25)，將分層時(shí)空數(shù)據(jù)解調(diào)模塊(19)解調(diào)出的數(shù)據(jù)(20)整序重組，并串轉(zhuǎn)換后恢復(fù)為對(duì)應(yīng)的各個(gè)用戶的數(shù)據(jù)(22，23)。
2.如權(quán)利要求1所述的多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，特征在于所述優(yōu)化分組模塊(18)選用的分組優(yōu)化方法(24)，是計(jì)算各種分組方式下加權(quán)的信道理論容量之和，選擇使其最大化的分組矢量Fcap，即Fcap=argmaxF{C=1MΣp=1GMpCp}]]>式中參數(shù)分組矢量Fcap＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)i，...，F(xiàn)M]，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}；G是分組數(shù)；IN是N×N的單位陣；M是系統(tǒng)中發(fā)送天線的總數(shù)；優(yōu)化目標(biāo)是G個(gè)容量值Cp的加權(quán)和，Cp=log2{det(IN+ρpMpHpHp*)}]]>是分在第p組的所有Mp個(gè)發(fā)送天線與基站的N個(gè)接收天線構(gòu)成一個(gè)等效的Mp×N的分層時(shí)空子系統(tǒng)的容量，其中Hp=[hp1,hp2,...,hpMp]]]>是第p個(gè)分組的信道響應(yīng)矩陣，其元素也是矢量，hi＝[h1，ih2，i，...，hN，i]T＝[v]T，[v]T表示矢量v的轉(zhuǎn)置，hj，i是發(fā)送元i到接收元j的信道響應(yīng)系數(shù)；(p1，P2，...，pMp)是它們?cè)诎l(fā)送序列中的對(duì)應(yīng)位置；ρp是第p個(gè)分組構(gòu)成的分層時(shí)空子系統(tǒng)在接收天線處的信噪比。
3.如權(quán)利要求1所述的多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，特征在于所述優(yōu)化分組模塊(18)選用的分組優(yōu)化方法(24)，是計(jì)算各種分組方式下加權(quán)的信道矩陣條件數(shù)之和，選擇使其最小化的分組矢量Fcond，即Fcond=argminF{Cond=1MΣp=1GMp·Cond(Hp)}]]>式中參數(shù)分組矢量Fcond＝[F1，F(xiàn)2，...，F(xiàn)i，...，F(xiàn)M]，F(xiàn)i∈{1，2，...，G}；G是分組數(shù)；Cond(Hp)為Hp的條件數(shù)；其中Hp=[hp1,hp2,...,hpMp]]]>是第p個(gè)分組的信道響應(yīng)矩陣，其元素也是矢量，hi＝[h1，ih2，i，...，hN，i]T，hi＝[h1，ih2，i，...，hN，i]T＝[v]T，[v]T表示矢量v的轉(zhuǎn)置，hj，i是發(fā)送元i到接收元j的信道響應(yīng)系數(shù)；(p1，p2，...，pMp)是它們?cè)诎l(fā)送序列中的對(duì)應(yīng)位置；將Hp做奇異值分解，得到Hp＝UAV，U，V為酉陣，對(duì)角陣Λ＝diag{Λ1，Λ2，...，Λr，0，...}中的對(duì)角元素為Hp的奇異值，所述信道的條件數(shù)定義為最大的奇異值與最小的奇異值之比。
全文摘要
本發(fā)明多用戶自適應(yīng)分組分層時(shí)空信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，特征是其基站根據(jù)所有用戶到基站的信道響應(yīng)矩陣的估計(jì)值，以總的系統(tǒng)理論容量或以信道的條件數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，自適應(yīng)地將各個(gè)用戶的天線分組；分組信息通過(guò)下行信道反饋到各個(gè)用戶；各個(gè)用戶的天線在其承載的數(shù)據(jù)上乘以對(duì)應(yīng)于分組的正交碼；基站接收機(jī)通過(guò)解正交碼，把天線發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)分離為若干組；每個(gè)組中的多個(gè)發(fā)送天線與基站的接收天線構(gòu)成分層時(shí)空系統(tǒng)，利用分層時(shí)空系統(tǒng)的干擾對(duì)消解調(diào)算法解調(diào)出各個(gè)天線數(shù)據(jù)，重新整序后得到所有用戶的數(shù)據(jù)。本發(fā)明結(jié)合傳統(tǒng)的上行鏈路多用戶碼分多址方式，利用空間信道的自由度，提高了系統(tǒng)性能；尤其在不良的空間信道條件下，可以避免系統(tǒng)性能的惡化。
文檔編號(hào)H04B7/26GK1568026SQ0313196
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月20日
發(fā)明者龔明, 邱玲, 朱近康 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)