本發(fā)明屬于無線傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種massivemimofbmc波束空時(shí)編碼下行傳輸方法。

背景技術(shù)：

作為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)里面的關(guān)鍵技術(shù)，massivemimo在基站端采用大規(guī)模天線陣列，當(dāng)天線趨于很多(無窮)時(shí)，不同用戶所對(duì)應(yīng)的信道在空間近似正交，從而使得基站可以在同一時(shí)頻資源內(nèi)服務(wù)多個(gè)用戶。massivemimo中系統(tǒng)的很多性能都至于大尺度衰落有關(guān)，而與小尺度無關(guān)。濾波器組多載波(fbmc)技術(shù)被列為5g的候選方案之一，在維持高速數(shù)據(jù)傳輸和有效對(duì)抗頻率選擇性衰落的同時(shí)，通過采用具有良好時(shí)頻聚焦特性的原型濾波器，可以有效降低多載波調(diào)制系統(tǒng)中的帶外泄漏。此外，fbmc技術(shù)引入多相濾波器和快速傅里葉變換等操作，大大降低了自身的復(fù)雜度和運(yùn)算量。顯然，massivemimo與fbmc兩種優(yōu)質(zhì)技術(shù)結(jié)合在一起，能夠極大地提升系統(tǒng)的容量、能量效率和頻譜效率，應(yīng)用前景廣闊。

renforsm等人在文獻(xiàn)“ablock-alamoutischemeforfilterbankbasedmulticarriertransmission[c]”wirelessconference(ew),2010european.ieee,2010:1031-1037中提出了一種fbmc系統(tǒng)中塊狀alamouti編碼的方案，在平坦衰落信道下，能夠有效降低fbmc系統(tǒng)中的自干擾。但是，文中提出的方案僅僅是在平坦衰落信道下，在頻率選擇性衰落信道下，并沒有提出相應(yīng)的信道均衡方案。g.等人在文獻(xiàn)“combiningbeamformingandorthogonalspace-timeblockcoding,”informationtheory,ieeetransactionson,vol.48,no.3,pp.2599-2613,2002中提出了聯(lián)合波束成形和正交空時(shí)塊碼的信號(hào)傳輸方案。利用獲得的部分信道信息，結(jié)合給定的空時(shí)塊碼，設(shè)計(jì)波束形成器系數(shù)，最小化系統(tǒng)誤碼率。但是文章考慮的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)，沒有考慮到多用戶的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種massivemimofbmc波束空時(shí)編碼下行傳輸方法，提升系統(tǒng)的容量、能量效率和頻譜效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

包括一個(gè)基站，天線數(shù)目為m，u個(gè)單天線的用戶節(jié)點(diǎn)，在考慮角度時(shí)，彼此不重疊；fbmc系統(tǒng)中子載波數(shù)目為msc，原型濾波器為phydyas原型濾波器，重疊因子為k，長(zhǎng)度為l；該傳輸方法包括以下步驟：

1)基站對(duì)發(fā)送給各個(gè)用戶的比特流信息進(jìn)行qpsk星座點(diǎn)調(diào)制，得到星座點(diǎn)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)，將星座點(diǎn)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)的實(shí)部和虛部分開，從而將復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)；

2)對(duì)實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后將串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)符號(hào)塊在時(shí)間維度上前后均分成兩個(gè)數(shù)據(jù)塊xm,n'和ym,n'，進(jìn)行alamouti編碼；

3)將alamouti編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行fbmc調(diào)制，得到發(fā)送端空時(shí)塊碼fbmc信號(hào)矩陣z；

4)基站采用發(fā)端線性加權(quán)系數(shù)矩陣w，對(duì)發(fā)送端空時(shí)塊碼fbmc信號(hào)矩陣z進(jìn)行線性加權(quán)；

5)發(fā)送信道經(jīng)歷不同的衰落在不同時(shí)刻到達(dá)不同用戶，用戶接收到信號(hào)y^u；

6)在接收端，用戶對(duì)接收到的信號(hào)y^u進(jìn)行fbmc解調(diào)，計(jì)算等效信道并進(jìn)行mmse信道均衡；

7)對(duì)均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行oqam解調(diào)，恢復(fù)出基站發(fā)送到用戶的比特流信息。

進(jìn)一步地，步驟2)進(jìn)行alamouti編碼得到的數(shù)據(jù)符號(hào)是：

其中，a和b分別表示兩根天線上經(jīng)過alamouti編碼的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)，u表示第u個(gè)用戶，m表示子載波，n'表示時(shí)間，na表示總共發(fā)送的包括數(shù)據(jù)保護(hù)列在內(nèi)的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)的數(shù)目。

進(jìn)一步地，步驟3)將alamouti編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行添加初始相位、ifft和多相濾波得到fbmc調(diào)制信號(hào)，兩根天線上的調(diào)制信號(hào)分別用和表示：

這里，k∈(-∞,∞)表示采樣后的離散變量，g(k)表示原型濾波器的離散形式；初始相位需要滿足條件發(fā)送端空時(shí)塊碼fbmc信號(hào)矩陣表示為其中和均為fbmc調(diào)制信號(hào)組成的列向量。

進(jìn)一步地，步驟4)中，設(shè)計(jì)發(fā)端線性加權(quán)系數(shù)矩陣w為：

w＝[w¹,w²,…,w^u]＝[v¹m¹,v²m²,…,v^um^u]

其中，根據(jù)用戶所處的方位角，v^u由dft變換矩陣d中特定范圍的列近似組成，dft變換矩陣d中第i行第j列的元素為

進(jìn)一步地，d中所需列的選定步驟具體如下：

假設(shè)用戶u中心方位角為θ^u，角度拓展δθ^u，那么用戶u的到達(dá)角范圍為[θ^u-δθ^u,θ^u+δθ^u]；對(duì)用戶u的到達(dá)角范圍進(jìn)行正弦以及相應(yīng)變換，并對(duì)變換后的結(jié)果進(jìn)行取整，從而得到d中列的選定范圍為其中，round(·)表示取整操作；

根據(jù)用戶的數(shù)目對(duì)其進(jìn)行能量歸一化。

進(jìn)一步地，步驟5)中，假設(shè)多徑信道的路徑數(shù)目為p，其中是到達(dá)用戶u的第p條路徑的信道矢量，p＝1,2,…,p；不同路徑之間信道到達(dá)用戶存在一定的時(shí)間差，這里不失一般性，假設(shè)經(jīng)過第1條路徑到達(dá)用戶u的信號(hào)能夠完全同步，第2條晚于第1條，第3條晚于第2條，…，以此類推，那么經(jīng)過第p條路徑到達(dá)用戶u信號(hào)為：用戶u最終接收到的信號(hào)為

其中，η^u為用戶u接收到的加性高斯白噪聲向量，η^u～cn(0,σ²i)。

進(jìn)一步地，步驟6)中，對(duì)于用戶u，把發(fā)端的加權(quán)矩陣w和實(shí)際信道的乘積看作是等效多徑信道中的第p條徑，等效信道的計(jì)算具體如下：

那么，接收到的信號(hào)表示為發(fā)送信號(hào)與等效信道的卷積；

其中，和分別是兩根天線上的調(diào)制信號(hào)，η^u為用戶u接收到的加性高斯白噪聲向量。

進(jìn)一步地，步驟6)中，fbmc的解調(diào)具體包括：在接收端，用戶接收到的信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，多相濾波和fft之后，去掉初始相位，完成fbmc的解調(diào)，在頻率時(shí)間坐標(biāo)(m0,n0)處解調(diào)出的信號(hào)為：

其中，a和b分別表示兩根天線上經(jīng)過alamouti編碼的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)，u表示第u個(gè)用戶，k∈(-∞,∞)表示采樣后的離散變量，g(k)表示原型濾波器的離散形式；lh表示信道長(zhǎng)度；τ＝0,1,2，…,lh-1，表示時(shí)延；

公式(7)簡(jiǎn)寫為：

其中，

下面，令

恢復(fù)出的信號(hào)寫成矩陣形式：

其中，由四部分組成

這里，

和形式與和相同，分別是由和構(gòu)成的拓普利茲矩陣。

進(jìn)一步地，步驟6)中，mmse信道均衡具體包括：令其中，表示取實(shí)部操作，表示取虛部操作，1δ表示單位陣的第δ列，根據(jù)mmse準(zhǔn)則計(jì)算得到：

從而，得到加權(quán)矩陣為：

最終恢復(fù)出發(fā)送的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)

與現(xiàn)有的方法相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明將massivemimo與fbmc兩種優(yōu)質(zhì)技術(shù)結(jié)合在一起，提供了多用戶通信下的混合波束形成和多載波空時(shí)編碼方案，極大地提升系統(tǒng)的容量、能量效率和頻譜效率；

2、本發(fā)明在設(shè)計(jì)線性加權(quán)矩陣的時(shí)候，利用各個(gè)用戶的角度不重疊性，消除了用戶間的干擾，同時(shí)與利用信道的協(xié)方差矩陣進(jìn)行svd分解來求得加權(quán)矩陣相比，有效降低了運(yùn)算量。

3、考慮了適合fbmc的alamouti編碼方案，能夠減小fbmc系統(tǒng)中的自干擾，同時(shí)在接收端采用多抽頭的mmse均衡器，更好地提升了系統(tǒng)的誤碼率性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法所涉及的系統(tǒng)模型示意圖。

圖2(a)是fbmc中第一根天線上的alamouti編碼示意圖。

圖2(b)是fbmc中第二根天線上的alamouti編碼示意圖。

圖3是系統(tǒng)誤碼率仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

一種massivemimofbmc系統(tǒng)中多波束空時(shí)編碼多用戶下行信道傳輸方法中，包括一個(gè)具有大規(guī)模均勻線陣的基站，天線數(shù)目為m，u個(gè)單天線的用戶節(jié)點(diǎn)，在考慮角度時(shí)，彼此不重疊；fbmc系統(tǒng)中子載波數(shù)目為msc，原型濾波器為phydyas原型濾波器，重疊因子為k，長(zhǎng)度為l。

一種massivemimo系統(tǒng)中混合波束形成和空時(shí)編碼多用戶下行信號(hào)傳輸方法，其系統(tǒng)模型如圖1所示，基站在發(fā)送端對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行alamouti編碼并采用fbmc調(diào)制，通過多波束同時(shí)同頻對(duì)多個(gè)用戶服務(wù)，具體步驟如下：

1)基站對(duì)發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行oqam調(diào)制，得到實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)。

基站對(duì)發(fā)送給各個(gè)用戶的比特流信息進(jìn)行qpsk星座點(diǎn)調(diào)制，得到星座點(diǎn)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)，將星座點(diǎn)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)的實(shí)部和虛部分開，從而將復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)。

2)對(duì)發(fā)送的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行alamouti塊狀編碼。

對(duì)實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后將串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)符號(hào)塊在時(shí)間維度上前后均分成兩個(gè)數(shù)據(jù)塊xm,n'和ym,n'，最后按照?qǐng)D2(a)和圖2(b)所示進(jìn)行alamouti編碼。進(jìn)行alamouti編碼時(shí)，數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)(xm,n'ym,n')編碼的結(jié)果是

其中，a和b分別表示兩根天線上經(jīng)過alamouti編碼的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)，上標(biāo)u表示第u個(gè)用戶，下標(biāo)m表示子載波，n'表示時(shí)間，na表示總共發(fā)送的包括數(shù)據(jù)保護(hù)列在內(nèi)的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)的數(shù)目。

3)對(duì)alamouti編碼的結(jié)果進(jìn)行fbmc調(diào)制，得到待發(fā)送信號(hào)，稱為發(fā)送空時(shí)塊碼fbmc信號(hào)矩陣z。

將alamouti編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行添加初始相位、ifft和多相濾波等操作得到fbmc調(diào)制信號(hào)，兩根天線上的調(diào)制信號(hào)分別用和表示

這里，k∈(-∞,∞)表示采樣后的離散變量。g(k)表示原型濾波器的離散形式。初始相位需要滿足條件其中表示的共軛。發(fā)送端空時(shí)塊碼fbmc信號(hào)矩陣可以表示為其中和均為fbmc調(diào)制信號(hào)組成的列向量。

4)基站對(duì)發(fā)送空時(shí)塊碼fbmc信號(hào)矩陣z進(jìn)行線性加權(quán)，得到wz。設(shè)計(jì)發(fā)端線性加權(quán)系數(shù)矩陣w為：

w＝[w¹,w²,…,w^u]＝[v¹m¹,v²m²,…,v^um^u]

其中，v^u可以根據(jù)用戶所處的方位角由dft變換矩陣d中特定范圍的列近似組成，其中u＝1,2,…,u。dft變換矩陣d中第i行第j列的元素為

為得到加權(quán)矩陣中關(guān)鍵分量v^u，d中所需列的選定方法具體如下：

假設(shè)用戶u中心方位角為θ^u，角度拓展δθ^u，那么用戶u的到達(dá)角范圍為[θ^u-δθ^u,θ^u+δθ^u]。對(duì)用戶u的到達(dá)角范圍進(jìn)行正弦以及相應(yīng)變換，并對(duì)變換后的結(jié)果進(jìn)行取整，從而得到d中列的選定范圍為其中，round(·)表示取整操作。

此外，為了降低干擾，獲得最優(yōu)的系統(tǒng)性能，根據(jù)用戶的數(shù)目對(duì)其進(jìn)行能量歸一化。

5)發(fā)送信道經(jīng)歷不同的衰落在不同時(shí)刻到達(dá)不同用戶。

假設(shè)多徑信道的路徑數(shù)目為p，其中是到達(dá)用戶u的第p條路徑的信道矢量，p＝1,2,…,p。不同路徑之間信道到達(dá)用戶存在一定的時(shí)間差，這里不失一般性，假設(shè)經(jīng)過第1條路徑到達(dá)用戶u的信號(hào)能夠完全同步，第2條晚于第1條，第3條晚于第2條，…，以此類推。那么經(jīng)過第p條路徑到達(dá)用戶u信號(hào)為：用戶u最終接收到的信號(hào)為

其中，η^u為用戶u接收到的均值為0，方差為σ²i加性高斯白噪聲向量，η^u～cn(0,σ²i)，σ²表示噪聲功率，i表示單位矩陣。

6)計(jì)算等效信道。對(duì)于用戶u，可以把發(fā)端的加權(quán)矩陣w和實(shí)際信道的乘積看作是等效多徑信道中的第p條徑。等效信道的計(jì)算具體如下：

那么，接收到的信號(hào)可以表示為發(fā)送信號(hào)與等效信道的卷積。接收信號(hào)y^u可以寫成

7)在接收端，用戶對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行fbmc解調(diào)，并進(jìn)行mmse信道均衡。

用戶接收到的信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，多相濾波和fft之后，去掉初始相位，即完成fbmc的解調(diào)，在頻率時(shí)間坐標(biāo)(m0,n0)處解調(diào)出的信號(hào)為

其中，lh表示信道長(zhǎng)度，τ＝0,1,2，…,lh-1表示時(shí)延。上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)寫為

其中，

下面，令

恢復(fù)出的信號(hào)可以進(jìn)一步寫成矩陣形式

其中，由四部分組成

這里，

和形式與和相同，分別是由和構(gòu)成的拓普利茲矩陣。

令其中，表示取實(shí)部操作，表示取虛部操作。1δ表示單位陣的第δ列，根據(jù)mmse準(zhǔn)則可以計(jì)算得到

根據(jù)可以得到加權(quán)矩陣為

最終可以恢復(fù)出發(fā)送的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)

8)對(duì)均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行oqam解調(diào)，得到發(fā)送的比特流信息。

由恢復(fù)出的多路實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)，在每路將實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)恢復(fù)成復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)，然后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，進(jìn)行qpsk解調(diào)，恢復(fù)出基站發(fā)送到用戶的比特流信息。

整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖3所示。仿真條件為，子載波的數(shù)目為64，天線的數(shù)目為200，信道有5條路徑，兩個(gè)用戶分別位于-30°和45°，角度擴(kuò)展均為10°。從仿真結(jié)果可以看出，兩個(gè)用戶的誤碼率明顯好于兩發(fā)一收采用alamouti編碼時(shí)的性能，并且-30°用戶的誤碼率性能好于45°用戶。

本發(fā)明公開一種massivemimofbmc系統(tǒng)中多波束空時(shí)編碼多用戶下行信道傳輸方法，將massivemimo與fbmc兩種優(yōu)質(zhì)技術(shù)結(jié)合在一起，大大提升了系統(tǒng)的吞吐量，提供了多用戶通信下的多波束和多載波空時(shí)編碼方案，極大地提升系統(tǒng)的容量、能量效率和頻譜效率。在設(shè)計(jì)線性加權(quán)矩陣的時(shí)候，利用各個(gè)用戶的角度不重疊性，消除了用戶間的干擾，同時(shí)與利用信道的協(xié)方差矩陣進(jìn)行svd分解來計(jì)算加權(quán)矩陣相比，能夠有效降低運(yùn)算量。在進(jìn)行alamouti編碼時(shí)，考慮了適合fbmc的方案，能夠減小fbmc系統(tǒng)中的自干擾，同時(shí)在接收端采用多抽頭的mmse均衡器，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的誤碼率性能。