CN101854328B - 多载波码分多址系统中分层空时非线性预编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多载波码分多址系统中分层空时非线性预编码方法,该方法首先建立预编码系统,对该系统中反馈信道信息采用几何均值分解为酉矩阵与上三角矩阵的乘积,获得具有相同等效噪声增益的预编码矩阵,再在发射端MC-CDMA子载波信道间进行非线性模代数预编码THP,再对各经过THP后的子载波信号与由信道几何均值分解得到的酉矩阵相乘,然后从相应的天线发送出去;在接收端采用迫零ZF准则或最小均方误差MMSE准则进行处理;本方法有效地消除分层空时码的误层传输效应,改善了系统误码性能,降低了下行链路接收机的复杂度,能够有效地对抗信道频率选择性衰落,从而提高系统的传输性能。
Description
技术领域
本发明涉及多载波码分多址系统中分层空时非线性预编码方法,属于多输入多输出多载波系统空间复用分层空时发射技术领域。
背景技术
广义的多输入多输出MIMO技术涉及广泛,主要包括发射分集技术和空间复用技术。其中空间复用技术是在不同的天线上发射不同的信息,贝尔实验室的V-BLAST码是空间复用技术的典型应用;而发射分集技术是在不同的天线上发射包含同样信息的信号,从而达到空间分集的效果。基于发射分集的空时编码技术由于将空间域上的发射分集和时间域上的编码相结合,能够很大程度地克服信道衰落、提高系统性能,因而备受关注。
目前,多载波CDMA方案主要三种,MC/DS-CDMA、MT-CDMA和MC-CDMA。MC/DS-CDMA是由多伦多大学V.Dasilva和E.S.Sousal提出,它是将发送数据序列首先经过串并变换成多路并行输出,然后并行的每路数据由相同的短扩频码扩频,最后对这多路数据进行OFDM调制;MT-CDMA是由比利时的L.Vandendorpe提出,它也是利用给定扩频序列在时域内扩展经串并变换后的数据流,与前者不同的是,MT-CDMA采用与载频成比例的长扩频序列,使系统可容纳更多的用户;而MC-CDMA最早是由美国的Linnartz、Yee、Fettweis和德国的Fazel、Papke各自独立提出的,它是每个信息符号由一个特定的扩频码片进行扩频,然后将每个扩频信号调制到相应的子载波上,因此,若扩频码的长度为N,那么对应的这N个子载波传输的是相同的信息数据。其中MC-CDMA具有最佳的频谱分布,抗干扰能力强,而且发射机的实现较简单。
多输入多输出MIMO系统采用空时编码技术能够极大地提高无线通信系统的容量,并有效改善无线通信系统的性能。多载波码分多址MC-CDMA方案结合CDMA与OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用调制)技术的优点,能够有效地对抗由频率选择性多径信道引起的符号间串扰。将MIMO与MC-CDMA技术相结合,可以进一步提高系统的性能和传输速率。为进一步提高系统接收机性能及降低其复杂度,新型的信号处理技术成为业内研究的热点,预编码技术就是在发射端利用完全信道状态信息或部分信道状态信息对发送符号进行相应预处理,以提高系统容量或降低系统误码率等为目的的现代信号处理技术。
目前,在MIMO-MC-CDMA系统中针对由贝尔实验室提出的垂直分层空时码VBLAST检测的研究主要集中在进一步提高检测器性能和降低复杂度上,传统的检测方法主要有迫零方法(ZF)、最小均方误差方法 (MMSE)等。MIMO-MC-CDMA系统基于排序迭代干扰消除方法,以取得更好的性能;基于低复杂度MIMO-MC-CDMA接收机,同时获得相应的性能改善。上述两种检测方法虽然在接收机性能获得了相应该改善,但缺点是复杂度高而且性能不是最优,存在误层传输效应,同时接收机的复杂度随着性能改善而提高。基于发射端信道预编码技术可以克服传统接收端检测方法的缺点,采用线性预编码,虽然可以降低接收机的复杂度,但仍不能消除误层传输效应;采用非线性THP预编码,不但降低了接收机的复杂度,而且有效消除误层传输效应,但传统THP预编码方法大多基于QR三角分解方法,会将信道分解为具有不同对角元素值的三角信道,使子信道具有不同的增益,从而导致一定的系统性能损失;基于几何均值分解预编码方案,由于所有对角元素值均等于信道矩阵特征值的几何均值,使得子信道获得等增益;本发明将非线性预编码的思想引入到MIMO-MC-CDMA分层空时方案中,并提出了一种MIMO-MC-CDMA下行链路系统中VBLAST非线性模代数THP预编码方法,仿真结果表明本发明所提出的方法比传统方法有效降低了系统的误码性能,并降低下行接收机复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供一种多载波码分多址系统中分层空时非线性预编码方法,以解决MIMO-MC-CDMA系统中垂直分层空时方案传统检测存在误层传输效应及译码复杂度高的问题。
为实现上述目的,本发明的多载波码分多址系统中分层空时非线性预编码方法技术方案如下,1. 该方法首先建立预编码系统,然后对该系统中反馈信道信息采用几何均值分解为酉矩阵与上三角矩阵的乘积,获得具有相同等效噪声增益的预编码矩阵,再在发射端多载波码分多址MC-CDMA子载波信道间进行非线性模代数预编码THP,再对各经过非线性模代数预编码THP后的子载波信号与由信道几何均值分解得到的酉矩阵相乘,然后从相应的天线发送出去;在接收端采用迫零ZF准则或最小均方误差MMSE准则进行处理。
[0008]进一步的,所述预编码系统,设用户总数为U,发射天线数为N,接收天线数为M( ),在发射端,每个用户数据经垂直分层空时码VBLAST映射、编码等相关处理后,形成N层并行数据,再对每层数据进行扩频形成数据,然后对各层数据进行串并变换、IFFT变换、加循环前缀、进行预编码、并变串调制到各发射天线上;在接收端,各接收信号串并变换、去循环前缀、FFT等相反操作,频率选择性多径衰落信道就转化为Nc个平坦衰落的子信道,则所有M根接收天线第u个用户在第k子载波上解扩后的信号可表示为:
,其中,等式右边第一部分为期望用户信息,第二部分为其它用户对其产生的干扰项,第三部分为高斯白噪声;,和分别为第k个子载波上的发送符号矢量、接收符号矢量与高斯白噪声,是复数域上NN预编码矩阵,是复数域上MN功率调整接收矩阵, 是复数域上MN矩阵,其元素(n=1…N, m=1…M)表示第k个子载波上从发射天线n到接收天线m间的信道频响系数,为第u个用户第k个子载波上的扩频码片。
所述几何均值分解过程为:维的矩阵H的几何均值分解GMD可以分解为,Q、P均为酉矩阵,R为维的实正线上三角矩阵,K=rank(X),其主对角线元素均矩阵R的对角线上的元素是等值的同时等于X的所有K个正奇异值的几何均值,满足,。
所述模代数预编码THP方法首先是发送端对输入数据进行星座映射,然后经过反馈求模运算,再经信道加入噪声,接收端进行相应处理再模操作判决。
所述求模操作数学表达式为其中,为发送信号,k =1,2,...,N。为模数,Re(·)表示取实部,Im(·)表示取虚部,表示向下取整,求模的目的是主要对发送信号x的功率进行约束,即求模运算后,满足,信号不再是原来的星座点,而是均匀分布在边长为的正方形取点区域内,且跟原星座具有相同分布空间。
所述非线性模代数GMD-THP-ZF预编码方法检测过程为:
(3)接收端接收信号及处理:
(4)再进行模运算并判决:
所述接收端接收到信号后,在接收信号经过接收自适应功率预处理,再进行分层空时译码及解扩处理,最后对接收信号进行判决,恢复发射信号。
本发明的多载波码分多址系统中分层空时非线性预编码方法,可以有效地消除分层空时码的误层传输效应,改善了系统误码性能,降低了下行链路接收机的复杂度,能够有效地对抗信道频率选择性衰落,从而提高系统的传输性能。
附图说明
图1是本发明VBLAST-MC-CDMA预编码系统模型;
图2是THP预编码方法结构框图;
图3是多用户2发2收ZF准则误码率仿真图;
图4是多用户4发4收ZF准则误码率仿真图;
图5是多用户2发2收MMSE准则误码率仿真图;
图6是多用户4发4收MMSE准则误码率仿真图。
具体实施方式
1、系统模型
VBLAST-MC-CDMA预编码系统模型如图1所示,假设用户总数为U,发射天线数为N,接收天线数为M()。在发射端,每个用户数据经VBLAST映射、编码等相关处理后,形成N层并行数据,再对每层数据进行扩频形成数据,然后对各层数据进行串并变换、IFFT变换、加循环前缀、进行预编码、并变串调制到各发射天线上。在接收端,各接收信号串并变换、去循环前缀、FFT等相反操作。这样频率选择性多径衰落信道就转化为Nc个平坦衰落的子信道,则所有M根接收天线第u个用户在第k子载波上解扩后的信号可表示为:
其中,等式右边第一部分为期望用户信息,第二部分为其它用户对其产生的干扰项,第三部分为高斯白噪声;,和分别为第k个子载波上的发送符号矢量、接收符号矢量与高斯白噪声,是复数域上NN预编码矩阵,是复数域上MN功率调整接收矩阵,是复数域上MN矩阵,其元素(n=1…N, m=1…M)表示第k个子载波上从发射天线n到接收天线m间的信道频响系数,为第u个用户第k个子载波上的扩频码片。
2、非线性预编码方法:
2.1模代数THP
THP(Tomlinson-Harashima Precoding)预编码是一种典型的非线性运算,其基本思想通过在发送端根据信道信息状态进行非线性预处理,能够有效地提高系统性能。THP预编码方法结构框图如图2所示。首先发送端对输入数据进行星座映射,然后经过反馈求模运算,再经信道加入噪声,接收端进行相应处理再模操作判决。模代数预编码系统的发送端由映射、求模运算、反馈矩阵B组成,接收端由前馈矩阵F,加权矩阵G,以及与发送端对应的求模运算组成。
模代数理论是典型的非线性方法,求模操作数学表达式:
,其中,为发送信号,k =1,2,...,N。为模数,Re(·)表示取实部,Im(·)表示取虚部,表示向下取整,求模的目的是主要对发送信号x的功率进行约束,即求模运算后,满足,信号不再是原来的星座点,而是均匀分布在边长为的正方形取点区域内,且跟原星座具有相同分布空间。
2.2 QR-THP预编码方法
假设发射端可以准确获知信道状态信息,非线性模代数QR-THP-ZF预编码方法检测过程为:
(2) 预编码反馈和求模运算:
(3) 接收端接收信号及处理:
(4)进行模运算并判决:
,
其中,H=QR,Q为酉矩阵,R上三角矩阵,前馈矩阵,加权矩阵,其中,反馈矩阵B=GR= GFH。基于MMSE-THP的模代数预编码的基本思想是,在发送端发送功率满足约束的条件下,尽可能使接收端接收到的数据信息与发送端发送的数据信息误差最小。,可得:,为信号噪声功率比。基于ZF准则预编码方法在强置其他信号干扰为零同时,也失去了一部分可以利用的信息,ZF准则对信道信息状态的精确与否比较敏感,一定程度上降低了系统性能,而基于MMSE准则预编码方法均衡考虑了信道特性矩阵和接收信号中的噪声对系统性能的影响,在一定程度上缓解了误层传输效应的影响,从而改善系统性能。
2.3 GMD-THP预编码方法
传统非线性模代数THP预编码方法大多是基于QR三角分解,会将信道分解为具有不同对角元素值的三角信道,使子信道具有不同的增益,从而导致一定的系统性能损失,基于几何均值分解预编码方案,所有对角元素值均等于信道矩阵特征值的几何均值,使得子信道获得等增益。
根据矩阵理论知识,假设任意矩阵维的矩阵H的几何均值分解(GMD)可以分解为,Q,P均为酉矩阵,R为维的实正线上三角矩阵,K=rank(X),其主对角线元素均矩阵R的对角线上的元素是等值的同时等于X的所有K个正奇异值的几何均值,满足,。在奇异值分解的基础上,可通过置换变换和双边Givens变换推导出几何平均分解。
假设发射端可以准确获知信道状态信息, 非线性模代数GMD -THP-ZF预编码方法检测过程为:
其中,x =c-(B-I)x+d, c+d=Bx, , v=c+d;
(3)接收端接收信号及处理:
(4)再进行模运算并判决:
其中,信道,噪声n,,其中,Q为酉矩阵,R上三角矩阵,前馈矩阵,加权矩阵,反馈矩阵B=GR。基于MMSE-THP的模代数预编码的基本思想是,在发送端发送功率满足约束的条件下,尽可能使接收端接收到的数据信息与发送端发送的数据信息误差最小。,可得:,为信号噪声功率比。
仿真比较
系统仿真参数设置如下:多用户数(4);多址干扰(MAI=10dB);天线数(4发4收,6发6收);子载波数(64);循环前缀(20%);调制方式(QPSK);信道环境(频率选择性多径Rayleigh信道,多径数:4径,每径延时一个符号) 。
图3和图4中分别给出了在4发4收与6发6收采用ZF准则情况下的误码率,本发明对VBLAST系统线性迫零方法、迫零方法、线性ZF预编码方法、非线性模代数QR-THP-ZF预编码方法以及本发明所提出的GMD-THP-ZF预编码方法在MIMO-MC-CDMA系统上进行仿真比较。图中的横坐标表示信噪比,单位为dB,纵坐标表示误比特率。从仿真结果可知,线性ZF方法与线性ZF预编码方法具有相近的误比特率性能,但线性ZF预编码方法的接收机具有较低接收复杂度;非线性GMD-THP迫零方法的误比特率性能远优于传统ZF检测方法及排序ZF检测方法,具有比非线性QR-THP迫零方法更优的误码性能,一定程度上降低了误码率,在误码率为数量级上有3-4dB的性能改善。
图5和图6中分别给出了在4发4收与6发6收采用MMSE准则情况下的误码率,分别对VBLAST系统非线性MMSE方法、线性MMSE方法、排序MMSE方法、线性MMSE预编码方法以及非线性QR-THP-MMSE预编码方法以及本发明提出的非线性GMD-THP-MMSE预编码方法在MIMO-MC-CDMA系统上进行仿真比较。图中的横坐标表示信噪比,单位为dB,纵坐标表示误比特率。从仿真结果可知,线性MMSE方法与线性MMSE预编码方法具有相近的误比特率性能,但线性MMSE预编码方法的接收机具有较低接收复杂度;非线性GMD-THP-MMSE方法的误比特率性能远优于传统MMSE检测方法及排序MMSE检测方法,具有比非线性QR-THP-MMSE方法更优的误码性能,一定程度上降低了误码率,在误码率为数量级上有2-3dB的性能改善。
具体实施步骤:
一、发射端
4、非线性模代数预编码由图2可知,模代数反馈运算的表达式为:
6、每层信号进行OFDM调制,然后从相应的天线发射出去即可。
二、接收端
1、由式(1)可知,接收信号由期望用户信号、干扰用户信号与高斯白噪声组成。则第u个用户第k个子载波上的接收信号矢量:
2、在接收信号经过接收自适应功率预处理,上式变为:
4、对接收信号矢量进行相应的非线性模代数处理:;
5、最后对接收信信号进行解扩并判决,恢复发射信号:
其中Dec(.)表示判决运算。
Claims (8)
1.一种多载波码分多址系统中分层空时非线性预编码方法,其特征在于:该方法首先建立预编码系统,然后对该系统中反馈信道信息采用几何均值分解为酉矩阵与上三角矩阵的乘积,获得具有相同等效噪声增益的预编码矩阵,再在发射端多载波码分多址MC-CDMA子载波信道间进行非线性模代数预编码THP,再对各经过非线性模代数预编码THP后的子载波信号与由信道几何均值分解得到的酉矩阵相乘,然后从相应的天线发送出去;在接收端采用迫零ZF准则或最小均方误差MMSE准则进行处理。
2.根据权利要求1所述的非线性预编码方法,其特征在于:所述预编码系统,设用户总数为U,发射天线数为N,接收天线数为M,并且N≤M,在发射端,每个用户数据经垂直分层空时码VBLAST映射、编码处理后,形成N层并行数据,再对每层数据进行扩频形成数据,然后对各层数据进行串并变换、IFFT变换、加循环前缀、进行预编码、并变串调制到各发射天线上;在接收端,各接收信号串并变换、去循环前缀、FFT操作,频率选择性多径衰落信道就转化为Nc个平坦衰落的子信道,则所有M根接收天线第u个用户在第k子载波上解扩后的信号可表示为:
3.根据权利要求2所述的非线性预编码方法,其特征在于:所述几何均值分解过程为:M×N维的矩阵H的几何均值分解GMD可以分解为H=QRPH,Q、P均为酉矩阵,R为K×K维的上三角矩阵,K=rank(X),矩阵R的对角线上的元素是等值的,同时等于X的所有K个正奇异值的几何均值。
4.根据权利要求1所述的非线性预编码方法,其特征在于:所述非线性模代数预编码THP方法首先是发送端对输入数据进行星座映射,然后经过反馈求模运算,再经信道加入噪声,接收端进行相应处理,再进行模运算并判决。
6.根据权利要求4或5所述的非线性预编码方法,其特征在于:所述非线性模代数预编码方法检测过程为:
(1)信道分解:首先,假设发送天线数等于接收天线数,H为N×N矩阵,信道矩阵H经过GMD分解则:H=QRPH,其中,Q、P为酉矩阵,R上三角矩阵,前馈矩阵F=QH,加权矩阵G=diag(1/r11,…,1/rNN),反馈矩阵B=GR;
(2)预编码反馈和求模运算:
其中,x=c-(B-I)x+d,c+d=Bx,x=B-1v,v=c+d;
(3)接收端接收信号及处理:
(4)再进行模运算并判决:
其中,信道H=QRPH,噪声n,H=QR,其中,Q为酉矩阵,R上三角矩阵,前馈矩阵F=QH,加权矩阵G=diag(1/r11,…,1/rNN),反馈矩阵B=GR。
8.根据权利要求6所述的非线性预编码方法,其特征在于:所述接收端接收到信号后,在接收信号经过接收自适应功率预处理,再进行分层空时译码及解扩处理,最后对接收信号进行判决,恢复发射信号。
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