基于信道估计的信号编码与解码方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及无线通信大规模天线技术领域，具体是 指一种基于信道估计的信号编码与解码方法，其应用于多小区多用户大规模天线系统。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的不断发展，人们对无线通信数据传输速率的要求也越来越 高。大规模天线系统（MassiveMIMO)具有的性能上的优势，使得人们对它的研究越来越深 入。无线通信系统性能的影响因素，主要有两个方面：一是无线信道信息（CSI)的随机性， 二是各个小区间用户的干扰。运些影响因素都使得系统不能准确地接收到信号，最终将直 接影响整个系统的性能。因此，为了提高大规模天线系统的性能，一方面，需要较准确地估 计CSI;另一方面，需要实现更优地数据解码。
[0003] 事实上，CSI的获得，可W根据训练序列进行估计。而理论上最优的数据解码方法 是极大似然（ML)解码方法，但是在大规模天线系统中，运种解码方法的解码复杂度也相当 高。所W，从系统解码复杂度的角度看，运种方法并不理想。因此，对输入信号进行编码与 解码方法的研究是必不可少的，能够在降低信号解码复杂度的同时，实现更优地数据解码 对于整个系统性能的改善有着重大的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有解码方法的不足，提出了一种用于多小区多用户大规模天线系统 中的基于信道估计的信号编码与解码方法。
[0005] 本发明采取W下技术方案：
[0006] 基于信道估计的信号编码与解码方法，其按如下步骤进行：
[0007] -.设计发送与接收信号
[000引假定系统有L个小区，每个小区有一个基站和K个用户，每个基站配有M根天线， 且小区之间存在同频干扰。假定第1个小区的第k个用户先发送长度为T的训练序列，即 巫化=(4 1M，&ik,2,…，^ik,I)，其中 4ik,i，&ik,2,…，^ik,I，k= 1，2,…，K是第 1 个小区 的第k个用户分别在第1，2,…，T时刻发送的训练符号。令为KXT 矩阵，O=(巫1，巫2,…，巫为LKXT的矩阵称为训练矩阵，此处上标t表示向量或矩阵 的转置（W下同）。然后发送长度为Ti的信息序列，形成输入信号矩阵X。其中X=Kit-為1，-、1]\^为第1个基站内用户所发送的信号，包含了所需传送的数据。假设第1个基站 中与O和X对应的接收信号分别为：
[0009] 焉搞颗勝
[0010] Y,=拓HBX+W'
[0011]其中，H=出1，…，Hi,…，HJ，Hi表示第1个基站中的用户到第1个基站天线的信 道增益，显然Hi为MXK的矩阵。B=diag怔1，…，Bi,…，BlLBi为KXK的对角矩阵，表示 第I个基站中的用户到第I个基站天线的大尺度衰弱因子。在本发明中，令? = [IkIk…lK]t，巫中包含L个Ik，每个I康示K阶单位阵（W下同），P。和P期为信噪比，W。和Wi 均表示高斯白噪声。
[0012] 本发明在信道信息H估计出来基础上，提出一种对输入信号矩阵X进行编码与解 码的方法。具体如下所述：
[0013] 二.对输入信号矩阵X进行编码
[0014] 第1步：构造1\乂1'1的矩阵(；11^(1《1《1^，1《1^《1()，其中，矩阵&冲的元 素为待定参数，选取准则见下面第3步。令& = [%, ???%;;]'，Si= [Sn…Sik… SJt,则信号矩阵S= [Sit…S/…Sjt，其中Sik是T1维的向量，且每个分量Sik,i(i= 1，2,…，T1)均独立地取自某一个QAM(正交幅度调制信号），承载着第1个基站中的第k个 用户的数据信息。
[001 引第 2 步：令Xik= (GikSik)t，记Xi=技litXizt…V]t，运样有 [001 引Xi=[GiiSnGnSn…GwSJt,
[0017] X=KitXztwXLT.
[001引第3步：矩阵GikQ《1《L1《k《K)中参数的选取准则：选择参数作为矩阵Gik中的元素，使得对任意S化,1，下列矩阵
[0020] 为满秩矩阵。根据选取准则，构造合适的矩阵Gik。
[0021] 信道估计
[0022] 根据发送的训练矩阵O和相应的接收信号Y。，用MMSE估计方法估计信道H，得到 信道的估计值为
[0024] 其中，益为MXLK的矩阵。令//叫蟲...蟲]，其中，奋;为MXK的矩阵。
[00巧]四.对信号矩阵S进行解码
[0026] W解第1，2,…，L个基站中的第P(1《P《K)个用户的信息Sip,S2P，…，Sb为例。 具体步骤为：
[0027]第1步：令吗=防…4…々J，Bi=diag[ 011…0Ik…01K]，则Yi可表示 为
[0029] 其中，K=^/^(好-占)忍义+咏；。
[0030] 取定SipQ= 1，2…，L，Sip为T1维向量，它的每个分量独立地取自某一QAM)，得 到Xip=(GIpSJt(1 = 1，2...，L)，令
[0031] Y、=YiSj捉AphipXI,, I已I
[003引 则有，
[0034] 关于上述式子，把Vi看成高斯噪声，利用匪SE解码方法，解出第1，2,…，L个基 站中第P个用户之外的所有用户的信息Sik,S2k，…，《k声P《K)，其相应的解记为 文化，没：U-,...,1?? (l《k声p《K)。
[00对第2步：令含《-)'，则可得到X。计算
[0036] g伟P)=巧胁)"巧合化)，1 = 1，2…，L，1《P《K.
[0037] 第3步：令金'p=argmiii(g(Ap))'可解得心，，即完成了对SipQ= -^ip 1，2…，L1《P《K)的解码。
[0038] 第4步：利用步骤四的第1至3步，即可解出所有用户的信息 如（1/J/J!; /〇，则完成了对信号矩阵S的解码。
[0039] 本发明能够在降低信号解码复杂度的同时，实现更优地数据解码，有利于整个系 统性能的改善。
【附图说明】
[0040] 图1为实施例1的条件下关于系统误码率的仿真图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。
[0042] 实施例1
[0043]假设天线数为M= 20,L= 2个小区，每个小区有K= 2个用户，先发送T= 2的 训练序列，再发送Ti= 2的信息序列。B取固定对角矩阵B=diag[l0.9 0.5 0.4]，矩阵 GikQ《1《2, 1《k《2)分另Ij取
G22二G21，其中，
[0044] 一 .设计发送与接收信号方程
[0045] 假定系统有2个小区，每个小区有一个基站和2个用户，每个基站配有20根天线， 且小区之间存在同频干扰。用户在发送信息序列之前，先发送长度为T=2的训练序列， 然后再发送长度为了1=2的信息序列，形成信号矩阵5，其中3 1,,1(1 = 1，2，1^=1，2，1 = 1，。均取自标准4-QAM，则S化=[sik,isik,2]t，S=权1Si2SziS22]t。根据输入信号矩阵 X的编码方法，即可由信号矩阵S得到X。假设第1个基站与O和X对应的接收信号分别 为：
[004引其中，H=化HzLH郝Hz均为20X2的信道矩阵。B取固定对角阵度=diag[l0. 9 0. 5 0.")。在本发明中，令巫1=I2,巫2= 12,则训练矩阵巫=[巫1巫2]t，维数为 4X2,P。和P1均为信噪比，W。和Wi均表示高斯白噪声。
[0049] 二.对输入信号矩阵X进行编码
[0050] 第1步：令
[005引 其中，
HiikQ《1《2, 1《k《。为待定参数。令Sik=[Sik,iSik,2]t，为2维向量，其中每个分量 8化,1(1 = 1，2)均独立地取自某一个4-QAM，承载着第1个基站的第k个用户的数据信息。 [0054]第 2 步：令X化=(GikSik)t，记Xi=技litXnT,运样有 [005引 Xi=[GiiSnGnSJt,
[005引 X=技1*Xz*]t.
[0057] 第3步：根据参数叫k(l《1《2, 1《k《。的设计准则：选择mik，使得对任意 S化,i，矩阵
[0058] P巧=
[0059] 为满秩矩阵。本发明中mii，mi2，m2i，和ni22分别取〇，1/8,〇,〇。
[0060] S.信道估计
[0061] 根据发送的训练矩阵O和相应的接收信号Y。，用MMSE方法估计信道H，得到估计 信道
[0062] 占=爲K化+ /3。护护少)-1贫？於.
[006引其中身为20X4的矩阵。令慧=據爲]，其中爲和