[发明专利]一种基于对角分层空时结构获得满分集增益的方法

摘要

一种基于对角分层空时结构获得满分集增益的方法，首先采用一组最优的随机基矩阵对垂直分层空时(V－BLAST)结构中每个符号周期内的发送分组进行空间上的调制，随后再将空域中的信号在时域中沿着对角线方向进行发送。发送的格式能够在不损失垂直分层空时(V－BLAST)结构频谱利用率的同时获得满分集增益，实现频谱利用率与性能上的双重优化。从而可在不降低V－BLAST结构频谱利用率的同时获得满分集增益，大大改善了系统的传输性能。另外，FD－DLST结构可采用连续迫零和抵消算法进行检测，使其接收机具有较低的实现复杂度。仿真结果近一步验证了这种FD－DLST结构的性能优越性。

主权项

1、一种基于对角分层空时结构获得满分集增益的方法，其特征在于：1)构建系统模型将具有M个发射天线、N个接收天线的MIMO系统表示为(M，N)，发射端首先对输入的符号序列进行空时分路，将其分为长度均为M的T个分组b_t＝[s_1t s_2tΛs_Λft]^T(t＝1，2，Λ，T)，上标()^T表示对矩阵取转置，然后用一组基矩阵{Φt}t=1T∈CM×M,]]>对分组{b_t}_t＝1^T进行空间上的调制，其中符号C用来表示复数域，得到一个M×1维的符号向量B=Σt=1TΦtbt=Q·b---(1)]]>其中向量b=b1Tb2TΛbTTT]]>为数据符号向量，M×MT维矩阵Q定义为Q＝[Φ₁ Φ₂ Λ Φ_T]                                  (2)随后，将符号向量B在时域中沿着对角线方向展开后进行发送，得到空时码字矩阵C=diag(B)=diag(Σt=1TΦtbt)---(3)]]>假设无线信道为准静态平坦Rayleigh衰落信道，则N个接收天线上收到的信号Y∈C^N×M为Y＝HC+N                                         (4)其中H∈C^N×M为信道矩阵，H中的元素h_ji表示第i个发射天线到第j个接收天线之间的复路径增益；N∈C^N×M为加性高斯白噪声。用1×MT维的行向量q_i(i＝1，Λ，M)表示矩阵Q的第i行，发送的码字矩阵C为C＝diag(q₁b，q₂b，Λ，q_Mb)                      (5)这样，接收信号为Y=HC+N=h11q1bh12q2bΛh1MqMbh21q1bh22q2bΛh2MqMbMMOMhN1q1bhN2q2bΛhNMqMb+N---(6)]]>在接收端，为将数据符号向量b从码字矩阵中分离出来，对YT两边作按列拉直运算vec(·)，得到式中y＝vec(Y^T)，n＝vec(N^T)，矩阵G中的向量h_j(j＝1，Λ，N)表示信道矩阵H的第j行，通过变换将输入、输出的关系式(6)等价为一个(MT，MN)的MIMO系统，因而输出可以用式(7)表示。2)分集增益与编码增益假设接收端具有理想的信道状态信息并且已知基矩阵Q，若接收端将发送的空时码字C＝diag(Qb)错误地判决为C^=diag(Qb^),]]>其中错误判决的符号向量b^≠b,]]>则令码字误差矩阵E=C-C^,]]>符号误差向量e=b-b^,]]>定义M×M维矩阵RE=E·EH=|q1e|2|q2e|2O|qMe|2---(8)]]>式中，上标()^H表示对矩阵取共轭转置，由空时编码的设计准则可知，如果接收端具有N个天线，空时编码的分集增益定义为gd=mine≠0rank(RE)·N,]]>其中rank(·)表示求矩阵的秩，从式(8)中可以看出，若|q，e|²≠0(i＝1，Λ，M)，可使矩阵R_E满秩，这样可以获得满分集增益MN；如果矩阵R_E的最小秩为r，设R_E的r个非零特征值为λ_i(i＝1，Λ，r)，则空时编码的编码增益应定义为gc=mine≠0(Πi=1rλi)i/r,]]>当矩阵R_E满秩时，编码增益则为gc=mine≠0(det(RE))1/M.]]>由式(8)可得，当R_E满秩时，编码增益为gc=mine≠0(det(RE))1/M=mine≠0(Πt=1M|qte|2)1/M---(9)]]>3)最优基矩阵的选择设每个输入符号的能量为1，即E{|s_mt|²}＝1，(m＝1，Λ，M，t＝1，Λ，T)，对一个符号周期内每天线上的发射信号功率进行归一化，得到发送的能量为E{|C||F2}=MT,]]>其中‖·‖_F表示矩阵的Frobenius范数，又因为E{||C||F2}=E{||B||22}=E{BHB}=E{tr(B·BH)}=tr(QE{b·bH}QH)---(10)]]>式中‖·‖₂表示向量的2-范数，tr(·)表示求矩阵的迹，由于E{b·b^H}＝I_MT，因此基矩阵Q＝[Φ₁Φ₂ΛΦ_T]应满足功率约束条件tr(Q·Q^H)＝MT                                               (11)考虑功率约束式(11)，取满足如下条件的基矩阵QQ^H＝T·I_M                                                  (12)构造满足行正交条件(12)的随机矩阵Q，通过对Hermitian矩阵作Cayley变换的方法得到行正交矩阵Q；首先用各元素都服从均值为0，方差为1的复高斯分布的MT×1维随机向量β来生成Hermitian矩阵A＝β·β^H，其中A^H＝A，对A作Cayley变换，得到MT×MT维的酉矩阵UU＝(I_MT+iA)^-1(I_MT+iA)                                       (13)式中，i=-1,]]>进而取酉矩阵U的前M行，得到满足条件(12)的行正交矩阵Q，即Q=T·ZU---(14)]]>式中，矩阵最后，采用随机搜索的方法，从基矩阵(14)中选择出最优基矩阵为