一种相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法技术方案

本发明专利技术提出了一种相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法，其步骤为：首先，在相关信道大规模MIMO系统中，利用信道相关矩阵构造基于黎曼距离最小化准则的非相干检测器；并根据非相干检测器的误差性能构造空时调制星座集的设计准则；其次，在矩阵流形上，设计基于李群的参数化空时调制星座集；再基于优化准则和空时调制星座集，确定最优的离散星座集结构；然后，基于最优的离散星座集结构，利用离线穷尽搜索算法确定各调制参数的子星座集的最优基数；最后，利用空时调制星座集的结构，简化非相干检测器的检测算法，降低信号处理的复杂度。本发明专利技术解决了非相干检测器在大天线数时的误差地板效应，改善了MIMO系统的误差性能。改善了MIMO系统的误差性能。改善了MIMO系统的误差性能。

【技术实现步骤摘要】
一种相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法


[0001]本专利技术涉及通信
，特别是指一种相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法。

技术介绍

[0002]受移动物联网业务的多样化以及相应数据流量增长的驱动，未来无线通信将对无线网络的容量、时延、可靠性与可扩展性提出巨大挑战。国际电信联盟在2015年发布的白皮书中指出，第五代移动通信(5G)不仅要面向增强移动宽带场景(eMBB)，还需面向机器类通信的两大技术场景，即大规模机器类通信与超可靠低时延通信(URLLC)。其中，URLLC旨在对时延和可靠性具有严格要求的关键任务提供无线通信服务。目前，随着5G技术在eMBB场景的普及，世界多个国家均在大力推进面向URLLC的物联网无线连接技术的研究。作为3GPP Release 17的主要目标，URLLC的研究仍处于起步阶段。
[0003]基于上述背景，设计能够兼顾低时延与超高可靠性的无线传输方案对于实现URLLC具有重要的研究意义。大规模多输入多输出(MIMO)在基站侧使用有几十乃至数百根天线的天线阵列，利用极高的阵列增益，在提升系统误差性能的同时，能够减少数据包错误重传次数，降低系统的整体时延。因此，大规模MIMO系统被广泛认为是URLLC可靠性的使能技术方案之一。由于对超低时延的严格要求，URLLC在物理层具有短包传输的特征。这意味着，在一个资源块内可能没有足够多的时隙用于执行信道估计或反馈信道状态信息(CSI)给接收机，这将严重限制大规模MIMO系统实现超高可靠性。这主要是因为，CSI是大规模MIMO系统可靠性所必需的。因此，瞬时CSI的获取是大规模MIMO系统确保无线传输可靠性的瓶颈问题。非相干大规模多天线系统不需要瞬时CSI进行调制解调的特性，能够有效地提高系统容量、降低系统延时和适应快变信道环境。因此，非相干空时调制方案有望能够解决大规模MIMO系统在短包传输时CSI获取的难题。
[0004]在瑞利信道模型下，信道相互独立。随着基站端天线数的增加，接收端可以利用无线信道的硬化特性或者信道的有利传播特性，构造非相干检测器。然而，在相关信道模型下，信道不再相互独立，信道的硬化特性和有利传播条件将不存在。此时，如何构造大规模MIMO系统的非相干检测器与相应的空时调制方案将面临挑战。

技术实现思路

[0005]针对上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术提出了一种相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法，利用无线信道的相关矩阵信息，能够避免大规模MIMO系统的相关信道估计操作，解决了基于黎曼距离准则的非相干检测器在大天线数时的误差地板效应，且能够执行快速的信号编译码算法。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法，其步骤如下：
[0008]S1：在相关信道大规模MIMO系统中，提取信道相关矩阵的特征空间和特征值，并利
用特征空间对接收信号进行滤波构造基于黎曼距离最小化准则的非相干检测器；
[0009]S2：分析步骤S1中的非相干检测器的误差性能，基于最小距离最大化准则构造空时调制星座集的设计准则；
[0010]S3：在矩阵流形上，设计基于李群的参数化空时调制星座集；
[0011]S4：基于步骤S2的优化准则和步骤S3设计的空时调制星座集，确定最优的离散星座集结构；
[0012]S5：基于最优的离散星座集结构，利用离线穷尽搜索算法确定各调制参数的子星座集的最优基数；
[0013]S6：利用空时调制星座集的结构，简化非相干检测器的检测算法，降低信号处理的复杂度。
[0014]优选地，在步骤S1中，相关信道大规模MIMO系统中，发射端有K根天线，接收端有M根天线，M＞＞K；发射端天线与接收端天线之间信道为其中，R
r
是接收端M
×
M的信道相关矩阵，R
t
为发送端K
×
K的相关矩阵，H
iid
是M
×
K的独立同分布的瑞利衰落信道矩阵，H
iid
的元素服从均值为0方差为1的复高斯分布；其中vec{
·
}是矩阵列矢量依次堆叠操作符，H的相关矩阵可写为
[0015]令发射端的相关矩阵R
t
＝I
K
，信道相干时间为T，将信道相干时间分成K个时隙，在K个时隙内完成一组数据的发送；则基于黎曼距离最小化准则的非相干检测器为：
[0016][0017]其中，表示X的估计值，为发送端的数据编码矩阵，为接收端的接收信号，Y＝HX+N，为复高斯噪声矩阵，其元素为独立同分布元素表示X的星座集，表示滤波后的接收信号，表示的共轭转置，表示Σ
r
的逆，为复高斯噪声矩阵的方差。
[0018]优选地，在步骤S2中，基于李群的空时编码矩阵设计需满足det{X}＝1；
[0019]通过参数化编码方法来构造X，具体如下：
[0020][0021]其中，0≤α,β,φ,γ,δ<2π，λ>1；
[0022]为确保X
H
X的唯一可辨识性，X进一步参数化为：
[0023][0024]其中，λ>0，φ∈[0,2π]。
[0025]优选地，在步骤S3中，建立基于李群的参数化空时调制星座集：
[0026][0027]其中，表示满足该优化问题X的最优星座集，X
i
表示χ中的星座点，X
j
表示χ中的星座点。
[0028]优选地，步骤S4包括以下步骤：
[0029]目标函数的表达式为：
[0030][0031]目标函数的最小值在θ
i
＝θ
j
,φ
i
≠φ
j
和θ
i
≠θ
j
,φ
i
＝φ
j
时取得最小值，特别地，当θ
i
＝θ
j
＝θ
c
,φ
i
≠φ
j
时，可得：
[0032][0033]当θ
i
≠θ
j
,φ
i
＝φ
j
时，可得：
[0034][0035]从式(6)可以得出其中，|Φ|表示数据集Φ的基数；
[0036]令其中，θ0＝θ'0；Θ可以重新组
织为：
[0037]同时最大化式(6)和式(7)两者之间最小值，需要满足以下等式：
[0038][0039]式(8)可以进一步简化为：
[0040][0041]标记
[0042]可得Ξ(θ
i
,θ
j
,φ
i
,φ
j
)≤cos2(θ
i
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法，其特征在于，其步骤如下：S1：在相关信道大规模MIMO系统中，提取信道相关矩阵的特征空间和特征值，并利用特征空间对接收信号进行滤波构造基于黎曼距离最小化准则的非相干检测器；S2：分析步骤S1中的非相干检测器的误差性能，基于最小距离最大化准则构造空时调制星座集的设计准则；S3：在矩阵流形上，设计基于李群的参数化空时调制星座集；S4：基于步骤S2的优化准则和步骤S3设计的空时调制星座集，确定最优的离散星座集结构；S5：基于最优的离散星座集结构，利用离线穷尽搜索算法确定各调制参数的子星座集的最优基数；S6：利用空时调制星座集的结构，简化非相干检测器的检测算法，降低信号处理的复杂度。2.根据权利要求1所述的相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法，其特征在于，在步骤S1中，相关信道大规模MIMO系统中，发射端有K根天线，接收端有M根天线，M＞＞K；发射端天线与接收端天线之间信道为其中，R
r
是接收端M
×
M的信道相关矩阵，R
t
为发送端K
×
K的相关矩阵，H
iid
是M
×
K的独立同分布的瑞利衰落信道矩阵，H
iid
的元素服从均值为0方差为1的复高斯分布；其中vec{
·
}是矩阵列矢量依次堆叠操作符，H的相关矩阵可写为令发射端的相关矩阵R
t
＝I
K
，信道相干时间为T，将信道相干时间分成K个时隙，在K个时隙内完成一组数据的发送；则基于黎曼距离最小化准则的非相干检测器为：其中，表示X的估计值，为发送端的数据编码矩阵，为接收端的接收信号，Y＝HX+N，为复高斯噪声矩阵，其元素为独立同分布元素为复高斯噪声矩阵，其元素为独立同分布元素表示X的星座集，表示滤波后的接收信号，表示的共轭转置，表示Σ
r
的逆，为复高斯噪声矩阵的方差。3.根据权利要求2所述的相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法，其特征在于，在步骤S2中，基于李群的空时编码矩阵设计需满足det{X}＝1；通过参数化编码方法来构造X，具体如下：其中，0≤α,β,φ,γ,δ<2π，λ>1；为确保X
H
X的唯一可辨识性，X进一步参数化为：
其中，λ>0，φ∈[0,2π]。4.根据权利要求3所述的相关信道下大规模MIMO系统非相干编码的检测方法，其特征在于，在步骤S3中，建立基于李群的参数化空时调制星座集：其中，表示满足该优化问题X的最优星座集，X
i
表示中的星座点，X
j
表示中的星座点。5.根据权利要求4所述的相关信道下大规模MI...

【专利技术属性】
技术研发人员：李双志，孙小航，杨振锋，李益兵，郭新，王宁，郝万明，
申请(专利权)人：南京恒电电子有限公司，
类型：发明
国别省市：