本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，具體涉及一種非相干空時(shí)傳輸方法，適用于由雙天線(xiàn)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)和大規(guī)模天線(xiàn)配置的基站節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)的概念受到了廣泛研究，其已經(jīng)成為5G通信網(wǎng)絡(luò)的候選技術(shù)之一。大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)可有效提升網(wǎng)絡(luò)的容量、降低通信節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理復(fù)雜度。然而，大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)仍然面臨挑戰(zhàn)，其中之一是大規(guī)模天線(xiàn)的信道狀態(tài)信息獲取問(wèn)題。在基于相干傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中，獲取信道狀態(tài)信息會(huì)占用大量的時(shí)間和頻率資源，例如在LTE標(biāo)準(zhǔn)中大約占到15％。因此，在大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)中非相干信號(hào)傳輸?shù)难芯渴艿搅藦V泛關(guān)注。如在2013年，Manolakos等作者在“Constellation design in noncoherent massive SIMO systems”提出了基于能量檢測(cè)的非相干傳輸方案，在信道信息完全未知的條件下實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸和檢測(cè)。2015年Armada等作者在“A non-coherent multi-user large scale SIMO system relaying on M-ary DPSK”提出了基于差分PSK的非相干傳輸方案，利用差分發(fā)送和接收信號(hào)相關(guān)處理實(shí)現(xiàn)了非相干的信號(hào)傳輸。

然而，這些方案雖然在大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了非相干傳輸，但都只適用于用戶(hù)節(jié)點(diǎn)配置單天線(xiàn)的場(chǎng)景。另外，Manolakos提出的基于能量檢測(cè)的非相干傳輸方案，由于其發(fā)送信號(hào)僅局限于一維的實(shí)數(shù)，導(dǎo)致了系統(tǒng)的可接受性能需要依賴(lài)于大量的天線(xiàn)配置，天線(xiàn)使用效率較低；Armada提出的基于差分PSK信號(hào)的非相干傳輸方案，要求系統(tǒng)的信道具有相對(duì)較長(zhǎng)的相干時(shí)間，導(dǎo)致在快時(shí)變信道環(huán)境中傳輸效率不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種用于大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)的非相干空時(shí)傳輸方法，以增強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，提高系統(tǒng)天線(xiàn)的使用效率和系統(tǒng)的傳輸效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

1)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造空時(shí)信號(hào)矩陣：

1a)根據(jù)第一符號(hào)周期的發(fā)送功率P₁和第二符號(hào)周期的發(fā)送功率P₂，計(jì)算用于構(gòu)造空時(shí)信號(hào)矩陣的旋轉(zhuǎn)角度θ_r：

1b)從PSK星座集合A中選取星座符號(hào)x為用戶(hù)的發(fā)送信息符號(hào)；

1c)構(gòu)造2乘2的空時(shí)信號(hào)矩陣：

其中(·)^*表示取共軛操作，j表示虛數(shù)單位；

2)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)利用兩根天線(xiàn)在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)將空時(shí)信號(hào)矩陣S發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)，并在第一個(gè)發(fā)送符號(hào)周期內(nèi)，用第一、第二根天線(xiàn)分別發(fā)送空時(shí)信號(hào)矩陣S的第一行第一列的元素s₁₁和第二行第一列的元素s₂₁，在第二個(gè)發(fā)送符號(hào)周期內(nèi)，第一、第二根天線(xiàn)分別發(fā)送空時(shí)信號(hào)矩陣S的第一行第二列的元素s₁₂和第二行第二列的元素s₂₂。

3)基站節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)通過(guò)M根天線(xiàn)接收信號(hào)，即在第一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)得到第一接收信號(hào)矢量y₁，在第二個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)得到第二接收信號(hào)矢量y₂：

y₁＝h₁s₁₁+h₂s₂₁+n₁，

y₂＝h₁s₁₂+h₂s₂₂+n₂，

其中，h₁＝[h₁₁,h₁₂,…,h_1m,…h(huán)_1M]^T表示用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的第一根發(fā)射天線(xiàn)與基站節(jié)點(diǎn)間的信道衰落向量，h₂＝[h₂₁,h₂₂,…,h_2m,…h(huán)_2M]^T表示用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的第二根發(fā)射天線(xiàn)與基站節(jié)點(diǎn)間的信道衰落向量，m＝1,2,…,M，h_1m和h_2m均服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布，[·]^T表示轉(zhuǎn)置操作；

n₁＝[n₁₁,n₁₂,…,n_1m,…,n_1M]^T表示第一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)收到的噪聲向量，n₂＝[n₂₁,n₂₂,…,n_2m,…,n_2M]^T表示第二個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)收到的噪聲向量，n_1m和n_2m均服從均值為0，方差為δ²的復(fù)高斯分布；

4)基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)第一接收信號(hào)矢量y₁和第二接收信號(hào)矢量y₂，構(gòu)造待檢測(cè)信號(hào)變量[·]^H表示共軛轉(zhuǎn)置操作；

5)基站節(jié)點(diǎn)利用最小距離檢測(cè)算法進(jìn)行符號(hào)檢測(cè)，得到用戶(hù)發(fā)送符號(hào)的估計(jì)值

其中，arg min表示使目標(biāo)函數(shù)取最小值時(shí)的變量值；|·|²表示取模平方運(yùn)算；A表示發(fā)送PSK星座符號(hào)集合。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)由于本發(fā)明在信號(hào)發(fā)送和檢測(cè)時(shí)均不需要任何信道狀態(tài)信息，避免了對(duì)信道的估計(jì)，提升了系統(tǒng)信息的傳輸效率；

2)本發(fā)明由于給用戶(hù)節(jié)點(diǎn)配置雙天線(xiàn)，能夠利用空時(shí)信號(hào)矩陣，提升了符號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，提高了大?guī)模天線(xiàn)的使用效率；

3)本發(fā)明由于采用二乘二發(fā)送矩陣結(jié)構(gòu)，能夠適用于快時(shí)變信道的大規(guī)模天線(xiàn)上鏈路傳輸系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2為本發(fā)明仿真使用的場(chǎng)景圖；

圖3本發(fā)明的誤符號(hào)性能仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和效果作進(jìn)一步的描述。

參照?qǐng)D2，本發(fā)明使用的通信系統(tǒng)由一個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)構(gòu)成；其中，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)配置兩根天線(xiàn)，基站節(jié)點(diǎn)配置M根天線(xiàn)，M>>2。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：

步驟1：用戶(hù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造待發(fā)送的空時(shí)信號(hào)矩陣。

1a)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)第一符號(hào)周期的發(fā)送功率P₁和第二符號(hào)周期的發(fā)送功率P₂，計(jì)算用于構(gòu)造空時(shí)信號(hào)矩陣的旋轉(zhuǎn)角度θ_r，具體計(jì)算如下：

其中arccos(·)表示反余弦函數(shù)，C為常數(shù)，取值范圍為0≤C≤P₁P₂，P₁>0,P₂>0；

1b)從PSK星座集合A中選取星座符號(hào)x為用戶(hù)的發(fā)送信息符號(hào)，其中PSK星座集合A表示為：

其中j表示虛數(shù)單位，L表示PSK星座集合A的大小；

1c)構(gòu)造二乘二的空時(shí)信號(hào)矩陣

其中

其中(·)^*表示取共軛操作。

步驟2：用戶(hù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送構(gòu)造好的空時(shí)信號(hào)矩陣。

用戶(hù)節(jié)點(diǎn)利用兩根天線(xiàn)在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)將空時(shí)信號(hào)矩陣S發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)：

在第一個(gè)發(fā)送符號(hào)周期內(nèi)，用第一根天線(xiàn)發(fā)送空時(shí)信號(hào)矩陣S的第一行第一列的元素s₁₁，用第二根天線(xiàn)發(fā)送空時(shí)信號(hào)矩陣S的第二行第一列的元素s₂₁；

在第二個(gè)發(fā)送符號(hào)周期內(nèi)，用第一根天線(xiàn)發(fā)送空時(shí)信號(hào)矩陣S的第一行第二列的元素s₁₂，用第二根天線(xiàn)發(fā)送空時(shí)信號(hào)矩陣S的第二行第二列的元素s₂₂。

步驟3：基站節(jié)點(diǎn)計(jì)算接收信號(hào)矢量。

基站節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)通過(guò)M根天線(xiàn)接收信號(hào)，即在第一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)得到第一接收信號(hào)矢量y₁，在第二個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)得到第二接收信號(hào)矢量y₂，分別表示如下：

y₁＝h₁s₁₁+h₂s₂₁+n₁，

y₂＝h₁s₁₂+h₂s₂₂+n₂，

其中，h₁＝[h₁₁,h₁₂,…,h_1m,…h(huán)_1M]^T表示用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的第一根發(fā)射天線(xiàn)與基站節(jié)點(diǎn)間的信道衰落向量，h₂＝[h₂₁,h₂₂,…,h_2m,…h(huán)_2M]^T表示用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的第二根發(fā)射天線(xiàn)與基站節(jié)點(diǎn)間的信道衰落向量，m＝1,2,…,M，h_1m和h_2m均服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布，[·]^T表示轉(zhuǎn)置操作；

n₁＝[n₁₁,n₁₂,…,n_1m,…,n_1M]^T表示第一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)收到的噪聲向量，n₂＝[n₂₁,n₂₂,…,n_2m,…,n_2M]^T表示第二個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基站節(jié)點(diǎn)收到的噪聲向量，n_1m和n_2m均服從均值為0，方差為δ²的復(fù)高斯分布。

步驟4：基站節(jié)點(diǎn)構(gòu)造待檢測(cè)信號(hào)變量。

基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)第一接收信號(hào)矢量y₁和第二接收信號(hào)矢量y₂，構(gòu)造待檢測(cè)信號(hào)變量[·]^H表示共軛轉(zhuǎn)置操作。

步驟5：基站節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)送符號(hào)進(jìn)行估計(jì)。

基站節(jié)點(diǎn)利用最小距離檢測(cè)算法進(jìn)行符號(hào)檢測(cè)，得到用戶(hù)發(fā)送符號(hào)的估計(jì)值

其中，arg min表示使目標(biāo)函數(shù)取最小值時(shí)的變量值；|·|²表示取模平方運(yùn)算；A表示發(fā)送PSK星座符號(hào)集合。

本發(fā)明的效果可通過(guò)以下仿真進(jìn)一步說(shuō)明：

1.仿真條件

仿真使用的通信系統(tǒng)如圖2，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)之間的所有信道均為準(zhǔn)靜態(tài)瑞利平坦衰落信道，信道系數(shù)服從均值為零，方差為1的復(fù)高斯分布，發(fā)送信號(hào)功率與系統(tǒng)平均信號(hào)功率之比為5dB。

2.仿真內(nèi)容與結(jié)果

用本發(fā)明分別仿真在傳輸比特速率為1比特和2比特時(shí)，基站節(jié)點(diǎn)處檢測(cè)的系統(tǒng)平均傳輸誤比特率，并將本發(fā)明與現(xiàn)有的基于能量檢測(cè)的非相干傳輸方案相比較，結(jié)果如圖3所示，圖3中的bpcu為系統(tǒng)平均傳輸速率單位，表示每使用一次信道時(shí)系統(tǒng)所能處理的平均比特?cái)?shù)。

由圖3可知，本發(fā)明能夠在相同基站節(jié)點(diǎn)天線(xiàn)數(shù)的條件獲得更低的誤比特率，具有更加可靠的信息傳輸。