专利摘要

本发明涉及一种用于在多小区多用户多天线系统中基于ICA的解码方法。本发明在接收方不知道信道状态信息的情况下，该解码方法基于ICA，采用少量的非正交导频序列，实现多小区多用户多天线系统中的解码。该发明可以提高数据传输速率且减少由导频污染带来的失真。

权利要求

1.用于在多小区多用户多天线系统中基于ICA的解码方法，设定系统模型为：

其中，该系统共有L个用户，基站侧天线数为M；再设定每个用户发送长为T的信息序列，其中每个元素均匀地取自某一QAM星座，且序列前端均包含长为τ的导频序列；L个用户的发送信号记为L×T的矩阵X＝[Φ S]，其中X的前τ列是导频序列矩阵Φ，它的第i行表示第i个用户所发送的导频序列，后(T-τ)列为用户的信息矩阵S，它的第i行表示第i个用户所发送的信息；基站的接收信号可表示成M×T的接收信号矩阵Y；H是一个维度为M×L的信道矩阵；ρ为信噪比，为对角矩阵，βl表示第l个用户到基站的路径损耗和阴影衰落增益系数，N表示随机噪声矩阵，1≤l≤L，令G＝HB；

其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1.设计导频序列，具体是：

根据该系统的用户数L，得到一个整数τ，要求τ满足条件4τ-2<L≤4τ-1；构造一个L×τ的导频序列矩阵Φ，要求Φ的第一列的每个元素都是1，其它元素取自于4-QAM，且保证Φ的任意两个行向量都不相同；

步骤2.由Y估计出X，具体如下：

2-1.基站接收到信号矩阵为Y＝[y1 y2 … yT]，yi是第i个列向量，1≤i≤T；计算Y的样本均值为可得协方差矩阵E(yyH|G)的样本估计：

其中，上标H表示矩阵的共轭转置；

2-2.对Σ进行特征值分解使得其中是一个M×M的对角矩阵，且对角线上的元素按降序排列，有是一个M×M的酉矩阵；

令把分解成其中是的前L列，是剩下的M-L列；由这些分解，有0表示零矩阵；利用PCA得到：

其中，IL为L阶的单位矩阵，VH为L×L的酉矩阵；

2-3.在(2)式中VH和X未知，对(2)式运用复数的ICA算法，经迭代得到一个权重矩阵，记为L×L的酉矩阵WH；令由此得到

令其中和分别是L×τ和L×(T-τ)的矩阵；将每一行的第1个元素的幅度量化为1，然后记第l行第1个元素为再将第l行的每一个元素都乘上每一行都执行此操作，操作完成后得到的矩阵记为然后对除第1列外其它元素，根据与4-QAM和所采用的星座QAM距离最短的原则，分别进行判决得到的矩阵记为取Φ的第1行，与的每一行做内积运算，内积最大那一行所在的行作为X第1行的解；再取Φ的第2行，与的每一行做内积运算，内积最大那一行所在的行作为X第2行的解，由此类推，最终得到X每一行的解。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及无线通信多天线技术领域，具体是一种用在多小区多用户多天线系统中基于ICA(独立成分分析法)的解码方法。

背景技术

多小区多用户多天线系统是未来无线通信发展的关键技术，在多天线系统中基站配置数量众多的天线，这些天线同时服务于相对较少的单天线移动用户。在通信过程中，如果接收方知道信道状态信息，多天线系统可以很简单地实现高数据传输速率和能量效率。但是，信道状态信息是未知的，所以在多天线系统中对信道状态信息的估计是极其重要的。

在发送方发送信息之前，先发送一组收发双方事先约定好的导频信号，接收方通过导频信号估计信道状态信息。导频信号要求相互正交，如果导频信号非正交甚至被复用，会引起导频污染。比如不同小区的用户在同一频段、同一时间使用同一导频，信道状态估计的性能会非常差，系统解码的性能也会非常差。

发明内容

为了减少信道状态估计中由导频污染产生的失真，本发明就提出了一种信号在多小区多用户多天线系统中的解码方法，即一种充分利用少量非正交导频信号基于ICA的解码方法。

假定系统模型为：

其中，该系统共有L个用户，基站侧天线数为M。再假定每个用户发送长为T的信息序列，其中每个元素均匀地取自某一QAM(正交幅度调制)星座，且序列前端均包含长为τ的导频序列。L个用户的发送信号记为L×T的矩阵X＝[Φ S]，其中X的前τ列是导频序列矩阵Φ，它的第i行表示第i个用户所发送的导频序列，后(T-τ)列为用户的信息矩阵S，它的第i行表示第i个用户所发送的信息。基站的接收信号可表示成M×T的接收信号矩阵Y。H是一个维度为M×L的信道矩阵。ρ为信噪比， 为对角矩阵，βl(1≤l≤L)表示第l个用户到基站的路径损耗和阴影衰落增益系数，N表示随机噪声矩阵，令G＝HB。

基于上述的系统模型，本发明方法具体包括设计导频序列和解码两部分。

1.关于导频序列的设计方法，具体如下：

根据该系统的用户数L，得到一个整数τ，要求τ满足条件4τ-2<L≤4τ-1。构造一个L×τ的导频序列矩阵Φ，要求Φ的第一列的每个元素都是1，其它元素取自于4-QAM，且保证Φ的任意两个行向量都不相同。

2.关于由接收信号矩阵Y中解出发送信号矩阵X，具体如下：

2-1基站接收到信号矩阵为Y＝[y1 y2 … yT]，yi是第i(1≤i≤T)个列向量。计算Y的样本均值为 可得协方差矩阵E(yyH|G)的样本估计：

其中，上标H表示矩阵的共轭转置。

2-2.对Σ进行特征值分解使得 其中 是一个M×M的对角矩阵，且对角线上的元素按降序排列，有 是一个M×M的酉矩阵。

令 把 分解成 其中 是 的前L列， 是剩下的M-L列。由这些分解，有 0表示零矩阵。利用PCA(主成分分析法)可以得到：

其中，IL为L阶的单位矩阵，VH为L×L的酉矩阵。

2-3.在(2)式中VH和X未知，对(2)式运用复数的ICA算法，经迭代得到一个权重矩阵，记为L×L的酉矩阵WH。令 由此得到

2-4.令 其中 和 分别是L×τ和L×(T-τ)的矩阵。将 每一行的第1个元素的幅度量化为1，然后记第l(1≤l≤L)行第1个元素为 再将 第l行的每一个元素都乘上 每一行都执行此操作，操作完成后得到的矩阵记为 然后对 除第1列外其它元素，根据与4-QAM和所采用的星座QAM距离最短的原则，分别进行判决得到的矩阵记为 取Φ的第1行，与 的每一行做内积运算，内积最大那一行所在的行作为X第1行的解。再取Φ的第2行，与 的每一行做内积运算，内积最大那一行所在的行作为X第2行的解，由此类推，最终得到X每一行的解。运用本发明中多小区多用户多天线系统中基于ICA的解码方法，从基站接收到的接收信号矩阵Y中解出发送信号矩阵X。

本发明的有益效果：在接收方不知道信道状态信息的情况下，该解码方法基于ICA，采用少量的非正交导频序列，实现多小区多用户多天线系统中的解码。该发明可以提高数据传输速率且减少由导频污染带来的失真。

附图说明

图1为本发明在实施例的情况下，关于解码误比特率的仿真图。

具体实施方式

下面介绍该设计方法的理论依据：

基站在T个连续时隙，接收到的信号模型可以记为：

其中，系统中用户数为L，在T个连续时隙，发送信号矩阵X是L×T的矩阵，可表示为X＝[x1 x2 … xT]，xi(1≤i≤T)是X的第i个列向量，且每一个元素都均匀地取自某一星座QAM。基站侧配有M根天线，接收信号矩阵为M×T的矩阵Y，可表示为Y＝[y1 y2 … yT]，yi是Y的第i个列向量。H是一个维度为M×L的信道矩阵，它的每一元素都是均值为零，方差为1的复高斯随机变量，且两两相互独立。N是一个M×T的噪声矩阵，它的每一元素都是均值为零，方差为1的复高斯随机变量，且两两相互独立，可表示为N＝[n1 n2 … nT]，ni是N的第i个列向量。 是对角矩阵，βi表示第l(1≤l≤L)个用户到基站的路径损耗和阴影衰落增益系数，令G＝HB，ρ为信噪比。在上述系统模型中，假设在某一时刻t，发送信号为x，接收信号为y，噪声为n。根据信号模型有：

x和w都是零均值、方差为1的复高斯随机变量，显然有：E(xxH)＝IL和E(nnH)＝IM。假设在某一时间段里，G不变。为了得到理论上的信号子空间，首先要对等式(3)中y的协方差矩阵进行理论分解：

E(yyH|G)＝ρGE(xxH)GH+E(nnH)

＝ρGGH+IM (4)

对上式中的G进行奇异值分解G＝UDVH，D是一个M×L的对角矩阵，对角线上的元素是G的奇异值且按降序排列，假定基站侧天线数大于小区用户数(M≥L)，把D的前L行记为矩阵DS＝diag(d1,d2,…,dL)，有 0表示零矩阵。U和V分别是M和L阶的酉矩阵，接着把U分解成U＝[US UN]，US为U的前L列，UN是剩下的M-L列。通过这些分解，有：

由PCA可知，信号子空间对应的主特征值为 对角线上的元素，US中的列向量对应主特征矢量，其余的对应于噪声子空间。

接下来，要利用实际接收信号对E(yyH|G)进行估计。假定在T个连续时隙，基站的观测样本y1,y2…,yT，yi是第i(1≤i≤T)个时隙上的接收信号。 是样本均值： y样本协方差记为Σ，可由下式计算得到：

当样本数足够大，即T足够大时，由统计理论可知：

Σ≈E(yyH|G) (7)

接下来，对Σ进行特征值分解 其中， 是一个M阶的对角矩阵，对角线上的元素按降序排列，有 其中 是一个M×M的酉矩阵。把 分解成 其中 是 的前L列， 是剩下的M-L列。由这些分解，Σ可以写成：

由等式(5)，(7)及(8)，可以得到： 因此有：

传送—接收方程可写为：

对于基站天线侧，在上式中VHX和N是未知的，对式(10)实施MMSE(最小均方误差)估计准则，被估计的对象是VHX，如下所示：

发送信号X中的元素独立、均匀地取自QAM，因此，在等式(11)应用复数ICA是可行的。记式子(11)等号右侧为矩阵Z，应用复数的快速ICA算法求解，可以得到一个L×L的酉矩阵W，使得

是方程(12)的解，即对X的估计。在这里，ICA方法带有基本的不确定性，这就是 中独立元素的相位和顺序无法确定。用数学语言来描述就是，可能存在一个L×L的置换矩阵P，其中P中任意一行或者任意一列上有且只有一个为 的非零元素，使得 其中， 中的元素是对X中独立元素的估计，但是得到的 的与X中的独立元素相比，首先是顺序不同，然后是相位相差一个θl。因此，要决定 中元素正确的顺序及相位。为了决定正确的顺序及相位，将提出通过用户发送少量的导频序列，基站用接收到的这些信号来决定顺序和相位。

基站通过L×τ的导频矩阵Φ来决定顺序和相位。τ是一个满足4τ-2<L≤4τ-1的整数，在给定的L下，τ是唯一存在的。小区数L越大，τ的增长得越慢。并且，当L≥3，τ<L。然后，令Φ的第1列的每个元素都是1，这样做的理由是，如果发送时每一行的第一个元素都是1，则这些元素的初始相位为0，那么接收到某一行相位的变化可以从该行第1个元素的相位变化得到。位置(i,j)的元素都均匀地取自4-QAM，其中1≤i≤L，2≤j≤τ。而且，要保证Φ中任意两个行向量都是不相等的，要求各行向量不相等是为了能在解码后使用内积最大法找到匹配的行。

总结上述。用户发送矩阵是X＝[Φ S]，经过操作PCA和复数ICA，可以得到一个L×L的酉矩阵W，比较等式(11)和(12)，可以把WH当作VH的解。由此得到信道矩阵G的解，记为 有：

对上式，用MMSE估计准则估计 有：

其中 和 分别是L×τ和L×(T-τ)的矩阵。

为了纠正 的相位，将它的每一行的第1个元素的幅度量化为1，然后记第l(1≤l≤L)行第1个元素为 然后将第l行的每一个元素都乘上 在此，可以得到一个新的矩阵 除了 的第1列，对其余元素根据最短距离原则进行判决。例如，S中的元素取自4-QAM，则如果 中某元素的实部或虚部大于零，则该元素实部或虚部判决为 否则判决为 由此得到一个新的矩阵

为了纠正 的顺序，取Φ的第1行，与 的每一行做内积。假设 的第l1行计算得到内积做大值，则把 的第l1行作为X第1行的解。然后，取Φ的第2行，与 的每一行做内积。假设 的第l2行计算得到内积做大值，则把 的第l2行作为X第2行的解。由此类推，最终得到X每一行的解。

实施例

假设天线系统中，基站天线数为128，系统中有8个用户，这8个用户来自相同或者不同的小区，发送T＝200的信息序列。B分别取固定阵Β1＝diag([1 0.9 0.8 0.7 0.4 0.30.2 0.1])和B2＝I8。

假设发送的信息每个元素均匀地取自于4-QAM，特别地，导频序列的元素(除了第1列)取自4-QAM，根据本发明的估计方法，按以下步骤具体实施：

步骤1.用户发送信号矩阵X＝[Φ S]，前3列为导频矩阵Φ：

其中上标T表示矩阵的转置。用户的有用信息阵为S，是X的4至200列，维数为8×197，其中每个元素均匀地取自4-QAM。

步骤2.基站接收到的信号矩阵为Y＝[y1 y2 … y200]，yi是第i(1≤i≤200)个列向量。计算样本均值为 可得在该信道G情况下，协方差矩阵E(yyH|G)的估计：

步骤3.将Σ进行特征值分解，Σ最大的8个特征值组成对角阵，且满足

是128×8的酉矩阵， 中的第i(1≤i≤8)个列向量是与 对角线上第i个特征值相对应的特征矢量，可以得到：

步骤4.在上式中VH和X未知，对上式运用复数快速定点ICA算法，算法中对负熵近似时使用迭代函数为 a取0.1。经过算法得到一个权重矩阵WH，它是8×8的酉矩阵。由此得到信道矩阵G的解，记为

对系统模型 N为噪声矩阵，用MMSE估计准则估计

步骤5.令 其中 和 分别是8×3和8×197的矩阵。将 每一行的第1个元素的幅度量化为1，然后记第l(1≤l≤8)行第1个元素为 然后将 的第l行每一个元素都乘上 对 的每一行执行此操作，得到一个新矩阵 然后对 除第1列外其它元素进行判决得到 此实例中，S中的元素均取自4-QAM，则如果 中某元素的实部或虚部大于零，则该元素实部或虚部判决为 否则判决为 由此得到一个新的矩阵 然后，取Φ的第1行，与 的每一行做内积运算，内积最大那一行所在的行作为X第1行的解。再取Φ的第2行，与 的每一行做内积运算，内积最大那一行所在的行作为X第2行的解，由此类推，最终得到X每一行的解。

关于实例的解码误码率如图1所示，B2比B1的误码率更低，即用户间的干扰越强，解码性能越好，说明本发明不仅能减少不同小区间用户的干扰，而且能减少同一小区内用户间的干扰。在用户数L给定的情况下，本发明使用少量的非正交导频序列，提高了数据传输速率且减少由导频污染带来的失真。

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化，变形都将落在本发明的保护范围。

用于在多小区多用户多天线系统中基于ICA的解码方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。