用于卫星通信中阵列天线的MMSE解码方法技术

本发明专利技术公开了用于卫星通信中阵列天线的MMSE解码方法：第一步：信道矩阵H的产生；第i个阵元在t时刻接收到的信号描述为：令：第二步：阵列天线接收到的信号为：第三步：解码过程：令：乘上信号Y如下：上式中，第j个分量的方程可表示成：，则MMSE的解码准则就描述成：。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，特别涉及卫星通信多天线
，具体是一种用于卫星通信中阵列天线的MMSE(最小均方误差)解码方法。
技术介绍
卫星通信系统具有覆盖范围广、不受地理限制、组网灵活、通信成本与距离无关等优点，在军民用领域都得到了十分广泛的应用。卫星通信的一大特点就是其通信覆盖范围广，多个用户可以通过卫星通信系统而建立起通信。因而具有多址接入能力。其多址接入技术也基本遵循地面无线通信中的多址接入技术。随着阵列天线技术的日趋成熟，目前已在卫星上得到越来越多的应用。针对卫星具有阵列天线这一前提假设，本专利技术考虑借鉴大规模天线系统(MassiveMIMO)的相关技术，在卫星通信上采用不同于传统多波束的空分多址接入(SDMA)技术，利用终端到卫星的信道上和方位角上的差异实现新的SDMA多址接入方法。
技术实现思路
本专利技术是一种应用于卫星通信系统中卫星上采用阵列天线时，用户信息到达卫星后，卫星对用户信息的一种解码方法，即用于卫星通信中阵列天线的MMSE(最小均方误差)解码方法。本专利技术采取如下技术方案：用于卫星通信中阵列天线的MMSE解码方法，按如下步骤进行：第一步：信道矩阵H的产生假设在卫星上布置了具有M个阵元的直线型天线阵列，阵元间的距离为d。又假设有K个用户同时同频地向卫星发射信号。由于不同用户所处的地理位置与发射信号的差异，会引起到达阵列天线的入射角不同。假定第l个用户到达的入射角为θl，则第i个阵元在t时刻接收到的信号可以描述为其中，j为虚数单位，sl为第一个阵元天线接收到的信号强度，e是自然指数，λ为所采用频率的波长。令：其中，上标T表示转置，hl表示第l个用户发送信号到达阵列天线的方向矢量。则当有K个用户同时同频的发送信号时的信道矩阵为H＝[h1,h2,h3,…,hk]。第二步：阵列天线接收到的信号为其中，Y是天接收到的信号；ρ是发送信号的信噪比；H＝[h1,h2,h3,…,hk]是M×K的信道矩阵；S＝[s1,s2,…,sk]T是用户发送的数据，si(1≤i≤K)表示第i个用户发送的数据，它的每个元素均匀地独立地取某个QAM(正交幅度调制信号)，这样，S是K×1的矩阵；W是加性高斯白噪声，是M×1的噪声矩阵，它的元素是均值为零，方差为1的独立的复高斯变量，且两两相互独立。第三步：解码过程令：其中，上标H表示共轭转置。乘上接收信号Y如下式中，第j个分量的方程可表示成则MMSE的解码准则就可以描述成下面介绍该设计方法的理论依据：假定系统模型为：其中，Y是天接收到的信号；ρ是发送信号的信噪比；H是M×K的信道矩阵；S是用户发送的数据，是K×1的矩阵；W是加性高斯白噪声，是M×1的噪声矩阵，它的元素是均值为零，方差为1的独立的复高斯变量，且两两相互独立。以解第j个用户信息为例说明解码方法。第一步：阵列天线接收到的信号为其中，Y是天接收到的信号；ρ是发送信号的信噪比；H＝[h1,h2,h3,…,hk]是M×K的信道矩阵；S＝[s1,s2,…,sk]T是用户发送的数据，si(1≤i≤K)表示第i个用户发送的数据，它的每个元素均匀地独立地取某个QAM(正交幅度调制信号)，这样S是K×1的矩阵；W是加性高斯白噪声，是M×1的噪声矩阵，它的元素是均值为零，方差为1的独立的复高斯变量，且两两相互独立。第二步：解码过程1、令其中，上标H表示共轭转置。2、信道矩阵H中的向量是“几乎处处”相互正交的论证,即要证明当i≠j时，因为θi,θj均匀地随机地取自[0,π]，则因为θi,θj均匀地随机地取自[0,π]，所以sinθj-sinθi＝0的概率几乎为零。令则上式可以写成由于是有界的，所以当i＝j时，故3、GMMSE乘上接收信号Y如下分别定义K维列向量GMMSEY、GMMSEW为YMMSE、WMMSE，两向量的第j个分量分别记为yMMSE,j、wMMSE,j，因此，上式可以写成：对于一个给定的j(1≤j≤K)，要从第j个等式中解出信号sj，其他的传送信号sk(1≤k≠j≤K)均涉及在内，因而这些信号就成为解码过程中的干扰，通常的情况是将这些干扰当作噪声来处理(因为当接收天线数很大时，信道矩阵H中的向量是“几乎处处”相互正交的)。可以从上式解出第j个用户的信息。4、MMSE解码方法为本专利技术的有益效果如下：在阵列天线中充分利用大规模天线系统的相关原理，随着阵列天线数的无限增加，用户间的非相关干扰和加性噪声会随着天线数的增加而消失，在信道状态信息即入射角能够精确估计的情况下运用MMSE解码方法，进一步减小解码复杂度和提高解码性能。附图说明图1是实施例1的系统误码率的仿真图。具体实施方式下面对本专利技术优选实施例作详细说明。实施例1假设系统有128根直线型阵列天线，阵元天线间的距离为d＝λ/2。有5个单天线用户。则MMSE解码方法如下：步骤一：假设第一个用户到达阵列天线的入射角是θ1，第二个用户的入射角为θ2，依次类推，则第五个用户的入射角为θ5。其中，θi(1≤i≤5)均匀地随机地取自[0,π]。则故得到信道矩阵H＝[h1,h2,…,h5]。步骤二：阵列天线接收到的信号为其中，Y是接收到的信号，为5维列向量；S＝[s1,s2,…,s5]T为用户发射的信号，每个元素均匀地独立地取某个QAM(正交幅度调制信号)，为5×1矩阵；ρ是发送信号的信噪比；W是加性高斯白噪声，是128×1的噪声矩阵，它的元素是均值为零，方差为1的独立的复高斯变量，且两两相互独立。步骤三：令乘上接收信号Y如下分别定义K维列向量GMMSEY、GMMSEW为YMMSE、WMMSE，两向量的第j个分量分别记为yMMSE,j、wMMSE,j,Aj,j指的是矩阵A的(j,j)个分量。因此，上式可以写成：步骤四：MMSE解码方法为图1为本专利技术在上述实例条件下，关于系统误码率的仿真图。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专利技术，而并非作为对本专利技术的限定，只要在本专利技术的范围内，对以上实例的变化，变形都将落在本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于卫星通信中阵列天线的MMSE解码方法，其特征是按如下步骤进行：第一步：信道矩阵H的产生假设在卫星上布置了具有M个阵元的直线型天线阵列，阵元间的距离为d；又假设有K个用户同时同频地向卫星发射信号；假定第l个用户到达的入射角为θl，则第i个阵元在t时刻接收到的信号描述为Sl,i=slej2π(i-1)dsinθl/λ]]>其中，j为虚数单位，sl为第一个阵元天线接收到的信号强度，e是自然指数,λ为所采用频率的波长；令：hl=[1,ej2πλdsinθl,ej2πλ2dsinθl,...,ej2πλ(M-1)dsinθl]T]]>其中，上标T表示转置，hl表示第l个用户发送信号到达阵列天线的方向矢量；则当有K个用户同时同频的发送信号时的信道矩阵为H＝[h1,h2,h3,…,hk]；第二步：阵列天线接收到的信号为Y=ρHS+W]]>其中，Y是天线接收到的信号；ρ是发送信号的信噪比；H＝[h1,h2,h3,…,hk]是M×K的信道矩阵；S＝[s1,s2,…,sk]T是用户发送的数据，si,1≤i≤K,表示第i个用户发送的数据，它的每个元素均匀地独立地取某个QAM，这样，S是K×1的矩阵；W是加性高斯白噪声，是M×1的噪声矩阵，它的元素是均值为零，方差为1的独立的复高斯变量，且两两相互独立；第三步：解码过程令：GMMSE=(IKρ+HH)-1HH]]>其中，上标H表示共轭转置；乘上信号Y如下GMMSEY=ρGMMSEHS+GMMSEW]]>上式中，第j个分量的方程可表示成(GMMSEY)j=ρ(GMMSEH)jS+(GMMSEW)j,j=1,2,...,K]]>则MMSE的解码准则就描述成s^j=argminsj∈S|(GMMSEY)j-ρsj|,1≤j≤K.]]>...

【技术特征摘要】
1.用于卫星通信中阵列天线的MMSE解码方法，其特征是按如下步骤进行：
第一步：信道矩阵H的产生
假设在卫星上布置了具有M个阵元的直线型天线阵列，阵元间的距离为d；
又假设有K个用户同时同频地向卫星发射信号；假定第l个用户到达的入射角为
θl，则第i个阵元在t时刻接收到的信号描述为
Sl,i=slej2π(i-1)dsinθl/λ]]>其中，j为虚数单位，sl为第一个阵元天线接收到的信号强度，e是自然指数,λ
为所采用频率的波长；
令：
hl=[1,ej2πλdsinθl,ej2πλ2dsinθl,...,ej2πλ(M-1)dsinθl]T]]>其中，上标T表示转置，hl表示第l个用户发送信号到达阵列天线的方向矢量；
则当有K个用户同时同频的发送信号时的信道矩阵为H＝[h1,h2,h3,…,hk]；
第二步：阵列天线接收到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海泉，乔德跃，岳晓春，营梦云，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33