一种Massive MIMO FBMC波束空时编码下行传输方法技术

本发明专利技术公开一种Massive MIMO FBMC波束空时编码下行传输方法，对发送给用户的比特流信息依次进行OQAM调制、Alamouti块状编码和FBMC调制，得到待发送信号，然后进行线性加权，发送信道经历不同的衰落在不同时刻到达不同用户，用户对接收到的信号进行FBMC解调，计算等效信道并进行MMSE信道均衡，最后进行OQAM解调，恢复出基站发送到用户的比特流信息，本发明专利技术将Massive MIMO与FBMC两种优质技术结合在一起，极大地提升系统的容量、能量效率和频谱效率，消除了用户间的干扰，降低运算量，能够减小FBMC系统中的自干扰，提升了系统的误码率性能。

A downlink transmission method for Massive MIMO FBMC beam space time coding

The invention discloses a Massive MIMO FBMC beam space-time encoding downlink transmission method, followed by OQAM modulation, Alamouti encoding and FBMC modulation on the block bit stream is sent to the user information, to obtain the transmitted signal, and then the linear weighted transmission channel through different fading to different users in different time, users of FBMC demodulation of the received signal, MMSE channel equalization and channel calculation, finally OQAM demodulation, restore the base station sent to the user's bit stream, the invention of Massive MIMO and FBMC two kinds of high-quality technology together, greatly enhance the capacity, energy efficiency and spectral efficiency, eliminating interference among the users, reduce the amount of computation can reduce self interference in FBMC system, improve the system BER performance.

【技术实现步骤摘要】
一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法
本专利技术属于无线传输
，特别涉及一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法。
技术介绍
作为第五代移动通信系统里面的关键技术，MassiveMIMO在基站端采用大规模天线阵列，当天线趋于很多(无穷)时，不同用户所对应的信道在空间近似正交，从而使得基站可以在同一时频资源内服务多个用户。MassiveMIMO中系统的很多性能都至于大尺度衰落有关，而与小尺度无关。滤波器组多载波(FBMC)技术被列为5G的候选方案之一，在维持高速数据传输和有效对抗频率选择性衰落的同时，通过采用具有良好时频聚焦特性的原型滤波器，可以有效降低多载波调制系统中的带外泄漏。此外，FBMC技术引入多相滤波器和快速傅里叶变换等操作，大大降低了自身的复杂度和运算量。显然，MassiveMIMO与FBMC两种优质技术结合在一起，能够极大地提升系统的容量、能量效率和频谱效率，应用前景广阔。RenforsM等人在文献“Ablock-Alamoutischemeforfilterbankbasedmulticarriertransmission[C]”WirelessConference(EW),2010European.IEEE,2010:1031-1037中提出了一种FBMC系统中块状Alamouti编码的方案，在平坦衰落信道下，能够有效降低FBMC系统中的自干扰。但是，文中提出的方案仅仅是在平坦衰落信道下，在频率选择性衰落信道下，并没有提出相应的信道均衡方案。G.等人在文献“Combiningbeamformingandorthogonalspace-timeblockcoding,”InformationTheory,IEEETransactionson,vol.48,no.3,pp.2599-2613,2002中提出了联合波束成形和正交空时块码的信号传输方案。利用获得的部分信道信息，结合给定的空时块码，设计波束形成器系数，最小化系统误码率。但是文章考虑的是点对点通信系统，没有考虑到多用户的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，提升系统的容量、能量效率和频谱效率。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：包括一个基站，天线数目为M，U个单天线的用户节点，在考虑角度时，彼此不重叠；FBMC系统中子载波数目为Msc，原型滤波器为PHYDYAS原型滤波器，重叠因子为K，长度为L；该传输方法包括以下步骤：1)基站对发送给各个用户的比特流信息进行QPSK星座点调制，得到星座点复数数据符号，将星座点复数数据符号的实部和虚部分开，从而将复数数据符号转换成实数数据符号；2)对实数数据符号进行串并转换，然后将串并转换后的数据符号块在时间维度上前后均分成两个数据块xm,n'和ym,n'，进行Alamouti编码；3)将Alamouti编码后的数据符号进行FBMC调制，得到发送端空时块码FBMC信号矩阵Z；4)基站采用发端线性加权系数矩阵W，对发送端空时块码FBMC信号矩阵Z进行线性加权；5)发送信道经历不同的衰落在不同时刻到达不同用户，用户接收到信号yu；6)在接收端，用户对接收到的信号yu进行FBMC解调，计算等效信道并进行MMSE信道均衡；7)对均衡后的数据进行OQAM解调，恢复出基站发送到用户的比特流信息。进一步地，步骤2)进行Alamouti编码得到的数据符号是：其中，a和b分别表示两根天线上经过Alamouti编码的实数数据符号，u表示第u个用户，m表示子载波，n'表示时间，Na表示总共发送的包括数据保护列在内的实数数据符号的数目。进一步地，步骤3)将Alamouti编码后的数据符号进行添加初始相位、IFFT和多相滤波得到FBMC调制信号，两根天线上的调制信号分别用和表示：这里，k∈(-∞,∞)表示采样后的离散变量，g(k)表示原型滤波器的离散形式；初始相位需要满足条件发送端空时块码FBMC信号矩阵表示为其中和均为FBMC调制信号组成的列向量。进一步地，步骤4)中，设计发端线性加权系数矩阵W为：W＝[W1,W2,…,WU]＝[V1M1,V2M2,…,VUMU]其中，根据用户所处的方位角，Vu由DFT变换矩阵D中特定范围的列近似组成，DFT变换矩阵D中第i行第j列的元素为进一步地，D中所需列的选定步骤具体如下：假设用户u中心方位角为θu，角度拓展Δθu，那么用户u的到达角范围为[θu-Δθu,θu+Δθu]；对用户u的到达角范围进行正弦以及相应变换，并对变换后的结果进行取整，从而得到D中列的选定范围为其中，round(·)表示取整操作；根据用户的数目对其进行能量归一化。进一步地，步骤5)中，假设多径信道的路径数目为P，其中是到达用户u的第p条路径的信道矢量，p＝1,2,…,P；不同路径之间信道到达用户存在一定的时间差，这里不失一般性，假设经过第1条路径到达用户u的信号能够完全同步，第2条晚于第1条，第3条晚于第2条，…，以此类推，那么经过第p条路径到达用户u信号为：用户u最终接收到的信号为其中，ηu为用户u接收到的加性高斯白噪声向量，ηu～CN(0,σ2I)。进一步地，步骤6)中，对于用户u，把发端的加权矩阵W和实际信道的乘积看作是等效多径信道中的第p条径，等效信道的计算具体如下：那么，接收到的信号表示为发送信号与等效信道的卷积；其中，和分别是两根天线上的调制信号，ηu为用户u接收到的加性高斯白噪声向量。进一步地，步骤6)中，FBMC的解调具体包括：在接收端，用户接收到的信号经过串并转换，多相滤波和FFT之后，去掉初始相位，完成FBMC的解调，在频率时间坐标(m0,n0)处解调出的信号为：其中，a和b分别表示两根天线上经过Alamouti编码的实数数据符号，u表示第u个用户，k∈(-∞,∞)表示采样后的离散变量，g(k)表示原型滤波器的离散形式；Lh表示信道长度；τ＝0,1,2，…,Lh-1，表示时延；公式(7)简写为：其中，下面，令恢复出的信号写成矩阵形式：其中，由四部分组成这里，和形式与和相同，分别是由和构成的拓普利兹矩阵。进一步地，步骤6)中，MMSE信道均衡具体包括：令其中，表示取实部操作，表示取虚部操作，1Δ表示单位阵的第Δ列，根据MMSE准则计算得到：从而，得到加权矩阵为：最终恢复出发送的实数数据符号与现有的方法相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术将MassiveMIMO与FBMC两种优质技术结合在一起，提供了多用户通信下的混合波束形成和多载波空时编码方案，极大地提升系统的容量、能量效率和频谱效率；2、本专利技术在设计线性加权矩阵的时候，利用各个用户的角度不重叠性，消除了用户间的干扰，同时与利用信道的协方差矩阵进行SVD分解来求得加权矩阵相比，有效降低了运算量。3、考虑了适合FBMC的Alamouti编码方案，能够减小FBMC系统中的自干扰，同时在接收端采用多抽头的MMSE均衡器，更好地提升了系统的误码率性能。附图说明图1是本专利技术方法所涉及的系统模型示意图。图2(a)是FBMC中第一根天线上的Alamouti编码示意图。图2(b)是FBMC中第二根天线上的Alamo本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Massive MIMO FBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：包括一个基站，天线数目为M，U个单天线的用户节点，在考虑角度时，彼此不重叠；FBMC系统中子载波数目为Msc，原型滤波器为PHYDYAS原型滤波器，重叠因子为K，长度为L；该传输方法包括以下步骤：1)基站对发送给各个用户的比特流信息进行QPSK星座点调制，得到星座点复数数据符号，将星座点复数数据符号的实部和虚部分开，从而将复数数据符号转换成实数数据符号；2)对实数数据符号进行串并转换，然后将串并转换后的数据符号块在时间维度上前后均分成两个数据块xm,n'和ym,n'，进行Alamouti编码；3)将Alamouti编码后的数据符号进行FBMC调制，得到发送端空时块码FBMC信号矩阵Z；4)基站采用发端线性加权系数矩阵W，对发送端空时块码FBMC信号矩阵Z进行线性加权；5)发送信道经历不同的衰落在不同时刻到达不同用户，用户接收到信号y

【技术特征摘要】
1.一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：包括一个基站，天线数目为M，U个单天线的用户节点，在考虑角度时，彼此不重叠；FBMC系统中子载波数目为Msc，原型滤波器为PHYDYAS原型滤波器，重叠因子为K，长度为L；该传输方法包括以下步骤：1)基站对发送给各个用户的比特流信息进行QPSK星座点调制，得到星座点复数数据符号，将星座点复数数据符号的实部和虚部分开，从而将复数数据符号转换成实数数据符号；2)对实数数据符号进行串并转换，然后将串并转换后的数据符号块在时间维度上前后均分成两个数据块xm,n'和ym,n'，进行Alamouti编码；3)将Alamouti编码后的数据符号进行FBMC调制，得到发送端空时块码FBMC信号矩阵Z；4)基站采用发端线性加权系数矩阵W，对发送端空时块码FBMC信号矩阵Z进行线性加权；5)发送信道经历不同的衰落在不同时刻到达不同用户，用户接收到信号yu；6)在接收端，用户对接收到的信号yu进行FBMC解调，计算等效信道并进行MMSE信道均衡；7)对均衡后的数据进行OQAM解调，恢复出基站发送到用户的比特流信息。2.根据权利要求1所述的一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：步骤2)进行Alamouti编码得到的数据符号是：其中，a和b分别表示两根天线上经过Alamouti编码的实数数据符号，u表示第u个用户，m表示子载波，n'表示时间，Na表示总共发送的包括数据保护列在内的实数数据符号的数目。3.根据权利要求2所述的一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：步骤3)将Alamouti编码后的数据符号进行添加初始相位、IFFT和多相滤波得到FBMC调制信号，两根天线上的调制信号分别用和表示：这里，k∈(-∞,∞)表示采样后的离散变量，g(k)表示原型滤波器的离散形式；初始相位需要满足条件发送端空时块码FBMC信号矩阵表示为其中和均为FBMC调制信号组成的列向量。4.根据权利要求1所述的一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：步骤4)中，设计发端线性加权系数矩阵W为：W＝[W1,W2,…,WU]＝[V1M1,V2M2,…,VUMU]其中，根据用户所处的方位角，Vu由DFT变换矩阵D中特定范围的列近似组成，DFT变换矩阵D中第i行第j列的元素为5.根据权利要求4所述的一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：D中所需列的选定步骤具体如下：假设用户u中心方位角为θu，角度拓展Δθu，那么用户u的到达角范围为[θu-Δθu,θu+Δθu]；对用户u的到达角范围进行正弦以及相应变换，并对变换后的结果进行取整，从而得到D中列的选定范围为其中，round(·)表示取整操作；根据用户的数目对其进行能量归一化。6.根据权利要求1所述的一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：步骤5)中，假设多径信道的路径数目为P，其中是到达用户u的第p条路径的信道矢量，p＝1,2,…,P；不同路径之间信道到达用户存在一定的时间差，这里不失一般性，假设经过第1条路径到达用户u的信号能够完全同步，第2条晚于第1条，第3条晚于第2条，…，以此类推，那么经过第p条路径到达用户u信号为：用户u最终接收到的信号为其中，ηu为用户u接收到的加性高斯白噪声向量，ηu～CN(0,σ2I)。7.根据权利要求1所述的一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：步骤6)中，对于用户u，把发端的加权矩阵W和实际信道的乘积看作是等效多径信道中的第p条径，等效信道的计算具体如下：那么，接收到的信号表示为发送信号与等效信道的卷积；其中，和分别是两根天线上的调制信号，ηu为用户u接收到的加性高斯白噪声向量。8.根据权利要求7所述的一种MassiveMIMOFBMC波束空时编码下行传输方法，其特征在于：步骤6)中，FBMC的解调具体包括：在接收端，用户接收到的信号经过串并转换，多相滤波和FFT之后，去掉初始相位，完成FBMC的解调，在频率时间坐标(m0,n0)处解调出的信号为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧明，郑修鹏，史珂，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61