基于Cayley空时码的无线传输方法、装置及系统制造方法及图纸

本公开公开了基于Cayley空时码的无线传输方法、装置及系统，对源比特流进行处理，产生复高斯随机矩阵；对复高斯随机矩阵进行处理，产生归一化的厄密特矩阵；厄密特矩阵经过Cayley编码和差分编码后发送给衰落信道；将衰落信道传输的信号进行接收；对接收的信号，利用相邻信号的差分关系生成接收矩阵；将接收矩阵按照向量进行展开，构造出等效的多天线系统；在等效的多天线系统中，利用凸优化理论实现信号的检测，进而恢复出源比特。

Wireless transmission method, device and system based on Cayley space-time code

【技术实现步骤摘要】
基于Cayley空时码的无线传输方法、装置及系统
本公开涉及非相干大规模多天线
，特别是涉及基于Cayley空时码的无线传输方法、装置及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。在实现本公开的过程中，专利技术人发现现有技术中存在以下技术问题：多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)系统可以使无线衰落信道的容量大幅提高，并已经得到广泛的实际应用。然而，传统的多天线技术面临两个问题：一是传统多天线系统需要掌握及时而准确的信道信息，然而实际信道呈时变性，当衰落率较高时，信道估计的开销变大，甚至难以接受；二是传统多天线系统没有满足用户对传输速率新的需求，天线规模需要进一步增大。对于快变信道中的信道估计问题，早在本世纪初，国内外学者就已经提出了非相干空时编码技术，主要包括以酉空时码(UnitarySpace-TimeModulation，USTM)和差分空时码(DifferentialUnitarySpace-TimeModulation，DUSTM)为代表的两大类非相干空时码。非相干空时码省去了信道估计环节，提高了信道利用率，然而接收端的最大似然(MaximumLikelihood，ML)检测复杂度非常高，而且传统空时码的简化检测方法在此都不再适用。另一个限制USTM和DUSTM应用的问题是当数据率高于2比特/信道实现时，因差错率过高而使其失去实用价值。关于满足更高数据率需求的问题，2010年，美国学者T.L.Marzetta提出了“大规模多天线(LargeScaleMultipleAntenna，LSMA或Large/MassiveMultiple-InputMultiple-Output，L/M-MIMO)系统”的概念，在基站或建筑物表面布置数百甚至更多的低功率天线，可以消除加性噪声及小区间干扰，其信道容量远大于传统的多天线系统。这个概念一经提出，立刻在全球范围内引起广泛关注。LSMA系统可以看作是传统多天线系统在天线数量上的扩展，传统的调制方法依然适用，因此，各种简化的信号检测方法也依然适用。在LSMA系统存在的一个突出问题是信道估计的开销进一步增大。2002年，美国学者B.Hassibi和B.M.Hochwald提出了Cayley空时码，这是一种基于差分酉空时码而提出的非相干空时码，具有无需信道估计、传输速率高且检测方法简单等优点。基于Cayley空时码的信号传输过程如图1所示。Cayley空时码是第一种真正具有实用价值的非相干空时码，然而，由于当时分层空时码(LayeredSpace-TimeCoding，LSTC)与空时分组码(Space-TimeBlockCoding，STBC)等传统空时码占据统治地位，Cayley空时码长期未能引起足够的重视。LSMA系统中的Cayley空时码可以提供无需信道估计的高速无线传输，具有广阔的应用前景。分析关于Cayley空时码的研究，可以发现两个问题：第一，尽管已经有了Cayley空时码设计的理论依据，但并未有像传统空时码及USTM那样系统而明确的设计方法；第二，在现有检测方法中，迫零(ZeroForcing，ZF)和最小均方误差(MinimumMeanSquareError，MMSE)检测的差错率偏高，而球形译码(SphereDecoding，SD)在LSMA系统中仍然存在实现复杂度过高的问题，实际中需要差错率与复杂度更好的折衷。本专利技术针对Cayley空时码的高速无线传输方法进行研究，提出发送端的信号表示与接收端的信号检测方法，使Cayley码的高速无线传输向实用化更近一步，由于信号集的产生呈随机性，通信过程有更高的保密性。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了基于Cayley空时码的无线传输方法、装置及系统；第一方面，本公开提供了基于Cayley空时码的无线发送方法；基于Cayley空时码的无线发送方法，包括：对源比特流进行处理，产生复高斯随机矩阵；对复高斯随机矩阵进行处理，产生归一化的厄密特矩阵；厄密特矩阵经过Cayley编码和差分编码后发送给衰落信道。第二方面，本公开还提供了基于Cayley空时码的无线接收方法；基于Cayley空时码的无线接收方法，包括：将衰落信道传输的信号进行接收；对接收的信号，利用相邻信号的差分关系生成接收矩阵；将接收矩阵按照向量进行展开，构造出等效的多天线系统；在等效的多天线系统中，利用凸优化理论实现信号的检测，进而恢复出源比特。第三方面，本公开提供了基于Cayley空时码的无线发送装置；基于Cayley空时码的无线发送装置，包括：复高斯随机矩阵生成模块，其被配置为对源比特流进行处理，产生复高斯随机矩阵；厄密特矩阵生成模块，其被配置为对复高斯随机矩阵进行处理，产生归一化的厄密特矩阵；发送模块，其被配置为厄密特矩阵经过Cayley编码和差分编码后发送给衰落信道。第四方面，本公开还提供了基于Cayley空时码的无线接收装置；基于Cayley空时码的无线接收装置，包括：接收模块，其被配置为将衰落信道传输的信号进行接收；接收矩阵生成模块，其被配置为对接收的信号，利用相邻信号的差分关系生成接收矩阵；等效的多天线系统构造模块，其被配置为将接收矩阵按照向量进行展开，构造出等效的多天线系统；源比特恢复模块，其被配置为在等效的多天线系统中，利用凸优化理论实现信号的检测，进而恢复出源比特。第五方面，本公开还提供了基于Cayley空时码的无线传输方法；基于Cayley空时码的无线传输方法，包括：对源比特流进行处理，产生复高斯随机矩阵；对复高斯随机矩阵进行处理，产生归一化的厄密特矩阵；厄密特矩阵经过Cayley编码和差分编码后发送给衰落信道；将衰落信道传输的信号进行接收；对接收的信号，利用相邻信号的差分关系生成接收矩阵；将接收矩阵按照向量进行展开，构造出等效的多天线系统；在等效的多天线系统中，利用凸优化理论实现信号的检测，进而恢复出源比特。第六方面，本公开还提供了基于Cayley空时码的无线传输系统；基于Cayley空时码的无线传输系统，包括：复高斯随机矩阵生成模块，其被配置为对源比特流进行处理，产生复高斯随机矩阵；厄密特矩阵生成模块，其被配置为对复高斯随机矩阵进行处理，产生归一化的厄密特矩阵；发送模块，其被配置为厄密特矩阵经过Cayley编码和差分编码后发送给衰落信道；接收模块，其被配置为将衰落信道传输的信号进行接收；接收矩阵生成模块，其被配置为对接收的信号，利用相邻信号的差分关系生成接收矩阵；等效的多天线系统构造模块，其被配置为将接收矩阵按照向量进行展开，构造出等效的多天线系统；源比特恢复模块，其被配置为在等效的多天线系统中，利用凸优化理论实现信号的检测，进而恢复出源比特。与现有技术相比，本公开的有益效果是：在非相干LSMA系统的高速无线传输中，能够更快地找到可用的信号表达方式，且传输效率远优于最大似然(ML)和球形译码(SD)方法，可靠性远高于迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)方法，与SD相近。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于Cayley空时码的无线发送方法，其特征是，包括：对源比特流进行处理，产生复高斯随机矩阵；对复高斯随机矩阵进行处理，产生归一化的厄密特矩阵；厄密特矩阵经过Cayley编码和差分编码后发送给衰落信道。

【技术特征摘要】
1.基于Cayley空时码的无线发送方法，其特征是，包括：对源比特流进行处理，产生复高斯随机矩阵；对复高斯随机矩阵进行处理，产生归一化的厄密特矩阵；厄密特矩阵经过Cayley编码和差分编码后发送给衰落信道。2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述产生归一化的厄密特矩阵，具体步骤包括：由复高斯随机矩阵Zq生成厄密特矩阵：其中，Aq表示基矩阵，表示复高斯随机矩阵的共轭转置，表示任一矩阵F范数的平方，即其全部元素的平方和；利用源比特确定实数集{αq}的序号：设发射和接收天线数量分别为M和N，每个基带符号携带的信息量为R比特，对源信号以M*R为一段进行处理，将长度为M*R的一段源比特流平均分为Q组子比特流，对每组的子比特流变换为十进制数，为每个十进制数从系数α集合的r个元素中选择一个元素，得到基系数αq，q＝0,...,Q-1，全部的十进制数与全部的基系数向量[α0，...，αQ-1]具有一一对应关系；系数α集合的r个元素通过如下方式产生：求出并按升序排列，升序排列后的结果即为系数α集合的r个元素，由于rQ＝2MR，故任一由源比特序列确定的十进制数唯一对应一个基系数向量[α0,...,αQ-1]；对基矩阵Aq加权求和，得到携带数据的厄密特矩阵A：3.基于Cayley空时码的无线接收方法，其特征是，包括：将衰落信道传输的信号进行接收；对接收的信号，利用相邻信号的差分关系生成接收矩阵；将接收矩阵按照向量进行展开，构造出等效的多天线系统；在等效的多天线系统中，利用凸优化理论实现信号的检测，进而恢复出源比特。4.如权利要求3所述的方法，其特征是，包括：对接收的信号，利用相邻信号的差分关系生成接收矩阵，具体步骤包括：忽略衰落系数H的变化，时刻k的接收信号Yk和时刻k-1的接收信号Yk-1分别表示为：结合Xk＝ΦkXk-1，有最后利用了酉矩阵不改变随机矩阵分布的特性。5.如权利要求3所述的方法，其特征是，包括：将接收矩阵按照向量进行展开，构造出等效的多天线系统，具体步骤包括：令C＝Yk-Yk-1、B＝-j(Yk+Yk-1)，并结合式(5)及相邻时刻发送信号的差分关系，有C＝AB+V；(10)其中，V＝(IM+jA)Wk-(IM-jA)Wk-1；C、B与V的实虚部分别为CR、CI、BR、BI、VR及VI，CR、CI、BR、BI、VR及VI的列向量分别为cR,n、cI,n、bR,n、bI,n、vR,n及vI,n，其中n＝0,...,N-1；于是，有等效的多天线系统：c＝βα+v；(11)其中，以及其中，AR,q为基矩阵Aq的实部，AI,q为基矩阵Aq的虚部。6.如权利要求3所述的方法，其特征是，包括：在等效的多天线系统中，利用凸优化理论实现信号的检测，具...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛化梅，张大鹏，刘婷，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37