天波大规模MIMO-OFDM波束结构信号检测方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了天波大规模MIMO

【技术实现步骤摘要】
天波大规模MIMO
‑
OFDM波束结构信号检测方法与系统


[0001]本专利技术属于通信
，具体涉及一种天波大规模MIMO
‑
OFDM波束结构信号检测方法与系统。

技术介绍

[0002]天波通信通常占据3
‑
30MHz的工作频段，可通过电离层反射的方式来实现上千公里的远距离通信，并实现全球的网络覆盖，同时有着较低的部署成本。然而由于有限的频谱资源以及复杂多变的电离层条件等，传统的点对点天波通信的数据传输速率通常较低。大规模MIMO多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
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Output,MIMO)技术通过在基站侧配置大量天线，可以在同一时频资源上同时服务于大量用户，从而大幅提升频谱效率和功率效率。天波通信与大规模MIMO技术相结合，可以有效的提升天波通信的系统容量和可靠性。
[0003]上行信号检测在大规模MIMO通信中起到十分关键的作用，然而随着大规模MIMO系统维度的提升，尽管最大似然检测器可以实现最优的性能，其同时也具有实际系统中无法承受的计算开销。一些非线性检测算法如局部搜索，球形译码等也面临着很高的计算复杂度。同时，随着大规模MIMO系统天线数和用户数的提升，一些线性信号检测算法如破零检测，最小均方误差检测等由于大维的矩阵求逆和矩阵乘法也拥有着巨大的计算复杂度。
[0004]在天波大规模MIMO正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)通信中，由于有限的传输路径以及很小的角度扩展，其信道在波束域拥有着显著的稀疏特性，如何利用这种波束域信道的稀疏特性来降低信号检测的设计和实现复杂度，同时保持良好的检测性能，是天波大规模MIMO
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OFDM系统需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法与系统，利用了波束域信道的稀疏特性，在保证信号检测性能的同时，显著降低了信号检测器的设计和实现的计算复杂度。
[0006]技术方案：为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]天波大规模MIMO
‑
OFDM波束结构信号检测方法，包括：
[0008]基站利用具有波束结构的信号检测器对各用户上行发送信号进行检测；
[0009]基站依据各用户的空间波束基信道模型和空间波束域信道来设计空间域上的波束结构检测器，或者依据各用户的空间
‑
频率波束基信道模型和空间
‑
频率波束域信道来设计空间
‑
频率域上的波束结构检测器；
[0010]波束结构检测器由波束变换模块、波束抽取模块和各用户波束域检测器构成；波束变换模块将每个子载波上的空间域接收信号矢量转换为波束域接收信号矢量，波束抽取模块根据各用户空间波束集合对波束域接收信号矢量进行抽取，各用户波束域检测器对抽取后的波束域接收信号矢量进行处理得到检测结果。
[0011]进一步地，所述空间波束基信道模型为空间波束矩阵乘以空间波束域信道矢量，
所述空间
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频率波束基信道模型为空间
‑
频率波束矩阵乘以空间
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频率波束域信道矢量。
[0012]进一步地，所述空间波束矩阵为选定的一组方向余弦采样格点所对应的空间域方向矢量所构成的矩阵，每个空间域方向矢量称为一个空间波束；所述空间
‑
频率波束矩阵为选定的一组方向余弦和时延采样格点所对应的空间
‑
频率域方向矢量所构成的矩阵，每个空间
‑
频率域方向矢量称为一个空间
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频率波束。
[0013]进一步地，所述波束变换模块利用空间波束矩阵将每个子载波上的空间域接收信号矢量转换为波束域接收信号矢量。
[0014]进一步地，所述各用户空间波束集合为各用户空间波束基信道模型中空间波束域信道非零元素对应空间波束的集合或包含该空间波束集合的选定集合。
[0015]进一步地，在添加新的空间波束到空间波束集合时，所选择的空间波束应该属于某个已有非零空间波束被选择到现有的空间波束集合的用户。
[0016]进一步地，空间域上的波束结构检测器设计，其具体过程为首先令各用户空间域检测器具有空间波束矩阵乘以波束域检测器的波束结构，并利用空间波束矩阵，各用户空间波束集合，各用户空间波束域信道和各用户波束域检测器来更新信号检测均方误差表达式，并通过求解最小化此均方误差的优化问题来获得各用户波束域检测器表达式。
[0017]进一步地，空间
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频率域上的波束结构检测器设计，具体为空间
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频率域检测器具有空间
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频率波束矩阵乘以波束域检测器再乘以频率波束矩阵的共轭转置的波束结构，其中各用户的波束域检测器为一标量因子乘以相应的空间
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频率波束域信道矩阵。
[0018]进一步地，所述频率波束矩阵为选定的一组时延采样格点所对应的频率域方向矢量所构成的矩阵，每个频率域方向矢量称为一个频率波束。
[0019]进一步地，根据设计生成的波束结构检测器实施对各用户上行信号的检测包括如下步骤：
[0020](1)利用波束变换模块将每个子载波上的空间域接收信号矢量变为波束域接收信号矢量；
[0021](2)利用波束选择模块根据各用户的空间波束集合对波束域接收信号矢量进行抽取；
[0022](3)利用各用户的波束域检测器与抽取后的波束域接收信号矢量对各用户的上行发送信号进行检测。
[0023]进一步地，所有涉及空间波束矩阵或其共轭转置乘向量的操作，都通过chirp
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z变换进行有效实现。
[0024]天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测系统，包括基站和多个用户终端，所述基站实现根据权利要求1
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11任一项所述的天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法。
[0025]有益效果：与现有技术相比，本专利技术利用了天波大规模MIMO
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OFDM信道在空间波束域和空间
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频率波束域上的稀疏特性来对检测器进行设计，基站利用各用户稀疏的空间波束域信道和空间
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频率波束域信道来设计相应的低维波束域检测器，在保证信号检测性能的同时，有效的降低了设计复杂度，并且所形成的波束结构检测器能显著降低基站侧信号检测的实现复杂度，提高系统的整体传输效率。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例的天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测系统框图；
[0027]图2为本专利技术实施例的波束结构信号检测流程示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法，其特征在于，包括：基站利用具有波束结构的信号检测器对各用户上行发送信号进行检测；基站依据各用户的空间波束基信道模型和空间波束域信道来设计空间域上的波束结构检测器，或者依据各用户的空间
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频率波束基信道模型和空间
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频率波束域信道来设计空间
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频率域上的波束结构检测器；波束结构检测器由波束变换模块、波束抽取模块和各用户波束域检测器构成；波束变换模块将每个子载波上的空间域接收信号矢量转换为波束域接收信号矢量，波束抽取模块根据各用户空间波束集合对波束域接收信号矢量进行抽取，各用户波束域检测器对抽取后的波束域接收信号矢量进行处理得到检测结果。2.根据权利要求1所述的天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法，其特征在于，所述空间波束基信道模型为空间波束矩阵乘以空间波束域信道矢量，所述空间
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频率波束基信道模型为空间
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频率波束矩阵乘以空间
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频率波束域信道矢量。3.根据权利要求2所述的天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法，其特征在于，所述空间波束矩阵为选定的一组方向余弦采样格点所对应的空间域方向矢量所构成的矩阵，每个空间域方向矢量称为一个空间波束；所述空间
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频率波束矩阵为选定的一组方向余弦和时延采样格点所对应的空间
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频率域方向矢量所构成的矩阵，每个空间
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频率域方向矢量称为一个空间
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频率波束。4.根据权利要求1所述的天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法，其特征在于，所述波束变换模块利用空间波束矩阵将每个子载波上的空间域接收信号矢量转换为波束域接收信号矢量。5.根据权利要求1所述的天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法，其特征在于，所述各用户空间波束集合为各用户空间波束基信道模型中空间波束域信道非零元素对应空间波束的集合或包含该空间波束集合的选定集合。6.根据权利要求5所述的天波大规模MIMO
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OFDM波束结构信号检测方法，其特征在于，在添加新的空间波束到空间波...

【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，石丁，宋霖峰，仲文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：