基于快速獨(dú)立分量分析的多天線ofdma信號解碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于快速獨(dú)立分量分析的多天線CFDMA 信號解碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] MIMO(Multiple-Input Multiple-〇u1:put)技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個(gè)天 線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可W成倍地提高信道容 量，滿足未來無線通信中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。OFDMA(化thogonal化equen巧Division Multiplexing Acess)是為每個(gè)用戶分配不同的子載波的一種多址方式。（FDMA使每個(gè)子 信道經(jīng)歷平坦衰落，具有抗多徑干擾、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)。因此充分開發(fā)運(yùn)兩種技術(shù)的潛 力，將二者結(jié)合起來（MIMO-OFDM)可W成為新一代移動(dòng)通信核屯、技術(shù)的解決方案。
[0003] 傳統(tǒng)的OFDMA系統(tǒng)在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)，接收端接收到信號后一般先進(jìn)行信道估 計(jì)，根據(jù)估計(jì)的信道值再進(jìn)行信號解碼，最后去掉CP部分，再進(jìn)行FFT解調(diào)。信道估計(jì)方法 可分成基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)和盲信道估計(jì)。基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)算法是指利用接 收機(jī)已知的信息來進(jìn)行信道估計(jì)。OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)算法一般有：最小平方LS算法， 最小均方誤差MMSE算法等。然而基于導(dǎo)頻的LS信道估計(jì)算法對高斯噪聲和多徑干擾比較 敏感。MMSE算法估計(jì)精度比LS算法有所提高，但計(jì)算的復(fù)雜度也很高。解碼算法一般采 用ZF解碼和MMSE解碼算法。運(yùn)些解碼解碼算法都是基于信道估計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如果 信道估計(jì)不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致解碼算法性能下降。為了增加信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，必須增加訓(xùn)練序 列長度，而訓(xùn)練序列長度增加，會(huì)降低系統(tǒng)傳輸效率?；谛诺烂す烙?jì)的解碼算法，利用信 號的統(tǒng)計(jì)特性，對多天線信道進(jìn)行估計(jì)，雖然不需要額外的訓(xùn)練序列。但是目前的信道盲估 計(jì)方法，同樣需要進(jìn)FFT解調(diào)和解碼。如果信道估計(jì)不準(zhǔn)，會(huì)引起后續(xù)的FFT解調(diào)和解碼性 能下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決多天線OFDM信號的盲解碼，本發(fā)明 提出了一種基于快速獨(dú)立分量分析的多天線OFDM信號解碼方法。本發(fā)明假定信道是瑞利 慢衰落信道，衰落因子在一個(gè)衰落塊內(nèi)保持不變，即信道在一個(gè)數(shù)據(jù)塊取值范圍內(nèi)是平穩(wěn) 的，發(fā)射端采用單天線，接收端采用多天線，接收端各個(gè)天線統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0006] 步驟1、根據(jù)快速獨(dú)立分量分析（Fast-ICA)的信號模型要求，定義一個(gè)長度為 2 (L+Lp)Xl的向量，其中L為OFDM子載波數(shù)，Lp為循環(huán)前綴數(shù)；設(shè)接收端天線數(shù)為Nt,則在 發(fā)送端的單用戶條件下，將L個(gè)子載波分成Q個(gè)子信道，每個(gè)子信道由P=L/Q個(gè)子載波組 成；用交織型分配的方法將子信道分配給K個(gè)用戶，每個(gè)用戶占用一個(gè)子信道怕>K)。第 k個(gè)子信道所包含的子載波集合為hk，Q+Qk，. . .，（P-i)Q+qiJ，其中Qk= 0, 1，. . .，Q-1。設(shè) 用戶在發(fā)送端發(fā)送的信號被分為長度為L的數(shù)據(jù)塊，OFDMA系統(tǒng)中用戶在特定的P路子載 波上傳輸信號，假設(shè)傳輸信號為BPSK調(diào)制，即b。為BPSK信號，Afk為第k個(gè)用戶的歸一化 頻偏，且AfkE(-0. 5, 0. 5)，L。為多徑個(gè)數(shù)，T為接收端延遲。
[0007]則發(fā)送端的信號模型我為：
(1)
[0009]其中，C是2(L+Lp) Xl維的復(fù)高斯白噪聲序列，實(shí)部和虛部獨(dú)立同分布，服從NO),O2)。
[0016] h"為第m根天線下多徑信道：
[0017]
[0018] 該信道是瑞利慢衰落信道，衰落因子在一個(gè)衰落塊內(nèi)保持不變，在不同的衰落塊 內(nèi)發(fā)生改變，衰落因子皆，^，…，兮是獨(dú)立同分布的單位方差零均值復(fù)高斯分布隨機(jī)變量。
[0019] 信號模型€的矩陣模式表示為：
[0020] 0： G'' 'I(8)
[0021] 混合矩陣G"的大小為2化+LP)X3KP:
[0023] D。是由3KP個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立信源信號號組成的獨(dú)立向量：
[00巧]接收端Nt根天線接收到的信號向量表示為：

陽03U 式中，aI多徑延遲，aiG(0, . . .，Le-l)由式（10)得到，多天線下(FDMA接收信 號表示成混合矩陣和信源相乘?；旌暇仃囍辛薪Y(jié)構(gòu)包含了各個(gè)子載波序列，使得混合矩陣G'列滿秩，信源中各個(gè)變量統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，式（10)符合盲源分離結(jié)構(gòu)。
[0032] 步驟2、高斯噪聲下觀測向量y。的PCA白化 陽〇3引定義一個(gè)4Nt(L+Lp)X1的列向量y。'： W34] y>=儀 乂f:=儀'，竊,T'A+ [C乂T==谷"'A+ < ^3)
[0035] 設(shè)在一個(gè)衰落信道塊觀測樣本數(shù)為N，在一個(gè)衰落塊內(nèi)信道保持不變，而在不同的 衰落塊內(nèi)，信道服從瑞利衰落，則能夠得到觀測向量y。的協(xié)方差矩陣：
(14)
[0037] 式中：向量吼為4化+Lp)X(4(L+Lp)-3K巧的噪聲子空間。采樣得到的列向量y。' 的協(xié)方差矩陣進(jìn)行降維白化處理，表示為： 陽03引 A:=ri傅-巧.= /1 ' 氣 +C" '《.呼阿:=1' 么，,，掛 （15)
[0039] 式中：（巧=化媒壞!'V..,屯:.。:]為3KPX3KP的對角矩陣，信號子空間U,=
[叫，...，UsJ為4(L+Lp)XSKP的信號子空間，A1是觀測信號的協(xié)方差矩陣Rq的第i個(gè) 特征值。Ui為^ 1對應(yīng)的特征向量。式（15)中：>4 //->'< .6"為滿秩方陣。其中 G"=儀。
[0040] 步驟3、盲信號分離
[OOW由式（巧）可知，(FDMA的各個(gè)用戶的信息是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，且混和矩陣A是滿秩的， 因此捜索一個(gè)正交矩陣W，使得：
[0042]f= -義。=凸。，打=1，么(16) 陽0創(chuàng)式中：Y。為經(jīng)過ICA后，對D。的估計(jì)。當(dāng)沒有噪聲時(shí)，Y。二D。。通過式（16)能夠 快速定點(diǎn)ICA算法得到最佳矩陣W。觀測樣本數(shù)為N，捜索過程如下：
[0044] 1)對于Xn(n= 1，2,...，腳，捜索正交矩陣W= [Wi,訊2, . . .，W3KP]，設(shè)i= 1. W45]。初始化Wi,使Wi為一單位長度的隨機(jī)向量； 陽046] 3)用固定迭代法計(jì)算下一個(gè)向量，具體如下：
(17) W48] 4)為了使Wi與W中已經(jīng)提取的列向量所張成的子空間正交，進(jìn)行如下處理： 陽O例 W,似仁的-含》';件)W, .W,: (18) 抖 陽化0] 巧歸一化Wi,氣仁W,/IIW''H
[00川 6)重復(fù)執(zhí)行步驟扣-步驟5)，直至k似T?Wi化-1)I足夠靠近1，然后置i= i+1。
[0052] 7)如果i<3KP，回到步驟2)，否則整個(gè)捜索算法結(jié)束。
[0053] 可W看到ICA不需要知道任何有關(guān)子載波的信息，可W將多個(gè)調(diào)制在OFDMA子載 波用戶信息進(jìn)行分離。
[0054] 步驟4、子載波序列估計(jì)和OFDM用戶識別 陽化5] 由于獨(dú)立分量分析法具有分離順序不確定性，無法區(qū)分分離出來的數(shù)據(jù)信息屬于 哪個(gè)用戶。運(yùn)里提出利用ICA算法估計(jì)子載波序列，由于OFDMA信號各個(gè)用戶的子載波頻 率是不同的，從而克服分離順序的不確定性，對OFDM信號中各個(gè)用戶進(jìn)行識別。
[0056] 運(yùn)里首先分析對子載波進(jìn)行估計(jì)，通過式（15)和（16)能夠得出，當(dāng)捜索結(jié)束時(shí)， WT.A=I，即：
[0057]皆、A.口.'妒 皆 一 '! (19)
[0058] 一般在多天線OFDMA盲估計(jì)中，信號子空間的能量遠(yuǎn)大于噪聲子空間的能量，由 (18)式能夠近似得到滬:== '[4 + 02/]'巧。聯(lián)合式（19)可得G"T的第k個(gè)行向量 為：
[0059] 公f 4 A':。王，化 (20)
[0060] Sf包含了用戶的子載波信息，由于各個(gè)用戶所在子載波頻率是不一樣的，頻率不 同對應(yīng)著過零點(diǎn)的不同，通過計(jì)算過零點(diǎn)來得到相應(yīng)頻率的子載波序列，由此找到完整的 KP個(gè)多天線OFDM用戶數(shù)據(jù)序列，克服了ICA分離順序的不確定性。將求得的代入（16) 能夠得到用戶數(shù)據(jù)估計(jì)信息：
[0061] Y。腳=DJkU-^ y:，，n=：、草麻；k 12，'…化P (21_)。
[0062] 本發(fā)明有益效果如下：
[0063] 本發(fā)明W化St-ICA為基礎(chǔ)對多天線(FDMA信號進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)建模，并進(jìn)行信道盲 估計(jì)和解碼，在不去除循環(huán)前綴的情況下增加了信號能量，提高了解碼性能。該方法在接收 端不需要定時(shí)同步，對OFDM信號進(jìn)行盲分離解碼，解碼性能好。
【附圖說明】
[0064] 圖1是基于快速獨(dú)立分量分析總體方案圖。 W65] 圖2是在不同循環(huán)長度下解碼性能與其它解碼算法的比較。
【具體實(shí)施方式】
[0066] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0067] 如圖1所示，本發(fā)明假定信道是瑞利慢衰落信道，衰落因子在一個(gè)衰落塊內(nèi)保持 不變，即信道在一個(gè)數(shù)據(jù)塊取值范圍內(nèi)是平穩(wěn)的，發(fā)射端采用單天線，接收端采用多天線， 接收端各個(gè)天線統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。本發(fā)明基于快速獨(dú)立分量分析的多天線O抑MA信號解碼方法， 具體包括如下步驟： W側(cè)步驟1、根據(jù)快速獨(dú)立分量分析（Fast-ICA)的信號模型要求，定義一個(gè)長度為 2 (L+Lp)Xl的向量，其中L為OFDM子載波數(shù)，Lp為循環(huán)前綴數(shù)；設(shè)接收端天線數(shù)為Nt,則在 發(fā)送端的單用戶條件下，將L個(gè)子載波分成Q個(gè)子信道，每個(gè)子信道由P=L/Q個(gè)子載波組 成；用交織型分配的方法將子信道分配給K個(gè)用戶，每個(gè)用戶占用一個(gè)子信道怕>K)。第 k個(gè)子信道所包含的子載波集合為hk，Q+Qk，. . .，（P-i)Q+qiJ，其中Qk= 0, 1，. . .，Q-1。設(shè) 用戶在發(fā)送端發(fā)送的信號被分為長度為L的數(shù)據(jù)塊，OFDMA系統(tǒng)中用戶在特定的P路子載 波上傳輸信號，假設(shè)傳輸信號為BPSK調(diào)制，即b。為BPSK信號，Afk為第k個(gè)用戶的歸一化 頻偏，且AfkE(-0. 5, 0. 5)，L。為多徑個(gè)數(shù)，T為接收端延遲。 W例則發(fā)送端的信號模型O為：
(9)
[00川其中，k':是2(L+Lp)Xl維的復(fù)高斯白噪聲序列，實(shí)部和虛部獨(dú)立同分布，服從NO),O2)。

[007引 h"為第m根天線下多徑信道：
[0079]
(IS)
[0080] 該信道是瑞利慢衰落信道，衰落因子在一個(gè)衰落塊內(nèi)保持不變，在不同的衰落塊 內(nèi)發(fā)生改變，衰落因子與'，與，.…巧是獨(dú)立同分布的單位方差零均值復(fù)高斯分布隨機(jī)變量。
[0081] 信號模型年:的矩陣模式表不為：
[0082] q: = 6" D,,+