CN101321009B - 一种自适应mimo***及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应MIMO***及其信号处理方法，包括发射端、接收端，及从接收端到发射端的反馈路径，发射端包括天线，接收端包括信号检测模块，接收端还包括统一信道分解模块，统一信道分解模块对信道矩阵进行分解，分解出预编码矩阵经反馈路径反馈到发射端，分解出加权系数矩阵发送到信号检测模块。本发明还公开了一种自适应MIMO***，对发射端的天线进行分组，并包括与天线组数相对应的空时编码模块，天线组分别与空时编码模块连接。本发明还公开了一种自适应MIMO***，将上述的两种***进行结合。本发明的MIMO***及其信号处理方法能适应高相关性信道的性能，同时能适应不同的发射、接收天线数，并提升***的容量、性能。

Description

一种自适应MIMO***及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说，涉及一种自适应的MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出)天线***及其信号处理方法。

背景技术

移动通信中的MIMO技术指的是利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术，任何一个无线通信***，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO***。在MIMO***中，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量(误比特率或数据速率)。.无线MIMO***采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，无线MIMO***可以极大地提高频谱利用率，增加***的数据传输率。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output，单输入单输出)天线***，利用MIMO信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

在一般的多天线技术中，较为典型的是基站配备多根天线，因为一般认为基站比移动终端更能承担额外的成本和空间。

在过去几年中，无线业务变得越来越重要，同时对更高网络容量和更高性能的需求不断增长。几种选择方式如更高带宽、优化的调制方式甚至代码复用***实际上提高频谱效率的潜力有限。MIMO***通过采用天线阵列，利用空间复用技术来提高所使用带宽的效率。

通过一个以上的天线发送多组数据流称为空间复用，其中有两种类型：

第一种类型为VBLAST(Vertical Bell实验室分层空间-时间)，它发送空间未编码的数据流，不需要考虑在接收器上对信号进行均衡处理。

第二种类型是通过空间-时间编码(即空时编码)实现的。与VBLAST相比，空时编码提供正交编码方式，因此是独立的数据流。VBLAST方法不能分离数据流，因此会出现多个数据流的干扰，这会使传输变得不稳定，而前向错误编码并不总是能解决这个问题。空时编码信号的检测基于一种简单的线性处理，并获得合理的结果。空间复用的优势是，容量的增加与发送天线的数量线性相关。

对MIMO通信传统的研究焦点一直是只有接收端已知信道信息(CSIR)，然而如果无线传播环境是慢衰落信道(信道参数随时间变化较慢)，例如室内环境和本地无线网络，我们可以通过上行链路将信道信息反馈到发送端，发送端利用反馈的信道信息对要发送的数据进行预处理便可提高***性能。基于这个假设，反馈--预编码方案设计逐渐成为研究的焦点。现有的反馈--预编码方案是基于SVD(奇异值分解)的。简便起见，以2发2收的MIMO***为例，此方案的***如图1所示。

参照图1所示，该SVD***包括发射端及接收端，并包括反馈路径113。发射端包括：信息源模块101，调制模块102，预编码模块103，串并转换模块104，VBLAST发射模块105，及2个发射天线106；接收端包括：2个接收天线107，预处理模块108，信道估计模块109，信号检测模块110，SVD分解模块111，解调模块112。

发射端首先对信息源101的01序列利用调制模块102进行调制，调制过后利用从接收端经反馈路径113反馈的预编码矩阵V对调制信号进行预编码，预编码在预编码模块103中完成，最后通过串并转换模块104进行串并转换后在VBLAST模块中以VBLAST的形式从发射天线106发射。这里VBLAST发射就是发送端的每根天线同时发送并行数据的其中一个。

接收端首先通过信道估计模块109对信道进行估计，以得到当前的信道参数，输入SVD分解模块111，对信道矩阵进行SVD分解。SVD分解产生3个矩阵：U、S、V(H＝U×S×V^*)，V反馈到发射端的预编码模块103作为预编码矩阵，U作为接收端的预处理矩阵，发送到预处理模块108，S作为信号检测中的虚拟信道矩阵，发送到信号检测模块110。其中S是对角元素为信道矩阵奇异值λ₁，λ₂，......，λ_K的对角矩阵，所以SVD分解会将MIMO信道分解成多个并行的虚拟子信道，参照图2所示，为SVD方案的虚拟信道模型。其中χ₁，χ₂，......，χ_K为各虚拟子信道的发射信号，y₁，y₂，......，y_K为各虚拟子信道的接收信号，

为加性高斯白噪声。在接收端的信号检测模块110中我们可以使用“迫零算法”等检测算法。检测完后在解调模块112中对信号进行解调得到01信息序列。

SVD方案实现简单，但是有以下缺点：

1、不能适应不同相关性的信道

实际的MIMO信道是非常复杂的，信道的参数受很多因素的影响。在接收端如果两个天线之间接收相同信号时信号的包络很“相似”，我们就称此对天线的相关系数较大。相关系数较大的信号实际上是信号没有通过足够的散射过程就到达接收端，而MIMO***的增益很大程度上是依靠信号的散射得到的，所以在相关系数较大的信道MIMO***的性能往往会变差。

传统的SVD方案对信道的相关性很敏感，在相关性较大的信道SVD方案的性能会变得很差，甚至无法使用。

2、对天线的数量有限制

SVD方案结合传统使用的VBLAST方案，均要求发射天线数(Nt)不能大于接收天线数(Nr)。在实际应用中基站处的天线数往往大于移动终端(如手机)的天线数，所以SVD方案对天线数量的限制在一定程度上影响了MIMO的实际应用。

为了解决SVD方案在接收天线数小于发射天线数即Nr<Nt的情况下无法适用的不足，在进行VBLAST***的接收端信号检测时，现有技术为对所有发射天线进行空时编码，以4发2收MIMO为例，***如图3所示

参照图3所示，为利用空时编码的4发2收VBLAST***。该***包括发射端和接收端，发射端包括：信息源模块301，调制模块302，预编码模块303，串并转换模块304，空时编码模块314，VBLAST模块305，4个发射天线306；接收端包括：2个接收天线307，线性组合模块308，信道估计模块309，空时解码模块310，及判决模块311，解调模块312。该***在发射端利用空时编码模块314对信号进行空时编码，相应地在接收端31通过空时解码模块310对信号进行空时解码。

空时编码本来的用途是通过发送端重复发射相同的数据的不同形式(如发射其负值、共轭值或多个信号的不同线性组合)来达到接收端的性能提升，这里利用空时码还有虚拟增加接收端天线数目的作用。

例如4发2收的MIMO***，如果不用空时码，接收端将是一个只有2个方程的4元方程组(不将噪声看成未知数)，不能求解。使用空时码后发送端反复发射相同数据的不同形式4次，接收端的方程组的方程数变成8个，可以求解。

但是上述的利用对所有发射天线进行空时编码的方法也存在以下问题：

首先，与传统的SVD方案类似，该技术方案在高相关性的信道条件下性能很差。

其次，该方案的容量较低。

如4个发送天线的空时编码，4个发送天线在4个时隙发送了4个不同的数据，码率(平均每个时隙发送的不同数据数目)为1，这只相当于SISO***的发送速率，***容量大大下降。

可见，利用SVD分解对信号进行处理在相关性较大的信道中性能很差，甚至无法使用，同时又不能适应不同的天线数目；而利用空时编码虽然能适应不同的天线数目，但是同样在高相关性的信道条件下性能很差，并且***容量较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自适应MIMO***，对***进行优化，使之能适应高相关性信道的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应MIMO***，包括发射端、接收端，及从所述接收端到所述发射端的反馈路径，所述发射端包括天线，所述接收端包括信号检测模块，所述接收端还包括统一信道分解模块，所述统一信道分解模块对信道矩阵进行分解，分解出预编码矩阵经所述反馈路径反馈到所述发射端，分解出加权系数矩阵发送到所述信号检测模块。

进一步，所述天线被分为多组；所述***还包括空时编码模块，所述空时编码模块分别与分组的天线连接，对信号分组进行空时编码。

进一步，所述天线两个分为一组。

进一步，所述信号检测模块为SIC-MMSE检测模块。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种自适应MIMO***，使之能适应不同的发射、接收天线数。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应MIMO***，包括发射端、接收端，所述发射端包括天线，所述天线被分为多组，还包括与天线组数相对应的空时编码模块，所述天线组分别与空时编码模块连接。

进一步，所述接收端包括信号检测模块及矩阵分解模块，所述矩阵分解模块对信道矩阵进行分解，分解出预编码矩阵反馈到发射端，分解出加权系数矩阵发送到所述信号检测模块。

进一步，所述矩阵分解模块为统一信道分解模块。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种自适应MIMO***，使之能适应高相关性信道的性能，同时能适应不同的发射、接收天线数，并提升***的容量、性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应MIMO***，包括发射端、接收端，及从所述接收端到所述发射端的反馈路径，所述发射端包括天线，所述接收端包括信号检测模块及矩阵分解模块，所述天线分组，还包括与天线组数相对应的空时编码模块，所述天线组分别与空时编码模块连接；所述矩阵分解模块对信道矩阵进行分解，分解出预编码矩阵反馈到发射端，分解出加权系数矩阵到所述信号检测模块。

进一步，所述矩阵分解模块为统一信道分解模块。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种接收端，使之能适应高相关性信道的性能，并提升***的容量、性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种接收端，用于对MIMO***发射端的信号进行接收，包括信号检测模块，还包括统一信道分解模块，所述统一信道分解模块对信道矩阵进行分解，分解出预编码矩阵反馈到发射端，分解出加权系数矩阵发送到所述信号检测模块。

进一步，所述信号检测模块为SIC-MMSE检测模块。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种发射端，使之能适应不同的发射、接收天线数。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发射端，用于对MIMO***的信号进行发送，包括天线及空时编码模块，所述天线被分为多组，所述空时编码模块数量与天线组数相对应，所述空时编码模块分别与天线组连接，对信号进行空时编码后经分组的天线发出。

进一步，所述天线两个分为一组。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种自适应MIMO***的信号处理方法，使之能适应高相关性信道的性能，同时能适应不同的发射、接收天线数，并提升***的容量、性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应MIMO***的信号处理方法，用于对发射端到接收端的信号进行处理，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将发射端的天线进行分组；

(2)发射端产生信号，并对所述信号分组进行空时编码；

(3)空时编码后的信号通过分组的天线发出；

(4)接收端接收到所述分组的信号，进行矩阵分解后反馈到发射端。

进一步，所述接收端包括信道估计模块、信号检测模块及矩阵分解模块，所述信道估计模块与矩阵分解模块连接，在步骤(4)中，信道估计模块接收到所述分组的信号后进行处理，得到信道参数发送到所述矩阵分解模块，所述矩阵分解模块对信道矩阵进行矩阵分解，分解出预编码矩阵反馈到发射端，分解出加权系数矩阵发送到所述信号检测模块。

进一步，步骤(4)中所述矩阵分解模块为统一信道分解模块。

本发明使用了UCD分解反馈方案，该方案可以在保证***容量最大的情况下大幅提升***的误码率性能，使***在不同的信道环境下(如高相关性信道)，仍能正常工作。另外，在接收天线数少于发送天线数的情况下结合空时编码、天线分组和UCD分解反馈技术，不仅使***可以适应这样的天线数，进行正常工作，而且较现有方案提升了***容量和误码率性能。

附图说明

图1为基于SVD分解的2发2收MIMO***示意图；

图2为SVD方案的虚拟信道模型；

图3为利用空时编码的4发2收VBLAST***；

图4为本发明基于UCD分解的2发2收自适应MIMO***示意图；

图5为本发明利用空时编码和发送端天线分组实现4发2收MIMO***示意图；

图6为本发明对2个发射天线同时进行空时编码的示意图；

图7为本发明基于UCD分解的4发2收自适应MIMO***示意图。

具体实施方式

从SVD方案的角度来看，信道的高相关性导致了信道奇异值的降低，也就导致了虚拟子信道信号增益的降低。信道参数一定的情况下各子信道的总增益是一定的，所以对于不同的MIMO方案，信道相关性的升高可以认为是信道增益的下降，而对于具有多个子信道的MIMO架构，***的误码率性能是由最差子信道决定的，所以在保证***容量的前提下优化最差信道(也就是使各子信道增益相同)，便可最大限度提高***性能。

本发明通过采用一种称为“统一信道分解”(Uniform ChannelDecomposition，UCD)的方案来进行发送端的预编码和接收端的信号检测，保证***容量最大的同时在MMSE(使误差均方值和最小)检测准则下使各虚拟子信道的增益相同。

本发明还通过对发射端的天线进行分组，及对信号分组进行空时编码，使***能适应不同的天线数目。

另外，本发明结合UCD分解、空时编码、天线分组，提供了一种自适应MIMO***架构，在提高***性能的同时能适应不同天线数量的要求。

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

优选实施例一：

参照图4所示，为本发明基于UCD分解的2发2收自适应MIMO***示意图。该***包括发射端和接收端及反馈路径413，发射端包括：信息源模块401，调制模块402，预编码模块403，串并转换模块404，VBLAST模块405，及2个发射天线406；接收端包括：2个接收天线407，线性组合器408，信道估计模块409，MIC-MMSE检测模块410，UCD分解模块411，解调模块412。

对于信号检测模块，本实施例采用MIC-MMSE检测模块，当然实际应用中还可以使用其他类型的信号检测模块。这对于优选实施例三同样适用。

UCD分解模块410分解出矩阵F及矩阵W，矩阵F为预编码矩阵，经反馈路径413反馈到发射端的预编码模块403，参与信号的预编码处理；矩阵W为SIC(连续干扰消除，即对需要检测的信号分层，每一层检测完后的结果代入下一层以消除层间干扰)-MMSE检测需要的加权系数矩阵，经UCD分解模块410发送至SIC-MMSE检测模块409，参与信号的检测处理。

UCD分解模块的具体工作过程参照优选实施例三所述。

如前所述，对于具有多个子信道的MIMO架构，***的误码率性能是由最差子信道决定的。UCD方案最大程度地优化了最差子信道，从而优化了***性能，使之在高相关性信道条件下也可以使用。

优选实施例二：

在接收天线少于发送天线的情况下，相对于现有技术空时编码方案码率较低的问题，我们提出将发送天线分组的方案。以4发2收MIMO为例，该方案的框图如图5所示。

参照图5所示，为本发明利用空时编码和发送端天线分组实现4发2收MIMO***示意图。该***发射端包括：信息源模块501，调制模块502，串并转换模块503，空时编码模块504，发射天线505；接收端包括：接收天线506，线性组合器模块507，SIC-MMSE检测模块508，解调模块509。本实施例中接收天线506为2个，发射天线505为4个，接收天线506少于发射天线505的数目，将发射天线每2个分为一组。本实施例中的空时编码模块504为2个，与天线的组数相对应。

本实施例仅实例性地给出了天线分组的数目及空时编码模块的数目，当然天线也可以采用其他的数目进行分组，并且所述空时编码模块的数目与天线的组数相对应。这对于优选实施例三是同样适用的。

假设一共分了K组，那么每组发送天线在两个时隙发送2个不同数据，参照图6所示，为本发明对2个发射天线同时进行空时编码的示意图。发射端在当前时刻空时编码前的数据分别为c₁ c₂，经过空时编码后形成第一、二天线组的数据为 $\left(\begin{array}{cc}{c}_1& {-c}_2^{*}\\ c_2& c_1^{*}\end{array}\right),$ 其中c^*表示c的共轭，且分别在t、t+T时刻发送第一列、第二列数据。发送端平均每个时隙发送K个不同数据，效率比现有方案二提高了K倍。此方案要求接收天线数不少于K。

优选实施例三：

为了使MIMO***能适应不同的天线数、不同的相关性信道环境，我们提出一种新的自适应MIMO***。

参照图7所示，为本发明基于UCD分解的4发2收自适应MIMO***示意图。该***包括发射端和接收端及反馈路径713。发射端包括：信息源模块701，调制模块702，预编码模块703，串并转换模块704，空时编码模块705，发射天线706；接收端包括：接收天线707，线性组合器708，信道估计模块709，SIC-MMSE检测模块710，UCD分解模块711，解调模块712。

由图中可以看出，本实施例的发射天线706为4个，分为两组，每组为2个，相应的空时编码模块705为也为两个。而接收端71的接收天线为2个。信号在发射端经过串并转换模块704进行串并转换后，分为两组输入到两个空时编码模块705，进行空时编码后经过两组发射天线706分别发出。空时编码的示意图如上述的图6所示。接收端接收到信号后，首先由信道估计模块709得到信道参数，发送到UCD分解模块711，再由UCD分解模块711分解出矩阵F及矩阵W，矩阵F经反馈路径713反馈到发射端的预编码模块703，矩阵W经UCD分解模块711发送至SIC-MMSE检测模块710，参与信号的检测处理。

接收端检测过程如下：

假设当前信道为块衰落(在较短时间内信道参数不变)，信道矩阵为 $H=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{21}& g_{11}& g_{21}\\ h_{12}& h_{22}& g_{12}& g_{22}\end{array}\right)$ (信道矩阵的行数等于接收天线数，列数等于发射天线数)，发射端在当前时刻第1、2天线组空时编码前的数据分别为c₁ c₂、s₁ s₂。

接收端的第一个接收天线707在连续两个时隙接收到的字符r₁₁、r₁₂可写为：

r₁₁＝h₁₁c₁+h₂₁c₂+g₁₁s₁+g₂₁s₂+η₁₁    (1)

$r_{12}=-h_{11}{c}_{21}^{*}+h_{21}{c}_1^{*}-g_{11}{s}_2^{*}+g_{21}{s}_1^{*}+{\mathrm{\&eta;}}_{12}---\left(2\right)$

令 $r_1={\left(\begin{array}{cc}{r}_{11}& r_{12}^{*}\end{array}\right)}^T,$ c＝(c₁ c₂)^T、s＝(s₁ s₂)^T、 ${\mathrm{\&eta;}}_1={\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\&eta;}}_{11}& {\mathrm{\&eta;}}_{12}^{*}\end{array}\right)}^T,$ 于是1、2式可写为：

r₁＝H₁c+G₁s+η₁    (3)

其中

$H_1=\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{21}\\ h_{21}^{*}& {-h}_{11}^{*}\end{array}\right),$ $G_1=\left(\begin{array}{cc}{g}_{11}& g_{21}\\ g_{21}^{*}& {-g}_{11}^{*}\end{array}\right)---\left(4\right)$

η₁是均值为零的加性高斯白噪声。

同理可得接收端第二个接收天线707处的接收信号r₂₁、r₂₂(令 $r_2={\left(\begin{array}{cc}{r}_{21}& r_{22}^{*}\end{array}\right)}^T$ )可写为：

r₂＝H₂c+G₂s+η₂    (5)

其中

$H_2=\left(\begin{array}{cc}{h}_{12}& h_{22}\\ h_{22}^{*}& {-h}_{12}^{*}\end{array}\right),$ $G_2=\left(\begin{array}{cc}{g}_{12}& g_{22}\\ g_{22}^{*}& {-g}_{12}^{*}\end{array}\right)---\left(6\right)$

我们定义全局接受信号向量r为：

$r=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\end{array}\right]=H\stackrel{\&OverBar;}{c}+\mathrm{\&eta;}=\left(\begin{array}{cc}{H}_1& G_1\\ H_2& G_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}c\\ s\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_1\\ {\mathrm{\&eta;}}_2\end{array}\right)---\left(7\right)$

7式中的c、s为空时编码前的原始调制数据，H为4行4列的4矩阵，可是看为虚拟的传输信道。对7式进行SIC-MMSE检测便可得到原始数据。

本发明使用UCD分解反馈来对发送信息进行预编码。在接收天线数少于发射天线数时，通过对天线分组和空时编码对发送数据进行处理，能适应不同的天线数。结合UCD分解、天线分组和空时编码对发送数据进行再次处理，在提高***性能的同时，能适应不同的天线数。

当然，本发明的优选实施例不是对本发明技术方案的限定，对本发明的技术特征所作的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自适应MIMO***，包括发射端、接收端，及从所述接收端到所述发射端的反馈路径，所述发射端包括天线，所述接收端包括信号检测模块，其特征在于，所述信号检测模块为SIC-MMSE检测模块，所述接收端还包括统一信道分解模块，所述统一信道分解模块对信道矩阵进行分解，分解出预编码矩阵经所述反馈路径反馈到所述发射端，分解出SIC-MMSE检测需要的加权系数矩阵发送到所述SIC-MMSE检测模块，所述天线被分为多组；所述***还包括空时编码模块，所述空时编码模块分别与分组的天线连接，对信号分组进行空时编码。

2.如权利要求1所述的自适应MIMO***，其特征在于，所述天线两个分为一组。

3.一种自适应MIMO***的信号处理方法，用于对发射端到接收端的信号进行处理，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将发射端的天线进行分组；

(2)发射端产生信号，并对所述信号分组进行空时编码；

(3)空时编码后的信号通过分组的天线发出；

(4)接收端接收到所述分组的信号，由接收端的统一信道分解模块对信道矩阵进行分解，分解出预编码矩阵经反馈路径反馈到所述发射端，分解出SIC-MMSE检测需要的加权系数矩阵发送到接收端的SIC-MMSE检测模块。

4.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述接收端还包括信道估计模块，所述信道估计模块与统一信道分解模块连接，在步骤(4)中，信道估计模块接收到所述分组的信号后进行处理，得到信道参数发送到所述统一信道分解模块。

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