CN102315914B - 多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多输入多输出空间相关信息下的鲁棒非线性收发机装置，该装置首先通过信道估计模块和收发矩阵计算模块获得收发信号的处理矩阵，包括发射预编码矩阵、发射反馈矩阵和接收均衡矩阵，并将计算结果输出到发射预编码模块和接收均衡模块，用来进行收发信号的处理。然后将数字调制信号输入到发射预编码模块中，经过发射反馈矩阵处理、发射预编码矩阵处理后输出到信道。接收端通过接收均衡模块对接收信号进行处理，最后解调输出。该收发装置能够在空间相关非理想信道状态信息下，获得比线性收发装置更好的***性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种信号处理技术领域的装置，具体是一种多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置。
背景技术
传统无线通信技术对信号的频域、时域与码域信息的研究已达到一个前所未有的高度，但仍无法满足应用的需求，需要扩展新的信号处理领域，而信号空间域的研究弥补了这一空白，通过研究天线分集技术与智能天线技术，发现利用多天线实现信号传输是可行的，随着研究深入最终演进到的多输入多输出（MIMO）通信技术。MIMO技术作为未来一代宽带无线通信***的框架技术，是实现充分利用空间资源以及提高频谱利用率的一个必然途径，基于MIMO的无线通信理论和信号处理技术已显示出巨大的潜力和发展前景。
MIMO***的通信会受到多用户、多天线的干扰，从而造成共信道干扰（CCI），因此在收发机两端需要采用一些必要的信号处理技术，以消除噪声和干扰。在发射端，通过基站端对发射机信号进行优化设计处理，使每个移动台在理论上能够接收到不受其它用户干扰的信号，实现空分多址(SDMA)，保证数据的可靠接收，这个信号处理过程称为对发射信号预编码。在接收端，接收机需要对接收到的来自各个发送天线的信号进行处理，区分出不同发送天线或者不同用户的信号，这一过程就是接收均衡处理。在MIMO***设计中，如果接收天线可以协作，那么将发射预编码处理和接收均衡处理进行联合设计，可以获得较好的***性能。
按照信号处理过程中是否包含非线性处理，MIMO收发机可以分为线性收发机和非线性收发机两大类。当收发两端已知信道状态信息（CSI）时，对线性收发机的设计已进行了较多的研究，比如利用凸优化理论将线性收发机设计纳入统一框架下，能够实现最小化均方误差（MSE），最小化误码率（BER）和最大化信干噪比（SINR）。对于非线性接收机，存在两种设计结构，一种是非线性处理结构在发射端，接收端是线性处理，这种结构称为基于THP预编码的非线性收发机。另一种结构是发射端是线性处理，接收端是非线性处理结构，这种结构称为基于判决反馈（DFE）的非线性收发机。由于第二种结构中接收端反馈会造成误码扩散，因此在相同的设计准则下，第一种结构的性能通常好于第二种结构。目前已给出了统一框架下的THP收发机和DFE收发机的设计方法，能够在已知CSI条件下，最小化MSE和BER，最大化SINR。
但是，在实际通信过程中，由于信道的快衰落，反馈信息延时，信道估计误差等多种因素，***只能获得部分CSI或者带有误差的信息，在这种情况下，收发机的设计应该考虑实际的信道情况，设计具有鲁棒性能的方法。对于非理想CSI条件，当信道建模为信道估计值和信道误差值之和，并且不考虑收发相关性时，有文献分别给出了最小化MSE的鲁棒线性收发机设计和非线性THP收发机设计。如果考虑收发相关性，Xi Zhang首先提出了考虑接收相关的鲁棒线性收发机算法( Z. Xi， D. P. Palomar， and B. Ottersten， Statistically robust design of linear MIMO transceivers，（多输入多输出线性收发机的统计鲁棒设计），IEEE Trans on Signal Processing， vol.56，no.8， 2008)，进一步地，D. Minhua提出了考虑收发都相关的鲁棒线性收(D. Minhua， Multiple-input multiple-out wireless system designs with imperfect channel knowledge，（非理想信道信息下的多输入多输出无线***设计），Ph.D. thesis， Queen's Univ.， Kingston，Canada， 2008)。相对应于线性收发机，考虑收发同时相关的非理想CSI条件下的鲁棒非线性收发机的研究则较少。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置，能够最小化收发信号的均方误差，降低信道相关性对***性能的影响，降低***的误码率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置，包括信道估计模块、收发矩阵计算模块、信号产生模块、发射预编码模块、接收均衡模块、信号解调模块，其中：
所述信道估计模块通过训练序列进行信道估计，并将信道估计信息传输到收发矩阵计算模块；
所述收发矩阵计算模块根据信道估计值、以及预先假设的收发相关矩阵信息，计算出发射预编码矩阵、发射反馈矩阵和接收均衡矩阵的值，并将发射预编码矩阵和反馈矩阵计算值传输到发射预编码模块，将接收均衡矩阵值传输到接收均衡模块；
所述信号产生模块产生二进制信息源，并使用数字调制将信息源调制成数字信号，输出给发射预编码模块；
所述发射预编码模块对数字调制信号进行处理，将预编码矩阵左乘信号，经过功率归一化后输出到信道；
所述接收均衡模块接收信道传输后的信号，将均衡矩阵左乘接收信号，然后输出到信号解调模块。
所述信号解调模块从接收均衡模块接收到输出信号，对信号进行模操作并进行解调，得到接收解调信号并输出。
所述的收发矩阵计算模块包括：预编码矩阵计算单元、反馈矩阵计算单元、接收均衡矩阵计算单元，其中：
所述预编码矩阵计算单元计算发射预编码矩阵是一个迭代计算过程，首先初始化预编码矩阵为单位矩阵，然后将预编码矩阵、辅助计算矩阵、中间运算系数迭代计算直到算法收敛，即更新的预编码矩阵与前次的预编码矩阵差值的范数小于10-4时，迭代过程结束，然后根据等对角线分解算法计算出特定的酉矩阵右乘预编码矩阵，得到最终的发射预编码矩阵，并输出到发射预编码模块；
所述反馈矩阵计算单元根据前述计算的预编码矩阵，通过Cholesky分解计算等对角线下三角反馈处理矩阵，并输出到发射预编码模块；
所述接收均衡矩阵计算单元根据前述计算的预编码矩阵、反馈处理矩阵计算出接收均衡矩阵，并输出到接收均衡模块。
所述的信号产生模块包括：二进制信息源产生单元、数字调制信号产生单元，其中二进制信息源产生单元产生二进制信息源，并通过数字调制信号产生单元使用数字调制将信息源调制成数字信号，输出给发射预编码模块。
所述的发射预编码模块包括：模操作单元、反馈预处理单元、预编码处理单元，其中模操作单元与数字调制信号产生单元、反馈预处理单元、预编码处理单元相连接并传输模操作信息，反馈预处理单元与模操作单元、预编码处理单元、收发矩阵计算模块相连接并连续串行传输反馈预处理信号，预编码处理单元与模操作单元、反馈预处理单元、收发矩阵计算模块相连接并传输预编码处理信息。
所述的信号解调模块包括：模操作单元、解调单元，其中模操作单元与接收均衡模块、解调单元相连接并传输模操作信息，解调单元与模操作单元相连接并传输解调信息。
本发明上述的装置工作时具体步骤是：
1. 信道估计模块通过训练序列进行信道估计，并将信道估计信息传输到收发矩阵计算模块。
2. 收发矩阵计算模块根据信道估计值、以及预先假设的收发相关矩阵信息，计算出发射预编码矩阵、发射反馈矩阵和接收均衡矩阵的值，并将发射预编码矩阵和反馈矩阵计算值传输到发射预编码模块，将接收均衡矩阵值传输到接收均衡模块。其中预编码矩阵计算单元计算发射预编码矩阵是一个迭代计算过程，首先初始化预编码矩阵为单位矩阵，然后将预编码矩阵、辅助计算矩阵、中间运算系数迭代计算直到算法收敛，即更新的预编码矩阵与前次的预编码矩阵差值的范数小于10-4时，迭代过程结束，然后根据等对角线分解算法计算出特定的酉矩阵右乘预编码矩阵，得到最终的发射预编码矩阵，并输出到发射预编码模块。发射反馈矩阵计算单元根据前述计算的预编码矩阵，通过Cholesky分解计算等对角线下三角反馈处理矩阵，并输出到发射预编码模块。接收均衡矩阵计算单元根据前述计算的预编码矩阵、反馈处理矩阵计算出接收均衡矩阵，并输出到接收均衡模块。
3. 信号产生模块产生二进制信息源，并使用数字调制将信息源调制成数字信号。
4. 步骤3产生的数字调制信号输入到发射预编码模块进行处理，所传输的信号向量第一个值只做模操作，第二个值做模操作后反馈到反馈预处理单元，通过处理消除第一个值对第二个值的干扰，依此类推，依次消除前面所有的值对后一个值的干扰。所使用的反馈处理矩阵来自于步骤2的发射反馈矩阵计算值。
5. 将步骤4连续干扰消除后的信号输入到预编码处理单元，预编码矩阵来自于步骤2的发射预编码矩阵值，将预编码矩阵左乘信号，经过功率归一化后输出到信道。
6. 接收均衡模块接收信道传输后的信号，均衡矩阵来自于步骤2的接收均衡矩阵值，将均衡矩阵左乘接收信号，然后输出到解调模块。
7. 解调模块接收到步骤6的输出信号，对信号进行模操作并进行解调，得到接收解调信号并输出。
本发明采用上述的技术方案后，通过计算机仿真表明，在误码率性能和均方误差性能上均优于鲁棒的线性收发机，并且随着收发相关系数的增加，鲁棒性增强。
附图说明
图1 为本发明装置示意图。
图2为实施例误码率性能比较示意图。
图3为实施例均方误差性能比较示意图；
图中：（a）为随发射相关系数变化；（b）为随接收相关系数变化。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：信道估计模块、收发矩阵计算模块、信号产生模块、发射预编码模块、接收均衡模块、信号解调模块，其中：信道估计模块与收发矩阵计算模块相连接并传输信道估计信息，收发矩阵计算模块与信道估计模块、发射预编码模块、接收均衡模块相连接并传输收发矩阵信息，信号产生模块与发射预编码模块相连接并传输数字调制信号，接收均衡模块与信号解调模块相连并传输接收均衡处理后的信号。其中：
所述收发矩阵计算模块根据信道估计值、以及预先假设的收发相关矩阵信息，计算出发射预编码矩阵、发射反馈矩阵和接收均衡矩阵的值，并将发射预编码矩阵和反馈矩阵计算值传输到发射预编码模块，将接收均衡矩阵值传输到接收均衡模块；
所述信号产生模块产生二进制信息源，并使用数字调制将信息源调制成数字信号，输出给发射预编码模块；
所述发射预编码模块对数字调制信号进行处理，将预编码矩阵左乘信号，经过功率归一化后输出到信道；
所述接收均衡模块接收信道传输后的信号，将均衡矩阵左乘接收信号，然后输出到信号解调模块。
所述信号解调模块从接收均衡模块接收到输出信号，对信号进行模操作并进行解调，得到接收解调信号并输出。
假设发射天线为
、接收天线为的MIMO通信***。设噪声为独立同分布的零均值高斯白噪声，协方差矩阵
。具体的实施步骤如下：
1. 信道估计模块接收训练序列，设训练序列的功率为
，使用最小均方误差信道估计方法，得到信道估计矩阵
，考虑收发相关矩阵，得到最后的信道信息为：
，其中
表示发射空间相关信息，
则表示使用接收空间相关矩阵，其中
。
表示信道估计误差矩阵，其中
中的元素满足独立同分布的高斯分布
。所获得的信道估计以及
信息送入到收发矩阵计算模块的各个计算单元。
2. 所述的收发矩阵计算模块包括：预编码矩阵计算单元、反馈矩阵计算单元、接收均衡矩阵计算单元。其中预编码矩阵计算单元与信道估计模块、反馈矩阵计算单元、接收均衡矩阵计算单元、发射预编码模块相连接并传输所计算的预编码发射矩阵信息，反馈矩阵计算单元与预编码矩阵计算单元、接收均衡矩阵计算单元、发射预编码模块相连接并传输发射反馈矩阵信息，接收均衡矩阵计算单元与预编码矩阵计算单元、反馈矩阵计算单元、接收均衡模块相连接并传输接收均衡矩阵信息。其中预编码矩阵计算单元根据信道估计模块传输的估计值
、以及预先假设的收发相关矩阵，计算发射预编码矩阵，其过程为一个迭代过程：首先初始化预编码矩阵为
，其中是信道矩阵的秩；然后更新辅助矩阵
接着更新中间运算系数
最后更新预编码矩阵
；迭代以上步骤直到算法收敛，即更新的预编码矩阵与前次的预编码矩阵差值的F范数小于10-4时，迭代过程结束。将具有自由度的酉矩阵
右乘前述的预编码矩阵
，将
代入到
，使用等对角线分解算法（具体算法参考文献 F.Xu， T N. Davidson， et al. Design of block transceivers with decision feedback detection，判决反馈块收发机设计， IEEE Trans.Signal Process.， vol. 54， no. 3， pp. 965-978， 2006.中的附录1）获得酉矩阵
，则所述预编码矩阵计算单元输出的预编码矩阵为
，并输出到发射预编码模块。
所述反馈矩阵计算单元根据所述预编码矩阵计算单元的输出结果，计算发射反馈矩阵值，首先计算
的Cholesky分解为，然后计算发射反馈预处理矩阵为
，其中
是
对角线上第
个元素，因此发射反馈矩阵C为等对角线下三角矩阵，并输出到发射预编码模块。
所述接收均衡矩阵计算单元根据所述发射预编码矩阵值和发射反馈矩阵值，计算接收均衡矩阵为
，并输出到接收均衡模块。
3. 所述的信号产生模块包括：二进制信息源产生单元、数字调制信号产生单元，其中二进制信息源产生单元产生二进制信息源 z，然后将z输入到数字调制单元，数字调制采用
-QAM星座图，经过数字调制的信号源转换为，
为并行发送的数据流数目，并且进行功率归一化使得
成立。
4. 所述的发射预编码模块包括：模操作单元、反馈预处理单元、预编码处理单元。其中步骤3产生的数字调制信号源s输入到模操作单元，s向量的第一个值只做模操作并输出，第二个值做模操作后反馈到反馈预处理单元，通过处理消除第一个值对第二个值的干扰，依此类推，如下式
其中取模运算的定义如下
当星座图为
-QAM，
。
所述的反馈预处理单元包括反馈矩阵C，来自于步骤2反馈矩阵计算单元的输出。
5. 由步骤3得到的反馈预处理后的信号q输入到所述预编码模块，预编码矩阵左乘信号q并作功率归一化得到发射输出信号，所述预编码矩阵F来自于步骤2的发射预编码矩阵计算单元的输出。
6. 接收信号经过反功率归一化后得到y并送入所述的接收均衡模块，将所述接收均衡矩阵G左乘y得到处理后的输出信号，所述接收均衡矩阵G来自于步骤2的接收均衡矩阵计算单元的输出。
7. 所述的信号解调模块包括：模操作单元、解调单元。其中模操作单元与步骤6的输出信号相连接并对信号进行模操作，与步骤3中定义的模操作相同，解调单元与模操作单元的输出相连接并进行
-QAM数字调制的解调，最后输出解调信号。
图2给出了本发明的非线性收发机与线性收发机比较的BER曲线。仿真显示，本发明对非理想的信道状态信息更具有鲁棒性，性能优于线性收发机。尤其在高SNR情况下，性能优势更加显著。
为了比较在不同相关系数条件下，本发明的非线性收发机与鲁棒线性收发机的性能，图3还给出了随
和
变化的
性能。从图3(a)中可以看出，本发明的非线性收发机在
上优于线性收发机。同时，随着
的增大，本发明比线性性能优势更加明显，因此，本发明的非线性收发机在对抗接收相关性上比线性收发机更具有鲁棒性。图3(b)中也能得到相似的结论，随着
的增加，本发明的非线性收发装置获得更多的性能增益，并且本发明的非线性收发机在对抗发射相关性上，也比线性收发机更具有鲁棒性。
Claims (4)
1.一种多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置，其特征在于包括信道估计模块、收发矩阵计算模块、信号产生模块、发射预编码模块、接收均衡模块、信号解调模块，其中：
所述信道估计模块通过训练序列进行信道估计，并将信道估计信息传输到收发矩阵计算模块；
所述收发矩阵计算模块根据信道估计值、以及预先假设的收发相关矩阵信息，计算出发射预编码矩阵、发射反馈矩阵和接收均衡矩阵的值，并将发射预编码矩阵和反馈矩阵计算值传输到发射预编码模块，将接收均衡矩阵值传输到接收均衡模块；
所述信号产生模块产生二进制信息源，并使用数字调制将信息源调制成数字信号，输出给发射预编码模块；
所述发射预编码模块对数字调制信号进行处理，将预编码矩阵左乘信号，经过功率归一化后输出到信道；
所述接收均衡模块接收信道传输后的信号，将均衡矩阵左乘接收信号，然后输出到信号解调模块；
所述信号解调模块从接收均衡模块接收到输出信号，对信号进行模操作并进行解调，得到接收解调信号并输出；
所述的收发矩阵计算模块包括：预编码矩阵计算单元、反馈矩阵计算单元、接收均衡矩阵计算单元，其中：
所述预编码矩阵计算单元计算发射预编码矩阵是一个迭代计算过程，首先初始化预编码矩阵为单位矩阵，然后将预编码矩阵、辅助计算矩阵、中间运算系数迭代计算直到算法收敛，即更新的预编码矩阵与前次的预编码矩阵差值的范数小于10-4时，迭代过程结束，然后根据等对角线分解算法计算出特定的酉矩阵右乘预编码矩阵，得到最终的发射预编码矩阵，并输出到发射预编码模块；
所述反馈矩阵计算单元根据前述计算的预编码矩阵，通过Cholesky分解计算等对角线下三角反馈处理矩阵，并输出到发射预编码模块；
所述接收均衡矩阵计算单元根据前述计算的预编码矩阵、反馈处理矩阵计算出接收均衡矩阵，并输出到接收均衡模块。
2.根据权利要求1所述的多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置，其特征在于：所述的信号产生模块包括：二进制信息源产生单元、数字调制信号产生单元，其中二进制信息源产生单元产生二进制信息源，并通过数字调制信号产生单元使用数字调制将信息源调制成数字信号，输出给发射预编码模块。
3.根据权利要求1所述的多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置，其特征在于：所述的发射预编码模块包括：模操作单元、反馈预处理单元、预编码处理单元，其中模操作单元与数字调制信号产生单元、反馈预处理单元、预编码处理单元相连接并传输模操作信息，反馈预处理单元与模操作单元、预编码处理单元、收发矩阵计算模块相连接并连续串行传输反馈预处理信号，预编码处理单元与模操作单元、反馈预处理单元、收发矩阵计算模块相连接并传输预编码处理信息。
4.根据权利要求1所述的多输入多输出空间相关信道下的鲁棒非线性收发装置，其特征在于：所述的信号解调模块包括：模操作单元、解调单元，其中模操作单元与接收均衡模块、解调单元相连接并传输模操作信息，解调单元与模操作单元相连接并传输解调信息。
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