本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于MIMO通信系统的信号发送及接收方法。
背景技术：
MIMO通信系统可用来支撑多路信息的同时传输，在传输功率恒定的情况下，大大提高通信系统的传输速率与可靠性。然而，传统MIMO通信系统发送端的每根天线都需配置完备的发送电路，包括调制器，上调频，功率放大器等，将发送信息转换为射频信号，导致电路消耗的功率高，能效较低。这一问题在大规模MIMO(Massive MIMO)系统显得尤为突出，因为该通信系统的发送端天线数目可高达几百或上千。
技术实现要素：
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种利用反向散射技术来实现MIMO通信系统的发送端设计方案，及相应的接收端设计方案。
本发明在所有发送天线中选择少量天线作为主动式天线，其它天线为被动式天线，如图1所示。主动式天线配置完备的发送电路，将发送信息转换为射频信号，而被动式天线不配置完备的发送电路，它通过调节其反射系数的形式来反向散射来自于主动式天线的射频信号，以达到信息传输的目的。该反射系数代表该天线要传输的信息，可通过天线阻抗、负载阻抗等参数来调节，发送信号如图2所示。
本发明的具体技术方案为：
一种用于MIMO通信系统的信号发送及接收方法，其特征在于，包括：
信号发送：
将发射天线分为主动式天线与被动式天线，且一根主动式天线与多根被动式天线相匹配，使得每一根被动式天线可反向散射与其匹配的主动式天线的射频信号；其中，主动式天线配置完备的发射电路，可将发送信息转换为射频信号直接发送；被动式天线通过调节被动式天线的阻抗来反向散射来自于主动式天线的射频信号，以实现信号发送，所述被动式天线所有阻抗的集合代表该被动式天线要传输的符号；
发送信息通过主动式天线及与该主动式天线相匹配的被动式天线进行发送，设主动式天线发送的信号为s(n)，被动式天线发送的信号为c(n)，则被动式天线反向散射的信号为αs(n)c(n)，α为被动式天线的反射系数，c(n)由被动式天线的的阻抗进行调节，例如被动式天线要发送BPSK信号，则在被动式天线端配置两种类型的天线阻抗{Z1,Z2}，通过选择使用Z1或者Z2来发送符号{1，-1}；
信号接收：
接收天线同时接收到主动式天线和与该主动式天线匹配的被动式天线的反向散射信号，接收机通过线性检测器算法或干扰抵消检测算法检测主动式天线发送的信号和被动式天线发送的信号。
进一步的，所述信号发送和接收的具体方法为：
假设共有K根发送天线，将其中一根设置为主动式天线，其余为被动式天线，且被动式天线发送符号的周期为主动式天线发送符号周期的L倍，L≥1，利用被动式天线实现空间多路复用，即每个独立天线各自发送独立信息，被动式天线k在第n个周期上的发送信号为ck(n)，k＝1,2,…,K-1，n＝0,1,…N-1，主动式天线发送的信号为sl(n)，l＝0,1,…,L-1，则被动式天线k在第n个周期上反向散射的信号为αksl(n)ck(n)；在第n个ck(n)的符号周期，第m根接收天线接收到的第l个信号为
其中，Ps为主动式天线发送信号的功率，h0,m为主动式天线和接收机第m根天线的信道衰减系数，fk,m为第k根被动式天线和接收机第m根天线的信道衰减系数，αk是第k根被动式天线的反射系数，um,l(n)服从均值为零，功率为σ2的循环对称复高斯分布，即um,l(n)与信号s(n)和ck(n)独立。
进一步的，所述接收机通过线性检测器算法检测接收的信号，则具体方法为：
设接收机接收到的信号表示为：
其中yl(n)＝[y0,l(n),y1,l(n),…,yM-1,l(n)]T，xl(n)＝[sl(n),sl(n)c1(n),…,sl(n)cK-1(n)]T，h0、hk分别为直接链路和被动式MIMO链路的信道响应，h0＝[h0,0,h0,1,…,h0,M-1]T，hk＝αk[fk,0,fk,1,…,fk,M-1]T，信道矩阵为其中信道信息可以通过导频信号得到，噪声为ul(n)＝[u0,l(n),u1,l(n),…,uM-1,l(n)]T；
令表示块信道矩阵，传输信号矩阵为为噪声向量，并且则接收信号可以写作：
接收信号经过线性检测器之后为：
其中T＝diag{T0,T1,…,TL-1}∈CKL×ML为检测矩阵，在不同的检测器下Tl有不同的表达式：
在经过线性检测器后，根据下面表达式估计出发送端天线信号：
其中并且为主动式天线发送信号sl(n)所有调制元素的集合，表示的第(k+1)行元素，为被动式天线发送信号ck(n)所有调制元素的集合。
进一步的，所述接收机通过干扰抵消检测算法检测接收的信号，则具体方法为：
a、接收机检测主动式天线发送信号sl(n)：
在接收端，接收信号先经过线性检测器，然后估计到主动式天线发送信号
为主动式天线发送信号sl(n)所有调制元素的集合，表示的第(k+1)行元素；
b、在估计出主动式天线发送信号后，从接收信号yl(n)中减去得到下面的中间信号，
然后，使用MMSE检测器估计被动式天线信号ck(n)，k＝1,…,K-1，即：
其中
被动式天线发送信号ck(n)通过下面的表达式估计出来：
其中是的第k个元素；
c、重新估计主动式天线发送信号sl(n)：
将接收机的接收信号写为，
根据步骤b得到的被动式天线信号ck(n)，辅助估计主动式天线发送信号sl(n)，sl(n)通过下面的表达式估计：
其中
d、重复步骤b和c，直到检测到的sl(n)和ck(n)变化不大为止。
进一步的，所述信号发送和接收的具体方法为：
假设共有K根发送天线，将其中一根设置为主动式天线，其余为被动式天线，且被动式天线发送符号的周期为主动式天线发送符号周期的L倍，L≥1，被动式天采用空时编码方案发送符号；设定K＝3，第1个ck(n)的符号周期，第m根接收天线接收到的第l个信号为
第2个符号周期，接收信号为
将上述两式合并为如下
则接收机接收到的信号公式为：
其中，Ps为主动式天线发送信号的功率，h0,m为主动式天线和接收机第m根天线的信道衰减系数，fk,m为第k根被动式天线和接收机第m根天线的信道衰减系数，αk是第k根被动式天线的反射系数，um,l(n)服从均值为零，功率为σ2的循环对称复高斯分布，即um,l(n)与信号s(n)和ck(n)独立。
在上述方案中，不同被动式天线采用空间多路复用方案分别传输独立信息，在下述方案中被动式天线发送符号采用空时编码方案，以提高传输可靠性，所述接收机通过干扰抵消检测算法检测接收的信号，则具体方法为：
a、接收机检测主动式天线发送信号sl(n)：
在接收端，接收信号先经过线性检测器，然后估计到主动式天线发送信号
为主动式天线发送信号sl(n)所有调制元素的集合，表示的第(k+1)行元素；
b、在估计出主动式天线发送信号后，从接收信号yl(n)中减去得到下面的中间信号，
定义
得到
其中Δ(n)＝[Δ0(n),Δ1(n),…,ΔL-1(n)]T，Δl(n)代表估计主动式天线发送信号sl(n)造成的误差，令
由于
当主动式天线发送信号sl(n)采用等幅调制时，被动式天线发送信号ck(n)，k＝1,2通过下面的表达式估计出来，
其中是的第k个元素，根据被动式天线发送信号ck(n)，k＝1,2的编码方式可以解码出
c、重新估计主动式天线发送信号sl(n)：
将接收机的接收信号写为：
在步骤b中估计出了被动式天线信号ck(n)，采用估计出的信号ck(n)辅助估计主动式天线发送信号sl(n)：
其中
d、重复步骤b和c，直到检测到的sl(n)和ck(n)的值趋于稳定。
本发明的有益效果是：可大幅度地降低能量消耗，提高能效。
附图说明
图1示出了本发明提出的Massive MIMO发送端设计方案；
图2示出了本发明提出的一种MIMO发送端的系统模型；
图3示出了接收机检测信号方案L＝1时的主动式天线发送信号误码率；
图4示出了接收机检测信号方案L＝1时的被动式天线发送信号误码率；
图5示出了接收机检测信号方案L>1时的主动式天线发送信号误码率；
图6示出了接收机检测信号方案L>1时的被动式天线发送信号误码率；
图7示出了被动式天线使用Alamouti编码方案下的主动式天线发送信号误码率；
图8示出了被动式天线使用Alamouti编码方案下的被动式天线发送信号误码率。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
图1表示了本发明提出的Massive MIMO发送端设计方案。本发明考虑在所有的发送天线中选择少量天线作为主动式天线，主动式天线配置完备的发送电路，在主动式天线的周围部署被动式天线，被动式天线没有完备的发送电路，它通过调整反射系数来反向散射主动式天线发送的信号来发送信息，反射系数和天线阻抗、负载阻抗有关，可以根据发送信号的类型来调整。
图2表示了本发明提出的MIMO发送端的系统模型。采用本发明的方案进行信号发送与接收，下面通过仿真结果来验证在本发明提出的天线设计方案下接收机检测信号的性能。假定所有信道都是独立的瑞利衰落信道，并且信道平均功率为1，本发明考虑块衰落信道，即信道在一帧中保持不变，在下一帧会发生变化，本发明考虑反射系数设为主动式天线信号采用四进制相移键控(QPSK)调制方式调制，本发明采用104个信道来估计此方案的误码率性能。
图3和图4分别表示本发明提出的接收机检测信号方案L＝1时的主动式天线发送信号和被动式天线发送信号误码率。在此仿真中考虑一帧中有1000个采样信号。本发明设置发送端天线数为K＝7，被动式天线信号采用二进制相移键控(BPSK)调制方式调制，接收机的天线数设为M＝10，主动式天线和被动式天线发送信号的周期相等，即L＝1。可以看出干扰抵消检测算法优于线性检测器算法，原因有两方面：一方面由于反射系数的存在，使得主动式天线发送信号的功率大约是被动式天线发送信号功率的10倍，故主动式天线发送信号会严重影响被动式天线发送信号的检测，干扰抵消检测算法可以减去主动式天线发送信号带来的影响，故提高了系统性能；另一方面在干扰抵消检测算法的第三步，估计出的被动式天线发送信号ck(n)，k＝1,…,K-1会帮助sl(n)的恢复。从图3也可以看出MMSE检测器优于ZF检测器，并且它们都优于MRC检测器，MRC检测器有误码平台现象。
图5和图6分别表示本发明提出的接收机检测信号方案L>1时的主动式天线发送信号和被动式天线发送信号误码率。在此仿真中考虑一帧中有1000个采样信号。本发明设置发送端天线数为K＝3，被动式天线信号采用二进制相移键控(BPSK)调制方式调制，接收机的天线数设为M＝5，并且L＝20。同L＝1的曲线趋势相同，干扰抵消检测算法优于线性检测器算法。
图7和图8分别表示本发明提出的被动式天线使用Alamouti编码方案下的主动式天线发送信号和被动式天线发送信号误码率。在此仿真中考虑一帧中有960个采样信号。本发明设置发送端天线数为K＝3，被动式天线信号采用四进制相移键控(QPSK)调制方式调制，接收机的天线数设为M＝5，并且L＝20。此方案的性能与被动式天线发送信号没有采用编码但采用BPSK调制方式的性能相近。