空时信道优化mimo无线传输系统发射端的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及通信技术。本实用新型是要提供一种空时信道优化MIMO无线传输系统发射端，其能够在加入相应的软件方法后即可显著提高MIMO系统的数据传输率、系统容量及频谱效率，其技术方案可概括为：空时信道优化MIMO无线传输系统发射端，包括多路信号发射端、多个虚拟信道向量模块、反馈信息接收端及空时优化模块，每一个虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一路信号发射端一一对应连接，反馈信息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟信道向量模块及每一个信号输入端连接。本实用新型的有益效果是，提高数据传输率，适用于MIMO系统。
【专利说明】
空时信道优化ΜI MO无线传输系统发射端
技术领域
[0001] 本实用新型涉及通信技术，特别涉及MBTO无线传输技术。
【背景技术】
[0002] ΜΙΜΟ(多输入多输出）技术利用发射端与接收端的多天线的不同空间位置所形成 的无线信道并行传输多路数据流，能明显提高无线通信系统的数据传输率及系统容量，是 现代无线通信技术的一个重要的发展方向，具有广泛的应用前景。
[0003] 现有ΜΙΜΟ系统的系统框图参见图1，其发射端具有Ντ路输入基带数据流 …，Λ、, (/)及Ντ根发射天线（Ντ=1，2，···），Xm(t) e { ± 1} (m=l，2, · · ·，Ντ);每路数 据流xm(t)经射频调制后，变为高频信号，再进行放大后由相应的天线Ant.m(m=l，2，-_，NT) 发射出去;接收端配置Lr根接收天线(L R=1，2,…），每根天线的射频信号经放大及解调器后 得到基带信号;信号检测及处理模块对来自不同天线的L R路基带信号进行优化合并、检测、 判决等处理，最后得到Ντ路输出数据流为印，乃印，…，-vAv(〇，ym(t)e{±l}(m=l, 2, . . .，NT)，ym(t)是发射端输入数据流xm(t)的估计值4的，8卩J,"⑴= .U〇。通常情况下，Lr > Ντ〇
[0004] 设hlm表示第1根接收天线到第m根发射天线之间的空间无线信道，则第1根接收天 线上的信号为：
[0005]
[0006] 其中，m(t)为第1根接收天线的高斯白噪声。为了检测出某路数据流Xl(t)，可在接 收端采用最大信噪比合并方法，则其计算公式为：
[0007]
[0008] 在接收端可估计出信道hlm，然后据此将各个接收天线的信号合并得到判决变量， 即：
[0009]
[0010]
[0011] 设QD(.)为判决函数，QD(.) e { ± 1}。则有：
[0012]
[0013]这里，Re (.)表示取实数操作。
ζ表有用信号分量；
[0014；
)则代表来自其它数据流的干扰及各接收天线 的噪声，只要将这些干扰及噪声控制在一定的范围内，接收端就可以正确地检测出各个发 送的数据流。
[0015] 在现有ΜΙΜΟ系统中，发射端在同一频段采用多天线同时传输多路信号或数据流， 可以提高数据传输率，或增加系统容量。一个ΝΧΝ(Ν根发射天线及Ν根接收天线)ΜΙΜΟ系统 最多能提高数据传输率Ν倍，或增加系统容量Ν倍。而数据传输率提高得越多或系统容量增 加得越多，天线的数量就会增加越多。但在实际应用中，天线数量的增加往往又受到成本、 空间尺度等因素的制约，因而限制系统性能的提高程度，即相对于额外天线数量的增加、元 器件及成本的投入，所获得的数据传输率、系统容量或性能的提升十分有限，并不理想，这 是现有技术方案存在的一个缺点。另外，无线信道间往往存在着的相关性，信道的相关性会 明显削弱Μ頂0系统的性能，使其潜在优势难以发挥，这是现有技术方案的另一个缺点。 【实用新型内容】
[0016] 本实用新型的目的是提供一种空时信道优化mMO无线传输系统发射端，其能够在 加入相应的软件方法后即可显著提高ΜΜ0系统的数据传输率、系统容量及频谱效率，并优 化传输信道，提高系统性能。
[0017] 本实用新型解决其技术问题，采用的技术方案是，空时信道优化ΜΜ0无线传输系 统发射端，包括多路信号发射端，每一路信号发射端包括一个调制滤波放大模块及一根发 射天线，其特征在于，还包括多个虚拟信道向量模块、反馈信息接收端及空时优化模块，每 一个虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每一个信号输入端仅对应一个虚拟信道 向量模块，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一路信号发射端一一对应连接，所述反 馈信息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟信道向量模块连接，空时 优化模块与每一个信号输入端连接，所述虚拟信道向量模块包括与信号输入端数量相对应 的复加权模块及一个加法器，每一个复加权模块的输入端都分别与一个信号输入端 对 应连接，每一个复加权模块的输出端都分别与加法器的一个输入端 对应连接，每一个 加法器的输出端作为该虚拟信道向量模块的输出端与一个信号发射端一一对应连接，空时 优化模块分别与每一个复加权模块连接。
[0018] 具体的，所述每个虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量可以相同，也可 以不同。
[0019] 本实用新型的有益效果是，在本实用新型方案中，只需在上述空时信道优化ΜΜ0 无线传输系统发射端中加入相应的软件方法后，即可大幅度增加 ΜΜ0无线通信系统中每根 发射天线的传输信道数量，由此增加每根天线传输的信号或数据流路数，因而可以在不增 加天线数量的情况下显著提高ΜΜ0系统的数据传输率、系统容量及频谱效率。在传输相同 数据流时，本实用新型MMO系统与现有ΜΜ0系统相比，所需天线数量更少，从而可以减少发 射天线数量，降低系统复杂度，降低系统成本，且根据反馈信息进行动态虚拟信道调整，明 显降低接收误码率，提高信号传输的可靠性。
【附图说明】
[0020]图1是现有MBTO无线通信系统的系统框图。
[0021 ]图2是本实用新型空时信道优化MBTO无线传输系统发射端的系统框图。
[0022] 图3是本实用新型实施例中空时信道优化MBTO无线传输系统的系统框图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合实施例及附图，详细描述本实用新型的技术方案。
[0024] 本实用新型的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端的系统框图如图2。本实用 新型的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，包括多路信号发射端，每一路信号发射端 包括一个调制滤波放大模块及一根发射天线，还包括多个虚拟信道向量模块、反馈信息接 收端及空时优化模块，每一个虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每一个信号输 入端仅对应一个虚拟信道向量模块，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一路信号发射 端一一对应连接，所述反馈信息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟 信道向量模块连接，空时优化模块与每一个信号输入端连接，所述虚拟信道向量模块包括 与信号输入端数量相对应的复加权模块及一个加法器，每一个复加权模块的输入端都分别 与一个信号输入端 对应连接，每一个复加权模块的输出端都分别与加法器的一个输入 端一一对应连接，每一个加法器的输出端作为该虚拟信道向量模块的输出端与一个信号发 射端一一对应连接，空时优化模块分别与每一个复加权模块连接。
[0025] 实施例
[0026]本实用新型实施例的空时信道优化ΜΜ0无线传输系统发射端的系统框图如图2所 示，包括多路信号发射端，每一路信号发射端包括一个调制滤波放大模块及一根发射天线， 还包括多个虚拟信道向量模块、反馈信息接收端及空时优化模块，每一个虚拟信道向量模 块对应至少一个信号输入端，每一个信号输入端仅对应一个虚拟信道向量模块，每一个虚 拟信道向量模块的输出端仅与一路信号发射端一一对应连接，所述反馈信息接收端与空时 优化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟信道向量模块连接，空时优化模块与每一个信 号输入端连接，所述虚拟信道向量模块包括与信号输入端数量相对应的复加权模块及一个 加法器，每一个复加权模块的输入端都分别与一个信号输入端 对应连接，每一个复加 权模块的输出端都分别与加法器的一个输入端 对应连接，每一个加法器的输出端作为 该虚拟信道向量模块的输出端与一个信号发射端一一对应连接，空时优化模块分别与每一 个复加权模块连接。
[0027] 本例中，每一个信号输入端输入的基带信号都可以不相同或者一些相同而一些不 同，当然也可以全部相同，且每个虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量也可以不 同或者相同，而反馈信息中包含信道识别及系统状态信息，如信噪比、误码率、误差值及信 道估计值等。
[0028] 本例中，其可以加入相应软件令虚拟信道向量模块用于根据设置的复加权值对与 其连接的每一个信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信 号进行合并后传输给对应的信号发射端;反馈信息接收端用于接收由系统接收端发送来的 反馈信息，并传输给空时优化模块;空时优化模块用于根据接收到的反馈信息采用空时优 化算法计算出各虚拟信道向量模块中各复加权值，并对其进行设置。
[0029]本例中，由该空时信道优化ΜΜ0无线传输系统发射端组成的空时信道优化ΜΜ0无 线传输系统的系统框图如图3所示，包括其对应的系统接收端，系统接收端中包括多根接收 天线、对应的解调滤波放大模块、对应的信号检测及处理模块以及信道辨识及系统状态信 息采集模块、反馈信息发送端，而信道辨识及系统状态信息采集模块和反馈信息发送端为 现有某些接收端中所具有的部分，此处不再详述。
[0030] 其所加入的软件方法可以为：
[0031] A、信号输入端接收到输入的基带信号，将该基带信号传送给其对应的虚拟信道向 量模块；
[0032] B、每一个虚拟信道向量模块根据设置的复加权值对与其连接的每一个信号输入 端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给对应 的信号发射端进行发送；
[0033] C、反馈信息接收端实时接收由系统接收端发送来的反馈信息，并传输给空时优化 模块，空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道向量模块 中各复加权值，并对其进行设置，回到步骤B。
[0034] 本步骤中，空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟 信道向量模块中各复加权值的具体方法及其原理如下：
[0035]设空时信道优化ΜΜ0无线传输系统发射端（以下简称发射端)具有Ντ根发射天线， 其对应的接收端具有Lr根接收天线，一般地，Lr 2 Ντ，则发射端有Ντ个输入信号向量，每个输 入信号向量包括多个基带输入信号，设第m个输入信号向量为_x",(〇=[xffll(4 ^功]7'.，(m =1，2，···，Ντ)，即向量Xm(t)包括Nm个基带输入信号Xmn(t)(n = 0,1，···，Nm)，Xmn(t)为复数信 号。
[0036] 系统发射端所有N T个输入信号向量组成系统发射信号向量
，每个基带输入信号Xmn(t)经过一个对应的虚拟信道 w?? = Λ,?" 用心表示第虚拟信道向量，则
(w：=l, 2,......... #r)，向量Wrn包括Nm个虚拟信道wmn。在发射端，Ντ个虚拟信道向量Wrn与Ντ个输入信号向量Xm( t) 对应，可以用一个系统虚拟信道向量来表不，即
[0037] 在接收端，第1根接收天线收到来自所有Ντ根发射天线的信号。令hlm表示第1根接 收天线到第m根发射天线之间的空间无线信道。信号 Xmn(t)从第m根发射天线到第1根接收天 线经过了两个传输路径，即虚拟信道和空间无线信道hlm，这两个信道级联构成整体传输 信道，称协同空分信道。因此，第m根发射天线所发送的信号为
[0038]
[0039]第1根接收天线收到的信号为
[0040]
[0041] 式中，qi(t)是第1根接收天线的高斯白噪声。系统的空间无线信道矩阵表示为
[0042]
[0043] Η可以简化表示为
，其中
\设 ⑴=[J]⑴. ⑴，，….V,·..⑴]为接收端的接收信号向量，则
[0044] m=l
[0045] 式中，q(0 =[免(0, 是接收端的噪声向量。
[0046]在本系统中，系统协同空分信道矩阵表;^为
[0047]
[0048]式中，gm = hmWmH是一个LRXNm矩阵，表示第m根发射天线对应的协同空分信道。因 此，接收信号向量可进一步表示为
[0049]
[0050] 通过调整与优化虚拟信道Wmn，即可调整与优化协同空分信道Wmn*hlm(m=l，2,…， Ντ;n = 1，2，…，Nm; 1 = 1，2，…，Lr)，使系统整体传输信道合理布局，最有利于接收端的信号 检测及系统传输性能的优化。
[0051]在系统接收端，信噪比为
[0052
[0053] 这里，PR = E[(gx(t))H(gx(t))]是接收端的接收信号功率，σ2 = E[q(t)Hq(t)]是接 收端的噪声功率。将PR = E[(gX(t))H(gx(t))]展开得
[0054]
[0055]式中，Aij = E[hiHhj]是一个标量，Rij = E[Xi(t)Xj(t)H]是一个NiXNj输入相关矩阵， (i = l，2，"_，NT;j = l，2，，"，NT)，R 是一彳
信号传输矩阵，
[0056]
[0057] 在系统接收端，我们希望最大化信噪比nR，但由于接收端噪声功率σ2视为一个常 数，所以，最大化接收信号功率Pr等效于最大化信噪比％，因此，本例的优化准则如下：
[0058]
[0059] 这里，G是一个常数。在发射信号功率为一定的条件下，通过调整虚拟信道，上述优 化机制使传输到接收端的信号功率最大。其优化解为：
[0060]
[0061] 式中，$max是对应于矩阵R的最大特征值的特征向量，且t即为欲得 到的复加权向量w的最优值。
[0062] 对于QPSK信号，如果已知接收信噪比4，则接收误码率(BER)为 σ~
[0063]
[0064] 式中，Q(.)是一个函数，定义彡
因此，对于QPSK信号，采 用优化解·时接收误码率(BER)为
[0065] 、· /' \
' y
[0066] 式中，PRmax是接收信号功率的最大值。
[0067] 虽f
^是供了一个优化闭合解，但在有的情况下其效果不一定很 理想。另一个方案是采用粒子群算法搜索全局最优解。
[0068] 在此，设粒子群体规模为SE，即粒子个数为SE，并把发射端的每个潜在的系统虚拟 信道向量作为一个粒子的位置。在第k次迭代时刻，第s个粒子位置，即第s个系统虚拟信道 向量表示关
[0069] 式中，W:,:!(幻= [ιν,("'/⑷，<2>(幻，…，朴％(幻]，（'尸 1^ 第8个粒子位置中的第m个虚拟信道向量。在第k次迭代时刻，第s个粒子的移动速度表示为
1，…，iVr)是虚拟信道向量⑷的相应移动速度。令
丨表示在第k次迭代时刻，第s 个粒子迄今为止搜索到的个体最优位置，式中，
, 妨是第s个粒子个体最优位置中的第m个虚拟信道向景。令bU)=[b,(W U2(fcf…b、,(幻 表示在第k次迭代时刻，整个粒子群迄今为止搜索到的全局最优位置，式中，
Λ/r)是全局最优位置中的第m个虚拟信道向 量。在这个方法中，采用参考信号将有助于搜索。参考信号在每个数据帧中占用一个时隙， F
I示参考信号向量，式中，xRm( t)是对应于输入信 号向量Xm(t)的第m个参考信号向量。在优化过程中，首先要检测或估计参考信号，然后将检 测或估计结果与实际参考信号进行对比，产生误差，将误差作为反馈信息发送到发射端。在 检测参考信号向量xR(t)时，信号向量估计值会受虚拟信道向量w (s)(k)的影响，因此，将参 考信号向量在w(s)(k)条件下的估计值表示为其相应的误差表示为类 似地，在w(s)(k)条件下的误码率BER表示为。
[0070] 因此，采用粒子群算法搜索全局最优系统虚拟信道向量的具体步骤如下：
[0071] 步骤1、在系统发射端根据实际通信环境设置常数：(^，(32，η，Γ2， ει，ε2，Α，Β，6τ， Vmin，其中，cdPc2是学习因子，其使粒子具有自我总结和向群体中优秀个体学习的能力，从 而向自己的历史最优点以及群体内历史最优点靠近;^和^是[0，1]之间的随机数； ￡1与￡2 是根据实际通信环境设置的较小的常数;A是初始惯性权重;B是惯性权重的更新系数;GT是 虚拟信道增益约束常数;Vmir^P Vmax分别是粒子移动的最小速度和最大速度，对粒子的速度 范围进行限制。
[0072]步骤2、在系统发射端设置k = 0,随机初始化每个粒子的位置和移动速度，分别得 至1
(3'=1，： 2:，. ·..··.，. 5^):。米用得到的每一个w(s)(0)，分时隙发送一个参考信号序列XR(t)，一共Se个不同 时隙，每个时隙采用一个不同的位置向量w(s)(0)(s = l，2,…，SE)。
[0073] 步骤3、在系统接收端检测参考信号，得到SE个参考信号向量的估计值，BP …，心)。然后，用不同的位置向量w(s)(〇)计算误差：
[0074]
[0075] 或者计算(,:?) Cv-1，.6.…' ，馬)。然后，作为反馈信号，发送每一个4>， 或加到系统发射端(s = l，2,…，Se)。
[0076] 步骤4、在系统发射端设置最佳个体位置:p(s\〇)=W(s\〇)( S = 1，2，"_，Se)，在所 有反馈信号中找出最小反馈信号值，设相应于最小反馈信号值的粒子位置是w(g)(〇)，则最 佳全局位置为b(0)=w(g)(0)。
[0077] 步骤5、在系统发射端更新惯性权重:a = B(k+l)+A。对每一个粒子，计算其速度及 位置向量如下：
[0078] v(s)(k+l) = av(s)(k)+ciri[p(s) (k)-w(s) (k) ]+C2r2[b(k)-w(s)(k)]
[0079] w(s)(k+l)=w(s)(k)+v(s)(k+l)
[0080] 其中，s=l ,2,…，Se。向量v(s)(k+l)中每一个元素值的范围为[Vmin，Vmax]。另外，限 制发射功率：
[0081]
[0082] 然后，在不同的时隙发送参考信号到系统接收端，一共SE个时隙，每一个时隙采用 不同的位置向量 w(s)(k+l)(s = l，2，"_，SE)。
[0083] 步骤6、在系统接收端检测参考信号，得到SE个参考信号的向量估计值，BP 2，.，&)。然后，用不同的位置向量w(s)(k+l)计算误差：
[0084]
，.或者计算(?=_1，2_，…，D? 然后，作为反馈信号，发送每一个￡^.(，+1)或^8￡^，+1)到系统发射端(8 = 1，2广.々)。
[0085] 步骤7、在系统发射端根据反馈信号进行最佳个体位置更新。如果W 或者從/?'、,..,(_<谷￡/?'、·,) .(s=l, 2，…'，5^ )，则p(s) (k+1) =w(s) (k+1);如果
，则 P(s)(k+l)=P(s)(k)。
[0086] 步骤8、在系统发射端根据反馈信号进行最佳全局位置更新。在所有反馈信号中找 出最小反馈信号值，设相应于最小反馈信号值的粒子位置是w (g)(k+l)，如果 )或者中则最佳全局位置为b(k+l) (k+Ι);如果 iw…糾）之~姻或2 ⑴则最佳全局位置为b(k+l) =b(k)。
[0087] 步骤9、如果eR.ba+DOi或者BERb(k+1)〈e2,操作停止，开始正式发送数据；如果 eR,b(k+i)2 或者BERb(k+i)2 e2，k-k+l，回到步骤5。
[0088] 在上述步骤3、6中，当采用QPSK信号时，如果接收信噪比已经得到，则可利用
:接计算BER。
【主权项】
1. 空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，包括多路信号发射端，每一路信号发射端 包括一个调制滤波放大模块及一根发射天线，其特征在于，还包括多个虚拟信道向量模块、 反馈信息接收端及空时优化模块，每一个虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每 一个信号输入端仅对应一个虚拟信道向量模块，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一 路信号发射端一一对应连接，所述反馈信息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与 每一个虚拟信道向量模块连接，空时优化模块与每一个信号输入端连接，所述虚拟信道向 量模块包括与信号输入端数量相对应的复加权模块及一个加法器，每一个复加权模块的输 入端都分别与一个信号输入端 对应连接，每一个复加权模块的输出端都分别与加法器 的一个输入端一一对应连接，每一个加法器的输出端作为该虚拟信道向量模块的输出端与 一个信号发射端 对应连接，空时优化模块分别与每一个复加权模块连接。2. 如权利要求1所述的空时信道优化MIMO无线传输系统发射端，其特征在于，所述每个 虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量不同。
【文档编号】H04L1/06GK205566328SQ201620349979
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】周渊平, 杨贵德, 夏文龙
【申请人】四川大学, 成都万维环球通信技术有限公司