多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置的製作方法
2023-05-15 08:49:26 1
專利名稱：多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種信號處理技術領域的裝置，具體是一種多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置。
背景技術：
傳統無線通信技術對信號的頻域、時域與碼域信息的研究已達到一個前所未有的高度，但仍無法滿足應用的需求，需要擴展新的信號處理領域，而信號空間域的研究彌補了這一空白，通過研究天線分集技術與智能天線技術，發現利用多天線實現信號傳輸是可行的，隨著研究深入最終演進到的多輸入多輸出(MIMO)通信技術。MIMO技術作為未來一代寬帶無線通信系統的框架技術，是實現充分利用空間資源以及提高頻譜利用率的一個必然途徑，基於MIMO的無線通信理論和信號處理技術已顯示出巨大的潛力和發展前景。MIMO系統的通信會受到多用戶、多天線的幹擾，從而造成共信道幹擾(CCI)，因此在收發機兩端需要採用一些必要的信號處理技術，以消除噪聲和幹擾。在發射端，通過基站端對發射機信號進行優化設計處理，使每個移動臺在理論上能夠接收到不受其它用戶幹擾的信號，實現空分多址(SDMA)，保證數據的可靠接收，這個信號處理過程稱為對發射信號預編碼。在接收端，接收機需要對接收到的來自各個發送天線的信號進行處理，區分出不同發送天線或者不同用戶的信號，這一過程就是接收均衡處理。在MIMO系統設計中，如果接收天線可以協作，那麼將發射預編碼處理和接收均衡處理進行聯合設計，可以獲得較好的系統性能。按照信號處理過程中是否包含非線性處理，MIMO收發機可以分為線性收發機和非線性收發機兩大類。當收發兩端已知信道狀態信息(CSI)時，對線性收發機的設計已進行了較多的研究，比如利用凸優化理論將線性收發機設計納入統一框架下，能夠實現最小化均方誤差(MSE)，最小化誤碼率(BER)和最大化信幹噪比(SINR)。對於非線性接收機，存在兩種設計結構，一種是非線性處理結構在發射端，接收端是線性處理，這種結構稱為基於 THP預編碼的非線性收發機。另一種結構是發射端是線性處理，接收端是非線性處理結構， 這種結構稱為基於判決反饋(DFE)的非線性收發機。由於第二種結構中接收端反饋會造成誤碼擴散，因此在相同的設計準則下，第一種結構的性能通常好於第二種結構。目前已給出了統一框架下的THP收發機和DFE收發機的設計方法，能夠在已知CSI條件下，最小化MSE 和BER，最大化SINR。但是，在實際通信過程中，由於信道的快衰落，反饋信息延時，信道估計誤差等多種因素，系統只能獲得部分CSI或者帶有誤差的信息，在這種情況下，收發機的設計應該考慮實際的信道情況，設計具有魯棒性能的方法。對於非理想CSI條件，當信道建模為信道估計值和信道誤差值之和，並且不考慮收發相關性時，有文獻分別給出了最小化MSE的魯棒線性收發機設計和非線性THP收發機設計。如果考慮收發相關性，Xi ^iang首先提出了考慮接收相關的魯棒線性收發機算法(Z. Xi, D. P. Palomar, and B. Ottersten, Statistically robust design of linear MIMO transceivers, (^ftA^fiiiij^ft1Bt發機的統計魯棒設計)，IEEE Trans on Signal Processing, vol. 56，no. 8，2008)，進一步地，D. Minhua提出了考慮收發都相關的魯棒線性收(D. Minhua, Multiple-input multiple-out wireless system designs with imperfect channel knowledge,(非理想信道信息下的多輸入多輸出無線系統設計)，Ph.D. thesis, Queen，s Univ.，Kingston, Canada, 2008)。相對應於線性收發機，考慮收發同時相關的非理想CSI條件下的魯棒非線性收發機的研究則較少。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置，能夠最小化收發信號的均方誤差，降低信道相關性對系統性能的影響，降低系統的誤碼率。本發明是通過以下技術方案實現的
本發明提供一種多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置，包括信道估計模塊、收發矩陣計算模塊、信號產生模塊、發射預編碼模塊、接收均衡模塊、信號解調模塊， 其中
所述信道估計模塊通過訓練序列進行信道估計，並將信道估計信息傳輸到收發矩陣計算模塊；
所述收發矩陣計算模塊根據信道估計值、以及預先假設的收發相關矩陣信息，計算出發射預編碼矩陣、發射反饋矩陣和接收均衡矩陣的值，並將發射預編碼矩陣和反饋矩陣計算值傳輸到發射預編碼模塊，將接收均衡矩陣值傳輸到接收均衡模塊；
所述信號產生模塊產生二進位信息源，並使用數字調製將信息源調製成數位訊號，輸出給發射預編碼模塊；
所述發射預編碼模塊對數字調製信號進行處理，將預編碼矩陣左乘信號，經過功率歸一化後輸出到信道；
所述接收均衡模塊接收信道傳輸後的信號，將均衡矩陣左乘接收信號，然後輸出到信號解調模塊。所述信號解調模塊從接收均衡模塊接收到輸出信號，對信號進行模操作並進行解調，得到接收解調信號並輸出。所述的收發矩陣計算模塊包括預編碼矩陣計算單元、反饋矩陣計算單元、接收均衡矩陣計算單元，其中
所述預編碼矩陣計算單元計算發射預編碼矩陣是一個迭代計算過程，首先初始化預編碼矩陣為單位矩陣，然後將預編碼矩陣、輔助計算矩陣、中間運算係數迭代計算直到算法收斂，即更新的預編碼矩陣與前次的預編碼矩陣差值的範數小於10_4時，迭代過程結束，然後根據等對角線分解算法計算出特定的酉矩陣右乘預編碼矩陣，得到最終的發射預編碼矩陣，並輸出到發射預編碼模塊；
所述反饋矩陣計算單元根據前述計算的預編碼矩陣，通過Cholesky分解計算等對角線下三角反饋處理矩陣，並輸出到發射預編碼模塊；
所述接收均衡矩陣計算單元根據前述計算的預編碼矩陣、反饋處理矩陣計算出接收均衡矩陣，並輸出到接收均衡模塊。
所述的信號產生模塊包括二進位信息源產生單元、數字調製信號產生單元，其中二進位信息源產生單元產生二進位信息源，並通過數字調製信號產生單元使用數字調製將信息源調製成數位訊號，輸出給發射預編碼模塊。所述的發射預編碼模塊包括模操作單元、反饋預處理單元、預編碼處理單元，其中模操作單元與數字調製信號產生單元、反饋預處理單元、預編碼處理單元相連接並傳輸模操作信息，反饋預處理單元與模操作單元、預編碼處理單元、收發矩陣計算模塊相連接並連續串行傳輸反饋預處理信號，預編碼處理單元與模操作單元、反饋預處理單元、收發矩陣計算模塊相連接並傳輸預編碼處理信息。所述的信號解調模塊包括模操作單元、解調單元，其中模操作單元與接收均衡模塊、解調單元相連接並傳輸模操作信息，解調單元與模操作單元相連接並傳輸解調信息。本發明上述的裝置工作時具體步驟是
1.信道估計模塊通過訓練序列進行信道估計，並將信道估計信息傳輸到收發矩陣計算模塊。2.收發矩陣計算模塊根據信道估計值、以及預先假設的收發相關矩陣信息，計算出發射預編碼矩陣、發射反饋矩陣和接收均衡矩陣的值，並將發射預編碼矩陣和反饋矩陣計算值傳輸到發射預編碼模塊，將接收均衡矩陣值傳輸到接收均衡模塊。其中預編碼矩陣計算單元計算發射預編碼矩陣是一個迭代計算過程，首先初始化預編碼矩陣為單位矩陣， 然後將預編碼矩陣、輔助計算矩陣、中間運算係數迭代計算直到算法收斂，即更新的預編碼矩陣與前次的預編碼矩陣差值的範數小於10_4時，迭代過程結束，然後根據等對角線分解算法計算出特定的酉矩陣右乘預編碼矩陣，得到最終的發射預編碼矩陣，並輸出到發射預編碼模塊。發射反饋矩陣計算單元根據前述計算的預編碼矩陣，通過Cholesky分解計算等對角線下三角反饋處理矩陣，並輸出到發射預編碼模塊。接收均衡矩陣計算單元根據前述計算的預編碼矩陣、反饋處理矩陣計算出接收均衡矩陣，並輸出到接收均衡模塊。3.信號產生模塊產生二進位信息源，並使用數字調製將信息源調製成數位訊號。4.步驟3產生的數字調製信號輸入到發射預編碼模塊進行處理，所傳輸的信號向量第一個值只做模操作，第二個值做模操作後反饋到反饋預處理單元，通過處理消除第一個值對第二個值的幹擾，依此類推，依次消除前面所有的值對後一個值的幹擾。所使用的反饋處理矩陣來自於步驟2的發射反饋矩陣計算值。5.將步驟4連續幹擾消除後的信號輸入到預編碼處理單元，預編碼矩陣來自於步驟2的發射預編碼矩陣值，將預編碼矩陣左乘信號，經過功率歸一化後輸出到信道。6.接收均衡模塊接收信道傳輸後的信號，均衡矩陣來自於步驟2的接收均衡矩陣值，將均衡矩陣左乘接收信號，然後輸出到解調模塊。7.解調模塊接收到步驟6的輸出信號，對信號進行模操作並進行解調，得到接收解調信號並輸出。本發明採用上述的技術方案後，通過計算機仿真表明，在誤碼率性能和均方誤差性能上均優於魯棒的線性收發機，並且隨著收發相關係數的增加，魯棒性增強。
圖1為本發明裝置示意圖。
圖2為實施例誤碼率性能比較示意圖。圖3為實施例均方誤差性能比較示意圖中(a)為隨發射相關係數變化；(b)為隨接收相關係數變化。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括信道估計模塊、收發矩陣計算模塊、信號產生模塊、發射預編碼模塊、接收均衡模塊、信號解調模塊，其中信道估計模塊與收發矩陣計算模塊相連接並傳輸信道估計信息，收發矩陣計算模塊與信道估計模塊、發射預編碼模塊、接收均衡模塊相連接並傳輸收發矩陣信息，信號產生模塊與發射預編碼模塊相連接並傳輸數字調製信號，接收均衡模塊與信號解調模塊相連並傳輸接收均衡處理後的信號。其中
所述收發矩陣計算模塊根據信道估計值、以及預先假設的收發相關矩陣信息，計算出發射預編碼矩陣、發射反饋矩陣和接收均衡矩陣的值，並將發射預編碼矩陣和反饋矩陣計算值傳輸到發射預編碼模塊，將接收均衡矩陣值傳輸到接收均衡模塊；
所述信號產生模塊產生二進位信息源，並使用數字調製將信息源調製成數位訊號，輸出給發射預編碼模塊；
所述發射預編碼模塊對數字調製信號進行處理，將預編碼矩陣左乘信號，經過功率歸一化後輸出到信道；
所述接收均衡模塊接收信道傳輸後的信號，將均衡矩陣左乘接收信號，然後輸出到信號解調模塊。所述信號解調模塊從接收均衡模塊接收到輸出信號，對信號進行模操作並進行解調，得到接收解調信號並輸出。假設發射天線為_ Afi、接收天線為 <的MIMO通信系統。設噪聲為獨立同分布的零均值高斯白噪聲，協方差矩陣
權利要求
1.一種多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置，其特徵在於包括信道估計模塊、收發矩陣計算模塊、信號產生模塊、發射預編碼模塊、接收均衡模塊、信號解調模塊，其中所述信道估計模塊通過訓練序列進行信道估計，並將信道估計信息傳輸到收發矩陣計算模塊；所述收發矩陣計算模塊根據信道估計值、以及預先假設的收發相關矩陣信息，計算出發射預編碼矩陣、發射反饋矩陣和接收均衡矩陣的值，並將發射預編碼矩陣和反饋矩陣計算值傳輸到發射預編碼模塊，將接收均衡矩陣值傳輸到接收均衡模塊；所述信號產生模塊產生二進位信息源，並使用數字調製將信息源調製成數位訊號，輸出給發射預編碼模塊；所述發射預編碼模塊對數字調製信號進行處理，將預編碼矩陣左乘信號，經過功率歸一化後輸出到信道；所述接收均衡模塊接收信道傳輸後的信號，將均衡矩陣左乘接收信號，然後輸出到信號解調模塊；所述信號解調模塊從接收均衡模塊接收到輸出信號，對信號進行模操作並進行解調，得到接收解調信號並輸出。
2.根據權利要求1所述的多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置，其特徵在於所述的收發矩陣計算模塊包括預編碼矩陣計算單元、反饋矩陣計算單元、接收均衡矩陣計算單元，其中所述預編碼矩陣計算單元計算發射預編碼矩陣是一個迭代計算過程，首先初始化預編碼矩陣為單位矩陣，然後將預編碼矩陣、輔助計算矩陣、中間運算係數迭代計算直到算法收斂，即更新的預編碼矩陣與前次的預編碼矩陣差值的範數小於10_4時，迭代過程結束，然後根據等對角線分解算法計算出特定的酉矩陣右乘預編碼矩陣，得到最終的發射預編碼矩陣，並輸出到發射預編碼模塊；所述反饋矩陣計算單元根據前述計算的預編碼矩陣，通過Cholesky分解計算等對角線下三角反饋處理矩陣，並輸出到發射預編碼模塊；所述接收均衡矩陣計算單元根據前述計算的預編碼矩陣、反饋處理矩陣計算出接收均衡矩陣，並輸出到接收均衡模塊。
3.根據權利要求1所述的多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置，其特徵在於所述的信號產生模塊包括二進位信息源產生單元、數字調製信號產生單元，其中二進位信息源產生單元產生二進位信息源，並通過數字調製信號產生單元使用數字調製將信息源調製成數位訊號，輸出給發射預編碼模塊。
4.根據權利要求1所述的多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置，其特徵在於所述的發射預編碼模塊包括模操作單元、反饋預處理單元、預編碼處理單元，其中模操作單元與數字調製信號產生單元、反饋預處理單元、預編碼處理單元相連接並傳輸模操作信息，反饋預處理單元與模操作單元、預編碼處理單元、收發矩陣計算模塊相連接並連續串行傳輸反饋預處理信號，預編碼處理單元與模操作單元、反饋預處理單元、收發矩陣計算模塊相連接並傳輸預編碼處理信息。
5.根據權利要求1所述的多輸入多輸出空間相關信道下的魯棒非線性收發裝置，其特徵在於所述的信號解調模塊包括模操作單元、解調單元，其中模操作單元與接收均衡模塊、解調單元相連接並傳輸模操作信息，解調單元與模操作單元相連接並傳輸解調信息。
全文摘要
本發明涉及一種多輸入多輸出空間相關信息下的魯棒非線性收發機裝置，該裝置首先通過信道估計模塊和收發矩陣計算模塊獲得收發信號的處理矩陣，包括發射預編碼矩陣、發射反饋矩陣和接收均衡矩陣，並將計算結果輸出到發射預編碼模塊和接收均衡模塊，用來進行收發信號的處理。然後將數字調製信號輸入到發射預編碼模塊中，經過發射反饋矩陣處理、發射預編碼矩陣處理後輸出到信道。接收端通過接收均衡模塊對接收信號進行處理，最後解調輸出。該收發裝置能夠在空間相關非理想信道狀態信息下，獲得比線性收發裝置更好的系統性能。
文檔編號H04L25/03GK102315914SQ20111025671
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者何晨, 耿恆, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學