CN101273278A - 支持mimo接收机的式样分集以及相关联的方法 - Google Patents

Abstract

一种MIMO通信系统，包括：发射机，以及与发射机相连的发射天线阵列，其中该发射天线阵列具有用于发射M个源信号的M个天线单元。接收天线阵列与接收机相连，并且具有用于接收M个源信号的至少M个不同总和的N个天线单元，其中N小于M。信号分离处理器与接收机相连，用于形成包括M个源信号的至少M个不同总和的混合矩阵，由此该混合矩阵的秩至少等于M。信号分离处理器从混合矩阵中分离出预期源信号。

Description

支持MIMO接收机的式样分集以及相关联的方法

技术领域

本发明涉及通信系统领域，尤其涉及利用小型天线阵列工作的多输入多输出(MIMO)接收机。

背景技术

多输入多输出(MIMO)无线通信系统包括了处于发射机上的多个天线单元以及处于接收机上的多个天线单元。相应天线阵列是基于与发射机和接收机关联的天线单元形成在发射机和接收机上。

天线单元是在多径丰富的环境中使用的，这样一来，由于在该环境中存在不同的散射体，因此每一个信号都会经历多径传播。接收天线单元捕获这些发射信号，然后应用信号处理技术来分离发射信号并恢复用户数据。

该信号处理技术可以是盲源分离(BSS)处理。由于所述分离处理通常是在只具有关于发射信号、发射信号源以及传播信道对发射信号所产生影响的有限信息的情况下执行的，因此这种处理是“盲的”。三种通常使用的盲信号分离技术是主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)以及单一值分解(SVD)。

MIMO通信系统的优势在于能够使得发射机与接收机之间的无线链路容量得到改善。多径丰富的环境能够在其间产生多个正交通道。然后，用于某个单独用户的数据可以在与这些信道并行的空中信道上同时使用相同带宽而被传送。

当前的MIMO通信系统使用的是空间上多样的天线单元，由此并未减少可以形成的正交通道数量。这种实施方式的问题在于：MIMO通信系统的性能与所使用天线单元的数量通常是成比例的。

天线单元数量的增加将会增大用于MIMO通信系统的天线阵列大小。当MIMO接收机在小型携带型通信设备内部中实施时，对于大量的天线单元几乎没有可用的体积，而且对用户来说，将天线单元安装在通信设备外部也是一个问题。

在美国专利6,870,515中公开了一种用于为MIMO接收机提供更小的天线阵列的方法。与使用空间上多样的天线单元所不同，在该方法中使用的是极化分集。由于所使用的是间隔紧密的天线单元，因此这种方法能为MIMO接收机提供小型的天线阵列。

即使提供的是更小的天线阵列，但是MIMO通信系统的性能仍是以接收机上的天线单元数量为基础的，而接收机上的天线单元数量则等于或大于发射机上的天线单元数量。举例来说，如在`515专利中所公开的那样，接收天线单元数量等于或大于发射天线单元数量。

发明内容

因此，有鉴于上述背景技术，本发明的一个目的是相比于MIMO发射机上的天线单元数量而减少MIMO接收上的天线单元数量，同时仍旧提供稳固的MIMO通信系统。

根据本发明的这个和其它目的、特征和优点是通过一种MIMO通信系统而提供的，其中该系统包括发射机、以及与发射机相连的发射天线阵列，该发射天线阵列包括用于发射M个源信号的M个天线单元。

在接收端，接收天线阵列与接收机相连，并包括用于接收M个源信号的至少M个不同总和的N个天线单元，其中N小于M。信号分离处理器可以与接收机相连，用于形成包括M个源信号的至少M个不同总和的混合矩阵，由此该混合矩阵的秩至少等于M。所述信号分离处理器则从该混合矩阵中分离出预期源信号。

信号分离处理器可以是盲信号分离处理器。所述盲信号分离处理器可以基于主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)以及单一值分解(SVD)中的至少一种而从混合矩阵中分离出所述预期源信号。

可替换地，信号分离处理器可以根据基于知识的处理信号提取处理而从混合矩阵中分离出所述预期源信号。这种基于知识的信号分离处理可以基于迫零(ZE)处理和最小均方估计(MMSE)处理中的至少一种而从混合矩阵中分离出预期源信号。

所述接收天线阵列利用N个天线单元有利地接收M个源信号的M个不同总和，其中N＜M。这N个天线单元产生至少M个不同的天线式样(antenna pattern)，用于接收M个源信号的M个不同总和。由接收天线阵列上的N个天线单元所接收的M个源信号的M个总和则用于填充混合矩阵，由此该混合矩阵的秩至少等于M。

混合矩阵的秩确定实际可以分离的信号的数量。所述秩越大，可以分离的信号就越多。因此，MIMO接收机可以使用具有N个天线单元的小型天线阵列，同时仍旧提供稳固的MIMO通信系统，其中所述N个天线单元少于发射阵列中的M个天线单元。

接收天线阵列具有多个不同的实施方式。所述N个天线单元可以是相关的，由此形成的是相位阵列。在另一个实施方式中，这N个相关天线单元可以包括至少一个有源天线单元以及至多N-1个无源天线单元，从而形成切换波束天线。此外，在N个相关天线单元中，其中至少有两个天线单元可以具有不同的极化。

接收天线阵列的其它实施方式可以对所接收的M个源信号的M个不同总和产生乘法器效应。这种处理能够有利地进一步增大混合矩阵的秩，而不必增加接收天线阵列中的N个天线单元的数量。通过增大混合矩阵的秩，盲信号分离处理器可以分离更多的信号。

作用于所接收的M个源信号的M个不同总和的乘法器效应可以使用下列处理中的一种或是其组合来实现。阵列偏转包括改变天线式样的高度，用于接收源信号的附加总和。也可以执行路径选择，这样用于填充混合矩阵的源信号的所有总和都是相关的和/或在统计上保持独立的。信号分裂处理同样也可以用于进一步填充混合矩阵。不同的总和信号可以通过使用扩展码而被分裂，此外也可以将其分裂成同相(I)和正交(Q)分量。

支持具有M个发射天线单元的完整的MIMO实施方式最少需要M个线性独立的总和，但是较为有利的是超出M。举例来说，并非接收天线阵列上的所有N个天线单元都可以定向于接收M个线性独立总和。同样，并非所有的接收总和都是足够线性独立的。

此外，如果存在产生妨碍的干扰或噪声源，则需要附加的混合矩阵秩来分离这些信号。分离干扰或噪声源的另一个优点是最终减小了信噪比，这样则可以提供更高的数据速率、更低的误差率和/或降低的传输功率。

出于以上两个原因，较为有利的是增大混合矩阵的秩，使之高出与可用通道数量相关联的M。除了通常的M之外，L个附加总和的增加可以提供更稳固的MIMO实施。依据可用于增加混合矩阵的装置，接收天线单元的数量仍旧可以小于标准的MIMO所具有的M，或者也可以增大到M或是更大，从而允许将混合矩阵秩增大到N+L＞M。

本发明的另一个方面涉及一种用于操作上述MI MO通信系统的方法。

附图说明

图1是根据本发明的MIMO通信系统的框图；

图2是图1所示的MIMO通信系统中的接收端部件的更详细框图；

图3是根据本发明并且基于为盲信号分离处理提供不同信号总和的阵列偏转来执行操作的MIMO接收机的框图；

图4是根据本发明并且基于为盲信号分离处理提供不同信号总和的路径选择来执行操作的MIMO接收机的框图；

图5是根据本发明并且基于为盲信号分离处理提供不同信号总和的扩展码来执行操作的MIMO接收机的框图；

图6是根据本发明并且基于为盲信号分离处理提供附加信号总和的同相和正交信号分量来执行操作的MIMO接收机的框图。

具体实施方式

在下文中将会参考这些显示了本发明优选实施方式的附图来对本发明进行更全面的描述。然而，本发明是可以采用多种不同形式实现的，并且不应该将其解释成是仅限于这里所阐述的实施方式。而提供这些实施方式是为使本公开更为全面和完整，并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在全文中，相同的编号始终指示的是相同的部件。

现在首先参考图1来描述MIMO通信系统20。该MIMO通信系统20包括发射机30、发射天线阵列32、接收机40以及接收天线阵列42。本领域技术人员很容易了解，发射机30和接收机40是可以用收发机替换的。由此，其各自的天线阵列32、42支持双向数据交换。然而为了描述本发明的目的，在这里所涉及的将会是发射机30和接收机40。

发射天线阵列32包括用于发射M个源信号34(1)-34(M)的M个天线单元31(1)-31(M)。其中举例来说，这些天线单元31(1)-31(M)可以在空间上是相关的。源信号34(1)-34(M)是用参考编号34概括性标引的，而天线单元33(1)-33(M)则是用参考编号33概括性标引的。

接收天线阵列42包括用于接收M个源信号的至少M个不同总和的N个天线单元43(1)-43(N)，其中N小于M。由于N＜M，因此在接收机40上可以使用小型天线阵列，同时仍旧可以得到稳固的MIMO通信系统20，如下文所述。天线单元43(1)-43(N)是用参考编号43概括性标引的。

在多径丰富的环境中使用了各自的天线阵列32、42，这样一来，由于在该环境中存在不同的散射体(建筑物、汽车、山坡等等)，因此每一个信号都会经历多径传播。每一条路径都可以视为不同的通信通道。因此，图1中的参考编号50代表了在发射和接收天线阵列32、42之间多个通道产生的散射环境。数据则是通过使用本领域中已知的时空编码(STC)传输方法而从发射天线阵列32发射。

除了M个源信号之外，在散射环境50的内部有可能存在来自干扰物37的L个干扰源信号35，这些干扰源信号干扰到预期源信号的分离。如下文中更详细描述的那样，那些用于增大混合矩阵的各种装置可以有利地用于填充混合矩阵，使之具有大于M的秩。

接收天线阵列42获取M个源信号34的M个不同总和，然后应用信号处理技术来分离这些信号。盲信号分离(BSS)处理器44与接收机40相连，用于形成包括M个源信号的至少M个不同总和的混合矩阵46，由此该混合矩阵具有至少等于M的秩。而盲信号分离处理器44则从混合矩阵46中分离出预期源信号。

如本专利申请中详细描述的那样，被归入盲信号分离处理的三种常用技术是主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)以及单一值分解(SVD)。只要信号在某些可测量特性方面独立，并且如果这些信号的信号总和相互之间是线性独立的，那么可以使用这些盲信号分离技术中的一种或多种而从源信号的混合中分离出独立或预期的源信号。这些可测量特性通常是信号的第一、第二、第三或第四个矩的某种组合。

PCA将会白化信号，并且将会使用第一和第二个矩，并且基于相关属性来旋转数据集合。如果源信号的信噪比很高，那么信号分离处理可以停止执行PCA。

如果源信号的信噪比很低，那么ICA将会基于包括源信号的第三和第四个矩在内的统计属性来分离源信号。某些源信号是高斯型的(Gaussian)，并且该原信号的第三和第四个矩是取决于第一和第二个矩的。随机噪声源也可以是高斯型的，并且扩频信号可以被设计成借助通过该扩频信号专用的扩展码之外的其它特性而向译码器显示高斯特性。在具体的条件下，由于中心极限定理，信号的集合有可能显示高斯特性。ICA方法则可以分离一个高斯信号。作为ICA和PCA的替换方式，SVD是基于源信号的特征值而从源信号的混合中分离出源信号的。

作为盲信号分离处理器的一种替换方式，信号分离处理器可以用于根据基于知识的处理信号提取处理而从混合矩阵中分离出预期源信号。其中举例来说，所述基于知识的信号分离处理是基于迫零(ZF)处理以及最小均方估计(MMSE)处理中的至少一种而从混合矩阵中分离预期源信号的。

现在将参考图2来对MI MO通信系统20的接收端上的不同部件进行更详细的论述。接收天线阵列42包括用于接收M个源信号34的至少M个不同总和的N个天线单元43(1)-43(N)，其中N和M都大于1并且N小于M。接收天线阵列42并不局限于任一特定结构。所述接收天线阵列42可以包括一个或多个天线单元43。其中举例来说，所述天线单元43则可以被配置为使得天线阵列形成相位阵列或切换波束天线。

为了构造混合矩阵46的目的，目标是创建不同的信号总和。在这种应用中，所关注的信号实际上可以始终低于干扰信号并且仍旧是分离的。由于在目的方面存在这种显著差异，因此，天线单元43之间的距离不必是有源和无源波束形成天线阵列通常需要的特定间距。

接收机40连接在接收天线阵列42的下游，用于接收M个源信号34的至少M个不同总和。盲信号分离处理器44则处于接收机40的下游。虽然处理器44被描述成是与接收机40分离的，但是该处理器也可以被包含在接收机内部。接收机40接收的M个源信号34的不同总和被用于填充混合矩阵46。然后，处理器60内部的一个或多个盲信号分离处理模块62、64和66将会对混合矩阵46进行处理。

所述盲信号分离处理模块包括PCA模块62、ICA模块64以及SVD模块66。这些模块62、64和66可以被配置成是盲信号分离处理器44的一部分。PCA模块62基于接收的源信号的不同总和中的第一和第二个矩而工作，然而ICA模块64则基于同一个信号的第三和第四个矩来工作。所述SVD模块66则基于接收源信号的不同总和的特征值来执行信号分离。

在一开始由PCA模块62执行的相关处理确定用于源信号的不同总和的初始分离矩阵68(1)，然后ICA模块64确定用于分离混合矩阵46中的源信号的增强的分离矩阵68(2)。如果信号是由SVD模块66分离的，则还确定分离矩阵68(3)，用于分离混合矩阵46中的接收源信号的不同总和。

来自每一个相应的分离矩阵68(1)-68(3)的分离的信号是用参考编号49表示的。分离的信号49然后通过信号分析模块70经过信号分析，以确定所关注的是哪些信号以及哪些信号是干扰信号。而应用相关处理模块72则会对信号分析模块70输出的信号进行处理。

关于所关注信号的判定未必总是包括所要译码的最终信号。举例来说，某个应用程序可能要求识别干扰信号，并且要求将干扰信号从接收的源信号的不同总和中减去，然后则将减小后的信号反馈到波形译码器。在这种情况下，所关注的信号是最后结束将被抛弃的信号。

混合矩阵46的秩确定了实际可以分离的信号的数量。例如，具有秩为4的混合矩阵意味着可以分离4个源信号。在理想情况下，混合矩阵46的秩应该至少等于信号源的数量M。所述秩越大，可以分离的信号就越多。随着源数量M的增大，所需要的天线单元的数量N也会增加。在背景技术部分中论述的`515专利公开的是接收机上的天线单元的数量N等于或大于发射机上的天线单元的数量M的情况，也就是说，N≥M。

接收天线阵列42利用N个天线单元33有利地接收M个源信号34的M个不同总和，其中N＜M。所述N个天线单元43产生至少M个不同的天线式样，用于接收M个源信号的M个不同总和。由接收天线阵列42上的N个天线单元43接收的M个源信号34的M个不同总和被用于填充混合矩阵46，以使该混合矩阵的秩至少等于M。

如上所述，混合矩阵46的秩确定实际可以分离的信号的数量。所述秩越大，可以分离的信号也就越多。因此，具有N个天线单元43并且所述N个天线单元少于发射天线阵列32中的M个天线单元33的小型接收天线阵列42，可以供MIMO接收机40使用，同时仍旧可以提供稳固的MIMO通信系统20。

虽然支持具有M个发射天线单元34的完整的MIMO实施方式最少需要M个线性独立的总和，但是较为有利的是超出所述M。举例来说，并非接收天线阵列42上的所有N个天线单元43都可以定向于接收M个线性独立总和。同样，并非所有的接收的总和都是足够线性独立的。除了所分离的M个已知的信号流之外，在这里还有可能存在L个其它信号，这些信号将会降低信噪比。

因此，当可能时将混合矩阵的秩增大到M+L是较为有利的。对干扰或噪声源的分离的另一个益处是最终降低了信噪比，这样则可以提供更高的数据速率、更低的误差率和/或降低的传输功率。

例如，在这里有可能存在L个干扰源信号35，这些信号会对从混合矩阵中分离出预期源信号34的处理产生干扰，其中L大于1。如果在不必添加附加天线单元的情况下将混合矩阵秩的增大用尽，那么，添加至少一个附加天线单元可以提供附加手段来增大混合矩阵的秩。附加单元的添加可能仍旧使单元数量低于标准的MIMO方法中的M，此外该处理也有可能返回到等于M的单元数量，甚至会使单元数量超过M。但是根据通过增大混合矩阵的秩所获取的增益，即使这种处理增加了接收机天线单元的数量，但是这种处理仍旧是值得的。例如，与使用标准处理MIMO接收机的M单元的实施方式相比，秩为M+L并且需要M个单元的混合矩阵通常是一种更好的实施方式。然而，出于描述本发明的目的，以下论述将集中于M个源信号。

接收天线阵列42可以具有多个不同的实施方式。所述N个天线单元43可以是相关的，用于形成相位阵列。在另一个实施方式中，所述N个相关天线单元43可以包括至少一个有源天线单元以及至多N-1个无源天线单元，由此形成的是切换波束天线。此外，在N个相关天线单元中，至少有两个天线单元可以具有不同的极化。

接收天线阵列42的其它实施方式对所接收的M个源信号的M个不同总和具有乘法器效应。非常有利的是，这种效应允许进一步增大混合矩阵46的秩，但却不必增加接收天线阵列42中的N个天线单元43的数量。通过增大混合矩阵46的秩，盲信号分离处理器44可以分离更多的信号。

作用于所接收的M个源信号的M个不同总和的数量的乘法器效应可以使用下列处理中的一种或是这些处理的组合来实现。阵列偏转处理包括改变天线单元的高度，用于接收源信号34的附加总和。此外也可以执行路径选择处理，以使用于填充混合矩阵46的源信号34的所有总和都是相关的和/或统计上独立的。信号分裂也可用于进一步填充混合矩阵46。不同的总和信号可以用扩展码分裂，并且可以分裂成同相(I)和正交(Q)分量。

现在将参考图3-6来对接收天线阵列的不同实施方式进行更详细的描述。现在参考图3，其中将对阵列偏转进行论述。接收天线阵列142包括N个天线单元143，以产生N个用于接收M个源信号的N个不同总和的初始天线式样。接收天线阵列142还包括高度控制器141，用于有选择地改变N个初始天线式样中至少一个式样的高度，以产生至少一个附加天线式样，由此接收所述M个源信号中至少一个附加的不同总和。

接收机140与接收天线阵列142相连，并且使用N个初始天线式样来接收M个源信号的N个不同总和，并且该接收机140还使用至少一个附加天线式样来接收M个源信号的至少一个附加的不同总和。

盲信号分离处理器144与接收机140相连，用于形成包括M个源信号的N个不同总和以及M个源信号的至少一个附加的不同总和的混合矩阵146。该混合矩阵的秩等于N与使用附加天线式样所接收的M个源信号的附加不同总和的数量之和。最终得到的混合矩阵146的秩至少等于M。而处理器144则从混合矩阵146中分离出预期信号。

通常，任何一种提供了适于增加混合矩阵的秩的信号总和的天线阵列装置都可以与偏转机制结合使用。所述偏转会为每一个天线阵列装置产生两个不同的混合矩阵可用信号总和。因此，通过使用这种技术，可以产生2倍乘法器的效果。

如果将阵列偏转分割成与天线相关联的K个不同区域，那么这K个区域中的每一个都可以提供2个独立的偏转区域以及混合矩阵条目。例如，如果天线阵列自身可以提供N个总和并且存在K个不同的偏转区域，那么混合矩阵中的信号总和的数量可以是2NK。

参考图4来描述基于路径选择由M个信号源所提供的源信号的分离。接收天线阵列242包括N个单元243，以形成用于接收M个源信号的至少N个不同总和的至少N个天线波束，其中N和M全都大于2。

控制器250与该天线阵列242相连，用于有选择地形成至少N个天线波束。接收机部件240与天线阵列242相连，用于接收M个源信号的至少N个不同总和。盲信号分离处理器244则与接收机部件240相连，用于形成包括M个源信号的至少N个不同总和的混合矩阵246。

盲信号分离处理器244还确定M个源信号的不同总和是否是相关的或者在统计上是独立的，如果不是，那么该处理器将会与控制器250进行协调，以形成用于接收M个源信号的新的不同总和以替换混合矩阵246中不相关或者在统计上不独立的M个源信号的不同总和的不同波束。由此，源信号的至少M个不同总和被接收，这样混合矩阵的秩至少等于M。然后，预期源信号从混合矩阵246中分离出来。

Rake接收机是一种被设计成应对多径衰落效应的无线电接收机。该接收机是通过使用若干个独立接收机来完成这种处理的，其中每一个接收机都具有轻微延迟，以调谐到单个多径分量。这种接收机可以为大多数类型的无线电接入网络所使用。已经发现该接收机对扩展码类型的调制来说是非常有益的。该接收机具有选择特定入射信号路径的能力，这种能力使得该接收机适合充当用于改变反馈到盲信号分离处理器244的路径的装置。

本领域技术人员很容易了解，上述有选择地形成N个天线波束的处理是适用于所有的无线电接入网络的。对CDMA系统来说，接收机部件240包括N个Rake接收机256。每一个Rake接收机256都包括k个分支，用于为由与该接收机相连的相应天线单元所接收的M个源信号的N个不同总和中的每一个来选择k个不同的多径分量。在这种结构中，盲信号分离处理器244与N个Rake接收机256相连，用于形成混合矩阵246。该混合矩阵246包括M个源信号的至少N个不同总和的多达至少kN个不同多径分量，并且该混合矩阵的秩等于kN，其中kN至少等于M。

特别地，当CDMA波形传播的时候，它们经常会遭遇到从源到目的地的多条路径。Rake接收机256则被专门设计成获取众多的这种单个实例并将其组合在一起，用于进行更稳定的信号译码。在原始信号沿着每一条路径传播的时候，该原始信号的属性被路径的唯一特性所修改。在某些环境中，针对接收信号相关性和/或统计属性的修改将会足够大，以致于可以将这些信号视为是可分离的信号流。修改后的Rake接收机256可以用于提取每一个修改后的流，并且将其作为唯一条目馈送到混合矩阵246中。虽然这种用于提升秩的手段并不是始终可用的，但在最有可能需要用到这种手段的多径效应很高的环境中，该手段往往是可用的。

虽然Rake接收机256可以利用不同的路径，但是适用于任何调制技术的更通用方法是波束形成。由于波束形成是用于预期信号增强以及预期信号拒绝的，因此它与Rake接收机256是存在差别的。然而这种差别在于被拒绝的信号实际上有可能是预定给该接收机的信号的另一个变形。但是，接收机部件240需要检测同一个信号的多个唯一传播路径变形，以构建具有足购的秩的混合矩阵246。

信号分裂同样可以用于进一步填充混合矩阵A。在一种方法中，总和信号是用扩展码分裂的。在另一种方法中，总和信号是用同相(I)和正交(Q)模块分裂的。

现在将参考图5来描述使用扩展码的信号分裂。接收天线阵列342包括N个天线单元343，用于接收M个源信号的至少N个不同总和。码解扩器350与N个天线单元343相连，用于对M个源信号的至少N个不同总和进行译码。N个不同总和中的每一个都包括k个码，用于提供与码解扩器关联的M个源信号的k个不同总和。

接收机部件340与码解扩器350相连，用于接收M个源信号的至少kN个不同总和。盲信号分离处理器344与接收机部件340相连，用于形成包括M个源信号的至少kN个不同总和的混合矩阵346。该混合矩阵346的秩至多等于kN，并且最终得到的秩等于M。而所述盲信号分离处理器344则从混合矩阵346中分离出预期源信号。

依据所接收的信号的调制，上述信号分裂可以用于增大混合矩阵的秩，但却不会增加天线单元的数量N。CDMA IS-95、CDMA2000以及WCDMA都是使用了扩展码的扩频通信系统的实例。其中一种常用的思路是利用各个信号来对唯一的码进行处理，以将数据扩展到较大频带上。

相同的扩展码可以利用接收信号总和(预期信号、非预期信号以及未知噪声源)来进行处理。这样做可以将预期信号重构到它的原始频率带宽中，而干扰则被扩展在了很宽的频段中。

上文列举的CDMA实施方式实际上可以具有同时使用相同频段的多个信号流。每一个信号流都使用了码，在理想情况下，这个码与所有其它的码都是正交的。如果在译码器上满足这个条件，则意味着所解扩的仅仅是所关注的信号。

在CDMA信号之间通常是存在某种相关性的，因此，有些干扰信号会与预期信号一起被重构。这通常是因为单个信号遭到的延迟，此外还因为信号的多径发生。对某些非预期信号，尤其是CDMA非预期信号来说，这些信号的值将会增大。就预期信号而言，这种增大并不是非常显著，但这将会增大总的噪声值，由此将会降低信噪比。

解扩信号等式以及信号自身的形式都满足盲信号分离处理的规则。实际上，如果将其中一个解扩码单独应用于接收机部件340接收的每一个已知信号，那么可以获取满足ICA模型需求的单独总和。

因此，可用于混合矩阵的行条目的数量与已知码是一样多的，当然，这其中将会假设它们每一个都会产生线性独立性显著的值。在恰当的情况下，这样做可以允许将混合矩阵增大到某个大于码数量的值。例如，N个天线单元和M个码可以提供NM个矩阵行。

出于例证目的，在这里假设有三个码是已知的，并且这三个已知码信号保持它们的正交性。在码解扩器350中，混合矩阵A具有顶端的3行以及底端的3行，其中每一个都是在由三个已知码解扩每一个流之后由天线流产生的。处于非对角线位置的0值是由于码的正交性而产生的。列条目4、5和6对应的是具有相同索引的未知信号的一般情况。

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\\ x_4\\ x_5\\ x_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{a}_{11}& 0& 0& a_{14}& a_{15}& a_{16}\\ 0& a_{22}& 0& a_{24}& a_{25}& a_{26}\\ 0& 0& a_{33}& a_{34}& a_{35}& a_{36}\\ a_{41}& 0& 0& a_{44}& a_{45}& a_{46}\\ 0& a_{52}& 0& a_{54}& a_{55}& a_{56}\\ 0& 0& a_{63}& a_{64}& a_{56}& a_{66}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ s_3\\ s_4\\ s_5\\ s_6\end{array}\right]$

与列条目4、5和6相对应的信号可以是已知码的其它路径版本，此外也可以是未知码的其它单元信号。同样，某一个信号可以是高斯型的，其它信号则可以是遵循中心极限定理的CDMA信号组，由此它们是作为诸如release 4通道之类的单个高斯信号出现的。换句话说，足够数量的非随机信号将会合成高斯信号。干扰则可以是非高斯信号源，或者是不为网络所知的至多一个高斯信号。

当在码解扩器350中解扩了已知码之后，盲信号分离处理器344接收秩为6的混合矩阵346。由于有3个码是已知的，因此这个大小为6的秩是基于2个天线单元与大小为3的因子相乘而推导得到的。

应用于盲信号分离处理器344的是6个信号，并且其中形成的是秩为6的混合矩阵346。所述盲信号分离处理器344仅仅从由信道：x＝As修改而接收的信号中确定分离矩阵W，其中A是所述混合矩阵。在例证实施方式中，6个信号都是可以分离的。

盲信号分离处理器344选择所要译码的信号，举例来说，干扰信号有可能被删去，并且预期信号的所有版本都被选定。所选定的信号将被施加到解调器模块，用于进行解调。该解调器使用的则是用于组合同一信号的多径版本的公知均衡技术。

实际上，在更普遍的情况下，上文中为了清楚起见而被显示为零的非对角线值有可能是非零的。这种情况在编码信号相关属性并不完美的时候更为常见。该情况可以代表涉及每一个被分离信号的附加噪声。然而如先前所示，矩阵的秩是足以分离这些信号的，因此，在经过盲信号分离处理之后，这些值将会显著减小。该处理可以导致噪声减小、信噪比增大，此外如香农定理所示，这种处理可以增大信道容量。

现在参考图6，另一种在不增加天线单元数量N的情况下提升混合矩阵A的秩的方法是将接收到的混合信号分离成它的同相(I)和正交(Q)分量。相干RF信号的I和Q分量是幅度相同但是相位相差90度的分量。

接收天线阵列442包括N个天线单元443，用于接收M个源信号的至少N个不同总和。相应的同相和正交模块450处于每一个天线单元443的下游，用于将由此接收的M个源信号的N个不同总和中的每一个分离到同相和正交分量集合中。

接收机部件440处于每一个相同和正交模块450的下游，用于接收M个源信号的至少N个不同总和所具有的至少N个同相和正交分量。而盲信号分离处理器444则处于接收机部件440的下游，用于形成包括M个源信号的至少2N个不同总和的混合矩阵446。每一个同相和正交分量集合都提供了2个输入到混合矩阵446的输入。混合矩阵446的秩则等于多达2N，并且所述盲信号分离处理器444从混合矩阵512中分离出预期源信号514。

通过将接收到的混合信号分离成I和Q分量，可以将混合矩阵的尺寸增大2倍。只要是使用不同数据流来对I和Q分量进行编码，那么在任何天线单元上接收的混合信号都可以分裂成两个不同的混合信号。

在执行微分编码的情况下，需要对调制特性进行分析，以确定I和Q是否满足线性度需求。举例来说，正如为GSM所显示的那样，在将GMSK编码与恰当的滤波结合使用并且在接收机中将所述GMSK编码当作BPSK编码来进行处理的时候，这时可以假设所述GMSK编码是线性的。由于BPSK满足盲信号分离处理的需求，描述的I和Q处理可以被使用。

I和Q分量可以与任何一种上述天线阵列的实施方式结合使用，以填充混合矩阵A。在使用I和Q的时候，这时可以像2倍于所用天线单元数量的情况那样填充混合矩阵A。该天线单元可以具有任何分集形式，例如不相关、相关或极化。对N个天线单元来说，其中每一个单元的信号总和都分裂成了I和Q分量，而这些天线单元则会提供2N个独立混合信号总和。由此，混合矩阵的秩是2N，其中2N至少等于或大于M。

这种机制同样可以与天线阵列偏转技术结合使用，用于创建更多的信号总和。这其中的每一个总和转而可以分离成I和Q分量。来自I和Q分量的因子2、N个天线单元以及用于天线阵列的K个偏转区域则可以为混合矩阵提供2kN个总和。

得益于上文的描述以及相关附图中给出的教导，本领域技术人员能够想到本发明的多种修改和其它实施方式。由此应该理解，本发明并不局限于所公开的特定实施方式，并且这些修改和实施方式应该包含在所附权利要求的范围以内。

Claims (25)

1.一种多输入多输出(MIMO)通信系统，包括：

发射机；

与所述发射机相连的发射天线阵列，该发射天线阵列包括用于发射M个源信号的M个天线单元；

接收机；

与所述接收机相连的接收天线阵列，该接收天线阵列包括用于接收M个源信号的至少M个不同总和的N个天线单元，其中N小于M；以及

与所述接收机相连的信号分离处理器，用于形成包括M个源信号的至少M个不同总和的混合矩阵，由此该混合矩阵的秩至少等于M；

所述信号分离处理器用于从该混合矩阵中分离出预期源信号。

2.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中存在L个干扰源信号并且这些干扰源信号干扰到从混合矩阵中预期源信号的分离，并且L大于1；其中除了M个源信号的M个不同总和之外，所述混合矩阵还将它的秩增大L个总和，由此该混合矩阵的秩至少等于M+L。

3.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中所述接收天线阵列包括N个相关天线单元，用于形成相位阵列。

4.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中所述接收天线阵列包括N个相关天线单元，所述N个相关天线单元包括至少一个有源天线单元以及至多N-1个无源天线单元，用于形成切换波束天线。

5.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中M个源信号的每一个总和都是线性的。

6.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中所述接收天线阵列包括N个相关天线单元，并且所述N个相关天线单元中的至少两个具有不同的极化。

7.根据权利要求6所述的MIMO通信系统，其中不同的极化是相互正交的。

8.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中所述接收天线阵列产生N个初始天线式样，用于接收M个源信号的至少N个不同总和；并且该MIMO通信系统进一步包括与所述接收天线阵列相连的高度控制器，用于有选择地改变N个初始天线式样中至少一个的高度，从而产生至少一个附加不同天线式样用于接收M个源信号的至少一个附加总和；并且其中该混合矩阵还包括M个源信号的至少一个附加不同总和，所述混合矩阵的秩等于N与使用附加天线式样所接收的M个源信号的附加不同总和的数量之和，并且最终得到的秩至少等于M。

9.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中所述接收天线阵列产生至少N个天线波束，用于接收M个源信号的至少N个不同总和，所述N和M全都大于2；并且该MIMO通信系统进一步包括与所述接收天线阵列相连的控制器，用于有选择地形成至少N个天线波束；所述信号分离处理器还：

确定M个源信号的不同总和是否是相关的或者在统计上是独立的，如果不是的话，那么

与所述控制器进行协调，以形成用于接收M个源信号的新的不同总和以替换混合矩阵中不相关或者在统计上不独立的M个源信号的不同总和的不同波束，由此所述混合矩阵的秩至少等于M。

10.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，还包括与所述N个天线单元相连的码解扩器，用于译码M个源信号的至少N个不同总和，这N个不同总和中的每一个都包括k个码，用于提供k个不同的总和；其中所述接收机与所述解扩器相连，用于接收M个源信号的至少kN个不同总和；以及其中所述信号分离处理器形成的是包括M个源信号的至少kN个不同总和的混合矩阵，并且最终得到的秩至少等于M。

11.根据权利要求1所述的MI MO通信系统，还包括连接在所述接收天线阵列中每一个天线单元下游的相应的同相和正交模块，用于将由此接收的M个源信号的M个不同总和中的每一个分离到同相和正交分量集合中；以及其中所述信号分离处理器形成的是包括M个源信号的至少2N个不同总和的混合矩阵，每一个同相和正交分量集合都提供了2个输入到混合矩阵的输入，并且最终得到的秩则至少等于2N，其中2N至少等于M。

12.根据权利要求1所述的MI MO通信系统，其中所述信号分离处理器包括盲信号分离处理器，并且该处理器基于主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)以及单一值分解(SVD)中的至少一种而从混合矩阵中分离出预期源信号。

13.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中所述信号分离处理器根据基于知识的处理信号提取处理而从混合矩阵中分离出预期源信号。

14.根据权利要求13所述的MIMO通信系统，其中基于知识的信号分离处理基于迫零(ZF)处理和最小均方估计(MMSE)处理中的至少一种而从混合矩阵中分离出预期源信号。

15.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其中所述信号分离处理器是以基于知识的信号提取处理以及盲信号分离处理的结合为基础而从混合矩阵中分离出预期源信号的。

16.一种用于操作多输入多输出(MIMO)通信系统的方法，该方法包括：

从与发射机相连的发射天线阵列发射M个源信号，该发射天线阵列包括用于发射M个源信号的M个天线单元；

使用包括N个天线单元的接收天线阵列来接收M个源信号的至少M个不同总和，其中N小于M；

将M个源信号的至少M个不同总和提供给接收机；以及

与接收机相连的盲信号分离处理器对M个源信号的至少M个不同总和进行处理，该处理包括：

形成包括M个源信号的M个不同总和的混合矩阵，从而该混

合矩阵的秩至少等于M，以及

从混合矩阵中分离出预期源信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中存在L个干扰源信号并且这些干扰源信号干扰到从混合矩阵中预期源信号的分离，并且L大于1；除了M个源信号的至少M个不同总和之外还包括L个附加总和，由此混合矩阵的秩至少等于M+L。

18.根据权利要求17所述的方法，其中接收天线阵列包括N个相关天线单元，用于形成相位阵列。

19.根据权利要求17所述的方法，其中接收天线阵列包括N个相关天线单元，所述N个相关天线单元包括至少一个有源天线单元以及至多N-1个无源天线单元，用于形成切换波束天线。

20.根据权利要求17所述的方法，其中接收天线阵列包括N个相关天线单元，并且所述N个相关天线单元中的至少两个具有不同的极化。

21.根据权利要求17所述的方法，其中接收天线阵列产生N个初始天线式样，用于接收M个源信号的至少N个不同总和；以及进一步包括与所述接收天线阵列相连的高度控制器，用于有选择地改变N个初始天线式样中至少一个的高度，从而产生至少一个附加不同天线式样用于接收M个源信号的至少一个附加总和；其中该混合矩阵还包括M个源信号的至少一个附加不同总和，所述混合矩阵的秩等于N与使用附加天线式样所接收的M个源信号的附加不同总和的数量之和，并且最终得到的秩至少等于M。

22.根据权利要求17所述的方法，其中接收天线阵列产生至少N个天线波束，用于接收M个源信号的至少N个不同总和，所述N和M全都大于2；以及进一步包括与所述接收天线阵列相连的控制器，用于有选择地形成至少N个天线波束；所述盲信号分离处理器还：

确定M个源信号的不同总和是否是相关的或者在统计上是独立的，如果不是的话，那么

与所述控制器进行协调，以形成用于接收M个源信号的新的不同总和以替换混合矩阵中不相关或者在统计上不独立的M个源信号的不同总和的不同波束，由此所述混合矩阵的秩至少等于M。

23.根据权利要求17所述的方法，还包括与所述N个天线单元相连的码解扩器，用于译码M个源信号的至少N个不同总和，这N个不同总和中的每一个都包括k个码用于提供k个不同的总和；其中所述接收机与所述解扩器相连，用于接收M个源信号的至少kN个不同总和；以及其中所述盲信号分离处理器形成的是包括M个源信号的至少kN个不同总和的混合矩阵，并且最终得到的秩至少等于M。

24.根据权利要求17所述的方法，还包括连接在所述接收天线阵列中每一个天线单元下游的相应的同相和正交模块，用于将由此接收的M个源信号的M个不同总和中的每一个分离到同相和正交分量集合中；以及其中所述盲信号分离处理器形成的是包括M个源信号的至少2N个不同总和的混合矩阵，每一个同相和正交分量集合都提供了2个输入到混合矩阵的输入，并且最终得到的秩至少等于2N，其中2N至少等于M。

25.根据权利要求17所述的方法，其中从混合矩阵中分离出预期源信号是以基于知识的信号提取处理以及盲信号分离处理中的至少一种为基础的。

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