CN101385249A - 支持多输入多输出通信系统的图案多样性和相关方法 - Google Patents

Abstract

一种多输入多输出通信系统，包括发射机和与发射机同步的接收机。该发射机改变基于时隙的每个分层的空间数据流的能量级。到达接收机的数据流有各种能量级，这为接收信号的信号分离处理填充混合矩阵提供了适当的差别。

Description

支持多输入多输出通信系统的图案多样性和相关方法

技术领域

本发明涉及通信系统领域，更进一步，本发明涉及一种使用压缩天线阵列操作的多输入多输出(MIMO)通信的接收机。

背景技术

多输入多输出无线通信的系统包括位于发射机的多个天线元件和位于接收机的多个天线元件。在发射机和接收机基于与之相关的天线元件而形成各自的天线阵列。

天线元件用在多径丰富的无线环境中，所以由于环境中各种散射物体的存在，每个信号都经过多径传播。接收天线元件捕获发射的信号，并且然后信号处理技术被应用以分离发射的信号并恢复用户数据。

信号处理技术可以是盲源分离(BSS)方法。这种分离是“盲的”，是因为该方法经常只利用关于发射信号、发射信号的源和传播信道对发射信号的影响的有限信息而被执行。三种普遍使用的盲信号分离的技术是主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)和奇异值分解(SVD)。

多输入多输出通信系统在使发射机和接收机之间的无线链路的容量得到改善的方面是有优势的。多径丰富环境使多个正交信道在其中产生。对于单一用户的数据可以在空中同时并行地通过这些信道并使用相同的带宽而被发射。

当前的多输入多输出通信系统使用空间分集天线元件，因此可以形成的正交信道的数量不会减少。这样实施的问题是多输入多输出通信系统的性能通常与使用的天线元件的数量是成比例的。

天线元件的数量的增加会增加用于多输入多输出通信系统的天线阵列的规模。当多输入多输出接收机在小型便携通信设备中实施时，对大量的天线元件而言没有可用的空间，并且在通信设备之外安装天线元件对用户来说也是个问题。

在美国专利No.6,870,515中公开了一种为多输入多输出接收机提供更紧凑的天线阵列的方法。取代空间分集的天线的使用，而使用极化分集。由于使用了相隔很近的天线元件，可以为多输入多输出接收机提供一种紧凑的天线阵列。

即使提供了更紧凑的天线阵列，多输入多输出通信系统的性能仍然基于等于或大于位于发射机处的天线元件的数量的位于接收机处的天线元件的数量。例如，该No.6,870,515专利公开了接收天线元件的数量等于或大于发射天线元件的数量。

此外，如果两个或更多的接收到的信号在一个角距离上很接近，由多输入多输出接收机产生的不同天线图案可能不足以判断接收到的信号中的不同。即使使用波束成形，使波束足够窄或使得校正(bore sight)可调整都不是实用的或成本优化的。因此，存在保持一些天线元件来区分这些信号的需要。

发明内容

考虑到上述背景，本发明的一个目标是相对于位于多输入多输出发射机处的天线元件的数量减少位于多输入多输出接收机处的天线元件的数量，且仍然提供一种鲁棒的(robust)多输入多输出通信系统。

本发明的这个和其它目标、特征和优点是由一种多输入多输出通信系统提供的，该多输入多输出通信系统包括发射机，用于在一时间间隔期间产生M个源信号，其中对于T个时间间隔都产生M个源信号，并且在每个时间间隔内M个源信号中至少一个的能量级是不同的。发射天线阵列被连接到该发射机，并且该发射天线阵列可以包括M个天线元件以发射所述M个源信号。

接收机与所述发射机是同步的。接收天线阵列被连接到该接收机，并且该接收天线阵列可以包括N个天线元件以在每个时间间隔期间接收所述M个源信号的至少N个不同的和，其中对于每个时间间隔的至少N个不同的和是线性无关的，用于对于T个时间间隔提供至少T*N个不同的和。信号分离处理器可以被连接到所述接收机并形成混合矩阵，该混合矩阵包括M个源信号的多达至少T*N个不同的和。混合矩阵的秩等于至少T*N。信号分离处理器从混合矩阵中分离预期的源信号。

在每个时间间隔中具有不同的能量级的M个源信号的至少一个可以包括多个在每个时间间隔有不同能量级的M个源信号。对于每个时间间隔的M个源信号中的多于一个信号中改变能量级使得混合矩阵更容易在T个时间间隔内被填充(populate)。接收天线阵列优选使用N个天线元件接收M个源信号的至少N个不同的和，其中N<M，但是T*N≥M，因此混合矩阵的秩至少等于M。

混合矩阵的秩确定了多少个信号可以实际被分离。秩越大，越多信号可以被分离。因此，具有N个天线元件的紧凑的天线阵列(少于发射矩阵的M个天线元件)可以被多输入多输出接收机使用，而仍然提供鲁棒的多输入多输出通信系统。

多输入多输出通信系统可以被配置为多输入多输出-正交频分多路复用(MIMO-OFDM)通信系统，每个源信号在T个时间间隔期间包括多个子载波。对于每个源信号的子载波可以被分为多个组，并且子载波的相邻组有不同的能量级。在一个实施方式中，对于每个源信号的多个子载波的各自的能量包络是恒定的。在另一个实施方式中，对于每个源信号的多个子载波的各自的能量包络是以已知的顺序而变化的，因此接收机可以追踪子载波组。

存在接收天线阵列的多个不同的实施方式。N个天线元件可以相关，用于形成相控阵列。在另外的实施方式中，N个相关的天线元件可以包括至少一个有源天线元件和至多N-1个无源天线元件，用于形成波束切换天线。另外，N个相关的天线元件的至少两个可以具有不同的极性。

接收天线阵列的其它实施方式可以对接收到的M个源信号的N个不同的和具有乘数效应。这优选的允许混合矩阵的秩进一步增加而不必增加接收天线阵列中的N个天线元件的数量。通过增加混合矩阵的秩，更多的信号可以被盲信号分离处理器分离。

对接收到的M个源信号的N个不同的和的数量的乘数效应可以使用下述中的一个或多个的组合完成。阵列偏转，涉及改变天线图案的仰角，用于接收源信号的额外的和。路径选择，被执行以便用于填充混合矩阵的源信号的所有的和是相关的和/或统计独立的。信号分裂，被用来进一步填充混合矩阵。不同的和信号可以使用扩展码被分裂，或分裂为同相(I)分量和正交(Q)分量。

信号分离处理器可以是盲信号分离处理器。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)和奇异值分解(SVD)中的至少一种从混合矩阵中分离预期的源信号。

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方法而从混合矩阵中分离出预期的源信号。基于知识的信号分离方法可以基于迫零(ZF)方法、最小均方估计(MMSE)方法中的至少一种而从混合矩阵中分离预期的信号。

本发明的另一方面旨在一种用于操作上述多输入多输出通信系统的方法。

附图说明

图1是根据本发明的多输入多输出通信系统的框图；

图2是在图1中显示的多输入多输出通信系统的接收端处的元件的更详细的框图；

图3是根据本发明的用于为盲信号分离方法提供信号不同的和的基于阵列偏转的多输入多输出接收机的框图；

图4是根据本发明的用于为盲信号分离方法提供信号不同的和的基于路径选择的多输入多输出接收机的框图；

图5是根据本发明的用于为盲信号分离方法提供信号额外的和的基于扩展码的多输入多输出接收机的框图；

图6是根据本发明的用于为盲信号分离方法提供信号额外的和的基于同相和正交信号分量的多输入多输出接收机的框图；

图7是根据本发明的多输入多输出发射机的框图；

图8是根据本发明的多输入多输出接收机的框图；

图9是根据本发明的多输入多输出-正交频分多路复用发射机的框图；

图10是根据本发明的多输入多输出-正交频分多路复用接收机的框图。

具体实施方式

在下文中将会参考其中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，本发明也可以以多种不同形式实施，并且不应该被解释成是受限于这里阐述的实施方式。与之相反的是，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，相同的数字指示的是相同的元件。

首先参考图1，描述了一种多输入多输出通信系统20。该多输入多输出通信系统20包括发射机30、发射天线阵列32、接收机40和接收天线阵列42。本领域技术人员容易意识到，发射机30和接收机40可以被替换为收发信机。因此，它们各自的天线阵列32、42支持双向数据交换。然而，为本发明示例的目的，将针对发射机30和接收机40做出参考。

发射天线阵列32包括M个天线元件33(1)-33(M)，用于发射M个源信号34(1)-34(M)。例如，天线元件33(1)-33(M)可以是空间相关的。源信号34(1)-34(M)可以统一用参考数字34表示，而天线元件33(1)-33(M)可以统一用参考数字33表示。

接收天线阵列42包括N个天线元件43(1)-43(N)，用于接收所述M个源信号的至少N个不同的和，其中N小于M。由于N<M，在接收机40可以使用紧凑的天线阵列而同时仍然可以获得鲁棒的多输入多输出通信系统20，如下面将要更详细论述的。天线元件43(1)-43(N)可以统一用参考数字43表示。

各个天线阵列32、42被使用在多径丰富环境中，这样由于环境中各种散射物体的存在(建筑物、车辆、山丘等)，每个信号都经历多径传播。每个路径都被认为是不同的通信信道。因此，图1中的参考数字50表示了散射环境导致的在发射天线阵列32与接收天线阵列42之间的多信道。数据从发射天线阵列32使用本领域公知的空时编码(STC)传输方法来传输。

除了M个源信号之外，来自干扰37的L个干扰源信号35可能存在于散射环境50中，用于干扰预期的源信号的分离。增加混合矩阵的各种方式可以有益于用来填充其秩超过M的混合矩阵，如下面将要更详细论述的。

接收天线阵列42捕获M个源信号34的N个不同的和，并且应用信号处理技术来分离信号。盲信号分离(BSS)处理器44被连接到接收机40以形成混合矩阵46，该混合矩阵46包括M个源信号的至少M个不同的和，以便混合矩阵的秩等于至少M。盲信号分离处理器44从混合矩阵46中分离出预期的源信号。

如美国专利申请No.11/232,500中更详细论述的，其全部内容结合在此作为参考，被归入盲信号分离的三种普遍使用的技术是主分量分析(PCA)、独立分量分析(ICA)和奇异值分解(SVD)。只要信号在某些可测量特征方面是独立的，并且如果它们的信号和是彼此线性无关的，这些盲信号分离技术中的一个或多个可以被用于从源信号的混合中分离无关或预期的源信号。可测量的特征往往是信号的第一、第二、第三或第四矩(moment)。

PCA白化这些信号，使用第一和第二矩，并基于相关属性旋转数据集。如果源信号的信噪比较高，则信号分离过程会停止做PCA。

如果源信号的信噪比较低，则ICA基于包括源信号第三和第四矩的统计属性分离源信号。有些源信号是高斯性的，并且它们的第三和第四矩是与第一和第二矩相关的。随机噪声源可以是高斯性的，并且扩展频谱信号被设计为对解码器呈现高斯性，而不是它们特定的扩展码。在特定条件下，信号的集合由于中心极限定理可以呈现高斯性。ICA方法可以分离一个高斯信号。作为ICA和PCA的替换，SVD基于信号特征值而从源信号的混合中分离出源信号。

作为盲信号分离处理器的替换，信号分离处理器可以用于根据基于知识的处理信号提取方法而从混合矩阵中分离出预期的源信号。基于知识的信号分离方法例如基于迫零(ZF)方法和最小均方估计(MMSE)方法中的至少一种来从混合矩阵中分离出预期的信号。

所述多输入多输出通信系统20的接收端的不同元件将参考图2做更详细的论述。接收天线阵列42包括N个天线元件43(1)-43(N)，用于接收M个源信号34的至少N个不同的和，其中N和M都大于1而且N小于M。接收天线阵列42不限于任何特定的配置。接收天线阵列42可以包括一个或更多的天线元件43。天线元件43可以被配置以便天线阵列形成例如相控阵列或波束切换天线。

为了构建混合矩阵46，目标是创建信号的不同的和。本申请中所感兴趣的信号实际上可能总是低于干扰且仍然是分离的。由于目的上的明显不同，天线元件43之间的距离不需要像有源和无源波束成形天线阵列所需要的那样的特定分离。

接收机40被连接到接收天线阵列42的下游，用于接收M个源信号34的至少N个不同的和。盲信号分离处理器44位于接收机40的下游。即使处理器44被显示为与接收机40相分离，该处理器也可以被包含在接收机中。由接收机40收到的M个源信号34的不同的和被用来填充混合矩阵46。混合矩阵46然后被处理器44内的一个或多个盲信号分离处理模块62、64和66来处理。

盲信号分离处理模块包括PCA模块62、ICA模块64和SVD模块66。这些模块62、64和66可以被配置为盲信号分离处理器44的一部分。PCA模块62基于接收到的源信号的不同的和的第一和第二矩而工作，而ICA模块64基于同一信号的第三和第四矩而工作。SVD模块66基于接收到的源信号的不同的和的特征值来执行信号分离。

由PCA模块62最初执行的相关处理确定对于源信号的不同的和的初始分离矩阵68(1)，而ICA模块64则确定用于分离混合矩阵46中的源信号的增强分离矩阵68(2)。如果信号由SVD模块66分离，则同样确定用于分离混合矩阵46中的接收到的源信号的不同的和的分离矩阵68(3)。

来自每个各自的分离矩阵68(1)-68(3)的分离的信号由参考数字49表示。分离的信号49然后经历由信号分析模块70进行的信号分析，以确定哪个信号是感兴趣的以及哪个信号是干扰。应用相关处理模块72处理信号分析模块70输出的信号。

关于哪个信号是感兴趣的确定并不总是包括待被解码的最终信号。例如，本申请要求识别干扰并从接收的源信号的不同的和中提取干扰，然后将缩减后的信号反馈到波形解码器。这种情况下，感兴趣的信号是最终被拒绝的那些信号。

混合矩阵46的秩确定了多少个信号可以实际被分离。例如，混合矩阵秩为4则意味着4个源信号可以被分离。理想的情况下，混合矩阵46的秩应该至少等于信号源的数量M。秩越大，则越多信号可以被分离。随着源的数量M增加，需要的天线元件的数量N也增加。背景技术部分中讨论的美国专利No.6,870,515公开了位于接收机处的天线元件的数量N等于或大于位于发射机处的天线元件的数量M，即N≥M。

接收天线阵列42优选地利用N个天线元件43来接收M个源信号34的N个不同的和，其中N<M。N个天线元件43产生至少N个不同的天线图案，用于接收M个源信号的N个不同的和。在天线接收阵列42由N个天线元件43接收到的M个源信号34的N个不同的和被用来填充混合矩阵46，以便于混合矩阵的秩等于至少M。

如上所示，混合矩阵46的秩确定了多少个信号可以实际被分离。秩越大，则越多信号可以被分离。因此，具有N个天线元件43紧凑的接收天线阵列42(其中N个天线元件43小于发射天线阵列32中的M个天线元件33)，可以被多输入多输出接收机40使用，同时仍然提供鲁棒的多输入多输出通信系统20。

M个线性无关的和是支持M个发射天线元件34的全多输入多输出实施的最小需求，超过M则有很多优点。例如，并非位于接收天线阵列42处的所有N个天线元件43都可以被导向来接收M个线性无关的和。同样，并非所有接收到的和都是完全线性无关的。除了M个要分离的已知信号流外，仍然有L个其它信号会降低信噪比。

因此，可能的话增加混合矩阵的秩到M+L是有优点的。分离干扰或噪声源的另一个优点是信噪比的结果性的降低，这允许更高的数据率、更低的错误率和/或减少的传输功率。

例如，L个干扰源信号35会存在以用于干扰将预期的源信号34从混合矩阵的分离，其中L大于1。如果混合矩阵的秩在不增加额外的天线元件的情况下已经不能再增大，则增加至少一个额外的天线元件将提供额外的方法来增加混合矩阵的秩。增加额外元件仍会使元件数小于经典多输入多输出方法中的M，或这会使元件的数量等于M，或者甚至超过M。依靠增加混合矩阵的秩而获得的增益是值得的，尽管这增加了接收机天线元件数。例如，需要M个元件的混合矩阵的秩M+L相对于使用经典处理的多输入多输出接收机的M个元件实施来说是一种更好的实施。然而，为了说明本发明，下面的论述将集中于M个源信号。

存在大量的接收天线阵列42的不同的实施方式。N个天线元件43可能是相关的，以用于形成相控阵列。在另一个实施方式中，N个相关的天线元件43可以包括至少一个有源天线和至多N-1个无源天线，以形成波束切换天线。另外，N个相关的天线元件的至少两个可以具有不同的极性。

接收天线阵列42的其它实施方式可以对接收的M个源信号的N个不同的和具有乘数效应(multiplier effect)。这优选的允许混合矩阵46的秩被进一步增加而不必增加接收天线阵列42中的N个天线元件43的数量。通过增加混合矩阵46的秩，更多的信号可以由盲信号分离处理器44分离。

对接收到的M个源信号34的N个不同的和的数量的乘数效应可以使用下述的一个或多个的组合而完成。阵列偏转，涉及改变天线图案的仰角，用于接收源信号34的额外的和。路径选择，被执行以使得用于填充混合矩阵46的源信号34的所有的和是相关的和/或统计独立的。信号分裂，也可以被用来进一步填充混合矩阵46。不同的和信号可以使用扩展码被分裂，或分裂为同相(I)分量和正交(Q)分量。

接收天线阵列的不同实施方式将参考图3-6详细讨论。现在参考图3，将讨论阵列偏转。接收天线阵列142包括N个天线元件143，用于产生N个初始天线图案以接收M个源信号的N个不同的和。接收天线阵列142还包括仰角控制器141，用于选择性地改变N个初始天线图案中的至少一个的仰角，以产生至少一个额外的天线图案以使得M个源信号的至少一个额外的不同的和因此被接收。

接收机140被连接到接收天线阵列142，并使用N个初始天线图案来接收M个源信号的N个不同的和，并且还使用至少一个额外的天线图案来接收M个源信号的至少一个额外的不同的和。

盲信号分离处理器144被连接到接收机140，用于形成混合矩阵146，该矩阵包括M个源信号的N个不同的和以及M个源信号的至少一个额外的不同的和。该混合矩阵的秩等于N加上使用额外天线图案接收到的M个源信号的额外的不同的和的数量。混合矩阵146的最终的秩至少等于M。所述处理器144从混合矩阵146中分离出预期的信号。

总体来说，任何提供适于增加混合矩阵的秩的信号的和的天线阵列装置可以被利用于偏转机制。这种偏转将产生对每个天线阵列装置的可用的信号和的两个不同且混合的矩阵。通过运用这种技术而因此有2次乘数效应。

如果阵列偏转被分割成与天线关联的K个不同区域，K个区域的每个可以提供2个独立的偏转区域和混合矩阵的条目。例如，如果天线阵列能自己提供N个和而且存在K个不同的偏转区域，混合矩阵信号中的信号和的数量可以是2NK。

由M个源信号基于路径选择提供的对源信号的分离将参考图4进行讨论。接收天线阵列242包括N个元件243，用于形成至少N个天线波束以接收M个源信号的至少N个不同的和，其中N和M都大于2。

控制器250被连接到天线阵列242，用于选择性地形成至少N个天线波束。接收机集合240被连接到天线阵列242，用于接收M个源信号的至少N个不同的和。盲信号分离处理器244被连接到接收机集合240，用于形成包括M个源信号的至少N个不同的和的混合矩阵246。

盲信号分离处理器244还确定M个源信号的不同的和是否是相关的或者统计独立的，如果不是，则与控制器250合作以形成不同的波束，用于接收M个源信号的新的不同的和来代替混合矩阵246中的那些不相关的或统计独立的M个源信号的不同的和。结果，源信号的至少M个不同的和被接收，使得混合矩阵的秩至少等于M。预期的源信号然后被从混合矩阵246中分离。

rake接收机是被设计成计算多径衰退的效果的无线电接收机。它通过使用为了调整到单个的多径分量而每个都延迟一点的若干独立的接收机来完成计算。它可以被大多类型的无线电接入网络使用。它被发现对调制的扩展码类型尤其有好处。它选择特定入射信号路径的能力使得它适宜作为改变馈送到盲信号分离处理器244的路径的装置。

如上所述的选择性地形成N个天线波束可以应用到所有无线电接入网络，如本领域技术人员所容易理解的。对于CDMA系统，接收机集合240包括N个rake接收机256。每个rake接收机256包括k个指，用于为由连接到其上的各个天线元件所接收的M个源信号的N个不同的和的每一个来选择k个不同的多径分量。在这个配置中，盲信号分离处理器244被连接到N个rake接收机256，用于形成混合矩阵246。混合矩阵246包括M个源信号的至少N个不同的和的至少kN个不同的多径分量，并且混合矩阵的秩等于kN，其中kN至少等于M。

特别的，当CDMA波形传播时，它们从源地到目的地通常会遇到多个路径。rake接收机256被特别设计成捕获大量这种个例并把它们组合以用于更鲁棒的信号解码。当原始信号通过每个路径传播时，它的属性被该路径的独特特性所改变。在一些情况中，对接收到的信号的相关性和/或统计属性的修改可能很大，大到使得这些信号可以被当作可分离的信号流。修改后的rake接收机256可以被用来提取每个修改的流并将其反馈作为混合矩阵246的唯一条目。这种增加秩的装置并不总是可用的，当很需要它的时候，它在高多径环境中有效。

当rake接收机256可以利用不同的路径，则适用于任何调制技术的更通用的方法是波束成形。这不同于rake接收机256，是因为波束成形被用于预期的信号增强和预期的信号拒绝。然而，差别是所拒绝的信号可能实际上是接收机预期接收的信号的另一个形式。然而，为了给混合矩阵建立足够的秩，接收机集合240需要检测大量相同信号的独特传播路径形式。

信号分裂也同样用于进一步填充混合矩阵A。在一种方法中，和信号被使用扩展码分裂。在另一种方法中，和信号被使用同相(I)分量和正交(Q)分量分裂。

使用扩展码的信号分裂将参考图5进行讨论。接收天线阵列342包括N个天线元件343，用于接收M个源信号的至少N个不同的和。码解扩器350被连接到N个天线元件343，用于解码所述M个源信号的至少N个不同的和。N个不同的和的每一个都包括k个码，用于提供与M个源信号相关联的k个不同的和。

接收机集合340被连接到码解扩器350，用于接收M个源信号的至少kN个不同的和。盲信号分离处理器344被连接到接收机集合340，用于形成混合矩阵346，该混合矩阵346包括M个源信号的至少kN个不同的和。混合矩阵346的秩等于kN，最终的秩至少等于M。盲信号分离处理器344从混合矩阵346中分离出预期的源信号。

依靠对接收到的信号的调制，上述的信号分裂可以被用来在不增加天线元件的数量N的情况下增加混合矩阵的秩。CDMA IS-95、CDMA2000和WCDMA是运用扩展码的扩频通信系统的例子。一个通常的思路是利用每个信号处理唯一码以将数据扩展到更大的频带。

利用接收到的信号和(预期的信号、非预期的信号以及未知的噪声源)来处理同样的扩展码。这使得待被重建的预期的信号被返回到其原始的频带上，而干扰被扩展到宽频带。

上面列出的CDMA实施实际上具有同时使用相同的频带的很多信号流。每个信号流使用与所有其它信号流理论上正交的码。如果这个条件在解码器被满足，则意味着只有感兴趣的信号将被解扩。

在CDMA信号中经常有些相关，所以干扰信号也一定程度地与预期的信号一起被重构。这常常是因为单独信号经历的延迟和信号的多径发生。一些非预期的信号，尤其是CDMA信号，将会在数值方面增加。这个增加不如对预期的信号的那样明显，但是会增加全部噪声值，因此降低信噪比。

解扩信号公式的形成和信号自身满足盲信号分离处理的标准。实际上，如果解扩码的一个被单独应用于由接收机集合340接收的每个已知的信号，满足ICA模型需求的单独的和被获得。

因此，有许多行条目可用于混合矩阵作为已知码，当然假定，它们每个产生线性无关的有效值。在这种情况下，将允许混合矩阵的增加到大于码的数量的值。例如，N个天线元件和M个码会提供NM个矩阵行。

为说明起见，假定已知3个码且这3个已知码信号保持它们的正交性。在码解扩器350中，由于在每个流被3个已知码解扩之后的每个天线流，混合矩阵A有上3行和下3行。非对角0值是由于码的正交性。列条目4、5和6是用于相同标记的未知信号的通常例子。

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

对应于列条目4、5和6的信号可以是已知码的其它路径形式，或未知码的其它小区信号。同样，一个信号可以是高斯的而另一个信号或者是遵守中心极限定理的CDMA信号组，从而它们作为单独的高斯信号出现，如，release 4信道。换句话说，非随机信号的足够量会加成高斯信号。干扰可以是非高斯信号源或至多是网络未知的一个高斯信号。

在码解扩器350中解扩已知码之后，盲信号分离处理器344接收秩为6的混合矩阵346。秩6是基于2个天线元件乘以因子3而得到的，3是因为有3个码已知。

6个信号被应用于盲信号分离处理器344，其中形成了秩为6的混合矩阵346。盲信号分离处理器344仅从由信道修改的接收的信号确定分离矩阵W：x＝As，其中A是混合矩阵。在描述的例子中，6个信号可以被分离。

盲信号分离处理器344选择待解码的信号。例如，干扰信号可能被丢弃而预期的信号的所有形式都被选择。选择的信号被施加到解调模块以用于解调。解调器使用公知的均衡技术，该技术合并同一信号的多径形式。

在上述更普遍的例子中，为了简单起见，非对角线值都被显示成0，而实际上可能是非0。这在解码后信号之间的相关性并不是完美的情况下是更常见的。这表示每个分离的信号有额外噪声。然而，如前所述，矩阵的秩足以分离这些信号，所以噪声的值经过盲信号分离处理后会显著减少。这导致噪声的减少、信噪比的增加，并且如香农定理指示的，信道容量的增加。

参考图6，增加混合矩阵A的秩而不增加天线元件的数量N的另一种方法是分离接收到的混合信号到其同相(I)分量和正交(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个天线元件443，用于接收M个源信号的至少N个不同的和。各自的同相和正交模块450位于每个天线元件443的下游，用于将其接收到的M个源信号的N个不同的和的每一个分离成同相和正交分量集。

接收机集合440位于每个同相和正交模块450的下游，用于对于M个源信号的至少N个不同的和接收至少N个同相和正交分量集。盲信号分离处理器444位于接收机集合440的下游，用于形成混合矩阵446，该矩阵包括M个源信号的至少2N个不同的和。每个同相和正交分量集提供2个对混合矩阵446的输入。混合矩阵446的秩等于2N，并且盲信号分离处理器444从混合矩阵512中分离需要的源信号514。

通过将接收到的混合信号分离成I和Q分量，混合矩阵的大小增加2倍。只要I和Q分量是利用不同的数据流编码的，则在任何天线元件接收的混合信号可以被分裂成2个不同的混合信号。

在微分编码的情况中，调制的特性需要被分析以确定是否I和Q分量满足线性的需求。例如，在GSM中已有显示当使用适当的滤波时GMSK编码可以认定为线性的，并且在接收机中将其作为BPSK编码处理。由于BPSK满足盲信号分离处理的需求，则所述的I和Q处理可以使用。

I和Q分量可以利用上述的任何的天线阵列实施方式来填充混合矩阵A。当使用I和Q，混合矩阵A可以好像使用了2倍数量的天线元件一样被填充。天线元件可以是如非相关、相关或极化的任何分集形式。具有每个元件的信号和分裂成I和Q分量的N个天线元件提供2N个独立的混合信号和。结果，混合矩阵的秩是2N，其中2N至少等于或大于M。这个机制也可以用于天线阵列偏转技术以创建更多的信号和。每一个信号和也可以反过来被分离成I和Q分量。来自I和Q的因子2、N个天线元件和天线阵列的K个偏转区域为混合矩阵提供2KN个信号和。

参考图7和8，本发明的另一个方面旨在一种多输入多输出通信系统，其中多输入多输出发射机500为在一个时隙的基础上的每个分层的空间数据流改变能量级。数据流因此以不同的能量级到达多输入多输出接收机502，这提供接收到的信号中适当的差别以填充混合矩阵用于信号分离处理。

用于传输的数据流由子信道生成模块510接收。子信道生成模块510将数据流分成用于信道1至M的平行数据流。

每个平行的数据流通过RF链到相关联的天线元件523(1)-523(M)。每个RF链包括数模转换器512(1)-512(M)，用于将数据流转换到基带。基带信号然后在RF调制模块514(1)-514(M)中与其载波频率相乘，以获得传输需要的频率。调制后，数据流在被相关联的天线元件523(1)-523(M)发射前被功率放大器516(1)-516(M)放大。这对每个1至M的平行数据流来说是单独完成的。

每个RF链中的单独数据流的能量级由时间间隔增益控制模块520改变。每个平行数据流的能量级或增益在数模转换器512(1)-512(M)中或在RF调制模块514(1)-514(M)中被改变。这个改变与子信道产生模块510是同步的。共同地，M个数据流由M个天线元件512(1)-512(M)发射。

至少，M个数据流中的一个的能量级需要被改变。当改变后，多输入多输出接收机502会在各自的时间间隔期间接收线性无关的和。然而，最好改变若干数据流(至多M个)中的能量级，以保证更鲁棒的多输入多输出接收机502。即使若干数据流的能量级被改变，多输入多输出接收机502仍然在各自的时间间隔期间接收一个线性无关的和信号。

在接收端，信号被天线元件543(1)-543(N)接收。至多N个和信号被天线元件543(1)-543(N)接收。如上所示，对每个时间间隔，M个源信号被多输入多输出发射机500发射。在从M个发射天线元件523(1)-523(M)发射的信号与由N个接收天线元件543(1)-543(N)接收的信号之间没有一一对应的关系。作为例子的典型情况，每个接收天线元件543(1)-543(N)接收多于一个发射的信号和相同发射信号的多个入射。信道的理想正交在现实的通信环境中几乎没有。

来自每个接收天线元件543(1)-543(N)是RF链。接收放大器522(1)-522(N)放大接收到的数据流。RF解调模块524(1)-524(N)利用其载波频率倍乘接收的数据流并滤出多余的谐波以获得在基带信号的符号。一旦基带信号被获得，则该信号通过模数转换器526(1)-526(N)被传递到混合矩阵模块530。

混合矩阵模块530填充待用来分离预期的信号的混合矩阵。混合矩阵模块530与时间间隔识别模块532互相合作，使得每个时间间隔产生的混合矩阵与在多输入多输出发射机500中对应的时间间隔相匹配。

混合矩阵模块530的输出被施加到空间解复用器模块534。对来自混合矩阵的预期的信号的分离在该模块中执行。信号分离可以根据基于知识的信号提取方法或盲信号分离或两者的组合。盲信号分离方法和基于知识的信号提取方法已经描述过。分离的信号然后被施加到子信道组合器536，用于提供接收到的数据流以用于解码。

概括地说，发射机500在一个时间间隔期间产生M个源信号，其中对于T个时间间隔产生M个源信号，并且M个源信号的至少一个的能量级在每个时间间隔中是不同的。发射天线阵列被连接到发射机500，并且包括M个天线元件523(1)-523(M)，用于发射M个源信号。

接收机502和发射机500是同步的。接收天线阵列被连接到接收机502，并且包括N个天线元件543(1)-543(N)，用于在每个时间间隔期间接收M个源信号的至少N个不同的和，其中对于每个时间间隔的至少N个不同的和是线性无关的以对T个时间间隔提供至少T*N个不同的和。混合矩阵模块530可以被实施在例如单独的处理器中，并且形成包括M个源信号的至少T*N个不同的和的混合矩阵。该混合矩阵的秩至少是T*N。信号分离处理器从混合矩阵中分离预期的信号。

为每个分层的空间数据流改变能量级可以被应用到多输入多输出-正交频分多路复用通信系统，如图9和10所示，其中包括多输入多输出-正交频分多路复用发射机600和多输入多输出-正交频分多路复用接收机602。正交频分多路复用(OFDM)是指正交频分复用技术。正交频分多路复用系统有效地分割操作频带成大量频率子信道(或频率槽(bin))，频率子信道的每个与数据被调制的各自的子信道相关。典型地，待发射的数据被以特定的编码方案编码以产生编码的比特。

特定地，由多输入多输出-正交频分多路复用发射机600发射的每个源信号包括在T个时间间隔期间的多个子载波。用于每个源信号的子载波可以被分成多个组，并且子载波的相邻组具有不同的能量级。作为替换，对于每个源信号的多个子载波的相应的能量包络是恒定的。对于每个源信号的多个子载波的相应的能量包络是按照已知的顺序改变的，因此多输入多输出-正交频分多路复用接收机602可以追踪子载波组。

显示的多输入多输出-正交频分多路复用系统与图7-8显示的多输入多输出系统是相似的，除了该多输入多输出-正交频分多路复用系统现在包括的多输入多输出-正交频分多路复用发射机600中的逆快速傅里叶变换(IFFT)模块608(1)-608(M)和多输入多输出-正交频分多路复用接收机602中的快速傅里叶变换(FFT)模块625(1)-625(M)。具有IFFT模块608(1)-608(M)，每个RF链现在发射一组子信道而不是多输入多输出通信系统中的单个信道。

IFFT模块608(1)-608(M)采取在频域中平行的数据流并向数模转换器612(1)-612(M)提供它们合计的单一时间表示。子信道生成模块610确定哪个子信道将被送到哪个天线元件。

在前述的说明书和相关联的附图的启示下，本发明的很多修改和其它实施方式很容易被本领域技术人员想到。因此，应该理解本发明不限于公开的具体实施例，并且修改和实施方式被确定为包括在所附的权利要求中。

Claims (31)

1、一种多输入多输出通信系统，其特征在于该系统包括：

发射机，用于在一时间间隔期间产生M个源信号，其中对于T个时间间隔都产生M个源信号，并且在每个时间间隔内M个源信号的至少一个的能量级是不同的；

发射天线阵列，被连接到所述发射机，并且包括M个天线元件以发射M个源信号；

接收机，与所述发射机同步；

接收天线阵列，被连接到所述接收机，并且包括N个天线元件，用于在每个时间间隔期间接收M个源信号的至少N个不同的和，其中对于每个时间间隔的至少N个不同的和是线性无关的，用于对T个时间间隔提供至少T*N个不同的和；以及

信号分离处理器，被连接到所述接收机，并且用于形成包括M个源信号的至少T*N个不同的和的混合矩阵，该混合矩阵的秩至少等于T*N，所述信号分离处理器用于从混合矩阵中分离出预期的源信号。

2、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述在每个时间间隔内具有不同的能量级的M个源信号的至少一个包括在每个时间间隔具有不同的能量级的M个源信号的多个。

3、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于N<M且T*N≥M，从而混合矩阵的秩至少等于M。

4、如权利要求3所述的多输入多输出通信系统，其特征在于N＝1且T＝M。

5、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于N≥M且T>M，从而混合矩阵的秩大于M，以使得干扰信号和M个源信号一样能被分离。

6、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于多输入多输出通信系统被配置为多输入多输出-正交频分多路复用通信系统，其中每个源信号在T个时间间隔内包括多个子载波。

7、如权利要求6所述的多输入多输出通信系统，其特征在于对于每个源信号的子载波被分为多个组，并且子载波的相邻组具有不同的能量级。

8、如权利要求6所述的多输入多输出通信系统，其特征在于对于每个源信号的多个子载波的各自的能量包络是恒定的。

9、如权利要求6所述的多输入多输出通信系统，其特征在于对于每个源信号的多个子载波的各自的能量包络是按照已知的顺序变化的，因此所述的接收机可以追踪子载波组。

10、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述接收天线阵列包括N个相关的天线元件，用于形成相控阵列。

11、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述接收天线阵列包括N个相关的天线元件，所述的N个相关的天线元件包括至少一个有源天线元件和至多N-1个无源天线元件以形成波束切换天线。

12、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述接收天线阵列包括N个相关的天线元件，并且其中所述的N个相关的天线元件的至少两个有不同的极性。

13、如权利要求12所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述不同的极性彼此正交。

14、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述接收天线阵列在每个时间间隔产生N个初始天线图案，用于接收M个源信号的至少N个不同的和；并进一步包括仰角控制器，被连接到所述接收天线阵列用以选择性地改变N个初始天线图案的至少一个的仰角，以便在每个时间间隔产生至少一个额外的不同的天线图案以接收M个源信号的至少一个的额外的和；并且其中混合矩阵进一步包括对于每个时间间隔内M个源信号的至少一个额外的不同的和，混合矩阵的秩等于T*N加上使用额外的天线图案在T个间隔内接收到的M个源信号的额外的不同的和的数量。

15、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述接收天线阵列在每个时间间隔产生至少N个天线波束，用予接收M个源信号的至少N个不同的和，其中N和M都大于2；并进一步包括控制器，被连接到所述接收天线阵列，用于选择性地形成至少N个天线波束；所述信号分离处理器还：

确定每个时间间隔的M个源信号的至少N个不同的和是否不相关或统计独立，如果不是，则：

与所述控制器合作以形成不同的波束，用于接收M个源信号的新的不相关或统计独立的不同的和以替换混合矩阵中相关或统计不独立的M个源信号的不同的和。

16、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于进一步包括码解扩器，被连接到N个天线元件，用于在每个时间间隔解码M个源信号的至少N个不同的和，至少N个不同的和的每个都包括k个码，用于提供至少k个不同的和；其中所述接收机被连接到所述解扩器，用于在T个时间间隔接收M个源信号的至多k*(T*N)个和；并且其中所述信号分离处理器形成混合矩阵，该混合矩阵包括M个源信号的至少k*(T*N)个不同的和。

17、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于进一步包括各自的同相和正交模块，被连接到所述接收天线阵列中的每个天线元件的下游，用于在每个时间间隔内将接收到的M个源信号的N个不同的和的每一个分离成同相和正交分量集；并且其中所述信号分离处理器形成混合矩阵，该矩阵包括对于T个时间间隔的M个源信号的至少2(T*N)个不同的和，其中每个同相和正交分量集提供对于混合矩阵的2个输入，混合矩阵最终的秩至少是2(T*N)。

18、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述信号分离处理器包括盲信号分离处理器。

19、如权利要求18所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述的盲信号分离处理器基于主分量分析、独立分量分析和奇异值分解中的至少一种而从混合矩阵中分离出预期的源信号。

20、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述信号分离处理器根据基于知识的信号提取方法而从混合矩阵中分离预期的源信号。

21、如权利要求20所述的多输入多输出通信系统，其特征在于基于知识的信号分离方法基于迫零方法、最小均方估计方法中的至少一个而从混合矩阵中分离出预期的源信号。

22、如权利要求1所述的多输入多输出通信系统，其特征在于所述信号分离处理器从混合矩阵中分离出预期的源信号是根据基于知识的信号提取方法和盲信号分离方法的组合。

23、一种用于操作多输入多输出(多输入多输出)通信系统的方法，其特征在于该方法包括：

在一时间间隔内产生M个源信号，其中在T个时间间隔内都产生M个源信号，并且在每个时间间隔的M个源信号的至少一个的能量级是不同的；

利用包括M个天线元件的发射天线阵列来发射M个源信号；

利用包括N个天线元件的接收天线阵列以在每个时间间隔期间接收M个源信号的至少N个不同的和，其中对于每个时间间隔的至少N个不同的和是线性无关，用于对于T个时间间隔提供至少T*N个不同的和；

形成包括M个源信号的至少T*N个不同的和的混合矩阵，该混合矩阵的秩至少是T*N；以及

从混合矩阵中分离出预期的源信号。

24、如权利要求23所述的方法，其特征在于所述在每个时间间隔具有不同的能量级的M个源信号中的至少一个包括在每个时间间隔具有不同的能量级M个源信号的多个。

25、如权利要求23所述的方法，其特征在于N<M且T*N≥M，从而混合矩阵的秩至少等于M。

26、如权利要求23所述的方法，其特征在于N≥M且T>M，从而混合矩阵的秩大于M，使得干扰信号和M个源信号一样能被分离。

27、如权利要求23所述的方法，其特征在于多输入多输出通信系统被配置为多输入多输出-正交频分多路复用通信系统，其特征在于每个源信号在T个时间间隔内包括多个子载波。

28、如权利要求27所述的方法，其特征在于对于每个源信号的子载波被分为多个组，并且子载波的相邻组有不同的能量级。

29、如权利要求23所述的方法，其特征在于所述接收天线阵列包括N个相关的天线元件，用于形成相控阵列。

30、如权利要求23所述的方法，其特征在于所述接收天线阵列包括N个相关的天线元件，所述的N个相关的天线元件包括至少一个有源天线元件和至多N-1个无源天线元件，用于形成波束切换天线。

31、如权利要求23所述的方法，其特征在于从混合矩阵分离预期的源信号是根据基于知识的信号提取方法和盲信号分离方法中的至少一种。

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