CN101447819A - Mimo-cdma基站空间复用接收机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MIMO－CDMA基站空间复用接收机系统。CDMA小区内不同移动台所处的空间位置不同，可以得到不同的信道参数矩阵。MIMO－CDMA基站接收机使用不同移动台至基站的信道矩阵进行解调，再对解调信号分两路解扩，对得到解扩后信号分别进行判决，得到各移动用户的还原数据。本发明提供了应用此方法的基站空间复用接收机电路。采用本发明，使每一连接用户获得两个独立的空间信道，提高CDMA系统的频谱利用率，简化MIMO－CDMA基站接收机的设计。

Description

MIMO-CDMA基站空间复用接收机系统

技术领域

本发明主要涉及到多输入多输出(MIMO)码分多址无线通信系统，特别是多用户MIMO-CDMA基站的空间复用接收机系统。

背景技术

到目前为止，多媒体无线通信应用的瓶颈问题是无线频谱带宽有限问题。为了解决这一问题，相继提出智能天线(SA)，空时扩谱(STS)技术和MIMO(多输入多输出)技术来提高无线频谱的利用率。在这三种技术中，虽然SA可以完全利用空间频谱容量，但CDMA基站(BS)实施SA很困难，因为难以为每个移动台提供独立的空间波束。因此，CDMA2000标准和WCDMA标准并没有将SA列入其标准中，只有TD-SCDMA标准在基站(BS)中采用SA。为了得到空间互不相关的发射流，STS需要对发射数据流做空时编码，接收机也需要对应的空时解码电路来恢复接收到的数据流。但这仍然很困难，特别是对移动台(MS)的系统实现。现有的STS技术涉及复杂的时间交换，增加了算法的复杂度和CDMA系统的实现代价。

与STS相比，现有的MIMO不要求空时编解码，其接收机的解码通过乘以转置信道矩阵来恢复数据矢量。但只有当MIMO信道高度独立时，现有MIMO接收算法方可得到共信道干扰较小的解码数据。在通常的实际应用中，MIMO信道并非高度独立，这将导致共信道干扰，严重影响通信质量。

为了解决上述问题，本发明提出MIMO-CDMA基站采用逆信道矩阵来恢复发射信号，抑制共信道干扰。考虑到算法复杂度和CDMA基站和移动台的成本，本发明将MIMO CDMA系统的设计限制为BS两个天线和MS两个天线的情况，所提出的MIMO CDMA系统优于现有其它MIMO CDMA系统的误码率性能。

发明内容

本发明的目的使使CDMA系统通过采用MIMO技术后增加系统的容量，实现信道的空间复用。

如果有基站和移动台均采用两个以上的天线，CDMA蜂窝内的每一移动台可获得两个以上的空间信道。但这是基于基站(BS)和移动站点(MSs)之间的空间信道是完全不相关的假设，要求MIMO信道矩阵的行向量互不相关。在大多数的应用情况下，MIMO信道矩阵的行向量并非不相关，这就产生了MIMO信道中的共信道干扰，使得误码率性能不能满足通信要求。为了解决这个问题，本发明提出基站接收机利用逆信道矩阵来对空间信号解码。

一种MIMO-CDMA基站空分复用接收机系统，该MIMO-C D M A基站与其连接的多个移动台均具有两个天线，基站和移动台的两个天线间距分别为10倍的发射信号波长和4倍的发射信号波长，各移动台按照如下步骤发射信号：

步骤1)、将两个信道的数据流使用一个扩谱码进行扩频，得到扩频后信号s₁和s₂；

步骤2)、由两根天线分别发射信号s₁和s₂；其中第k个移动台的两数据流

和

经扩谱后，移动台发射机通过两个天线发射给基站，信号为和

$s_1^{\left(k\right)}=b_1^{\left(k\right)}{c}^{\left(k\right)}$

$s_2^{\left(k\right)}=b_2^{\left(k\right)}{c}^{\left(k\right)};$

其中c^(k)是一个长度为P的扩谱码，用户k的两空间信道使用同一扩谱码c^(k)；MIMO-C D M A基站接收机以如下步骤得到还原数据：

步骤3)、基站接收机存储接收到的u₁和u₂；

$\begin{array}{c}{u}_1=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_1^{\left(k\right)}\\ u_2=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_2^{\left(k\right)}\end{array}$

           ；一个蜂窝有k个活动用户，其中

和

为基站两个天线接收到的第k个信号，

$\left[\begin{array}{c}{r}_1^{\left(k\right)}\\ r_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1^{\left(k\right)}\\ s_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1^{\left(k\right)}\\ n_2^{\left(k\right)}\end{array}\right];$ 其中 $h_{\mathrm{ij}}^{\left(k\right)},i,j\∈\left\{\mathrm{1,2}\right\}$ 是移动台发射机天线i到基站接收机天线j经过独立瑞利路径的衰减系数；接收机天线j噪声 $n_j^{\left(k\right)},j\∈\left\{\mathrm{1,2}\right\}$ 被规一化为CN(0，1)；零均值，方差为1的复高斯噪声；

步骤4)、基站接收机将u₁和u₂乘以 ${\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1},$ 得到和

$\left[\begin{array}{c}{z}_1^{\left(k\right)}\\ z_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\end{array}\right];$

步骤5)、基站接收机使用第k个移动用户的本地扩谱码c^(k)，k＝1，...N提取其数据流

和

$b_1^{\left(k\right)}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_1^{\left(k\right)}\right\}>0\\ -1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_1^{\left(k\right)}\right\}\≤0\end{array}\right.,$

和

$b_2^{\left(k\right)}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_2^{\left(k\right)}\right\}>0\\ -1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_2^{\left(k\right)}\right\}\≤0\end{array}\right.;$ [c⁽ⁱ⁾]^Hc^(j)＝0，i，j∈{k＝1，...N}，i≠j，“H”表示复共轭转置。

上述的步骤1)各移动用户用的扩谱码c^(k)，k＝1，...N是相互正交的，[c⁽ⁱ⁾]^Hc^(j)＝0，i，j∈{k＝1，...N}，i≠j，“H”表示复共轭转置。

上述的步骤1)各移动用户对其两空间信道使用同一扩谱码c^(k)，k＝1，...N。

基站和移动台的两个天线间距分别为10倍的发射信号波长和4倍的发射信号波长基站接收机使 ${\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1}$ 计算可行。

上述的步骤5)中判决的方法是：

如果判决器输入信号的实部大于零，则输出1，

如果判决器输入信号的实部小于零，则输出-1。

上述的步骤4)中的信道矩阵参数由MIMO-C D M A基站通过上行导引序列估计。

本发明的实施例仿真表明：尽管在MIMO-CDMA系统中，MIMO信道并非完全不相关，但通过本发明方法可得到较高的通信容量和较好BER(错误比特率)性能。

附图说明

下面通过附图及实施例对本发明进行详细阐述。

图1是MIMO信道与MIMO-CDMA系统框图。

图2是MIMO基站接收机框图。

图3是移动台MIMO发射机的系统框图。

图4是移动台MIMO发射机系统发射信号流程框图。

图5是MIMO基站接收机还原数据流程框图。

图6是64用户时使用本发明方法的系统和未使用本发明方法的系统的误码性能比较曲线图。

具体实施方式

实施例1：考虑在CDMA系统中，在基站和移动台使用MIMO技术来提高系统的容量，实现信道的空间复用，不失一般性。在本发明的MIMO-CDMA系统中，基站和移动台均使用两个天线发射和接收数据流，基站和移动台的两个天线间距分别为10倍的发射信号波长和4倍的发射信号波长，发射基站和移动台间欲通过两空间信道通信，如图1所示。

如图3所示，第k个移动台的两数据流

和

经扩谱后，移动台发射机通过两个天线发射给基站，信号为

和

如图4所示，

$s_1^{\left(k\right)}=b_1^{\left(k\right)}{c}^{\left(k\right)}$

                              (1)

$s_2^{\left(k\right)}=b_2^{\left(k\right)}{c}^{\left(k\right)}$

其中c^(k)是一个长度为P的扩谱码，用户k的两空间信道使用同一扩谱码c^(k)。采用MIMO技术的CDMA系统没有增加额外的扩谱码，仅在原有CDMA信道实现空间复用。

假定一个蜂窝有k个活动用户，基站在两个天线接收到的信号

$\begin{array}{c}{u}_1=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_1^{\left(k\right)}\\ u_2=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_2^{\left(k\right)}\end{array}$                              (2)

其中和

为基站两个天线接收到的第k个信号，

$\left[\begin{array}{c}{r}_1^{\left(k\right)}\\ r_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1^{\left(k\right)}\\ s_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1^{\left(k\right)}\\ n_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中 $h_{\mathrm{ij}}^{\left(k\right)},i,j\∈\left\{\mathrm{1,2}\right\}$ 是移动台发射机天线i到基站接收机天线j经过独立瑞利路径的衰减系数。接收机天线j噪声 $n_j^{\left(k\right)},j\∈\left\{\mathrm{1,2}\right\}$ 被规一化为CN(0，1)(零均值，方差为1的复高斯噪声)。

基站通过反向导引序列估计信道参数 $h_{\mathrm{ij}}^{\left(k\right)},i,j\∈\left\{\mathrm{1,2}\right\},$ 并从

$\left[\begin{array}{c}{z}_1^{\left(k\right)}\\ z_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\end{array}\right]---\left(4\right)$

得出本发明的MIMO-CDMA基站接收机算法。

由于基站和移动台的两个天线间距分别为10倍的发射信号波长和4倍的发射信号波长， $\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]$ 为可逆。

本发明的MIMO-CDMA基站接收机算法步骤如下：如图5所示，

步骤(1)：基站接收机存储接收到的u₁和u₂；

步骤(2)：基站接收机将u₁和u₂乘以 ${\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1},$ 得到

和

$\left[\begin{array}{c}{z}_1^{\left(k\right)}\\ z_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\end{array}\right]---\left(5b\right)$

步骤(3)：基站接收机使用第k个移动用户的本地扩谱码提取其数据流

和

$b_1^{\left(k\right)}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_1^{\left(k\right)}\right\}>0\\ -1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_1^{\left(k\right)}\right\}\≤0\end{array}\right.---\left(6a\right)$

$b_2^{\left(k\right)}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_2^{\left(k\right)}\right\}>0\\ -1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_2^{\left(k\right)}\right\}\≤0\end{array}\right.---\left(6b\right).$

实施例2：

给出MIMO CDMA系统的计算机仿真结果。设MIMO CDMA系统的上行链路从MS到BS都使用两个天线来发射和接收，并假定基站接收机获得最佳信道估计。

为了简化系统仿真，令移动用户的数量为64，在MIMO CDMA系统中每个用户的扩谱码c(k)使用码长为64的沃尔什码，每个用户的数据都采用BPSK方式进行调制。为了验证MIMO-CDMA系统可用，选择现有的MIMO CDMA系统接收机算法和本文提出的MIMO CDMA系统接收机算法，两者使用相同的扩谱码，CDMA蜂窝中用户数相同。

在系统仿真中，本发明系统与现有系统基站在相同的SNR和信道条件下发射2000个长度为64的数据帧，其中信道矩阵均为 $H=\left[\begin{array}{cc}0.56& 0.42\\ 0.4& 0.58\end{array}\right],$ 获得的BER结果如图6所示。

观察图6中的仿真结果，可以看到采用目前的MIMO CDMA算法，MIMO-CDMA基站接收机在信噪比为[0，20]时不能正常工作，而且它的误码率大于0.176。然而，本发明的MIMO-CDMA基站接收机却得到了很好的误码率性能。当信噪比大于8时，误码率小于10^-6。所以，本发明的MIMO-CDMA基站接收机在多用户和低信噪比瑞利信道情况下是有效的。

上面虽然通过实施例描绘了本发明，但本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，所附的权利要求将包括这些变形和变化。

Claims (6)

1、一种MIMO-CDMA基站空分复用接收机系统，该MIMO-C D M A基站与其连接的多个移动台均具有两个天线，其特征在于，基站和移动台的两个天线间距分别为10倍的发射信号波长和4倍的发射信号波长，各移动台按照如下步骤发射信号：

步骤1)、将两个信道的数据流使用一个扩谱码进行扩频，得到扩频后信号s₁和s₂；

步骤2)、由两根天线分别发射信号s₁和s₂；其中第k个移动台的两数据流

和

经扩谱后，移动台发射机通过两个天线发射给基站，信号为

和

$s_1^{\left(k\right)}=b_1^{\left(k\right)}{c}^{\left(k\right)};$

$s_2^{\left(k\right)}=b_2^{\left(k\right)}{c}^{\left(k\right)}$

其中c^(k)是一个长度为P的扩谱码，用户k的两空间信道使用同一扩谱码c^(k)；

MIMO-C D M A基站以如下步骤得到还原数据：

步骤3)、基站接收机存储接收到的u₁和u₂；

$\begin{array}{c}{u}_1=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_1^{\left(k\right)}\\ u_2=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_2^{\left(k\right)}\end{array}$ ；一个蜂窝有k个活动用户，其中

和

为基站两个天线接收到的第k个信号，

$\left[\begin{array}{c}{r}_1^{\left(k\right)}\\ r_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{s}_1^{\left(k\right)}\\ s_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1^{\left(k\right)}\\ n_2^{\left(k\right)}\end{array}\right];$ 其中

i，j∈{1，2}是移动台发射机天线i到基站接收机天线j经过独立瑞利路径的衰减系数；接收机天线j噪声

j∈{1，2}被规一化为CN(0，1)；零均值，方差为1的复高斯噪声；

步骤4)、基站接收机将u₁和u₂乘以 ${\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1},$ 得到和

$\left[\begin{array}{c}{z}_1^{\left(k\right)}\\ z_2^{\left(k\right)}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\end{array}\right];$

步骤5)、基站接收机使用第k个移动用户的本地扩谱码提取其数据流

和

$b_1^{\left(k\right)}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_1^{\left(k\right)}\right\}>0\\ -1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_1^{\left(k\right)}\right\}\≤0\end{array}\right.,$ 和 $b_2^{\left(k\right)}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_2^{\left(k\right)}\right\}>0\\ -1,\mathrm{if}\left\{c^{{\left(k\right)}^H}{z}_2^{\left(k\right)}\right\}\≤0\end{array}\right.;$

[c⁽ⁱ⁾]^Hc^(j)＝0，i，j∈{k＝1，...N}，i≠j，“H”表示复共轭转置。

2、如权利要求1所述MIMO-C D M A基站空分复用接收机系统，其特征在于，步骤1)各移动用户用的扩谱码c^(k)，k＝1，...N是相互正交的。

3、如权利要求1所述MIMO-C D M A基站空分复用接收机系统，其特征在于，步骤1)各移动用户对其两空间信道使用同一扩谱码c^(k)，k＝1，...N。

4、如权利要求1所述MIMO-C D M A基站空分复用接收机系统，其特征在于，基站和移动台的两个天线间距分别为10倍的发射信号波长和4倍的发射信号波长基站接收机使 ${\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}^{\left(k\right)}& h_{21}^{\left(k\right)}\\ h_{12}^{\left(k\right)}& h_{22}^{\left(k\right)}\end{array}\right]}^{-1}$ 计算可行。

5、如权利要求1所述MIMO-C D M A基站空分复用接收机系统，其特征在于，其特征在于，步骤5)中判决的方法是：

如果判决器输入信号的实部大于零，则输出1，

如果判决器输入信号的实部小于零，则输出-1。

6、如权利要求1所述MIMO-C D M A基站空分复用接收机系统，其特征在于，其特征在于，步骤4)中的信道矩阵参数i，j∈{1，2}由MIMO-C D M A基站通过上行导引序列估计。

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