CN101814979B - 相关多天线系统收发两端联合设计方法 - Google Patents
相关多天线系统收发两端联合设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101814979B CN101814979B CN 200910232501 CN200910232501A CN101814979B CN 101814979 B CN101814979 B CN 101814979B CN 200910232501 CN200910232501 CN 200910232501 CN 200910232501 A CN200910232501 A CN 200910232501A CN 101814979 B CN101814979 B CN 101814979B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- matrix
- antenna
- transmitting
- centerdot
- formula
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Radio Transmission System (AREA)
Abstract
本发明公开了一种相关多天线系统收发两端联合设计方法,其特征在于,包括以下步骤:1)将MIMO信道矩阵表示成无相关性的基本矩阵与相关矩阵两部分;2)先后采用迫零法和串行干扰消除法进行信号检测,并分析由此产生的误码性能;3)利用发送端获得的信道相关信息和误码率均等准则,将发送功率合理分配到每根天线。本发明的相关多天线系统收发两端联合设计方法,将接收端和发送端一起考虑,联合设计功率分配和信号检测算法,不仅复杂度低,易实现,仿真实验表明了系统良好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种相关多天线系统收发两端联合设计方法,属于无线通信技术领域。
背景技术
多输入输出(MIMO)天线系统可以显著提高系统的传输容量,前提是从发送端到接收端经过不同的信道传输。当发送端或者接收端存在相关性时,系统容量将随之降低,严重时其性能会退化成单入多出(SIMO)或多入单出(MISO)或单入单出(SISO)系统。因而根据信道相关程度设计合适的传输方案非常重要。先前已有一些文献研究相关信道问题,大多关于系统容量、预编码、信道估计和天线选择等内容。
在MIMO系统中,如果信道固定不变,或者缓慢变化,且发送接收两端均完全获得信道状态信息(CSI),可采用著名的注水算法(Water-filling)分配功率。但是,在许多无线通信环境中,特别是无线MIMO系统,信道变化较快,通常只有接收端能够获得实时完整的信道状态信息,而发送端只能通过反馈回路得到信道相关的统计信息。也有一些文献根据相关信道的特点提出了功率分配和预编码方案,但算法比较复杂。在接收端,信道的相关性也会降低信号检测的性能,特别是复杂度低的迫零算法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种复杂度低、易实现、可有效提高系统性能的相关多天线系统设计方法。
为解决上述技术问题,本发明提供一种相关多天线系统收发两端联合设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将MIMO信道矩阵表示成无相关性的基本矩阵与相关矩阵两部分;
2)先后采用迫零法和串行干扰消除法进行信号检测,并分析由此产生的误码性能;
3)利用发送端获得的信道相关信息和误码率均等准则,将发送功率合理分配到每根天线。
前述的相关多天线系统收发两端联合设计方法,其特征在于:在所述步骤1)中,具有N根发送天线、M根接收天线的MIMO信道模型可表示成如下形式,其中M≥N,
H=H0T1/2 (1-1)
其中H0矩阵由M×N个均值为零、方差为1的独立同分布(i.i.d)复高斯变量组成Nc(0,1),N×N维矩阵T1/2表示发送天线之间的相关性;
用M维矢量y表示接收到的基带信号:y=Hx+n=H0T1/2x+n (2)式中n是由M个均值为零、方差为σn 2的i.i.d复高斯变量组成的矢量;
发送信号矩阵x为:
式中xi为第i根发送天线上比特映射后的调制信号,si为第i根发送天线的功率。
前述的相关多天线系统收发两端联合设计方法,其特征在于:在所述步骤2)中,包括以下步骤:
21)对接收信号y运用线性迫零算法,以消除矩阵H0的影响,
22)用信道相关矩阵T1/2中的相关系数对z进行最大比合并处理,估计发送信号,发送信号估值为:令
再运用最大比合并算法求出第二个信号的估值,令
前述的相关多天线系统收发两端联合设计方法,其特征在于:在所述步骤3)
Λs=0 (17)
dmin和dmax分别表示映射星座中符号点与原点的最小和最大距离,用 表示天线m和n之间的相关度,0≤ρm,n≤1,τi,j=|ti,j|,ti,j是矩阵T1/2中的对应元素,P为发送总功率。
本发明所达到的有益效果:
本发明的相关多天线系统收发两端联合设计方法,将接收端和发送端一起考虑,联合设计功率分配和信号检测算法,不仅复杂度低,易实现,仿真实验表明了系统良好的性能。
附图说明
图1是2×2天线、信噪比为14dB时迫零算法和本发明算法随相关度变化的误码率性能对比示意图;
图2是4×4天线、相关信道下三种算法随信噪比变化的误码率性能对比示意图。
具体实施方式
1.相关MIMO信道模型
考虑块衰落信道,在一个符号块中信道保持不变,具有N根发送天线、M(≥N)根接收天线的MIMO信道模型可表示成如下形式:
H=R1/2H0T1/2 (1)
其中H0矩阵由M×N个均值为零、方差为1的独立同分布(i.i.d)复高斯变量组成Nc(0,1)。M×M维矩阵R1/2、N×N维矩阵T1/2分别表示接收天线之间和发送天线之间的相关性,这里我们仅考虑发送相关性,而令接收相关矩阵R=IM。这样的假设是指用户接收端没有任何物理限制,在接收天线之间有足够空间,不同接收天线之间不相关,而在发送端不同天线之间存在相关性。(1)式就变成
H=H0T1/2 (1-1)
接收端获得了信道的全部状态信息H0和T,但发送端只能获得相关矩阵T。这是由于相关矩阵T通常在一个相当长的时间内保持不变,可通过反馈回路回传至发送端。
用M维矢量y表示接收到的基带信号,
y=Hx+n=H0T1/2x+n (2)
式中n是由M个均值为零、方差为σn 2的i.i.d复高斯变量组成的矢量,而发送信号矩阵x被本文设计为
式中xi为第i根发送天线上比特映射后的调制信号,si为第i根发送天线的功率,
P为发送总功率。φi表示对应第i根天线的相移,而第一根天线可作为参照点,没有相移,即φ1=0。
2.信号检测算法
MIMO系统的信号检测算法至今已提出多种,可分成3大类:线性检测、非线性检测和最佳检测。最佳检测中的最大似然(ML)检测算法在频选瑞利衰落信道中可同时获得分集和编码增益,因而能得到最好的误码率性能。但是其计算复杂度随着编码集合大小和发送天线数量呈指数级增加,不可能实际应用。相反,线性检测算法如最小均方误差(MMSE)、迫零(ZF)算法等具有非常低的复杂度,但系统性能较ML算法相去甚远。特别是当信道具有相关性时,迫零算法会导致噪声放大和有色化。
分析(1)式中的信道矩阵H0,不含相关性,具有很好的性能,可以进行逆矩阵运算,而信道相关性则全部体现在T矩阵中。据此,本发明提出了由三阶段运算组成的新的信号检测算法。
1)迫零算法
鉴于信道矩阵H0的性能,可以进行pseudo取逆得到H0 +,因而对接收信号y运用线性迫零算法,以消除矩阵H0的影响,
这样不会使加权噪声H0 +n放大。
2)最大比合并算法
用信道相关矩阵T1/2中的相关系数对z进行最大比合并处理,估计发送信号。
令
式中(T:,1 1/2)*是矩阵T1/2的第一列元素的共轭转置,利用(5)式结果z计算参数w1。
由于
(7)
3)干扰消除算法
再运用最大比合并算法求出第二个信号的估值,令
由于
(10)
如果天线中的功率大小满足条件s1≥s2≥...≥sN,则可采取同样的方法,将(9)式中的w2除以(10)式中第一项的系数再量化,即在发送符号的星座图中寻找最靠近的点,就得到发送符号的估值如此继续下去,直到检出全部的发送符号。
3.功率分配算法
在上述的信号检测算法中,涉及到天线的功率si,对于发送端来说,在仅仅获知信道相关矩阵T的情况下,如何合理地分配发送信号的功率是本文研究的另一个重点。首先来分析一下上述信号检测的误码性能。
从(7)式看出,检测发送信号x1的误符号率有三部分决定,一是由噪声矢量n引起的误差,二是判决符号到该符号判决边界的距离,三是由其他天线发送符号产生的干扰。其中第一部分,对于每根天线为(T:,1 1/2)*H0 +n,它们具有相同的方差。
其他各天线发送信号的相位选择应该使这些符号到x1判决边界的距离最大,即
如果采用MQAM调制,用dmin和dmax分别表示映射星座中符号点与原点的最小和最大距离,则从(7)式判决x1的最小距离为
式中τi,j=|ti,j|,用 表示天线m和n之间的相关度,0≤ρm,n≤1。第一项表示判决信号x1与其判决边界之间的最小距离,而后面各项表示对于其他发送干扰符号xi的最大可能距离。
将(11)式推广到判决其他符号,则 同样从(10)式判决x2的最小距离为
按这样的规律依次可以得到所有N个最小距离,其中
我们根据误码率相等准则提出功率分配算法,利用信道相关矩阵信息,合理分配每根天线的功率,使每根天线中的判决符号最小距离相等,即
λ1=λ2=…=λN (15)
令
则可将(12)、(13)和(14)式概括表示成下列矢量等式,
Λs=0 (17)
等式右边的0是N-1维零矢量。等式(17)中有N-1个方程,再加上(4)式,用来计算N根天线的功率si,i=1,...,N。
先来分析上述方程组解的存在性。矩阵Λ中,左端(N-1)×(N-1)子矩阵是一个上三角矩阵,对角线上的元素均为dmin,上三角中的元素都小于等于零;矩阵的最后一列由小于零的元素组成。因此方程组存在非负解。
由(14)、(13)和(12)式,如果则通过递推得出的矢量s中的所有元素均为零,这不符合要求。因此不会为零。不失一般性,先设将矩阵Λ中的最后一列移动至等式(17)右边,可得到一个上三角结构的方程组,通过迭代运算,依次得到等数值。然后再根据(4)式加权得到矢量s。
4.算法仿真与性能分析
当发送天线之间不存在相关性时,即T=I,则信道矩阵仅为H0,此时功率均等分配,信号检测仅需第一阶段的迫零算法,所以常规的MIMO迫零算法是本算法的特例。
再结合功率限制(4)式,
从(19)式中看到,天线i每增加1,功率分配减小1/4倍。
本发明仿真采用准静态平坦瑞利衰落信道,接收端已知完整信道状态信息,发送端仅获知信道的相关性信息,用4QAM调制。在2×2天线,信噪比为14dB时,对均匀分配功率的迫零检测算法,和本发明新算法进行仿真比较。如图1所示,可以看出,随着相关度由0增加到1,常规迫零算法的系统性能变差,但采用本发明的联合功率分配和信号检测算法,可以有效改善系统性能,特别是相关度越高时效果越明显。与常规迫零算法相比,尽管新算法在计算复杂度上增加了功率分配和串行干扰消除环节,但从上面的分析推导可知,这些运算都是简单的代数运算,总体算法的复杂度增加不多,而系统性能有较大改善。
在4×4MIMO系统中,第1、第2根发送天线完全相关,ρ1,2=1,构成一组;第3、第4根天线完全相关,ρ3,4=1,构成另一组;两组之间的天线不相关,ρ1,3=ρ1,4=ρ2,3=ρ2,4=0。用三种算法进行仿真,分别是本发明提出的发送功率自适应分配新算法、发送功率均等时的新算法和常规迫零算法。如图2所示,可以看出,对于相关信道,若仅仅采用本发明的信号检测方法,功率均等分配,则与常规迫零算法相比,系统性能改善不大。只有联合运用本发明的功率分配和信号检测算法,才能有效提高系统性能。
本发明分析了相关信道的特点,提出了联合功率分配和信号检测的新方法。信道的相关性会严重影响系统性能,若仅考虑发送预编码和功率分配,或者仅考虑接收端的检测算法,对系统性能的改善不大。本发明将接收端和发送端一起考虑,联合设计功率分配和信号检测算法。这种联合方法在增加运算复杂度不多的情况下,大大改善了系统性能,仿真验证了算法的效果。
以上仅以最佳实施例对本发明做进一步的说明,然其并非对本发明的限定,本发明的保护范围以表示在权利要求的内容为准。
Claims (2)
1.一种相关多天线系统收发两端联合设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)将MIMO信道矩阵表示成无相关性的基本矩阵与相关矩阵两部分;
2)先后采用迫零法和串行干扰消除法进行信号检测,并分析由此产生的误码性能;
3)利用发送端获得的信道相关信息和误码率均等准则,将发送功率合理分配到每根天线,
在所述步骤1)中,具有N根发送天线、M根接收天线的MIMO信道模型可表示成如下形式,其中M≥N,
H=H0T1/2 (1-1)
其中H0矩阵由M×N个均值为零、方差为1的独立同分布(i.i.d)复高斯变量组成Nc(0,1),N×N维矩阵T1/2表示发送天线之间的相关性;
用M维矢量y表示接收到的基带信号:y=Hx+n=H0T1/2x+n (2)
发送信号矩阵x为:
式中xi为第i根发送天线上比特映射后的调制信号,si为第i根发送天线的功率,φi表示对应第i根天线的相移;
在所述步骤3)中
Λs=0 (17)
利用等式(17)中N-1个方程及式(4),计算N根天线的功率si,i=1,...,N,
2.根据权利要求1所述的相关多天线系统收发两端联合设计方法,其特征在于:在所述步骤2)中,包括以下步骤:
21)对接收信号y运用线性迫零算法,以消除矩阵H0的影响,
22)用信道相关矩阵T1/2中的相关系数对z进行最大比合并处理,估计发送信号,发送信号估值为:令
23)得到信号估值后,可将其产生的干扰从接收矢量z中减去,
再运用最大比合并算法求出第二个信号的估值,令
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN 200910232501 CN101814979B (zh) | 2009-12-07 | 2009-12-07 | 相关多天线系统收发两端联合设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN 200910232501 CN101814979B (zh) | 2009-12-07 | 2009-12-07 | 相关多天线系统收发两端联合设计方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101814979A CN101814979A (zh) | 2010-08-25 |
CN101814979B true CN101814979B (zh) | 2013-02-06 |
Family
ID=42622109
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN 200910232501 Expired - Fee Related CN101814979B (zh) | 2009-12-07 | 2009-12-07 | 相关多天线系统收发两端联合设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN101814979B (zh) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102158311B (zh) * | 2011-02-21 | 2015-09-09 | 中国科学技术大学 | 一种优化串行干扰消除顺序的迭代检测方法 |
CN103236879B (zh) * | 2013-04-19 | 2015-08-26 | 西安交通大学 | 一种基于mrc-zf接收矢量估计的协调波束赋形方法 |
WO2015144250A1 (en) | 2014-03-28 | 2015-10-01 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Transmitter and receiver devices and methods thereof |
CN105375967B (zh) * | 2015-11-16 | 2018-04-06 | 北京邮电大学 | 一种基于统计方法的增强型最大比合并检测方法和接收机 |
-
2009
- 2009-12-07 CN CN 200910232501 patent/CN101814979B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101814979A (zh) | 2010-08-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101536355B (zh) | 具有全向和扇形定向天线模式的自适应多天线系统 | |
CN102308492B (zh) | 使用用于波束成形的基码本结构的方法和装置 | |
CN100463455C (zh) | 多输入多输出系统信道容量的估计方法 | |
CN102754358A (zh) | “多入多出”(“mimo”)系统中选择预编码矩阵的方法 | |
CN103138815B (zh) | 空间相关miso系统中基于不完全信道信息预编码方法 | |
CN102710394B (zh) | 用于mimo系统中的基于发射天线选择的空间调制方法 | |
CN102546088A (zh) | 一种块对角化预编码方法及装置 | |
CN101345592B (zh) | 应用于mimo的自适应信号的检测器及检测方法 | |
CN101340218A (zh) | 多输入多输出系统中通信方法及装置 | |
CN101814979B (zh) | 相关多天线系统收发两端联合设计方法 | |
CN104836603A (zh) | 一种mimo信号检测方法 | |
CN101022325A (zh) | 多输入多输出天线系统空分复用的最大似然简化检测方法 | |
CN103188703A (zh) | 幸存星座点选择方法和qrm-mld信号检测方法 | |
CN106341169A (zh) | 一种多用户大规模mimo系统上行链路的天线选择方法 | |
CN106357309A (zh) | 基于非理想信道下大规模mimo线性迭代检测方法 | |
Cui et al. | Generic procedure for tightly bounding the capacity of MIMO correlated Rician fading channels | |
CN103475603B (zh) | 基于序参量非正交变换的通信系统盲信道估计方法 | |
CN101286779B (zh) | 多用户mimo系统中消除多用户干扰的方法 | |
CN101729460A (zh) | 多用户预编码方法及装置 | |
CN102006146B (zh) | Mu-mimo系统下行链路的用户调度方法 | |
CN103338066B (zh) | 一种基于最小距离最大化准则的多路数据流传输方法 | |
CN105429687A (zh) | 一种最小化干扰功率与维度的干扰对齐方法 | |
CN103648140B (zh) | 基于mimo和pnc融合的无线多跳路由网络传输方法 | |
CN106357318A (zh) | 收敛速率可调的大规模mimo迭代检测方法 | |
CN101958852B (zh) | 一种mimo系统中mld接收机的cinr估计方法及装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130206 Termination date: 20131207 |