CN104113921A - 一种mimo-edm无线通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO-EDM无线通信系统及方法，该MIMO-EDM无线通信系统包括：混合系统和分离系统；将多输入多输出技术与MIMO技术相结合，利用熵分复用算法可以从熵域进行多路信号的分离，该MIMO-EDM无线通信方法流程包括发射n路源信号、接收端接收混叠信号、分离系统分离多路混叠信号。本发明提高了频谱资源利用率和无线信道的容量，采用负熵作为统计独立性的判据，首次在信息熵域中实现了多路混叠信号的分离过程，实现高速率、高质量的宽带无线通信。

Description

一种MIMO-EDM无线通信系统及方法

技术领域

本发明属于无线通信的技术领域，尤其涉及一种MIMO-EDM无线通信系统及方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，用户对无线通信的需求也日益增长，而无线通信系统本身是一个资源受限系统，因此导致了频谱资源极度紧缺的问题。如何有效地解决这一问题，已经成为全世界通信工作者共同关注的命题。而信道多路复用技术恰好可以有效地解决这一问题。所谓多路复用(Multiplexing)是指将多路源信号按照一定的方式组合成一个复合信号，然后在同一信息传输通道上进行传输，在接收端采用一定的准则将它们分离，并分别接收下来。在信道复用技术中，两个通信站点之间利用同一个信息传输通道，传送多路信号而不会导致相互干扰，这样就充分利用了信道容量，使得单路信息传输的成本大大降低。目前，常用的信道复用方式主要包括以下几种类型：时分复用(TimeDivision Multiplexing，简称TDM)，是指同一信道上传输的多路信号，分别占用不同的时间间隙进行通信，也就是说时间被分成了若干均匀的间隙，而各路信息被分配在各个不同的间隙进行传输，从而使各路信号互相分开，互不干扰。频分复用(Frequency Division Multiplexing，简称FDM)，就是将用于传输的信道总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。

码分复用(Code Division Multiplexing，简称CDM)，是指通信系统中所传输的多路信号，分别利用不同的编码来携带每路信号的信息，从而实现多路通信的一种复用方式。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术，是指在无线通信系统中，发射端利用多个天线发送信号，接收端利用多个天线接收信号的一种通信模式。

MIMO技术的实质是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用可以进一步提高信道容量，空间分集则可进一步提高通信系统的可靠性。MIMO技术的空间复用就是在发射端和接收端均使用多副天线，充分地利用空间中的多径矢量，在同一频带上采用多个MIMO子信道来发射信号。因此系统容量会随着天线数目的增加而线性增加，而且信道容量的增大既不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率。

目前，时分复用方法存在以下缺点：由于时隙预先固定分配给每路源信号，即使在某个时隙，源信号并没有信息可以传输，也要将该时隙分配给它，这就不可避免的造成了频谱资源的浪费。由于每个时隙被分配给特定的输入线路，当所有的输入线路不能全部进入工作状态时，就会出现空闲的时隙，所以传统的时分多路复用技术信息传输效率非常低。

频分复用方法存在以下缺点：为确保信息传输过程中，每个子信道上的通信信号互不干扰，时分复用技术需在每个子信道之间设置一定的保护时间间隔，频分复用技术则需设置一定的保护频带，因此极大地降低了频带利用率。

码分复用方法存在以下缺点：码分复用方式会受到码字长度和可用码字数量的影响，无论采用什么样的码集，总会不可避免的产生多址干扰。目前，传统的无线通信方法存在无线信道的容量和频谱资源的利用效率低、无法避免多址干扰现象、信息传输效果差的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种MIMO-EDM无线通信系统及方法，旨在解决传统的无线通信方法存在无线信道的容量和频谱资源的利用效率低、无法避免多址干扰现象、信息传输效果差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种MIMO-EDM无线通信方法，该MIMO-EDM无线通信方法包括：发射n路源信号、接收端接收混叠信号、分离系统分离多路混叠信号；

发射n路源信号是指n路源信号经信道混合后，混合系统称为A，在发送端由n根天线在空间发射；

接收端接收混叠信号是指接收端利用m(m≥n＞1)根天线把混叠信号接收下来，接收信号被称为观测信号，接收端先进行观测信号的预处理，预处理包含两部分，即中心化处理和球面化处理；

分离系统分离多路混叠信号是指分离系统W会根据各路源信号信息熵值的不同在熵域分离该多路混叠信号，其中信息熵值的判据采用负熵；

其中，负熵近似计算的表达式如下：

$\hat{J}\left(x\right)\≈\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_j{\left[E\right\{G_j\left(x\right)\}-E\{G_j\left(M\right)\left\}\right]}^2---\left(1\right)$

其中，k_j为一些正常数，M为具有零均值、单位方差的高斯变量，函数G_j为非二次函数；

当所有的G_j＝G时，近似式成为：

J_G(x)≈C[E{G(x)}-E{G(M)}]²    (2)

其中，G是任意非二次函数，C是一个常数；

然后采用公式进行负熵的计算，根据各路信号负熵值的差异即可把各路信号提取出来，实现信道的多路复用。

进一步，所述的分离系统分离多路混叠信号由于采用多路天线发射和多路天线接收的多输入多输出技术。

本发明的另一目的在于提供一种MIMO-EDM无线通信系统，该MIMO-EDM无线通信系统包括：混合系统和分离系统；

混合系统，用于将源信号进行线性调制后，进入混合系统混合，混合后的信号在发送端由天线在空间发射；混合系统在接收端利用天线把混合信号接收下来，接收到的混合信号称为观测信号；

分离系统，与混合系统无线连接，接收混合系统的观测信号，利用熵分复用算法将源信号提取出来，分离后的输出信号各自所提供的信息量恰好等于发送端发送的源信号各自含有的信息量。

进一步，源信号为零均值且相互统计独立的源信号，统计独立性的判据采用各路信号负熵值的差异。

进一步，该MIMO-EDM无线通信系统极限容量的计算过程如下：

利用Laguerre多项式计算可以得到：

$C={\∫}_0^{\∞}{\log }_2(1+\frac{1}{n_t}\mathrm{\ξ\λ}\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k!}{(k+n+m)!}{\left[L_k^{n-m}\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}^2{\mathrm{\λ}}^{n-m}{e}^{-\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中，m＝min(N_t,N_r)

n＝max(N_t,N_r)

为次数为k的Laguerre多项式；

如果令λ＝n/m，可以推导出如下归一化后的信道容量表示式；

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{m}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{v_1}^{v_2}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{m\ξ}}{N_t}v)\sqrt{(\frac{v_2}{v}-1(1-\frac{v_1}{v})}\mathrm{dv}---\left(4\right)$

其中， $v_1={(\sqrt{\mathrm{\τ}}-1)}^2$

$v_2={(\sqrt{\mathrm{\τ}}+1)}^2$

在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝N_t＝N_r，则v₁＝0，v₂＝4；

渐进信道容量为：

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{n}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^4{\log }_2(1+\mathrm{\ξv})\sqrt{(\frac{1}{v}-\frac{1}{4})}\mathrm{dv}---\left(5\right)$

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x)               (6)

式(5)简化为：

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{n}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^4{\log }_2\left(\mathrm{\ξv}\right)\sqrt{(\frac{1}{v}-\frac{1}{4})}\mathrm{dv}\≥{\log }_2\left(\mathrm{\ξ}\right)-1$       (式7)

式(5)表明，随着收发天线数目的增加，极限信道的容量会随之线性地增加。

本发明提供的MIMO-EDM无线通信系统及方法，利用熵分复用算法(Entropy Division Multiplexing EDM)可以从熵域进行多路信号的分离，实现信道的多路复，具有更大的信道容量和更高的频谱利用效率，从而可以实现高速率、高质量的宽带无线通信；MIMO-EDM无线通信方法克服了传统的正交频分复用方式中信道资源只能固定分配的缺点，解决了信号传输时各路信号在时域、频域的相互干扰和多址干扰问题，在信息熵域中实现了时频混叠多路混叠信号的复用。MIMO-EDM无线通信系统及方法在提高频谱资源利用率的同时，提高了无线信道的容量，采用负熵作为统计独立性的判据，首次在信息熵域中实现了多路混叠信号的分离过程，利用熵分复用算法吸收了MIMO和EDM两大技术的优点，进一步提高了无线信道的容量和频谱资源的利用效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的MIMO-EDM无线通信方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例提供的MIMO-EDM无线通信系统模型的原理示意图；

图中：1、混合系统；2、分离系统；

图3是本发明实施例提供的时分复用通信系统模型的原理示意图；

图4是本发明实施例提供的频分复用通信系统模型的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图2所示，一种MIMO-EDM无线通信系统，该MIMO-EDM无线通信系统包括：混合系统1和分离系统2；

混合系统1，用于将源信号进行线性调制后，进入混合系统1混合，混合后的信号在发送端由天线在空间发射；混合系统1在接收端利用天线把混合信号接收下来，接收到的混合信号称为观测信号；

分离系统2，与混合系统1无线连接，接收混合系统1的观测信号，利用熵分复用算法将源信号提取出来，分离后的输出信号各自所提供的信息量恰好等于发送端发送的源信号各自含有的信息量；

将多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术与MIMO技术相结合，利用熵分复用算法(Entropy Division Multiplexing EDM)可以从熵域进行多路信号的分离，实现信道的多路复用，具有更大的信道容量和更高的频谱利用效率，从而可以实现高速率、高质量的宽带无线通信；

n路源信号经无线信道混合后，在发送端由n根天线在空间发射，接收端利用m(m≥n＞1)路天线把混叠信号接收下来，通过熵分复用算法分离出来，实现多路信号的复用。

信源：s₁(t),s₂(t),s₃(t),…s_n(t)为n路零均值且相互统计独立的源信号，统计独立性的判据采用各路信号负熵值的差异，该源信号最大的特点是它们在时域和频域都可以是混叠的。

混合系统：该n路源信号进行线性调制后，进入混合系统混合，混合后的信号在发送端由n根天线在空间发射。

在接收端利用m(m≥n＞1)路天线把混合信号接收下来，接收到的m路混合信号x₁(t),x₂(t),x₃(t),…x_m(t)称为观测信号。

分离系统：m路观测信号送入分离系统，分离系统利用熵分复用算法将源信号提取出来。分离后的输出信号称为y₁(t),y₂(t),y₃(t),…y_n(t)，其各自所提供的信息量恰好等于发送端发送的源信号s₁(t),s₂(t),s₃(t),…s_n(t)各自含有的信息量，这样就实现了信号的多路复用。

如图1所示，一种MIMO-EDM无线通信方法，该方法工艺流程包括发射n路源信号S101、接收端接收混叠信号S102、分离系统分离多路混叠信号S103；

所述的发射n路源信号S101是指n路源信号经信道混合后，混合系统，在发送端由n根天线在空间发射；

所述的接收端接收混叠信号S102是指接收端利用m(m≥n＞1)根天线把混叠信号接收下来，接收信号被称为观测信号，接收端先进行观测信号的预处理，预处理包含两部分，即中心化处理和球面化处理；

所述的分离系统分离多路混叠信号S103是指分离系统会根据各路源信号信息熵值的不同在熵域分离该多路混叠信号，其中信息熵值的判据采用负熵；

其中，负熵近似计算的表达式如下：

$\hat{J}\left(x\right)\≈\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_j{\left[E\right\{G_j\left(x\right)\}-E\{G_j\left(M\right)\left\}\right]}^2---\left(1\right)$

其中，k_j为一些正常数，M为具有零均值、单位方差的高斯变量，函数G_j为非二次函数；

当所有的G_j＝G时，近似式成为：

J_G(x)≈C[E{G(x)}-E{G(M)}]²    (2)

其中，G是任意非二次函数，C是一个常数；

然后采用上述公式进行负熵的计算，根据各路信号负熵值的差异即可把各路信号提取出来，实现信道的多路复用。

进一步，所述的分离系统分离多路混叠信号S103由于采用多路天线发射和多路天线接收的多输入多输出技术(MIMO)，MIMO-EDM无线通信系统随着收发天线数目的增加，极限信道容量也会随之线性地增加，MIMO-EDM无线通信系统极限容量的计算过程如下：

利用Laguerre多项式计算可以得到：

$C={\∫}_0^{\∞}{\log }_2(1+\frac{1}{n_t}\mathrm{\ξ\λ}\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k!}{(k+n+m)!}{\left[L_k^{n-m}\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}^2{\mathrm{\λ}}^{n-m}{e}^{-\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中，m＝min(N_t,N_r)

n＝max(N_t,N_r)

为次数为k的Laguerre多项式

如果令λ＝n/m，可以推导出如下归一化后的信道容量表示式；

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{m}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{v_1}^{v_2}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{m\ξ}}{N_t}v)\sqrt{(\frac{v_2}{v}-1(1-\frac{v_1}{v})}\mathrm{dv}---\left(4\right)$

其中， $v_1={(\sqrt{\mathrm{\τ}}-1)}^2$

$v_2={(\sqrt{\mathrm{\τ}}+1)}^2$

在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝N_t＝N_r，则v₁＝0，v₂＝4；

渐进信道容量为：

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{n}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^4{\log }_2(1+\mathrm{\ξv})\sqrt{(\frac{1}{v}-\frac{1}{4})}\mathrm{dv}---\left(5\right)$

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x)                (6)

式(5)可简化为：

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{n}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^4{\log }_2\left(\mathrm{\ξv}\right)\sqrt{(\frac{1}{v}-\frac{1}{4})}\mathrm{dv}\≥{\log }_2\left(\mathrm{\ξ}\right)-1---\left(7\right)$

式(5)表明，随着收发天线数目的增加，极限信道的容量会随之线性地增加，MIMO-EDM无线通信系统结合了MIMO与EDM两大技术的优点，大大提高了频谱利用率和信道容量。

工作原理：

如图1所示，一种MIMO-EDM无线通信方法步骤流程包括发射n路源信号S101、接收端接收混叠信号S102、分离系统分离多路混叠信号S103；所述的发射n路源信号S101是指n路源信号经信道混合后，混合系统，在发送端由n根天线在空间发射；所述的接收端接收混叠信号S102是指接收端利用m(m≥n＞1)根天线把混叠信号接收下来，接收信号被称为观测信号，接收端先进行观测信号的预处理，预处理包含两部分，即中心化处理和球面化处理；所述的分离系统分离多路混叠信号S103是指分离系统会根据各路源信号信息熵值的不同在熵域分离该多路混叠信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种MIMO-EDM无线通信方法，其特征在于，该MIMO-EDM无线通信方法包括：发射n路源信号、接收端接收混叠信号、分离系统分离多路混叠信号；

发射n路源信号是指n路源信号经信道混合后，混合系统称为A，在发送端由n根天线在空间发射；

接收端接收混叠信号是指接收端利用m(m≥n＞1)根天线把混叠信号接收下来，接收信号被称为观测信号，接收端先进行观测信号的预处理，预处理包含两部分，即中心化处理和球面化处理；

分离系统分离多路混叠信号是指分离系统W会根据各路源信号信息熵值的不同在熵域分离该多路混叠信号，其中信息熵值的判据采用负熵；

其中，负熵近似计算的表达式如下：

$\hat{J}\left(x\right)\≈\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_j{\left[E\right\{G_j\left(x\right)\}-E\{G_j\left(M\right)\left\}\right]}^2---\left(1\right)$

其中，k_j为一些正常数，M为具有零均值、单位方差的高斯变量，函数G_j为非二次函数；

当所有的G_j＝G时，近似式成为：

J_G(x)≈C[E{G(x)}-E{G(M)}]²    (2)

其中，G是任意非二次函数，C是一个常数；

然后采用公式进行负熵的计算，根据各路信号负熵值的差异即可把各路信号提取出来，实现信道的多路复用。

2.如权利要求1所述的MIMO-EDM无线通信方法，其特征在于，所述的分离系统分离多路混叠信号由于采用多路天线发射和多路天线接收的多输入多输出技术。

3.一种MIMO-EDM无线通信系统，其特征在于，该MIMO-EDM无线通信系统包括：混合系统和分离系统；

混合系统，用于将源信号进行线性调制后，进入混合系统混合，混合后的信号在发送端由天线在空间发射；混合系统在接收端利用天线把混合信号接收下来，接收到的混合信号称为观测信号；

分离系统，与混合系统无线连接，接收混合系统的观测信号，利用熵分复用算法将源信号提取出来，分离后的输出信号各自所提供的信息量恰好等于发送端发送的源信号各自含有的信息量。

4.如权利要求3所述的MIMO-EDM无线通信系统，其特征在于，源信号为零均值且相互统计独立的源信号，统计独立性的判据采用各路信号负熵值的差异。

5.如权利要求3所述的MIMO-EDM无线通信系统，其特征在于，该MIMO-EDM无线通信系统极限容量的计算过程如下：

利用Laguerre多项式计算可以得到：

$C={\∫}_0^{\∞}{\log }_2(1+\frac{1}{n_t}\mathrm{\ξ\λ}\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k!}{(k+n+m)!}{\left[L_k^{n-m}\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}^2{\mathrm{\λ}}^{n-m}{e}^{-\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中，m＝min(N_t,N_r)

n＝max(N_t,N_r)

为次数为k的Laguerre多项式；

如果令λ＝n/m，可以推导出如下归一化后的信道容量表示式；

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{m}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{v_1}^{v_2}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{m\ξ}}{N_t}v)\sqrt{(\frac{v_2}{v}-1(1-\frac{v_1}{v})}\mathrm{dv}---\left(4\right)$

其中， $v_1={(\sqrt{\mathrm{\τ}}-1)}^2$

$v_2={(\sqrt{\mathrm{\τ}}+1)}^2$

在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝N_t＝N_r，则v₁＝0，v₂＝4；

渐进信道容量为：

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{n}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^4{\log }_2(1+\mathrm{\ξv})\sqrt{(\frac{1}{v}-\frac{1}{4})}\mathrm{dv}---\left(5\right)$

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x)                    (6)

式(5)简化为：

$\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{C}{n}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^4{\log }_2\left(\mathrm{\ξv}\right)\sqrt{(\frac{1}{v}-\frac{1}{4})}\mathrm{dv}\≥{\log }_2\left(\mathrm{\ξ}\right)-1$       (式7)

式(5)表明，随着收发天线数目的增加，极限信道的容量会随之线性地增加。