CN107453791A - 一种采用交叉极化干扰抵消技术提升mimo系统性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，是一种能克服MIMO系统中天线阵元间因存在交叉极化干扰而导致系统性能下降的有效方法。针对MIMO系统在实际工作过程中，由于受到多径传播、以及雨衰等的不利影响从而导致原本正交设计的极化信号失效的问题，本专利基于交叉极化干扰抵消数学模型，设计出一种能够在基带实现的、基于自适应滤波技术的简单交叉干扰抵消器，从而消除天线阵元间水平极化波与垂直极化波之间的码间串扰，改善MIMO系统的性能。

Description

一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法

技术领域

本发明涉及一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，特别涉及一种 在现代无线MIMO(多入多出)通信系统中，利用交叉极化干扰抵消(XPIC)技术以消除因 多径衰落及雨衰等恶劣传播环境引发的射频信号极化方向发生偏转、从而导致系统性能下降 的有效方法，属于采用多天线MIMO传输机制的微波通信领域。

背景技术

现代无线通信系统为了在有限的频带资源下支持高速、可靠的综合业务数据传输，一般 都采用诸如多进制正交幅度调制(QAM)与多入多出(MIMO)多天线传输机制相结合的技 术。鉴于采用多进制QAM的MIMO系统中两路正交的极化信号在传输过程中时常会发生去极 化现象，也即在恶劣的信道条件，如雨、雪、大风等天气条件下会导致原本两路正交发送的 极化信号不再正交，从而产生交叉极化干扰使得接收端无法接收到所期望得到的信号。在 MIMO系统中，上述“交叉极化干扰”可以用天线的“交叉极化鉴别率”来表示；所谓的交叉极化 鉴别率即指当发射天线发射一个垂直极化波T_V时，在接收天线同极化波道中接收到的极化波 R_V与水平交叉极化波道中接收到的极化波R_H之比。由于深度衰落将导致交叉极化鉴别率下 降，从而令交叉极化干扰增加，并最终导致信号抗干扰能力减弱。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的 方法，基于交叉极化干扰抵消数学模型，设计出一种能够在基带实现的、基于自适应滤波技 术的简单交叉干扰抵消器，从而消除天线阵元间水平极化波与垂直极化波之间的码间串扰， 改善MIMO系统的性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，该方法通过设 计一种交叉极化干扰抵消器，消除天线阵元间水平极化波与垂直极化波之间的码间串扰，从 而提升MIMO系统的性能。

作为本发明的进一步技术方案，所述交叉极化干扰抵消器为FIR结构的自适应横向滤波 器。

作为本发明的进一步技术方案，所述FIR结构的自适应横向滤波器的阶数根据实际需要 确定。

作为本发明的进一步技术方案，所述FIR结构的自适应横向滤波器的自适应控制模块采 用LMS自适应滤波算法来自动调节滤波器的抽头系数。

作为本发明的进一步技术方案，该方法具体为：

首先，接收端将接收到的受到交叉极化干扰的垂直接收极化信号和水平接收极化信号经 过解调处理后分别转换成两路基带信号；

其次，将水平接收极化信号的两路基带信号分别送入4个N阶滤波器中拟合出与垂直接 收极化信号中交叉极化干扰信号大小相当、极性相反的抵消信号，将该抵消信号分别与垂直 接收极化信号的两路基带信号进行叠加，即得到消除交叉极化干扰后的垂直接收极化信号；

最后，将垂直接收极化信号的两路基带信号分别送入4个N阶滤波器中拟合出与水平接 收极化信号中交叉极化干扰信号大小相当、极性相反的抵消信号，将该抵消信号分别与水平 接收极化信号的两路基带信号进行叠加，即得到消除交叉极化干扰后的水平接收极化信号。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明是一种能克服 MIMO系统中天线阵元间因存在交叉极化干扰而导致系统性能下降的有效方法。针对MIMO 系统在实际工作过程中，由于受到多径传播、以及雨衰等的不利影响从而导致原本正交设计 的极化信号失效的问题，本发明基于交叉极化干扰抵消数学模型，设计出一种能够在基带实 现的、基于自适应滤波技术的简单交叉干扰抵消器，从而消除天线阵元间水平极化波与垂直 极化波之间的码间串扰，改善MIMO系统的性能。本发明为采用多天线MIMO传输机制的 微波通信领域设计提供新的设计参考。

附图说明

图1为交叉极化干扰抵消数学模型图，其中，(a)为交叉极化干扰模型，(b)为干扰抵 消处理的模型。

图2为自适应滤波器结构图。

图3为交叉极化干扰抵消XPIC工作原理图。

图4为256QAM信号无交叉极化干扰时输出星座图。

图5为XPD＝20dB时256QAM信号未经XPIC处理输出星座图。

图6为XPD＝20dB时256QAM信号经过XPIC处理输出星座图。

图7为支持XPIC的解调系统图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为得到交叉极化干扰抵消器的通用关系表达式，建立如图1所示出的数学模型。上述模 型中，左半部分是交叉极化干扰模型，右半部分是干扰抵消处理的模型。V_T、H_T分别表示垂 直发射的极化信号和水平发射极化信号；H₁₂、H₂₁分别表示交叉极化干扰的传输函数；H₁₁、 H₂₂分别表示未受到交叉极化干扰的传输函数；V_R'、H_R'分别表示受到交叉极化干扰的垂直 接收极化信号和水平接收极化信号；K₁₂、K₂₁分别表示对交叉极化干扰信号进行干扰抵消的 传输函数；V_R、H_R分别表示消除交叉极化干扰的垂直接收极化信号和水平接收极化信号。 如此，则经过干扰抵消处理的接收信号与发射信号之间的关系为：

若要抵消干扰，需满足：

令K₁₁＝K₂₂＝1得：

K₁₂＝-H₁₂/H₂₂，K₂₁＝-H₂₁/H₁₁ (6)

由公式(2)和(6)可得

其中关系式K₁₂、K₂₁用相关检测法即可实现；关系式V_R、H_R用横向滤波器即可实现。

一般情况下，交叉极化干扰抵消器就是自适应横向滤波器且采用FIR结构，如图2所示。 横向滤波器是由一系列延迟单元和抽头系数构成。抽头间隔等于码元周期，每个抽头的延时 信号经加权后送入一个相加电路，相加结果作为信号输出。

假设横向滤波器输入矢量为

u(n)＝[u((n-1)T),...,u((n-M)T)]^T (8)

滤波器抽头系数为

W(n)＝[w₁,w₂,...,w_N]^T (9)

那么滤波器的输出可以表示为

其中，y(n)为输出信号。上式表明输出结果由输入矢量和抽头系数决定。M为输入矢量 的长度，即为横向滤波器长度，也称为滤波器的阶数。理论分析表明，只有使用无线长度的 FIR横向滤波器才能消除干扰。但是，实际应用中，考虑到资源问题及计算复杂的，采用横向 滤波器都是有限长度的，所以FIR横向滤波器的阶数需要根据实际情况来选择。

由于实际信道特性的先验未知性，这将导致信道响应也具有时变特性，因此需要能够感 知环境变化的自适应滤波器来进行拟合XPIC的工作。以含有交叉极化干扰(XPI)的垂直(V) 路信号为例，XPIC的工作原理如图3所示。

接收端将接收到的含有XPI的V路中频信号先经过解调处理(混频、滤波、模数变换，为 简便起见滤波器未画出)转换成两路基带信号，即一个同相分量和一个正交分量。此时将水 平(H)路信号的两个分量信号分别送入4个N阶滤波器拟合出与V路信号中XPI大小相当、 极性相反的抵消信号并做加法处理即可得到纯净的V路信号。

本专利中，XPI抵消器的自适应控制模块可以采用诸如LMS等自适应滤波算法来自动调节 滤波器抽头系数。LMS算法包括两个过程，即滤波和自适应。首先定义权向量 ω＝[ω₁,ω₂,ω₃,...ω_M]^T，其中M为滤波器阶数，(·)^T代表转置操作；且滤波器输入向量为：

u(n)＝[u((n-1)T),...,u((n-M)T)]^T (11)

上式中T为一个信号周期的宽度，n表示第n个信号周期；令d(n)表示期望信号的响应， y(n)表示经过滤波的输出信号，并定义误差信号为：

ε(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-ω^T·u(n) (12)

误差平方为：

ε²(n)＝d²(n)-2d(n)u^T(n)ω+ω^Tu(n)u^T(n)ω (13)

对上式两边取数学期望后得均方误差：

E{ε²(n)}＝E{d²(n)}-2E{d(n)u^T(n)}ω+ω^TE{u(n)u^T(n)}ω (14)

由上式(11)可以看出，均方误差是权系数ω的开口向上的二次函数，因此求出该函数 最小值即可得到滤波器的最佳抽头系数。为求出最小值，可先对误差函数进行求导计算(针 对权系数)，然后得到如下所示梯度公式：

令即可求出最佳权系数向量。在求解最佳权系数精确值的过程中，一般可使用最 速下降法进行近似处理。由最速下降法可知，下一时刻权系数向量ω(n+1)应等于当前时刻n 权系数向量ω(n)减去一个μ倍的均方误差梯度即：

其中，μ是收敛因子，为一可控制收敛速度与稳定性的常数。同时取ε²(n)＝E{ε²(n)}得到 均方误差函数梯度公式的近似估计公式：

其中，因此，采用LMS算法的横向滤波器系 数向量的迭代公式即为：

ω(n+1)＝ω(n)+2με(n)u(n) (18)

由上述公式推导过程可知，LMS自适应算法不仅运算较为简单，且易于硬件实现。其实 现过程是在一个初始化值上进行微调，整个系统会进入两种状态，即收敛前和收敛状态。步 长因子μ作用于系统收敛前，适当改变大小可改变调整时间的快慢，此时为了缩短系统调整 时间，应取步长因子较大值，一旦系统进入收敛状态后，为使系统稳态噪声最小，此时应在 较小范围内对μ进行调节。

由以上本发明所给出的具体实施过程以及不同交叉极化鉴别率况下，未考虑交叉极化干 扰因素，以及考虑交叉极化干扰但未经过与经过XPIC处理的信号星座图分别如图4、图5、 图6所示，由这些星座图可以看出，输入信号未受到极化干扰时的星座点分布非常均匀，而 典型XPD＝20dB时未经过XPIC处理的星座点分布非常密集，显得杂乱无章，此时进行星座 信号的解映射将导致极大的误符号率；经过本专利所提基于LMS自适应算法的XPIC处理之 后，由图6可见，信号星座点的分布可相对向中心收敛，有效地减小了相邻信号之间的干扰， 降低了星座解映射时的误码率。

最后，我们根据XPIC抵消器的实现方案，以及系统整体设计要求，给出了支持XPIC技 术的数字微波通信系统解调模块的实现结构图，如图7所示。接收端接收到中频或者射频信 号后，极化分离器可将两路极化信号分离出来，即首先通过下变频和低通滤波器将信号转换 成基带信号以便后续处理；接着经过符号定时同步模块进行波特率的恢复与可变波特率的内 插；随后通过载波恢复模块，载波恢复环路产生相干载波，恢复出接收信号的频率偏差和相 位偏差；最后再将信号经过均衡(消除码间串扰)和XPIC(消除交叉极化干扰)处理，解调 后即可得到较为纯净的发射信号。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明 的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，其特征在于，该方法通过设计一种交叉极化干扰抵消器，消除天线阵元间水平极化波与垂直极化波之间的码间串扰，从而提升MIMO系统的性能。

2.根据权利要求1所述的一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，其特征在于，所述交叉极化干扰抵消器为FIR结构的自适应横向滤波器。

3.根据权利要求2所述的一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，其特征在于，所述FIR结构的自适应横向滤波器的阶数根据实际需要确定。

4.根据权利要求2所述的一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，其特征在于，所述FIR结构的自适应横向滤波器的自适应控制模块采用LMS自适应滤波算法来自动调节滤波器的抽头系数。

5.根据权利要求1所述的一种采用交叉极化干扰抵消技术提升MIMO系统性能的方法，其特征在于，该方法具体为：

首先，接收端将接收到的受到交叉极化干扰的垂直接收极化信号和水平接收极化信号经过解调处理后分别转换成两路基带信号；

其次，将水平接收极化信号的两路基带信号分别送入4个N阶滤波器中拟合出与垂直接收极化信号中交叉极化干扰信号大小相当、极性相反的抵消信号，将该抵消信号分别与垂直接收极化信号的两路基带信号进行叠加，即得到消除交叉极化干扰后的垂直接收极化信号；

最后，将垂直接收极化信号的两路基带信号分别送入4个N阶滤波器中拟合出与水平接收极化信号中交叉极化干扰信号大小相当、极性相反的抵消信号，将该抵消信号分别与水平接收极化信号的两路基带信号进行叠加，即得到消除交叉极化干扰后的水平接收极化信号。