CN108768478A - 一种非相干的mimo通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非相干的MIMO通信系统及其通信方法，解决的是抗衰落能力弱、性能差的技术问题，通过采用调频连续波(FMCW)信号中的上、下斜率调频信号组成的二进制正交键控(BOK)调制，接收端BOK随相解调，配合MIMO中的BLAST(分层空时码)检测，实现了MIMO环境下的随机相位非相干检测，通过多收发天线实现了非相干通信容量的成倍提升。该方法虽然需要估计MIMO信道矩阵，但该矩阵为实矩阵形式，从而也降低了信道估计的复杂度。在相位变化较快、或相位变化难以估计的衰落信道下能够有效地提高通信容量。

Description

一种非相干的MIMO通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及MIMO通信领域，具体涉及一种非相干的MIMO通信系统及通信方法。

背景技术

非相干通信由于其对无线衰落信道造成的相位变化不敏感，适用于一些相位变化快、或相位随机性强且难以估计的通信环境。例如，移频键控信号(FSK)、幅度键控信号(ASK)、线性调频信号(LFM)、差分移相键控信号(DPSK)等一般适合采用非相干解调方法。广泛应用于VHF、UHF等散射通信、以及其它衰落和干扰环境通信应用中。MIMO无线通信是第四代和第五代移动通信的关键技术,一方面通过多天线的分集可以增强无线通信信号的抗衰落、抗干扰能力；一方面通过多天线收发的空分复用技术可以显著的提高无线通信的容量。

MIMO通信因为存在空分信道之间的相关性，因此往往采用相干检测的方法实现分集或空分复用。针对快衰落等无线通信环境，为了避免精确的信道估计和相位估计，往往采用非相干检测方法，但非相关检测会导致MIMO空分信道之间的相互干扰无法消除。

多天线通信系统中，当前非相干MIMO通信技术主要应用于高信噪比(SNR)环境下的弱相关MIMO信道环境，但在实际通信环境基本不可行。另外，通过设计特殊的信号星座、码本设计辅助差分检测方法，也可以在未知信道信息的条件下实现多天线信号检测，码本利用MIMO信道特性并考虑正交子空间来区分接收机侧的符号，这类方法当前仍停留在理论上，尚未足以实用化。除此之外，通过设计空时编码获得近正交信道特性，从而在未知信道矩阵条件下通过似然检测等非相干检测手段获得分集增益也是非相干MIMO研究的途径之一，但主要实现空间分集增益，而不是空分复用。

以上这些非相干MIMO通信方法的存在技术问题如下：首先，没有利用信道信息，对信号SNR要求较高，且星座、码本、空时码、算法性能严重受限于MIMO信道的相关特性；其次，快衰落引起的随机相位变化仍然会影响多天线信号的解调。

因此，提供一种能够解决上述问题的非相干的MIMO通信系统及通信方法就很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的性能受限、抗干扰、抗衰落能力弱的技术问题。提供一种新的非相干的MIMO通信系统，该非相干的MIMO通信系统具有实现MIMO环境下的随机相位非相干检测，通过收发多天线实现了非相干通信容量的成倍提升、强抗干扰能力的系统。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种非相干的MIMO通信系统，所述MIMO通信系统包括含有N根发射天线和M根接收接收天线；N和M为正整数；所述发射天线连接有发射机，接收天线连接有接收机；发射机连接有波形映射单元输出端，波形映射单元输入端连接有正斜率调频连续波信号、负斜率调频连续波信号以及空时编码单元(分层空时码，BLAST编码)；接收机连接有正交随相检测模块。

本发明的工作原理：本发明利用调频连续波(FMCW)信号构造的二进制正交键控(BOK)信号，通过BOK正交非相干检测，结合多发射和多接收天线构成的BLAST-MIMO系统，采用实信道矩阵，实现了一种非相干的MIMO通信系统。采用FMCW信号构造BOK信号具体采用方法如下：设c＝{0,1}是二进制信元，以线性调频连续波(LFMCW)为例，通过正交的正负斜率调频信号映射二进制码元。通过非相干检测实现信元解调，检测输出为双极性信号2c-1。该解调方法的优点在于对多普勒频移，甚至接收机小频差也不敏感，且有较强的抗干扰能力。

相对于现有的系统，本发明的系统具有相位不敏感性，能够实现非相干解调下的空分复用。而现有的MIMO+平方率检测等非相干检测法是无法实现复用的。

上述方案中，所述正交随相检测模块包括二进制正交信号划分单元。

进一步地，所述二进制正交信号划分单元包括进行二进制映射的正斜率匹配滤波器和负斜率匹配滤波器。

进一步地，所述正斜率匹配滤波器的响应为Down-LFMCW信号形式：

所述负斜率配滤波器的响应为Up-LFMCW信号形式：

f₀是LFMCW信号的中心频率，T是调制符号周期，μ>0是调频斜率。本发明还提供一种非相干MIMO通信方法，所述非相干通信方法基于权利要求前述的非相干的MIMO通信系统，所述通信方法包括：

步骤一，波形映射单元、正斜率调频连续波信号、负斜率调频连续波信号以及空时编码单元构成的调制单元对输入信号进行BOK调制；

步骤二，正交随相检测模块对接收到的调制信号进行正交随相检测，进行信道估计；

步骤三，利用信道估计的结果对各天线随机相位检测结果进行空时解码，完成通信。

进一步地，步骤二包括：

计算出第i根天线的正交随相检测输出结果。该结果实际与信道系数的关系可用下式体现：

其中B是信号带宽，c_kt是第t码元周期第k根发射天线的符号，h_ik是信道矩阵中第i根发射天线至第k根接收天线的幅度增益系数，θ_ik是信道矩阵中第i根发射天线至第k根接收天线的相位差，将发射天线、接收天线与正交随相检测模块统一定义为MIMO信道模型，定义接收信号矩阵 为信道矩阵，为输入信元：

其中，是通过随相检测输出的噪声，c_kt＝{0，1}是第t码元周期第k发射天线的二级制码元；X_up，t是正斜率匹配滤波器的输出，X_dn，t是负斜率匹配滤波器的输出；TB为调频连续波信号的时间带宽积。

调制后的LFMCW-BOK调制符号可表示为：

其中c＝{0,1}代表二进制码元数据，f₀代表中心频率，μ大于0代表调频斜率，T是码元周期。

当LFMCW接收信号加载到对应的匹配滤波器时，有相关峰值脉冲输出：

反之则是类噪声的低幅度干扰。

匹配滤波器的峰值输出可以用和表示。其中，ρe^jα代表相关滤波器不匹配时输出的复数数据，ρ是正负调频斜率信号的相关系数。

本发明的有益效果：本发明通过在MIMO通信信道中引入正交随相检测方法，从而在实现多天线空分复用的同时，随相非相干检测对信号的衰落相位变化不敏感，从而能够在高多普勒衰落环境、存在频差的无线环境下获得较好的通信性能。由于引入随相非相干检测方法，构建的新整体MIMO信道(MIMO信道+随机相位检测为新整体非相干MIMO信道)能够等效为一种实信道模型，从而在实际信道估计时降低了估计的复杂度，降低了信道估计误差对MIMO检测性能的影响。对于本发明提供的新MIMO信道模型，现有的MIMO信道估计方法仍然是适用的。本发明在BLAST-MIMO中引入随相检测，避免了传统BLAST-MIMO对相干检测的要求，包括降低了对接收机高精度载波和相位同步的要求，以及降低对频偏所带相位变化跟踪需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例1的FMCW-MIMO随相检测通信系统。

图2，LFMCW信号的BOK调制示意图。

图3，BOK信号的正交随相检测示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种非相干的MIMO通信系统，如图1，包括信源，与信源连接的空时编码单元，与空时编码单元连接的波形映射单元，与波形映射单元连接的发射机，发射机通过N×M的天线连接到接收机，接收机后端连接有FMCW-BOK随相检测单元，FMCW-BOK随相检测单元连接信道估计单元，空时译码单元后到信宿。多天线MIMO采用BLAST空分复用编码

其中，本实施例的通信系统中省略了多天线射频、中频、以及同步等现有技术已经披露的环节，除了波形映射、FMCW-BOK调制和FMCW-BOK随相检测单元，其它与现有常规多天线通信系统是一致的。

如图2，本实施例中借助正负斜率调频信号进行二进制映射，但并不限于这种二进制正交信号的划分方法，只要采用类似正交信号划分方法都适用于本实施例。如图3，在采用二进制正交信号的划分方法时，二进制正交信号划分单元是由正斜率匹配滤波器和负斜率匹配滤波器组成。

具体地，本实施例的正斜率匹配滤波器的响应为Down-LFMCW信号形式：

负斜率配滤波器的响应为Up-LFMCW信号形式：

本实施例的通信系统的通信方法包括：

步骤一，波形映射单元、正斜率调频连续波信号、负斜率调频连续波信号以及空时编码单元构成的调制单元对输入信号进行BOK调制；

步骤二，正交随相检测模块对接收到的调制信号进行正交随相检测，进行信道估计，根据信道估计结果对检测结果进行修正；

步骤三，对修正结果进行空时解码，完成通信。

对于N天线发M天线收的MIMO系统，无线信道传播矩阵为：

收信号表示为Y＝HS+N₀。其中，Y代表接收信号矩阵，维度为M×T，S代表发射信号矩阵，维度为N×T，T代表发送信号长度，N₀是噪声矩阵。

本实施例用s_t代表第t个码元周期多天线的发射信号矢量，那么在第i根接收天线上接收到的第t个码元信号矢量可以表示为y_it：y_it＝h_is_t+n_it，将该信号通过正、负斜率匹配滤波器，经过峰值采样后，有z_up,it＝h_ix_up,t+n_up,t，z_dn,it＝h_ix_dn,t+n_dn,t。

其中，x_up,t和x_dn,t是s_t信号分别通过上调频斜率匹配滤波器和下调频斜率匹配滤波器输出的结果。

如图3，接收端第i路天线经过随相检测方案后的输出实际等于

其中，是经过匹配滤波器输出的噪声部分，c_kt是第t码元周期第k发射天线的二进制信元c_kt＝{0,1}。就通信系统实现过程而言，并不需要知道随相检测y与原信道矩阵H之间的关系，也就是上式中y_it与h_ik、θ_ik和ρ的关系。

具体地，步骤二包括：计算出第i根天线的正交随相检测输出结果即可：

y_it＝|z_up,it|²-|z_dn,it|²

其中z_up和z_dn分别是上斜率调频匹配滤波器和下斜率调频匹配滤波器的输出。将发射天线、接收天线与正交随相检测模块统一定义为MIMO信道模型，定义接收信号矩阵 为信道矩阵，为输入信元：

其中，是通过匹配滤波器的噪声，c_kt＝{0，1}是第t码元周期第k发射天线的二级制码元；x_up，t是正斜率匹配滤波器的输出，x_dn，t是负斜率匹配滤波器的输出；TB为调频连续波信号的时间带宽积。

调制后的LFMCW-BOK调制符号可表示为：

其中c＝{0,1}代表二进制码元数据，f₀代表中心频率，μ大于0代表调频斜率，T是码元周期，B是FMCW信号带宽。

实际是c对应的双极性码，则同样构成了的信号经过线性系统的形式，且该线性系统为实系统。将发射天线、接收天线与正交随相检测模块作为一个信道整体，则是该信道的信道矩阵，是多发射天线并行输入的双极性码元构成的信元矢量。

同样利用一般BLAST空分复用MIMO的处理方法，在已知信道矩阵和接收信号的条件下，可以通过现有的常规检测算法估计，例如BLAST分层空时译码获得信元的估计例如常用的迫零检测算法、MMSE(最小均方误差检测)、迫零-串行抵消算法、最大似然算法等。对于非相干MIMO系统的实现而言，不需要知道随相检测下信道矩阵与原信道矩阵H之间的关系。对信道的估计，仅需要通过已知的导频序列按照常规的信道估计算法，例如最小二乘法，则可获得信道估计矩阵。本实施例未阐述的内容，是与一般的BLAST-MIMO空分复用通信系统的通信处理是相同的，且实现的通信容量也是一致的，最大通信容量是单发射天线的N倍。

本实施例通过在MIMO通信信道中引入正交随相检测方法，从而在实现多天线空分复用的同时，随相非相干检测对信号的衰落相位变化不敏感，从而能够在高多普勒衰落环境、存在频差的无线环境下获得较好的通信性能。由于引入随相非相干检测方法，构建的新整体MIMO信道能够等效为一种实信道模型，从而在实际信道估计时降低了估计的复杂度，降低了信道估计误差对MIMO检测性能的影响。对于本实施例的新MIMO信道模型，已有的MIMO信道估计方法仍然是适用的。

本实施例在BLAST-MIMO空分复用通信系统中引入随相检测，避免了传统BLAST-MIMO通信系统对相干检测的高要求，降低了对接收机高精度载波和相位同步的要求，以及降低对频偏所带相位变化跟踪需求。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种非相干的MIMO通信系统，其特征在于：所述MIMO通信系统包含发射机和接收机；

发射机连接有波形映射单元输出端，波形映射单元输入端连接有正斜率调频连续波信号、负斜率调频连续波信号以及空时编码单元；

接收机连接有正交随相检测模块。

2.根据权利要求1所述的非相干的MIMO通信系统，其特征在于：所述正交随机相位检测模块包括二进制正交信号划分单元。

3.根据权利要求2所述的非相干的MIMO通信系统，其特征在于：所述二进制正交信号划分单元包括进行二进制映射的正斜率匹配滤波器和负斜率匹配滤波器。

4.一种非相干MIMO通信方法，其特征在于：所述非相干通信方法基于权利要求1-3任一所述的非相干的MIMO通信系统，所述通信方法包括：

步骤一，波形映射单元、正斜率调频连续波信号、负斜率调频连续波信号以及实现包括有空时编码单元的调制单元对输入信号进行BOK调制，空时编码单元完成分层空时码，BLAST编码；

步骤二，正交随相检测模块对接收到的调制信号进行正交随相检测，进行信道估计；

步骤三，利用信道估计的结果对修正结果进行空时解码，完成通信。

5.根据权利要求4所述的非相干MIMO通信方法，其特征在于：

步骤二包括：计算出第i根天线的正交随相检测输出结果：

将发射天线、接收天线与正交随相检测模块统一定义为MIMO信道模型，定义接收信号矩阵 为信道矩阵，为输入信元：

其中，是通过随机相位检测输出的噪声，c_kt＝{0，1}是第t码元周期第k发射天线的二级制码元；x_up，t是正斜率匹配滤波器的输出，x_dn，t是负斜率匹配滤波器的输出；TB为调频连续波信号的时间带宽积。