CN109391278A - 大规模天线多用户系统的信号接收机及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大规模天线多用户系统的信号接收机，大规模天线多用户系统包括基站和K个单天线用户节点，基站具有Nr根天线以接收单天线用户节点的发送信号，K、Nr均为大于1的正整数；信号接收机包括：Nr个低噪声功率放大器，与Nr根天线一一对应连接；Nr个移相控制单元，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；移相控制单元包括K个相互并联的子控制单元，每一子控制单元包括调节开关和测相移相器，测相移相器与调节开关连接，调节开关与对应的低噪声功率放大器连接；一一对应连接的K个加法器、K条射频链路、K个模数转换器；解码器，用于解码以获得各用户节点的解码信号。本发明只需要K个用户数量的射频链路即可处理接收信号。

Description

大规模天线多用户系统的信号接收机及其信号处理方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及大规模天线多用户系统的信号接收机及其信号处理方法。

背景技术

近年来，随着无线通信系统用户数量的猛增和对高话音质量、高数据传输速率的追求，使得人们对带宽的需求量急剧增加，而频谱资源不是无限的。因此，仅靠增加带宽来增加传输速率是不符合实际的。所以实现用更高速率来传输数据就必须要有一个具有高频谱利用率的新技术来支持。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-output)是近年来数字通信领域重大的技术突破之一，它对提高无线通信系统的频谱利用率和信道容量有显著作用。MIMO系统实现了多个信号流的并行传输，与传统的单输入单输出(SISO)系统相比较，在系统的接收端实现了每根接收天线的接收信号是多路发送天线信号的叠加。但是在传输过程中存在信道的选择性衰落，码间干扰，路径损耗等问题。

由于多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测的设计变得异常复杂。MIMO接收机与单天线相比，复杂性明显增加，例如MIMO信道估计会导致复杂性的增加，因为整个信道矩阵的每一条路径延时都需要技术跟踪和更新，而不是只跟踪和更新单个系数；现存在的大规模天线接收机由于接收天线的数量很多，需要很多的RF射频链路来处理这些接收信号，但是建设RF射频链路的成本很高和功耗损失很大，且对占地建设面积有要求。因此，需要研究设计出一种成本低且复杂度低的大规模天线接收机。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种大规模天线多用户系统的信号接收机及其信号处理方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

大规模天线多用户系统的信号接收机，所述大规模天线多用户系统包括基站和K个单天线用户节点，所述基站具有Nr根天线以接收单天线用户节点的发送信号，K、Nr均为大于1的正整数；所述接收机包括：

Nr个低噪声功率放大器，与Nr根天线一一对应连接；

Nr个移相控制单元，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；所述移相控制单元包括K个相互并联的子控制单元，每一子控制单元包括调节开关和测相移相器，测相移相器与调节开关连接，调节开关与对应的低噪声功率放大器连接；

K个加法器，分别与各移相控制单元中的K个测相移相器一一对应连接；

K条射频链路，与K个加法器一一对应连接；

K个模数转换器，与K条射频链路一一对应连接；

解码器，与K个模数转换器连接，用于对模数转换器输出的信号进行解码以获得各单天线用户节点的解码信号。

本发明还提供上述信号接收机的信号处理方法，包括以下步骤：

S1、K个单天线用户节点发送训练序列以对K个单天线用户节点的信道进行估计，得到K个单天线用户节点的信道估计；

S2、各单天线用户节点发送数据信号，基站的天线接收信号，并通过低噪声功率放大器、测相移相器、加法器、射频链路、模数转换器对信号进行处理；

S3、对处理后的信号输入解码器进行解码，以得到各单天线用户节点发送的数据信号。

作为优选方案，所述步骤S1具体包括：

S11、第k个单天线用户节点发送训练符号，训练符号规范为1，其它单天线用户节点不发送信号；合上各移相控制单元中的第k个调节开关，打开其它调节开关，则基站的天线接收到的Nr维信号向量y_0k表示为：

其中，k＝1，2，…，K，ρ为信噪比，h_k为Nr×1维的信道矩阵，h_k＝[h_k，1，h_k，2，...，h_k，Nr]^T，W_k为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从W_k＝[w_k，1，w_k，2，...，w_k，Nr]^T。

作为优选方案，所述步骤S1具体还包括：

S12、第j根天线接收处先估计出h_k,j的相位，记为φ_k，j，j＝1，2，…，Nr，并保存在对应的测相移相器中，然后在接收到的信号上乘以送入第k个加法器，再经过第k个RF射频链路及第k个模数转换器处理，得到接收信号z_0k：

其中，||h_k||₁＝|h_k，1|+|h_k，2|+…+|h_k，Nr|；k＝1，2，…，K，h_k,j表示第k个单天线用户节点在第j根天线的信道状态信息，j＝1，2，…，Nr；w_k,j表示第k个单天线用户节点在第j根天线的噪声。

作为优选方案，所述步骤S1具体还包括：

S13、第k1个单天线用户节点k1和第k2个单天线用户节点k2同时发送训练符号，训练符号规范为1，其中，k1，k2＝1，2，…，K，且k1≠k2，并同时合上各移相控制单元中的第k1个和第k2个调节开关，其余单天线用户节点不发送信号，则基站天线接收到的信号矩阵y_k1,k2为：

其中，W_k1,k2为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从

作为优选方案，所述步骤S1具体还包括：

S14、基站天线接收到的信号经过各自的第k1个和第k2个测相移相器，并分别乘以与后送入相应加法器，再经过相应的射频链路和模数转换器处理，得到两个信号z_k1,k2和z_k2,k1，表示为：

作为优选方案，所述步骤S1具体还包括：

S15、令估计g_k1，k2和g_k2，k1，即得K个单天线用户节点的信道估计G为：

作为优选方案，所述步骤S2具体包括：

S21、各单天线用户节点发送数据信号，第k个单天线用户节点所发送的数据信号记为s_k，合上所有调节开关，令第j根天线接收的信号为y_j，则有：

其中，n_j为高斯白噪声，且服从

作为优选方案，所述步骤S2具体还包括：

S22、天线接收的信号经过各自对应的测相移相器并乘以再经过对应的加法器、射频链路、模数转换器处理，得到的信号分别记为[r₁，r₂，…，r_K]，表示为：

其中，为处理后的噪声，独立且服从

作为优选方案，所述步骤S3中的解码的方法为：

令G_ZF＝(G^HG)^-1G^H，则第k个单天线用户节点所发送的数据信号s_k的解码为

其中，(Y_ZF)_k为Y_ZF中的第k个分量,e为单天线用户节点所采用的星座。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

原本基站接收机需要Nr个射频链路处理，采用本发明的接收机，只需要K个用户数量的射频链路即可处理接收信号，且性能相较于传统Nr个射频链路的接收机仅略有损失；降低了建设成本和功耗损失，并且节约了建设接收机需要的占有面积。

附图说明

图1是本发明实施例的大规模天线多用户系统的信号接收机的结构示意图；

图2是本发明实施例中具体案例中的大规模天线两个用户系统的接收机的结构示意图；

图3是本发明实施例中具体案例中的大规模天线两个用户系统的接收机的系统误码率的仿真图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

如图1所示，本发明实施例的应用于大规模天线多用户系统的信号接收机，大规模天线多用户系统包括基站和K个单天线用户节点，而基站配有Nr根天线，以便接收各个单天线用户节点的发送信号，K、Nr均为大于1的正整数；具体地，接收机包括：

Nr个低噪声功率放大器LNA，与Nr根天线一一对应连接；即每根天线连接一个低噪声功率放大器。成大事的Nr个移相控制单元，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；移相控制单元包括K个相互并联的子控制单元，每一子控制单元包括调节开关和测相移相器，测相移相器与调节开关连接，调节开关与对应的低噪声功率放大器连接；具体地，每个低噪声功率放大器的输出端连接K个相互并联的调节开关(C₁至C_K)，每个调节开关的开合端对应连接一个测相移相器。

K个加法器，分别与各移相控制单元中的K个测相移相器一一对应连接；例如，第一个加法器与各移相控制单元中的第一个测相移相器连接，第二个加法器与各移相控制单元中的第二个测相移相器连接，依次类推。

K条射频链路，又称为RF链路或RF Chain)，与K个加法器一一对应连接；具体地，每个加法器的输出端连接一条射频链路。

K个模数转换器ADC，与K条射频链路一一对应连接；具体地，每条射频链路的输出端连接一个模数转换器。

解码器，与K个模数转换器连接，用于对模数转换器输出的信号进行解码以获得各单天线用户节点的解码信号

基于上述信号接收机，本发明实施例还提供信号接收机的信号处理方法，包括以下步骤：

S1、K个单天线用户节点发送训练序列以对K个单天线用户节点的信道进行估计，得到K个单天线用户节点的信道估计；即用户发送训练序列，接收机估计信号；

其中，步骤S1具体包括：

S11、第k个单天线用户节点发送训练符号，训练符号规范为1，其它单天线用户节点不发送信号；合上各移相控制单元中的第k个调节开关C_k，打开其它调节开关，那么基站的天线接收到的Nr维信号向量y_0k表示为：

其中，k＝1，2，…，K，ρ为信噪比，h_k为Nr×1维的信道矩阵，h_k＝[h_k，1，h_k，2，...，h_k，Nr]^T，W_k为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项w_k,j独立且服从W_k＝[w_k，1，w_k，2，...，w_k，Nr]^T，w_k,j表示第k个单天线用户节点在第j根天线的噪声。

S12、第j根天线接收处先估计出h_k,j的相位，记为φ_k，j，j＝1，2，…，Nr，并保存在对应的测相移相器中，然后在接收到的信号上乘以送入第k个加法器，再经过第k个RF射频链路及第k个模数转换器处理，得到接收信号z_0k：

其中，||h_k||₁表示向量h_k的1-范式，即||h_k||₁＝|h_k，1|+|h_k，2|+…+|h_k，Nr|，下同，从上式中可以估计出||h_k||₁；k＝1，2，…，K，h_k,j表示第k个单天线用户节点在第j根天线的信道状态信息，j＝1，2，…，Nr；w_k,j表示第k个单天线用户节点在第j根天线的噪声。

S13、第k1个单天线用户节点k1和第k2个单天线用户节点k2同时发送训练符号，训练符号规范为1，其中，k1，k2＝1，2，…，K，且k1≠k2，并同时合上各移相控制单元中的第k1个和第k2个调节开关，其余单天线用户节点不发送信号，则基站天线接收到的信号矩阵y_k1,k2为：

其中，W_k1,k2为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从

S14、基站天线接收到的信号(即上述信号在每根天线的接收处)经过各自的第k1个和第k2个测相移相器，并分别乘以与后送入相应加法器，再经过相应的射频链路和模数转换器处理，得到两个信号z_k1,k2和z_k2,k1，表示为：

S15、为方便起见，令则利用上述公式估计出g_k1，k2和g_k2，k1。最后，可以得到K个单天线用户节点的信道估计G为：

以下将进行数据的传输与解码：

S2、各单天线用户节点发送数据信号，基站的天线接收信号，并通过低噪声功率放大器、测相移相器、加法器、射频链路、模数转换器对信号进行处理；

具体地，步骤S2包括以下步骤：

S21、每个用户发送数据，即各单天线用户节点发送数据信号，第k个单天线用户节点所发送的数据信号记为s_k，合上所有调节开关，令第j根天线接收的信号为y_j，则有：

其中，n_j为高斯白噪声，且服从

S22、天线接收的信号经过各自对应的测相移相器并乘以再经过对应的加法器、射频链路、模数转换器处理，得到的信号分别记为[r₁，r₂，…，r_K]，表示为：

其中，为处理后的噪声，独立且服从

S3、利用ZF解码，即对处理后的信号输入解码器进行解码，以得到各单天线用户节点发送的数据信号。

具体地，解码的方法为：

令G_ZF＝(G^HG)^-1G^H，则第k个单天线用户节点所发送的数据信号s_k的解码为

其中，(Y_ZF)_k为Y_ZF中的第k个分量,e为单天线用户节点所采用的星座。

更加具体地，将本实施例的接收机应用于具体案例中：

假设用户个数为K＝2，基站端的接收天线个数Nr＝32，接收机的具体结构如图2所示，相应的信号处理方法，包括以下步骤：

第一部分：用户发送训练序列

接收端估计信号，具体操作分以下步骤：

第1步：第1个用户发送训练符号，训练符号记为1；合上测相移相器开关C₁，打开测相移相器开关C₂。那么基站天线接收到的Nr维信号向量y₀₁表示为：

其中，ρ为信噪比，h₁为Nr×1维的信道矩阵，h₁＝[h_1，1，h_1，2，...，h_1，Nr]^T，W₁为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从记作：

w₁＝[w_1，1，w_1，2，...，w_1，Nr]^T。

接收天线估计出h_1,j的相位，记为φ_1，j，并保存在测相移相器中。然后，在接收到的信号上乘以送入加法器；再经过测相移相器、RF链路和模数转换器的处理，得到接收信号z₀₁可以表示为：

其中，||h₁||₁表示向量h₁的1-范式，即||h₁||₁＝|h_1，1|+|h_1，2|+…+|h_1，Nr|，下同，从上式中可以估计出||h₁||₁。

第2步：第2个用户发送训练符号，训练符号记为1；合上测相移相器开关C₂，打开测相移相器开关C₁；那么基站天线接收到的Nr维信号向量y₀₂表示为：

其中，ρ为信噪比，h₂为Nr×1维的信道矩阵，h₂＝[h_2，1，h_2，2，...，h_2，Nr]^T，W₂为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从记作：

W₂＝[w_2，1，w_2，2，...，w_2，Nr]^T。

同第1步，基站天线接收到的信号y₀₂经过测相移相器和RF链路和模数转换器的处理后，得到用户2的接收信号z₀₂表示为：

其中，||h₂||₁表示向量h₂的1-范式。

第3步：用户1和用户2同时发送训练符号，并同时合上测相移相器C₁和C₂，那么基站天线接收到的信号矩阵y₁₁表示为：

基站天线接收到的信号y₁₁经过与上述相同的处理后，再经过RF链路和模数转换器的处理，得到两个信号，记为z₁₁与z₁₂可以表示为：

为方便起见，记

第4步：用MMSE方法估计信道信息

运用MMSE的信道估计方法，经过上述步骤，记基站接收到的信号为Z＝[z₀₁,z₀₂,z₁₁,z₁₂]，这样：

||h₁||₁可以估计为：

||h₂||₁可以估计为：

g₁₂可以估计为：

g₂₁可以估计为：

最后，得到信道矩阵

第二部分：数据的传输与解码

第1步：令H＝[h₁ h₂]，s＝[s₁ s₂]，其中s₁为第1个用户发送的数据信息，而s₂为第2个用户发送的数据信息；基站端的Nr根天线接收到的信号记为Y＝[y₁，y₂，…，y_Nr]，可以表示为：

于是，有：即其中，ρ为信噪比，W为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从

经过测相移相器并乘以加法器与RF链路及模数转换器的处理后，最后得到的信号分别记为r₁与r₂，可以表示为：

其中，为处理后的噪声，独立且服从

第2步：利用ZF解码

具体的解码方法如下，令G_ZF＝(G^HG)^-1G^H；

再令，

s₁与s₂的解码方法如下：

其中，(Y_ZF)_k为Y_ZF中的第k个分量，k＝1，2；e为用户1和用户2所采用的星座。

进行MATLAB仿真且迭代次数为10⁵，信噪比取值范围为2～16dB，用户不知道信道状态信息。用户发送信息中的每个元素均匀取自于标准16-QAM。如图3所示，图3为二个用户的信号接收机的系统误码率的仿真图，从信号接收机系统误码率仿真图中可以反映出，本发明实施例的信号接收机，在大大减少RF链路数量(K<<Nr)，降低成本和功耗的前提下，能与传统接收机在系统误码率的曲线上保持大致相同，并且在2～10dB时误码率低于传统接收机，在10～16dB时，误码率略大于传统接收机。

原本基站接收机需要Nr个射频链路处理，采用本发明实施例的接收机及相应的信号处理方法，只需要K个用户数量的射频链路即可处理接收信号，且性能相较于传统Nr个射频链路的接收机仅略有损失；降低了建设成本和功耗损失，并且节约了建设接收机需要的占有面积。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.大规模天线多用户系统的信号接收机，其特征在于，所述大规模天线多用户系统包括基站和K个单天线用户节点，所述基站具有Nr根天线以接收单天线用户节点的发送信号，K、Nr均为大于1的正整数；所述信号接收机包括：

Nr个低噪声功率放大器，与Nr根天线一一对应连接；

Nr个移相控制单元，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；所述移相控制单元包括K个相互并联的子控制单元，每一子控制单元包括调节开关和测相移相器，测相移相器与调节开关连接，调节开关与对应的低噪声功率放大器连接；

K个加法器，分别与各移相控制单元中的K个测相移相器一一对应连接；

K条射频链路，与K个加法器一一对应连接；

K个模数转换器，与K条射频链路一一对应连接；

解码器，与K个模数转换器连接，用于对模数转换器输出的信号进行解码以获得各单天线用户节点的解码信号。

2.如权利要求1所述信号接收机的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、K个单天线用户节点发送训练序列以对K个单天线用户节点的信道进行估计，得到K个单天线用户节点的信道估计；

S2、各单天线用户节点发送数据信号，基站的天线接收信号，并通过低噪声功率放大器、测相移相器、加法器、射频链路、模数转换器对信号进行处理；

S3、对处理后的信号输入解码器进行解码，以得到各单天线用户节点发送的数据信号。

3.如权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11、第k个单天线用户节点发送训练符号，训练符号规范为1，其它单天线用户节点不发送信号；合上各移相控制单元中的第k个调节开关，打开其它调节开关，则基站的天线接收到的Nr维信号向量y_0k表示为：

其中，k＝1，2，…，K，ρ为信噪比，h_k为Nr×1维的信道矩阵，h_k＝[h_k，1，h_k，2，...，h_k，Nr]^T，W_k为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从W_k＝[w_k，1，w_k，2，...，w_k，Nr]^T。

4.如权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体还包括：

S12、第j根天线接收处先估计出h_k,j的相位，记为φ_k，j，j＝1，2，…，Nr，并保存在对应的测相移相器中，然后在接收到的信号上乘以送入第k个加法器，再经过第k个RF射频链路及第k个模数转换器处理，得到接收信号z_0k：

其中，||h_k||₁＝|h_k，1|+|h_k，2|+…|+|h_k，Nr|，k＝1，2，…，K，h_k,j表示第k个单天线用户节点在第j根天线的信道状态信息，j＝1，2，…，Nr；w_k,j表示第k个单天线用户节点在第j根天线的噪声。

5.如权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体还包括：

S13、第k1个单天线用户节点k1和第k2个单天线用户节点k2同时发送训练符号，训练符号规范为1，其中，k1，k2＝1，2，…，K，且k1≠k2，并同时合上各移相控制单元中的第k1个和第k2个调节开关，其余单天线用户节点不发送信号，则基站天线接收到的信号矩阵y_k1,k2为：

其中，W_k1,k2为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从

6.如权利要求5所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体还包括：

S14、基站天线接收到的信号经过各自的第k1个和第k2个测相移相器，并分别乘以与后送入相应加法器，再经过相应的射频链路和模数转换器处理，得到两个信号z_k1,k2和z_k2,k1，表示为：

7.如权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体还包括：

S15、令估计g_k1，k2和g_k2，k1，即得K个单天线用户节点的信道估计G为：

8.如权利要求7所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、各单天线用户节点发送数据信号，第k个单天线用户节点所发送的数据信号记为s_k，合上所有调节开关，令第j根天线接收的信号为y_j，则有：

其中，n_j为高斯白噪声，且服从

9.如权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S2具体还包括：

S22、天线接收的信号经过各自对应的测相移相器并乘以再经过对应的加法器、射频链路、模数转换器处理，得到的信号分别记为[r₁，r₂，…，r_K]，表示为：

其中，为处理后的噪声，独立且服从

10.如权利要求9所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S3中的解码的方法为：

令G_ZF＝(G^HG)^-1G^H，则第k个单天线用户节点所发送的数据信号s_k的解码为

其中，(Y_ZF)_k为Y_ZF中的第k个分量，为单天线用户节点所采用的星座。