CN109586743A - 一种具有低复杂度的信号接收机及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种具有低复杂度的信号接收机及其信号处理方法；信号接收机，应用于单用户大规模天线系统，单用户大规模天线系统包括基站和一个单天线用户节点，基站具有Nr根天线以接收单天线用户节点的发送信号，Nr为正整数；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个移相器，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；加法器，与Nr个移相器连接；射频链路，与加法器连接；模数转换器，与射频链路连接。本发明的信号接收机及其信号处理方法，只需要1个的射频链路即可处理接收到的全部信号，且性能相较于传统Nr个射频链路的接收机仅略有损失；还降低了建设成本和功耗损失。

Description

一种具有低复杂度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，具体涉及一种具有低复杂度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，本发明提供一种具有低复杂度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：

一种具有低复杂度的信号接收机，应用于单用户大规模天线系统，所述单用户大规模天线系统包括基站和一个单天线用户节点，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，Nr为正整数；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个移相器，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；

加法器，与Nr个移相器连接；

射频链路，与加法器连接；

模数转换器，与射频链路连接。

本发明还提供信号接收机的信号处理方法，包括以下步骤：

S1、单天线用户节点发送信号至基站，基站的天线接收信号；

S2、依次通过各自对应的低噪声功率放大器和移相器进行信号处理；

S3、加法器将所有移相器处理后的信号进行叠加，再通过RF射频链路和模数转换器处理以输出信号。

作为优选方案，所述步骤S1具体包括：

单天线用户节点发送训练符号，训练符号规范为1；则基站的天线接收到的Nr维信号向量y表示为：

其中，ρ为信噪比，h为Nr×1维的信道矩阵，h＝[h_1，1，h_1，2，…，h_1，Nr]^T，W为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从CN(0,1)，W＝[w₁ w₂ … w_Nr]^T。

作为优选方案，所述步骤S2中移相器的信号处理，包括：

各移相器估计出h_1，j的相位φ_1，j，并将接收的信号乘以

作为优选方案，所述步骤S3中通过RF射频链路和模数转换器处理以输出信号为：

其中，||h||₁＝|h_1，1|+|h_1，2|+…+|h_1，Nr|。

作为优选方案，利用MMSE信道估计方法对||h||₁进行估计得到：

作为优选方案，所述基站的Nr根天线接收的信号Y为：Y＝[y₁，y₂，...，y_Nr]，单天线用户节点为s，相应地，

则：

即

作为优选方案，所述基站的Nr根天线接收的信号经过低噪声功率放大器、移相器、加法器、射频链路和模数转换器处理后输出的信号为r：

其中，为经过低噪声功率放大器、移相器、加法器、射频链路和模数转换器处理后的噪声。

作为优选方案，所述步骤S3之后还包括：

信号的解码，所述解码方法如下：

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的具有低复杂度的信号接收机，基站接收端信号只需要1个的射频链路即可处理接收到的全部信号，且性能相较于传统Nr个射频链路的接收机，仅略有损失。在接收端设计上大大减少了RF链路的数量，从而大大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是本发明实施例的具有低复杂度的信号接收机的结构示意图；

图2是本发明实施例的具有低复杂度的信号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。

本发明实施例的具有低复杂度的信号接收机，应用于单用户大规模天线系统。具体地，如图1所示，单用户大规模天线系统包括基站和一个单天线用户节点，基站内具有Nr根天线，用于接收单天线用户节点的发送信号，Nr为正整数，例如Nr等于32、48、64等；信号接收机包括：

Nr个低噪声功率放大器(LNA)，与Nr根天线一一对应连接；具体地，每根天线将接收的信号输入至对应的低噪声功率放大器。

Nr个移相器，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；具体地，每个低噪声功率放大器的输出端与对应的移相器的输入端连接。

加法器，与Nr个移相器连接；具体地，所有移相器的输出端均与加法器的输入端连接。

射频链路(RF Chain)，与加法器连接；具体地，加法器的输出端与射频链路的输入端连接；射频链路即RF链路。

模数转换器(ADC)，与射频链路连接；具体地，射频链路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端用于输出信号。

对应于本发明实施例的具有低复杂度的信号接收机，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、单天线用户节点发送信号至基站，基站的天线接收信号；

S2、依次通过各自对应的低噪声功率放大器和移相器进行信号处理；

S3、加法器将所有移相器处理后的信号进行叠加，再通过RF射频链路和模数转换器处理以输出信号。

其中，步骤S1具体包括：

单天线用户节点发送训练符号，训练符号规范为1；则基站的天线接收到的Nr维信号向量y表示为：

其中，ρ为信噪比，h为Nr×1维的信道矩阵，记作h＝[h_1，1，h_1，2，…，h_1，Nr]^T，W为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从记作W＝[w₁ w₂ …w_Nr]^T。

步骤S2中移相器的信号处理，具体包括：

各移相器估计出h_1，j的相位φ_1，j，并保存在移相器中；然后在接收到的信号上乘以Nr根天线接收的信号经过上述移相器的处理后，全部送入加法器。相应地，步骤S3中通过RF射频链路和模数转换器处理以输出信号为：

其中，||h||₁表示向量h的1-范式，即||h||₁＝|h_1，1|+|h_1，2|+…+|h_1，Nr|。

然后，利用MMSE信道估计方法对||h||₁进行估计得到：

因此，基站的Nr根天线接收的信号Y为：Y＝[y₁，y₂，...，y_Nr]，单天线用户节点为s，相应地，

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

基站的Nr根天线接收的信号经过低噪声功率放大器、移相器、加法器、射频链路和模数转换器处理后输出的信号为r：

其中，为经过低噪声功率放大器、移相器、加法器、射频链路和模数转换器处理后的噪声，服从

本发明实施例的信号处理方法还包括：信号的解码，具体的解码方法如下：

进行MATLAB仿真且迭代次数为10⁵，信噪比取值范围为-9dB～-3dB，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。图2为本发明在上述实施例条件下，关于系统误码率的仿真图；从仿真图中可看出本说明书提出的接收机与传统接收机相比，达到相同误码率所用信噪比仅损失了不到1dB。

本发明采用该设计的毫米波大规模天线接收机，使得原本基站接收端信号需要Nr个射频链路处理，通过改进设计后，只需要1个的射频链路即可处理接收到的全部信号，且性能相较于传统Nr个射频链路的接收机仅略有损失。改进接收机设计在接收端设计上大大减少了RF链路的数量，从而大大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 (9)

1.一种具有低复杂度的信号接收机，其特征在于，应用于单用户大规模天线系统，所述单用户大规模天线系统包括基站和一个单天线用户节点，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，Nr为正整数；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个移相器，与Nr个低噪声功率放大器一一对应连接；

加法器，与Nr个移相器连接；

射频链路，与加法器连接；

模数转换器，与射频链路连接。

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、单天线用户节点发送信号至基站，基站的天线接收信号；

S2、依次通过各自对应的低噪声功率放大器和移相器进行信号处理；

S3、加法器将所有移相器处理后的信号进行叠加，再通过RF射频链路和模数转换器处理以输出信号。

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：

单天线用户节点发送训练符号，训练符号规范为1；则基站的天线接收到的Nr维信号向量y表示为：

其中，ρ为信噪比，h为Nr×1维的信道矩阵，h＝[h_1，1，h_1，2，...，h_1，Nr]^T，W为Nr×1维的复加性高斯白噪声，其各项独立且服从W＝[w₁ w₂…w_Nr]^T。

4.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S2中移相器的信号处理，包括：

各移相器估计出h_1，j的相位φ_1，j，并将接收的信号乘以

5.根据权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S3中通过RF射频链路和模数转换器处理以输出信号为：

其中，||h||₁＝|h_1，1|+|h_1，2|+…+|h_1，Nr|。

6.根据权利要求5所述的信号处理方法，其特征在于，利用MMSE信道估计方法对||h||₁进行估计得到：

7.根据权利要求6所述的信号处理方法，其特征在于，所述基站的Nr根天线接收的信号Y为：Y＝[y₁，y₂，...，y_Nr]，单天线用户节点为s，相应地，

则：

即

8.根据权利要求7所述的信号处理方法，其特征在于，所述基站的Nr根天线接收的信号经过低噪声功率放大器、移相器、加法器、射频链路和模数转换器处理后输出的信号为r：

其中，为经过低噪声功率放大器、移相器、加法器、射频链路和模数转换器处理后的噪声，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S3之后还包括：

信号的解码，所述解码的方法为：