CN115001909B - 基于光学矩阵计算的mimo无线通信快速信道估计装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置及方法，该装置主要包括块状导频插入模块、权值计算模块、OFDM调制模块、多天线射频接收模块、信道估计模块等。信道估计模块由光源阵列、偏振控制器阵列、三组电光调制器阵列、波分复用系统中的复用器与解复用器阵列、光电探测器阵列和RC电路阵列构成。采用光学矩阵计算技术与装置，充分利用其超高速、大带宽、低功耗、高并行等优势，改变了传统信道估计的计算技术，并利用波分复用系统降低了所需电光调制器的数量，大大简化了MIMO无线通信系统信道估计的实现流程，能够进一步提升信道估计的速度、降低信道估计的功耗，有望成为下一代更高速率、更大带宽、更低功耗的MIMO无线通信系统的设计方案。

Description

基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置及方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术以及光学计算技术领域，具体是一种基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置及方法。
背景技术
自1897年马可尼在固定站与一艘拖船间完成无线通信实验起，无线通信的发展已经经历了一个多世纪，并且一直都朝着低时延、高可靠、大容量的方向发展，通过在收发两端配置多根天线以充分利用空间维度的MIMO技术是无线通信领域的一个重大突破，参见(You，X.，Wang，CX.，Huang，J.et al.，Towards 6G wireless communication networks：vision，enabling technologies，and new paradigm shifts，Science ChinaInformation Sciences，vol.64，no.110301，2021)。MIMO技术通过分集与空间复用，抵抗信道衰落，提升信号传输的可靠性，充分利用空间维度拓展通信容量，并由此诞生了基于MIMO的波束成形、时空编码与信号检测等一系列关键技术。由于这些关键技术的实现都依赖于信道状态信息，信道估计技术在MIMO无线通信系统中占据了十分重要的地位，参见(R.W.Heath，N.González-Prelcic，S.Rangan，W.Roh and A.M.Sayeed，An Overview ofSignal Processing Techniques for Millimeter Wave MIMO Systems.IEEE Journal ofSelected Topics in Signal Processing，vol.10，no.3，pp.436-453，April 2016)。
近十年来，随着无线通信需求的飞速增长和通信质量标准的不断提升，传统的MIMO无线通信技术，尤其是信道估计技术，面临着难以克服的巨大挑战。信道估计技术需要进行海量矩阵计算，并且对计算速度和能效的要求不断提高。由电子元件的特性可知，执行简单的矩阵操作需要大量的晶体管一起工作，并需要额外的调度程序来协调涉及权重的数据移动。随着电子晶体管的特征尺寸和集成度逼近摩尔定律所揭示的物理极限，基于电子硬件的处理器已经遭遇不可持续的性能增长瓶颈，目前在功耗为647mW时，算力约为14.03TOPS，参见(S.Kang et aJ.，7.4 GANPU：A 135TFLOPS/W Multi-DNN TrainingProcessor for GANs with Speculative Dual-Sparsity Exploitation，2020 IEEEInternational Solid-State Circuits Conference(ISSCC)，pp.140-142，2020)。
在光学矩阵计算中，矩阵计算可以很容易地通过电光调制器(EOM)、微环谐振器(MRR)和马赫·曾德尔干涉仪(MZI)等基本光子器件及其构成的阵列来实现，分别参见(Xu.Shaofu，Wang.Jing，et al.，Optical coherent dot-product chip forsophisticated deep learning regression，Light：Science&Applications，vol.10，no.221，2021，Alexander N.Tait，Thomas Ferreira de Lima，et al.，Silicon photonicmodulator neuron，Physical Review Applied，vol.11，no.064043，2019和Yichen Shen，Nicholas C.Harris，et al.，Deep learning with coherent nanophotonic circuits，Nature Photonics，vol.11，pp.441-446，2017)。并且，集成光子回路普遍具有超宽带宽、低延迟和低损耗等优异特性。除此之外，光具有波长、偏振和空间模式等多个物理维度，可实现并行数据处理，与传统的冯·诺依曼计算机相比具有显着的加速，在能效为17fJ/MAC时，光学矩阵计算的算力密度可达81TMACs/s/mm2，参见(Feldmann，Johannes，et al.，Parallel convolutional processing using an integrated photonic tensor core，Nature，vol.589，pp.52-58，2021)。总而言之，在新兴的MIMO无线通信技术应用中，光学矩阵计算可以在集成光子平台或自由空间实现超低能耗的高速并行信息处理，克服电子瓶颈，满足MIMO系统信道估计等关键技术的快速矩阵计算需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有信道估计计算技术的不足，为解决信道估计技术计算速度受限的技术难题，支撑低时延高可靠的MIMO无线通信应用需求，将光学矩阵计算技术引入MIMO无线通信系统的信道估计技术领域，面向高速率、大带宽、高并行、低能耗的信号处理需求，提出一种基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置。该装置基于光学矩阵计算技术，利用光源、电光调制器、波分复用系统、光电探测器以及RC积分电路组成的光学矩阵计算架构，对MIMO无线通信系统接收端多天线的射频接收信号进行导频信息提取和光学矩阵乘法运算，从而实现快速的、直接的、适用于MIMO-OFDM系统的信道估计。该信道估计装置简化了传统无线通信系统中信道估计的实现流程，也改变了信道估计的计算技术，利用光学矩阵计算技术提升信道估计的计算速度，有望成为下一代更高速率、更大带宽、更低功耗的MIMO无线通信系统的设计方案。
本发明的技术方案如下：
一种基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置，MIMO无线通信系统包括发送端和接收端，多径信道路径的数目为L(L≥2)，OFDM调制子载波的数目为N；其特点在于，所述的发送端包括符号输入模块、块状导频插入模块、权值计算模块、OFDM调制模块和多天线射频发射模块，符号输入模块包含MT路符号输入，块状导频插入模块包含MT路块状导频插入，OFDM调制模块包含MT路OFDM调制，发射天线的数目为MT(多天线射频发射模块包含MT路信号，MT≥2)；所述的接收端包括多天线射频接收模块、信道估计模块、OFDM解调模块、信号检测模块和符号输出模块，接收天线的数目为MR(多天线射频接收模块包含MR路信号，MR≥2)，OFDM解调模块包含MR路OFDM解调，符号输出模块包含MT路符号输出；所述的信道估计模块由光源阵列、偏振控制器阵列、第一电光调制器阵列、波分复用系统中的复用器、第二电光调制器阵列、第三电光调制器阵列、波分复用系统中的解复用器阵列、光电探测器阵列和RC电路阵列按顺序连接构成。
本装置的各部件连接方式为：
所述的符号输入模块的输出端与所述的块状导频插入模块的输入端相连，所述的块状导频插入模块的第一输出端与所述的权值计算模块的输入端相连，所述的块状导频插入模块的第二输出端与所述的OFDM调制模块的输入端相连，所述的权值计算模块的输出端与所述的信道估计模块的第一输入端相连，所述的OFDM调制模块的第一输出端与所述的信道估计模块的第二输入端相连，所述的OFDM调制模块的第二输出端与所述的多天线射频发射模块的输入端相连，所述的多天线射频发射模块的输出端与所述的多天线射频接收模块的输入端相连，所述的多天线射频接收模块的第一输出端与所述的信道估计模块的第三输入端相连，所述的多天线射频接收模块的第二输出端与所述的OFDM解调模块的输入端相连，所述的OFDM解调模块的输出端与所述的信号检测模块的第一输入端相连，所述的信道估计模块的输出端与所述的信号检测模块的第二输入端相连，所述的信号检测模块的输出端与所述的符号输出模块的输入端相连，所述的符号输出模块的输出端为MIMO无线通信系统的输出端。
在所述的信道估计模块中，光源阵列中光源的数目、偏振控制器阵列中偏振控制器的数目、第一电光调制器阵列中调制器的数目都与接收天线的数目MR相等，所述的光源阵列的MR个输出端分别与所述的偏振控制器阵列的MR个输入端相连，所述的偏振控制器阵列的MR个输出端分别与所述的第一电光调制器阵列的MR个第一输入端相连，所述的多天线射频接收模块的第一输出端与所述的第一电光调制器阵列的第二输入端相连，所述的多天线射频接收模块包含的MR路信号并行输入所述的第一电光调制器阵列的MR个电光调制器的第二输入端，所述的第一电光调制器阵列的MR个输出端与所述的波分复用系统中的复用器的MR个输入端相连，所述的波分复用系统中的复用器的输出端分为N路，分别与所述的第二电光调制器阵列的N个第一输入端相连，所述的OFDM调制模块的第一输出端与所述的第二电光调制器阵列的第二输入端相连，所述的OFDM调制模块包含的N路子载波频率信息对应输入所述的第二电光调制器阵列的N个第二输入端，所述的第二电光调制器阵列中的每个电光调制器的输出端分为MTL路，分别与所述的第三电光调制器阵列的N×MTL个第一输入端相连，所述的权值计算模块的输出端与所述的第三电光调制器阵列的第二输入端相连，所述的权值计算模块得到的N×MTL个权值对应输入所述的第三电光调制器阵列的N×MTL个第二输入端，所述的第三电光调制器阵列的N×MTL个输出端分别与所述的波分复用系统中的解复用器阵列的N×MTL个输入端相连，所述的波分复用系统中的解复用器阵列的MR×N×MTL个输出端分别与所述的光电探测器阵列的MR×N×MTL个输入端相连，所述的波分复用系统中的解复用器阵列的输出端分为MR×MTL组，分别与所述的光电探测器阵列中的MR×MTL个光电探测器相连，每组包含N个输出端，分别对应每个光电探测器的N个输入端，所述的光电探测器阵列的MR×MTL个输出端分别与所述的RC电路阵列的MR×MTL个输入端相连，所述的RC电路阵列的MR×MTL个输出端为所述的信道估计模块的输出端。
所述的符号输入模块用于产生发送端所传输的MT路基带数据符号。所述的块状导频插入模块用于产生特定的MT组导频符号，并将固定的导频符号按照频域连续、时域离散的形式插入到数据符号序列中。所述的权值计算模块用于将特定的导频符号序列所构成的矩阵与傅里叶变换矩阵相乘，并进行矩阵求逆运算，从而计算出信道估计对应的权值矩阵。所述的OFDM调制模块用于将MT个数据符号与导频符号构成的序列进行串并转换并调制到相应的子载波上，从而实现OFDM调制。所述的多天线射频发射模块用于将OFDM调制后的信号转变为适合天线发射的信号形式并通过MT根射频天线发射出去。所述的多天线射频接收模块用于接收所述的多天线射频发射模块所发射的信号，得到MR路接收信号。
所述的信道估计模块用于进行基于光学矩阵计算的MIMO无线通信系统信道估计，利用权值计算模块提供的权值信息、OFDM调制模块提供的频率信息以及从多天线射频接收模块获取的MR路时域信号完成快速信道估计。所述的光源阵列用于提供MR个波长不同的连续相干光场，在电光调制过程中对应加载MR路射频接收信号。所述的偏振控制器阵列用于控制改变MR个光源的偏振态。所述的第一电光调制器阵列用于将MR路射频接收信号对应加载到MR个光场上。所述的波分复用系统中的复用器用于将MR路不同波长的光载波信号汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输。所述的第二电光调制器阵列用于对应加载OFDM调制模块提供的各个子载波的频率信息。所述的第三电光调制器阵列用于对应加载信道估计权值矩阵，完成光学矩阵乘法计算中关键的加权步骤。所述的波分复用系统中的解复用器阵列用于将包含MR种波长的信号根据光载波波长的不同分离为MR路信号。由于对于MR路射频接收信号，信道估计所需的子载波频率信息以及信道估计权值矩阵是完全相同的，所以可以通过所述的波分复用系统实现MR路射频接收信号的并行信道估计，大大减小所需电光调制器的数目。所述的光电探测器阵列用于实现多路信号的空间累加，并将各路光信号分别转变为相应的电信号。所述的RC电路阵列用于分别对各路电信号进行时域积分运算，从而得到相应的信道状态信息。
所述的OFDM解调模块用于对多天线射频接收模块接收到的MR路射频信号进行OFDM解调，提取出接收到的MR路基带数据符号。所述的信号检测模块用于从接收到的MR路基带数据符号中恢复出发送端所传输的MT路基带数据符号，需要利用信道估计模块提取的信道状态信息。所述的符号输出模块用于接收并输出所述的信号检测模块所恢复的MT路基带数据符号。
本装置的工作原理如下：
在OFDM无线通信系统中，可以将天线发射信号x(t)表示为：
其中，sn(k)为发送端的基带调制符号，fn＝fc+nΔf n＝0，...，N-1，fc为载波频率，Δf为子载波间隔，N为子载波数目。并且，利用各个子载波的正交性，可以由天线接收信号y(t)恢复出原始传输符号：
其中，为一个OFDM符号的持续时间，若一个OFDM符号时域对应的持续时间范围为0～T，则将积分区间设定为0～T即可从时域接收信号y(t)恢复出传输符号/>
基于MIMO-OFDM系统的无线通信过程可以建模为：
其中，j＝1，...，MR表示接收天线序号，Yj[k]为子载波k上携带的接收天线j对应的接收信号信息，i＝1，...，MT表示发射收天线序号，Xi[k]为子载波k上携带的发射天线i对应的发射信号信息，Hi，j[k]为子载波k上携带的由发射天线i到接收天线j对应的信道状态信息，Zj[k]为子载波k上携带的接收天线j对应的加性高斯白噪声信息，N为子载波总数。令Yj＝[Yj[0]，...，Yj[N-1]]T，Xi＝[Xi[0]，...，Xi[N-1]]T，Zj＝[Zj[0]，...，Zj[N-1]]T，则理论模型可以转变为：
Yj＝XHj+Zjj＝1，...，MR (4)
当多径信道的路径数为L时，可以采用傅里叶变换矩阵FL表示频域信道矩阵Hi，j与时域信道矩阵hi，j之间的关系：
其中，令/>接收天线j对应的时域信道矩阵/>则可将基于MIMO-OFDM系统的无线通信过程建模为：
Yi＝Qhj+Zj j＝1，...，MR (6)
因此，信道估计的对象可由频域信道转变为时域信道。
当采用传统的基于块状导频(频域连续、时域离散设置导频符号)的信道估计技术时，根据最小二乘准则，可以将估计的接收天线j对应的时域信道矩阵表示为：
此时，Xi P＝[Xi P[0]，...，Xi P[N-1]]T为发送端插入的发射天线i对应的块状导频，Yj P为接收天线j接收的对应的块状导频。令则可将信道矩阵表示为：
其中，Yj P[k]为某一块状导频位置上子载波k携带的接收天线j对应的接收信号信息。
由公式(2)可知，某一块状导频位置上子载波k携带的接收天线j对应的接收信号信息可以表示为：
因此，可以将信道矩阵中各个元素的计算公式表示为：
其中，i＝1，...，MTj＝1，...，MRl＝0，...，L-1，fk＝fc+kΔf k＝0，1，...，N-1。
根据信道估计的计算公式(10)可以看出，当发送端插入的多根发射天线对应的多个块状导频符号时域对应的持续时间范围都为0～T时，通过先利用电光调制器将射频接收的时域信号yj(t)加载到光路上，再分为N个光路并通过调制器阵列同时加载不同的调制信息，即再将每个光路k分为MTL个分支并通过调制器阵列同时加载不同的信道估计信息，即a(i-1)L+l+1，k+1，其中i＝1，...，MTl＝0，...，L-1，然后通过光电探测器阵列实现对应分支信号的累加并将各路光信号转变为相应的电信号，最后通过RC电路阵列分别对每路电信号完成0～T时间内的积分求和运算，即可计算出各个路径上0～T时间内的信道状态信息。
一种基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计方法，包括下列关键步骤：
1、块状导频插入模块将产生的MT组固定的块状导频符号序列输入权值计算模块；权值计算模块先将MT组导频符号序列所构成的矩阵与傅里叶变换矩阵相乘，然后根据最小二乘准则对矩阵进行求逆运算，计算出信道估计的权值矩阵，最后将计算结果对应输入信道估计模块中的第三电光调制器阵列，完成对信道估计权值矩阵的离线部署。
2、OFDM调制模块将各个子载波的频率信息输入信道估计模块，信道估计模块中的第二电光调制器阵列根据各个子载波的频率信息设置具体的调制信息，完成对信道估计频率信息的离线部署。
3、多天线射频接收模块将接收到的MR路射频时域信号分别输入信道估计模块中的第一电光调制器阵列的MR个电光调制器第二输入端，由MR个电光调制器分别加载到波长不同的MR个连续相干光场上，并输入波分复用系统中的复用器耦合为一路；复用器的输出信号分为N路，分别输入第二电光调制器阵列的N个第一输入端，加载信道估计的子载波频率信息；第二电光调制器阵列的每个输出端再分别分为MTL路，对应输入第三电光调制器阵列的N×MTL个第一输入端。
4、第三电光调制器阵列、光电探测器阵列与RC电路阵列是实现光学矩阵计算的重要部件，其中N×MTL个电光调制器将对应的信道估计权值信息同时加载到第二电光调制器阵列输出的时域信号上，每个光电探测器实现N路信号的累加运算，每个RC电路实现相应时域信号的积分运算以提取出对应的接收端导频符号信息，以第三电光调制器阵列、光电探测器阵列与RC电路阵列为主要部件的装置最终完成了矩阵-矢量乘法计算，从而得到某一时间范围内的信道状态信息。
与现有的MIMO无线通信系统信道估计技术相比，本发明的优点主要包括：
1、本发明采用光学矩阵计算技术与装置，充分利用其超高速、大带宽、低功耗、高并行等优势，改变了传统信道估计的计算技术，能够突破电子器件的固有电子瓶颈对MIMO无线通信信号处理速度的限制，大大提升信道估计的计算速度和带宽，实现快速的信道估计。
2、本发明将采集到的多路射频接收信号并行输入基于电光调制器与光电探测器的快速信道估计装置，直接从时域射频接收信号中提取导频信息、进行矩阵乘法运算进而完成信道估计，省略了射频信号的电学预处理过程，并利用波分复用系统降低了所需电光调制器的数量，大大简化了MIMO无线通信系统信道估计的实现流程，并减小了快速信道估计装置的规模，能够进一步提升信道估计的实现速度并降低信道估计的功耗。
附图说明
图1为本发明基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置的整体结构示意图。
图2为本发明基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置中信道估计模块的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1与图2，图1为基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置的整体结构示意图，图2为图1中信道估计模块的实施例示意图。在本实施例所属的MIMO无线通信系统中，符号输入模块包含2路符号输入，块状导频插入模块包含2路块状导频插入，OFDM调制模块包含2路OFDM调制，发射天线的数目为2(多天线射频发射模块包含2路信号)，接收天线的数目为2(多天线射频接收模块包含2路信号)，OFDM解调模块包含2路OFDM解调，符号输出模块包含2路符号输出，多径信道路径的数目为2，OFDM调制子载波的数目为4。
由图1可见，本发明所属的MIMO无线通信系统包括符号输入模块1、块状导频插入模块2、权值计算模块3、OFDM调制模块4、多天线射频发射模块5、多天线射频接收模块6、信道估计模块7、OFDM解调模块8、信号检测模块9以及符号输出模块10。由图2可见，所述的信道估计模块7由光源阵列7-1、偏振控制器阵列7-2、电光调制器阵列7-3、波分复用系统中的复用器7-4、电光调制器阵列7-5、电光调制器阵列7-6、波分复用系统中的解复用器阵列7-7、光电探测器阵列7-8和RC电路阵列7-9按顺序连接构成；由于接收天线数目等于2(MR＝2)，光源阵列7-1包含了2个光源，偏振控制器阵列7-2包含了2个偏振控制器，电光调制器阵列7-3包含了2个电光调制器；由于子载波数目等于4(N＝4)，多径信道路径的数目等于2(L＝2)，发射天线数目等于2(MT＝2)，电光调制器阵列7-5包含了4个并列配置的电光调制器，电光调制器阵列7-6包含了16个电光调制器，波分复用系统中的解复用器阵列7-7包含了16个解复用器，光电探测器阵列7-8包含了8个光电探测器，RC电路阵列7-9包含了8个RC积分电路。
本装置的各部件连接方式为：
所述的符号输入模块1的输出端与所述的块状导频插入模块2的输入端相连，所述的块状导频插入模块2的第一输出端与所述的权值计算模块3的输入端相连，所述的块状导频插入模块2的第二输出端与所述的OFDM调制模块4的输入端相连，所述的权值计算模块3的输出端与所述的信道估计模块7的第一输入端相连，所述的OFDM调制模块4的第一输出端与所述的信道估计模块7的第二输入端相连，所述的OFDM调制模块4的第二输出端与所述的多天线射频发射模块5的输入端相连，所述的多天线射频发射模块5的输出端与所述的多天线射频接收模块6的输入端相连，所述的多天线射频接收模块6的第一输出端与所述的信道估计模块7的第三输入端相连，所述的多天线射频接收模块6的第二输出端与所述的OFDM解调模块8的输入端相连，所述的OFDM解调模块8的输出端与所述的信号检测模块9的第一输入端相连，所述的信道估计模块7的输出端与所述的信号检测模块9的第二输入端相连，所述的信号检测模块9的输出端与所述的符号输出模块10的输入端相连，所述的符号输出模块10的输出端为MIMO无线通信系统的输出端。
在所述的信道估计模块7中，光源阵列7-1中光源的数目、偏振控制器阵列7-2中偏振控制器的数目、电光调制器阵列7-3中调制器的数目都与接收天线的数目相等，所述的光源阵列7-1的2个输出端分别与所述的偏振控制器阵列7-2的2个输入端相连，所述的偏振控制器阵列7-2的2个输出端分别与所述的电光调制器阵列7-3的2个第一输入端相连，所述的多天线射频接收模块6的第一输出端与所述的电光调制器阵列7-3的第二输入端相连，所述的多天线射频接收模块6包含的2路信号并行输入所述的电光调制器阵列7-3的2个电光调制器的第二输入端，所述的电光调制器阵列7-3的2个输出端与所述的波分复用系统中的复用器7-4的2个输入端相连，所述的波分复用系统中的复用器7-4的输出端分为4路，分别与所述的电光调制器阵列7-5的4个第一输入端相连，所述的OFDM调制模块4的第一输出端与所述的电光调制器阵列7-5的第二输入端相连，所述的OFDM调制模块4包含的4路子载波频率信息对应输入所述的电光调制器阵列7-5的4个第二输入端，所述的电光调制器阵列7-5中的每个电光调制器的输出端分为4路，分别与所述的电光调制器阵列7-6的16个第一输入端相连，所述的权值计算模块3的输出端与所述的电光调制器阵列7-6的第二输入端相连，所述的权值计算模块3得到的16个权值对应输入所述的电光调制器阵列7-6的16个第二输入端，所述的电光调制器阵列7-6的16个输出端分别与所述的波分复用系统中的解复用器阵列7-7的16个输入端相连，所述的波分复用系统中的解复用器阵列7-7的32个输出端分别与所述的光电探测器阵列7-8的32个输入端相连，所述的波分复用系统中的解复用器阵列7-7的输出端分为8组，分别与所述的光电探测器阵列7-8中的8个光电探测器相连，每组包含4个输出端，分别对应每个光电探测器的4个输入端，所述的光电探测器阵列7-8的8个输出端分别与所述的RC电路阵列7-9的8个输入端相连，所述的RC电路阵列7-9的8个输出端为所述的信道估计模块7的输出端。
所述的符号输入模块1用于产生发送端所传输的2路基带数据符号。所述的块状导频插入模块2用于产生特定的2组导频符号，并将固定的导频符号按照频域连续、时域离散的形式插入到数据符号序列中。所述的权值计算模块3用于将特定的导频符号序列所构成的矩阵与傅里叶变换矩阵相乘，并进行矩阵求逆运算，从而计算出信道估计对应的权值矩阵。所述的OFDM调制模块4用于将数据符号与导频符号构成的序列进行串并转换并调制到相应的子载波上，从而实现OFDM调制。所述的多天线射频发射模块5用于将OFDM调制后的信号转变为适合天线发射的信号形式，并通过2根射频天线发射出去。所述的多天线射频接收模块6用于接收所述的多天线射频发射模块5所发射的信号，得到MR路接收信号。
所述的信道估计模块7用于进行基于光学矩阵计算的MIMO无线通信系统信道估计，利用权值计算模块提供的权值信息、OFDM调制模块提供的频率信息以及从多天线射频接收模块获取的2路时域信号完成快速信道估计。所述的光源阵列7-1用于提供2种波长不同的连续相干光场，在电光调制过程中对应加载2路射频接收信号。所述的偏振控制器阵列7-2用于控制改变2个光源的偏振态。所述的电光调制器阵列7-3用于将2路射频接收信号对应加载到2个光场上。所述的波分复用系统中的复用器7-4用于将2路不同波长的光载波信号汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输。所述的电光调制器阵列7-5用于对应加载OFDM调制模块提供的各个子载波的频率信息。所述的电光调制器阵列7-6用于对应加载信道估计权值矩阵，完成光学矩阵乘法计算中关键的加权步骤。所述的波分复用系统中的解复用器阵列7-7用于将包含2种波长的信号根据光载波波长的不同分离为2路信号。由于对于2路射频接收信号，信道估计所需的子载波频率信息以及信道估计权值矩阵是完全相同的，所以可以通过所述的波分复用系统实现2路射频接收信号的并行信道估计，减小了所需电光调制器的数目。所述的光电探测器阵列7-8用于实现多路信号的空间累加，并将各路光信号分别转变为相应的电信号。所述的RC电路阵列7-9用于分别对各路电信号进行时域积分运算，从而得到相应的信道状态信息。
所述的OFDM解调模块8用于对多天线射频接收模块接收到的2路射频信号进行OFDM解调，提取出接收到的2路基带数据符号。所述的信号检测模块9用于从接收到的2路基带数据符号中恢复出发送端所传输的2路基带数据符号，需要利用信道估计模块提取的信道状态信息。所述的符号输出模块10用于接收并输出所述的信号检测模块9所恢复的2路基带数据符号。
本装置的快速信道估计实现过程主要包括下列步骤：
1、块状导频插入模块2将产生的两组固定的块状导频符号序列{X1 P[0]，X1 P[1]，X1 P[2]，X1 P[3]}与{X2 P[0]，X2 P[1]，X2 P[2]，X2 P[3]}输入权值计算模块3；权值计算模块3先将两组导频符号序列所构成的矩阵[diag{X1 P[0]，X1 P[1]，X1 P[2]，X1 P[3]}，diag{X2 P[0]，X2 P[1]，X2 P[2]，X2 P[3]]与傅里叶变换矩阵FL相乘，得到矩阵Q＝[diag{X1 P}FL，diag{X2 P}FL]，然后根据最小二乘准则，计算出信道估计的权值矩阵最后将计算结果对应输入信道估计模块7中的电光调制器阵列7-6，完成对信道估计权值矩阵的离线部署。
2、OFDM调制模块4将各个子载波的频率信息(f0，f1，f2，f3)输入信道估计模块7，信道估计模块7中的电光调制器阵列7-5根据各个子载波的频率信息将具体的调制信息设置为完成对信道估计频率信息的离线部署。
3、多天线射频接收模块6将接收到的两路射频时域信号y1(t)，y2(t)分别输入信道估计模块7中的电光调制器阵列7-3的2个电光调制器第二输入端，由2个电光调制器分别加载到波长不同的2个连续相干光场上，并输入波分复用系统中的复用器7-4；复用器7-4的输出信号分为4路，分别输入电光调制器阵列7-5的4个第一输入端，加载信道估计的子载波频率信息，得到 电光调制器阵列7-5的每个输出端再分别分为4路，对应输入电光调制器阵列7-6的16个第一输入端。
4、电光调制器阵列7-6、光电探测器阵列7-8与RC电路阵列7-9是实现光学矩阵计算的重要部件，其中16个电光调制器将对应的信道估计权值信息加载到电光调制器阵列7-5输出的时域信号上，每个光电探测器实现4路信号的累加运算每个RC电路实现相应时域信号的积分运算/>以提取出对应的接收端导频符号信息/>以电光调制器阵列7-6、光电探测器阵列7-8与RC电路阵列7-9为主要部件的装置最终完成了矩阵-矢量乘法计算从而得到了相应的时域信道状态信息/>

Claims (3)

1.一种基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置，MIMO无线通信系统包括发送端和接收端；其特征在于，所述的发送端包括符号输入模块(1)、块状导频插入模块(2)、权值计算模块(3)、OFDM调制模块(4)和多天线射频发射模块(5)，OFDM调制子载波的数目为N，所述的多天线射频发射模块(5)包括MT根发射天线，MT≥2；所述的接收端包括多天线射频接收模块(6)、信道估计模块(7)、OFDM解调模块(8)、信号检测模块(9)和符号输出模块(10)，所述的多天线射频接收模块(6)包括MR根接收天线，MR≥2；
所述的符号输入模块(1)的输出端与所述的块状导频插入模块(2)的输入端相连，所述的块状导频插入模块(2)的第一输出端与所述的权值计算模块(3)的输入端相连，所述的块状导频插入模块(2)的输出端与所述的OFDM调制模块(4)的输入端相连，所述的权值计算模块(3)的输出端与所述的信道估计模块(7)的第一输入端相连，所述的OFDM调制模块(4)的第一输出端与所述的信道估计模块(7)的第二输入端相连，所述的OFDM调制模块(4)的第二输出端与所述的多天线射频发射模块(5)的输入端相连；
所述的符号输入模块(1)用于产生发送端所传输的MT路基带数据符号，即MT路输入信号，所述的块状导频插入模块(2)用于产生特定的MT组导频符号，并将固定的导频符号按照频域连续、时域离散的形式插入到MT路数据符号序列中，所述的权值计算模块(3)用于将特定的导频符号序列所构成的矩阵与傅里叶变换矩阵相乘，并进行矩阵求逆运算，从而计算出信道估计对应的权值矩阵，所述的OFDM调制模块(4)用于对MT个数据符号与导频符号构成的序列进行串并转换和OFDM调制，并将N个子载波的频率信息输入所述信道估计模块(7)；所述的多天线射频发射模块(5)用于将OFDM调制后的MT路信号转变为适合天线发射的信号形式，并通过MT根射频发射天线发射出去；
所述的多天线射频发射模块(5)的输出端与所述的多天线射频接收模块(6)的输入端相连，所述的多天线射频接收模块(6)的第一输出端与所述的信道估计模块(7)的第三输入端相连，所述的多天线射频接收模块(6)的第二输出端与所述的OFDM解调模块(8)的输入端相连，所述的OFDM解调模块(8)的输出端与所述的信号检测模块(9)的第一输入端相连，所述的信道估计模块(7)的输出端与所述的信号检测模块(9)的第二输入端相连，所述的信号检测模块(9)的输出端与所述的符号输出模块(10)的输入端相连，所述的符号输出模块(10)的输出端为MIMO无线通信系统的输出端；
所述的多天线射频接收模块(6)用于接收所述的多天线射频发射模块(5)MT根射频天线所发射的信号，并将接收的MR路并行射频信号输入所述的OFDM解调模块(8)，所述的信道估计模块(7)通过获取来自所述的权值计算模块(3)的权值信息、来自所述的OFDM调制模块(4)的频率信息以及来自所述的多天线射频接收模块(6)的MR路时域信号，完成MIMO无线通信系统信道估计，所述的OFDM解调模块(8)用于对多天线射频接收模块(6)接收到的MR路并行射频信号进行OFDM解调，提取出接收到的MR路基带数据符号，所述的信号检测模块(9)利用来自信道估计模块(7)的信道状态信息，从来自OFDM解调模块(8)的MR路基带数据符号中恢复出发送端所传输的MT路基带数据符号，并传输至符号输出模块(10)，所述的符号输出模块(10)用于接收并输出所述的信号检测模块(9)所恢复的MT路基带数据符号。
2.根据权利要求1所述的基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计装置，其特征在于，所述的信道估计模块(7)包括光源阵列(7-1)、偏振控制器阵列(7-2)、第一电光调制器阵列(7-3)、波分复用系统中的复用器(7-4)、电光调制器阵列(7-5)、第二电光调制器阵列(7-6)、波分复用系统中的解复用器阵列(7-7)、光电探测器阵列(7-8)和RC电路阵列(7-9)；
所述的光源阵列(7-1)中光源的数目、偏振控制器阵列(7-2)中偏振控制器的数目、第一电光调制器阵列(7-3)中电光调制器的数目都与接收天线的数目MR相等，所述的光源阵列(7-1)的MR个输出端分别与所述的偏振控制器阵列(7-2)的MR个输入端相连，所述的偏振控制器阵列(7-2)的MR个输出端分别与所述的第一电光调制器阵列(7-3)的MR个第一输入端相连，所述的多天线射频接收模块(6)的第一输出端与所述的第一电光调制器阵列(7-3)的第二输入端相连，所述的多天线射频接收模块(6)包含的MR路信号并行输入所述的第一电光调制器阵列(7-3)的MR个电光调制器的第二输入端，所述的第一电光调制器阵列(7-3)的MR个输出端与所述的波分复用系统中的复用器(7-4)的MR个输入端相连，所述的波分复用系统中的复用器(7-4)的输出端分为N路，分别与所述的电光调制器阵列(7-5)的N个第一输入端相连，所述的OFDM调制模块(4)的第一输出端与所述的电光调制器阵列(7-5)的第二输入端相连，所述的OFDM调制模块(4)包含的N路子载波频率信息对应输入所述的电光调制器阵列(7-5)的N个第二输入端，所述的电光调制器阵列(7-5)中的每个电光调制器的输出端分为MTL路，分别与所述的第二电光调制器阵列(7-6)的N×MTL个第一输入端相连，所述的权值计算模块(3)的输出端与所述的第二电光调制器阵列(7-6)的第二输入端相连，所述的权值计算模块(3)得到的N×MTL个权值对应输入所述的第二电光调制器阵列(7-6)的N×MTL个第二输入端，所述的第二电光调制器阵列(7-6)的N×MTL个输出端分别与所述的波分复用系统中的解复用器阵列(7-7)的N×MTL个输入端相连，所述的波分复用系统中的解复用器阵列(7-7)的MR×N×MTL个输出端分别与所述的光电探测器阵列(7-8)的MR×N×MTL个输入端相连，所述的波分复用系统中的解复用器阵列(7-7)的输出端分为MR×MTL组，分别与所述的光电探测器阵列(7-8)中的MR×MTL个光电探测器相连，每组包含N个输出端，分别对应每个光电探测器的N个输入端，所述的光电探测器阵列(7-8)的MR×MTL个输出端分别与所述的RC电路阵列(7-9)的MR×MTL个输入端相连，所述的RC电路阵列(7-9)的MR×MTL个输出端为所述的信道估计模块(7)的输出端；
所述的光源阵列(7-1)用于提供MR个波长不同的连续相干光场，在电光调制过程中对应加载MR路射频接收信号，所述的波分复用系统中的复用器(7-4)用于将MR路不同波长的光载波信号汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输，所述的电光调制器阵列(7-5)用于对应加载OFDM调制模块(4)提供的各个子载波的频率信息，所述的第二电光调制器阵列(7-6)用于对应加载信道估计权值矩阵，完成光学矩阵乘法计算中关键的加权步骤，所述的波分复用系统中的解复用器阵列(7-7)用于将包含MR种波长的信号根据光载波波长的不同分离为MR路信号，所述的光电探测器阵列(7-8)用于实现多路信号的空间累加，并将各路光信号分别转变为相应的电信号，所述的RC电路阵列(7-9)用于分别对各路电信号进行时域积分运算，从而得到相应的信道状态信息。
3.一种基于光学矩阵计算的MIMO无线通信快速信道估计方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1、块状导频插入模块(2)将产生的MT组固定的块状导频符号序列输入权值计算模块(3)；
步骤2、权值计算模块(3)先将MT组导频符号序列分别对角化并顺序拼接所构成的矩阵与傅里叶变换矩阵相乘，然后根据最小二乘准则，对所得矩阵求逆，从而计算出信道估计的权值矩阵，最后将计算结果对应输入信道估计模块(7)中的第二电光调制器阵列(7-6)，完成对信道估计权值矩阵的离线部署；
步骤3、OFDM调制模块(4)将各个子载波的频率信息输入信道估计模块(7)，信道估计模块(7)中的电光调制器阵列(7-5)根据各个子载波的频率信息设置调制信息，完成对信道估计频率信息的离线部署；
步骤4、多天线射频接收模块(6)将接收到的MR路射频时域信号分别输入第一电光调制器阵列(7-3)中的MR个电光调制器的第二输入端，由MR个电光调制器分别加载到波长不同的MR个连续相干光场上，并输入波分复用系统中的复用器(7-4)将MR路不同波长的光载波信号汇合在一起，耦合到同一根光纤中进行传输；
步骤5、复用器(7-4)的输出信号分为N路，分别输入电光调制器阵列(7-5)的N个第一输入端，加载信道估计的子载波频率信息；
步骤6、电光调制器阵列(7-5)的每个输出端再分别分为MTL路，对应输入第二电光调制器阵列(7-6)的N×MTL个第一输入端，L为多径信道路径数，L≥2；
步骤7、第二电光调制器阵列(7-6)中N×MTL个电光调制器将权值计算模块(3)提供的信道估计权值信息对应加载到电光调制器阵列(7-5)输出的时域信号上；
步骤8、解复用器阵列(7-7)中的每个解复用器将包含MR种波长的信号根据光载波波长的不同分离为MR路信号，MR×N×MTL路信号分为MR×MTL组，每个光电探测器实现一组N路信号的累加运算，每个RC电路实现相应时域信号的积分运算以提取出对应的接收端导频符号信息，完成矩阵-矢量乘法计算，从而得到某一时间范围内的信道状态信息。
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