CN116054875B - 支持全双工模式切换的mimo收发器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及无线通信技术领域，公开了一种支持全双工模式切换的MIMO收发器。所述收发器包括：信源模块、第一发射预处理模块、发射预编码模块、第二发射预处理模块、模式切换模块、接收处理模块、信号合并模块、信宿模块。本申请通过设置模式切换模块，可以将全双工模式切换为MIMO模式，还可以将MIMO模式切换为全双工模式，且全双工模式可以实现自干扰消除，在无线传输中通过链路自适应将全双工技术作为一种MIMO模式的补充应用，弥补在部分LOS信道环境下，单纯MIMO传输链路无法获得更高传输速率的问题。
Description
技术领域
本申请实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种支持全双工模式切换的MIMO收发器。
背景技术
同频同时全双工技术CCFD通过自干扰消除，是一种在同一时间和频率实现双向通信的技术。同频同时全双工技术相比时分双工TDD和频分双工FDD而言，可以将频谱效率提高一倍。由于sub6G频谱资源紧缺，目前3GPP组织已将同频同时全双工纳入R18关键技术研究。
自90年代提出同频同时全双工技术以来，国内外不断对同频同时全双工技术进行研究，而同频同时全双工技术发展至今所面临的问题主要有：1、器件非线性会制约自干扰消除能力；2、实现自干扰消除算法所要求的资源过高；3、由于引入交叉干扰和背景干扰，同频同时全双工技术的性能提升仅适用于部分链路。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种支持全双工模式切换的MIMO收发器，通过设置模式切换模块，可以将全双工模式切换为MIMO模式，还可以将MIMO模式切换为全双工模式，且全双工模式可以实现自干扰消除，在无线传输中通过链路自适应将全双工技术作为一种MIMO模式的补充应用，弥补在部分LOS信道环境下，单纯MIMO传输链路无法获得更高传输速率的问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例采用以下技术方案：
第一方面，本申请实施例中提供给了一种支持全双工模式切换的MIMO收发器，包括：
信源模块，用于发射信息比特；
第一发射预处理模块，所述第一发射预处理模块的输入端与所述信源模块的输出端连接，用于对所述信息比特进行预处理，获得至少两路数字调制信号；
发射预编码模块，所述发射预编码模块的输入端与所述第一发射预处理模块的输出端、模式切换模块的输入端及第二发射预处理模块的输入端连接，用于根据所述模式切换模块的切换模式指令，将所述至少两路数字调制信号编码为与MIMO模式对应的第一模拟调制信号或与全双工模式对应的第二模拟调制信号；
第二发射预处理模块，用于对所述第一模拟调制信号或第二模拟调制信号进行模拟调制处理，获得第一模拟调制信号或第二模拟调制信号，并从第一信源输出端和/或第二信源输出端输出；
模式切换模块，用于将当前模式切换为MIMO模式或全双工模式；如果当前模式为全双工模式切换为MIMO模式，则所述第一信源输出端和所述第二信宿接收端直通，且所述模式切换模块导通第二信源输出端及第二信宿接收端，使得所述第一信宿接收端和第二信宿接收端能够接收到所述第一信源输出端和第二信源输出端输出的第一模拟调制信号；如果当前模式为MIMO模式切换为全双工模式，则所述第一信源输出端直通，使得所述第一信宿接收端能接收所述第一信源输出端输出的第二模拟调制信号，且所述模式切换模块导通第二信源输出端分别与所述第一信宿接收端及所述第二信宿接收端之间的连接，以进行全双工模式下的自干扰消除；
接收处理模块，与所述第一信宿接收端和第二信宿接收端连接，用于对所述第一信宿接收端接收的第一模拟调制信号及所述第二信宿接收端接收的第一模拟调制信号进行解调处理，获得第一解调信号及第二解调信号，或者对所述第一信宿接收端接收的第二模拟调制信号和/或第二信宿接收端接收的第二模拟调制信号进行模拟解调处理，获得第三解调信号或第四解调信号；
信号合并模块，用于根据所述MIMO模式合并所述第一解调信号及第二解调信号为第一合并信号，或者根据所述全双工模式合并所述第三解调信号和/或第四解调信号为第二合并信号；
信宿模块，用于接收所述第一合并信号或第二合并信号。
在一些实施例中，所述将所述至少两路数字调制信号预编码为与全双工模式对应的第二模拟调制信号，包括：
计算所述第一信源发射端到所述第一信宿接收端的第一信道响应，以及所述第二信源发射端到第一信宿接收端的第二信道响应；
计算所述第一信道响应的信道估计值和所述第二信道响应的信道估计值；
基于所述第一信道响应的信道估计值和所述第二信道响应的信道估计值，获得所述第二模拟调制信号。
在一些实施例中，所述发射预编码模块，还用于：
在初次切换为全双工模式时，对所述第一信宿接收端和第二信宿接收端进行自信道估计。
在一些实施例中，所述根据所述全双工模式合并所述第三解调信号和/或第四解调信号为第二合并信号，包括：
在所述当前模式为全双工模式时，使用第一导频序列对所述第三解调信号和/或第四解调信号进行自信道估计；
使用第一预编码矩阵对所述自信道估计的第三解调信号和/或第四解调信号进行加权；
基于所述第一预编码矩阵、所述第一导频序列及信道估计的第三解调信号和/或第四解调信号进行迭代；在所述第一预编码矩阵趋于稳定时，完成全双工模式下的自干扰消除，完成合并，获得第二合并信号。
在一些实施例中，所述第二信宿接收端设有开关电路，所述开关电路与所述模式切换电路连接；用于：
在当前模式为全双工模式时，如果所述开关电路由导通切换至断开所述第二信宿接收端，则所述全双工模式由二发二收的MIMO模式切换为一发一收全双工模式；
如果所述开关电路由断开切换至导通所述第二信宿接收端，则所述全双工模式切换为二发二收的MIMO模式。
在一些实施例中，所述MIMO收发器还包括辅助发射射频链路，所述辅助发射射频链路的输入端通过开关与所述发射预编码模块的输出端及所述模式切换模块的输出端连接，且辅助发射射频链路的输出端通过加法器连接第二信宿接收端；
所述模式切换模块 ，还用于如果当前模式为全双工模式切换为MIMO模式，则控制所述开关断开，且控制所述第二信源输出端直通、第二信宿接收端直通，以使所述所述第一信宿接收端和第二信宿接收端能接收所述第一信源输出端和第二信源输出端发射的第一模拟调制信号；
还用于如果当前模式为MIMO模式切换为全双工模式，则所述第一信源输出端、第一信宿接收端和第二信宿接收端直通，所述模式切换模块控制所述开关闭合，以使所述辅助发射射频链路的输出端连接所述第二信宿接收端；所述模式切换模块控制所述第二信源输出端与所述第一信宿接收端连接，以进行自干扰消除。
在一些实施例中，所述进行自干扰消除包括：
计算第一信源输出端的时隙发射导频、第二信源输出端的时隙发射导频和辅助发射射频链路的输出端的时隙发射导频；
计算所述第一信宿接收端分别与所述第一信源输出端、第二信源输出端及辅助发射射频链路的输出端的第三信道响应估计值，且计算所述第二信宿接收端分别与所述第一信源输出端、第二信源输出端及辅助发射射频链路的输出端的第四信道响应估计值；
使用第二预编码矩阵对所述第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行预编码；
基于所述时隙发射导频、第二预编码矩阵、第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行迭代，在所述第二预编码矩阵趋于稳定时，完成所述自干扰消除。
在一些实施例中，所述模式切换模块，还用于：
如果所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，则切换为全双工模式；
如果所述全双工模式的信道容量小于MIMO模式的信道容量，则切换为MIMO模式。
在一些实施例中，所述如果所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，则切换为全双工模式，包括：
周期性计算MIMO模式下的信干扰噪声比和信道秩值；
判断预设时长内，所述信道秩值的概率为满秩的概率是否大于预设概率门值；
如果所述信道秩值的概率为满秩的概率不大于预设概率门值，则判断自干扰消除能力因子和所述信干扰噪声比是否满足预设收益信道条件；
如果满足，则确定所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，切换为全双工模式，否则，确定全双工模式的信道容量不大于MIMO模式的信道容量，并保持为MIMO模式。
在一些实施例中，所述自干扰消除能力因子基于所述信源模块与所述信宿模块的天线隔离度、信道估计精度及所述信源模块的发射机功耗获得。
本申请实施例的有益效果：区别于现有技术的情况，本申请实施例提供的支持全双工模式切换的MIMO收发器，通过设置模式切换模块，实现MIMO模式和全双工模式的切换，并且，发射预编码模块根据不同的模式进行预编码，信号合并根据不同的模式进行信号合并，从而实现MIMO模式和全双工模式的切换，并且，在全双工模式下，可以实现自干扰消除。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本申请支持全双工模式切换的MIMO收发器的一个实施例的结构示意图；
图2是本申请支持全双工模式切换的MIMO收发器的一个实施例的局部放大图；
图3是本申请支持全双工模式切换的MIMO收发器实施切换时的运算和判断的流程示意图；
图4是本申请支持全双工模式切换的MIMO收发器的又一个实施例的结构示意图；
图5是本申请支持全双工模式切换的MIMO收发器的模式切换效果图；
图6本申请应用于宽带MIMO mesh无线自组网电台的手持版结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本申请，但不以任何形式限制本申请。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本申请的保护范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，如果不冲突，本申请实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。此外，本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本申请各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在现有技术中，存在全双工模式受非线性区间制约仅适用于部分链路问题，具体为：由于器件非线性，自干扰消除算法通常难以将自干扰完全消除，残留干扰会大大影响全双工在实际系统中的应用。导致残留干扰的原因一方面在于若采用足够大的发射功率，则会引起功放非线性；另一方面是基带对自干扰信道的信道估计总是会存在误差。
并且，考虑到全双工需要额外的辅助消除电路的开销，那么会存在一个本质问题：给定相同多通道硬件资源，那么是否会存在一种无线信道环境，使得全双工模式具有传输线能提升的优势。
因此，本申请实施例提供的一种支持全双工模式切换的MIMO收发器如图1所示，MIMO收发器包括：
信源模块10，用于发射信息比特；
第一发射预处理模块20，所述第一发射预处理模块20的输入端与所述信源模块10的输出端连接，用于对所述信息比特进行预处理，获得至少两路数字调制信号；
发射预编码模块30，所述发射预编码模块30的输入端与所述第一发射预处理模块20的输出端、模式切换模块50的输入端及第二发射预处理模块40的输入端连接，用于根据所述模式切换模块50的切换模式指令，将所述至少两路数字调制信号编码为与MIMO模式对应的第一模拟调制信号或与全双工模式对应的第二模拟调制信号；
第二发射预处理模块40，用于对所述第一模拟调制信号或第二模拟调制信号进行模拟调制处理，获得第一模拟调制信号或第二模拟调制信号，并从第一信源输出端TXOUTPUT1和/或第二信源输出端TX OUTPUT2输出；
模式切换模块50，用于将当前模式切换为MIMO模式或全双工模式；如果当前模式为全双工模式切换为MIMO模式，则所述第一信源输出端TX OUTPUT1和所述第二信宿接收端RX INPUT2直通，且所述模式切换模块50导通第二信源输出端TX OUTPUT2及第二信宿接收端RX INPUT2，使得所述第一信宿接收端RX INPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2能够接收到所述第一信源输出端TX OUTPUT1和第二信源输出端TX OUTPUT2输出的第一模拟调制信号；如果当前模式为MIMO模式切换为全双工模式，则所述第一信源输出端TX OUTPUT1直通，使得所述第一信宿接收端RX INPUT1能接收所述第一信源输出端TX OUTPUT1输出的第二模拟调制信号，且所述模式切换模块50导通第二信源输出端TX OUTPUT2分别与所述第一信宿接收端RX INPUT1及所述第二信宿接收端RX INPUT2之间的连接，以进行全双工模式下的自干扰消除；
接收处理模块60，用于对所述第一信宿接收端RX INPUT1接收的第一模拟调制信号及所述第二信宿接收端RX INPUT2接收的第一模拟调制信号进行解调处理，获得第一解调信号及第二解调信号，或者对所述第一信宿接收端RX INPUT1接收的第二模拟调制信号和/或第二信宿接收端RX INPUT2接收的第二模拟调制信号进行模拟解调处理，获得第三解调信号或第四解调信号；
信号合并模块70，根据所述MIMO模式合并所述第一解调信号及第二解调信号为第一合并信号，或者根据所述全双工模式合并所述第三解调信号和/或第四解调信号为第二合并信号；
信宿模块80，用于接收所述第一合并信号或第二合并信号。
具体地，信源模块10和信宿模块80不指定对应的业务采用信息比特表示。信息比特以比特消息的方式传输。
第一发射预处理模块20，主要用于对所述信息比特进行预处理，预处理包括比特级处理和数字调制处理，在信息比特进行比特级处理的时候，将信息比特进行加扰、信道编码和交织操作，且兼容各种标准化的比特级处理。在编码和交织操作时采用常见的编码交织有LDPC和TURBO等，交织有一维交织、二维交织以及多流交织。
在进行比特级处理后，进行数字调制处理，可以采用的宽带无线通信包括单载波调制和多载波调制技术，单载波调制技术例如SC-FDMA，通过FFT和IFFT方式实现单载波；多载波调制技术包括OFDM和OTFS等。
经过第一发射预处理模块20的比特级处理和数字调制处理，获得数字调制信号。并把数字调制信号输入发射预编码模块30。
发射预编码模块30，根据所述模式切换模块50的切换模式指令，将所述至少两路数字调制信号编码为与MIMO模式对应的第一模拟调制信号或与全双工模式对应的第二模拟调制信号。具体为：如果当前模式为MIMO模式，则采用现有技术的发射分集、开环空间复用或闭环Beamforming中的任一种对数字调制信号进行处理，其中，MIMO Beamforming（MIMO-BF）技术是利用信道信息对发射数据进行加权，形成波束的一种波束赋形方法，包括开环模式和闭环模式。闭环Beamforming，是指MIMO-BF技术中的闭环模式，具有系统实现相对简单，不需要对天线收发通道进行校正的特点。
举例而言，以标准中常见的MIMO模式处理为例，MIMO模式使用LTE36.211标准进行预编码，即通过信令域标志发射模式为发射分集、开环空间复用或闭环Beamforming中一种，信令域的STBC标志位表示是否发射分集。如果是开环空间复用，则采用不同的空间映射矩阵Q矩阵进行流到天线的符号映射，从而实现MIMO模式下的预编码处理，获得第一模拟调制信号。
在其中一些实施方式中，如果模式为全双工模式，则将所述至少两路数字调制信号预编码为与全双工模式对应的第二模拟调制信号，包括：
计算所述第一信源发射端到所述第一信宿接收端RX INPUT1的第一信道响应，以及所述第二信源发射端到第一信宿接收端RX INPUT1的第二信道响应；
计算所述第一信道响应的信道估计值和所述第二信道响应的信道估计值；
基于所述第一信道响应的信道估计值和所述第二信道响应的信道估计值，获得所述第二模拟调制信号。
具体地，如果模式为全双工模式，此时发射预编码模块30对第一信源输出端TXOUTPUT1和第二信源输出端TX OUTPUT2进行加权。首先，计算第一信源发射端TXOUTPUT1到所述第一信宿接收端RX INPUT1的第一信道响应h1，且计算第二信源发射端TXOUTPUT2到第一信宿接收端RX INPUT1的第二信道响应h2；然后，采用信道估计方法，计算所述第一信道响应的信道估计值
和所述第二信道响应的信道估计值/>
。
那么，第二模拟调制信号用公式1表示：
其中，
表示第二模拟调制信号，/>
表示第一信道响应的信道估计值，/>
表示第二信道响应的信道估计值。
在其中一些实施方式中，所述发射预编码模块30，还用于：
在初次切换为全双工模式时，对所述第一信宿接收端RX INPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2进行自信道估计。
具体地，在全双工模式初次启动时，即在MIMO模式初次切换为全双工模式时，需要计算自发自收的干扰信道响应，因此需要使用第一导频序列p对所述第一信宿接收端RXINPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2进行自信道估计。
通过发射预编码模块30根据所述模式切换模块50的切换模式指令，将所述至少两路数字调制信号编码为与MIMO模式对应的第一模拟调制信号或与全双工模式对应的第二模拟调制信号，且把第一模拟调制信号或第二模拟调制信号输入第二发射预处理模块40，第二发射预处理模块40对所述第一模拟调制信号或第二模拟调制信号进行模拟调制处理，获得第一模拟调制信号或第二模拟调制信号，并从第一信源输出端TX OUTPUT1和/或第二信源输出端TX OUTPUT2输出。
并且，第二发射预处理模块40，主要包括数字滤波处理、数模转换处理、模拟调制处理以及功率放大器处理。
数字滤波处理采用常规的数字滤波器，完成采样系数和符号速率之间的频率转换。由于通常会使用更高的采样率，例如单载波过采样，此时通过数字滤波器实现基带和采样器件的频率转换，可选的数字滤波器为积分-梳状滤波器。
模拟调制处理，是在模拟域完成信号的射频调制，例如使用带通滤波器和混频器完成模拟调制，完整的宽带通信信号调制氛围数字调制和模拟调制两个部分，以OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）为例，完成数字调制后形成中频带宽信号，完成模拟调制后，信号具有中心频点和对应功率。
通过第二发射预处理模块40，获得第一模拟调制信号或第二模拟调制信号，第一模拟调制信号或第二模拟调制信号可以通过第一信源输出端TX OUTPUT1和/或第二信源输出端TX OUTPUT2输出。
由于模式切换模块50与发射预编码模块30、第二信源输出端TX OUTPUT2、第二信宿接收端RX INPUT2以及信号合并模块70连接，并且，模式切换模块50可以控制第二信源输出端TX OUTPUT2和/或第二信宿接收端RX INPUT2自身的导通或断开。
如图2所示，图2为MIMO收发器的局部放大图，在当前模式为全双工模式切换为MIMO模式的时候，所述第一信源输出端TX OUTPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2直通，且所述模式切换模块50导通第二信源输出端TX OUTPUT2及第二信宿接收端RX INPUT2，使得所述第一信宿接收端RX INPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2能够接收到所述第一信源输出端TX OUTPUT1和第二信源输出端TX OUTPUT2输出的第一模拟调制信号，实现MIMO模式下第一信源输出端TX OUTPUT1和第二信源输出端TX OUTPUT2作为2个发射端，且第一信宿接收端RX INPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2作为2个接收端，实现MIMO模式下的2发2收功能。
在当前模式为MIMO模式切换为全双工模式的时候，第一信源输出端TX OUTPUT1直通，使得所述第一信宿接收端RX INPUT1能接收所述第一信源输出端TX OUTPUT1输出的第二模拟调制信号，实现全双工模式下的1发功能，且所述模式切换模块50导通第二信源输出端TX OUTPUT2分别与所述第一信宿接收端RX INPUT1及所述第二信宿接收端RX INPUT2之间的连接，作为辅助发射天线，以进行全双工模式下的自干扰消除，实现全双工模式下第一信源输出端TX OUTPUT1给第一信宿接收端RX INPUT1输出第二模拟调制信号，从而实现全双工模式下的1发1收功能以及自干扰消除。
在其中一些实施方式中，所述第二信宿接收端RX INPUT2设有开关电路90，所述开关电路90与所述模式切换模块50连接；用于：
在当前模式为全双工模式时，如果所述开关电路90由导通切换至断开所述第二信宿接收端RX INPUT2，则所述全双工模式由二发二收的MIMO模式切换为一发一收全双工模式；
如果所述开关电路90由断开切换至导通所述第二信宿接收端RX INPUT2，则所述全双工模式切换为二发二收的MIMO模式。
具体地，还可以在第二信宿接收端RX INPUT2上设置开关电路90，在开关电路90由导通切换至断开时，只有第一信宿接收端RX INPUT1能够接收第二模拟调制信号，则实现二发二收的MIMO模式切换到一发一收的全双工模式；在开关电路90由断开切换到导通时，第二信宿接收端RX INPUT2与第二信源输出端TX OUTPUT2导通，实现全双工模式切换到二发二收的MIMO模式。其中，开关电路90中涉及的基带器件和射频器件之间采用传统的控制方式包括：收发控制、功率控制、自动AGC控制等，该开关控制可以纳入基带与射频之间的控制接口和时序过程中。在全双工模式下，相比时分半双工模式，不需要严格的收发转换控制时序。
第一信宿接收端RX INPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2分别连接接收处理模块60，接收处理模块60，主要用于对所述第一信宿接收端RX INPUT1接收的第一模拟调制信号及所述第二信宿接收端RX INPUT2接收的第一模拟调制信号进行解调处理，或者对所述第一信宿接收端RX INPUT1接收的第二模拟调制信号和/或第二信宿接收端RX INPUT2接收的第二模拟调制信号进行模拟解调处理，获得第三解调信号或第四解调信号。接收处理模块60包括模拟低噪声放大器处理、模拟解调处理、模数转换处理以及数字滤波处理。
模拟解调处理可以对接收到的信号进行下变频和滤波，得到OFDM中频信号。
数字滤波处理采用常规的数字滤波器，完成采样系数和符号速率之间的频率转换。由于通常会使用更高的采样率，例如单载波过采样，此时通过数字滤波器实现基带和采样器件的频率转换，可选的数字滤波器为积分-梳状滤波器。
信号合并模块70，不同的模式选择对应不同的合并方式，在模式为MIMO模式的时候，根据所述MIMO模式合并所述第一解调信号及第二解调信号为第一合并信号，即采用发射分集、开环空间复用或闭环Beamforming的方式进行第一信宿接收端RX INPUT1或第二信宿接收端RX INPUT2符号的空间解映射处理。以一标准中常见的MIMO处理模式为例，通过信令域标志解得对应MIMO模式为发射分集、开环空间复用或闭环Beamforming中一种。信令域有STBC标志位表示是否发射分集。若是发射分集，则通过最大比合并进行处理；若是空间复用，则采用ZF、MMSE或者MMSE-OSIC等方式进行接收合并处理，获得第一合并信号。
在其中一些实施方式中，在当前模式为全双工模式的时候，根据所述全双工模式合并所述第三解调信号和/或第四解调信号为第二合并信号，可以包括：
在所述当前模式为全双工模式时，使用第一导频序列对所述第三解调信号和/或第四解调信号进行自信道估计；
使用第一预编码矩阵对所述自信道估计的第三解调信号和/或第四解调信号进行加权；
基于所述第一预编码矩阵、所述第一导频序列及信道估计的第三解调信号和/或第四解调信号进行迭代；在所述第一预编码矩阵趋于稳定时，完成合并，获得第二合并信号。
具体地，信号合并模块70的接收端进行自信道估计，比如，第一信源输出端TXOUTPUT1和第二信源输出端TX OUTPUT2分别在两个时隙发射导频符号p，第一信宿接收端RXINPUT1获得第一信道响应的信道估计值
和第二信道响应的信道估计值/>
。
根据预编码模块的编码特性（公式1），使用第一预编码矩阵w进行加权处理，此时，第一预编码矩阵w满足公式2：
即，信号合并模块70的接收端使用第一预编码矩阵w满足发收通道的幅相归一化，经过数次迭代后第一预编码矩阵w趋于稳定，完成合并，获得第二合并信号，从而完成全双工模式下的自干扰消除，可以应用于业务信道。
在信号合并模块70对信号进行合并后，对信号进行数字解调处理、比特级处理，然后输入信宿模块80，信宿模块80接收处理后的第一合并信号或第二合并信号。
在其中一些实施方式中，如图4所示，所述MIMO收发器还包括辅助发射射频链路91，所述辅助发射射频链路91的输入端通过开关与所述发射预编码模块30的输出端及所述模式切换模块50的输出端连接，且辅助发射射频链路91的输出端ATX通过加法器连接第二信宿接收端RX INPUT2；辅助发射射频链路91可以对输入的信号进行数字滤波处理、数模转换处理、模拟调制处理以及功率放大器处理，与前文的第二发射预处理模块40的处理方式类似，在此不再赘述。
所述模式切换模块50，还用于如果当前模式为MIMO模式切换为全双工模式，则控制所述开关闭合，以使所述辅助发射射频链路91的输出端ATX连接所述第二信宿接收端RXINPUT2。具体为：如果当前模式为MIMO模式切换为全双工模式，则所述第一信源输出端TXOUTPUT1、第一信宿接收端RX INPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2直通，实现全双工模式的1发2收功能，且所述模式切换模块50控制所述开关闭合，以使所述辅助发射射频链路91的输出端ATX连接所述第二信宿接收端RX INPUT2；所述模式切换模块50控制所述第二信源输出端TX OUTPUT2与所述第一信宿接收端RX INPUT1连接，以进行自干扰消除。
所述模式切换模块50，还用于如果当前模式为全双工模式切换为MIMO模式，则控制所述开关断开，以使所述第二信源输出端TX OUTPUT2输出第二模拟调制信号至所述第二信宿接收端RX INPUT2。具体为：如果当前模式为全双工模式切换为MIMO模式，则控制所述开关断开，且控制所述第二信源输出端TX OUTPUT2直通、第二信宿接收端RX INPUT2直通，以使所述所述第一信宿接收端RX INPUT1和第二信宿接收端RX INPUT2能接收所述第一信源输出端TX OUTPUT1和第二信源输出端TX OUTPUT2发射的第一模拟调制信号，从而实现2收2发的MIMO模式。
在其中一些实施例中，所述进行自干扰消除，包括：
计算第一信源输出端TX OUTPUT1的时隙发射导频、第二信源输出端TX OUTPUT2的时隙发射导频和辅助发射射频链路91的输出端ATX的时隙发射导频；
计算所述第一信宿接收端RX INPUT1分别与所述第一信源输出端TX OUTPUT1、第二信源输出端TX OUTPUT2及辅助发射射频链路91的输出端ATX的第三信道响应估计值，且计算所述第二信宿接收端RX INPUT2分别与所述第一信源输出端TX OUTPUT1、第二信源输出端TX OUTPUT2及辅助发射射频链路91的输出端ATX的第四信道响应估计值；
使用第二预编码矩阵对所述第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行预编码；
基于所述时隙发射导频、第二预编码矩阵、第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行迭代，在所述第二预编码矩阵趋于稳定时，完成所述自干扰消除。
具体地，信号合并模块70在合并信号的时候，获得的信号为自干扰消除后的信号，在进行自干扰的时候，计算第一信源输出端TX OUTPUT1的时隙发射导频、第二信源输出端TX OUTPUT2的时隙发射导频和辅助发射射频链路91的输出端ATX的时隙发射导频；
计算所述第一信宿接收端RX INPUT1分别与所述第一信源输出端TX OUTPUT1、第二信源输出端TX OUTPUT2及辅助发射射频链路91的输出端ATX的第三信道响应估计值
，且计算所述第二信宿接收端RX INPUT2分别与所述第一信源输出端TXOUTPUT1、第二信源输出端TX OUTPUT2及辅助发射射频链路91的输出端ATX的第四信道响应估计值/>
；使用第二预编码矩阵对所述第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行预编码/>
。其中，通过公式3-5，计算出v1/v2/v3。
基于所述时隙发射导频、第二预编码矩阵、第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行迭代，在所述第二预编码矩阵
趋于稳定时，完成所述自干扰消除。可以参考公式6-8：
实现第二预编码矩阵
满足发收通道的幅相归一化，在第二预编码矩阵/>
趋于稳定时，完成所述自干扰消除，可应用于业务信道。
在其中一些实施方式中，所述模式切换模块50，还用于：
如果所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，则切换为全双工模式；
如果所述全双工模式的信道容量小于MIMO模式的信道容量，则切换为MIMO模式。
具体地，由于传统的MIMO模式自身具备多种模式，例如LTE标准定义了不同天线模式TM1-7，根据不同信道条件（CQI和移速）选择不同的天线模式，天线模式切换目前已较成熟，有许多对应方法，主要是基于信道反馈的RANK/PMI/CQI作为信道探测依据进行MIMO模式使用。这里不再赘述。MIMO模式和全双工模式之间切换时，如果所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，则切换为全双工模式；如果所述全双工模式的信道容量小于MIMO模式的信道容量，则切换为MIMO模式。
在其中一些实施方式中，模式切换模块50在切换MIMO模式或全双工模式的切换依据可以参考图3，图3是本申请支持全双工模式切换的MIMO收发器的切换流程示意图。
如图3所示，所述如果所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，则切换为全双工模式，包括：
周期性计算MIMO模式下的信干扰噪声比和信道秩值；
判断预设时长内，所述信道秩值的概率为满秩的概率是否大于预设概率门值；
如果否，则判断自干扰消除能力因子和所述信干扰噪声比是否满足预设收益信道条件；
如果满足，则确定所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，切换为全双工模式，否则，确定全双工模式的信道容量不大于MIMO模式的信道容量，并保持为MIMO模式。
首先，对全双工模式的信道容量和MIMO模式的信道容量进行推导。通过信道容量进行模式切换，可以有效保证链路频谱效率。
进一步地，令MIMO模式下的信干扰噪声比为SINR0,全双工模式下，由于发射机自干扰以及器件非线性导致信干扰噪声比为
，/>
。其中，α表示自干扰消除能力因子，如图1所示，所述自干扰消除能力因子基于所述信源模块10与所述信宿模块80的天线隔离度、信道估计精度及所述信源模块10的发射机功耗获得，通常可以在自干扰消除的导频序列、算法设计、收敛时间固定后经过实测得到设备的自干扰消除能力因子α的值。当α=1时，表示可以完美地进行自干扰消除；当α→0时，表示几乎没有任何自干扰消除能力。
如图1所示，设无线链路发射天线数为Nt=2，接收天线数为Nr=2。考虑到MIMO模式的信道为直射径信道环境，没有MIMO复用增益，仅有波束合成增益，令
为/>
的MIMO信道矩阵，将MIMO模式的信道等效分解为并行信道，秩为1，且/>
的归一化特征值s1用公式9表示：/>
其中，
表示归一化因子，在直射径环境下，MIMO模式的信道容量表示为CMIMO，利用公式10计算：
全双工模式的信道容量表示为CFD，用公式11计算：
考虑
时对应的/>
和/>
条件，通过化简后发现，当
时，此时总有/>
。当
时，若满足/>
有公式12表示：
即：
时，切换成全双工具有容量收益。
因此，综上推导，收发机在工作中切换成全双工模式的基本流程图如图3所示，流程为周期性计算MIMO模式下的信干扰噪声比SINR0和信道秩值；判断预设时长内，所述信道秩值
的概率为满秩min(Nt,Nr)的概率是否大于预设概率门值；如果所述信道秩值/>
的概率为满秩min(Nt,Nr)的概率不大于预设概率门值，则判断自干扰消除能力因子和所述信干扰噪声比是否满足预设收益信道条件；如果满足，则确定所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，切换为全双工模式，否则，确定全双工模式的信道容量不大于MIMO模式的信道容量，并保持为MIMO模式。即根据初始阶段自测所保留的自干扰消除能力因子α判断是否达到切换为全双工模式具有容量收益的信道条件，满足则将工作模式切换为全双工模式，不满足则保持MIMO模式。
可以理解的是，信干扰噪声比SINR0可以用CQI或者RSSI等常见值进行等效。
举例而言预设概率门值Thre=0.6。
如图5所示，图5给出了支持常用的调制所需要的的SINR区间里，切换的自干扰消除能力因子α的最小取值，在20DB时都接近0.1。这意味着全双工自干扰消除能力要达到
。若在低SINR区间能具有收益，则要求/>
。以20MHz带宽为例，当发射信号强度为0dBm时，此时底噪为/>
。也就是说，当残余自干扰消除到-91.5dBm量级时，则在SINR>20DB下切换全双工模式。当残余自干扰可以消除到-101dBm量级，则可以在SINR>5DB时就切换全双工模式。
本申请提出一种全双工模式和MIMO模式切换的收发器，定义全双工自干扰消除能力因子α，推导发现了在部分直射径的MIMO相关信道条件下，全双工模式相对MIMO模式确实具有提升信道容量的效果。
本申请的实施例，通过设置模式切换模块50，实现MIMO模式和全双工模式的切换，并且，发射预编码模块30根据不同的模式进行预编码，信号合并根据不同的模式进行信号合并，从而实现MIMO模式和全双工模式的切换，并且，在全双工模式下，可以实现自干扰消除。
本申请的支持全双工模式切换的MIMO收发器应用于某款宽带MIMO无线自组网电台产品时，如图6所示，图6是宽带MIMO mesh无线自组网电台的手持版结构示意图，该产品支持2发2收的MIMO模式。且该无线自组网采用修订的802.11n物理层帧结构实现室外环境的MIMO通信，MCS0-7增强为定制化的STBC。MCS8-15为双流空间复用模式。
分别使用Matlab定点平台和FPGA平台对该具体实施的接收机性能进行测试。信道模型选择为：3GPP_LTE_2x2_EPA_low_correlation。从MCS0到7在high_correlation和low_correlation信道下测试获得的结果统计如下表一所示。
表一
通过表一可以发现，在非相关MIMO信道下，单双流MIMO模式都可以支持。
当信道模型选择为3GPP_LTE_2x2_EPA_high_correlation时，统计单双流MIMO传输，当MCS<8的单流时，性能和原来几乎一样，没有明显下降。但是对双流MCS>8，则出现了性能明显下降。直到增加15DB，才可能译码成功。
因此，针对这些场景引入全双工模式，提升无线链路传输性能潜力，如下表二所示：
表二
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施例的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory, ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory, RAM)等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种支持全双工模式切换的MIMO收发器，其特征在于，包括：
信源模块，用于发射信息比特；
第一发射预处理模块，所述第一发射预处理模块的输入端与所述信源模块的输出端连接，用于对所述信息比特进行预处理，获得至少两路数字调制信号；
发射预编码模块，所述发射预编码模块的输入端与所述第一发射预处理模块的输出端、模式切换模块的输入端及第二发射预处理模块的输入端连接，用于根据所述模式切换模块的切换模式指令，将所述至少两路数字调制信号编码为与MIMO模式对应的第一模拟调制信号或与全双工模式对应的第二模拟调制信号；
第二发射预处理模块，用于对所述第一模拟调制信号或第二模拟调制信号进行模拟调制处理，获得第一模拟调制信号或第二模拟调制信号，并从第一信源输出端和/或第二信源输出端输出；
模式切换模块，用于将当前模式切换为MIMO模式或全双工模式；如果当前模式为全双工模式切换为MIMO模式，则所述第一信源输出端和第二信宿接收端直通，且所述模式切换模块导通第二信源输出端及第二信宿接收端，使得第一信宿接收端和第二信宿接收端能够接收到所述第一信源输出端和第二信源输出端输出的第一模拟调制信号；如果当前模式为MIMO模式切换为全双工模式，则所述第一信源输出端直通，使得所述第一信宿接收端能接收所述第一信源输出端输出的第二模拟调制信号，且所述模式切换模块导通第二信源输出端分别与所述第一信宿接收端及所述第二信宿接收端之间的连接，以进行全双工模式下的自干扰消除；
接收处理模块，与所述第一信宿接收端和第二信宿接收端连接，用于对所述第一信宿接收端接收的第一模拟调制信号及所述第二信宿接收端接收的第一模拟调制信号进行解调处理，获得第一解调信号及第二解调信号，或者对所述第一信宿接收端接收的第二模拟调制信号和/或第二信宿接收端接收的第二模拟调制信号进行模拟解调处理，获得第三解调信号或第四解调信号；
信号合并模块，用于根据所述MIMO模式合并所述第一解调信号及第二解调信号为第一合并信号，或者根据所述全双工模式合并所述第三解调信号和/或第四解调信号为第二合并信号；
信宿模块，用于接收所述第一合并信号或第二合并信号。
2.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述将所述至少两路数字调制信号预编码为与全双工模式对应的第二模拟调制信号，包括：
计算所述第一信源发射端到所述第一信宿接收端的第一信道响应，以及所述第二信源发射端到第一信宿接收端的第二信道响应；
计算所述第一信道响应的信道估计值和所述第二信道响应的信道估计值；
基于所述第一信道响应的信道估计值和所述第二信道响应的信道估计值，获得所述第二模拟调制信号。
3.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述发射预编码模块，还用于：
在初次切换为全双工模式时，对所述第一信宿接收端和第二信宿接收端进行自信道估计。
4.根据权利要求2所述的收发器，其特征在于，所述根据所述全双工模式合并所述第三解调信号和/或第四解调信号为第二合并信号，包括：
在所述当前模式为全双工模式时，使用第一导频序列对所述第三解调信号和/或第四解调信号进行自信道估计；
使用第一预编码矩阵对所述自信道估计的第三解调信号和/或第四解调信号进行加权；
基于所述第一预编码矩阵、所述第一导频序列及信道估计的第三解调信号和/或第四解调信号进行迭代；在所述第一预编码矩阵趋于稳定时，完成全双工模式下的自干扰消除，完成合并，获得第二合并信号。
5.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述第二信宿接收端设有开关电路，所述开关电路与所述模式切换电路连接；用于：
在当前模式为全双工模式时，如果所述开关电路由导通切换至断开所述第二信宿接收端，则所述全双工模式由二发二收的MIMO模式切换为一发一收全双工模式；
如果所述开关电路由断开切换至导通所述第二信宿接收端，则所述全双工模式切换为二发二收的MIMO模式。
6.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述MIMO收发器还包括辅助发射射频链路，所述辅助发射射频链路的输入端通过开关与所述发射预编码模块的输出端及所述模式切换模块的输出端连接，且辅助发射射频链路的输出端通过加法器连接第二信宿接收端；
所述模式切换模块，还用于如果当前模式为全双工模式切换为MIMO模式，则控制所述开关断开，且控制所述第二信源输出端直通、第二信宿接收端直通，以使所述第一信宿接收端和第二信宿接收端能接收所述第一信源输出端和第二信源输出端发射的第一模拟调制信号；
还用于如果当前模式为MIMO模式切换为全双工模式，则所述第一信源输出端、第一信宿接收端和第二信宿接收端直通，所述模式切换模块控制所述开关闭合，以使所述辅助发射射频链路的输出端连接所述第二信宿接收端，所述模式切换模块控制所述第二信源输出端与所述第一信宿接收端连接，以进行自干扰消除。
7.根据权利要求6所述的收发器，其特征在于，所述进行自干扰消除包括：
计算第一信源输出端的时隙发射导频、第二信源输出端的时隙发射导频和辅助发射射频链路的输出端的时隙发射导频；
计算所述第一信宿接收端分别与所述第一信源输出端、第二信源输出端及辅助发射射频链路的输出端的第三信道响应估计值，且计算所述第二信宿接收端分别与所述第一信源输出端、第二信源输出端及辅助发射射频链路的输出端的第四信道响应估计值；
使用第二预编码矩阵对所述第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行预编码；
基于所述时隙发射导频、第二预编码矩阵、第三信道响应估计值、第四信道响应估计值进行迭代，在所述第二预编码矩阵趋于稳定时，完成所述自干扰消除。
8.根据权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述模式切换模块，还用于：
如果所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，则切换为全双工模式；
如果所述全双工模式的信道容量小于MIMO模式的信道容量，则切换为MIMO模式。
9.根据权利要求8所述的收发器，其特征在于，所述如果所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，则切换为全双工模式，包括：
周期性计算MIMO模式下的信干扰噪声比和信道秩值；
判断预设时长内，所述信道秩值的概率为满秩的概率是否大于预设概率门值；
如果所述信道秩值的概率为满秩的概率不大于预设概率门值，则判断自干扰消除能力因子和所述信干扰噪声比是否满足预设收益信道条件；
如果满足，则确定所述全双工模式的信道容量大于MIMO模式的信道容量，切换为全双工模式，否则，确定全双工模式的信道容量不大于MIMO模式的信道容量，并保持为MIMO模式。
10.根据权利要求9所述的收发器，其特征在于，所述自干扰消除能力因子基于所述信源模块与所述信宿模块的天线隔离度、信道估计精度及所述信源模块的发射机功耗获得。
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