CN1701555A - 在多天线系统中处理射频信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种在多天线系统中通过在RF和基带中联合处理用于天线子集选择的方法。在一发射机中产生L_t输入数据流用于分集发送或多路复用发送。这些数据流被调制成RF信号。将这些信号切换到与t个发送天线相关联的t个分支，并通过一个t×t矩阵乘法算子Φ₁对所述RF信号应用相移变换，变换输出是t≥L_t个RF信号。通过t个天线在一个信道上发送这些信号。在一接收机中通过r个天线接收所发送的信号。通过r×r矩阵乘法算子Φ₂对r个RF信号应用相移变换。解调并进一步基带处理这些被相移的流的L_r个分支，以恢复所述的输入数据流。

Description

在多天线系统中处理射频信号的方法

技术领域

本发明通常涉及多天线通信系统，并具体而言，本发明涉及在这种系统中处理通过空间相关信道发送的RF信号。

背景技术

多天线系统正被广泛认为是用于显著增加无线数据传输系统的带宽效率的最可行的方法。在MIMO(多输入多输出)系统中，在发射机和接收机处都配置有多个天线。在MISO(多输入单输出)系统中，接收机只有一个天线，而有多个发送天线用于发送分集。在SIMO(单输入多输出)系统中，发射机只有一个天线，而在接收机一侧使用多个天线。

如果给定了多个天线，则能够利用信道的空间维度来提高无线链路的性能。通常所述性能根据应用而被测量为所述无线链路能够提供的平均比特率(bit/s)，或者被测量为平均误码率(BER)。

如果给定了一个多天线信道、双工方法和传输带宽，则能够将所述多天线系统分类为窄带或宽带(即所述信道在所述系统带宽内平坦或频率选择性衰落)，并具有全部或部分、或不具有信道状态信息(CSI)。

多个天线提供了增强的性能。研究显示能够使用多个天线来提供空间分集，和/或增加信息理论容量(数量速率)，例如参见：Vaughn和Anderson的“用于移动通信的信道、传播和天线”(Channels，propagation，and antennas for mobile communications)，IEE出版社，2003年；Telatar等人的“多天线高斯信道的容量”(“Capacity ofMulti-Antenna Gaussian Channels”)，欧洲电信学报(EuropeanTrans.on Telecomm.)，第10卷，NO.6，第585-596页，1999年11月-12月；Winters的“有关在瑞利衰落环境中具备分集的无线通信系统的容量”(“On the Capacity of Radio Communication Systems withDiversity in Rayleigh Fading Environments”)，IEEE J.Selected AreasComm.，1987年；以及Tarokh等人的“用于高数据速率无线通信的空间-时间编码：性能准则和编码结构”(“Space-time Codes for HighData Rate Wireless Communication：Performance Criterion and CodeConstruction”)，IEEE信息理论学报，第44卷，第744-765页，1999年3月。

但是，不利的是，利用多个RF链路的操作增加了复杂度和成本。能够使用一种天线选择技术来确定一个最佳的天线子集。当减少所需RF链路的数量时，这样仍然会产生改进的性能，参见Molisch等人的“具备天线选择的MIMO系统的容量”(“Capacity of MIMO Systemswith Antenna Selection”)，Proc.IEEE Intl.Comm.Conf.，第570-574页，2001年，以及Gore等人的“利用空间-时间编码的MIMO天线子集选择”(“MIMO Antenna Subset Selection with Space-TimeCoding”)，IEEE信号处理学报，第50卷，NO.10，第2580-2588页，2002年10月。

绝大多数现有技术的天线选择技术仅仅集中于在下变换和基带处理之前选择天线的一个子集。这种(空间)天线选择技术在某些情况下工作非常好，即在以下情况下：(i)所选择的天线数量只稍微小于可用天线元的数量，以及(ii)MIMO信道是空间不相关的。

但是，在实际情况中，在发射机和接收机天线阵列的相关散射非常普遍。由于无线环境中的定向传输，根据在天线处的出射角和入射角，信号波形可高度地相关。

只在空间域中操作的现有技术天线选择技术在处理这种相关时，其在性能方面具有严重的恶化。而且，即使是对于弱相关，当所选择天线的数量显著小于可用天线的数量时，现有技术的天线也显示出严重的性能损失。

所以，期望提供一种克服现有技术中上述问题的RF信号处理技术。

发明内容

本发明提供了一种在多天线通信系统中基于射频和基带联合信号处理的天线子集选择的系统和方法。所述系统被设计用于在相关和非相关信道中全分集发送或多路复用发送。

本发明在射频(RF)链路中使用相移操作。所述操作能够在发射机的天线选择之后，或者在接收机的天线选择之前，或者同时在上述两种情况下执行。

附图说明

图1是一个使用根据本发明的用于天线选择的联合RF/基带信号处理的多天线系统的方框图；和

图2和3是比较RF信号处理技术的曲线图。

具体实施方式

图1示出了使用根据本发明的天线选择方法的多天线系统100。在一个发射机1中，产生L_t个数据流101。这些数据流可以是通过空间-时间编码器所获得的，即在多路复用发送中的不同信号，或者是利用不同的加权编码的，即在分集发送中的相同信号。所述信号流被调制110成通带RF信号。一个选择开关120将这些信号链接到与t个发送天线相关联的t个分支121中的L_t个分支(t≥L_t)。在本发明中，在将它们送到t个发送天线之前，通过一个t×t矩阵算子Φ₁对t个通带分支121进行变换130，并通过信道140传送它们。

在一个接收机2，经由信道140通过r个天线接收所述信号。通过一个r×r矩阵算子Φ₂变换150所接收的信号，并选择160所变换信号中的L_r个信号，这里L_r≤r。解调170并进一步基带处理180所选择的信号161，以检测所述数据流101。能够在发射机和接收机中将t个开关中的L_t个输出和t×t矩阵算子Φ₁的级联视为以及实现为t×L_t矩阵算子。

为了减少射频的实现成本，矩阵算子的输入项通常被限制在纯粹的相移器而没有功率放大器。还能够例如使在另一链接端的相应矩阵Φ₂或Φ₁为单位矩阵仅在发射机或者仅在接收机中实现这些输入项。

系统和信道模型

为了描述本发明的操作原理，将使用众所周知的信道模型，参见Shiu等人的“衰落相关及它对多单元天线系统容量的影响”(“FadingCorrelation and Its Effect on the Capacity of Multi-element AntennaSystems”)，IEEE通信学报，48栏，第502-513页，2000年3月，Blcskei等人的“在相关瑞利衰落环境中空间-时间编码的性能分析”(“Performance Analysis of Space-Time Codes in CorrelatedRayleigh Fading Environments”)，Proc.Asilomar Conf.Signals，Syst.Comput.，第687-693页，2000年11月，Gore等人的“利用空间-时间编码的MIMO天线子集选择”(“MIMO Antenna Subset Selection withSpace-Time Coding”)，IEEE信号处理学报，第50卷，NO.10，第2580-2588页，2002年10月。但是，我们注意到本发明并不取决于所述信道模型。

信道传递函数H的模型表示为：

H＝R^1/2WT^1/2                      (1)

这里W是具有i.i.d复高斯输入项～Nc(0，1)的瑞利衰落矩阵。相关矩阵R和T分别表示接收和发送相关。R和T的大小分别是r×r和t×t。该模型通常当假设独立的发送和接收相关时有效。

为了便于性能分析，我们引入了传递函数矩阵H的奇异值分解(SVD)：H＝U∑V^*，这里U和V分别是表示H的左和右奇异向量空间的单式矩阵；以及∑是由H的全部奇异值构成的对角矩阵。为了方便起见，我们将λ_i(H)表示为矩阵H的第i最大奇异值，以及

(H)， (H)是相对于λ_i(H)来说H的左右奇异向量。这里我们使用‘*’来表示向量或矩阵的共轭转置(这减少了用于一个标量的复共轭)。

分集发送

完全复杂性(FC)MRT/MRC方案

通过一个线性方程2来表示具备分集发送的系统100。

$\stackrel{\→}{x}\left(k\right)=H\stackrel{\→}{v}s\left(k\right)+\stackrel{\→}{n}\left(k\right)---\left(2\right)$

这里，s(k)∈C是发送流， $\stackrel{\→}{x}\left(k\right)\∈C^r$ 是复值接收机数据序列的采样堆栈的子集。总的发送功率限制为P。热噪声 $\stackrel{\→}{n}\left(k\right){\∈C}^r$ 是具有单独实部和虚部以及方差σ² _nI_r的白i.i.d高斯随机过程，以及

是满足 $\left|\right|\stackrel{\→}{v}\left|\right|=1$ 的t维发射机加权向量。在所述接收机，利用复加权

加权并相加接收信号 以给出所发送符号流的软估计。

如果没有天线选择，则通过在接收机利用系数向量

对全部r个观测流执行线性组合来估计信息流s(k)：

$\hat{s}\left(k\right)={\stackrel{\→}{u}}^{*}H\stackrel{\→}{v}s\left(k\right)+{\stackrel{\→}{u}}^{*}\stackrel{\→}{n}\left(k\right).---\left(3\right)$

在组合之后估计SNR为：

$\frac{\mathrm{\ϵ}{\left[\right|{\stackrel{\→}{u}}^{*}H\stackrel{\→}{v}s\left(k\right)\left]\right|}^2}{{\left|{\stackrel{\→}{u}}^{*}\stackrel{\→}{n}\left(k\right)\right|}^2}=\mathrm{\ρ}\frac{{\left|{\stackrel{\→}{u}}^{*}H\stackrel{\→}{v}\right|}^2}{{\left|{\stackrel{\→}{u}}^{*}\right|}^2}.---\left(4\right)$

这里，标称的SNR是ρ＝P/σ² _n。为了最大化所估计的SNR，使用最大比率发送和最大比率组合，即，

是U(V)中对应于最大奇异值λ₁(H)的奇异向量。因此所得到的估计SNR是ρλ₁ ²(H)。

传统的混合选择(HS)MRT/MRC方法

当选择和组合r个接收天线中的L_r个天线时，每个选择选项对应于所述传递函数上的一个L_r×r选择矩阵，其中每个选择选项从矩阵H的r行中提取与所选择天线相关联的L_r行。我们将S_r表示为全部这种选择矩阵的集。同理，在发送端中能够通过一个t×L_t矩阵表示从t个选择中选出L_t个，并且通过S_t来表示发送选择矩阵的集。对于任何选择选项(S₁∈S_t，S₂∈S_r)来说，分别在L_t个发送和L_r个接收分支上经由一种类似的MRT和MRC获得一个最佳的SNR：

$\underset{\stackrel{\→}{u}\∈C^{L_r}}{\max }\underset{\left|\right|\stackrel{\→}{v}\left|\right|=1}{\max }\mathrm{\ρ}\frac{{\left|\right|{\stackrel{\→}{u}}^{*}{S}_{2}H{S}_1\stackrel{\→}{v}\left|\right|}^2}{{\left|\right|\stackrel{\→}{u}\left|\right|}^2}=\mathrm{\ρ}{\mathrm{\λ}}_1^2\left(S_{2}H{S}_1\right).---\left(5\right)$

所述HS-MRC方案在S_t和S_r的全部单元中选择最佳的天线子集选择矩阵(S₁，S₂)，这些矩阵最大化了上述估计的SNR：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{HS}}=\underset{S_2\∈S_r}{\max }\underset{S_1\∈S_t}{\max }\mathrm{\ρ}{\mathrm{\λ}}_1^2\left(S_{2}H{S}_1\right).---\left(6\right)$

基于FFT的方法(FFTS)

为了应对高度相关的MIMO信道，算子(Φ_t或Φ_r)450可以是以下形式的快速傅里叶变换矩阵：

这里W_r＝2π/r。归一化该矩阵以保持噪声电平。在FFT之后在所选择的分支上通过一个类似的MRT/MRC，最佳估计的SNR将是：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{FFTS}}=\underset{S_2\∈S_r}{\max }\underset{S_1\∈S_t}{\max }\mathrm{\ρ}{\mathrm{\λ}}_1^2\left(S_2{\mathrm{\Φ}}_{r}H{\mathrm{\Φ}}_t{S}_t\right).---\left(7\right)$

相移及选择方法(PSS)

在本发明中一种更为普遍的设计是在变换Φ₁130(和/或Φ₂150)中允许只有相移的输入项。在这种情况下，所述变换矩阵130(150)以及所述选择120(160)能够被集成到一个具有只有相移的输入项的t×L_t(或L_r×r)矩阵中。通过F_t(或F_r)表示全部这些发送(或接收)矩阵的集。在这种方法中，利用两个相移矩阵F₁∈F_t和F₂∈F_r，对虚拟信道F₂HF₁执行线性组合。如上所述，用于(F₂，F₁)的最佳选择的SNR是：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{PSS}}=\underset{\stackrel{\→}{u}\∈C^{L_r}}{\max }\underset{\stackrel{\→}{v}\∈C^{L_t}}{\max }\underset{F_1\∈F_t}{\max }\underset{F_2\∈F_r}{\max }\mathrm{\ρ}\frac{{\left|\right|{\stackrel{\→}{u}}^{*}{F}_{2}H{F}_1\stackrel{\→}{v}\left|\right|}^2}{{\left|\right|{\stackrel{\→}{u}}^{*}{F}_2\left|\right|}^2{\left|\right|F_1\stackrel{\→}{v}\left|\right|}^2}.---\left(8\right)$

当L_r≥2以及L_t≥2时，能够以一种封闭方式推导出方程(8)的最佳解。

将F₂中的单元表示为[F₂]_m，n＝exp(jφ_m，n)以及将H的奇异向量表示为 F₂中相位的最佳选择是

这里， ${\mathrm{\β}}_{\max }=\underset{1\≤i\≤r}{\max }{\mathrm{\β}}_{i1}$ 以及 ${\mathrm{\β}}_{\min }=\underset{1\≤i\≤r}{\min }{\mathrm{\β}}_{i1}.$ F₂的其他行能够任意地设计。以一种相似的方式通过 代替

来推导出F₁中的最佳相移器。通过这种选择，PSS能够实现与FC-MRT/MRC相同的SNR。

当L_r＝1或L_t＝1(或者同时都等于1)时，通常不会存在(8)的封闭式解；我们提供了一种很接近于(8)中最大值的次最佳解：

φ_1i＝-_r1。                                       (10)

多路复用发送

完全复杂性(FC)方案

具备多路复用发送的系统100可表示为：

$\stackrel{\→}{x}\left(k\right)=H\stackrel{\→}{s}\left(k\right)+\stackrel{\→}{n}\left(k\right),---\left(11\right)$

这里s(k)∈C^t现在是表示不同发送序列的t维向量。对信道和噪声的假设与分集发送的情况相同。为了支持多路数据流，对于所述系统的容量来说，容量是一个重要的度量。

如果没有天线选择，则能够使用一种“注水”功率分配来最大化原来的信道所支持的信息速率。原来系统的容量是：

$C_{\mathrm{FC}}=\underset{i=1}{\overset{\min (t,r)}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\log }_2\frac{\mathrm{\ρ}}{t}{\mathrm{\μ\λ}}_i^2\left(H\right)\right]}^{+},---\left(12\right)$

这里定义[a]⁺是max(a，0)以及μ是满足 $\underset{i=1}{\overset{\min (t,r)}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\μ}-\frac{t}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\λ}}_i^2\left(H\right)}]}^{+}=t$ 的常量。

传统的混合选择(HS)方法

当从t(r)个发送(接收)天线中选择L_t(L_r)个天线时，传统天线选择方案所提供的最大容量是：

$C_{\mathrm{HS}}=\underset{S_1\∈S_t}{\max }\underset{S_2\∈S_r}{\max }\underset{i=1}{\overset{k\left(S_{2}H{S}_1\right)}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\log }_2\frac{\mathrm{\ρ}}{t}{\mathrm{\μ\λ}}_i^2\left(S_{2}H{S}_1\right)\right]}^{+},---\left(13\right)$

这里μ取决于(S₁，S₂)并满足 $\underset{i=1}{\overset{\min (L_t,L_r)}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\μ}-\frac{t}{{\mathrm{\ρ\λ}}_i^2\left(S_{2}H{S}_1\right)}]}^{+}=t.$

基于FFT的方法(FFTS)

与分集发送情况中的FFTS相类似，在RF链路中以及选择开关中插入FFT矩阵。利用FFT的最佳选择能够传送的容量是：

$C_{\mathrm{FFTS}}=\underset{S_1\∈S_t}{\max }\underset{S_2\∈S_r}{\max }\underset{i=1}{\overset{\min (L_t,L_r)}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\log }_2\frac{\mathrm{\ρ}}{t}{\mathrm{\μ\λ}}_i^2\left(S_2{\mathrm{\Φ}}_{r}H{\mathrm{\Φ}}_t{S}_1\right)\right]}^{+},---\left(14\right)$

限制条件是 $\underset{i=1}{\overset{\min (L_t,L_r)}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\μ}-\frac{t}{{\mathrm{\ρ\λ}}_i^2\left(S_2{\mathrm{\Φ}}_{r}H{\mathrm{\Φ}}_t{S}_1\right)}]}^{+}=t.$

相移和选择方法(PSS)

对于PSS方法，我们使用与上述相同的表示法：

$C_{\mathrm{PSS}}=\underset{F_1\∈F_t}{\max }\underset{F_2\∈F_r}{\max }\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\log }_2\frac{\mathrm{\ρ}}{t}{\mathrm{\μ\λ}}_i^2\left(F_{2}H{F}_1\right)\right]}^{+}$

部分CSI

在只是部分估计所述信道的情况下，本发明提供了一种可替换的方法。在这种情况下，不知道瞬时的信道状态，而是只知道在一段时间间隔上平均的信道状态，例如典型地但不局限于，几毫秒到几百毫秒。这种情况典型地发生于频分双工系统中的发射机。

在上述情况下，变换的目的是以这样的方式变换所述发送信号，使得平均而言在选择处理之后信号具有优良的特性，例如高容量。

上述方式所能够获得的预期值容量是：

$E\left\{C_{\mathrm{PSS}}\right\}=\underset{F_1\∈F_t}{\max }\underset{F_2\∈F_r}{\max }E\left\{\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\log }_2\frac{\mathrm{\ρ}}{t}{\mathrm{\μ\λ}}_i^2\left(F_{2}H{F}_1\right)\right]}^{+}\right\}$

所述容量的预期值是唯一一种可能的准则。对于容量矩阵来说，其他准则导致了不同的值。

本发明的效果

图2比较了上述四种方法的SNR增益，所述增益随具有分集发送的天线间隔而变化。系统的参数是t＝8，r＝8，L_t＝1，L_r＝2。对于高度相关，即小的天线间隔来说，本发明的FFTS方法比传统的HS-MRT/MRC方法具有明显大的SNR增益。一般而言，不管信道的相关程度如何，本发明的PPS方法都能够优于两种现有技术的选择方法。实际上，利用两个或更多的RF分支，所述PPS方法能够获得完全复杂性方法的SNR增益。

图3显示了用于多路复用发送的四种方法的5％故障容量。系统参数是t＝3，r＝8，L_t＝3，L_r＝3，ρ＝20dB。从图中能够得出一种相似的结论：所述FFTS显示出对于高度相关信道的性能提高，PPS对于强和弱相关来说工作很好。

使用具体术语和实例描述了本发明。应该明白的是在本发明的原理和范围内可以作出各种其他适配和修改。因此，附属权利要求书的目的在于覆盖位于本发明原理和范围内的全部这些变型和修改。

Claims (15)

1、一种在多天线系统中处理RF信号的方法，包括：

在一发射机中产生L_t个输入数据流；

将这L_t个加权的输入数据流调制成RF信号；

将所述RF信号切换到t≥L_t个RF分支；

通过t×t矩阵乘法运算Φ₁对所述RF信号应用相移变换，所述变换的输出是t个RF信号；

通过t个天线在一个信道上发送所述t个RF信号；

在一接收机中通过r个天线接收所述发送信号；

通过r×r矩阵乘法运算Φ₂对r个RF信号应用相移变换；

从r个流中选择L_r个分支；

解调所述L_r个信号流；以及

基带处理以恢复对应于所述输入数据流的输出数据流。

2、根据权利要求1所述的方法，其中L_t个输入数据流中的每个数据流具有一个加权，所述方法进一步包括：

在所述解调和解码之前，对所述L_r个加权数据流进行求和。

3、根据权利要求1所述的方法，其中通过一个空间-时间块编码器产生所述L_t个输入数据流。

4、根据权利要求1所述的方法，其中通过一个空间-时间格编码器产生所述L_t个输入数据流。

5、根据权利要求1所述的方法，其中所述输入数据流是空间-时间分层结构的。

6、根据权利要求1所述的方法，其中t＝L_t，以及矩阵Φ₁是一个单位矩阵。

7、根据权利要求1所述的方法，其中r＝L_r，以及矩阵Φ₂是一个单位矩阵。

8、根据权利要求1所述的方法，其中矩阵Φ₁的输入项包括只有恒定系数相位的项。

9、根据权利要求1所述的方法，其中矩阵Φ₂的输入项包括只有恒定系数相位的项。

10、根据权利要求1所述的方法，其中矩阵Φ₁和Φ₂的输入项包括只有恒定系数相位的项。

11、根据权利要求8所述的方法，其中所述只有相位的项适于对瞬时信道状态进行估计。

12、根据权利要求8所述的方法，其中所述只有相位的项适于对平均信道状态进行估计。

13、根据权利要求1所述的方法，其中矩阵Φ₁是一个快速傅里叶变换矩阵。

14、根据权利要求1所述的方法，其中矩阵Φ₂是一个快速傅里叶变换矩阵。

15、根据权利要求1所述的方法，其中矩阵Φ₁和Φ₂是快速傅里叶变换矩阵。

Images