專利名稱：在多天線系統(tǒng)中處理射頻信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及多天線通信系統(tǒng)，并具體而言，本發(fā)明涉及在這種系統(tǒng)中處理通過空間相關(guān)信道發(fā)送的RF信號。
背景技術(shù)：
多天線系統(tǒng)正被廣泛認(rèn)為是用于顯著增加無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的帶寬效率的最可行的方法。在MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)中，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處都配置有多個天線。在MISO(多輸入單輸出)系統(tǒng)中，接收機(jī)只有一個天線，而有多個發(fā)送天線用于發(fā)送分集。在SIMO(單輸入多輸出)系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)只有一個天線，而在接收機(jī)一側(cè)使用多個天線。
如果給定了多個天線，則能夠利用信道的空間維度來提高無線鏈路的性能。通常所述性能根據(jù)應(yīng)用而被測量為所述無線鏈路能夠提供的平均比特率(bit/s)，或者被測量為平均誤碼率(BER)。
如果給定了一個多天線信道、雙工方法和傳輸帶寬，則能夠?qū)⑺龆嗵炀€系統(tǒng)分類為窄帶或?qū)拵?即所述信道在所述系統(tǒng)帶寬內(nèi)平坦或頻率選擇性衰落)，并具有全部或部分、或不具有信道狀態(tài)信息(CSI)。
多個天線提供了增強(qiáng)的性能。研究顯示能夠使用多個天線來提供空間分集，和/或增加信息理論容量(數(shù)量速率)，例如參見Vaughn和Anderson的“用于移動通信的信道、傳播和天線”(Channels，propagation，and antennas for mobile communications)，IEE出版社，2003年；Telatar等人的“多天線高斯信道的容量”(“Capacity ofMulti-Antenna Gaussian Channels”)，歐洲電信學(xué)報(EuropeanTrans.on Telecomm.)，第10卷，NO.6，第585-596頁，1999年11月-12月；Winters的“有關(guān)在瑞利衰落環(huán)境中具備分集的無線通信系統(tǒng)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“用于高數(shù)據(jù)速率無線通信的空間-時間編碼性能準(zhǔn)則和編碼結(jié)構(gòu)”(“Space-time Codes for HighData Rate Wireless CommunicationPerformance Criterion and CodeConstruction”)，IEEE信息理論學(xué)報，第44卷，第744-765頁，1999年3月。
但是，不利的是，利用多個RF鏈路的操作增加了復(fù)雜度和成本。能夠使用一種天線選擇技術(shù)來確定一個最佳的天線子集。當(dāng)減少所需RF鏈路的數(shù)量時，這樣仍然會產(chǎn)生改進(jìn)的性能，參見Molisch等人的“具備天線選擇的MIMO系統(tǒng)的容量”(“Capacity of MIMO Systemswith Antenna Selection”)，Proc.IEEE Intl.Comm.Conf.，第570-574頁，2001年，以及Gore等人的“利用空間-時間編碼的MIMO天線子集選擇”(“MIMO Antenna Subset Selection with Space-TimeCoding”)，IEEE信號處理學(xué)報，第50卷，NO.10，第2580-2588頁，2002年10月。
絕大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的天線選擇技術(shù)僅僅集中于在下變換和基帶處理之前選擇天線的一個子集。這種(空間)天線選擇技術(shù)在某些情況下工作非常好，即在以下情況下(i)所選擇的天線數(shù)量只稍微小于可用天線元的數(shù)量，以及(ii)MIMO信道是空間不相關(guān)的。
但是，在實(shí)際情況中，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線陣列的相關(guān)散射非常普遍。由于無線環(huán)境中的定向傳輸，根據(jù)在天線處的出射角和入射角，信號波形可高度地相關(guān)。
只在空間域中操作的現(xiàn)有技術(shù)天線選擇技術(shù)在處理這種相關(guān)時，其在性能方面具有嚴(yán)重的惡化。而且，即使是對于弱相關(guān)，當(dāng)所選擇天線的數(shù)量顯著小于可用天線的數(shù)量時，現(xiàn)有技術(shù)的天線也顯示出嚴(yán)重的性能損失。
所以，期望提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)中上述問題的RF信號處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在多天線通信系統(tǒng)中基于射頻和基帶聯(lián)合信號處理的天線子集選擇的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)被設(shè)計用于在相關(guān)和非相關(guān)信道中全分集發(fā)送或多路復(fù)用發(fā)送。
本發(fā)明在射頻(RF)鏈路中使用相移操作。所述操作能夠在發(fā)射機(jī)的天線選擇之后，或者在接收機(jī)的天線選擇之前，或者同時在上述兩種情況下執(zhí)行。


圖1是一個使用根據(jù)本發(fā)明的用于天線選擇的聯(lián)合RF/基帶信號處理的多天線系統(tǒng)的方框圖；和圖2和3是比較RF信號處理技術(shù)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了使用根據(jù)本發(fā)明的天線選擇方法的多天線系統(tǒng)100。在一個發(fā)射機(jī)1中，產(chǎn)生Lt個數(shù)據(jù)流101。這些數(shù)據(jù)流可以是通過空間-時間編碼器所獲得的，即在多路復(fù)用發(fā)送中的不同信號，或者是利用不同的加權(quán)編碼的，即在分集發(fā)送中的相同信號。所述信號流被調(diào)制110成通帶RF信號。一個選擇開關(guān)120將這些信號鏈接到與t個發(fā)送天線相關(guān)聯(lián)的t個分支121中的Lt個分支(t≥Lt)。在本發(fā)明中，在將它們送到t個發(fā)送天線之前，通過一個t×t矩陣算子Φ1對t個通帶分支121進(jìn)行變換130，并通過信道140傳送它們。
在一個接收機(jī)2，經(jīng)由信道140通過r個天線接收所述信號。通過一個r×r矩陣算子Φ2變換150所接收的信號，并選擇160所變換信號中的Lr個信號，這里L(fēng)r≤r。解調(diào)170并進(jìn)一步基帶處理180所選擇的信號161，以檢測所述數(shù)據(jù)流101。能夠在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中將t個開關(guān)中的Lt個輸出和t×t矩陣算子Φ1的級聯(lián)視為以及實(shí)現(xiàn)為t×Lt矩陣算子。
為了減少射頻的實(shí)現(xiàn)成本，矩陣算子的輸入項(xiàng)通常被限制在純粹的相移器而沒有功率放大器。還能夠例如使在另一鏈接端的相應(yīng)矩陣Φ2或Φ1為單位矩陣僅在發(fā)射機(jī)或者僅在接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)這些輸入項(xiàng)。
系統(tǒng)和信道模型為了描述本發(fā)明的操作原理，將使用眾所周知的信道模型，參見Shiu等人的“衰落相關(guān)及它對多單元天線系統(tǒng)容量的影響”(“FadingCorrelation and Its Effect on the Capacity of Multi-element AntennaSystems”)，IEEE通信學(xué)報，48欄，第502-513頁，2000年3月，Blcskei等人的“在相關(guān)瑞利衰落環(huán)境中空間-時間編碼的性能分析”(“Performance Analysis of Space-Time Codes in CorrelatedRayleigh Fading Environments”)，Proc.Asilomar Conf.Signals，Syst.Comput.，第687-693頁，2000年11月，Gore等人的“利用空間-時間編碼的MIMO天線子集選擇”(“MIMO Antenna Subset Selection withSpace-Time Coding”)，IEEE信號處理學(xué)報，第50卷，NO.10，第2580-2588頁，2002年10月。但是，我們注意到本發(fā)明并不取決于所述信道模型。
信道傳遞函數(shù)H的模型表示為H＝R1/2WT1/2(1)這里W是具有i.i.d復(fù)高斯輸入項(xiàng)～Nc(0，1)的瑞利衰落矩陣。相關(guān)矩陣R和T分別表示接收和發(fā)送相關(guān)。R和T的大小分別是r×r和t×t。該模型通常當(dāng)假設(shè)獨(dú)立的發(fā)送和接收相關(guān)時有效。
為了便于性能分析，我們引入了傳遞函數(shù)矩陣H的奇異值分解(SVD)H＝U∑V*，這里U和V分別是表示H的左和右奇異向量空間的單式矩陣；以及∑是由H的全部奇異值構(gòu)成的對角矩陣。為了方便起見，我們將λi(H)表示為矩陣H的第i最大奇異值，以及 (H)， (H)是相對于λi(H)來說H的左右奇異向量。這里我們使用‘*’來表示向量或矩陣的共軛轉(zhuǎn)置(這減少了用于一個標(biāo)量的復(fù)共軛)。
分集發(fā)送完全復(fù)雜性(FC)MRT/MRC方案通過一個線性方程2來表示具備分集發(fā)送的系統(tǒng)100。
x→(k)=Hv→s(k)+n→(k)---(2)]]>這里，s(k)∈C是發(fā)送流，x→(k)∈Cr]]>是復(fù)值接收機(jī)數(shù)據(jù)序列的采樣堆棧的子集?？偟陌l(fā)送功率限制為P。熱噪聲n→(k)∈Cr]]>是具有單獨(dú)實(shí)部和虛部以及方差σ2nIr的白i.i.d高斯隨機(jī)過程，以及 是滿足||v→||=1]]>的t維發(fā)射機(jī)加權(quán)向量。在所述接收機(jī)，利用復(fù)加權(quán) 加權(quán)并相加接收信號 以給出所發(fā)送符號流的軟估計。
如果沒有天線選擇，則通過在接收機(jī)利用系數(shù)向量 對全部r個觀測流執(zhí)行線性組合來估計信息流s(k)s^(k)=u→*Hv→s(k)+u→*n→(k).---(3)]]>在組合之后估計SNR為ϵ[|u→*Hv→s(k)]|2|u→*n→(k)|2=ρ|u→*Hv→|2|u→*|2.---(4)]]>這里，標(biāo)稱的SNR是ρ＝P/σ2n。為了最大化所估計的SNR，使用最大比率發(fā)送和最大比率組合，即， 是U(V)中對應(yīng)于最大奇異值λ1(H)的奇異向量。因此所得到的估計SNR是ρλ12(H)。
傳統(tǒng)的混合選擇(HS)MRT/MRC方法當(dāng)選擇和組合r個接收天線中的Lr個天線時，每個選擇選項(xiàng)對應(yīng)于所述傳遞函數(shù)上的一個Lr×r選擇矩陣，其中每個選擇選項(xiàng)從矩陣H的r行中提取與所選擇天線相關(guān)聯(lián)的Lr行。我們將Sr表示為全部這種選擇矩陣的集。同理，在發(fā)送端中能夠通過一個t×Lt矩陣表示從t個選擇中選出Lt個，并且通過St來表示發(fā)送選擇矩陣的集。對于任何選擇選項(xiàng)(S1∈St，S2∈Sr)來說，分別在Lt個發(fā)送和Lr個接收分支上經(jīng)由一種類似的MRT和MRC獲得一個最佳的SNRmaxu→∈CLrmax||v→||=1ρ||u→*S2HS1v→||2||u→||2=ρλ12(S2HS1).---(5)]]>所述HS-MRC方案在St和Sr的全部單元中選擇最佳的天線子集選擇矩陣(S1，S2)，這些矩陣最大化了上述估計的SNR
SNRHS=maxS2∈SrmaxS1∈Stρλ12(S2HS1).---(6)]]>基于FFT的方法(FFTS)為了應(yīng)對高度相關(guān)的MIMO信道，算子(Φt或Φr)450可以是以下形式的快速傅里葉變換矩陣 這里Wr＝2π/r。歸一化該矩陣以保持噪聲電平。在FFT之后在所選擇的分支上通過一個類似的MRT/MRC，最佳估計的SNR將是SNRFFTS=maxS2∈SrmaxS1∈Stρλ12(S2ΦrHΦtSt).---(7)]]>相移及選擇方法(PSS)在本發(fā)明中一種更為普遍的設(shè)計是在變換Φ1130(和/或Φ2150)中允許只有相移的輸入項(xiàng)。在這種情況下，所述變換矩陣130(150)以及所述選擇120(160)能夠被集成到一個具有只有相移的輸入項(xiàng)的t×Lt(或Lr×r)矩陣中。通過Ft(或Fr)表示全部這些發(fā)送(或接收)矩陣的集。在這種方法中，利用兩個相移矩陣F1∈Ft和F2∈Fr，對虛擬信道F2HF1執(zhí)行線性組合。如上所述，用于(F2，F(xiàn)1)的最佳選擇的SNR是SNRPSS=maxu→∈CLrmaxv→∈CLtmaxF1∈FtmaxF2∈Frρ||u→*F2HF1v→||2||u→*F2||2||F1v→||2.---(8)]]>當(dāng)Lr≥2以及Lt≥2時，能夠以一種封閉方式推導(dǎo)出方程(8)的最佳解。
將F2中的單元表示為[F2]m，n＝exp(jφm，n)以及將H的奇異向量表示為 F2中相位的最佳選擇是 這里，βmax=max1≤i≤rβi1]]>以及βmin=min1≤i≤rβi1.]]>F2的其他行能夠任意地設(shè)計。以一種相似的方式通過 代替 來推導(dǎo)出F1中的最佳相移器。通過這種選擇，PSS能夠?qū)崿F(xiàn)與FC-MRT/MRC相同的SNR。
當(dāng)Lr＝1或Lt＝1(或者同時都等于1)時，通常不會存在(8)的封閉式解；我們提供了一種很接近于(8)中最大值的次最佳解φ1i＝-r1。
(10)多路復(fù)用發(fā)送完全復(fù)雜性(FC)方案具備多路復(fù)用發(fā)送的系統(tǒng)100可表示為x→(k)=Hs→(k)+n→(k),---(11)]]>這里s(k)∈Ct現(xiàn)在是表示不同發(fā)送序列的t維向量。對信道和噪聲的假設(shè)與分集發(fā)送的情況相同。為了支持多路數(shù)據(jù)流，對于所述系統(tǒng)的容量來說，容量是一個重要的度量。
如果沒有天線選擇，則能夠使用一種“注水”功率分配來最大化原來的信道所支持的信息速率。原來系統(tǒng)的容量是CFC=Σi=1min(t,r)[log2ρtμλi2(H)]+,---(12)]]>這里定義[a]+是max(a，0)以及μ是滿足Σi=1min(t,r)[μ-tρλi2(H)]+=t]]>的常量。
傳統(tǒng)的混合選擇(HS)方法當(dāng)從t(r)個發(fā)送(接收)天線中選擇Lt(Lr)個天線時，傳統(tǒng)天線選擇方案所提供的最大容量是CHS=maxS1∈StmaxS2∈SrΣi=1k(S2HS1)[log2ρtμλi2(S2HS1)]+,---(13)]]>這里μ取決于(S1，S2)并滿足Σi=1min(Lt,Lr)[μ-tρλi2(S2HS1)]+=t.]]>基于FFT的方法(FFTS)與分集發(fā)送情況中的FFTS相類似，在RF鏈路中以及選擇開關(guān)中插入FFT矩陣。利用FFT的最佳選擇能夠傳送的容量是CFFTS=maxS1∈StmaxS2∈SrΣi=1min(Lt,Lr)[log2ρtμλi2(S2ΦrHΦtS1)]+,---(14)]]>限制條件是Σi=1min(Lt,Lr)[μ-tρλi2(S2ΦrHΦtS1)]+=t.]]>
相移和選擇方法(PSS)對于PSS方法，我們使用與上述相同的表示法CPSS=maxF1∈FtmaxF2∈FrΣi=1L[log2ρtμλi2(F2HF1)]+]]>部分CSI在只是部分估計所述信道的情況下，本發(fā)明提供了一種可替換的方法。在這種情況下，不知道瞬時的信道狀態(tài)，而是只知道在一段時間間隔上平均的信道狀態(tài)，例如典型地但不局限于，幾毫秒到幾百毫秒。這種情況典型地發(fā)生于頻分雙工系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)。
在上述情況下，變換的目的是以這樣的方式變換所述發(fā)送信號，使得平均而言在選擇處理之后信號具有優(yōu)良的特性，例如高容量。
上述方式所能夠獲得的預(yù)期值容量是E{CPSS}=maxF1∈FtmaxF2∈FrE{Σi=1L[log2ρtμλi2(F2HF1)]+}]]>所述容量的預(yù)期值是唯一一種可能的準(zhǔn)則。對于容量矩陣來說，其他準(zhǔn)則導(dǎo)致了不同的值。
本發(fā)明的效果圖2比較了上述四種方法的SNR增益，所述增益隨具有分集發(fā)送的天線間隔而變化。系統(tǒng)的參數(shù)是t＝8，r＝8，Lt＝1，Lr＝2。對于高度相關(guān)，即小的天線間隔來說，本發(fā)明的FFTS方法比傳統(tǒng)的HS-MRT/MRC方法具有明顯大的SNR增益。一般而言，不管信道的相關(guān)程度如何，本發(fā)明的PPS方法都能夠優(yōu)于兩種現(xiàn)有技術(shù)的選擇方法。實(shí)際上，利用兩個或更多的RF分支，所述PPS方法能夠獲得完全復(fù)雜性方法的SNR增益。
圖3顯示了用于多路復(fù)用發(fā)送的四種方法的5％故障容量。系統(tǒng)參數(shù)是t＝3，r＝8，Lt＝3，Lr＝3，ρ＝20dB。從圖中能夠得出一種相似的結(jié)論所述FFTS顯示出對于高度相關(guān)信道的性能提高，PPS對于強(qiáng)和弱相關(guān)來說工作很好。
使用具體術(shù)語和實(shí)例描述了本發(fā)明。應(yīng)該明白的是在本發(fā)明的原理和范圍內(nèi)可以作出各種其他適配和修改。因此，附屬權(quán)利要求書的目的在于覆蓋位于本發(fā)明原理和范圍內(nèi)的全部這些變型和修改。
權(quán)利要求
1.一種在多天線系統(tǒng)中處理RF信號的方法，包括在一發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生Lt個輸入數(shù)據(jù)流；將這Lt個加權(quán)的輸入數(shù)據(jù)流調(diào)制成RF信號；將所述RF信號切換到t≥Lt個RF分支；通過t×t矩陣乘法運(yùn)算Φ1對所述RF信號應(yīng)用相移變換，所述變換的輸出是t個RF信號；通過t個天線在一個信道上發(fā)送所述t個RF信號；在一接收機(jī)中通過r個天線接收所述發(fā)送信號；通過r×r矩陣乘法運(yùn)算Φ2對r個RF信號應(yīng)用相移變換；從r個流中選擇Lr個分支；解調(diào)所述Lr個信號流；以及基帶處理以恢復(fù)對應(yīng)于所述輸入數(shù)據(jù)流的輸出數(shù)據(jù)流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中Lt個輸入數(shù)據(jù)流中的每個數(shù)據(jù)流具有一個加權(quán)，所述方法進(jìn)一步包括在所述解調(diào)和解碼之前，對所述Lr個加權(quán)數(shù)據(jù)流進(jìn)行求和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過一個空間-時間塊編碼器產(chǎn)生所述Lt個輸入數(shù)據(jù)流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過一個空間-時間格編碼器產(chǎn)生所述Lt個輸入數(shù)據(jù)流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輸入數(shù)據(jù)流是空間-時間分層結(jié)構(gòu)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中t＝Lt，以及矩陣Φ1是一個單位矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中r＝Lr，以及矩陣Φ2是一個單位矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中矩陣Φ1的輸入項(xiàng)包括只有恒定系數(shù)相位的項(xiàng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中矩陣Φ2的輸入項(xiàng)包括只有恒定系數(shù)相位的項(xiàng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中矩陣Φ1和Φ2的輸入項(xiàng)包括只有恒定系數(shù)相位的項(xiàng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述只有相位的項(xiàng)適于對瞬時信道狀態(tài)進(jìn)行估計。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述只有相位的項(xiàng)適于對平均信道狀態(tài)進(jìn)行估計。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中矩陣Φ1是一個快速傅里葉變換矩陣。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中矩陣Φ2是一個快速傅里葉變換矩陣。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中矩陣Φ1和Φ2是快速傅里葉變換矩陣。
全文摘要
一種在多天線系統(tǒng)中通過在RF和基帶中聯(lián)合處理用于天線子集選擇的方法。在一發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生L
文檔編號H04B7/06GK1701555SQ20048000088
公開日2005年11月23日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者貢三元, 安德里亞斯·莫利施, 張新穎, 張錦云 申請人:三菱電機(jī)株式會社, 貢三元