[發(fā)明專利]一種自適應(yīng)天線選擇的MIMO系統(tǒng)及其應(yīng)用方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010162006.0
• 申請(qǐng)日: 2010-05-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101867402A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董可;廖學(xué)文;朱世華;任品毅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/06
• 分類號(hào): H04B7/06;H04B7/08;H04L1/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬(wàn)壽

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及一種MIMO系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，尤其是一種基于隨機(jī)優(yōu)化的自適應(yīng)天線選擇方法及其信號(hào)處理方法。

背景技術(shù)：

多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)的發(fā)射端或接收端或兩者通常具有多個(gè)天線以構(gòu)成天線陣列。利用空間復(fù)用或者發(fā)射分集，MIMO系統(tǒng)可以獲得信道容量的增益，提高系統(tǒng)的傳輸性能。因此，MIMO系統(tǒng)(或多天線系統(tǒng))成為未來(lái)高速通信系統(tǒng)的首選物理層結(jié)構(gòu)。60GHz通信系統(tǒng)，這一被認(rèn)為是能夠提供高達(dá)數(shù)Gbps傳輸速率的系統(tǒng)采用多天線陣列作為收發(fā)前端并不足為奇。致力于60GHz標(biāo)準(zhǔn)化的802.15工作組的一份提案中也將應(yīng)用較大規(guī)模的天線陣列(收發(fā)天線陣列各有32個(gè)單元天線)和波束賦形(beamforming)作為物理層的關(guān)鍵技術(shù)。

雖然大規(guī)模的天線陣列正在逐步的被應(yīng)用，但是通信系統(tǒng)收發(fā)端所需要的獨(dú)立射頻鏈路數(shù)目卻因?yàn)槌杀竞凸牡纫蛩氐南拗撇荒苋我獾碾S之增加。天線子陣列選擇技術(shù)從所有天線組合中選擇出一組最優(yōu)的天線子陣列，并將其與現(xiàn)有的射頻鏈路相連接。由于這種技術(shù)以較少數(shù)目的獨(dú)立射頻鏈路充分利用了規(guī)模較大的天線陣列，以較低的功耗和成本可以選擇關(guān)閉某些射頻鏈路或僅使用較少數(shù)目的天線進(jìn)行收發(fā)并且能夠獲得滿陣列增益而備受關(guān)注，因而成為降低系統(tǒng)復(fù)雜度和功耗的多天線系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)疑，這在60GHz大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中的意義更為突出。現(xiàn)有的MIMO系統(tǒng)中，所實(shí)現(xiàn)的天線選擇算法均假設(shè)收發(fā)射機(jī)之間的無(wú)線信道是已知的或者可以通過(guò)信道估計(jì)獲得，并在此基礎(chǔ)之上通過(guò)最優(yōu)化天線子陣列對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)(容量或者誤比特率性能)最終得到最優(yōu)的天線子陣列。然而，在應(yīng)用大規(guī)模天線陣列的60GHz通信系統(tǒng)中，考慮到信道矩陣是未知的，而且維數(shù)較大，準(zhǔn)確的得到龐大的信道矩陣的估計(jì)值是困難的。除此之外，現(xiàn)有的一些迭代算法在天線數(shù)目較小時(shí)可以使用，但是當(dāng)天線數(shù)目進(jìn)一步增大時(shí)，由于搜索空間巨大，實(shí)現(xiàn)的算法收斂性能很差，天線選擇的效率較為低下，使得MIMO系統(tǒng)天線陣列自適應(yīng)優(yōu)化的效率較低。

發(fā)明內(nèi)容：

針對(duì)鑒于上述現(xiàn)有天線子陣列選擇方法MIMO系統(tǒng)在60GHz、高速、大規(guī)模多天線應(yīng)用背景下系統(tǒng)中的不足，特別是天線子陣列的優(yōu)化算法依賴精確的信道估計(jì)結(jié)果否則難于獲得較好的性能，本發(fā)明旨在公開(kāi)一種自適應(yīng)天線選擇的MIMO系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，該MIMO系統(tǒng)所采用的了迭代反饋的結(jié)構(gòu)，利用60GHz信道的特點(diǎn)，根據(jù)接收端包含噪聲的標(biāo)量輸出而不是在無(wú)需精確的信道估計(jì)的條件下，利用60GHz信道的特點(diǎn)，從數(shù)目較大的天線集合中快速的選取一個(gè)最優(yōu)的天線子集，將其與射頻鏈路連接后采用波束成型的方法進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸，使得所選天線子陣列對(duì)應(yīng)的子信道在所定義的目標(biāo)函數(shù)意義下是最優(yōu)的。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種工作在60GHz信道條件下的大規(guī)模MIMO天線陣列系統(tǒng)及其天線子陣列的快速自適應(yīng)優(yōu)化方法和信號(hào)處理方法，解決現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)在上述應(yīng)用背景下天線優(yōu)化選擇效率較低的問(wèn)題，從而有效降低MIMO系統(tǒng)的功耗和成本，提高系統(tǒng)的魯棒性的快速天線選擇問(wèn)題。本發(fā)明包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和無(wú)線信道模型。

所述發(fā)射機(jī)(按信號(hào)流向)包含信源模塊、發(fā)端基帶處理模塊(包含編碼、交織、加擾、調(diào)制等)、發(fā)端波束成型器(乘法器)、多個(gè)并行的發(fā)端射頻鏈路(包含上變頻器、低噪放大器、線性濾波器等)、發(fā)端天線陣列及其轉(zhuǎn)接器、天線子陣列選擇發(fā)端子模塊。所述天線子陣列發(fā)端子模塊包含天線索引管理器以及開(kāi)關(guān)控制器。

所述接收機(jī)(按信號(hào)流向)包含接收天線陣列及其轉(zhuǎn)接器、收端射頻鏈路(包含變頻器、濾波器等)、收端波束成型器(乘法器)、收端基帶處理模塊(包含解調(diào)、解擾、解交織、解碼等)、收端合路器(加法器)、信宿以及天線子陣列選擇收端子模塊。所述天線子陣列收端子模塊包含天線索引管理器和開(kāi)關(guān)控制器模塊、目標(biāo)函數(shù)估算邏輯以及迭代更新控制模塊等。

所述無(wú)線信道為60GHz無(wú)線信道，其特征為一般具有較強(qiáng)的視距(line?of?sight，LOS)分量，通常數(shù)學(xué)模型用行列數(shù)等于收發(fā)天線的隨機(jī)矩陣H表示，其元素均為服從Rice分布的隨機(jī)變量。除此之外，在收發(fā)射機(jī)之間存在一條低速率、可靠的反饋鏈路，用于指導(dǎo)發(fā)端更新選擇結(jié)果。

所述發(fā)(收)端波束成型器利用多副天線將信號(hào)投影到由波束成型權(quán)值所構(gòu)成的子空間中進(jìn)行傳輸，減小了多路信號(hào)間的干擾，獲得了陣列(波束成型)增益。

在所述發(fā)(收)信機(jī)處，至少具有一個(gè)射頻鏈路模塊(包含混頻器、低噪放大器、濾波器等)。

所述收端合路器將各個(gè)接收天線所接收的信號(hào)按照收端波束成型權(quán)值加權(quán)求和后輸出。