一种降低MIMO多通道相位噪声影响的信号收发方法技术

本发明专利技术公开了一种降低MIMO多通道相位噪声影响的信号收发方法。本发明专利技术的信号收发过程主要针对各通道相位噪声的差异化部分进行优化。在存在多通道相位噪声的MIMO系统中，信号收发过程根据相位噪声的统计特性，与高斯白噪声进行联合抑制优化。本发明专利技术可以改善系统性能，进而可以提高通信容量。本发明专利技术技术方案可以显著降低相位噪声的影响，同时实现对白噪声的更好抑制。的更好抑制。的更好抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种降低MIMO多通道相位噪声影响的信号收发方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output，MIMO)系统信号收发技术，尤其涉及一种可以降低MIMO多通道相位噪声影响的信号收发方法。

技术介绍

[0002]随着第五/第六代移动通信技术(5G/6G)的发展，对传输容量的需求不断提升。在频谱资源受限的情况下，MIMO技术通过在发送端和接收端使用多根天线，在收发之间构建多个信道实现并行传输，可以成倍提升通信容量。MIMO技术在无线通信领域的众多场景都得到了广泛关注和应用，例如无线接入网、无线承载网等。
[0003]为了实现通信容量的最佳提升，MIMO系统在理论上要求发送端和接收端的各天线间距均应满足如式(1)所示的瑞利距离要求，其中c＝3
×
108m/s为光速，l为收发之间的通信距离，f
c
为载波频率。在实际情况下，理想的天线间距很难得到满足，特别是在传输距离较远的环境下，理想天线间距过大，对安装环境和成本都形成极大挑战。例如，在15GHz频段传输10Km，理想的天线间距达10m，无法进行高效部署和调试。
[0004][0005]当天线间距小于瑞利距离时，一般需要在发送端对各通路信号进行预编码，并在接收端执行相应的均衡与信号解调，可以显著提高MIMO的通信容量，从而改善因难以实现理想天线间距所带来的不利影响。
[0006]考虑发送和接收天线数均为N，信号通路数也即为N，在没有预编码的情况下，接收信号模型如式(2)所示。其中，r、x、n均为N
×
1矢量，分别代表某一时刻的接收信号、发送信号、噪声(时间索引已经略去)，H为N
×
N矩阵，代表信道响应。通过在接收端采用迫零(Zero Forcing，ZF)或最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)等均衡方法，可以直接从r中得到发送信号x，但在天线间距小于瑞利距离时，H的条件数较大，ZF或MMSE均衡之后可能显著放大噪声，解调过程对应的均方误差(Mean Square Error，MSE)性能较差，从而制约了MIMO系统的通信容量。
[0007]r＝Hx+n
ꢀꢀꢀ
(2)
[0008]基于预编码的信号收发过程通过在发送端对信号进行一定预处理，使接收端在不必显著放大噪声的前提下均衡并解调出发送信号。现有技术中，基于预编码的实现方案直接通过信道响应矩阵H的分解完成，即将H分解为式(3)所示的结构。其中，Q和P均为N
×
N的酉矩阵，即Q
H
Q＝QQ
H
＝I且P
H
P＝PP
H
＝I，这里上标H代表矩阵的共扼转置，I为N
×
N单位矩阵。当对H执行奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)时，R为对角矩阵；当对H执行几何均值分解(Geometric Mean Decomposition，GMD)时，R为对角线元素相同的上三角矩阵。
[0009]H＝QRP
H
ꢀꢀꢀ
(3)
[0010]基于式(3)所示的信道矩阵分解，选取P为预编码矩阵，Q
H
为接收端均衡矩阵，得到的信号形式如式(4)所示。由于P是酉矩阵，预编码过程不会改变发送信号功率，而由于Q是酉矩阵，在各通路噪声独立同分布时，接收端的均衡过程也不会改变噪声的功率及分布特性，即n
′
与n具有相同的分布特性。对于SVD分解，得到的信号y的各通路已经解耦，直接对每个分量分别进行解调即可；对于GMD分解，可以采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)或球型译码依次解调得到各通路信号分量。
[0011]y＝Q
H
HPx+Q
H
n＝Rx+n
′ꢀꢀꢀ
(4)
[0012]采用SVD预编码的同时对发送端各通路进行功率注水，可以在理论上获得最大容量，但在实际系统中各通路的功率通常是固定的，不便于灵活地将信号功率从一个通路调整至另一个通路。从算法实现上，基于SVD分解对应的解调过程比GMD分解下简单，但SVD分解下R的对角线元素差异较大，相应各通路的MSE差异比较显著，这就需要对不同通路配置不同的编码调制模式，加大了系统的实现难度；与此同时，在SVD分解下，可能出现某些通路的MSE过高而不能得到合理利用(对应的调制阶数超过常用的调制模式，例如4096/8192QAM以上)，而另一些通路的MSE由于过低不能用于传输有效信息，这将造成可获得有效的通信容量并不高。GMD分解下由于R的对角线元素相同，理论上各通路的MSE相同，在多种场景下相对SVD分解具有更强的应用价值。
[0013]现有SVD、GMD矩阵分解下对应的信号收发方法在只考虑加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)情况下可以保证较优性能，在传统低频通信系统中，高斯白噪声是噪声的主要部分，现有方法适用性较强。然而，随着低频段频率资源日益紧缺，通信频点逐渐迈向微波毫米波等高频段，例如K波段、Ka波段、E波段甚至D波段等等，在这些高频系统中，由于本振的非理想特性，不可避免地会出现相位噪声，成为高斯白噪声之外另一种影响系统性能的随机噪声。在MIMO系统中的收发两端，各个通路都存在相位噪声，包含公共部分和差异化部分，公共相位噪声可采用锁相环等方式进行补偿，而差异化部分无法通过简单的相位校正算法进行补偿，严重影响MIMO通信系统的性能。现有MIMO信号收发方法没有针对相位噪声特别是没有针对难以补偿的相位噪声差异化部分进行优化，不具备抗相噪能力，会使得信号解调过程的MSE性能仍然较差，从而对通信容量的改进能力十分有限。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种降低MIMO多通道相位噪声影响的信号收发方法。本专利技术的技术方案如下：
[0015]本专利技术提供了一种降低MIMO多通道相位噪声影响的信号收发方法，其包括如下步骤：
[0016]1)根据信道响应矩阵H、接收端和发送端各通道相位噪声间的自相关矩阵和高斯白噪声功率计算得到整体噪声的自相关矩阵C
zz
；
[0017]其中，代表求期望，
⊙
代表矩阵对应元素相乘，I为单位矩阵，上标H代表矩阵的共扼转置，Λ(
·
)表示以对应矢量作为对角线元素构建对角矩阵，z为总的噪声分量；
[0018]2)通过对执行Cholesky分解，得到矩阵L；
[0019]3)通过对L执行SVD或GMD分解，得到预编码矩阵P和解调矩阵B；
[0020]4)计算得到均衡矩阵W；
[0021]5)根据得到的预编码矩阵P、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低MIMO多通道相位噪声影响的信号收发方法，其特征在于，包括如下步骤：1)通过参数估计得到信道响应矩阵H、接收端和发送端各通道相位噪声间的自相关矩阵和高斯白噪声功率按下式计算得到整体噪声的自相关矩阵C
zz
；其中，代表求期望，
⊙
代表矩阵对应元素相乘，I为单位矩阵，上标H代表矩阵的共扼转置，Λ(
·
)表示以对应矢量作为对角线元素构建对角矩阵，z为总的噪声分量；2)通过对执行Cholesky分解，得到关键矩阵L，公式如下：3)通过对关键L执行SVD或GMD分解，得到预编码矩阵P和解调矩阵B，公式如下：其中，和为酉矩阵，为对角线归一化后的上三角矩阵，U是为实现对角线归一化的对角矩阵；设置4)按下式计算得到均衡矩阵W；其中，为发送信号与接收信号之间的互相...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昌明，许乙付，罗喜伶，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：