空时信道优化mimo无线传输系统发射端及处理方法
【专利摘要】本发明涉及通信技术。本发明是要显著提高MIMO系统的数据传输率、系统容量及频谱效率，提供了一种空时信道优化MIMO无线传输系统发射端及处理方法，其技术方案可概括为：空时信道优化MIMO无线传输系统发射端，包括多路信号发射端、多个虚拟信道向量模块、反馈信息接收端及空时优化模块，每一个虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每一个信号输入端仅对应一个虚拟信道向量模块，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一路信号发射端一一对应连接，反馈信息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟信道向量模块连接，空时优化模块与每一个信号输入端连接。本发明的有益效果是，提高数据传输率，适用于MIMO系统。
【专利说明】
空时信道优化MI MO无线传输系统发射端及处理方法
技术领域
[0001] 本发明设及通信技术，特别设及MIMO无线传输技术。
【背景技术】
[0002] MIMO(多输入多输出）技术利用发射端与接收端的多天线的不同空间位置所形成 的无线信道并行传输多路数据流，能明显提高无线通信系统的数据传输率及系统容量，是 现代无线通信技术的一个重要的发展方向，具有广泛的应用前景。
[0003] 现有MIMO系统的系统框图参见图1，其发射端具有Nt路输入基带数据流xi(t)，X2 (t)，...，?W及NT根发射天线(NT=l，2，…），Xm(t)G{±リ（m=l，2，...，化）；每路数据流 xm(t)经射频调制后，变为高频信号，再进行放大后由相应的天线Ant.m(m=l，2,…，Nt)发射 出去;接收端配置Lr根接收天线(Lr= 1，2，…），每根天线的射频信号经放大及解调器后得到 基带信号;信号检测及处理模块对来自不同天线的Lr路基带信号进行优化合并、检测、判决 等处理，最后得到化路输出数据流yi(t)，y2(t)，. . .，.VwT(〇，ym(t)G (±l}(m=l，2,...， 化），ym(t)是发射端输入数据流Xm(t)的估计值％的，即乂 "的=4货。通常情况下，Lr>化。
[0004] 设him表示第1根接收天线到第m根发射天线之间的空间无线信道，则第1根接收天 线上的信号为：
[00 化]
辉=1，2，...，4)
[0006] 其中，ni(t)为第1根接收天线的高斯白噪声。为了检测出某路数据流xi(t)，可在接 收端采用最大信噪比合并方法，则其计算公式为：
[0007]
(,' = 1. 2,
[OOW 设Qd(.)为判决函数，Qd( .) G {± U。贝贿：[0012]
[000引在接收端可估计出信道him,然后据此将各个接收天线的信号合并得到判决变量， 即： \
[0009] /
[0010]
[001：3]运里，ReU表示取实数操作。疋〇〇幻成|2代表有用信号分量； /与1
[0014]
J代表来自其它数据流的干扰及各接收天线 的噪声，只要将运些干扰及噪声控制在一定的范围内，接收端就可W正确地检测出各个发 送的数据流。
[0015] 在现有MIMO系统中，发射端在同一频段采用多天线同时传输多路信号或数据流， 可W提高数据传输率，或增加系统容量。一个NXN(N根发射天线及N根接收天线)MIMO系统 最多能提高数据传输率N倍，或增加系统容量N倍。而数据传输率提高得越多或系统容量增 加得越多，天线的数量就会增加越多。但在实际应用中，天线数量的增加往往又受到成本、 空间尺度等因素的制约，因而限制系统性能的提高程度，即相对于额外天线数量的增加、元 器件及成本的投入，所获得的数据传输率、系统容量或性能的提升十分有限，并不理想，运 是现有技术方案存在的一个缺点。另外，无线信道间往往存在着的相关性，信道的相关性会 明显削弱MIMO系统的性能，使其潜在优势难W发挥，运是现有技术方案的另一个缺点。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的是要显著提高MIMO系统的数据传输率、系统容量及频谱效率，并优 化传输信道，提高系统性能，提供一种空时信道优化MIMO无线传输系统发射端及处理方法。
[0017] 本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，空时信道优化MIMO无线传输系统发 射端，包括多路信号发射端，每一路信号发射端包括一个调制滤波放大模块及一根发射天 线，其特征在于，还包括多个虚拟信道向量模块、反馈信息接收端及空时优化模块，每一个 虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每一个信号输入端仅对应一个虚拟信道向量 模块，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一路信号发射端一一对应连接，所述反馈信 息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟信道向量模块连接，空时优化 模块与每一个信号输入端连接；
[0018] 所述虚拟信道向量模块用于根据设置的复加权值对与其连接的每一个信号输入 端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给对应 的信号发射端；
[0019] 所述反馈信息接收端用于接收由系统接收端发送来的反馈信息，并传输给空时优 化模块；
[0020] 所述空时优化模块用于根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟 信道向量模块中各复加权值，并对其进行设置。
[0021 ]具体的，所述虚拟信道向量模块包括与信号输入端数量相对应的复加权模块及一 个加法器，每一个复加权模块的输入端都分别与一个信号输入端一一对应连接，每一个复 加权模块的输出端都分别与加法器的一个输入端一一对应连接，每一个加法器的输出端作 为该虚拟信道向量模块的输出端与一个信号发射端一一对应连接，空时优化模块分别与每 一个复加权模块连接。
[0022] 进一步的，所述每一个信号输入端输入的基带信号都不相同；或者一些信号输入 端输入的基带信号相同，另一些信号输入端输入的基带信号不同。
[0023] 具体的，所述每个虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量可W相同，也可 W不同。
[0024] 再进一步的，所述反馈信息中包含信道识别及系统状态信息。
[0025] 具体的，所述信道识别及系统状态信息包括信噪比、误码率、误差值及信道估计 值。
[0026] 空时信道优化MIMO无线传输系统发射端的处理方法，应用于上述空时信道优化 MIMO无线传输系统发射端，其特征在于，包括W下步骤：
[0027] A、信号输入端接收到输入的基带信号，将该基带信号传送给其对应的虚拟信道向 量模块；
[0028] B、每一个虚拟信道向量模块根据设置的复加权值对与其连接的每一个信号输入 端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给对应 的信号发射端进行发送；
[0029] C、反馈信息接收端实时接收由系统接收端发送来的反馈信息，并传输给空时优化 模块，空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道向量模块 中各复加权值，并对其进行设置，回到步骤B。
[0030] 具体的，步骤B中，第m个虚拟信道向量模块所输出的信号为
[0031]
[0032] 其中，向量Wm表示第m个虚拟信道向量，包括Nm个虚拟信道Wmn,表示为：
2,…，/V/')，Wmn表示每个基带输入信号Xmn(t)所对应的虚拟 信道，具体为：W胃，Xmn(t)为复数信号，Nt为发射天线数量，也为输入信号向量的
数量，Nm指代第m个虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量，n=l，2,……，Nm，Xmn(t) 是指第111个虚拟信道向量模块中第11个信号输入庶^*盆入6句^强^*盆入/吉旦^量义。(*)是指第111 个虚拟信道向量模块的输入信号向量，表示为
[0033] 进一步的，步骤C中，所述空时优化模块根据接收到的反馈信恳米用空时优化算法 计算出各虚拟信道向量模块中各复加权值的方法为：
[0034] 空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道向量 模块中各复加权值，其计算公式为
[0035] 其中I|3复加权向量巧也称为系统虚拟信
道向量，表示为： I，向量Wm表示第m个虚拟信道向量，包括Nm个 虚拟信道Wmn，表； （"?=1，2,…，A；V)，Wmn表不每个基带输入信号 Xmn(t)所对应的虚拟信道，具体为:W,,"，=A，,，^KNt为发射天线数量，也为输入信号向量的 数量，Nm指代第m个虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量，n=l，2,……，Nm，Xmn(t) 是指第m个虚拟信道向量模块中第n个信号输入端输入的基带输入信号；
[0036] 是对应于矩阵R的最大特征值的特征向量，且Il乐=1，
[0037] ；
[00；3 引
[0039] 其中，Rij = E[Xi(t)Xj(t)H]是一个NiXNj 输入相关矩阵，i = l，2，...，NtJ = I，2，...， 化；
[0040] 向量Xm(t)是指第m个虚拟信道向量模块的输入信号向量，其包括Nm个基带输入信号
Xmn( t )(n = 0,l,...,Nm), Xmn( t )为夏数 f曰亏，赛 ！-'1, .2, 斯，);所有输入信号向量组成系统发射信号向j ,
[0041] Au = E比1?]是一个标量，系统的空间无线信道矩阵表示为
[0042]
[0043] H可W简化表示为
him表示第1根 接收天线到第m根发射天线之间的空间无线信道，1 = 1，2，…，Lr，Lr为接收天线数量。
[0044] 具体的，步骤C中，所述空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计 算出各虚拟信道向量模块中各复加权值的方法可W为采用粒子群算法捜索全局最优系统 虚拟信道向量，其中，
[0045] 设发射天线数量为化，也为输入信号向量的数量，接收天线数量为Lr, W为系统虚拟 信道向量，表示为：W= w/w/ ，运里，向量Wm表示第m个虚拟信道向量，包括Nm 个虚拟信道Wmn，表示为：W。, =L%i, …，佩^」，如=1，2, .... . iVr)，Wmn表示每个基带输入 信号Xmn(t)所对应的虚拟信道，具体为:W&。=為y6"。,Nm指代第m个虚拟信道向量模块所对 应的信号输入端的数量，n = l，2,……，Nm，Xmn(t)是指第m个虚拟信道向量模块中第n个信号 输入端输入的基带输入信号，向量X"(t)是指第m个虚拟信道向量模块的输入信号向量，其 包括Nm个基带输入信号Xmn(t) (n = 0,1，…，Nm)，Xmn(t)为复数信号，表示为
[0046] 设粒子个数为Se,并将空时信道优化MIMO无线传输系统发射端的每个系统虚拟信 道向量作为一个粒子的位置；
[0047] 在第k次迭代时刻，第S个粒子位置，即第S个系统虚拟信道向量表示为
(尸1，2,…，Se;,m=1，2,…，斯)是第S个粒子位置中的第m个虚拟信道向量；
[004引在第k次迭代时刻，第S个粒子的移动速度表示为：
[0049]
其中，
1，…，诉)是虚拟信道向量W^f脚的相应移动速度；
[0050] 4
(s=l,,2，...，馬)表示在第k次迭代时 刻，第S个粒子迄今为止捜索到的个体最优位置，其中，P!:' (A) = k!;/(A )，姑(A')，? ??，觀。(《')了，(~=1， 2, ...，iVr)是第S个粒子个体最优位置中的第m个虚拟信道向量；
[0化1] 令
表示在第k次迭代时刻，整个粒子群迄今为止 捜索到的全局最优位置，其中：
全 局最优位置中的第m个虚拟信道向量；
[0化2]令参考信号在每个数据帖中占用一个时隙，用
表示参考信号向量，其中XRm(t)是对应于输入信号向量xm(t)的第m个参考信号向量，将参考 信号向量在wW(k)作用条件下的估计值表示为其相应的误差表示为…W， 同理，在w(s>化)作用条件下的误码率邸R表示为气、,、,"、；
[0053] 因此，采用粒子群算法捜索全局最优系统虚拟信道向量的具体步骤如下：
[0054] 步骤1、在空时信道优化MIMO无线传输系统发射端，根据实际通信环境设置常数： (31，。2刀^2,61，62,4,8也，￥。1。，￥。3。其中，(31和。2是学习因子，其使粒子具有自我总结和向 群体中优秀个体学习的能力，从而向自己的历史最优点W及群体内历史最优点靠近;ri和n 是[0，1]之间的随机数;El与E2是根据实际通信环境设置的较小的常数;A是初始惯性权重;B 是惯性权重的更新系数;Gt是虚拟信道增益约束常数;Vmin和Vmax分别是粒子移动的最小速 度和最大速度，对粒子的速度范围进行限制；
[0055] 步骤2、在空时信道优化MIMO无线传输系统发射端，设置k = 0,随机初始化每个粒 子的位置和移动速度，分别得i
]
知=1，2,…，馬)，采用得到的每一个W^(O),分时 隙发送一个参考信号序列XR(t)，一共Se个不同时隙，每个时隙采用一个不同的位置向量 (0)(s = 1，2，...，Se);
[0056] 步骤3、在系统接收端检测参考信号，得到Se个参考信号的向量估计值，即 的护1，2，...，然后用不同的位置向量W^(O)计算误差：
[0057]
或者计算j
[005引将其作为反馈信号，发送每一个剧空时信道优化MIMO无线传 输系统发射端；
[0059] 步骤4、在空时信道优化MIMO无线传输系统发射端设置最佳个体位置:P^(O)=W W(〇)(s = l，2,…，Se),在所有反馈信号中找出最小反馈信号值，设相应于最小反馈信号值 的粒子位置是W^(O)，则最佳全局位置为b(0) =W^(O);
[0060] 步骤5、在空时信道优化MIMO无线传输系统发射端更新惯性权重:a = B化+1)+A，对 每一个粒子，计算其速度及位置向量如下：
[006。 v(s)(k+l)=av(s)化）+cm[p(s)(k)-w(s)化）]+c 化 2[b(k)-w(s)化）]
[0062] wb)(k+l)=w(s)(k)+v(s)化+1)
[006；3]其中，S=I，2,…，Se,向量yW化+1)中每一个元素值的范围为[Vmin ,Vmax]，另外，限 制发射功莖，
[0064
[0065] 然后，在不同的时隙发送参考信号到系统接收端，一共Se个时隙，每一个时隙采用 不同的位置向量W(S)化+1)(S = I，2，。'，Se);
[0066] 步骤6、在系统接收端检测参考信号，得到Se个参考信号的向量估计值，即 *?>、，。心1>(〇护1，2，...，式），然后，用不同的位置向量巧^化+1)计算误差：
[0067]
或者计算8E巧、、'…化+1)知=1，2，..,.，&)，
[00側然后将其作为反馈信号，发送每一个esV'>(A-_+i)或度(尸1，2,…，&域 空时信道优化MIMO无线传输系统发射端；
[0069] 步骤7、在空时信道优化MIMO无线传输系统发射端根据反馈信号进行最佳个体位 置更新，如果e比咕或者及邸W…如巧靴护1，义.'.，馬），则pW (k+1 )=w(s)(k+l);否则，Pb)(k+1) =P(S)A);
[0070] 步骤8、在空时信道优化MIMO无线传输系统发射端根据反馈信号进行最佳全局位 置更新，在所有反馈信号中找出最小反馈信号值，设相应于最小反馈信号值的粒子位置是W (g)(k+l)，如果6*卢肿>《e?b(/域者SEKwW(W) ，贝撮佳全局位置为b(k+l)=w W化+1);否则，则最佳全局位置为Kk+l)=Kk);
[OOW 步骤9、如果即,b(k+i)如或者邸化(k+i)如，操作停止，开始正式发送数据；否则，k一 k +1，回到步骤5。
[0072]本发明的有益效果是，在本发明方案中，通过上述空时信道优化MIMO无线传输系统 发射端及处理方法，可大幅度增加 MIMO无线通信系统中每根发射天线的传输信道数量，由此 增加每根天线传输的信号或数据流路数，因而可W在不增加天线数量的情况下显著提高MIMO 系统的数据传输率、系统容量及频谱效率。在传输相同数据流时，本发明MIMO系统与现有MIMO 系统相比，所需天线数量更少，从而可W减少发射天线数量，降低系统复杂度，降低系统成本， 且根据反馈信息进行动态虚拟信道调整，明显降低接收误码率，提高信号传输的可靠性。
【附图说明】
[0073] 图1是现有MIMO无线通信系统的系统框图。
[0074] 图2是本发明空时信道优化MIMO无线传输系统发射端的系统框图。
[0075] 图3是本发明实施例中空时信道优化MIMO无线传输系统的系统框图。
【具体实施方式】
[0076] 下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。
[0077] 本发明的空时信道优化MIMO无线传输系统发射端的系统框图如图2。本发明的空 时信道优化MIMO无线传输系统发射端，包括多路信号发射端，每一路信号发射端包括一个 调制滤波放大模块及一根发射天线，还包括多个虚拟信道向量模块、反馈信息接收端及空 时优化模块，每一个虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每一个信号输入端仅对 应一个虚拟信道向量模块，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一路信号发射端一一对 应连接，所述反馈信息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟信道向量 模块连接，空时优化模块与每一个信号输入端连接，其中，虚拟信道向量模块用于根据设置 的复加权值对与其连接的每一个信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复 加权后的基带信号进行合并后传输给对应的信号发射端;反馈信息接收端用于接收由系统 接收端发送来的反馈信息，并传输给空时优化模块;空时优化模块用于根据接收到的反馈 信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道向量模块中各复加权值，并对其进行设置。
[0078] 本发明的空时信道优化MIMO无线传输系统发射端的处理方法，应用于上述空时信 道优化MIMO无线传输系统发射端，首先信号输入端接收到输入的基带信号，将该基带信号 传送给其对应的虚拟信道向量模块，每一个虚拟信道向量模块根据设置的复加权值对与其 连接的每一个信号输入端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号 进行合并后传输给对应的信号发射端进行发送，反馈信息接收端实时接收由系统接收端发 送来的反馈信息，并传输给空时优化模块，空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时 优化算法计算出各虚拟信道向量模块中各复加权值，并对其进行设置。
[0079] 实施例
[0080] 本发明实施例的空时信道优化MIMO无线传输系统发射端的系统框图如图2所示， 包括多路信号发射端，每一路信号发射端包括一个调制滤波放大模块及一根发射天线，还 包括多个虚拟信道向量模块、反馈信息接收端及空时优化模块，每一个虚拟信道向量模块 对应至少一个信号输入端，每一个信号输入端仅对应一个虚拟信道向量模块，每一个虚拟 信道向量模块的输出端仅与一路信号发射端一一对应连接，所述反馈信息接收端与空时优 化模块连接，空时优化模块与每一个虚拟信道向量模块连接，空时优化模块与每一个信号 输入端连接，其中，虚拟信道向量模块用于根据设置的复加权值对与其连接的每一个信号 输入端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给 对应的信号发射端;反馈信息接收端用于接收由系统接收端发送来的反馈信息，并传输给 空时优化模块;空时优化模块用于根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟 信道向量模块中各复加权值，并对其进行设置。
[0081 ]本例中，虚拟信道向量模块包括与信号输入端数量相对应的复加权模块及一个加 法器，每一个复加权模块的输入端都分别与一个信号输入端一一对应连接，每一个复加权 模块的输出端都分别与加法器的一个输入端一一对应连接，每一个加法器的输出端作为该 虚拟信道向量模块的输出端与一个信号发射端一一对应连接，空时优化模块分别与每一个 复加权模块连接。
[0082] 每一个信号输入端输入的基带信号都可W不相同或者一些相同而一些不同，当然也 可W全部相同，且每个虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量也可W不同或者相同， 而反馈信息中包含信道识别及系统状态信息，如信噪比、误码率、误差值及信道估计值等。
[0083] 本例中，由该空时信道优化MIMO无线传输系统发射端组成的空时信道优化MIMO无 线传输系统的系统框图如图3所示，包括其对应的系统接收端，系统接收端中包括多根接收 天线、对应的解调滤波放大模块、对应的信号检测及处理模块W及信道辨识及系统状态信 息采集模块、反馈信息发送端，而信道辨识及系统状态信息采集模块和反馈信息发送端为 现有某些接收端中所具有的部分，此处不再详述。
[0084] 使用时，其处理方法如下：
[0085] A、信号输入端接收到输入的基带信号，将该基带信号传送给其对应的虚拟信道向 量模块；
[0086] B、每一个虚拟信道向量模块根据设置的复加权值对与其连接的每一个信号输入 端输入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给对应 的信号发射端进行发送；
[0087] C、反馈信息接收端实时接收由系统接收端发送来的反馈信息，并传输给空时优化 模块，空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道向量模块 中各复加权值，并对其进行设置，回到步骤B。
[0088] 本步骤中，空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟 信道向量模块中各复加权值的具体方法及其原理如下：
[0089] 设空时信道优化MIMO无线传输系统发射端（W下简称发射端)具有Nt根发射天线， 其对应的接收端具有Lr根接收天线，一般地，，则发射端有化个输入信号向量，每个输 入信号向量包括多个基带输入信号，设第m个输入信号向量为
(W= 1, 2, ..，AV)，即向量Xm( t)包括Nm个基带输入信号X皿(t) (n = 0,1,…,Nm)，X皿(t)为复数信号。
[0090] 系统发射端所有Nt个输入信号向量组成系统发射信号向量咖=[W冲x:(巾…(叫'， 每个基带输入信号Xmn(t)经过一个对应的虚拟信道W胃。用Wm表示第m个虚拟信道 向量，]!
(W=l,2,....... A'Y)，向量Wm包括Nm个虚拟信道Wmn。在发射 端，Nt个虚拟信道向量Wm与Nt个输入信号向量Xm(t)--对应，可W用一个系统虚拟信道向 量来表示，目[
,
[0091] 在接收端，第1根接收天线收到来自所有Nt根发射天线的信号。令him表示第1根接 收天线到第m根发射天线之间的空间无线信道。信号Xmn(t)从第m根发射天线到第1根接收天 线经过了两个传输路径，即虚拟信道Wmn和空间无线信道him,运两个信道级联构成整体传输 信道，称协同空分信道。因此，第m根发射天线所发送的信号为
[0092]
[0093]
[0094] {/=1,2, trt-x
[OOM]式中，qi(t)是第I根接收天线的高斯白噪声。系统的空间无线信道矩阵表示为
[0096]
[0097] H可W简化表示夫
曼 ...........
. ^ 、接收端的接收信号向量，则
[009引
[0099] 式中，q(i') = [%(/)，知|')，…，"（of是接收端的噪声向量。
[0100] 在本系统中，系统协同巧分信道矩阵表示为
[0101]
[010^ 式中，gm = hmWmH是一个LRXNm矩阵，表示第m根发射天线对应的协同空分信道。因 此，接收信号向量可进一步表示为
[0103]
[0104] 通过调整与优化虚拟信道Wmn,即可调整与优化协同空分信道Wmnnil"(m=l，2,…， Nt ; n = 1，2，…，Nm; 1 = 1，2，…，Lr)，使系统整体传输信道合理布局，最有利于接收端的信号 检测及系统传输性能的优化。
[0105] 在系统接收端，信噪比为
[0106]
[0107]运里，扣=E[(gx(t))H(gx(t))]是接收端的接收信号功率，〇2 = E[q(t)Hq(t)]是接 收端的噪声功率。将PR = E[(gx(t))H(gx(t))]展开得
[010 引
[0109] 式中，、j = E比1?]是一个标量，Rij = E[Xi(t)Xj(t)H]是一个NiXNj输入相关矩阵， (n't 、f 'Nt \ (i = l，2,…，NT;j = l，2,…，Nt),鳩一个Sx X 2X，信号传输矩阵， V W=I J \m=X J
[0110]
[0111] 在系统接收端，我们希望最大化信噪比riR，但由于接收端噪声功率O2视为一个常 数，所W，最大化接收信号功率Pr等效于最大化信噪比％，因此，本例的优化准则如下：
[0112]
[0113] 运里，G是一个常数。在发射信号功率为一定的条件下，通过调整虚拟信道，上述优 化机制使传输到接收端的信号功率最大。其优化解为：
[0114]
[0115] 式中，胃是对应于矩阵R的最大特征值的特征向量，」
DPt即为欲得 到的复加权向量W的最优值。
[0116] 对于QPSK信号，如果已知接收信噪比%，则接收误码率(B邸)为
灯'
[0117]
[011引式中，Q(.)是一个函数，定义^
因此，对于QPSK信号，采 用优化解^/石承1113、时接收误码率处610为
[0119]
[0120] 式中，PRmax是接收信号功率的最大值。
[0121] 虽努'
是供了一个优化闭合解，但在有的情况下其效果不一定很 理想。另一个方案是采用粒子群算法捜索全局最优解。
[0122]在此，设粒子群体规模为Se,即粒子个数为Se,并把发射端的每个潜在的系统虚拟 信道向量作为一个粒子的位置。在第k次迭代时刻，第S个粒子位置，即第S个系统虚拟信道 向量表示3
。
[012；3]式中：
私=1,. 2,…，馬；.明:=1，2,...，,巧T)是 第S个粒子位置中的第m个虚拟信道向量。在第k次迭代时刻，第S个粒子的移动速度表示为
,式中，
1，…，Wr)是虚拟信道向量的相应移动速度。令
(,=1, 2, ...。表示在第k次迭代时刻，第S个粒子 迄今为止捜索到的个体最优位置，式中：
如=1，2, Wr)是第S个粒子个体最优位置中的第m个虚拟信道向量。令b(A') =化化f b2(Af…bv，.(A'f；r 表示在第k次迭代时刻，整个粒子群迄今为止捜索到的全局最优位置，式中，
，（/M=I, 2,..，，馬-)是全局最优位置中的第m个虚拟信道 向量。在运个方法中，采用参考信号将有助于捜索。参考信号在每个数据帖中占用一个时 隙，用
良示参考信号向量，式中，XRm( t )是对应于输 入信号向量Xm(t)的第m个参考信号向量。在优化过程中，首先要检测或估计参考信号，然后 将检测或估计结果与实际参考信号进行对比，产生误差，将误差作为反馈信息发送到发射 端。在检测参考信号向量XR(t)时，信号向量估计值会受虚拟信道向量化)的影响，因此， 将参考信号向量在(k)条件下的估计值表示为i心，其相应的误差表示为 Cg.w…W。类似地，在w(s>化)条件下的误码率邸R表示为
[0124]因此，采用粒子群算法捜索全局最优系统虚拟信道向量的具体步骤如下：
[012引步骤1、在系统发射端根据实际通信环境设置常数:ci，C2，:ri，r2，ei,e2，A，B，GT，Vmin， 其中，Cl和C2是学习因子，其使粒子具有自我总结和向群体中优秀个体学习的能力，从而向自 己的历史最优点W及群体内历史最优点靠近;ri和n是[oa]之间的随机数;El与E2是根据实 际通信环境设置的较小的常数;A是初始惯性权重;B是惯性权重的更新系数;Gt是虚拟信道增 益约束常数;Vmin和Vmax分别是粒子移动的最小速度和最大速度，对粒子的速度范围进行限制。
[0126] 步骤2、在系统发射端设置k = 0,随机初始化每个粒子的位置和移动速度，分别得到
2，...，馬)。采用得到的每一个W^(O),分时隙发送一个参考信号序列XR(t)，一共Se个不同 时隙，每个时隙采用一个不同的位置向量(0) (S = 1，2，…，Se)。
[0127] 步骤3、在系统接收端检测参考信号，得到Se个参考信号向量的估计值，即 的〇=1，2,…，而)。然后，用不同的位置向量W^(O)计算误差：
[012 引
[0129] 或者计算SE义、…W (.s'=l，2, .??，馬）。然后，作为反馈信号，发送每一个 或到系统发射端(S = 1，2，…，Se)。
[0130] 步骤4、在系统发射端设置最佳个体位置:P^(O) =^^(0)(8 = 1,2,…，Se),在所 有反馈信号中找出最小反馈信号值，设相应于最小反馈信号值的粒子位置是W^(O),则最 佳全局位置为b(0) =W^(O)。
[0131] 步骤5、在系统发射端更新惯性权重:a = B(k+l)+A。对每一个粒子，计算其速度及 位置向量如下：
[0132] v(s)(k+l)=avb)(k)+cm[pb)(k)-w(s)A)]+ur2[b(k)-w(s)A)]
[013；3] w(s)(k+l)=w(s)化)+V(S)化+1)
[0134] 其中，S=l，2,…，Se。向量化+1)中每一个元素值的范围为[Vmin，Vmax]。另外，限 制发射功率：
[0135]
[0136] 然后，在不同的时隙发送参考信号到系统接收端，一共Se个时隙，每一个时隙采用 不同的位置向量 w(s)(k+l)(s = l，2，...，SE)。
[0137] 步骤6、在系统接收端检测参考信号，得到Se个参考信号的向量估计值，即 的护1，2，...，Sf)。然后，用不同的位置向量w(s>化+1)计算误差：
[013引
或者计算度Ei?、、,,,"-+1,仁=1，2，...，5；')。 然后，作为反馈信号，发送每一个咸Cf气a+i剧系统发射端(s = l，2,…，Se)。 [0139]步骤7、在系统发射端根据反馈信号进行最佳个体位置更新。如果 或者
权=1，.2，…，& ),则P(S) (k+1) =W(S) (k+1);如果
〇=1，2,…，-、），则P(S)(k+i) =P(S)化)。 t行最佳全局位置更新。在所有反馈信号中找 信号值的粒子位置是w(g>(k+l)，如果 W最佳全局位置为b(k+l)=wW(k+l);如果 >1最佳全局位置为Kk+1) =Kk)。
[0141] 步骤9、如果eR,b(k+i)<ei或者BERb(k+i)<E2,操作停止，开始正式发送数据；如果 饰,b(kU食Ei或者邸Rb(k+1食E2，k一k+1，回到步骤5。
[0142]在上述步骤3、6中，当采用QPSK信号时，如果接收信噪比已经得到，则可利用
直接计算邸R。
【主权项】
1. 空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，包括多路信号发射端，每一路信号发射端 包括一个调制滤波放大模块及一根发射天线，其特征在于，还包括多个虚拟信道向量模块、 反馈信息接收端及空时优化模块，每一个虚拟信道向量模块对应至少一个信号输入端，每 一个信号输入端仅对应一个虚拟信道向量模块，每一个虚拟信道向量模块的输出端仅与一 路信号发射端一一对应连接，所述反馈信息接收端与空时优化模块连接，空时优化模块与 每一个虚拟信道向量模块连接，空时优化模块与每一个信号输入端连接； 所述虚拟信道向量模块用于根据设置的复加权值对与其连接的每一个信号输入端输 入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给对应的信 号发射端； 所述反馈信息接收端用于接收由系统接收端发送来的反馈信息，并传输给空时优化模 块； 所述空时优化模块用于根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道 向量模块中各复加权值，并对其进行设置。2. 如权利要求1所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，其特征在于，所述虚拟 信道向量模块包括与信号输入端数量相对应的复加权模块及一个加法器，每一个复加权模 块的输入端都分别与一个信号输入端 对应连接，每一个复加权模块的输出端都分别与 加法器的一个输入端一一对应连接，每一个加法器的输出端作为该虚拟信道向量模块的输 出端与一个信号发射端一一对应连接，空时优化模块分别与每一个复加权模块连接。3. 如权利要求1所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，其特征在于，所述每一 个信号输入端输入的基带信号都不相同。4. 如权利要求1所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，其特征在于，所述每个 虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量不同。5. 如权利要求1所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，其特征在于，所述反馈 信息中包含信道识别及系统状态信息。6. 如权利要求1所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，其特征在于，所述信道 识别及系统状态信息包括信噪比、误码率、误差值及信道估计值。7. 空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端的处理方法，应用于如权利要求1或2或3或4 或5或6所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，其特征在于，包括W下步骤： Α、信号输入端接收到输入的基带信号，将该基带信号传送给其对应的虚拟信道向量模 块； Β、每一个虚拟信道向量模块根据设置的复加权值对与其连接的每一个信号输入端输 入的基带信号进行复加权操作，并将所有复加权后的基带信号进行合并后传输给对应的信 号发射端进行发送； C、反馈信息接收端实时接收由系统接收端发送来的反馈信息，并传输给空时优化模 块，空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道向量模块中 各复加权值，并对其进行设置，回到步骤Β。8. 如权利要求7所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端的处理方法，其特征在 于，步骤Β中，第m个虚拟信道向量模块所输出的信号为其中，向量Wm表示第m个虚拟信道向量泡括Nm个虚拟信道Wm，表示为:Ww三佩，1每.，...，， (m= 1，2，…，化)，WM康示每个基带输入信号?n( t )所对应的虚拟信道，具体为:Μ',,,,, = ， Xmn(t)为复数信号，ΝΤ为发射天线数量，也为输入信号向量的数量，Nm指代第m个虚拟信道向 量模块所对应的信号输入端的数量，n=l，2,……，Nm，Xmn(t)是指第m个虚拟信道向量模块 中第η个信号输入端输入的基带输入信号，向量Xm(t)是指第m个虚拟信道向量模块的输入 信号向量，表示为：=[5^紛而2媒…，而#了。9.如权利要求7所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端的处理方法，其特征在 于，步骤C中，所述空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信 道向量模块中各复加权值的方法为： 空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信道向量模块 中各复加权值，其计算公式为：其中，Wnpt即为欲得到的复加权向量W的最优值，而复加权向量W也称为系统虚拟信道向 量，表示为:W二w/ w/ .... Ww./ ，.运里，向量Wm表示第m个虚拟信道向量，包括Nm个虚拟 信道Wmn，表示为:Wm= …，，(m= 1，2，…，Ντ)，Wmn表示每个基带输入信号Xmn( t) 所对应的虚拟信道，具体为:w,。。=為,yA"i，Ντ为发射天线数量，也为输入信号向量的数量， Nm指代第m个虚拟信道向量模块所对应的信号输入端的数量，η=1，2,……，Nm，Xmn(t)是指 第m个虚拟信道向量模块中第η个信号输入端输入的基带输入信号； V胃是对应于矩阵R的最大特征值的特征向量，且I承f二1， R是一 4言号传输矩阵，是指：其中，Ru = E[xi(t)xj(t)H]是一个NiXNj 输入相关矩阵，i = l，2,= 向量Xm(t)是指第m个虚拟信道向量模块的输入信号向量，其包括Nm个基带输入信号X"n (t) (η = 0，1，···，Nm)，Xmn( t )为复数信号，表示为：斯=[3,,脚相梯…，而,的了，(m= 1，2，…， 化）;所有输入信号向量组成系统发射信号向量x(/) = [xi的T X;的T…Xwt的]7 ; 、J = E比1?]是一个标量，系统的空间无线信道矩阵表示为Η可W简化表示为H = [hi ??2…hwj，:其中hw=h,"，了血m表示第1根接收 天线到第m根发射天线之间的空间无线信道，1 = 1，2，-，，1^^，1^1^为接收天线数量。10.如权利要求7所述的空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端的处理方法，其特征在 于，步骤C中，所述空时优化模块根据接收到的反馈信息采用空时优化算法计算出各虚拟信 道向量模块中各复加权值的方法为采用粒子群算法捜索全局最优系统虚拟信道向量，其 中， 设发射天线数量为Ντ，也为输入信号向量的数量，接收天线数量为Lr，w为系统虚拟信道 向量，表示为:W= w/' W:/ ...Ww/ 7 ,运里，向量Wm表示第m个虚拟信道向量，包括Nm个虚 拟信道Wmn，表示为：化^^ ,(m=l ,2,......，Ντ)，Wmn表示每个基带输入信号 XM^(t)所对应的虚拟信道，具体为:w"。二，Nm指代第m个虚拟信道向量模块所对应的信 号输入端的数量，n=l，2,……，Nm，Xmn(t)是指第m个虚拟信道向量模块中第η个信号输入端 输入的基带输入信号，向量Xm(t)是指第m个虚拟信道向量模块的输入信号向量，其包括Nm个 基带输入信号Xmn(t)(n = 0，l,…，Nm)，Xmn(t)为复数信号，表示为X。脚=兩,脚，也脚...,χ,Α;。的， 设粒子个数为Se，并将空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端的每个系统虚拟信道向 量作为一个粒子的位置； 在第k次迭代时刻，第S个粒子位置，即第S个系统虚拟信道向量表示为(s = l，2，···，SE;m=l，2，···，化)是第S个粒子位置中的第m个虚拟信道向量； 在第k次迭代时刻，第S个粒子的移动速度表示为其中（m=0，l，···，Ντ)是虚拟信道向量w[；f巧)的相应 移动速度； 令：S = 1，2，…，Se)表示在第k次迭代时刻，第 S个粒子迄今为止捜索到的个体最优位置，其中，=[诚/批)，托別抑…，从心的)7，(m =1，2，…，Ντ)是第S个粒子个体最优位置中的第m个虚拟信道向量； 令b化)=化脚'·:·· 表示在第k次迭代时刻，整个粒子群迄今为止捜索 至Ij的全局最优位置，其中，?>"(Α)= 脚，6"。的)，巧）.，(m=l，2,…，Ντ)是全局最 优位置中的第m个虚拟信道向量； 令参考信号在每个数据帖中占用一个时隙，用表示参考信号向量，其中XRm(t)是对应于输入信号向量Xm(t)的第m个参考信号向量，将参考 信号向量在w(s>化)作用条件下的估计值表示为的，其相应的误差表示为兮，，抑脚， 同理，在w(s>化)作用条件下的误码率B邸表示为义、 因此，采用粒子群算法捜索全局最优系统虚拟信道向量的具体步骤如下： 步骤1、在空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，根据实际通信环境设置常数:C1，C2， ri，Γ2，ε 1 , ε 2，A , Β，Gt，Vmin，Vmax，其中，C1和C2是学习因子，其使粒子具有自我总结和向群体中 优秀个体学习的能力，从而向自己的历史最优点W及群体内历史最优点靠近;ri和η是[0， 1]之间的随机数；ει与62是根据实际通信环境设置的较小的常数;A是初始惯性权重;Β是惯 性权重的更新系数;Gt是虚拟信道增益约束常数;Vmin和Vmax分别是粒子移动的最小速度和 最大速度，对粒子的速度范围进行限制； 步骤2、在空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端，设置k = 0,随机初始化每个粒子的 位置和移动速度，分别得菌阳 v("(〇) =[畔>(〇f吟(〇)r…嗎佩叩(S二I，2,…，Se)，采用得到的每一个wWW，分时隙 发送一个参考信号序列XR(t)，一共Se个不同时隙，每个时隙采用一个不同的位置向量wW (0)(s = 1，2，...，Se); 步骤3、在系统接收端检测参考信号，得到Se个参考信号的向量估计值，即巾 =1，2,…，Se)，然后用不同的位置向量wW(〇)计算误差：将其作为反馈信号，发送每一个03，^;，如)或^^气心^到空时信道优化的1〇无线传输系 统发射端； 步骤4、在空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端设置最佳个体位置:ρ^(〇)=*ω(〇) (s = 1，2，-|，Se)，在所有反馈信号中找出最小反馈信号值，设相应于最小反馈信号值的粒 子位置是wW(〇)，则最佳全局位置为b(0) =wW(〇); 步骤5、在空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端更新惯性权重:α = Β化+1)+A，对每一 个粒子，计算其速度及位置向量如下： ￥(3)化+1)=日￥(3)化)+(；比1[口(3)化)-讯(3)化）]+(；化2[13(1〇-讯(3)化）] w(s)(k+l) =w(s)(k)+v(s)化+1) 其中，S = l，2,…，Se，向量vW化+1)中每一个元素值的范围为[Vmin，Vmax]，另外，限制发 射功率：然后，在不同的时隙发送参考信号到系统接收端，一共Se个时隙，每一个时隙采用不同 的位置向量w(s)(k+l)(s = l，2，...，Se); 步骤6、在系统接收端检测参考信号，得到Se个参考信号的向量估计值，即(ο (s = l，2,…，Se)，然后，用不同的位置向量wW化+1)计算误差：然后将其作为反馈信号，发送每一个如1咸气，wa-+i; (S = 1，2，…，&巧腔时信 道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端； 步骤7、在空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端根据反馈信号进行最佳个体位置更 新，如果6度、、…邮)|(?)或者巧如 1, < 巧尼苗。川(。（s = 1，2，…，Se)，则p(s)(k+1) =w(s)(k+ 1);否则，P(s)(k+l)=P(s)(k); 步骤8、在空时信道优化ΜΙΜΟ无线传输系统发射端根据反馈信号进行最佳全局位置更 新，在所有反馈信号中找出最小反馈信号值，设相应于最小反馈信号值的粒子位置是wW化 + 1)，如果Crv"肿）<切,峭)或者叫A-+i><巧邸，贝撮佳全局位置为b(k+l)=w(g)(k+ 1);否则，则最佳全局位置为Kk+l) =Kk); 步骤9、如果eR,b(ku)<ei或者肥化(w)<e2,操作停止，开始正式发送数据；否则，k一 k+1， 回到步骤5。
【文档编号】H04L1/06GK105978666SQ201610257946
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】周渊平, 杨贵德, 夏文龙
【申请人】四川大学, 成都万维环球通信技术有限公司