一种具有时间鲁棒性的最大比合并方法及架构

本发明涉及单输入多输出系统，特别是涉及一种具有时间鲁棒性的最大比合并方法及架构。

背景技术：

合并技术就是在接收到多路独立的衰落信号后，如何利用这些信号以减小衰落影响的一项技术，主要有选择式合并、等增益合并、平方率合并和最大比合并，其中最大比合并方法具有最好的性能。该方法通过对多天线接收信号的不同信道衰减进行加权求和，提高接收信噪比，从而提供了更好的误码率性能。

最大比合并需要将多路接收信号进行时间对齐，但在实际的应用过程中，由于不同传播路径在多根接收天线和硬件分辨率上的限制，几乎不可能实现完美的时间对齐和匹配滤波。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有时间鲁棒性的最大比合并方法及架构，实现了在存在定时误差情况下的改进最大比合并，有效解决了在不完美时间对齐下的输出信噪比恶化的问题，提高了不完美时间对齐下的输出信噪比，提升了最大比合并性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有时间鲁棒性的最大比合并方法，包括以下步骤：

s1.单天线发射机生成并发射传输信号s(t)；

s2.多天线接收机中第i根接收天线接收到的信号xi(t)；

s3.经过数模转换和匹配滤波处理后的离散采样xi(k)；

s4.基于最小均方误差准则得到最优化权值向量

s5.对xi(k)，i＝1,2,…,m进行具有时间鲁棒性的最大比合并，得到输出信号y(k)。

所述步骤s1中，考虑具有m根接收天线的单输入多输出系统，将发射的传输信号s(t)；表示为：

其中，s(k)为发送的第k个传输符号，t是符号周期，p(t)是脉冲整形滤波器。

所述步骤s2中，设经过信道后，多天线接收机中第i根接收天线接收到的信号xi(t)为：

xi(t)＝his(t-τi)+ni(t)

其中，hi和τi分别表示在第i根接收天线处的复信道衰落和传播延迟，此外，ni(t)为在第i根接收天线处的加性高斯白噪声。

所述步骤s3中，在第i根接收天线处进行数模转换和匹配滤波处理之后，再进行离散采样，离散采样结果为：

其中，i＝1,2,..,m，xi(k)表示第i根天线处接收到的与第k个传输符号对应的采样结果，ni(k)为第i根接收天线处与第k个传输符号对应的离散加性高斯白噪声。

所述步骤s4包括以下子步骤：

s401.在每一根接收天线处均设置有二维抽头延迟线模型，各个二维抽头延迟线模型的输入端用于接收该根天线处的离散采样结果，各个二维抽头延迟线模型的输出端输出的信号进行合并后得到最大比合并结果；

每一个二维抽头延迟线模型均包括l-1个延迟器、l-1个加法器和l个乘法器，在每一个二维抽头延迟线模型中，第1个延迟器的输入端接入接收天线处的离散采样结果，第1个延迟器的输出端与第2个延迟器的输入端连接，第2个延迟器的输出端与第3个延迟器的输入端连接，依次类推，第j个延迟器的输出端连接与第j+1个延迟器的输入端连接，j＝1,2,...,l-2；同时，第1个延迟器输入端的信号通过第1个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第一输入端，第1个延迟器的输出端信号通过第2个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第二输入端；第1个加法器的输出端与第2个加法器的第一输入端连接，第2个延时器的输出端信号通过第3个乘法器乘以权值后连接到第2个加法器的第二输入端；依次类推，第j个加法器的输出端与第j+1个加法器的第一输入端连接，第j+1个延时器的输出端信号通过第j+2个乘法器乘以权值后连接到第j+1个加法器的第二输入端，j＝1,2,...,l-2；第l-1个加法器输出的信号即为该二维抽头延迟线模型最终输出的信号；

s402.设权值矩阵w的第i行第j列为wi,j，i＝1,2,..,m，j＝1,2,...,l，wi,j表示第i根接收天线处通过第j个乘法器乘以的权值，权值矩阵w为m×l维的矩阵；

将权值矩阵w进行拉直，得到ml×1的权值向量其中vec()表示拉直函数，其功能为将矩阵中的每个元素作为一行，从而得到拉直后的向量；

s403.设x(k)表示第k个传输符号对应的采样周期内的输入矩阵，x(k)第i行第j列的元素为xi(k+j)，i＝1,2,..,m，j＝1,2,...,l，输入矩阵x(k)为m×l维的矩阵；

将输入矩阵x(k)进行拉直，得到ml×1维的输入向量x(k)＝vec(x(k))；

s404.对第k个传输符号对应的采样结果进行最大比合并，得到y(k)：

其中，tr()表示矩阵的迹；

s405.基于最小均方误差准则得到最优化权值向量

其中为的自相关矩阵，且为与s(k)的自相关向量，其中s^*(k)表示s(k)的共轭；e{}表示函数期望；

与最优化权值向量对应的最优权值矩阵表示为：

其中表示最优权值向量中的第i个元素,i＝1,2,..,ml。

所述步骤s5包括：

将最优化权值向量作为带入步骤s404中，计算出相应的y(k)，即为最终的最大比合并结果。

一种具有时间鲁棒性的最大比合并架构，包括：

单天线发射机，用于生成并发射传输信号；

多天线接收机，用于在每一根天线处进行信号接收；

离散采样模块，用于对每一个天线处接收到的信号进行数模转换和匹配滤波处理，然后进行离散采样，离散采样结果；

权值向量优化模块，基于最小均方误差准则得到最优化权值向量；

最大比合并模块，用于对离散采样结果进行具有时间鲁棒性的最大比合并，得到输出信号。

所述最大比合并模块包括设置在每一根接收天线处均设置有二维抽头延迟线模型，各个二维抽头延迟线模型的输入端用于接收该根天线处的离散采样结果，各个二维抽头延迟线模型输出端输出的信号进行合并后得到最大比合并结果；

每一个二维抽头延迟线模型均包括l-1个延迟器、l-1个加法器和l个乘法器，在每一个二维抽头延迟线模型中，第1个延迟器的输入端接入接收天线处的离散采样结果，第1个延迟器的输出端与第2个延迟器的输入端连接，第2个延迟器的输出端与第3个延迟器的输入端连接，依次类推，第j个延迟器的输出端连接与第j+1个延迟器的输入端连接，j＝1,2,...,l-2；同时，第1个延迟器输入端的信号通过第1个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第一输入端，第1个延迟器的输出端信号通过第2个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第二输入端；第1个加法器的输出端与第2个加法器的第一输入端连接，第2个延时器的输出端信号通过第3个乘法器乘以权值后连接到第2个加法器的第二输入端；依次类推，第j个加法器的输出端与第j+1个加法器的第一输入端连接，第j+1个延时器的输出端信号通过第j+2个乘法器乘以权值后连接到第j+1个加法器的第二输入端，j＝1,2,...,l-2；第l-1个加法器输出的信号即为该二维抽头延迟线模型输出的信号。

本发明的有益效果是：本发明实现了在存在定时误差情况下的改进最大比合并，有效解决了在不完美时间对齐下的输出信噪比恶化的问题，提高最大比合并的性能。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的架构原理示意图；

图3为实施例中单输入多输出系统下的时间鲁棒性最大比合并架构示意图；

图4为实施例中平均输出信噪比与定时精度的关系示意图；

图5为实施例中平均输出信噪比与平均输入信噪比之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种具有时间鲁棒性的最大比合并方法，包括以下步骤：

s1.单天线发射机生成并发射传输信号s(t)；

s2.多天线接收机中第i根接收天线接收到的信号xi(t)；

s3.经过数模转换和匹配滤波处理后的离散采样xi(k)；

s4.基于最小均方误差(mse)准则得到最优化权值向量

s5.对xi(k)，i＝1,2,…,m进行具有时间鲁棒性的最大比合并(mrc)，得到输出信号y(k)。

所述步骤s1中，考虑具有m根接收天线的单输入多输出(simo)系统，将发射的传输信号s(t)；表示为：

其中，s(k)为发送的第k个传输符号，t是符号周期，p(t)是脉冲整形滤波器。

所述步骤s2中，设经过信道后，多天线接收机中第i根接收天线接收到的信号xi(t)为：

xi(t)＝his(t-τi)+ni(t)

其中，hi和τi分别表示在第i根接收天线处的复信道衰落和传播延迟，此外，ni(t)为在第i根接收天线处的加性高斯白噪声(awgn)。

所述步骤s3中，在第i根接收天线处进行数模转换和匹配滤波处理之后，再进行离散采样，离散采样结果为：

其中，i＝1,2,..,m，xi(k)表示第i根天线处接收到的与第k个传输符号对应的采样结果，ni(k)为第i根接收天线处与第k个传输符号对应的离散加性高斯白噪声。

所述步骤s4包括以下子步骤：

s401.在每一根接收天线处均设置有二维抽头延迟线模型，各个二维抽头延迟线模型的输入端用于接收该根天线处的离散采样结果，各个二维抽头延迟线模型的输出端输出的信号进行合并后得到最大比合并结果；

每一个二维抽头延迟线模型均包括l-1个延迟器、l-1个加法器和l个乘法器，在每一个二维抽头延迟线模型中，第1个延迟器的输入端接入接收天线处的离散采样结果，第1个延迟器的输出端与第2个延迟器的输入端连接，第2个延迟器的输出端与第3个延迟器的输入端连接，依次类推，第j个延迟器的输出端连接与第j+1个延迟器的输入端连接，j＝1,2,...,l-2；同时，第1个延迟器输入端的信号通过第1个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第一输入端，第1个延迟器的输出端信号通过第2个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第二输入端；第1个加法器的输出端与第2个加法器的第一输入端连接，第2个延时器的输出端信号通过第3个乘法器乘以权值后连接到第2个加法器的第二输入端；依次类推，第j个加法器的输出端与第j+1个加法器的第一输入端连接，第j+1个延时器的输出端信号通过第j+2个乘法器乘以权值后连接到第j+1个加法器的第二输入端，j＝1,2,...,l-2；第l-1个加法器输出的信号即为该二维抽头延迟线模型最终输出的信号；

s402.设权值矩阵w的第i行第j列为wi,j，i＝1,2,..,m，j＝1,2,...,l，wi,j表示第i根接收天线处通过第j个乘法器乘以的权值，权值矩阵w为m×l维的矩阵；

将权值矩阵w进行拉直，得到ml×1的权值向量其中vec()表示拉直函数，其功能为将矩阵中的每个元素作为一行，从而得到拉直后的向量；

s403.设x(k)表示第k个传输符号对应的采样周期内的输入矩阵，x(k)第i行第j列的元素为xi(k+j)，i＝1,2,..,m,j＝1,2,...,l，输入矩阵x(k)为m×l维的矩阵；

将输入矩阵x(k)进行拉直，得到ml×1维的输入向量x(k)＝vec(x(k))；

s404.对第k个传输符号对应的采样结果进行最大比合并，得到y(k)：

其中，tr()表示矩阵的迹；

s405.基于最小均方误差准则得到最优化权值向量

其中为的自相关矩阵，且为与s(k)的自相关向量，其中s^*(k)表示s(k)的共轭；e{}表示函数期望；

与最优化权值向量对应的最优权值矩阵表示为：

其中表示最优权值向量中的第i个元素，i＝1,2,..,ml。

所述步骤s5包括：

将最优化权值向量作为带入步骤s404中，计算出相应的y(k)，即为最终的最大比合并结果。

如图2所示，一种具有时间鲁棒性的最大比合并架构，包括：

单天线发射机，用于生成并发射传输信号；

多天线接收机，用于在每一根天线处进行信号接收；

离散采样模块，用于对每一个天线处接收到的信号进行数模转换和匹配滤波处理，然后进行离散采样，离散采样结果；

权值向量优化模块，基于最小均方误差准则得到最优化权值向量；

最大比合并模块，用于对离散采样结果进行具有时间鲁棒性的最大比合并，得到输出信号。

所述最大比合并模块包括设置在每一根接收天线处均设置有二维抽头延迟线模型，各个二维抽头延迟线模型的输入端用于接收该根天线处的离散采样结果，各个二维抽头延迟线模型输出端输出的信号进行合并后得到最大比合并结果；

每一个二维抽头延迟线模型均包括l-1个延迟器、l-1个加法器和l个乘法器，在每一个二维抽头延迟线模型中，第1个延迟器的输入端接入接收天线处的离散采样结果，第1个延迟器的输出端与第2个延迟器的输入端连接，第2个延迟器的输出端与第3个延迟器的输入端连接，依次类推，第j个延迟器的输出端连接与第j+1个延迟器的输入端连接，j＝1,2,...,l-2；同时，第1个延迟器输入端的信号通过第1个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第一输入端，第1个延迟器的输出端信号通过第2个乘法器乘以权值后连接到第1个加法器的第二输入端；第1个加法器的输出端与第2个加法器的第一输入端连接，第2个延时器的输出端信号通过第3个乘法器乘以权值后连接到第2个加法器的第二输入端；依次类推，第j个加法器的输出端与第j+1个加法器的第一输入端连接，第j+1个延时器的输出端信号通过第j+2个乘法器乘以权值后连接到第j+1个加法器的第二输入端，j＝1,2,...,l-2；第l-1个加法器输出的信号即为该二维抽头延迟线模型输出的信号。

在本申请的实施例中，以正交相移键控(qpsk)信号为通信发射机、在瑞利衰落信道上传输为例，单输入多输出系统下的时间鲁棒性最大比合并架构如图3所示，通信发射机通过天线辐射出去，接收机的多根天线分别接收信号，并利用具有时间鲁棒性的最大比合并方法对其进行合并。

参数设置如下：

图4给出了在不同的抽头延迟线(tdl)模型的抽头数下，定时精度对经过具有时间鲁棒性的最大比合并方法后的平均输出信噪比之间的关系。当定时精度为0.5时，相较于传统的最大比合并(l＝1)方法，所提出的具有时间鲁棒性的最大比合并(l＝7)方法将平均输出信噪比由原来的7.7db提高至9db。

图5给出了在不同的抽头数和定时精度下，平均输出信噪比与平均输入信噪比之间的关系。平均输出信噪比随着平均输入信噪比的增加而增加，对于更大的输入信噪比而言，本文提出的具有时间鲁棒性的最大比合并方法性能提升的更加明显。例如，当定时精度为0.5，抽头延迟线模型的抽头数为5时，本方案在平均输入信噪比为-10db时，比传统的最大比合并方法改进了0.5db，在平均输入信噪比为10db时，比传统的最大比合并方法改进了3db。

这里已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述为了使本领域的技术人员制造或适用本发明，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。本发明并不限于这些例子，或其中的某些方面。本发明的范围通过附加的权利要求进行详细说明。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。