專利名稱：支持mimo接收機的式樣分集以及相關聯的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)領域，尤其涉及利用小型天線陣列工作的多輸 入多輸出(MIMO)接收機。
背景技術：
多輸入多輸出(MIMO)無線通信系統(tǒng)包括了處于發(fā)射機上的多個 天線單元以及處于接收機上的多個天線單元。相應天線陣列是基于與發(fā) 射機和接收機關聯的天線單元形成在發(fā)射機和接收機上。天線單元是在多徑豐富的環(huán)境中使用的，這樣一來，由于在該環(huán)境 中存在不同的散射體，因此每一個信號都會經歷多徑傳播。接收天線單 元捕獲這些發(fā)射信號，然后應用信號處理技術來分離發(fā)射信號并恢復用 戶數據。該信號處理技術可以是盲源分離(BSS)處理。由于所述分離處理 通常是在只具有關于發(fā)射信號、發(fā)射信號源以及傳播信道對發(fā)射信號所 產生影響的有限信息的情況下執(zhí)行的，因此這種處理是"盲的"。三種 通常使用的盲信號分離技術是主分量分析(PCA)、獨立分量分析(ICA) 以及單一值分解(SVD)。MIMO通信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠使得發(fā)射機與接收機之間的無線鏈 路容量得到改善。多徑豐富的環(huán)境能夠在其間產生多個正交通道。然后， 用于某個單獨用戶的數據可以在與這些信道并行的空中信道上同時使用 相同帶寬而被傳送。當前的MIMO通信系統(tǒng)使用的是空間上多樣的天線單元，由此并未 減少可以形成的正交通道數量。這種實施方式的問題在于MIMO通信 系統(tǒng)的性能與所使用天線單元的數量通常是成比例的。天線單元數量的增加將會增大用于MIMO通信系統(tǒng)的天線陣列大小。當MIMO接收機在小型攜帶型通信設備內部中實施時，對于大量的 天線單元幾乎沒有可用的體積，而且對用戶來說，將天線單元安裝在通 信設備外部也是一個問題。在美國專利6,870,515中公開了一種用于為MIMO接收機提供更小 的天線陣列的方法。與使用空間上多樣的天線單元所不同，在該方法中 使用的是極化分集。由于所使用的是間隔緊密的天線單元，因此這種方 法能為MIMO接收機提供小型的天線陣列。即使提供的是更小的天線陣列，但是MIM O通信系統(tǒng)的性能仍是以 接收機上的天線單元數量為基礎的，而接收機上的天線單元數量則等于 或大于發(fā)射機上的天線單元數量。舉例來說，如在、515專利中所公開 的那樣，接收天線單元數量等于或大于發(fā)射天線單元數量。發(fā)明內容因此，有鑒于上述背景技術，本發(fā)明的一個目的是相比于MIMO發(fā) 射機上的天線單元數量而減少MIMO接收上的天線單元數量，同時仍舊 提供穩(wěn)固的MIMO通信系統(tǒng)。根據本發(fā)明的這個和其它目的、特征和優(yōu)點是通過一種MIMO通信 系統(tǒng)而提供的，其中該系統(tǒng)包括發(fā)射機、以及與發(fā)射機相連的發(fā)射天線 陣列，該發(fā)射天線陣列包括用于發(fā)射M個源信號的M個天線單元。在接收端，接收天線陣列與接收機相連，并包括用于接收M個源信 號的至少M個不同總和的N個天線單元，其中N小于M。信號分離處 理器可以與接收機相連，用于形成包括M個源信號的至少M個不同總 和的混合矩陣，由此該混合矩陣的秩至少等于M。所述信號分離處理器 則從該混合矩陣中分離出預期源信號。信號分離處理器可以是盲信號分離處理器。所述盲信號分離處理器 可以基于主分量分析(PCA)、獨立分量分析(ICA)以及單一值分解 (S V D)中的至少 一 種而從混合矩陣中分離出所述預期源信號。可替換地，信號分離處理器可以根據基于知識的處理信號提取處理而從混合矩陣中分離出所迷預期源信號。這種基于知識的信號分離處理可以基于迫零(ZE)處理和最小均方估計(MMSE)處理中的至少一種 而從混合矩陣中分離出預期源信號。所述接收天線陣列利用N個天線單元有利地接收M個源信號的M 個不同總和，其中N<M。這N個天線單元產生至少M個不同的天線式 樣(antenna pattern)，用于接收M個源信號的M個不同總和。由接 收天線陣列上的N個天線單元所接收的M個源信號的M個總和則用于 填充混合矩陣，由此該混合矩陣的秩至少等于M?；旌暇仃嚨闹却_定實際可以分離的信號的數量。所述秩越大，可以 分離的信號就越多。因此，MIMO接收機可以使用具有N個天線單元的 小型天線陣列，同時仍舊提供穩(wěn)固的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述N個天 線單元少于發(fā)射陣列中的M個天線單元。接收天線陣列具有多個不同的實施方式。所述N個天線單元可以是 相關的，由此形成的是相位陣列。在另一個實施方式中，這N個相關天 線單元可以包括至少一個有源天線單元以及至多N-1個無源天線單元， 從而形成切換波束天線。此外，在N個相關天線單元中，其中至少有兩 個天線單元可以具有不同的極化。接收天線陣列的其它實施方式可以對所接收的M個源信號的M個 不同總和產生乘法器效應。這種處理能夠有利地進一步增大混合矩陣的 秩，而不必增加接收天線陣列中的N個天線單元的數量。通過增大混合 矩陣的秩，盲信號分離處理器可以分離更多的信號。作用于所接收的M個源信號的M個不同總和的乘法器效應可以使 用下列處理中的一種或是其組合來實現。陣列偏轉包括改變天線式樣的 高度，用于接收源信號的附加總和。也可以執(zhí)行路徑選擇，這樣用于填 充混合矩陣的源信號的所有總和都是相關的和/或在統(tǒng)計上保持獨立的。 信號分裂處理同樣也可以用于進一步填充混合矩陣。不同的總和信號可 以通過使用擴展碼而被分裂，此外也可以將其分裂成同相(I )和正交(Q) 分量。支持具有M個發(fā)射天線單元的完整的MIMO實施方式最少需要M 個線性獨立的總和，但是較為有利的是超出M。舉例來說，并非接收天 線陣列上的所有N個天線單元都可以定向于接收M個線性獨立總和。同 樣，并非所有的接收總和都是足夠線性獨立的。此外，如果存在產生妨礙的干擾或噪聲源，則需要附加的混合矩陣 秩來分離這些信號。分離干擾或噪聲源的另一個優(yōu)點是最終減小了信噪 比，這樣則可以提供更高的數據速率、更低的誤差率和/或降低的傳輸功 率。出于以上兩個原因，較為有利的是增大混合矩陣的秩，使之高出與 可用通道數量相關聯的M。除了通常的M之外，L個附加總和的增加可 以提供更穩(wěn)固的MIMO實施。依據可用于增加混合矩陣的裝置，接收天 線單元的數量仍舊可以小于標準的MIMO所具有的M，或者也可以增大 到M或是更大，從而允許將混合矩陣秩增大到N+L>M。本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于操作上述MIMO通信系統(tǒng)的方法。


圖1是根據本發(fā)明的MIMO通信系統(tǒng)的框圖；圖2是圖1所示的MIMO通信系統(tǒng)中的接收端部件的更詳細框圖；圖3是根據本發(fā)明并且基于為盲信號分離處理提供不同信號總和的 陣列偏轉來執(zhí)行操作的MIMO接收機的框圖；圖4是根據本發(fā)明并且基于為盲信號分離處理提供不同信號總和的 路徑選擇來執(zhí)行操作的MIMO接收機的框圖；圖5是根據本發(fā)明并且基于為盲信號分離處理提供不同信號總和的 擴展碼來執(zhí)行操作的MIMO接收機的框圖；圖6是根據本發(fā)明并且基于為盲信號分離處理提供附加信號總和的 同相和正交信號分量來執(zhí)行操作的MIMO接收機的框圖。
具體實施方式
明進行更全面的描述。然而，本發(fā)明是可以采用多種不同形式實現的， 并且不應該將其解釋成是僅限于這里所闡述的實施方式。而提供這些實 施方式是為使本公開更為全面和完整，并且向本領域技術人員充分傳達 本發(fā)明的范圍。在全文中，相同的編號始終指示的是相同的部件?，F在首先參考圖1來描述MIMO通信系統(tǒng)20。該MIMO通信系統(tǒng) 20包括發(fā)射機30、發(fā)射天線陣列32、接收機40以及接收天線陣列42。 本領域技術人員很容易了解，發(fā)射機30和接收機40是可以用收發(fā)機替 換的。由此，其各自的天線陣列32、 42支持雙向數據交換。然而為了 描述本發(fā)明的目的，在這里所涉及的將會是發(fā)射機30和接收機40。發(fā)射天線陣列32包括用于發(fā)射M個源信號34(1)—34(M)的M個天 線單元31(1)—31(M)。其中舉例來說，這些天線單元31(1)—31(M)可以 在空間上是相關的。源信號34(1)—34(M)是用參考編號34概括性標引 的，而天線單元33(1)—33(M)則是用參考編號33概括性標引的。接收天線陣列42包括用于接收M個源信號的至少M個不同總和的 N個天線單元43(1)—43(N)，其中N小于M。由于N<M，因此在接收 機40上可以使用小型天線陣列，同時仍舊可以得到穩(wěn)固的MIMO通信 系統(tǒng)20,如下文所述。天線單元43(1)—43(N)是用參考編號43概括性 標引的。在多徑豐富的環(huán)境中使用了各自的天線陣列32、 42，這樣一來，由 于在該環(huán)境中存在不同的散射體(建筑物、汽車、山坡等等)，因此每 一個信號都會經歷多徑傳播。每一條路徑都可以視為不同的通信通道。 因此，圖1中的參考編號50代表了在發(fā)射和接收天線陣列32、 42之間 多個通道產生的散射環(huán)境。數據則是通過使用本領域中已知的時空編碼 (STC)傳輸方法而從發(fā)射天線陣列32發(fā)射。除了 M個源信號之外，在散射環(huán)境50的內部有可能存在來自干擾 物37的L個干擾源信號35，這些干擾源信號干擾到預期源信號的分離。如下文中更詳細描述的那樣，那些用于增大混合矩陣的各種裝置可以有利地用于填充混合矩陣，使之具有大于M的秩。接收天線陣列42獲取M個源信號34的M個不同總和，然后應用 信號處理技術來分離這些信號。盲信號分離(BSS)處理器44與接收 機40相連，用于形成包括M個源信號的至少M個不同總和的混合矩陣 46,由此該混合矩陣具有至少等于M的秩。而盲信號分離處理器44則 從混合矩陣46中分離出預期源信號。如本專利申請中詳細描述的那樣，被歸入盲信號分離處理的三種常用技術是主分量分析(PCA)、獨立分量分析(ICA)以及單一值分解 (SVD)。只要信號在某些可測量特性方面獨立，并且如果這些信號的 信號總和相互之間是線性獨立的，那么可以使用這些盲信號分離技術中 的一種或多種而從源信號的混合中分離出獨立或預期的源信號。這些可 測量特性通常是信號的第一、第二、第三或第四個矩的某種組合。PCA將會白化信號，并且將會使用第一和第二個矩，并且基于相關 屬性來旋轉數據集合。如果源信號的信噪比很高，那么信號分離處理可 以停止執(zhí)行PCA。如果源信號的信噪比很低，那么ICA將會基于包括源信號的第三和 第四個矩在內的統(tǒng)計屬性來分離源信號。某些源信號是高斯型的 (Gaussian)，并且該原信號的第三和第四個矩是取決于第一和第二個 矩的。隨機噪聲源也可以是高斯型的，并且擴頻信號可以被設計成借助 通過該擴頻信號專用的擴展碼之外的其它特性而向譯碼器顯示高斯特 性。在具體的條件下，由于中心極限定理，信號的集合有可能顯示高斯 特性。ICA方法則可以分離一個高斯信號。作為ICA和PCA的替換方 式，SVD是基于源信號的特征值而從源信號的混合中分離出源信號的。作為盲信號分離處理器的一種替換方式，信號分離處理器可以用于 根據基于知識的處理信號提取處理而從混合矩陣中分離出預期源信號。 其中舉例來說，所述基于知識的信號分離處理是基于迫零(ZF)處理以 及最小均方估計(MMSE)處理中的至少一種而從混合矩陣中分離預期源信號的?，F在將參考圖2來對MIMO通信系統(tǒng)20的接收端上的不同部件進 行更詳細的論述。接收天線陣列42包括用于接收M個源信號34的至少 M個不同總和的N個天線單元43(1)—43(N)，其中N和M都大于1并 且N小于M。接收天線陣列42并不局限于任一特定結構。所述接收天 線陣列42可以包括一個或多個天線單元43。其中舉例來說，所述天線 單元43則可以被配置為使得天線陣列形成相位陣列或切換波束天線。為了構造混合矩陣46的目的，目標是創(chuàng)建不同的信號總和。在這種 應用中，所關注的信號實際上可以始終低于干擾信號并且仍舊是分離的。 由于在目的方面存在這種顯著差異，因此，天線單元43之間的距離不 必是有源和無源波束形成天線陣列通常需要的特定間距。接收機40連接在接收天線陣列42的下游，用于接收M個源信號 34的至少M個不同總和。盲信號分離處理器44則處于接收機40的下 游。雖然處理器44被描述成是與接收機40分離的，但是該處理器也可 以被包含在接收機內部。接收機40接收的M個源信號34的不同總和被 用于填充混合矩陣46。然后，處理器60內部的一個或多個盲信號分離 處理模塊62、 64和66將會對混合矩陣46進行處理。所述盲信號分離處理模塊包括PCA模塊62、 ICA模塊64以及SVD 模塊66。這些模塊62、 64和66可以被配置成是盲信號分離處理器44 的一部分。PCA模塊62基于接收的源信號的不同總和中的第一和第二 個矩而工作，然而ICA模塊64則基于同一個信號的第三和第四個矩來 工作。所述SVD模塊66則基于接收源信號的不同總和的特征值來執(zhí)行 信號分離。在 一 開始由PCA模塊62執(zhí)行的相關處理確定用于源信號的不同總 和的初始分離矩陣68(1)，然后ICA模塊64確定用于分離混合矩陣46 中的源信號的增強的分離矩陣68(2)。如果信號是由SVD模塊66分離 的，則還確定分離矩陣68(3),用于分離混合矩陣46中的接收源信號的 不同總和。來自每一個相應的分離矩陣68(1)—68(3)的分離的信號是用參考編 號49表示的。分離的信號49然后通過信號分析模塊70經過信號分析， 以確定所關注的是哪些信號以及哪些信號是干擾信號。而應用相關處理 模塊72則會對信號分析模塊70輸出的信號進行處理。關于所關注信號的判定未必總是包括所要譯碼的最終信號。舉例來 說，某個應用程序可能要求識別干擾信號，并且要求將干擾信號從接收 的源信號的不同總和中減去，然后則將減小后的信號反饋到波形譯碼器。 在這種情況下，所關注的信號是最后結束將被拋棄的信號?；旌暇仃?6的秩確定了實際可以分離的信號的數量。例如，具有秩 為4的混合矩陣意味著可以分離4個源信號。在理想情況下，混合矩陣 46的秩應該至少等于信號源的數量M。所述秩越大，可以分離的信號就 越多。隨著源數量M的增大，所需要的天線單元的數量N也會增加。在 背景技術部分中論述的'515專利公開的是接收機上的天線單元的數量 N等于或大于發(fā)射機上的天線單元的數量M的情況，也就是說，N>M。接收天線陣列42利用N個天線單元33有利地接收M個源信號34 的M個不同總和，其中N<M。所述N個天線單元43產生至少M個不 同的天線式樣，用于接收M個源信號的M個不同總和。由接收天線陣 列42上的N個天線單元43接收的M個源信號34的M個不同總和被 用于填充混合矩陣46,以使該混合矩陣的秩至少等于M。如上所述，混合矩陣46的秩確定實際可以分離的信號的數量。所述 秩越大，可以分離的信號也就越多。因此，具有N個天線單元43并且 所述N個天線單元少于發(fā)射天線陣列32中的M個天線單元33的小型 接收天線陣列42，可以供MIMO接收機40使用，同時仍舊可以提供穩(wěn) 固的MIMO通信系統(tǒng)20。雖然支持具有M個發(fā)射天線單元34的完整的MIMO實施方式最少 需要M個線性獨立的總和，但是較為有利的是超出所述M。舉例來說， 并非接收天線陣列42上的所有N個天線單元43都可以定向于接收M 個線性獨立總和。同樣，并非所有的接收的總和都是足夠線性獨立的。除了所分離的M個已知的信號流之外，在這里還有可能存在L個其它信 號，這些信號將會降低信噪比。因此，當可能時將混合矩陣的秩增大到M+L是較為有利的。對干擾 或噪聲源的分離的另一個益處是最終降低了信噪比，這樣則可以提供更 高的數據速率、更低的誤差率和/或降低的傳輸功率。例如，在這里有可能存在L個干擾源信號35，這些信號會對從混合 矩陣中分離出預期源信號34的處理產生干擾，其中L大于1。如果在不 必添加附加天線單元的情況下將混合矩陣秩的增大用盡，那么，添加至 少一個附加天線單元可以提供附加手段來增大混合矩陣的秩。附加單元 的添加可能仍舊使單元數量低于標準的MIMO方法中的M，此外該處理 也有可能返回到等于M的單元數量，甚至會使單元數量超過M。但是根 據通過增大混合矩陣的秩所獲取的增益，即使這種處理增加了接收機天 線單元的數量，但是這種處理仍舊是值得的。例如，與使用標準處理 MIMO接收機的M單元的實施方式相比，秩為M+L并且需要M個單元 的混合矩陣通常是一種更好的實施方式。然而，出于描述本發(fā)明的目的， 以下論述將集中于M個源信號。接收天線陣列42可以具有多個不同的實施方式。所述N個天線單 元43可以是相關的，用于形成相位陣列。在另一個實施方式中，所述N 個相關天線單元43可以包括至少一個有源天線單元以及至多N-1個無 源天線單元，由此形成的是切換波束天線。此外，在N個相關天線單元 中，至少有兩個天線單元可以具有不同的極化。接收天線陣列42的其它實施方式對所接收的M個源信號的M個不 同總和具有乘法器效應。非常有利的是，這種效應允許進一步增大混合 矩陣46的秩，但卻不必增加接收天線陣列42中的N個天線單元43的 數量。通過增大混合矩陣46的秩，盲信號分離處理器44可以分離更多 的信號。作用于所接收的M個源信號的M個不同總和的數量的乘法器效應 可以使用下列處理中的一種或是這些處理的組合來實現。陣列偏轉處理包括改變天線單元的高度，用于接收源信號34的附加總和。此外也可 以執(zhí)行路徑選擇處理，以使用于填充混合矩陣46的源信號34的所有總 和都是相關的和/或統(tǒng)計上獨立的。信號分裂也可用于進一步填充混合矩 陣46。不同的總和信號可以用擴展碼分裂，并且可以分裂成同相(I) 和正交(Q)分量?，F在將參考圖3—6來對接收天線陣列的不同實施方式進行更詳細 的描述。現在參考圖3,其中將對陣列偏轉進行論述。接收天線陣列142 包括N個天線單元143,以產生N個用于接收M個源信號的N個不同 總和的初始天線式樣。接收天線陣列142還包括高度控制器141，用于 有選擇地改變N個初始天線式樣中至少一個式樣的高度，以產生至少一 個附加天線式樣，由此接收所述M個源信號中至少一個附加的不同總和o接收機140與接收天線陣列142相連，并且使用N個初始天線式樣 來接收M個源信號的N個不同總和，并且該接收機140還使用至少一 個附加天線式樣來接收M個源信號的至少一個附加的不同總和。盲信號分離處理器144與接收機140相連，用于形成包括M個源 信號的N個不同總和以及M個源信號的至少一個附加的不同總和的混合 矩陣146。該混合矩陣的秩等于N與使用附加天線式樣所接收的M個源 信號的附加不同總和的數量之和。最終得到的混合矩陣146的秩至少等 于M。而處理器144則從混合矩陣146中分離出預期信號。通常，任何一種提供了適于增加混合矩陣的秩的信號總和的天線陣 列裝置都可以與偏轉機制結合使用。所述偏轉會為每一個天線陣列裝置 產生兩個不同的混合矩陣可用信號總和。因此，通過使用這種技術，可 以產生2倍乘法器的效果。如果將陣列偏轉分割成與天線相關聯的K個不同區(qū)域，那么這K個區(qū)域中的每一個都可以提供2個獨立的偏轉區(qū)域以及混合矩陣條目。例 如，如果天線陣列自身可以提供N個總和并且存在K個不同的偏轉區(qū)域， 那么混合矩陣中的信號總和的數量可以是2NK。參考圖4來描述基于路徑選擇由M個信號源所提供的源信號的分 離。接收天線陣列242包括N個單元243，以形成用于接收M個源信 號的至少N個不同總和的至少N個天線波束，其中N和M全都大于2。控制器250與該天線陣列242相連，用于有選擇地形成至少N個天 線波束。接收機部件240與天線陣列242相連，用于接收M個源信號 的至少N個不同總和。盲信號分離處理器244則與接收機部件240相連， 用于形成包括M個源信號的至少N個不同總和的混合矩陣246。盲信號分離處理器244還確定M個源信號的不同總和是否是相關的 或者在統(tǒng)計上是獨立的，如果不是，那么該處理器將會與控制器250進 行協調，以形成用于接收M個源信號的新的不同總和以替換混合矩陣 246中不相關或者在統(tǒng)計上不獨立的M個源信號的不同總和的不同波 束。由此，源信號的至少M個不同總和被接收，這樣混合矩陣的秩至少 等于M。然后，預期源信號從混合矩陣246中分離出來。Rake接收機是一種被設計成應對多徑衰落效應的無線電接收機。該 接收機是通過使用若干個獨立接收機來完成這種處理的，其中每一個接 收機都具有輕微延遲，以調諧到單個多徑分量。這種接收機可以為大多 數類型的無線電接入網絡所使用。已經發(fā)現該接收機對擴展碼類型的調 制來說是非常有益的。該接收機具有選擇特定入射信號路徑的能力，這 種能力使得該接收機適合充當用于改變反饋到盲信號分離處理器244的 路徑的裝置。本領域技術人員很容易了解，上述有選擇地形成N個天線波束的處 理是適用于所有的無線電接入網絡的。對CDMA系統(tǒng)來說，接收機部件 240包括N個Rake接收機256。每一個Rake接收機256都包括k個 分支，用于為由與該接收機相連的相應天線單元所接收的M個源信號的 N個不同總和中的每一個來選擇k個不同的多徑分量。在這種結構中， 盲信號分離處理器244與N個Rake接收機256相連，用于形成混合矩 陣246。該混合矩陣246包括M個源信號的至少N個不同總和的多達 至少kN個不同多徑分量，并且該混合矩陣的秩等于kN，其中kN至少等于M。特別地，當CDMA波形傳播的時候，它們經常會遭遇到從源到目的 地的多條路徑。Rake接收機256則被專門設計成獲取眾多的這種單個 實例并將其組合在一起，用于進行更穩(wěn)定的信號譯碼。在原始信號沿著 每一條路徑傳播的時候，該原始信號的屬性被路徑的唯一特性所修改。 在某些環(huán)境中，針對接收信號相關性和/或統(tǒng)計屬性的修改將會足夠大， 以致于可以將這些信號視為是可分離的信號流。修改后的Rake接收機 256可以用于提取每一個修改后的流，并且將其作為唯一條目饋送到混 合矩陣246中。雖然這種用于提升秩的手段并不是始終可用的，但在最 有可能需要用到這種手段的多徑效應很高的環(huán)境中，該手段往往是可用 的。雖然Rake接收機256可以利用不同的路徑，但是適用于任何調制 技術的更通用方法是波束形成。由于波束形成是用于預期信號增強以及 預期信號拒絕的，因此它與Rake接收機256是存在差別的。然而這種 差別在于被拒絕的信號實際上有可能是預定給該接收機的信號的另一個 變形。但是，接收機部件240需要檢測同一個信號的多個唯一傳播路徑 變形，以構建具有足購的秩的混合矩陣246。信號分裂同樣可以用于進一步填充混合矩陣A。在一種方法中，總 和信號是用擴展碼分裂的。在另一種方法中，總和信號是用同相(l)和 正交(Q)模塊分裂的?，F在將參考圖5來描述使用擴展碼的信號分裂。接收天線陣列342 包括N個天線單元343，用于接收M個源信號的至少N個不同總和。 碼解擴器350與N個天線單元343相連，用于對M個源信號的至少N 個不同總和進行譯碼。N個不同總和中的每一個都包括k個碼，用于提 供與碼解擴器關聯的M個源信號的k個不同總和。接收機部件340與碼解擴器350相連，用于接收M個源信號的至 少kN個不同總和。盲信號分離處理器344與接收機部件340相連，用 于形成包括M個源信號的至少kN個不同總和的混合矩陣346。該混合矩陣346的秩至多等于kN，并且最終得到的秩等于M。而所述盲信號 分離處理器344則從混合矩陣346中分離出預期源信號。依據所接收的信號的調制，上述信號分裂可以用于增大混合矩陣的 秩，但卻不會增加天線單元的數量N。 CDMA IS-95、 CDMA2000以及WCDMA都是使用了擴展碼的擴頻通信系統(tǒng)的實例。其中 一種常用的思 路是利用各個信號來對唯一的碼進行處理，以將數據擴展到較大頻帶上。相同的擴展碼可以利用接收信號總和(預期信號、非預期信號以及 未知噪聲源)來進行處理。這樣做可以將預期信號重構到它的原始頻率 帶寬中，而干擾則被擴展在了很寬的頻段中。上文列舉的CDMA實施方式實際上可以具有同時使用相同頻段的 多個信號流。每一個信號流都使用了碼，在理想情況下，這個碼與所有 其它的碼都是正交的。如果在譯碼器上滿足這個條件，則意味著所解擴 的僅僅是所關注的信號。在CDMA信號之間通常是存在某種相關性的，因此，有些干擾信號 會與預期信號一起被重構。這通常是因為單個信號遭到的延遲，此外還 因為信號的多徑發(fā)生。對某些非預期信號，尤其是CDMA非預期信號來 說，這些信號的值將會增大。就預期信號而言，這種增大并不是非常顯 著，但這將會增大總的噪聲值，由此將會降低信噪比。解擴信號等式以及信號自身的形式都滿足盲信號分離處理的規(guī)則。 實際上，如果將其中一個解擴碼單獨應用于接收機部件340接收的每一 個已知信號，那么可以獲取滿足ICA模型需求的單獨總和。因此，可用于混合矩陣的行條目的數量與已知碼是一樣多的，當然，這其中將會假設它們每一個都會產生線性獨立性顯著的值。在恰當的情 況下，這樣做可以允許將混合矩陣增大到某個大于碼數量的值。例如， N個天線單元和M個碼可以提供NM個矩陣行。出于例證目的，在這里假設有三個碼是已知的，并且這三個已知碼 信號保持它們的正交性。在碼解擴器350中，混合矩陣A具有頂端的3 行以及底端的3行，其中每一個都是在由三個已知碼解擴每一個流之后由天線流產生的。處于非對角線位置的o值是由于碼的正交性而產生的。列條目4、 5和6對應的是具有相同索引的未知信號的一般情況。<formula>formula see original document page 21</formula>與列條目4、 5和6相對應的信號可以是已知碼的其它路徑版本， 此外也可以是未知碼的其它單元信號。同樣，某一個信號可以是高斯型 的，其它信號則可以是遵循中心極限定理的CDMA信號組，由此它們是 作為諸如release 4通道之類的單個高斯信號出現的。換句話說，足夠 數量的非隨機信號將會合成高斯信號。干擾則可以是非高斯信號源，或 者是不為網絡所知的至多一個高斯信號。當在碼解擴器350中解擴了已知碼之后，盲信號分離處理器344接 收秩為6的混合矩陣346。由于有3個碼是已知的，因此這個大小為6 的秩是基于2個天線單元與大小為3的因子相乘而推導得到的。應用于盲信號分離處理器344的是6個信號，并且其中形成的是秩 為6的混合矩陣346。所述盲信號分離處理器344僅僅從由信道:x:As 修改而接收的信號中確定分離矩陣W，其中A是所述混合矩陣。在例證 實施方式中，6個信號都是可以分離的。盲信號分離處理器344選擇所要譯碼的信號，舉例來說，干擾信號 有可能被刪去，并且預期信號的所有版本都被選定。所選定的信號將被 施加到解調器模塊，用于進行解調。該解調器使用的則是用于組合同一 信號的多徑版本的公知均衡技術。實際上，在更普遍的情況下，上文中為了清楚起見而被顯示為零的 非對角線值有可能是非零的。這種情況在編碼信號相關屬性并不完美的 時候更為常見。該情況可以代表涉及每一個被分離信號的附加噪聲。然而如先前所示，矩陣的秩是足以分離這些信號的，因此，在經過盲信號 分離處理之后，這些值將會顯著減小。該處理可以導致噪聲減小、信噪 比增大，此外如香農定理所示，這種處理可以增大信道容量?，F在參考圖6，另一種在不增加天線單元數量N的情況下提升混合 矩陣A的秩的方法是將接收到的混合信號分離成它的同相(I )和正交(Q ) 分量。相干RF信號的l和Q分量是幅度相同但是相位相差90度的分量。接收天線陣列442包括N個天線單元443，用于接收M個源信號的 至少N個不同總和。相應的同相和正交模塊450處于每一個天線單元 443的下游，用于將由此接收的M個源信號的N個不同總和中的每一個 分離到同相和正交分量集合中。接收機部件440處于每一個相同和正交模塊450的下游，用于接收 M個源信號的至少N個不同總和所具有的至少N個同相和正交分量。而 盲信號分離處理器444則處于接收機部件440的下游，用于形成包括M 個源信號的至少2N個不同總和的混合矩陣446。每一個同相和正交分 量集合都提供了 2個輸入到混合矩陣446的輸入?；旌暇仃?46的秩則 等于多達2N，并且所述盲信號分離處理器444從混合矩陣512中分離 出預期源信號514。通過將接收到的混合信號分離成I和Q分量，可以將混合矩陣的尺 寸增大2倍。只要是使用不同數據流來對l和Q分量進行編碼，那么在 任何天線單元上接收的混合信號都可以分裂成兩個不同的混合信號。在執(zhí)行微分編碼的情況下，需要對調制特性進行分析，以確定I和 Q是否滿足線性度需求。舉例來說，正如為GSM所顯示的那樣，在將 GMSK編碼與恰當的濾波結合使用并且在接收機中將所述GMSK編碼 當作BPSK編碼來進行處理的時候，這時可以假設所述GMSK編碼是線 性的。由于BPSK滿足盲信號分離處理的需求，描述的I和Q處理可以 被使用。I和Q分量可以與任何一種上述天線陣列的實施方式結合使用，以 填充混合矩陣A。在使用I和Q的時候，這時可以像2倍于所用天線單元數量的情況那樣填充混合矩陣A。該天線單元可以具有任何分集形式，例如不相關、相關或極化。對N個天線單元來說，其中每一個單元的信 號總和都分裂成了 l和Q分量，而這些天線單元則會提供2N個獨立混 合信號總和。由此，混合矩陣的秩是2N，其中2N至少等于或大于M。這種機制同樣可以與天線陣列偏轉技術結合使用，用于創(chuàng)建更多的 信號總和。這其中的每一個總和轉而可以分離成I和Q分量。來自l和 Q分量的因子2、 N個天線單元以及用于天線陣列的K個偏轉區(qū)域則可 以為混合矩陣提供2kN個總和。得益于上文的描述以及相關附圖中給出的教導，本領域技術人員能 夠想到本發(fā)明的多種修改和其它實施方式。由此應該理解，本發(fā)明并不 局限于所公開的特定實施方式，并且這些修改和實施方式應該包含在所 附權利要求的范圍以內。
權利要求
1.一種多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)，包括發(fā)射機；與所述發(fā)射機相連的發(fā)射天線陣列，該發(fā)射天線陣列包括用于發(fā)射M個源信號的M個天線單元；接收機；與所述接收機相連的接收天線陣列，該接收天線陣列包括用于接收M個源信號的至少M個不同總和的N個天線單元，其中N小于M；以及與所述接收機相連的信號分離處理器，用于形成包括M個源信號的至少M個不同總和的混合矩陣，由此該混合矩陣的秩至少等于M；所述信號分離處理器用于從該混合矩陣中分離出預期源信號。
2. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中存在L個干擾源 信號并且這些干擾源信號干擾到從混合矩陣中預期源信號的分離，并且 L大于1;其中除了 M個源信號的M個不同總和之外，所述混合矩陣還 將它的秩增大L個總和，由此該混合矩陣的秩至少等于M+L。
3. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述接收天線陣 列包括N個相關天線單元，用于形成相位陣列。
4. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述接收天線陣 列包括N個相關天線單元，所述N個相關天線單元包括至少一個有源天 線單元以及至多N-1個無源天線單元，用于形成切換波束天線。
5. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中M個源信號的每 一個總和都是線性的。
6. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述接收天線陣 列包括N個相關天線單元，并且所述N個相關天線單元中的至少兩個具 有不同的極化。
7. 根據權利要求6所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中不同的極化是相 互正交的。
8. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述接收天線陣 列產生N個初始天線式樣，用于接收M個源信號的至少N個不同總和； 并且該MIMO通信系統(tǒng)進一步包括與所述接收天線陣列相連的高度控制 器，用于有選擇地改變N個初始天線式樣中至少一個的高度，從而產生 至少一個附加不同天線式樣用于接收M個源信號的至少一個附加總和； 并且其中該混合矩陣還包括M個源信號的至少一個附加不同總和，所述 混合矩陣的秩等于N與使用附加天線式樣所接收的M個源信號的附加不 同總和的數量之和，并且最終得到的秩至少等于M。
9. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述接收天線陣 列產生至少N個天線波束，用于接收M個源信號的至少N個不同總和， 所述N和M全都大于2;并且該MIMO通信系統(tǒng)進一步包括與所述接收 天線陣列相連的控制器，用于有選擇地形成至少N個天線波束；所述信 號分離處理器還確定M個源信號的不同總和是否是相關的或者在統(tǒng)計上是獨立的， 如果不是的話，那么與所述控制器進行協調，以形成用于接收M個源信號的新的不同總 和以替換混合矩陣中不相關或者在統(tǒng)計上不獨立的M個源信號的不同 總和的不同波束，由此所述混合矩陣的秩至少等于M。
10. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，還包括與所述N個天 線單元相連的碼解擴器，用于譯碼M個源信號的至少N個不同總和，這N個不同總和中的每一個都包括k個碼，用于提供k個不同的總和；其 中所述接收機與所述解擴器相連，用于接收M個源信號的至少kN個不 同總和；以及其中所述信號分離處理器形成的是包括M個源信號的至少 kN個不同總和的混合矩陣，并且最終得到的秩至少等于M。
11. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，還包括連接在所述接 收天線陣列中每一個天線單元下游的相應的同相和正交模塊，用于將由 此接收的M個源信號的M個不同總和中的每一個分離到同相和正交分 量集合中；以及其中所述信號分離處理器形成的是包括M個源信號的至 少2N個不同總和的混合矩陣，每一個同相和正交分量集合都提供了 2 個輸入到混合矩陣的輸入，并且最終得到的秩則至少等于2N，其中2N 至少等于M。
12. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述信號分離處 理器包括盲信號分離處理器，并且該處理器基于主分量分析(PCA)、 獨立分量分析(ICA)以及單一值分解(SVD)中的至少一種而從混合 矩陣中分離出預期源信號。
13. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述信號分離處 理器根據基于知識的處理信號提取處理而從混合矩陣中分離出預期源信 號。
14. 根據權利要求13所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中基于知識的信 號分離處理基于迫零(ZF)處理和最小均方估計(MMSE)處理中的至 少一種而從混合矩陣中分離出預期源信號。
15. 根據權利要求1所述的MIMO通信系統(tǒng)，其中所述信號分離處 理器是以基于知識的信號提取處理以及盲信號分離處理的結合為基礎而 從混合矩陣中分離出預期源信號的。
16. —種用于操作多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的方法，該方 法包括從與發(fā)射機相連的發(fā)射天線陣列發(fā)射M個源信號，該發(fā)射天線陣列 包括用于發(fā)射M個源信號的M個天線單元；使用包括N個天線單元的接收天線陣列來接收M個源信號的至少M 個不同總和，其中N小于M;將M個源信號的至少M個不同總和提供給接收機；以及 與接收機相連的盲信號分離處理器對M個源信號的至少M個不同 總和進行處理，該處理包括形成包括M個源信號的M個不同總和的混合矩陣，從而該混 合矩陣的秩至少等于M，以及從混合矩陣中分離出預期源信號。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中存在L個干擾源信號并且 這些干擾源信號干擾到從混合矩陣中預期源信號的分離，并且L大于1; 除了 M個源信號的至少M個不同總和之外還包括L個附加總和，由此 混合矩陣的秩至少等于M+L。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中接收天線陣列包括N個相 關天線單元，用于形成相位陣列。
19. 根據權利要求17所述的方法，其中接收天線陣列包括N個相 關天線單元，所述N個相關天線單元包括至少一個有源天線單元以及至 多N-1個無源天線單元，用于形成切換波束天線。
20. 根據權利要求17所述的方法，其中接收天線陣列包括N個相
21. 根據權利要求17所述的方法，其中接收天線陣列產生N個初 始天線式樣，用于接收M個源信號的至少N個不同總和；以及進一步包 括與所述接收天線陣列相連的高度控制器，用于有選擇地改變N個初始 天線式樣中至少一個的高度，從而產生至少一個附加不同天線式樣用于 接收M個源信號的至少一個附加總和；其中該混合矩陣還包括M個源 信號的至少一個附加不同總和，所述混合矩陣的秩等于N與使用附加天 線式樣所接收的M個源信號的附加不同總和的數量之和，并且最終得到 的秩至少等于M。
22. 根據權利要求17所述的方法，其中接收天線陣列產生至少N 個天線波束，用于接收M個源信號的至少N個不同總和，所述N和M 全都大于2;以及進一步包括與所述接收天線陣列相連的控制器，用于 有選擇地形成至少N個天線波束；所述盲信號分離處理器還確定M個源信號的不同總和是否是相關的或者在統(tǒng)計上是獨立的， 如果不是的話，那么與所述控制器進行協調，以形成用于接收M個源信號的新的不同總 和以替換混合矩陣中不相關或者在統(tǒng)計上不獨立的M個源信號的不同 總和的不同波束，由此所述混合矩陣的秩至少等于M。
23. 根據權利要求17所述的方法，還包括與所述N個天線單元相 連的碼解擴器，用于譯碼M個源信號的至少N個不同總和，這N個不 同總和中的每一個都包括k個碼用于提供k個不同的總和；其中所述接 收機與所述解擴器相連，用于接收M個源信號的至少kN個不同總和； 以及其中所述盲信號分離處理器形成的是包括M個源信號的至少kN個 不同總和的混合矩陣，并且最終得到的秩至少等于M。
24. 根據權利要求17所述的方法，還包括連接在所述接收天線陣 列中每一個天線單元下游的相應的同相和正交才莫塊，用于將由此接收的 M個源信號的M個不同總和中的每一個分離到同相和正交分量集合中；以及其中所述盲信號分離處理器形成的是包括M個源信號的至少2N個 不同總和的混合矩陣，每一個同相和正交分量集合都提供了 2個輸入到 混合矩陣的輸入，并且最終得到的秩至少等于2N，其中2N至少等于M。
25.根據權利要求17所述的方法，其中從混合矩陣中分離出預期源信號是以基于知識的信號提取處理以及盲信號分離處理中的至少一種 為基礎的。
全文摘要
一種MIMO通信系統(tǒng)，包括發(fā)射機，以及與發(fā)射機相連的發(fā)射天線陣列，其中該發(fā)射天線陣列具有用于發(fā)射M個源信號的M個天線單元。接收天線陣列與接收機相連，并且具有用于接收M個源信號的至少M個不同總和的N個天線單元，其中N小于M。信號分離處理器與接收機相連，用于形成包括M個源信號的至少M個不同總和的混合矩陣，由此該混合矩陣的秩至少等于M。信號分離處理器從混合矩陣中分離出預期源信號。
文檔編號G01S3/14GK101273278SQ200680035032
公開日2008年9月24日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權日2005年9月22日
發(fā)明者史蒂文·J·高伯格 申請人:美商內數位科技公司