[发明专利]一种自适应天线选择的MIMO系统及其应用方法

说明书

技术领域：

本发明属于通信领域，涉及一种MIMO系统及其应用方法，尤其是一种基于随机优化的自适应天线选择方法及其信号处理方法。

背景技术：

多输入多输出(MIMO)系统的发射端或接收端或两者通常具有多个天线以构成天线阵列。利用空间复用或者发射分集，MIMO系统可以获得信道容量的增益，提高系统的传输性能。因此，MIMO系统(或多天线系统)成为未来高速通信系统的首选物理层结构。60GHz通信系统，这一被认为是能够提供高达数Gbps传输速率的系统采用多天线阵列作为收发前端并不足为奇。致力于60GHz标准化的802.15工作组的一份提案中也将应用较大规模的天线阵列(收发天线阵列各有32个单元天线)和波束赋形(beamforming)作为物理层的关键技术。

虽然大规模的天线阵列正在逐步的被应用，但是通信系统收发端所需要的独立射频链路数目却因为成本和功耗等因素的限制不能任意的随之增加。天线子阵列选择技术从所有天线组合中选择出一组最优的天线子阵列，并将其与现有的射频链路相连接。由于这种技术以较少数目的独立射频链路充分利用了规模较大的天线阵列，以较低的功耗和成本可以选择关闭某些射频链路或仅使用较少数目的天线进行收发并且能够获得满阵列增益而备受关注，因而成为降低系统复杂度和功耗的多天线系统优化的关键技术。无疑，这在60GHz大规模天线阵列系统中的意义更为突出。现有的MIMO系统中，所实现的天线选择算法均假设收发射机之间的无线信道是已知的或者可以通过信道估计获得，并在此基础之上通过最优化天线子阵列对应的目标函数(容量或者误比特率性能)最终得到最优的天线子阵列。然而，在应用大规模天线阵列的60GHz通信系统中，考虑到信道矩阵是未知的，而且维数较大，准确的得到庞大的信道矩阵的估计值是困难的。除此之外，现有的一些迭代算法在天线数目较小时可以使用，但是当天线数目进一步增大时，由于搜索空间巨大，实现的算法收敛性能很差，天线选择的效率较为低下，使得MIMO系统天线阵列自适应优化的效率较低。

发明内容：

针对鉴于上述现有天线子阵列选择方法MIMO系统在60GHz、高速、大规模多天线应用背景下系统中的不足，特别是天线子阵列的优化算法依赖精确的信道估计结果否则难于获得较好的性能，本发明旨在公开一种自适应天线选择的MIMO系统及其应用方法，该MIMO系统所采用的了迭代反馈的结构，利用60GHz信道的特点，根据接收端包含噪声的标量输出而不是在无需精确的信道估计的条件下，利用60GHz信道的特点，从数目较大的天线集合中快速的选取一个最优的天线子集，将其与射频链路连接后采用波束成型的方法进行高速的数据传输，使得所选天线子阵列对应的子信道在所定义的目标函数意义下是最优的。

本发明要解决的技术问题是提供一种工作在60GHz信道条件下的大规模MIMO天线阵列系统及其天线子阵列的快速自适应优化方法和信号处理方法，解决现有MIMO系统在上述应用背景下天线优化选择效率较低的问题，从而有效降低MIMO系统的功耗和成本，提高系统的鲁棒性的快速天线选择问题。本发明包括发射机、接收机和无线信道模型。

所述发射机(按信号流向)包含信源模块、发端基带处理模块(包含编码、交织、加扰、调制等)、发端波束成型器(乘法器)、多个并行的发端射频链路(包含上变频器、低噪放大器、线性滤波器等)、发端天线阵列及其转接器、天线子阵列选择发端子模块。所述天线子阵列发端子模块包含天线索引管理器以及开关控制器。

所述接收机(按信号流向)包含接收天线阵列及其转接器、收端射频链路(包含变频器、滤波器等)、收端波束成型器(乘法器)、收端基带处理模块(包含解调、解扰、解交织、解码等)、收端合路器(加法器)、信宿以及天线子阵列选择收端子模块。所述天线子阵列收端子模块包含天线索引管理器和开关控制器模块、目标函数估算逻辑以及迭代更新控制模块等。

所述无线信道为60GHz无线信道，其特征为一般具有较强的视距(line of sight，LOS)分量，通常数学模型用行列数等于收发天线的随机矩阵H表示，其元素均为服从Rice分布的随机变量。除此之外，在收发射机之间存在一条低速率、可靠的反馈链路，用于指导发端更新选择结果。

所述发(收)端波束成型器利用多副天线将信号投影到由波束成型权值所构成的子空间中进行传输，减小了多路信号间的干扰，获得了阵列(波束成型)增益。

在所述发(收)信机处，至少具有一个射频链路模块(包含混频器、低噪放大器、滤波器等)。

所述收端合路器将各个接收天线所接收的信号按照收端波束成型权值加权求和后输出。