專利名稱：統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及無線信道的復(fù)用，即在無線信道上同時同頻傳 送多路信號，接收端利用信號的統(tǒng)計特性差異區(qū)分出不同信號，完成信息的接收，從而 實現(xiàn)同時同頻多路通信，為一種統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
信息傳輸技術(shù)中很重要的一點就是有效性問題，也就是如何利用信道的問題，信道 可以是有形的線路也可以是無形的空間，充分利用信道就是要同時傳送多個信號。在兩 點之間的信道上同時傳送互不干擾的多個信號就是信道的"復(fù)用"問題，復(fù)用技術(shù)的理 論基礎(chǔ)就是信號分割理論，發(fā)送時賦予各個信號不同的特征，接收端根據(jù)各個信號特征 之間的差異來區(qū)分，實現(xiàn)互不干擾的通信。
信號的分割有兩方面的要求 一是在采用各種手段(如調(diào)制、編碼、變換等)賦予 各個信號不同的特征時，要能夠無損的還原各個原始信號，即這些手段是可逆的；二是
要能夠分得清，要能夠有效地分割各個信號，所謂有效，就是在分割時，各個信號之間 互不干擾，這就要求賦予特征后的各個信號相互正交。
若兩個信號y; (x)和/2 (x)滿足下面的關(guān)系式，稱y; (x)和/2 (x)在(x,, x2)區(qū)間正交<formula>formula see original document page 4</formula>
若一組信號的自相關(guān)為1，互相關(guān)為0，則稱這一組信號為正交信號集合。正交信號集 合表示為
<formula>formula see original document page 4</formula>
復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計具有正交性的信號集合，使各信號相互無關(guān)，能夠分得"清"。 在實際工作中，要做到完全正交和不相關(guān)是比較困難的， 一般采用準(zhǔn)正交，即互相關(guān)很 小，允許各信號間存在一定干擾，設(shè)法將干擾控制在允許范圍內(nèi)。
常用的復(fù)用方式有頻分復(fù)用FDM、時分復(fù)用TDM和碼分復(fù)用CDM等。 1.1步頁分復(fù)用FDM (Frequency Division Multiplexing)
FDM是使用較早也是現(xiàn)在使用較多的一種復(fù)用技術(shù)，它廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、移動通信以及微波通信等系統(tǒng)中。它把傳輸頻帶劃分為若干個互不重疊的子頻帶，每一個 子頻帶內(nèi)傳輸一路調(diào)制信號，這樣可以同時傳輸多路調(diào)制信號，如圖1所示。在接收端 按照頻帶劃分將各路信號分別提取出來，從而實現(xiàn)信道的多路信號頻分復(fù)用。FDM須 滿足的信號分割條件為
〖、(/)'、(/)# = 1，附=" (/)# =。,鮮"
由于實際的濾波器總是達(dá)不到理想條件，各路信道間總存在一定的干擾。為了減小 各路信號間干擾的影響，各頻帶之間必須留有一定的保護(hù)間隔以減少各頻帶之間的串 擾。
1.2時分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)
TDM是在給定頻帶的最高數(shù)據(jù)傳送速率的條件下，把傳遞時間劃分為若干時間間 隙，即時隙。每一路信號僅在分配的時隙內(nèi)發(fā)送，如圖2所示，在接收端分別從各個時 隙中恢復(fù)出各路信號，從而實現(xiàn)信道的多路信號時分復(fù)用。各路信號在同一頻帶中傳送， 時間上互不重疊，TDM須滿足的信號分割條件為-
《、(0'x"(， = 1，m ="
jf2 xm (0. 乂 (y) &=o,附#"
在實際傳輸時，由于多徑等影響，可能破壞正交條件，形成碼間串?dāng)_。為了克服多 徑等影響，各時隙間還應(yīng)留有保護(hù)間隙，以減少碼間串?dāng)_的影響。
1.3碼分復(fù)用CDM (Code Division Multiplexing)
CDM是將每一路信號用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)編碼信號或其他擴(kuò) 頻碼調(diào)制，使原信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)送出去。調(diào)制后的各路信號在相 同頻段和時間在信道上傳輸，如圖3所示。接收端將每一路使用的擴(kuò)頻碼序列與接收到 的寬帶信號作相關(guān)處理，把寬帶信號解擴(kuò)為多路原始數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)信道的多路信 號碼分復(fù)用。CDM須滿足的信號分割條件為
工.Om (0. <D" (0 & = 0,鮮"
由于原信號傳輸時帶寬被擴(kuò)展，每一個信號對信道資源的占用大于其本身的帶寬， 信道復(fù)用率相應(yīng)受到限制由上可知，現(xiàn)有FDM和TDM兩種信道復(fù)用方法多路信號能夠達(dá)到的最大信息速 率為不采用信道復(fù)用時一路信號的信息速率；CDM復(fù)用方式受到碼字長度和可用碼字 數(shù)的影響，并且信號傳輸?shù)膸挶粩U(kuò)展，信道的頻譜利用率并沒有得到提高；而且傳統(tǒng) 無線信道復(fù)用方式FDM、 TDM、 CDM等，在信號的頻率或時隙或碼字等上有嚴(yán)格的 限制。因此，以上幾種復(fù)用方式信道的頻帶利用率沒有得到提高，信道復(fù)用率都受到限 制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是傳統(tǒng)無線信道復(fù)用方式FDM、 TDM、 CDM等，頻譜利用 率不高，在信號的頻率或時隙或碼字等上有嚴(yán)格的限制，需要一種更加靈活的，能夠提 高信道頻譜利用率的信道復(fù)用方式。
本發(fā)明的技術(shù)方案為統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)，包括iV路源信號和M個接收天線， 將各路源信號;c按照線性調(diào)制后，在同一時刻同一頻段內(nèi)傳輸，x為隨機(jī)變量，設(shè)&(x)
和凡(x)為隨機(jī)變量x的兩種概率密度函數(shù)，則系統(tǒng)滿足
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中附=2，…似，w = 2，…7V， M27V>1;
W路源信號經(jīng)過混合系統(tǒng)后得到M路混合信號，混合系統(tǒng)為無線通信系統(tǒng)的信道，每一 個接收天線都接收到一路由N路源信號混合而成的混合信號，將M路混合信號送入解 混系統(tǒng)進(jìn)行處理，利用各路源信號之間固有的統(tǒng)計特性差異，解混系統(tǒng)從統(tǒng)計域上將W 路源信號區(qū)分開來，恢復(fù)出原有的W路源信號，實現(xiàn)信道的復(fù)用，其中各天線間的傳播 路徑相互獨立，解混系統(tǒng)通過一解混矩陣得到iV路解混信號iN判斷解混信號j)之間的 統(tǒng)計特性差異，如果由統(tǒng)計特性差異足以判斷解混出的iV路信號就是對發(fā)送的iV路源 信號的重構(gòu)，則解混完成，如不滿足統(tǒng)計特性差異判斷，則用學(xué)習(xí)算法調(diào)整解混矩陣， 得到新的解混信號j)，再進(jìn)行統(tǒng)計特性差異判斷，直至解混完成。
本發(fā)明統(tǒng)計特性的判斷包括互信息、負(fù)熵、峭度、K-L散度和四維累積量矩陣， 解混系統(tǒng)可任選其中一種或幾種進(jìn)行判斷。
本發(fā)明系統(tǒng)混合系統(tǒng)為線性瞬時混合模型時，將iV路源信號作為一個信號矢量* = h,s2,...,~]'，則經(jīng)過混合系統(tǒng)混合后的似路混合信號矢量可以表示為 x-[x,，X2,…,Xm]t ， s禾Qjc満足a^ Js + w，其中矩陣v4為混合系統(tǒng)的MxW混合矩陣， 其各元素為混合系數(shù)a^，混合系數(shù)a^由具體的無線信道決定，/i為噪聲矢量，當(dāng)不
考慮噪聲的影響或噪聲的影響可以忽略不計時，源信號經(jīng)過線性瞬時混合后為a: = ; 線性瞬時混合的解混系統(tǒng)為獲取iVxM的解混矩陣『，使得解混矩陣『對混合信號 矢量jc的線性變換_v = ^(x + w) = W+ ii) = Cs + W"為對源信號矢量s的一個可靠估
計，這里C為一個對角陣或逆對角陣，當(dāng)不考慮噪聲的影響時，解混后的信號矢量可以 表示為^ = ^^ = ^^^ = (^，利用學(xué)習(xí)算法不斷地調(diào)整解混矩陣『直至收斂，得到對iV 路源信號的估計，恢復(fù)出原有的iV路源信號。
混合系統(tǒng)為巻積混合模型時，將7V路源信號作為一個信號矢量s-h,A，…,^f ，
經(jīng)過無線信道混合后的M路混合信號矢量可以表示為x-[x,，x2，…,;^]t， s和;c滿足
"^卜Sa屮-力且I;k^①'其中'4"=h(o,52(o，".,~(*)]T表示"寸
刻發(fā)送的7V維離散時間信號矢量，x("-[^(",x2(",…,XM("f表示A:時刻接收的 M維離散時間信號矢量，好^為時延p的混合系數(shù)MxiV矩陣；設(shè)H(z)- S好,"為
系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣，則源信號矢量和混合信號矢量滿足^(" = 「//(^>(";巻積混合 的解混系統(tǒng)為調(diào)整解混系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)fF(z)，使無線通信系統(tǒng)整體傳遞函數(shù)矩陣 G(z) = JF(z)H(z) = / Z)(z)，其中，P為WxiV階置換矩陣，Z)(z)為WxM階對角矩
陣，其第(W)個數(shù)據(jù)為c,z- ，q為一個非零標(biāo)度因子，A,表示整數(shù)延遲，利用學(xué)習(xí)算 法不斷地調(diào)整解混系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)『(z)直至收斂，得到對iV路源信號的估計，恢復(fù)出 原有的W路源信號。
FDM和TDM兩種復(fù)用方式的信息傳輸速率最多只能達(dá)到不采用復(fù)用技術(shù)時一路信 號的信息傳輸速率，CDM在碼長固定的情況下，相關(guān)性好的碼字?jǐn)?shù)是固定的，因此可 以同時傳輸?shù)脑葱盘杺€數(shù)也是有限的；還有一種統(tǒng)計時分復(fù)用STDM (Statistical Tmie Division Multiplexing),主要用于有線通信，根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小來進(jìn)行時分復(fù)用， 一般 用于數(shù)字電視等系統(tǒng)，STDM中的統(tǒng)計，是指對業(yè)務(wù)量的大小進(jìn)行統(tǒng)計，這個統(tǒng)計主要 是指統(tǒng)計的過程，對業(yè)務(wù)量進(jìn)行統(tǒng)計這個方法，其本質(zhì)還是一種時分復(fù)用。為了進(jìn)一歩
7提高系統(tǒng)的頻帶利用率，本發(fā)明提出了一種新的復(fù)用方式——統(tǒng)計復(fù)用SDM (Statistical Division Multiplexing),本發(fā)明的統(tǒng)計復(fù)用SDM與STDM的統(tǒng)計在定義上是不同的， SDM是將各路信號按照線性調(diào)制后，在同一時刻同一頻段內(nèi)傳輸，接收端利用各路信 號之間固有的統(tǒng)計特性差異提取出各路信號，從而實現(xiàn)信道的多路統(tǒng)計復(fù)用，本發(fā)明的 統(tǒng)計指的是信號的統(tǒng)計特性，如互信息、負(fù)熵、峭度、K-L散度和四維累積量矩陣等， 本發(fā)明信息傳輸速率可達(dá)到iV路信息傳輸速率的總合，遠(yuǎn)高于FDM和TDM兩種方式， 與CDM相比本發(fā)明可以在不擴(kuò)展頻帶的情況下大大提高信道的頻帶利用率，而CDM 需要擴(kuò)展頻帶來傳輸信號。
本發(fā)明的基本特點是多路信號同時同頻傳輸，接收端利用信號的統(tǒng)計特性差異區(qū) 分出不同信號，完成信息的接收，從而實現(xiàn)同時同頻多路通信，并且在信號的頻率或時 隙或碼字等方面沒有限制，使復(fù)用無線信道的方式更加靈活。
本發(fā)明系統(tǒng)與FDM和TDM方式相比可以大大提高頻帶利用率，并且不需要考慮 信道中的干擾問題，與CDM相比，不受碼字長度和可用碼字?jǐn)?shù)的影響，并且CDM傳 輸方式的信道傳輸帶寬被擴(kuò)展，信道的頻帶利用率并沒有得到提高；本發(fā)明SDM系統(tǒng) 只要發(fā)射的信號滿足具有統(tǒng)計特性差異這一條件，接收端即可利用各路源信號之間固有 的統(tǒng)計特性差異，還原出源信號，大大提高了系統(tǒng)的頻帶利用率，而不用考慮各路信號 在時域和頻域造成的相互干擾，同時不受碼字長度和可用碼字?jǐn)?shù)的影響，傳輸帶寬保持 不變。


圖1為頻分復(fù)用FDM的示意圖。
圖2為時分復(fù)用TDM的示意圖。
圖3為碼分復(fù)用CDM的示意圖。
圖4為本發(fā)明統(tǒng)計復(fù)用SDM的示意圖。
圖5為本發(fā)明統(tǒng)計復(fù)用SDM系統(tǒng)模型。
圖6為本發(fā)明無線通信系統(tǒng)中信號混合示意圖。
圖7為本發(fā)明混合系統(tǒng)為線性瞬時混合模型時，解混網(wǎng)絡(luò)方框圖。
圖8為本發(fā)明混合系統(tǒng)為巻積混合模型時，解混網(wǎng)絡(luò)方框圖。
圖9為本發(fā)明含有三路源信號的SDM系統(tǒng)示意圖。
圖10為本發(fā)明計算機(jī)仿真的兩路源信號。
圖11為本發(fā)明計算機(jī)仿真的兩路源信號頻譜圖。圖12為本發(fā)明的計算機(jī)仿真中，兩個接收天線接收時的兩路混合信號。
圖13為本發(fā)明的計算機(jī)仿真中，兩路混合信號經(jīng)過解混系統(tǒng)后得到的兩路信號。
圖14為本發(fā)明的計算機(jī)仿真中，解混后兩路信號的信干比隨著兩路信號功率比的變化曲線。
圖15為本發(fā)明的計算機(jī)仿真中，三個接收天線接收時的三路混合信號。
圖16為本發(fā)明的計算機(jī)仿真中，三路混合信號經(jīng)過解混系統(tǒng)后得到的兩路信號。
圖17為在有噪聲背景下，本發(fā)明進(jìn)行計算機(jī)仿真解混后兩路信號的性能指數(shù)PI隨著兩
路源信號功率比大小的變化曲線。
圖18為本發(fā)明實施例兩路原信號、兩個接收天線的系統(tǒng)設(shè)置圖。圖19為本發(fā)明實施例中電臺實驗1的混合信號與解混信號頻譜圖。圖20為本發(fā)明實施例中電臺實驗2的混合信號與解混信號頻譜圖。圖21為本發(fā)明實施例中電臺實驗3的混合信號與解混信號頻譜圖。圖22為本發(fā)明實施例中電臺實驗4的混合信號與解混信號頻譜圖。
具體實施例方式
統(tǒng)計復(fù)用SDM是將各路信號按照線性調(diào)制后，在同一時刻同一頻段內(nèi)傳輸，接收端利用各路信號之間固有的統(tǒng)計特性差異提取出各路信號，從而實現(xiàn)信道的多路統(tǒng)計復(fù)用。設(shè)A,0O和^(x)為源信號;c的兩種概率密度函數(shù)，則SDM須滿足的分割條件為
f/ 、, PmWj m(x)log——^"血=0,附="
即源信號間具有統(tǒng)計特性差異，為了保證實現(xiàn)SDM，其中m二2，…M， " = 2，…7V，
如圖4所示的多路信號滿足上面兩式中的分割條件，雖然其在時間和頻率域上完全重合，但在統(tǒng)計域上各路信號能夠完全區(qū)分開。在接收端如果能夠根據(jù)各路信號統(tǒng)計特性的差異將各路信號區(qū)分開來，就可以實現(xiàn)多路信號的統(tǒng)計復(fù)用。
圖5所示為W路源信號實現(xiàn)SDM的信號模型。iV路源信號通過一個混合系統(tǒng)后，得到M路混合信號。此時，這M路混合信號在時間和頻率上完全重合，采用現(xiàn)有的信號分割方法(頻率、時間、碼字)不能夠?qū)路源信號區(qū)分開來，因此不能夠?qū)崿F(xiàn)信道的復(fù)用。將這M路混合信號送入解混系統(tǒng)進(jìn)行處理，解混系統(tǒng)利用本發(fā)明的信號分割條件，從統(tǒng)計域上將這iV路源信號區(qū)分開來，恢復(fù)出原有的iV路源信號，從而實現(xiàn)信道的復(fù)用。
一、混合系統(tǒng)
在實際的通信系統(tǒng)中，混合過程是各路源信號通過傳播媒質(zhì)到達(dá)接收端的信號傳輸過程。圖6為一個具有W路源信號和M個接收天線的無線通信系統(tǒng)信號混合示意圖。iV路源信號經(jīng)過自由空間傳播以后到達(dá)各個接收天線，只要天線間的距離足夠遠(yuǎn)，即天線間的傳播路徑是相互獨立的，這樣每一個接收天線就都接收到一路由iV路源信號混合而成的混合信號，因此無線通信系統(tǒng)滿足實現(xiàn)SDM的必要條件。而有線通信系統(tǒng)中接收天線M始終為1，要實現(xiàn)信號混合iV就要大于1，這樣無法滿足SDM系統(tǒng)的M2iV的必要條件，因此本發(fā)明的SDM僅適用于無線通信系統(tǒng)。
無線通信系統(tǒng)信道情況比較復(fù)雜，混合模型也比較多如線性瞬時混合、巻積混合、非線性混合等等，下面主要介紹無線和移動信道環(huán)境下的線性瞬時混合和巻積混合。
(1) 線性瞬時混合
將iV路源信號寫成一個信號矢量s-h,^,…,^]T，經(jīng)過無線信道混合后的似路混
合信號矢量表示為A^[x,，A,…,:^f。如果s和x滿足如下關(guān)系，則稱源信號經(jīng)過線性瞬時混合
其中矩陣J為混合系統(tǒng)的MxW混合矩陣，其各元素為混合系數(shù)"^，混合系數(shù)"^由
具體的無線信道決定，w為噪聲矢量。
當(dāng)不考慮噪聲的影響或噪聲的影響可以忽略不計時，源信號經(jīng)過線性瞬時混合可以寫為
(2) 巻積混合
巻積混合是指接收信號是源信號及其經(jīng)過濾波和延遲的信號的混疊。W路源信號寫成一個信號矢量s-h，^,…,^]T，經(jīng)過無線信道混合后的M路混合信號矢量表示為
;c-[;q,X2,…,XMf ，如果s和;c滿足如下關(guān)系，則稱源信號經(jīng)過巻積混合
并且
10p=—CO
其中，*("=[^(",&("，...，~(";17表示^時刻發(fā)送的iV維離散時間信號矢量，
A:("-[Jc,(",X2(",…,x""]T表示yfc時刻接收的M維離散時間信號矢量，/^為時延為/ 的混合系數(shù)Mx7V矩陣。
設(shè)//(2)= l;F,"為系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣，則源信號矢量和混合信號矢量滿足如下
關(guān)系
樸[
二、解混系統(tǒng)
本發(fā)明的統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)的接收端必須在僅知道M路接收信號和W路源信號的統(tǒng)計特性存在差異的條件下，恢復(fù)出發(fā)送的iV路源信號，實現(xiàn)統(tǒng)計復(fù)用。因此，解
混系統(tǒng)的功能可以描述為在混和矩陣^ (線性瞬時混合情況下)或者系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩
陣好(z)未知，源信號矢量s中各路信號的統(tǒng)計特性存在差異的條件下，從混合信號矢
量x中恢復(fù)出iV路源信號。
(1)線性瞬時混合系統(tǒng)
對于線性瞬時混合，可以通過求一個iVxM的解混矩陣『，使得『對混合信號矢量X的線性變換
_y = W (;c + w) = fF (A + w) = Cs +
為對源信號矢量s的一個可靠估計。這里C為一個對角陣或逆對角陣。
當(dāng)不考慮噪聲的影響時，解混后的信號矢量可以表示為
_V = Wx = Ws = C$
圖7所示為一個典型的線性瞬時混合的解混系統(tǒng)，其解混過程為
解混系統(tǒng)=目標(biāo)函數(shù)+學(xué)習(xí)算法
通過目標(biāo)函數(shù)判斷統(tǒng)計特性差異，不同的目標(biāo)函數(shù)是由不同的估計準(zhǔn)則得到的，用于判斷統(tǒng)計特性差異的目標(biāo)函數(shù)主要包括互信息、負(fù)熵、峭度、K-L散度以及四維累積量矩陣，這幾種都可以表示統(tǒng)計特性差異，以任一種來表征都對應(yīng)著不同的學(xué)習(xí)算法，各學(xué)習(xí)算法的復(fù)雜度不同，性能不同，穩(wěn)健性也不同，因此目標(biāo)函數(shù)的選擇可根據(jù)實際情況按性能、計算量和穩(wěn)健性等方面來選擇；再通過相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法來調(diào)整解混矩陣。具體過程為第一步M路混合信號構(gòu)成的信號矢量X與解混矩陣W相乘后，得到7V路信號》；第二步由具體選擇的目標(biāo)函數(shù)判斷解混出的iV路解混信號j;之間的統(tǒng)計特性差異，
如果由統(tǒng)計特性差異足以判斷解混出的iV路信號就是對發(fā)送的W路源信號的重構(gòu)，則轉(zhuǎn)入第四歩，否則轉(zhuǎn)入第三步；
第三步根據(jù)選擇的目標(biāo)函數(shù)確定相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法，并根據(jù)學(xué)習(xí)算法調(diào)整解混矩陣W，之后轉(zhuǎn)入第一步；
第四步:確定解混矩陣W ，將得到的解混矩陣『與M路混合信號構(gòu)成的信號矢量;c相乘，解混出iV路源信號，實現(xiàn)統(tǒng)計復(fù)用SDM。
(2)巻積混合系統(tǒng)
對于巻積混合，可以通過調(diào)整解混系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)W(z)，從而使整體無線通信系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣可以描述為
G(z)=葉)好(z)=尸Z)(z)
其中，戶為iVx7V階置換矩陣，Z)(z)為iVxM階對角矩陣，其第個數(shù)據(jù)為c,A'， c,為一個非零標(biāo)度因子，A,表示整數(shù)延遲。
圖8所示為一個典型的巻積混合的解混系統(tǒng)，其解混過程為
解混系統(tǒng)=目標(biāo)函數(shù)+學(xué)習(xí)算法與線性瞬時混合系統(tǒng)相同，確定進(jìn)行統(tǒng)計特性差異判斷的目標(biāo)函數(shù)，然后通過相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法來調(diào)整解混系統(tǒng)。具體過程為
第一步M路混合信號構(gòu)成的信號矢量JC通過解混系統(tǒng)后，得到iV路信號J;
第二步由目標(biāo)函數(shù)判斷解混出的W路解混信號》之間的統(tǒng)計特性，如果由統(tǒng)計特性差異足以判斷解混出的iV路信號就是對發(fā)送的W路源信號的重構(gòu)，則轉(zhuǎn)入第四步，否則轉(zhuǎn)入第三步；
第三步根據(jù)選擇的目標(biāo)函數(shù)確定相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法，并根據(jù)學(xué)習(xí)算法調(diào)整解混系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)W(Z)，之后轉(zhuǎn)入第一步；
第四步確定解混矩陣的系統(tǒng)函數(shù)W(Z)，將M路混合信號構(gòu)成的信號矢量JC通過
解混系統(tǒng)，解混出iV路源信號，實現(xiàn)統(tǒng)計復(fù)用SDM。
三、 一個實際的SDM系統(tǒng)的構(gòu)成
圖9所示為三路信號實現(xiàn)統(tǒng)計復(fù)用的示意圖。三路源信號在相同的頻段上同時發(fā)送，由于各路信號攜帶的信息不同，造成三路源信號的統(tǒng)計特性存在一定差異，即在統(tǒng)計域上能夠區(qū)分出各路信號。三路源信號經(jīng)過信道的混合，在接收端，采用一個三天線接收 機(jī)接收到三路混合信號，將這三路信號送入解混系統(tǒng)進(jìn)行處理，恢復(fù)出三路源信號，從 而實現(xiàn)SDM。
四、仿真實驗
為了驗證本發(fā)明SDM系統(tǒng)的有效性，采用MATLAB軟件進(jìn)行計算機(jī)仿真，并實際 搭建無線SDM通信系統(tǒng)進(jìn)行實驗，下面分別介紹計算機(jī)仿真結(jié)果和實際試驗結(jié)果，仿 真實驗的混合系統(tǒng)均為線性瞬時混合，解混系統(tǒng)用峭度來度量信號間的統(tǒng)計特性差異。 1、計算機(jī)仿真
(1) 無背景噪聲情況
兩路源信號均為AM信號，如圖IO所示，載波頻率為160KHz，采樣速率為1.6MHz。 圖11所示為兩路源信號的頻譜，兩路源信號經(jīng)過線性瞬時混合得到的兩路混合信號如 圖12所示。經(jīng)過解混處理得到的兩路源信號如圖13所示。圖14仿真了解混后兩路信 號的信干比隨著兩路源信號功率大小的變化曲線，圖中每一個功率比仿真1000次。從 圖14中可以看出，解混后兩路信號的信干比接近48dB，因此解混后兩路信號相互之間 的干擾可以忽略，也即解混出了原統(tǒng)計特性具有差異的兩路源信號，實現(xiàn)了SDM。
圖IO中所示的兩路源信號進(jìn)過三個接收天線接收后，得到的混合信號如圖15所示。 將這三路混合信號進(jìn)行解混后得到兩路源信號如圖16所示，與圖13基本相同，可以看 出Af〉iV時本發(fā)明SDM系統(tǒng)的有效性。
(2) 有背景噪聲情況
在有背景噪聲的情況下，用性能指數(shù)戶/作為評價解混后兩路信號信干比的指標(biāo)。性
能指數(shù)P/定義為
、u 人
》
、w
,'=i
乂=1 max》J
戶i
maxt
1
其中，&是附><附維全局矩陣戶= ^4的第/行和第7列的元素。/>/值越小，則解混后兩
路信號的相互干擾越小。
源信號為圖IO中所示的兩路AM信號，圖17顯示了解混后兩路信號的性能指數(shù)尸/ 隨著兩路源信號功率比大小的變化曲線，圖中每一個功率比仿真1000次，從圖中可以 看出，在背景噪聲不是很大的情況下，解混后兩路信號相互之間的干擾可以忽略。 2、實際電臺實驗
實驗環(huán)境
13采用兩臺IC-725A型短波電臺作為發(fā)射機(jī)，用兩臺TCR-154型125W自適應(yīng)/跳頻 電臺構(gòu)成一個兩天線接收機(jī)，從而構(gòu)成一個兩路源信號、兩路接收混合信號的無線SDM 實驗系統(tǒng)，如圖18所示。 實驗參數(shù)
IC-725A型短波電臺的相關(guān)參數(shù)如下
1) 頻率范圍1.8-29.7 M赫茲；
2) 工作方式CW (邊帶報)、USB (上邊帶話)、LSB (下邊帶話)、AM (調(diào) 幅兼容話)、FM (調(diào)頻)；
3) 頻率穩(wěn)定度開機(jī)后1-60分鐘內(nèi)±200Hz， 60分鐘以后土30Hz。 TCR-154型125W自適應(yīng)/跳頻電臺是的主要參數(shù)如下
1) 頻率范圍1.6-29.9999 M赫茲；
2) 工作方式CW (邊帶報)、USB (上邊帶話)、LSB (下邊帶話)、AM (調(diào) 幅兼容話)；
3) 頻率穩(wěn)定度5x10-7/日；
4) 相位抖動5度/10毫秒。
將兩臺TCR-154型125W電臺接收到的兩路混合信號進(jìn)行A/D變換后送入解混系 統(tǒng)進(jìn)行解混處理，得到兩路源信號。解混系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置為
1) 電臺工作的載波頻率29MHZ;
2) 采樣速率8KHz/秒；
3) 8000點/秒的情況下，每一次處理的數(shù)據(jù)點數(shù)為4000;
4) 統(tǒng)計特性差異的目標(biāo)函數(shù)峭度。
性能測試
性能測試部分對兩臺TCR-154型電臺接收到的混合信號以及解混處理后恢復(fù)出的 源信號在頻域進(jìn)行分析，得到恢復(fù)出的兩路源信號的信干比，從而說明本發(fā)明構(gòu)造的 SDM系統(tǒng)的有效性。
性能測試做了以下四次典型實驗
1)實驗l
發(fā)送的兩路源信號為頻率為900Hz的單音信號和2KHz的單音信號，混合系統(tǒng)為 線性瞬時混合，解混系統(tǒng)的解混矩陣在經(jīng)過調(diào)整后確定為
<formula>formula see original document page 14</formula>如圖19所示，顯示了兩接收天線接收到的混合信號1、混合信號2，以及解混后得 到的解混信號l、解混信號2的頻譜圖，從解混前后信號的頻譜圖中可以看出，在兩接 收機(jī)接收到兩路源信號的功率比小于-13dB的情況下，可以很好的恢復(fù)出900Hz的單音 (解混信號l)和2kHz的單音(解混信號2)兩路源信號。
2)實驗2
發(fā)送的兩路源信號為頻率為800Hz的單音信號和頻帶為300-3K左右的AM信號， 混合系統(tǒng)為線性瞬時混合，解混系統(tǒng)的解混矩陣在經(jīng)過調(diào)整后確定為
1.2159-0.0519/ -0.1996 + 0.0096/ —0.1522 + 0.217/1.4047 — 0.0519/
如圖20所示，顯示了兩接收天線接收到的混合信號1、混合信號2，以及解混后得 到的解混信號l、解混信號2的頻譜圖，從解混前后信號的頻譜圖中可以看出，在兩接 收機(jī)接收信號的頻譜完全重疊的情況下，可以很好的恢復(fù)出900Hz的單音(解混信號1) 和話音信號(解混信號2)兩路源信號。
3)實驗3
發(fā)送的兩路源信號為頻率為900Hz的單音信號和950Hz的單音信號，混合系統(tǒng) 為線性瞬時混合，解混系統(tǒng)的解混矩陣在經(jīng)過調(diào)整后確定為
『=
0.3515 + 0.0026/ -1.1006 + 0.7908/ —0.1258-0.0944/ 1.3204 + 0.0026/
如圖21所示，顯示了兩接收天線接收到的混合信號l、混合信號2，以及解混后得 到的解混信號l、解混信號2的頻譜圖，從解混前后信號的頻譜圖中可以看出，在兩接 收機(jī)接收信號的功率比小于-7dB的情況下，可以很好的恢復(fù)出900Hz的單音(解混信號 l)和950Hz的單音(解混信號2)兩路源信號。
4)實驗4
發(fā)送的兩路源信號為頻率為800Hz和lKHz的雙音信號和AM信號，混合系統(tǒng)為 線性瞬時混合，解混系統(tǒng)的解混矩陣在經(jīng)過調(diào)整后確定為
『
1.5520 + 0.0385/ —0.1287 + 0.0618/ —1.3703 — 0.0680/ 0.4170-0.0385/
如圖22所示，顯示了兩接收天線接收到的混合信號l、混合信號2，以及解混后得 到的解混信號l、解混信號2的頻譜圖，從解混前后信號的頻譜圖中可以看出，在兩接 收機(jī)接收信號的功率比小于-18dB的情況下，可以很好的恢復(fù)出800Hz和lKHz的雙音 信號(解混信號1)、 AM信號(解混信號2)兩路源信號。
15由計算機(jī)仿真和實際電臺的實驗仿真，可看出本發(fā)明的統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)可以 同時在同頻帶傳送多路信號，接收端利用信號的統(tǒng)計特性差異區(qū)分出不同信號完成信息 的接收，從而實現(xiàn)SDM，并且在信號的頻率或時隙或碼字等上沒有限制，具有很強的 靈活性。這種復(fù)用方式不需要考慮各路信號在時域和頻域造成的相互干擾，并且系統(tǒng)所 能夠達(dá)到的信息速率大于FDM和TDM系統(tǒng)所能夠達(dá)到的信息速率，也即具有更高的 頻帶利用率；與CDM方式相比，SDM復(fù)用方式不需要考慮可用碼字長度和可用碼字?jǐn)?shù) 的影響，能夠在傳輸帶寬保持不變的情況下，大大提高系統(tǒng)的頻帶利用率。
權(quán)利要求
1、統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)，其特征是包括N路源信號和M個接收天線，將各路源信號x按照線性調(diào)制后，在同一時刻同一頻段內(nèi)傳輸，x為隨機(jī)變量，設(shè)pm(x)和pn(x)為隨機(jī)變量x的兩種概率密度函數(shù)，則系統(tǒng)滿足其中m＝2，…M，n＝2，…N，M≥N>1；N路源信號經(jīng)過混合系統(tǒng)后得到M路混合信號，混合系統(tǒng)為無線通信系統(tǒng)的信道，每一個接收天線都接收到一路由N路源信號混合而成的混合信號，將M路混合信號送入解混系統(tǒng)進(jìn)行處理，利用各路源信號之間固有的統(tǒng)計特性差異，解混系統(tǒng)從統(tǒng)計域上將N路源信號區(qū)分開來，恢復(fù)出原有的N路源信號，實現(xiàn)信道的復(fù)用，其中各天線間的傳播路徑相互獨立，解混系統(tǒng)通過一解混矩陣得到N路解混信號，判斷解混信號之間的統(tǒng)計特性差異，如果由統(tǒng)計特性差異足以判斷解混出的N路信號就是對發(fā)送的N路源信號的重構(gòu)，則解混完成，如不滿足統(tǒng)計特性差異判斷，則用學(xué)習(xí)算法調(diào)整解混矩陣，得到新的解混信號，再進(jìn)行統(tǒng)計特性差異判斷，直至解混完成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)，其特征是統(tǒng)計特性的判斷包括 互信息、負(fù)熵、峭度、K-L散度和四維累積量矩陣，解混系統(tǒng)可任選其中一種或幾種進(jìn) 行判斷。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)，其特征是混合系統(tǒng)為線性 瞬時混合模型時，將iV路源信號作為一個信號矢量s-h，^，…，^]T，則經(jīng)過混合系統(tǒng)混合后的M路混合信號矢量可以表示為a^[x,，X2,…,Xw]T ，《禾卩jc満足jc-Js + /i， 《 為噪聲矢量，當(dāng)不考慮噪聲的影響或噪聲的影響可以忽略不計時，源信號經(jīng)過線性瞬時混合后為X = 4*;線性瞬時混合的解混系統(tǒng)為獲取JVxM的解混矩陣W ，使得解混矩陣^對混合信號矢量jc的線性變換y = ^(a: + ") = W(/4s + ii) = Cs + W"為對源信號矢量s的一個可靠估計，這里C為一個對角陣或逆對角陣，當(dāng)不考慮噪聲的影響時， 解混后的信號矢量可以表示為} = ^ = ^^^ = <^，利用學(xué)習(xí)算法不斷地調(diào)整解混矩陣 『直至收斂，得到對iV路源信號的估計，恢復(fù)出原有的iV路源信號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)，其特征是混合系統(tǒng)為巻積混合模型時，將^路源信號作為一個信號矢量*=[年^,...，^;| ，經(jīng)過無線信道混合后的似路混合信號矢量可以表示為1 = [^12廣',^;|7， s和jc満足a:(": l;〃z(A:-p)/ =一00且t|/^|《oo，其中，"^ = h(",s2("，...,^(A:)]T表示A時刻發(fā)送的7V維離散時/7=—00間信號矢量，= [x, (",;c2 (",…，x^ ("]T表示*時刻接收的M維離散時間信號矢 量，Wp為時延/ 的混合系數(shù)Mx7V矩陣；設(shè)〃(2)= l]H,"為系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣，則源信號矢量和混合信號矢量滿足jc(A:)-[好(z)]s(A:);巻積混合的解混系統(tǒng)為調(diào)整解混 系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)『(z)，使無線通信系統(tǒng)整體傳遞函數(shù)矩陣 G(z)-W(z)^(z)二i^(z)，其中，P為7VxiV階置換矩陣，Z)(z)為7VxM階對角矩陣，其第(/,/)個數(shù)據(jù)為c,z— ，c,為一個非零標(biāo)度因子，A,表示整數(shù)延遲，利用學(xué)習(xí)算 法不斷地調(diào)整解混系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)『(z)直至收斂，得到對7V路源信號的估計，恢復(fù)出 原有的iV路源信號。
全文摘要
統(tǒng)計復(fù)用無線通信系統(tǒng)，包括N路源信號和M個接收天線，M≥N＞1，源信號具有統(tǒng)計特性差異，N路源信號經(jīng)過混合系統(tǒng)后得到M路混合信號，接收天線將M路混合信號送入解混系統(tǒng)，利用各路源信號之間固有的統(tǒng)計特性差異，從統(tǒng)計域上將N路源信號恢復(fù)出來，實現(xiàn)信道的復(fù)用。本發(fā)明多路信號同時同頻傳輸，在信號的頻率或時隙或碼字等方面沒有限制，不用考慮各路信號在時域和頻域造成的相互干擾，復(fù)用無線信道的方式更加靈活，大大提高了無線通信系統(tǒng)的頻帶利用率。
文檔編號H04B1/707GK101488776SQ200910028468
公開日2009年7月22日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者沈越泓, 袁志鋼, 魁 許, 陳壽齊, 高文云 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)