技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空分復(fù)用方法(以下，稱為“MIMO(多輸入多輸出)”)，并且更具體地涉及適用于視距(line-of-sight)定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)的MIMO通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，使用MIMO的技術(shù)已經(jīng)在無(wú)線通信領(lǐng)域盛行，而MIMO本身不再是新的技術(shù)。使用MIMO的傳統(tǒng)技術(shù)主要集中于移動(dòng)通信，并且將MIMO應(yīng)用到固定通信還未被全面檢驗(yàn)過(guò)。在移動(dòng)通信無(wú)線電信道中，來(lái)自發(fā)送天線的無(wú)線電波根據(jù)周圍的地形被反射或者被散射，從而以一組波的形式到達(dá)接收機(jī)，引起衰落現(xiàn)象的發(fā)生，衰落現(xiàn)象已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信的障礙。移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)并不視衰落現(xiàn)象為惡魔，而是認(rèn)為它是移動(dòng)通信無(wú)線電傳播中固有的具有很大潛能的環(huán)境資源。就這一點(diǎn)而言，MIMO技術(shù)被認(rèn)為是革新技術(shù)。

盡管在示例的數(shù)量上少于移動(dòng)通信，但是非專利文獻(xiàn)1公開了將這樣的MIMO技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線電信道確定的視距固定無(wú)線電通信的結(jié)果。

如上所述的移動(dòng)通信將信道作為概率矩陣進(jìn)行處理。另一方面，視距固定無(wú)線電通信需要將無(wú)線電信道作為確定性無(wú)線電信道進(jìn)行處理，在確定性無(wú)線電信道中，發(fā)送天線和接收天線之間的幾何位置關(guān)系是固定的。

如下，以上非專利文獻(xiàn)1記載了：由于在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)兩側(cè)上的天線間隔長(zhǎng)度的延伸，在構(gòu)成發(fā)送天線和接收天線間的信道的信道矩陣H上產(chǎn)生了什么效應(yīng)。

【式1】

H·H^H＝n·I_n

其中，n是天線數(shù)，H^H是H的Hermitian轉(zhuǎn)置矩陣，并且I是單位矩陣。

根據(jù)非專利文獻(xiàn)1，信號(hào)關(guān)于被直線布置以在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間彼此面對(duì)的發(fā)送天線i和接收天線k的相位旋轉(zhuǎn)通過(guò)以下公式來(lái)設(shè)置，從而發(fā)送天線和接收天線可以由直線式天線(linear antenna)構(gòu)成。

【式2】

因此，當(dāng)n＝2時(shí)，信道矩陣H由以下公式表示：

【式3】

其中，j是表示虛數(shù)的符號(hào)。

在這種情況中，滿足式1的條件的天線配置是可能的。非專利文獻(xiàn)1記載了當(dāng)式1的條件滿足時(shí)，MIMO配置中的信道容量通過(guò)H_max變成最大。

即，不僅在經(jīng)歷了反射或散射的移動(dòng)通信環(huán)境中，而且在確定性視距通信環(huán)境中，都可以預(yù)期基于MIMO的信道容量增大。

另一方面，定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)使用幾GHz到幾十GHz頻帶，幾GHz到幾十GHz頻帶對(duì)應(yīng)于幾mm到幾Gm的波長(zhǎng)。因此，由于對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線方向的移動(dòng)，會(huì)發(fā)生明顯的相位旋轉(zhuǎn)。在這樣的條件下，很難確保確定性信道矩陣。

注意，稍后描述的理論分析將在解析上揭示：即使發(fā)生高度敏感的天線方向上的這種位移，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)以上信道容量的增加。

在MIMO技術(shù)中，在同一頻帶上發(fā)送/接收多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)。因此，信號(hào)分離/檢測(cè)是必須的。作為實(shí)現(xiàn)此的手段，存在一種基于矩陣計(jì)算的公知方法(以下，稱為SVD方法)，該矩陣計(jì)算使用通過(guò)奇異值分解(SVD)得到的酉矩陣(unitary matrix)。假定在SVD方法中，用于酉矩陣的構(gòu)建的反饋信息可以從接收端被理想地發(fā)送給發(fā)送端。在這種情況中，即使發(fā)生以上高度敏感的天線方向上的位移，酉矩陣也操作來(lái)補(bǔ)償該位移。結(jié)果，基于MIMO可以實(shí)現(xiàn)大容量定點(diǎn)微波通信。

非專利文獻(xiàn)1：IEEE TRANSACTION ON COMMUNICATIONS，VOL.47，NO.2，F(xiàn)EBRUARY 1999、PP.173-176、On the Capacity Formula for Multiple Input-Multiple Output Wireless Channels：A Geometric Interpretation

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問(wèn)題

然而，以上反饋信息會(huì)增大系統(tǒng)開銷。另外，必須準(zhǔn)備用于交換反饋信息的反向信道。注意，稍后要描述的對(duì)信道矩陣H的建模執(zhí)行包含高度敏感天線方向上的位移的分析。

當(dāng)針對(duì)信道確定的視距固定信道執(zhí)行奇異值分析時(shí)，存在特征值是多重根條件以產(chǎn)生奇異點(diǎn)的天線間位置。盡管奇異值是唯一確定的，但是奇異向量不是唯一的。這個(gè)解析起來(lái)特別麻煩的狀態(tài)會(huì)引起奇異向量的明顯轉(zhuǎn)變(transition)。

然而，通過(guò)利用這一現(xiàn)象，可以有各種配置。稍后將描述利用這種特性的各種配置示例。

作為確定性視距MIMO中的主要問(wèn)題，在以上傳統(tǒng)方法中存在必須在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)實(shí)現(xiàn)天線間的載波同步的問(wèn)題。即，在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)，多個(gè)天線間的相位差必須相等或者必須具有恒定的相位差。

另一方面，在定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)中，鑒于要使用的頻率，天線間隔長(zhǎng)度必須加寬。相應(yīng)地，包含本地振蕩器的無(wú)線電裝置被安裝在天線附近。即，必須實(shí)現(xiàn)天線間的載波同步的問(wèn)題對(duì)定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)施加了嚴(yán)重的限制。

因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有確定性信道的MIMO通信系統(tǒng)及方法，其中，MIMO被應(yīng)用于具有固定幾何位置關(guān)系的視距信道以增大信道容量。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的MIMO通信系統(tǒng)，該MIMO通信系統(tǒng)能夠提供與傳統(tǒng)的SVD方法等同的性能，而沒有SVD方法中需要從接收端發(fā)送到發(fā)送端以用于的酉矩陣的構(gòu)建的反饋信息。

此外，本發(fā)明的主要目的是提供解決了必須實(shí)現(xiàn)天線間的載波同步的問(wèn)題的MIMO通信系統(tǒng)，天線間的載波同步對(duì)定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)的構(gòu)建施加了嚴(yán)重的制約。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的MIMO通信系統(tǒng)：即使在由于對(duì)諸如風(fēng)或周圍環(huán)境之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線方向上的移動(dòng)引起的明顯的相位旋轉(zhuǎn)而難于確保確定性信道矩陣的條件下，該MIMO通信系統(tǒng)仍然能夠提供與SVD方法等同的性能。

根據(jù)本發(fā)明的MIMO是視距通信，所以在多個(gè)天線的信號(hào)之間存在某種相關(guān)性，并且在這點(diǎn)上，與傳統(tǒng)移動(dòng)通信中使用的MIMO不同。即，傳統(tǒng)移動(dòng)通信或室內(nèi)無(wú)線LAN系統(tǒng)是基于在多個(gè)天線的信號(hào)之間不存在相關(guān)性的假設(shè)下實(shí)現(xiàn)的。因此，應(yīng)當(dāng)注意，與根據(jù)本發(fā)明的MIMO不同，傳統(tǒng)的MIMO不在存在天線間的某種相關(guān)性的狀態(tài)下操作。

解決問(wèn)題的手段

為了解決以上問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種包括多個(gè)信道的視距MIMO通信系統(tǒng)，其特征在于包括：在發(fā)送側(cè)或在接收側(cè)或在發(fā)送和接收兩側(cè)的信道矩陣計(jì)算處理部件，其中，信道矩陣計(jì)算處理部件根據(jù)發(fā)送天線(例如，電波傳播中所使用的發(fā)送天線、發(fā)光裝置、揚(yáng)聲器等)或接收天線(例如，電波傳播中所使用的接收天線、光接收裝置、麥克風(fēng)等)的位置變動(dòng)或信道的變動(dòng)更新正交信道形成矩陣。

為了虛擬正交信道的形成，設(shè)置信道的幾何參數(shù)使得信道矩陣的特征值變成多重根條件，并且在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)中的一側(cè)執(zhí)行對(duì)基于根據(jù)特征值得到的特征向量或根據(jù)特征向量的線性和得到的特征向量構(gòu)成的酉矩陣的計(jì)算。

MIMO通信系統(tǒng)是使用多個(gè)信道的定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)，并且是通過(guò)使用針對(duì)發(fā)送和接收側(cè)之一或兩側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的本地振蕩器來(lái)構(gòu)成的。

MIMO通信系統(tǒng)包括用于對(duì)發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的裝置，并且基于來(lái)自該裝置的檢測(cè)結(jié)果，更新虛擬正交信道形成矩陣。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)本發(fā)明的MIMO通信系統(tǒng)包括多個(gè)信道。此外，該系統(tǒng)包括在發(fā)送側(cè)或在接收側(cè)或在發(fā)送和接收兩側(cè)的信道矩陣計(jì)算處理部件。信道矩陣計(jì)算處理部件根據(jù)發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)更新正交信道形成矩陣。利用這樣的配置，可以吸取發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)，從而提供能夠?qū)崿F(xiàn)最大通信容量的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，為了虛擬正交信道的形成，設(shè)置信道的幾何參數(shù)使得信道矩陣的特征值變成多重根條件，并且在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)中的一側(cè)執(zhí)行對(duì)基于根據(jù)特征值得到的特征向量或根據(jù)特征向量的線性和得到的特征向量所構(gòu)成的酉矩陣的計(jì)算。這使能了靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)并且可以實(shí)現(xiàn)不需要使用用于交換反饋信息的反向信道的配置和僅執(zhí)行發(fā)送處理的配置。

此外，MIMO通信系統(tǒng)是使用多個(gè)天線并且通過(guò)使用針對(duì)發(fā)送側(cè)和接收側(cè)中的一側(cè)或兩側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的本地振蕩器來(lái)構(gòu)成的定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)。利用這樣的配置，可以解決必須實(shí)現(xiàn)天線間的載波同步的問(wèn)題，天線間的載波同步對(duì)定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)的構(gòu)建施加了嚴(yán)重的制約。

此外，可以僅在接收側(cè)執(zhí)行用于虛擬正交信道的形成的矩陣計(jì)算處理。利用這樣的配置，可以提供不需要使用反向信道來(lái)周期地頻繁交換反饋信息的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，MIMO通信系統(tǒng)包括用于對(duì)發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的手段，并且使用來(lái)自該手段的檢測(cè)結(jié)果更新虛擬正交信道形成矩陣。利用這樣的配置，可以提供具有令人滿意的安裝條件和強(qiáng)固的結(jié)構(gòu)的沒有問(wèn)題的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，MIMO通信系統(tǒng)還包括用于將導(dǎo)頻(pilot)信號(hào)從發(fā)送側(cè)發(fā)送給接收側(cè)的手段，通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)對(duì)發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，并且基于該檢測(cè)的結(jié)果更新虛擬正交信道形成矩陣。利用這樣的配置，可以提供具有令人滿意的安裝條件和強(qiáng)固的結(jié)構(gòu)的沒有問(wèn)題的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，MIMO通信系統(tǒng)包括用于將各個(gè)天線的導(dǎo)頻信號(hào)從發(fā)送側(cè)發(fā)送給接收側(cè)的手段，并且基于導(dǎo)頻信號(hào)，僅在接收側(cè)執(zhí)行用于虛擬正交信道形成的矩陣計(jì)算處理。利用這樣的簡(jiǎn)單處理，可以提供不需要使用反向信道來(lái)周期地頻繁交換反饋信息的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，在由本地振蕩器執(zhí)行的處理之前產(chǎn)生要從發(fā)送側(cè)被發(fā)送給接收側(cè)的導(dǎo)頻信號(hào)。利用這樣的配置，可以在接收端對(duì)發(fā)送側(cè)產(chǎn)生的本地振蕩器之間的相位噪聲進(jìn)行檢測(cè)，并且通過(guò)更新矩陣可以補(bǔ)償所產(chǎn)生的相位噪聲。

此外，在接收側(cè)在由本地振蕩器執(zhí)行的處理之后執(zhí)行對(duì)已經(jīng)從發(fā)送側(cè)被發(fā)送到接收側(cè)的導(dǎo)頻信號(hào)的檢測(cè)。利用這樣的配置，可以在接收端對(duì)在接收側(cè)產(chǎn)生的本地振蕩器之間的相位噪聲進(jìn)行檢測(cè)，并且通過(guò)更新矩陣可以補(bǔ)償所產(chǎn)生的相位噪聲。

此外，從發(fā)送側(cè)被發(fā)送給接收側(cè)的導(dǎo)頻信號(hào)在發(fā)送天線間是正交的。利用這樣的配置，通過(guò)簡(jiǎn)易相關(guān)器可以對(duì)本地振蕩器之間的相位噪聲和由氣象條件引起的高度敏感天線方向上的位移進(jìn)行檢測(cè)，并且通過(guò)更新矩陣可以補(bǔ)償所檢測(cè)到的相位噪聲或位移。

此外，視距信道可以被用作光學(xué)信道、或聲學(xué)信道以及電波信道。在這種情況中，也可以提供MIMO通信系統(tǒng)。

此外，使得多個(gè)發(fā)送天線或多個(gè)接收天線之間的長(zhǎng)度和多個(gè)發(fā)送天線或多個(gè)接收天線的方向中的一個(gè)可變或兩者都可變。利用這樣的配置，不論是何種幾何形式的視距信道，通過(guò)對(duì)發(fā)送天線或接收天線之間的間隔長(zhǎng)度與發(fā)送天線或接收天線的軸向之一或兩者進(jìn)行控制總是能夠?qū)崿F(xiàn)最大通信容量。

在本發(fā)明中，不需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上效果，但是至少可以實(shí)現(xiàn)效果之一。

附圖說(shuō)明

圖1是示出使用SVD方法的視距MIMO的配置示例的視圖，在該SVD方法中，天線間隔長(zhǎng)度被任意設(shè)置并且考慮了高度敏感的天線方向上的天線位置變動(dòng)；

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的視距MIMO的第一示例(第一配置示例)的視圖，其中，僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行基于酉矩陣V的矩陣計(jì)算；

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的視距MIMO的第二示例(第二配置示例)的視圖，其中，僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行基于酉矩陣的矩陣計(jì)算并且虛擬正交信道具有不同的值；

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的視距MIMO的第三示例(第三配置示例)的視圖，其中，僅在接收側(cè)執(zhí)行基于酉矩陣的矩陣計(jì)算并且本地振蕩器是針對(duì)發(fā)送側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的；

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的視距MIMO的第四示例(第四配置示例)的視圖，其中，僅在接收側(cè)執(zhí)行基于酉矩陣的矩陣計(jì)算并且本地振蕩器是針對(duì)發(fā)送側(cè)和接收側(cè)兩側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的；

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的視距MIMO的第五示例(第五配置示例)的視圖，其中，僅在接收側(cè)執(zhí)行基于酉矩陣的矩陣計(jì)算，虛擬正交信道具有不同值，并且本地振蕩器是針對(duì)發(fā)送側(cè)和接收側(cè)兩側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的；

圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的視距MIMO的第六示例(第六配置示例)的視圖，其中，在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)分別安裝了三個(gè)天線，并且本地振蕩器是針對(duì)發(fā)送側(cè)和接收側(cè)兩側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的；

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的視距MIMO的第七示例(第七配置示例)的視圖，其中，在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)分別安裝了四個(gè)天線，并且本地振蕩器是針對(duì)發(fā)送側(cè)和接收側(cè)兩側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的；

圖9是示出依據(jù)天線間隔長(zhǎng)度、對(duì)基于各種方法的虛擬正交信道的SNR進(jìn)行比較的視圖；

圖10是示出發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的天線間隔長(zhǎng)度彼此不同的配置示例的視圖；

圖11是示出圖10的信道的建模的視圖；

圖12是示出天線間隔長(zhǎng)度在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間彼此不同的圖10的情況中的通信容量的視圖；

圖13是示出發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間的天線布置形成菱形的配置示例的視圖；

圖14是示出發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間的天線布置形成菱形并且僅在接收側(cè)執(zhí)行基于酉矩陣的矩陣計(jì)算的配置示例的視圖；

圖15是示出發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間的天線布置形成任意幾何形式的情況的視圖；

圖16是示出光學(xué)信道被用作確定性信道的示例的視圖；

圖17是示出聲學(xué)信道被用作確定性信道的示例的視圖；

圖18是示出在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間的天線布置形成任意幾何形式的配置中使用的天線的配置示例的視圖；

圖19是示出虛擬正交信道上的特征值的視圖；以及

圖20是示出僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的配置的應(yīng)用示例的視圖。

標(biāo)號(hào)的說(shuō)明

101，201：基于酉矩陣V的矩陣計(jì)算處理部件

102，108，402，502，510，602，610：頻率變換部件

103，105，109，111，403，407，503，507，311，515，603，607，611，615：混頻器

104，110，404，405，504，505，512，513，604，605，612，613：本地振蕩器

106，107，202，203，302，303，408，409，508，509，608，609：固定天線部件

112，410，517：基于酉矩陣U的矩陣計(jì)算處理部件

301：基于矩陣V的矩陣計(jì)算處理部件

401，501，601導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生部件

406，506，514，606，614：對(duì)由載波之間的不同步引起的相位噪聲的建模

516，616：導(dǎo)頻檢測(cè)部件

617：基于矩陣U的矩陣計(jì)算處理部件

1601：激光二極管(LD)

1602：光電探測(cè)器(PD)

1701：超聲波振蕩器

1702：超聲波麥克風(fēng)(ultrasonic microphone)

1801，1802：天線元件

1803：連接桿

1804：鉸鏈(hinge)

2001：發(fā)送臺(tái)

2002：接收臺(tái)1

2003：接收臺(tái)2

具體實(shí)施方式

將參考公式和附圖描述本發(fā)明示例性實(shí)施例。在此之前，將對(duì)即使在確定性視距信道的情況下，MIMO配置中的信道容量也變得最大這一事實(shí)的理論原因進(jìn)行說(shuō)明。

基于MIMO配置的虛擬正交信道的信道容量由各個(gè)路徑的特征值表示。然后，針對(duì)使用兩個(gè)天線的配置執(zhí)行特征值分析。以下建模(圖1中示出其天線配置和標(biāo)號(hào))考慮了高度敏感的天線方向上的位移。盡管為了簡(jiǎn)便起見將描述使用兩個(gè)天線的情況，但是，不論天線的數(shù)目是多少，都可以應(yīng)用同樣的計(jì)算。

基于發(fā)射機(jī)-接收機(jī)距離R的傳播損耗和共同相移是無(wú)關(guān)緊要的，因此可以忽略這些項(xiàng)。由式4表示對(duì)角信道(diagonal channel)與直信道(straight channel)之間的信道差。

【式4】

由式5表示基于信道差的相位旋轉(zhuǎn)α。

【式5】

順便提及，假定RF頻率＝30GHz，R＝5000m，天線間隔長(zhǎng)度d_T＝d_R＝5m，則α滿足式6。

【式6】

因此，由式7表示考慮了相移Φ的信道矩陣H，相移Φ基于作為發(fā)送側(cè)所提供的用于發(fā)送信號(hào)s₁和s₂的兩個(gè)發(fā)送天線之一、用于發(fā)送信號(hào)s₂的發(fā)送天線的位置變動(dòng)。

【式7】

因此，式8得以滿足。

【式8】

結(jié)果，可以如下計(jì)算表示虛擬正交信道的信道容量的特征值λ₁和λ₂。在以下公式中，H^H是信道矩陣H的Hermitian轉(zhuǎn)置矩陣。

【式9】

∴

圖19中示出式9的計(jì)算結(jié)果。圖19中的數(shù)值結(jié)果示出在每個(gè)天線上發(fā)送單位功率的情況，因此信道容量是天線數(shù)的兩倍。應(yīng)當(dāng)注意，以上計(jì)算中使用的建模包括高度敏感的天線方向上的位移。盡管如此，位移分量并未出現(xiàn)在表示最終信道容量的特征值結(jié)果中。即，即使是在無(wú)線電信道確定的視距固定無(wú)線電通信中，通過(guò)MIMO的信道容量增加也是可能的。信道容量是由與高度敏感的天線位移無(wú)關(guān)的天線間隔長(zhǎng)度確定的。

以上已經(jīng)描述了使用兩個(gè)天線的情況。以下，將描述三個(gè)或更多天線的情況。

根據(jù)式5得到被直線布置的發(fā)送天線和接收天線之間的相位旋轉(zhuǎn)，相位旋轉(zhuǎn)基于正交信道和直信道之間的差。假定天線間隔長(zhǎng)度是共同值d，則由式10表示相位旋轉(zhuǎn)。

【式10】

【式11】

∴

因此，當(dāng)定義d和發(fā)射機(jī)-接收機(jī)距離R使得滿足以上式11并且考慮其中使用三個(gè)天線的配置時(shí)，可以得到由式12表示的信道矩陣H₃。

【式12】

因此，滿足式13。

【式13】

因此，可以理解，與虛擬正交信道的信道容量相對(duì)應(yīng)的三個(gè)特征值全都是“3”，并且總信道容量是天線數(shù)的3倍。

【式14】

∴

類似地，當(dāng)定義d和發(fā)射機(jī)-接收機(jī)距離R使得考慮其中使用了4個(gè)天線的配置時(shí)，可以得到由式15表示的信道矩陣H₄。

【式15】

因此，滿足式16。

【式16】

因此，可以理解，與虛擬正交信道的信道容量相對(duì)應(yīng)的4個(gè)特征值全是“4”，并且總信道容量是天線數(shù)的4倍。

即，可以理解，即使天線數(shù)超過(guò)2，確定性視距信道的信道容量也增加到與天線數(shù)相對(duì)應(yīng)的等同于MIMO最大容量的程度。注意，盡管在以下示例中為方便起見將描述使用兩個(gè)天線的情況，但是不言而喻，其也適用于天線數(shù)超過(guò)2的情況。

接著，作為MIMO中的信號(hào)分離/檢測(cè)方法，將描述基于使用通過(guò)奇異值分解得到的酉矩陣的矩陣計(jì)算的方法(以下，稱為SVD方法)。在SVD方法中，需要使用發(fā)送側(cè)的酉矩陣V的矩陣計(jì)算和使用接收側(cè)的酉矩陣U的矩陣計(jì)算。為了執(zhí)行使用酉矩陣V的矩陣計(jì)算，用于酉矩陣的構(gòu)建的反饋信息必須從接收端被發(fā)送給發(fā)送端。

以下將參考公式和附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

在圖1中，由發(fā)送(發(fā)射機(jī))側(cè)矩陣計(jì)算處理部件101基于酉矩陣V處理過(guò)的發(fā)送信號(hào)被發(fā)送側(cè)頻率變換部件102頻率變換為無(wú)線電頻率的信號(hào)，并且作為s₁和s₂被從包括多個(gè)天線的固定天線部件106發(fā)送，發(fā)送側(cè)頻率變換部件102包括本地振動(dòng)器104、混頻器103和混頻器105。s₁和s₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示。

應(yīng)當(dāng)注意，通過(guò)從一個(gè)本地振蕩器104提供給混頻器103和105的本地振蕩信號(hào)實(shí)現(xiàn)天線之間的載波同步。這源于對(duì)空分復(fù)用定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)的制約，即，確定性信道是基于路徑之間的相位差來(lái)確定的。然而，如稍后將要描述的，可以針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立地設(shè)置本地振蕩器。

這樣發(fā)送的信號(hào)作為r₁和r₂被包括多個(gè)天線的接收(接收機(jī))側(cè)固定天線部件107接收。r₁和r₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示。接收信號(hào)r₁和r₂被包括本地振蕩器110、混頻器109和混頻器111的接收側(cè)頻率變換部件108頻率變換為基帶頻率信號(hào)，隨后被接收側(cè)矩陣計(jì)算處理部件112基于酉矩陣U進(jìn)行處理，從而完成MIMO中的信號(hào)分離/檢測(cè)。

應(yīng)當(dāng)注意，通過(guò)從一個(gè)本地振蕩器110提供給混頻器109和111的本地振蕩信號(hào)實(shí)現(xiàn)天線間的載波同步。這源于對(duì)空分復(fù)用定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)的制約，即，確定性信道是基于路徑之間的相位差來(lái)確定的。

在這種情況中，如稍后描述的，和在發(fā)送端的情況一樣，也可以針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立地設(shè)置本地振蕩器。要被使用的天線不受特別的限制，并且可以是拋物面天線或喇叭天線。矩陣計(jì)算處理部件101和112可以通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)或者通過(guò)諸如ASIC(專用集成電路)等之類的硬件來(lái)構(gòu)建。

接著，將參考公式具體描述使用以下考慮了給定天線間隔長(zhǎng)度和高度敏感的天線位移的信道矩陣H來(lái)計(jì)算酉矩陣V和U的方法。

這里使用的視距信道的信道矩陣H由式17表示。

【式17】

其中，

Φ，由位移導(dǎo)致的相位改變

由式18表示基于特征值的奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式18】

以所提到的順序使用以上信道矩陣H計(jì)算酉矩陣V和酉矩陣U。

【酉矩陣V】

首先，將描述酉矩陣V的計(jì)算。假定由式20表示與式19所表示的信道矩陣H相對(duì)應(yīng)的特征向量。

【式19】

【式20】

在這種情況中，滿足式21。

【式21】

因此，根據(jù)式22，可以得到式23。

【式22】

【式23】

當(dāng)式24的兩側(cè)都從左邊乘以V^H時(shí)，得到式25。

【式24】

Ω·v＝λ·v

【式25】

v^H·Ω·v＝λ

然后，正交的“v”被收集并且得到式26。

【式26】

V^H·Ω·V＝Λ∴Ω＝V·Λ·V^H

根據(jù)式27，滿足式28。

【式27】

H＝U·Λ^1/2·V^H

【式28】

Ω＝H^H·H＝V·Λ^1/2·U^H·U·Λ^1/2·V^H＝V·Λ·V^H

這樣，分別由式29表示的特征向量被收集以得到式30。

【式29】

【式30】

這里，當(dāng)作為考慮了歸一化和正交性的特解而設(shè)置式31時(shí)，得到式32。

【式31】

【式32】

∴

【酉矩陣U】

接著，將描述酉矩陣U的計(jì)算。假定基于式33由式34表示特征向量

【式33】

【式34】

在這種情況中，根據(jù)式35，得到式36。

【式35】

【式36】

當(dāng)式37的兩側(cè)從左邊被乘以u(píng)^H時(shí)，得到式38。

【式37】

Ω′·u＝λ·u

【式38】

u^H·Ω′·u＝λ

然后，收集正交的“u”并且得到式39。

【式39】

U^H·Ω′·U＝Λ∴Ω′＝U·Λ·U^H

因此，分別由式40表示的特征向量被收集以得到式41。

【式40】

【式41】

這里，當(dāng)式42被設(shè)置為考慮了歸一化和正交性的特解時(shí)，得到式43。

【式42】

【式43】

∴

為了確認(rèn)通過(guò)以上計(jì)算得到的酉矩陣V和U，用V和U執(zhí)行信道矩陣H的奇異值分解。

【H＝U·Λ·V^H的奇異值分解】

當(dāng)使用V和U執(zhí)行信道矩陣H的奇異值分解時(shí)，滿足式44。

【式44】

因此，可以理解，如在以上示例中一樣，可以形成正交信道而不論是否實(shí)現(xiàn)最優(yōu)位置(R＝5000m并且d_T＝d_R＝5m)。然而，在這種情況中，所得到的虛擬正交信道的發(fā)送質(zhì)量從與和成比例到與和成比例，并因此彼此不同。

在圖1的框圖中，示出了其中已經(jīng)構(gòu)建由粗箭頭指示的和的虛擬正交信道。應(yīng)當(dāng)注意，以上酉矩陣包括由外部因素引起的信道間的變動(dòng)，外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微妙變化高度敏感的天線位置的變動(dòng)(在圖1中通過(guò)Φ來(lái)建模)。因此，即使發(fā)生以上在高度敏感的天線方向上的位移，酉矩陣仍可以操作來(lái)補(bǔ)償該位移。如稍后將描述的，即使是在針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器的配置中，相位差也被建模到天線位置的變動(dòng)中。因此，在這個(gè)示例的配置中，可以獨(dú)立地設(shè)置本地振蕩器。

在這個(gè)配置中，用于V矩陣的構(gòu)建的反饋信息需要從接收端被發(fā)送到發(fā)送端。然而，當(dāng)采用只在接收側(cè)補(bǔ)償位移的配置時(shí)，可以消除使用反饋信息的需要。

以上已經(jīng)描述了包含所構(gòu)建的路徑具有不同寬度的情況的一般虛擬正交信道。以下，將考慮在視距固定信道具有多重根的情況下的奇異點(diǎn)。

當(dāng)針對(duì)信道確定的視距固定信道執(zhí)行奇異值分析時(shí)，存在特征值是多重根條件以產(chǎn)生奇異點(diǎn)的天線間位置。盡管奇異值是唯一地確定的，但是奇異向量不是唯一的。這個(gè)解析起來(lái)特別麻煩的狀態(tài)(虧損矩陣，Deficient matrix)會(huì)引起奇異向量的明顯轉(zhuǎn)變。然而，通過(guò)利用這一現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)各種配置。稍后將描述利用了這些特性的各種配置示例。此前，將描述基本原理。

這里，將考慮式45中的α滿足式46的天線間位置。

【式45】

【式46】

由式47表示處于該狀態(tài)的信道矩陣H。

【式47】

e^jα ＝± j

這里，滿足式48。

【式48】

這樣，根據(jù)式49，特征方程具有多重根條件。在這種情況中，可以進(jìn)行以下變換。

【式49】

對(duì)于關(guān)于特征值λ的給定特征向量u₁，滿足式50。

【式50】

Ω′·u₁＝λ·u₁

類似地，對(duì)于關(guān)于特征值λ的給定的特征向量u₂，滿足式51。

【式51】

Ω′·u₂＝λ·u₂

因此，對(duì)于這兩個(gè)特征向量的線性和，滿足式52。因此，線性和(c₁·u₁+c₂·u₂)變成特征向量。

【式52】

Ω′·(c₁·u₁+c₂·u₂)＝λ·(c₁·u₁+c₂·u₂)

假定針對(duì)重根設(shè)置基于另一條件的漸近特征向量作為式53。

【式53】

在這種情況中，根據(jù)式54，滿足式55。

【式54】

【式55】

∵λ＝2±2cosα

當(dāng)式56的兩側(cè)都從左邊乘以u(píng)^H時(shí)，獲得式57。

【式56】

Ω′·u＝λ·u

【式57】

u^H·Ω′·u＝λ

然后，收集正交的“u”并且得到式58。

【式58】

U^H·Ω′·U＝Λ∴Ω′＝U·Λ·U^H

這里，滿足式59。

【式59】

Ω′＝H·H^H＝U·Λ^1/2·V^H·V·Λ^1/2·U^H＝U·Λ·U^H

這樣，由式60表示的以上特征向量被收集而在考慮了歸一化和正交性的情況下獲得式61。

【式60】

【式61】

這里，當(dāng)考慮和與差為線性組合時(shí)，滿足式62。

【式62】

根據(jù)式62，獲得式63。

【式63】

此外，由于滿足式64，所以滿足式65。

【式64】

【式65】

作為試驗(yàn)，當(dāng)使用所得到矩陣U、Λ^1/2、V^H計(jì)算信道矩陣H時(shí)，滿足式66。

【式66】

從式66可以看出，信道矩陣H成立。然而，這僅僅是一個(gè)示例，根據(jù)與重根相對(duì)應(yīng)的奇異點(diǎn)，基于同樣的方法可以考慮各種分解方法。

第一示例

(僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的情況)

作為本發(fā)明的第一示例(第一配置示例)，將描述僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的配置示例。

(奇異值正交矩陣Λ^1/2)

在這種情況中，虛擬正交信道具有相同的值，所以由式67表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式67】

【信道矩陣H】

因此，信道矩陣H由式68表示。

【式68】

∴

在圖2中示出基于以上結(jié)果得到的配置。在圖2中，由發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理部件201基于酉矩陣V處理過(guò)的發(fā)送信號(hào)作為s₁和s₂從包括多個(gè)天線的固定天線部件202被發(fā)送。s₁和s₂的標(biāo)記是基于等同的基帶表示的，并且這里為了避免復(fù)雜省略了頻率變換。

這樣發(fā)送的信號(hào)被包括多個(gè)天線的接收側(cè)固定天線部件203作為r₁和r₂接收。r₁和r₂的標(biāo)記是基于等同的基帶表示的，并且這里為了避免復(fù)雜省略了頻率變換。關(guān)鍵是，基于酉矩陣U的接收側(cè)矩陣計(jì)算處理根本未被執(zhí)行，但是在發(fā)送側(cè)進(jìn)行了所有矩陣計(jì)算。

從式68可以看出，在只在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的情況中，矩陣包括由外部因素引起的信道間的變動(dòng)，外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線位置的變動(dòng)(在圖2中通過(guò)Φ建模)。因此，即使發(fā)生高度敏感的天線方向上的位移時(shí)，酉矩陣也可以操作來(lái)補(bǔ)償該位移。

在這個(gè)配置中，用于V矩陣的構(gòu)建的反饋信息需要從接收端被發(fā)送給發(fā)送端。圖2中的粗箭頭指示信道質(zhì)量與和成比例的虛擬正交信道。要使用的天線不受特別限制并且可以是拋物面天線或喇叭天線。矩陣計(jì)算處理部件201可以通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)或者由諸如ASIC等的硬件來(lái)構(gòu)建。

第二示例

(只在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算、路徑具有不同寬度的虛擬正交信道的情況)

作為本發(fā)明第二示例(第二配置示例)，將描述這樣的配置示例：在路徑具有不同寬度的虛擬正交信道中，只在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，虛擬正交信道具有不同的值，從而由式69表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式69】

【信道矩陣H】

因此，由式70表示信道矩陣H。

【式70】

因此，由式71表示矩陣V^H。

【式71】

這里，滿足式72，所以可以得到式73作為矩陣V^H。

【式72】

【式73】

這里，由式74表示向量的平方模。

【式74】

因此，V^H不再是酉矩陣。因此，為了計(jì)算矩陣V，需要逆矩陣計(jì)算。

作為試驗(yàn)，當(dāng)使用所得到的矩陣U、Λ^1/2、V^H計(jì)算信道矩陣H時(shí)，滿足式75。

【式75】

從式75可以看出，信道矩陣H成立。

接著，考慮V^H的逆矩陣V。假定由式76表示的給定矩陣A。

【式76】

由式77表示以上矩陣A的逆矩陣A^-1。

【式77】

因此，得到式78作為矩陣V。

【式78】

在圖3中示出基于以上結(jié)果所得到的配置。

在圖3中，由發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理部件301基于酉矩陣V處理過(guò)的發(fā)送信號(hào)作為s₁和s₂被從包括多個(gè)天線的固定天線部件302發(fā)送。s₁和s₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示，并且這里為了避免復(fù)雜省略了頻率變換處理。

這樣發(fā)送的信號(hào)被包括多個(gè)天線的接收側(cè)固定天線部件303接收作為r₁和r₂。r₁和r₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示，并且這里為了避免復(fù)雜省略了到基帶頻率信號(hào)的頻率變換處理。關(guān)鍵是，基于酉矩陣U的接收側(cè)矩陣計(jì)算處理完全未被執(zhí)行，但是在發(fā)送側(cè)執(zhí)行了所有的矩陣計(jì)算。

從式78可見，在僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的情況中，矩陣包括由外部因素引起的信道間的變動(dòng)，所述外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微妙變化高度敏感的天線位置的變動(dòng)(在圖3中通過(guò)Φ建模)。因此，即使發(fā)生在高度敏感的天線方向上的位移時(shí)，發(fā)送側(cè)矩陣也可以操作來(lái)補(bǔ)償該位移。

在該配置中，用于V矩陣的構(gòu)建的反饋信息需要從接收端被發(fā)送給發(fā)送端。要使用的天線不受特別限制，并且可以是拋物面天線或喇叭天線。矩陣計(jì)算處理部件301可以通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)或者通過(guò)諸如ASIC之類的硬件來(lái)構(gòu)建。

因此，可以理解，不論是否實(shí)現(xiàn)最佳位置(R＝5000m并且d_T＝d_R＝5m)，通過(guò)僅在發(fā)送側(cè)的矩陣計(jì)算處理都可以形成虛擬正交信道。

在圖20中了示出僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的配置應(yīng)用。如圖20中所示，在位于骨干網(wǎng)絡(luò)附近的發(fā)送臺(tái)2001中設(shè)有多個(gè)天線，并且在位于用戶網(wǎng)絡(luò)附近的接收臺(tái)2002和2003中分別設(shè)有一個(gè)天線。接收臺(tái)2002和接收臺(tái)2003彼此遠(yuǎn)離，因此矩陣計(jì)算無(wú)法被執(zhí)行。另一方面，發(fā)送臺(tái)2001可以執(zhí)行矩陣計(jì)算。因此，可以將僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的配置應(yīng)用于圖20的配置。這樣的“一臺(tái)對(duì)多臺(tái)”配置的概念可以應(yīng)用于稍后作為僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的配置描述的“多臺(tái)對(duì)一臺(tái)”配置。

第三示例

(僅在接收側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算并且發(fā)送側(cè)的本地振蕩器是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的情況)

作為本發(fā)明的第三示例(第三配置示例)，將描述僅在接收側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算的配置示例。第三配置具有以下特性：不需要從接收端被發(fā)送給發(fā)送端的反饋信息；可以針對(duì)發(fā)送側(cè)的各個(gè)天線來(lái)獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器；并且可以示出與SVD的特性完全相同的特性。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，虛擬正交信道具有相同的值，因此由式79表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式79】

【信道矩陣H】

因此，可以得到式80作為信道矩陣H。

【式80】

∴

∴

在圖4中示出基于以上結(jié)果所得到的配置。如圖4中所示，基于酉矩陣V的發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理完全未被執(zhí)行，但是在接收側(cè)執(zhí)行了全部矩陣計(jì)算。

從式80可見，在僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的情況中，矩陣包括由外部因素引起的信道間的變動(dòng)，所述外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線位置的變動(dòng)(在圖4中通過(guò)Φ建模)。因此，即使在高度敏感的天線方向上發(fā)生以上位移，酉矩陣也可以操作來(lái)補(bǔ)償該位移。

在該配置中，鑒于要在定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)中使用的頻率，天線間隔長(zhǎng)度必須加寬。因此，本地振蕩器被安裝在天線附近。即，第三配置的最大特性是：本地振蕩器是針對(duì)發(fā)送側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的。

在圖4中，發(fā)送信號(hào)被導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生部件401添加各個(gè)天線的導(dǎo)頻信號(hào)，被包括本地振蕩器404和405、混頻器403和407的發(fā)送側(cè)頻率變換部件402頻率變換成無(wú)線電頻率的信號(hào)，并且之后作為s_】和s₂被從包括多個(gè)天線的固定天線部件408發(fā)送。s₁和s₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示。

應(yīng)當(dāng)注意，這里，針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立使用本地振蕩器404和405。因此，未在來(lái)自各個(gè)天線的載波之間實(shí)現(xiàn)載波同步，導(dǎo)致相位噪聲Φ_L的產(chǎn)生。標(biāo)號(hào)406是對(duì)相位噪聲Φ_L的建模。

這樣發(fā)送的信號(hào)被包括多個(gè)天線的接收側(cè)固定天線部件409接收作為r₁和r₂。r₁和r₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示，并且這里為了避免復(fù)雜省略了到基帶頻率信號(hào)的頻率變換處理。接收信號(hào)r₁和r₂由接收側(cè)矩陣計(jì)算處理部件410基于酉矩陣U來(lái)處理，從而完成MIMO中的信號(hào)分離/檢測(cè)。

在此應(yīng)當(dāng)注意，基于酉矩陣V的發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理完全未被執(zhí)行，但是在接收側(cè)執(zhí)行了全部矩陣計(jì)算。

從式80可見，在僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的情況中，矩陣包括由外部因素引起的信道間的變動(dòng)，所述外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微妙變化高度敏感的天線位置的變動(dòng)(在圖4中通過(guò)Φ_A建模)。此外，矩陣還包括由于載波間不同步引起的相位噪聲Φ_L。因此，即使發(fā)生在高度敏感的天線方向上的位移或者載波間的相位變化，酉矩陣也可以操作來(lái)補(bǔ)償該位移或相位變化。

第三示例的最大優(yōu)點(diǎn)在于不必將用于V矩陣的構(gòu)建的反饋信息從接收端發(fā)送到發(fā)送端。圖4的粗箭頭指示信道質(zhì)量與和成比例的虛擬正交信道。要使用的天線不受特別限制并且可以是拋物面天線或喇叭天線。矩陣計(jì)算處理部件410可以通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)或者通過(guò)諸如ASIC等的硬件來(lái)構(gòu)建。

如上所述，即使在不在發(fā)送側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算的配置中，也可以形成正交信道。此外，即使本地振蕩器是針對(duì)發(fā)送端的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的，如果通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)可以檢測(cè)到相位差Φ＝Φ_L+Φ_A，則虛擬正交信道也可以被形成。這樣形成的正交信道不受相位差Φ的影響。此外，不需要從接收端到發(fā)送端的反饋。由于所使用的矩陣是酉矩陣，所以可以示出與SVD方法的特性完全相同的特性。

第四示例

(僅在接收側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算并且發(fā)送端和接收端的本地振蕩器都是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的情況)

作為本發(fā)明的第四示例(第四配置示例)，將描述這樣的配置示例：形成具有相同寬度的虛擬正交信道，僅在接收側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算，并且在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器。

第四配置具有以下特性：不需要從接收端被發(fā)送給發(fā)送端的反饋信息；可以在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器；并且可以示出與SVD方法的特性完全相同的特性。此外，分析是基于以下事實(shí)進(jìn)行的：由對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線方向上的移動(dòng)引起的明顯相位旋轉(zhuǎn)可以歸結(jié)到與在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線設(shè)置的本地振蕩器中的相位旋轉(zhuǎn)相同的建模。注意以上理論分析從解析上揭示了即使發(fā)生高度敏感天線方向上的這種位移，仍然可以實(shí)現(xiàn)以上信道容量的增加。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，由式81表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式81】

【信道矩陣H】

因此，可以得到式82作為信道矩陣H。

【式82】

∴

∴

在圖5中示出基于以上結(jié)果得到的配置。如圖5中所示，基于酉矩陣V的發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理完全未被執(zhí)行，但是在接收側(cè)執(zhí)行了所有矩陣計(jì)算。在僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算的情況中，矩陣包括由外部因素引起的信道間的變動(dòng)，所述外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微妙變化高度敏感的發(fā)送天線位置和接收天線位置的變動(dòng)(在圖5中通過(guò)Φ_A和Φ_A建模)。因此，即使發(fā)生在高度敏感的天線方向上的位移，酉矩陣也操作來(lái)補(bǔ)償該位移。在這個(gè)配置中，鑒于要在定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)中使用的頻率，天線間隔長(zhǎng)度必須加寬。因此，本地振蕩器被安裝在天線附近。即，第四配置的最大特性是：在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器。因此，即使在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)，本地振蕩器都是針對(duì)各個(gè)天線被獨(dú)立使用，也可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)貦z測(cè)導(dǎo)頻信號(hào)而得到與SVD方法等同的特性。

在圖5中，發(fā)送信號(hào)被導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生部件501添加各個(gè)天線的導(dǎo)頻信號(hào)，被包括本地振蕩器504和505、混頻器503和507的發(fā)送側(cè)頻率變換部件502頻率變換成無(wú)線電頻率的信號(hào)，并且之后被從包括多個(gè)天線的固定天線部件508作為s₁和s₂發(fā)送。s₁和s₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示。在此應(yīng)當(dāng)注意，本地振蕩器504和505被獨(dú)立用于各個(gè)天線。因此，未在來(lái)自各個(gè)天線的載波之間實(shí)現(xiàn)載波同步，導(dǎo)致相位噪聲Φ_L的產(chǎn)生。標(biāo)號(hào)506是對(duì)相位噪聲Φ_L的建模。

這樣發(fā)送的信號(hào)被包括多個(gè)天線的接收側(cè)固定天線部件509接收作為r₁和r₂。r₁和r₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示。接收信號(hào)r₁和r₂被包括本地振蕩器512和513、混頻器511和515的接收側(cè)頻率變換部件510頻率變換成基帶頻率信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)部件516，并且基于酉矩陣U被接收側(cè)矩陣計(jì)算處理部件517處理，從而MIMO中的信號(hào)分離/檢測(cè)完成。在此應(yīng)當(dāng)注意，本地振蕩器512和513被獨(dú)立用于接收側(cè)的各個(gè)天線。因此，由于載波間的不同步而產(chǎn)生相位噪聲Φ_L。標(biāo)號(hào)514是對(duì)相位噪聲Φ_L的建模。要使用的天線不受特別的限制并且可以是拋物面天線或喇叭天線。矩陣計(jì)算處理部件517可以通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)或者由諸如ASIC等的硬件來(lái)構(gòu)建。

由于導(dǎo)頻信號(hào)是在由發(fā)送側(cè)本地振蕩器執(zhí)行的處理之前產(chǎn)生的并且導(dǎo)頻信號(hào)是在由接收側(cè)本地振蕩器執(zhí)行的處理之后被檢測(cè)的，所以導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)部件516可以檢測(cè)式82中的Φ＝Φ_L+Φ_A和φ＝φ_L+φ_A。因此，可以僅在接收側(cè)執(zhí)行全部的矩陣計(jì)算，而省略基于酉矩陣V的發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理。這是因?yàn)?，從?2中可見，酉矩陣操作來(lái)補(bǔ)償由外部因素引起的信道間的變動(dòng)和由載波間的不同步引起的相位噪聲Φ_L和φ_L，所述外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)和周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線位置的變動(dòng)(在圖5中由Φ_A和φ_A建模)。第四示例的最大優(yōu)點(diǎn)是：不必將用于V矩陣的構(gòu)建的反饋信息從接收端發(fā)送給發(fā)送端。圖5的粗箭頭指示信道質(zhì)量與和成比例的虛擬正交信道。

如上所述，即使在發(fā)送側(cè)不執(zhí)行酉矩陣計(jì)算的配置中，仍可以形成正交信道。并且，可以使用導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)相位差Φ＝Φ_L+Φ_A和φ＝φ_L+φ_A。因此，即使在針對(duì)發(fā)送側(cè)和/或接收側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器的情況中，仍然可以形成虛擬正交信道。這樣形成的正交信道不受相位差Φ或φ的影響。不需要從接收端到發(fā)送端的反饋。此外，由于所使用的矩陣是酉矩陣，所以可以示出與SVD方法的特性完全相同的特性。

第五示例

(虛擬正交信道具有不同的寬度、僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算并且發(fā)送端和接收端的本地振蕩器都是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的情況)

作為本發(fā)明的第五示例(第五配置示例)，將描述這樣的配置示例：形成具有不同寬度的虛擬正交信道，僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算，在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)本地振蕩器都是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的。

第五配置具有以下特性：虛擬正交信道具有不同的值；不需要從接收側(cè)被發(fā)送給發(fā)送側(cè)的反饋信息；并且可以在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器。并且，分析基于這樣的事實(shí)進(jìn)行：由對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線方向上的移動(dòng)引起的明顯相位旋轉(zhuǎn)可以歸結(jié)到與在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線設(shè)置的本地振蕩器中的相位旋轉(zhuǎn)相同的建模。并且，為了靈活性，基于與最佳天線位置不同的天線位置設(shè)置天線間隔長(zhǎng)度。因此，示出與SVD方法不同的特性。稍后將描述對(duì)該配置的特性分析。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，虛擬正交信道具有不同的值，所以由式83表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式83】

【信道矩陣H】

因此，信道矩陣H由式84表示。

【式84】

這里，發(fā)送側(cè)高度敏感的天線位移Φ_A被包括在針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的發(fā)送側(cè)本地振蕩器中的相位變化Φ_L中以得到Φ，并且接收側(cè)高度敏感天線位移φ_A被包括在針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的接收側(cè)本地振蕩器中的相位變化φ_L中以得到φ。

這里，滿足式85，因此滿足式86。

【式85】

【式86】

并且，滿足式87，因此滿足式88。

【式87】

【式88】

然而，向量的平方模由式89表示。

【式89】

因此，U不再是酉矩陣。因此，為了計(jì)算矩陣U^H，需要逆矩陣計(jì)算。

作為試驗(yàn)，當(dāng)使用所得到的U、Λ^1/2、和V^H計(jì)算信道矩陣H時(shí)，滿足式90。

【式90】

從式90可見，信道矩陣H成立。

接著，考慮U的逆矩陣U^-1。假定由式91表示的給定矩陣A。

【式91】

由式92表示以上矩陣A的逆矩陣A^-1。

【式92】

因此，可以得到式93。

【式93】

在圖6中示出了基于以上結(jié)果得到的配置。

盡管以上已經(jīng)描述了具有不同值的虛擬正交信道的情況，但是，即使在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線設(shè)置本地振蕩器，仍然可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)貦z測(cè)導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)形成正交信道。由于在發(fā)送側(cè)不執(zhí)行矩陣計(jì)算，所以可以消除從接收端向發(fā)送端發(fā)送反饋信息，并且可以處理諸如發(fā)送端相位差Φ和接收端相位差φ之類的快速相位變化。

因此，可以在沒有發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理的情況下，不考慮是否實(shí)現(xiàn)最佳天線位置(R＝5000m并且d_T＝d_R＝5m)都形成具有不同信道質(zhì)量的正交信道。然而，U^H不再是酉矩陣，而是變成逆矩陣U^-1。因此，預(yù)期：特性與SVD方法的特性相比較劣化。稍后將描述SVD方法的特性和該示例配置的特性之間的差異。

如圖6中所示，發(fā)送信號(hào)被導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生部件601添加各個(gè)天線的導(dǎo)頻信號(hào)。使用的正交導(dǎo)頻信號(hào)可以是從Hadamard矩陣得到的正交模式或者可以是CAZAC序列。被這樣添加了導(dǎo)頻信號(hào)的發(fā)送信號(hào)被包括發(fā)送側(cè)本地振蕩器604和605、混頻器603和607的發(fā)送側(cè)頻率變換部件602頻率變換成無(wú)線電頻率的信號(hào)，并且之后作為s₁和s₂被從包括多個(gè)天線的固定天線部件608發(fā)送。s₁和s₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示。在此應(yīng)當(dāng)注意，本地振蕩器604和605被獨(dú)立用于各個(gè)天線。因此，載波同步未在來(lái)自各個(gè)天線的載波間實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致相位噪聲Φ_L的產(chǎn)生。標(biāo)號(hào)606是對(duì)相位噪聲Φ_L的建模。

這樣發(fā)送的信號(hào)被包括多個(gè)天線的接收側(cè)固定天線部件609接收作為r₁和r₂。r₁和r₂的標(biāo)記基于等同的基帶表示。接收信號(hào)r₁和r₂被包括本地振蕩器612和613、混頻器611和615的接收側(cè)頻率變換部件610頻率變換為基帶頻率信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)部件616，并且基于酉矩陣U被接收側(cè)矩陣計(jì)算處理部件617進(jìn)行處理，從而完成MIMO中的信號(hào)分離/檢測(cè)。

在接收側(cè)的處理中，使用針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的本地振蕩器612和613。因此，由于天線之間的載波不同步產(chǎn)生相位噪聲φ_L。標(biāo)號(hào)614是對(duì)相位噪聲φ_L的建模。要被使用的天線不受特別的限制，并且可以是拋物面天線或喇叭天線。矩陣計(jì)算處理部件617可以通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)或者由諸如ASIC等的硬件來(lái)構(gòu)建。

由于正交導(dǎo)頻信號(hào)是在由發(fā)送側(cè)本地振蕩器執(zhí)行的處理之前產(chǎn)生的并且這些導(dǎo)頻信號(hào)在由接收側(cè)本地振蕩器執(zhí)行的處理之后被檢測(cè)，所以導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)部件616可以檢測(cè)式93中的Φ＝Φ_L+Φ_A和φ＝φ_L+φ_A。所使用的正交導(dǎo)頻信號(hào)是諸如Hadamard序列或CAZAC序列之類的正交模式，因此可以使用簡(jiǎn)單的相關(guān)器(未示出)檢測(cè)Φ和φ。可以僅在接收側(cè)執(zhí)行所有的矩陣計(jì)算。即，從式93可見，接收側(cè)矩陣操作來(lái)補(bǔ)償由外部因素引起的信道之間的變動(dòng)和由載波間的不同步引起的相位噪聲Φ_L和φ_L，所述外部因素例如是對(duì)諸如風(fēng)和周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線位置的變動(dòng)(在圖6中由Φ_A和φ_A建模)。

第五示例的最大優(yōu)點(diǎn)在于：不必將用于V矩陣構(gòu)建的反饋信息從接收端發(fā)送給發(fā)送端。與第四示例不同，圖6的粗箭頭指示具有不同寬度的虛擬正交信道。然而，如稍后所述，本配置中的虛擬正交信道具有相同的信道質(zhì)量。

盡管已經(jīng)描述了使用兩個(gè)天線的情況，但是本發(fā)明并不限于此，而是使用三個(gè)或更多天線的配置也是可以的。

以下將描述使用三個(gè)或更多天線的情況。為了簡(jiǎn)化起見，僅圖示了發(fā)送/接收側(cè)天線。

第六示例

(使用三個(gè)天線并且僅在接收側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算的情況)

接著，作為本發(fā)明第六示例(第六配置示例)，將描述使用三個(gè)天線的配置示例。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，由式94表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式94】

【信道矩陣H】

基于圖7，推導(dǎo)得到式95，并且可以由式96表示信道矩陣H。

【式95】

【式96】

∴

因此，得到式97。

【式97】

∴

式97中的Φ_A和φ_A分別表示由對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的發(fā)送/接收側(cè)天線的變動(dòng)引起的載波相位旋轉(zhuǎn)。下標(biāo)1和2表示從最上面的天線數(shù)起的第二個(gè)和第三個(gè)天線的位置位移。

并且，鑒于要在定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)中使用的頻率，天線間隔長(zhǎng)度必須加寬。因此，本地振蕩器被安裝在天線附近。即，在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器。因此，相位噪聲Φ_L或φ_L是由載波間的不同步引起的。下標(biāo)1和2表示從最上面的天線數(shù)起的第二個(gè)和第三個(gè)天線的位置位移。

由對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線方向上的移動(dòng)引起的明顯相位旋轉(zhuǎn)可以歸結(jié)到與在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線設(shè)置的本地振蕩器中的相位旋轉(zhuǎn)相同的建模。因此，基于式97的分析揭示出在發(fā)送側(cè)從最上面的天線數(shù)起的第二個(gè)和第三個(gè)天線中滿足Φ₁＝Φ_L1+Φ_A1和Φ₂＝Φ_L2+Φ_A2，并且接收側(cè)從最上面的天線數(shù)起的第二個(gè)和第三個(gè)天線中滿足φ₁＝φ_L1+φ_A1和φ₂＝φ_L2+φ_A2。即，即使在使用三個(gè)天線的配置中，通過(guò)僅在接收側(cè)的酉矩陣計(jì)算也可以形成虛擬正交信道。圖7的粗箭頭指示信道質(zhì)量與和成比例的虛擬正交信道。

并且，通過(guò)使用導(dǎo)頻信號(hào)恰當(dāng)?shù)貦z測(cè)相位旋轉(zhuǎn)可以得到與SVD方法等同的特性。信道容量變成被傳遞給所有天線的總功率的三倍。

第七示例

(使用4個(gè)天線、僅在接收側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算并且發(fā)送端和接收端的本地振蕩器都針對(duì)各個(gè)天線被獨(dú)立設(shè)置的情況)

接著，作為本發(fā)明第七個(gè)示例(第七配置示例)，將描述使用4個(gè)天線的配置示例。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，由式98表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式98】

【信道矩陣H】

基于圖8，推導(dǎo)得到式99，并且可以由式100表示信道矩陣H。

【式99】

【式100】

∴

因此，可以得到式101。

【式101】

∴

式101中的Φ_A和φ_A分別表示由對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的發(fā)送/接收側(cè)天線的變動(dòng)引起的載波相位旋轉(zhuǎn)。下標(biāo)1、2和3表示從最上面的天線數(shù)起第二個(gè)、第三個(gè)和第四個(gè)天線的位置位移。

鑒于要在定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)中使用的頻率，天線間隔長(zhǎng)度必須加寬。因此，本地振蕩器被安裝在天線附近。即，在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器。因此，相位噪聲Φ_L或φ_I是由載波間的不同步引起的。下標(biāo)1、2和3表示從最上面的天線數(shù)起的第二個(gè)、第三個(gè)和第四個(gè)天線的位置位移。

由對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的天線方向上的移動(dòng)引起的明顯相位旋轉(zhuǎn)可以歸結(jié)到與在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線設(shè)置的本地振蕩器中的相位旋轉(zhuǎn)相同的建模。因此，基于式101的分析揭示出在發(fā)送側(cè)從最上面的天線數(shù)起的第二個(gè)、第三個(gè)和第四個(gè)天線中滿足Φ₁＝Φ_L1+Φ_A1、Φ₂＝Φ_L2+Φ_A2和Φ₃＝Φ_L3+Φ_A3，并且接收側(cè)從最上面的天線數(shù)起的第二個(gè)、第三個(gè)和第四個(gè)天線中滿足φ₁＝φ_L1+φ_A1、φ₂＝φ_L2+φ_A2和φ₃＝φ_L3+φ_A3。即，即使在使用四個(gè)天線的配置中，通過(guò)僅在接收側(cè)的酉矩陣計(jì)算也可以形成虛擬正交信道。圖8的粗箭頭指示信道質(zhì)量與和成比例的虛擬正交信道。

并且，通過(guò)使用導(dǎo)頻信號(hào)恰當(dāng)?shù)貦z測(cè)相位旋轉(zhuǎn)可以得到與SVD方法等同的特性。信道容量變成傳送給所有天線的總功率的四倍。

以下，將針對(duì)以下各個(gè)情況描述使用任意數(shù)目的天線的情況：僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算，僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算，以及在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都執(zhí)行矩陣計(jì)算。

【使用任意N個(gè)天線的配置(一般解決方案)】

考慮使用任意N個(gè)天線的配置。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，由式102表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式102】

【信道矩陣H】

基于式103，由式104將在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都沒有相位旋轉(zhuǎn)的理想視距信道矩陣表示為信道矩陣H。

【式103】

【式104】

由式105定義發(fā)送側(cè)相位旋轉(zhuǎn)矩陣T。

【式105】

類似地，由式106定義接收側(cè)相位旋轉(zhuǎn)矩陣W。

【式106】

這里，滿足式107和式108。

【式107】

【式108】

式101中的Φ_A和φ_A分別表示由對(duì)諸如風(fēng)或周圍溫度之類的氣象條件的微小變化高度敏感的發(fā)送/接收側(cè)天線的變動(dòng)引起的載波相位旋轉(zhuǎn)。Φ_L或φ_L表示由載波間的不同步引起的相位變化。各個(gè)下標(biāo)表示從最上面的天線數(shù)起的天線的順序。

因此，由式109表示在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都存在的相位旋轉(zhuǎn)的實(shí)際視距信道矩陣。

【式109】

(僅在接收側(cè)執(zhí)行的酉矩陣計(jì)算的情況)

在這種情況中，滿足式110并因而滿足式111。

【式110】

【式111】

因此，滿足式112。

【式112】

即，即使在使用任意N個(gè)天線的配置中，即使是在本地振蕩器是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的并且發(fā)生高度敏感的天線方向上的位移的情況中，通過(guò)僅在接收側(cè)的矩陣計(jì)算也可以形成虛擬正交信道。

順便提及，滿足式113。

【式113】

這里，滿足式114。

【式114】

其中，N是偶數(shù)，任意列向量或任意行向量是通過(guò)循環(huán)移位Chu序列得到的向量，并且其自相關(guān)值(E[a·a＊])彼此正交。當(dāng)N是奇數(shù)時(shí)，循環(huán)移位不出現(xiàn)。然而，從以下描述可以理解，正交關(guān)系已經(jīng)建立。

(僅在發(fā)送側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算的情況)

在這種情況中，滿足式115并因此滿足式116。

【式115】

【式116】

因此，滿足式117。

【式117】

即，即使在使用任意N個(gè)天線的配置中，即使是在本地振蕩器是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的并且發(fā)生高度敏感的天線方向上的位移的情況中，通過(guò)僅在發(fā)送側(cè)的矩陣計(jì)算處理V也可以形成虛擬正交信道。

(在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都執(zhí)行酉矩陣計(jì)算的情況)

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

在這種情況中，由式118表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式118】

因此，滿足式119。

【式119】

當(dāng)使用任意酉矩陣作為V時(shí)，得到式120。

【式120】

順便提及，滿足式121。

【式121】

因此，即使使用任意酉矩陣作為V，U任然變成酉矩陣。

因此，得到式122。

【式122】

即，即使在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都使用酉矩陣的配置中使用任意N個(gè)天線，即使是在本地振蕩器是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的并且發(fā)生高度敏感的天線方向上的位移的情況中，通過(guò)僅在接收側(cè)的矩陣計(jì)算也可以形成虛擬正交信道。

此時(shí)，固定發(fā)送矩陣V可以是任何一個(gè)，只要它是酉矩陣即可，并且由式123表示接收側(cè)酉矩陣計(jì)算以用于補(bǔ)償由本地振蕩器或天線位移引起的變動(dòng)。

【式123】

(示例)

作為簡(jiǎn)單的示例，以上公式被應(yīng)用于使用兩個(gè)天線的配置。作為固定的任意發(fā)送矩陣，選擇由式124表示的矩陣。

【式124】

這里，滿足式125并因此滿足式126。

【式125】

【式126】

以下，將描述式114中使用的正交關(guān)系。

這里，計(jì)算式127中的任意m行向量和任意n列向量的乘積。

【式127】

當(dāng)m＜n時(shí)，滿足式128。

【式128】

這里，假定滿足式129，則滿足式130。

【式129】

【式130】

因此，正交關(guān)系建立。

當(dāng)m＞n時(shí)，滿足式131。

【式131】

類似地，滿足式132。

【式132】

因此，正交關(guān)系建立。

根據(jù)以上，滿足式133。

【式133】

已經(jīng)描述了使用多個(gè)天線的這樣的配置：發(fā)生高度敏感天線方向上的位移，并且僅通過(guò)接收側(cè)酉矩陣對(duì)由載波間的不同步引起的相位噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，并且通信容量變成天線數(shù)的倍數(shù)。

以下，將描述未設(shè)置理想的天線間隔長(zhǎng)度，即虛擬正交信道具有不同寬度的情況中的特性。以第五配置示例為例。

【基于視距固定信道的SVD方法中和所提出的第五配置示例中的特性分析】

(虛擬正交信道具有不同寬度、僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算、并且在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)都針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置本地振蕩器的情況)

與SVD方法比較，針對(duì)第五配置示例執(zhí)行特性分析，在第五配置示例中，為了靈活性，基于與最佳天線位置不同的天線位置設(shè)置天線間隔長(zhǎng)度。

首先，參考第五配置示例，假定接收信號(hào)向量是r，則由式134表示接收側(cè)的矩陣計(jì)算之后的信號(hào)向量。

【式134】

U^-1·r＝U^-1·(H·S+n)＝U^-1·(U·Λ^1/2·S+n)＝Λ^1/2·S+U^-1·n∵V＝I

在以上公式中，S指示發(fā)送信號(hào)向量，并且n指示噪聲向量。

并且，根據(jù)第五配置示例，滿足式135。

【式135】

因此，如式136設(shè)置發(fā)送向量S和噪聲向量n。

【式136】

并且，應(yīng)用歸一化以得到式137，以使用相對(duì)值進(jìn)行比較。

【式137】

E[|s₁|²]＝E[|s₂|²]＝1，E[|n₁|²]＝E[|n₂|²]＝1

因此，由式138表示λ₁信道的SNR₁(信噪比)。

【式138】

類似地，由式139表示λ₂信道的SNR₂。

【式139】

因此，盡管正交信道具有不同的寬度：λ₁＝2+2cosα和λ₂＝2-2cosα，但是SNR₁和SNR₂都變成sin²α。

(SVD方法)

為了與第五配置示例比較，執(zhí)行對(duì)SVD方法的特性分析。

首先，根據(jù)圖1的配置示圖，由式140表示根據(jù)SVD方法的酉矩陣計(jì)算之后的接收信號(hào)向量。

【式140】

U^H·r＝U^H·(H·V·S+n)＝U^H·(U·Λ^1/2·V^H·V·S+n)＝Λ^1/2·S+U^H·n

然后，根據(jù)式43，滿足式141。

【式141】

因此，由式142表示歸一化之后的λ₁信道的SNR₁。

【式142】

類似地，由式143表示λ₂信道的SNR₂。

【式143】

因此，正交信道的寬度與λ₁＝2+2cosα和λ₂＝2-2cosα成比例，并且相應(yīng)地，SNR₁和SNR₂分別變成1+1cosα和1-1cosα。

(依據(jù)天線間隔長(zhǎng)度，對(duì)基于各種方法的正交信道的SNR進(jìn)行比較)

當(dāng)依據(jù)天線間隔長(zhǎng)度d_T和d_R將配置示例5和SVD方法的特性分析結(jié)果彼此進(jìn)行比較時(shí)，得到圖9的曲線圖。

所提出的方法在正交信道λ₁和λ₂之間顯示相同的SNR值，因此可以理解，關(guān)于天線間隔長(zhǎng)度的變動(dòng)很小。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)用且靈活的配置，在以下假設(shè)下進(jìn)行了分析：在與存在特征值為多重根以產(chǎn)生奇異點(diǎn)的這種天線間位置的配置不同的配置中，僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算處理以消除使用被發(fā)送給發(fā)送側(cè)的反饋信息的必要性。

在所提出的方法和SVD方法中，接收側(cè)矩陣計(jì)算后的信號(hào)功率都與特征值成比例。在SVD方法的情況中，接收側(cè)的矩陣計(jì)算基于酉矩陣，所以即使特征值改變了，噪聲功率也不變而是保持恒定值。因此，SVD 方法中的各個(gè)路徑的SNR變成與特征值成比例并且與天線間隔長(zhǎng)度相應(yīng)地改變的不同值。另一方面，在所提出的方法中，接收側(cè)的矩陣計(jì)算不是基于酉矩陣，因此噪聲功率與特征值相應(yīng)地改變。因此，圖9的分析結(jié)果揭示：盡管信號(hào)功率呈現(xiàn)出與特征值成比例的高功率和低功率，但是各個(gè)路徑的SNR總是呈現(xiàn)出相同的值并且以相同的比例與天線間隔長(zhǎng)度相應(yīng)地改變。

因此，在提出的方法中，即使天線間隔長(zhǎng)度改變，關(guān)于虛擬正交信道的SNR也不改變，并且在改變發(fā)生的情況下，改變量很小，因此可以認(rèn)為所提出的方法比SVD方法更實(shí)用并且更容易使用。

在本地振蕩器是針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的假定下的理論分析內(nèi)容也可以歸結(jié)到與關(guān)于高度敏感天線方向上的移動(dòng)相同的建模，因此，完全覆蓋了諸如風(fēng)之類的氣象條件的微小變化的影響。

接著，將描述考慮了實(shí)際安裝位置的布置。很可能難以確保天線安裝位置更接近用戶側(cè)。另一方面，更可能的是更容易確保天線安裝位置在與用戶側(cè)相對(duì)的骨干網(wǎng)絡(luò)側(cè)。以下，將描述圖10中所示的配置，其中，天線間隔長(zhǎng)度在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間彼此不同。

通過(guò)對(duì)圖10的垂直對(duì)稱配置的下半部分進(jìn)行建模得到的圖11被用來(lái)執(zhí)行以下分析。

基于發(fā)射機(jī)-接收機(jī)距離R的傳播損耗和共同相移是無(wú)關(guān)緊要的，因此忽略這些項(xiàng)。以下，R被設(shè)為參考。然后，由式144表示具有Δθ₁角度的對(duì)角信道關(guān)于R的信道差。

【式144】

類似地，由式145表示具有Δθ₂角度的對(duì)角信道關(guān)于R的信道差。

【式145】

由式146表示基于在接收點(diǎn)處的兩個(gè)波之間的信道差得到的相位旋轉(zhuǎn)α。

【式146】

順便提及，假定RF頻率＝30GHz，R＝2000m，d_T＝5m和d_R＝2m，則滿足式147。

【式147】

考慮由用于發(fā)送所考慮的信號(hào)s₂的發(fā)送天線位置的變動(dòng)引起的相移Φ，由式148表示由角度為Δθ₁的對(duì)角信道歸一化了的信道矩陣H。

【式148】

因此，呈現(xiàn)出與目前已得到的結(jié)果相同的情況。

此外，根據(jù)式149，得到式150。

【式149】

【式150】

∴

圖12是示出該結(jié)果的曲線圖。

當(dāng)從以上結(jié)果構(gòu)建式151時(shí)，得到與目前已得到的結(jié)果相同的結(jié)果。

【式151】

即，可以理解，可以在不經(jīng)修改的情況下使用提出的方法。

將描述在發(fā)送和接收天線間在天線布置方向上發(fā)生菱形對(duì)準(zhǔn)不良(misalignment)的情況。

在圖13中，和在以上情況中一樣，R被設(shè)為參考。然后，在d₁₁的情況中，由式152表示對(duì)角信道關(guān)于R的信道差。

【式152】

∵

類似地，在d₁₂的情況中，由式153表示對(duì)角信道關(guān)于R的信道差。

【式153】

∵

類似地，在d₂₁的情況中，由式154表示對(duì)角信道關(guān)于R的信道差。

【式154】

∵

類似地，在d₂₂的情況中，由式155表示對(duì)角信道關(guān)于R的信道差。

【式155】

∵

假定由式156表示基于信道差得到的相位旋轉(zhuǎn)。

【式156】

在這種情況中，由式157表示由信道d₁₁歸一化的信道矩陣H。

【式157】

因此，滿足式158。

【式158】

根據(jù)式158，推導(dǎo)得到式159。

【式159】

∴

因此，可以理解，即使發(fā)生菱形對(duì)準(zhǔn)不良，對(duì)與各個(gè)路徑的寬度相對(duì)應(yīng)的特征值也沒有影響。

(奇異值分解H＝U·Λ^1/2·V^H)

由式160表示信道矩陣H的奇異值分解。

【式160】

此外，由式161表示U和V。

【式161】

因此，可以理解，通過(guò)酉矩陣U和V實(shí)現(xiàn)H的奇異值分解。

即，即使發(fā)生菱形對(duì)準(zhǔn)不良，也可以保持對(duì)準(zhǔn)不良發(fā)生之前與各個(gè)路徑的寬度相對(duì)應(yīng)的特征值，并且信道矩陣H的奇異值分解通過(guò)酉矩陣U和V實(shí)現(xiàn)。不必說(shuō)，即使由于發(fā)送天線的位置變動(dòng)引起了相移Φ，也可以得到與以上一樣的配置。

接著，將描述在發(fā)生這樣的菱形對(duì)準(zhǔn)不良的情況中，僅在接收端執(zhí)行矩陣計(jì)算的所提出的配置如何操作。

【僅在接收側(cè)執(zhí)行矩陣計(jì)算并且發(fā)送/接收側(cè)之間的天線配置形成菱形的情況】

將描述根據(jù)本發(fā)明在僅在接收端執(zhí)行矩陣計(jì)算的配置中、在發(fā)送和接收天線之間的天線布置方向上發(fā)生菱形對(duì)準(zhǔn)不良的情況。這里，在不做修改的情況下使用以上檢驗(yàn)中得到的菱形信道矩陣H。

【奇異值正交矩陣Λ^1/2】

根據(jù)圖14，考慮滿足e^jα＝j(luò)的天線間位置，由式162表示奇異值正交矩陣Λ^1/2。

【式162】

【信道矩陣H】

此外，由式163表示信道矩陣H。

【式163】

∴

∴

這里，滿足式164。

【式164】

因此，即使發(fā)生菱形對(duì)準(zhǔn)不良，僅在接收側(cè)執(zhí)行酉矩陣計(jì)算的配置也有效。注意，即使由本地振蕩器引起或由天線位移引起相移Φ或φ，仍然可以得到與以上相同的配置。

【發(fā)送/接收側(cè)之間的天線布置形狀被更一般化的情況】

將描述發(fā)送/接收側(cè)之間的天線布置形狀被更一般化的情況。這是一種應(yīng)用示例，包括在視距通信系統(tǒng)中構(gòu)建的無(wú)線LAN等，具有安裝位置的高度靈活性。

根據(jù)圖15，由式165表示d₁₁、d₁₂、d₂₁和d₂₂。

【式165】

d₁₁＝R

此外，根據(jù)圖15，由式166表示僅關(guān)注接收天線之間的相位差的信道矩陣H。

【式166】

根據(jù)式166的信道矩陣H，滿足式167。

【式167】

因此，為了使特征值成為多重根條件，僅需要第一項(xiàng)，即式168和第二項(xiàng)，即式169具有彼此相反的相位。

【式168】

【式169】

即，僅需要滿足式170。

【式170】

或者，假定第一和第二項(xiàng)之間的差為π，則僅需要滿足式171。

【式171】

因此，得到式172。

【式172】

∴

∴

當(dāng)將d₁₁至d₂₂賦值給所得到的關(guān)系時(shí)，滿足式173并從而得到式174。

【式173】

【式174】

因此，作為特征值變成多重根條件的情況，得到式175。

【式175】

∴

只要滿足以上條件，在路徑具有相同寬度的情況下，各種天線配置都是可以的。應(yīng)當(dāng)注意，這里使用的R(第二個(gè)R)的定義和上面提到的R(第一個(gè)R)彼此略有不同。即，在圖15中發(fā)送和接收天線不是彼此平行地被布置的，所以發(fā)送側(cè)和接收側(cè)之間的天線間隔長(zhǎng)度被設(shè)置為與d₁₁相對(duì)應(yīng)的、在位于底側(cè)的發(fā)送和接收天線元件之間的第二個(gè)R(參見【式165】)。另一方面，在其它配置中，發(fā)送和接收天線被彼此并行布置，所以發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的天線間隔長(zhǎng)度被設(shè)置為第一個(gè)R。

在以上描述中，導(dǎo)頻信號(hào)被用作對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)手段：由外部因素引起的天線位置變動(dòng)或信道變動(dòng)或由于使用針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的本地振蕩器而引起的相位變化。然而，通過(guò)不使用導(dǎo)頻信號(hào)的配置也可以檢測(cè)以上變動(dòng)。例如，可以采用使用用于傳送信息的數(shù)據(jù)的方法。此外，盡管未示出，但可以采用使用均衡后的確定結(jié)果估計(jì)相位變化的方法或通過(guò)對(duì)糾錯(cuò)之后的信號(hào)重新編碼來(lái)估計(jì)相位變化的方法。以下，將以使用兩個(gè)天線的情況為例，描述不使用導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)以上變動(dòng)的方法。

這里，使用以上所述的信道矩陣，即由式176表示的信道矩陣來(lái)進(jìn)行描述。

【式176】

首先，假定由式177表示發(fā)送和接收信號(hào)向量。

【式177】

在這種情況中，可以得到式178。

【式178】

假定已經(jīng)從均衡后的確定結(jié)果或糾錯(cuò)后的信號(hào)再生中正確地得到上式中的s1和s2，則根據(jù)式179得到式180。

【式179】

y₁＝s₁-j·e^jφ·s₂

【式180】

由此可以檢測(cè)Φ。

然后，使用檢測(cè)出的Φ。此前，根據(jù)式178，滿足式181。

【式181】

y₂＝-j·e^jφ·s₁+e^j(Φ+φ)·s₂

因此，得到式182并從而可以檢測(cè)到φ。

【式182】

如上所述，不是通過(guò)使用導(dǎo)頻信號(hào)，而是通過(guò)使用傳送信息的數(shù)據(jù)，可以檢測(cè)由外部因素引起的天線或信道的變動(dòng)或由于使用針對(duì)各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的本地振蕩器引起的相位變化。在以上示例中，已經(jīng)描述了啟動(dòng)處理之后的操作。即，一旦啟動(dòng)處理完成，數(shù)據(jù)就不斷地流動(dòng)，使得不斷地執(zhí)行對(duì)相位變化的檢測(cè)。

基于以上結(jié)果，以下將描述本發(fā)明的方法被應(yīng)用于信道而非微波通信設(shè)備的示例。

圖16是光信道被用作確定性信道的示例。在圖16中，激光二極管(LD)1601和光電探測(cè)器(PD)1602分別被用在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)作為光學(xué)天線。利用這個(gè)配置，也可以和使用電波的視距MIMO的情況一樣實(shí)現(xiàn)視距MIMO。

圖17是聲-光信道被用作確定性信道的示例。在圖17中，分別在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)使用超聲波振蕩器1701和超聲波麥克風(fēng)1702。利用這樣的配置，也可以和使用電波的視距MIMO的情況一樣實(shí)現(xiàn)視距MIMO。

圖18是在諸如被用作確定性信道的簡(jiǎn)易無(wú)線電設(shè)備(包含無(wú)線LAN)之類的視距信道中使用的MIMO天線的示例。不同于具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)易無(wú)線電設(shè)備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的視距信道。不論是何種幾何形式的視距信道，只要滿足式175的條件，就可以增加視距MIMO中的通信容量。

圖18的MIMO天線具有這樣的配置：通過(guò)連接桿1803可以自由改變天線元件1801和1802之間的天線間隔長(zhǎng)度(d)。并且，通過(guò)鉸鏈可以自由控制天線元件1801和1802之間形成的角度(θ)。

所導(dǎo)出的式175表示可以通過(guò)控制天線間隔長(zhǎng)度d_T、d_R和角度θ_T、θ_R來(lái)實(shí)現(xiàn)最大通信容量。由此，通過(guò)控制MIMO天線中的天線間隔長(zhǎng)度(d)和角度(θ)，不論是何種幾何形式的視距信道，都可以實(shí)現(xiàn)最大通信容量。

以下將描述本發(fā)明另一示例性實(shí)施例。

根據(jù)本示例性實(shí)施例的MIMO通信系統(tǒng)包括多個(gè)信道。此外，系統(tǒng)在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)或發(fā)送和接收兩側(cè)包括信道矩陣計(jì)算處理部件。信道矩陣計(jì)算處理部件根據(jù)發(fā)送天線(例如，電波傳播中使用的發(fā)送天線、發(fā)光裝置、揚(yáng)聲器等)的位置變動(dòng)或接收天線(例如，電波傳播中所使用的接收天線、受光裝置、麥克風(fēng)等)的位置變動(dòng)或信道的變動(dòng)更新正交信道形成矩陣。利用這樣的配置，可以吸取發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)，從而提供能夠?qū)崿F(xiàn)最大通信容量的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，為了形成虛擬正交信道，可以采用這樣的配置，在該配置中，設(shè)置信道的幾何參數(shù)使得信道矩陣的特征值變成多重根條件，并且在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)中的一側(cè)執(zhí)行基于從特征值得到的特征向量或從特征向量的線性和得到的特征向量構(gòu)建的酉矩陣的計(jì)算。這使得能夠進(jìn)行靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)不需要使用用于交換反饋信息的反向信道的配置以及僅執(zhí)行發(fā)送處理的配置。

此外，MIMO通信系統(tǒng)可以是使用多個(gè)天線并且通過(guò)使用針對(duì)發(fā)送和接收側(cè)的一側(cè)或兩側(cè)的各個(gè)天線獨(dú)立設(shè)置的本地振蕩器構(gòu)建的定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)。利用這樣的配置，可以解決必須實(shí)現(xiàn)天線間的載波同步的問(wèn)題，天線間的載波同步對(duì)定點(diǎn)微波通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)施加了制約。

此外，MIMO通信系統(tǒng)可以包括用于對(duì)發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的手段，并且使用來(lái)自所述手段的檢測(cè)結(jié)果來(lái)更新虛擬正交信道形成矩陣。利用這樣的配置，可以提供具有令人滿意的安裝條件和強(qiáng)固的結(jié)構(gòu)的沒有問(wèn)題的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，可以僅在接收側(cè)執(zhí)行用于虛擬正交信道形成的矩陣計(jì)算處理。利用這樣的配置，可以提供不需要使用反向信道來(lái)周期地、頻繁地交換用于發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理的反饋信息的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，MIMO通信系統(tǒng)可以包括用于將導(dǎo)頻信號(hào)從發(fā)送側(cè)發(fā)送給接收側(cè)的手段。在這種情況中，通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)發(fā)送天線位置或接收天線位置的變動(dòng)或信道的變動(dòng)，并且基于檢測(cè)結(jié)果更新虛擬正交信道形成矩陣。利用這樣的配置，可以提供簡(jiǎn)單配置的具有令人滿意的安裝條件和強(qiáng)固的結(jié)構(gòu)的沒有問(wèn)題的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，MIMO通信系統(tǒng)可以包括用于將各個(gè)天線的導(dǎo)頻信號(hào)從發(fā)送側(cè)發(fā)送給接收側(cè)的手段，并且基于導(dǎo)頻信號(hào)，僅在接收側(cè)執(zhí)行用于虛擬正交信道的形成的矩陣計(jì)算處理。利用該簡(jiǎn)單處理，可以提供不需要使用反向信道來(lái)周期地、頻繁地交換用于發(fā)送側(cè)矩陣計(jì)算處理的反饋信息的MIMO通信系統(tǒng)。

此外，可以在由本地振蕩器執(zhí)行的處理之前產(chǎn)生要從發(fā)送側(cè)發(fā)送給接收側(cè)的導(dǎo)頻信號(hào)。利用這樣的配置，可以在接收端檢測(cè)發(fā)送側(cè)產(chǎn)生的本地振蕩器之間的相位噪聲，并且可以通過(guò)更新矩陣補(bǔ)償所產(chǎn)生的相位噪聲。

此外，在由接收側(cè)的本地振蕩器執(zhí)行的處理之后可以執(zhí)行對(duì)已經(jīng)從發(fā)送側(cè)被發(fā)送給接收側(cè)的導(dǎo)頻信號(hào)的檢測(cè)。利用這樣的配置，可以在接收端檢測(cè)接收側(cè)所產(chǎn)生的本地振蕩器之間的相位噪聲，并且通過(guò)更新矩陣可以補(bǔ)償所產(chǎn)生的相位噪聲。

此外，從發(fā)送側(cè)被發(fā)送給接收側(cè)的導(dǎo)頻信號(hào)可以在發(fā)送天線之間是正交的。利用這樣的配置，通過(guò)簡(jiǎn)單的相關(guān)器可以檢測(cè)本地振蕩器之間的相位噪聲和由氣象條件引起的高度敏感天線方向上的位移，并且通過(guò)更新矩陣可以補(bǔ)償所檢測(cè)到的相位噪聲或位移。

此外，視距信道可以被用作光學(xué)信道或者聲學(xué)信道以及電波信道。在這種情況中，也可以提供MIMO通信系統(tǒng)。

此外，可以使得多個(gè)發(fā)送天線或多個(gè)接收天線之間的天線間隔長(zhǎng)度與多個(gè)接收天線或多個(gè)發(fā)送天線的方向之一或兩者可變。利用這樣的配置，不論是何種幾何形式的視距信道，都可以提供這樣的MIMO通信系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)發(fā)送天線或接收天線之間的天線間隔長(zhǎng)度與發(fā)送天線或接收天線的軸向之一或兩者進(jìn)行控制總是能夠?qū)崿F(xiàn)最大通信容量。

在本發(fā)明中，不需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上效果，但是至少可以實(shí)現(xiàn)所述效果之一。

盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例和示例特別示出和描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些示例性實(shí)施例和示例。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不偏離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種修改。

本申請(qǐng)基于并且要求2006年11月17日遞交的日本專利申請(qǐng)第2006-312277號(hào)的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其公開全部結(jié)合于此。