CN102934371A - 用于减少多用户无线***中的小区间干扰的多天线方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种在移动无线***中且特别是在TDD无线***中减少小区间干扰的方法。在一个实施方式中，基站在多个基站天线处从其服务的移动终端中的至少一个移动终端接收导频信号，多个基站天线包括主天线和辅助天线二者。作为响应，每个基站天线提供一个输出，要对该输出进行处理以获得用于从主天线进行的发送的预编码权重的集合。处理包括使用至少来自辅助天线的输出使至少一个干扰信号为零。

Description

用于减少多用户无线***中的小区间干扰的多天线方法和装置

技术领域

本发明一般性地涉及无线通信网络，其中为了测量传播特征的目的，用户终端向基站发送导频信号。本发明更具体地涉及采用时分复用(TDD)的移动无线***。

背景技术

在典型的移动无线多用户***中，多个无线电小区覆盖广泛的地理区域。基站(BS)位于每个小区中心。BS接收并且向那些移动用户终端发送数据，此后称为“移动台”或“移动站”，其与BS位于同一小区中。

但是，由给定基站发送的信号将不仅向其自己小区中的移动台传播，而且也向相邻小区中的移动台传播。因此，来自每个基站的下行链路传输将趋于在相邻小区的移动台产生噪声，被称为“小区间干扰”。类似地，给定小区中每个移动台发送的信号将不仅向服务该小区的基站传播，而且向服务相邻小区的基站传播。因此，来自每个移动台的上行链路传输将趋于在服务相邻小区的基站产生小区间干扰。

例如，图1图示了蜂窝网络的一部分，其中来自小区1的基站的下行链路传输干扰小区2中的移动站。

小区间干扰，如上所述，是现代无线***中提高数据传输速率的主要障碍。尤其是，小区间干扰降低了传输速率中的增益，这可以另外通过在基站采用多个天线而实现。即，下行链路上理论的最大可行传输速率随着基站天线的数目而线性地增加。但是，小区间干扰量随着基站天线的数目以仅获得次线性增加的方式而增加。

发明内容

我们已发现减少在移动无线***中并且尤其是在时分复用(TDD)无线***中的小区间干扰的有效方式。

在一个实施方式中，服务一个或多个移动终端的基站在多个基站天线处从服务的移动终端中的至少一个移动终端接收导频信号，多个基站天线包括至少一些主天线和至少一些辅助天线。响应于导频信号在每一天线被接收，从多个天线中的每一天线提供输出。对天线输出进行处理以获得用于从主天线进行的发送的预编码权重的集合。处理包括使用至少来自辅助天线的输出使至少一个干扰信号为零。

附图说明

图1是具有六边形几何形状的典型的蜂窝网络的一部分的示意图，图示了图中编号为1和2的小区间的小区间干扰。

图2是图示了来自一组相邻小区中的移动站的导频信号的同步传输的定时图。

图3是图示了图2的格式的替换的定时图，其中在不同小区中的导频传输之间有定时偏移。

图4是根据本发明的实施方式的网络的一部分的示意图，其中两个基站配备有主和辅助天线。

图5是显示了模型网络中的吞吐量对辅助天线的数目的仿真结果的图。

具体实施方式

信道系数

为了例示的目的，我们将基于我们对其中使用OFDM数据传输的网络的描述。本发明不限于应用于OFDM网络，而是可应用于其中为了测量传播信道的特征的目的而使用上行链路导频信号的任何类型的网络。

为了简化演示，我们将下列讨论限制到在OFDM***中使用的用于数据传输的多个正交子信道之一。将下列讨论扩展到OFDM子信道的完整集合是简单的。

在下列讨论中，信号和系数将使用下列符号来索引：

j标识移动台所在的特定小区；

l标识特定基站以及通过扩展标识该特定基站所服务的小区；

k标识给定小区中的特定移动台；以及

m标识在给定基站的特定天线。

我们将假设在包括给定的小区及其相邻小区的组中有L个小区，每个小区中有k个移动台。我们将假设所有基站具有M个用于发送和接收的天线并且每个移动台具有一个天线。我们用x_jk表示第j个小区的第k个移动台发送的信号。我们用y_lm表示第l个基站的第m个天线接收的信号。我们用p_MS和p_BS分别表示移动台和基站的发送功率水平。为了例示的目的，我们将简化假设：所有移动台具有相同功率并且所有基站具有相同功率。

在传输期间，传播信道的影响是将从第j个小区的第k个移动台到第l个基站的第m个天线的每个信号乘以复值信道系数h_jlkm。从第j个小区的第k个移动台到第l个小区的第M个天线的对应信道系数形成信道向量

(这里，粗体用于表示向量。)信道系数h_jlkm被建模为随机变量。在相干间隔T期间信道系数h_jlkm大致保持恒定。相干间隔T的长度取决于移动台的速度。移动台移动越快，用于其信道系数

的相干间隔越短。对于以50或70km/h的速度移动的移动台，相干间隔T大致等于分别传输20或10OFDM符号所需要的时间。

因为在我们的示例中，相同频率子信道用在下行链路和上行链路二者上，所以应用互易原则，并且从第l个基站的第m个天线向移动台发送的信号同样被乘以相同信道系数h_jlkm。

阴影系数

实际经验已经显示在建模无线网络时，包括变化相对慢、通常实数值系数以表示发送的信号因距离或诸如中间的地形特征、建筑物或其他物理障碍物之类的其他因素而发生的衰减是有用的。即，从第j个小区的第k个移动台向第l个基站的任一天线发送的信号被乘以阴影系数β_jlk。阴影系数β_jlk取随机值。不同于信道系数，阴影系数更久地保持恒定。因此，基站可以，至少在原则上，对相邻小区的所有移动台准确估计阴影系数。

因此，我们将假设在下列讨论中，阴影系数β_jlk，j＝1，...，L，k＝1，...，K，对第l个基站是已知的。还重要的是注意阴影系数β_jlk一般将与第l个基站和第j个小区的第k个移动台之间的距离非常相关。距离越大，β_jlk的值将(典型地)越小。

知道信道系数允许基站通过使用干扰消除预编码来减少小区内干扰和小区间干扰。

为了允许基站估计信道系数h_jlkm，所有小区中所有移动台同步(在当前示例中)发送每个是τ个符号的训练导频信号

因此，每个导频信号是标量值符号的τ元组，并且因此是τ维向量。作为导频信号

已被发送的结果，在第l个小区的第m个天线收到τ维向量

其形式为：

其中τ元组

表示附加噪声。

现在我们引入下列定义，其按照以上定义的数量来表示：

根据等式(1)，在第l个基站接收的信号是：

(

是τ×M矩阵)

将会理解

是矩阵，其每一列对应于第l个基站的M个天线中的一个。

的每一列是标量值的τ元组。每个标量值对应于发送的导频信号的τ个符号之一，以及表示第m个天线处的如从占据服务的小区和相邻小区的各个移动台接收的符号的多个版本加上附加噪声的总和。

当导频信号

被设计为相互正交时(典型的是这种情况)，它们的正交属性可用在适当设计的接收器中以恢复在第l个基站处的各个信道系数的估计。即使与完全正交有小的偏离，也可以采用相同技术来获得信道系数的估计。因此，应理解我们在这里说到“正交”导频信号，我们的意思是包括可能与完全正交有一定偏离的导频信号，但是不会多到使各个信道系数的估计无效。

因此，例如，MMSE估计器使用导频信号的已有知识和正交属性

来恢复以上定义的矩阵

的估计

是K×K单位矩阵。

即，给定

的MMSE估计器是：

从基站到移动台的数据传输

使用估计

第l个基站可以用线性或非线性预编码来为来自第l个小区的移动台提供强信号，并且限制对来自其自己小区的移动台和对来自其他小区的移动台的小区内干扰和小区间干扰。特别地，线性预编码可以如下地完成。

使q_l1，...，q_lK为应由第l个基站向来自第l个小区的对应移动台发送的信号。使用估计第l个基站形成M×K预编码矩阵

并且发送信号：

来自第j个小区的第k个移动台接收的信号是

其中z表示附加噪声。

有很多不同的高效的预编码矩阵，使得能显著减少小区内干扰和小区间干扰。一种可行的方法是使用

作为

的伪逆。

导频信号及其至移动台的分配

如上所述，可以采用预编码以显著减少干扰。但是，作为一般规则，只要估计

是准确和不相关的，预编码就有效工作了。为了获得完全正确和不相关的估计，导频信号(下面也称为“导频”)

必须是正交的。不幸的是，作为实际问题，在给定小区及其相邻小区中的所有移动台上同时满足这个要求通常是不可能的。

即，移动台可以高速运动，例如车辆的速度，以及因此可具有很短的相干间隔，即，很低T值。基站在导频的帮助下学习的信道系数，仅在给定的相干间隔期间有效地保持恒定。因此，用于向移动台发送数据的基站可用的最大间隔是T-τ。因此，使在符号间隔中测量的导频信号的长度τ尽可能小是有利的。

典型地，τ可以取值为从4到12，取决于移动台在特定无线网络中的速度。基础向量分析教导互相正交的τ维向量的集合不能包含多于τ个元素；否则，至少一对向量将是非正交的。因此，在给定时间可具有正交导频信号的移动台的最大数目等于τ。

例如如图1中所示，在典型的六边形网络中包括给定小区和与给定小区相邻的小区的组中的小区数目L是7，并且在我们的例示性示例中它将取值为7。例如，如图1中所见，小区1可以被相邻小区2至7围绕。因此清楚的是如果2个或更多移动台在给定小区和其6个邻居的每一个中同时由它们的相应基站来服务，则正使用的导频不能都是相互正交的，即使τ高至12。

减轻小区内干扰通常被认为比减轻小区间干扰更重要。通过要求给定小区中使用的所有导频是正交的，小区内干扰可被有效地减轻。因此，在下面讨论的示例中将假设用于给定小区中的移动台的导频信号是正交的。

不失般性地，考虑2个不同的小区，小区1和小区2，导频信号

属于小区1的第k个移动台，并且导频信号属于小区2的第q个移动台。如果这两个导频信号不是正交的，则信道向量

和

的估计将是不准确的，并且特别地，它们将至少部分相关。这将导致预编码矩阵

很差。即，使用这种估计，索引l＝2的基站将产生预编码矩阵

其条目至少被部分修改以帮助从l＝2的基站向小区1的第k移动台传送数据。换句话说，根据等式(2)产生的信号

将以相当高的强度到达小区1的第k个移动台。换句话说，积

其中j＝1且l＝2，将很大。因此l＝2的基站将不可避免地为小区2的第q移动台波束形成下行链路信号，从而在小区1的第k移动台造成定向干扰。再次参见图1，将看到所示出的到达小区2的两个移动站的信号导致此处所述类型的干扰。

为了获得预编码矩阵，一个常规的方法使一组相邻小区中所有移动站向其对应的基站同时发送导频信号，如图2所示。“同步”意思是移动站的同步组中所有的导频传输一起开始并且一起结束。

但是，应注意，为了维持小区内正交性，给定小区中最多τ个移动台可同步发送导频信号，如所指出的，τ是导频信号中符号间隔的数目。因此，虽然图2(以及图3)示出来自K个移动站的同步传输，应理解如果K≥τ，则为了维持小区内正交性，小区中少于所有移动站的移动站将同时是活动的。

基站使用这些导频来估计到它们对应的移动站中每一个的信道系数，并且它们使用估计的信道系数来计算预编码矩阵。但是，基于来自给定移动站的导频的每个信道估计可能被从不同移动站同步发送(其典型地将从其他相邻小区发送)的一个或多个非正交导频污染(contaminate)。如上所述，这种污染可导致明显比来自相同功率的随机信号的干扰强的下行链路干扰。这可导致多小区多用户无线***中的下行链路传输速率的显著降低。

图3中示出了可替换的协议。在这个协议中，来自给定小区的K个移动台使用K个正交导频并且同步发送它们。同时，来自不同小区的移动台发送时移的导频，如图所示。在这种情况下，来自不同小区的导频将不会彼此污染。

新方法

但是，这种方法存在基站发送的信号明显比移动台发送的信号强的问题。因此，当存在BS2和其他相邻小区的基站发送的很强下行链路信号时，基站BS1将必须估计来自小区1的移动台的信道系数。

现在我们将描述我们已经开发以解决这个问题的新方法。

我们首先注意因为有来自相邻(并且因此潜在的干扰)小区的导频传输的定时偏移，我们下面可以将讨论限制到仅给定小区的移动台。因此，以上我们已使用的表示从小区j的移动台k到小区l的基站天线m的信道系数的标记符号h_jlkm现在将被简化为形式h_km，表示从移动台k到基站天线m的信道系数。

我们的新方法的示例性实施方式通过下列步骤实现：

1.为基站配备N个辅助天线的附加集合，其是无源天线，在某种意义上它们用于接收而不是用于发送。

2.采用如下通信协议和信号处理算法，该通信协议和信号处理算法即使当存在来自其他基站的很强下行链路信号时，也允许基站估计M个有源天线和移动台之间的信道系数h_km。下面讨论的协议和信号处理算法，基于使用M个有源天线(我们称为“主”天线)以及N个无源天线(我们称为“辅助”天线)。

3.可选地，优化有源和无源天线的相应数目。

数学细节

为了例示的目的，在图4中示出一般的情况。在图中，基站BS1服务小区1，并且基站BS2服务小区2。在小区1中有K个移动站。(仅一个移动台，即，移动台k，示出在图中。)一组τ个这些移动台同步发送τ个正交导频。来自不同小区的移动台发送时移的导频，如图3所示。

小区1的第k个移动台发送导频

在第t个时刻，使BS2从其M个有源天线向位于小区2中的移动台发送信号

(这里，上标T指示矩阵转置。)信号对于BS1是未知的。

第k个移动台和BS1的M个有源天线之间的信道系数是h_k1，...，h_kM。

我们用

表示第k个移动台的信道系数形成的1×M向量。

BS2的M个有源天线和BS1的M+N个天线之间的信道系数是g_jr，j＝1，...，M+N，r＝1，...，M。使

是BS1和BS2之间的信道系数g_jr形成的(M+N)×M矩阵。

在第t时刻，BS1接收1×(M+N)向量

如上所述，只有K≤τ，才能维持小区内正交性。因此，对于包含多于τ个移动站的小区，为了此讨论，K应被理解为包含不多于τ个移动站的子集中的移动站的数目。

信道矩阵

不改变或者改变非常慢，因为基站不移动。因此，通过发送适当的导频，

可以被准确估计并且周期性地更新。

使所有基站以功率p_BS发送信号。假设所有移动台以功率p_MS进行发送。(算法易于被扩展以应用于不同移动台和基站以不同功率进行发送的情况。)为了简化我们的标记，我们假设所有基站具有相同功率并且所有移动台具有相同功率。扩展到更一般的情况是简单的。

无线***中的标准假设是

其中

是(M+N)×(M+N)单位矩阵。即，假设信道向量具有带有协方差矩阵

的复高斯分布。如果信道向量具有不同分布，易于相应地修改这里所述的算法。

BS1现在可执行下列过程：

1.使用的良好估计允许BS1准确估计BS2发送的向量

例如，这使用从线性回归分析获知的估计技术实现，其中项

被视为附加噪声。特别地，BS1可使用贝叶斯(Bayesian)MMSE估计器来获得M×1向量

这里*表示厄尔米特(Hermitian)共轭，表示M×M单位矩阵，以及

是BS2发送的向量

的估计版本。

2.BS1从

减去向量

从而获得(M+N×1)向量

3.将t＝1，...，τ(τ是导频

的长度)的向量

累加，BS1可以估计信道系数这可以通过下列方式实现。使

是

的最开始M个条目形成的M×1向量。使

是由

形成的τ×M矩阵；即

假设项

很小并且使用标准MMSE估计方法，对于移动站i我们获得：

其中c＝sqrt(p_MS τ)/(1+p_MS τ)。

4.使用获得的的估计

BS1可进行干扰消除预编码(例如迫零预编码)而不对小区2造成定向干扰。

如以上在步骤1和2解释的，基站BS1估计向量

并且从

减去向量

使得可以估计信道系数h_km而不被信号

降级。这是调零(null)的示例，我们用调零来指代减少或消除

对信道系数估计的降级影响的任何方法。

注意，如果步骤1至3被迭代几次，算法的性能可以被进一步提高。例如，如果基站配备有快速计算设备并且可在合适的时间帧内执行步骤1-3几次，这可以被实现。适当的计算设备包括专用数字处理器，但是它们并不是如此受限，并且可以可替换地包括在硬件、固件或软件控制下运行的其他专用或通用计算设备。

在来自相邻小区的几个基站发送信号的情况下，同样可以使用上述方法。

不难看出无源天线的数目N越大，BS1可获得的信道系数的估计越好。实际上让我们假设N趋于无穷大。则使用N个无源天线，BS可获得对BS2发送的向量

的相当准确的估计。(这直接遵循线性回归分析。)在这种情况下，我们有

并且因此

其对应于来自小区1的K个移动台发送正交导频并且根本没有其他基站或来自小区2的移动台发送任何信号的情况。这是对BS1非常有利的情形。在这种情况下，BS1可以准确地估计信道向量

并向来自小区1的移动台进行发送而不对位于小区2中的移动台造成任何定向干扰。

当然，对可部署的天线(包括有源和无源天线)的总数L总是会有实际的限制。因此，选择有源的M个天线和无源的N个天线的最优数目是有利的。

在这方面有用的一个最优方法涉及通过计算机仿真来估计针对M和N的多种组合的总和速率(即***吞吐量)。估计总和速率的方法是已知的并且不需要在这里详细说明。一个示例性的这种方法描述于T.L.Marzetta的“How much training is required for multiuser MIMO”，Proc.of Signal，Systems，and Computers，ACSS 2006，Fortieth AsilomarConference，第359至363页(2006年11月)中。

根据我们的示例性优化方法，使用计算机仿真来估计针对满足约束M+N＝L的不同值M和N的总和速率。对结果的查找可识别使总和速率最大的有源和无源天线的数目M_opt和N_opt(使得M_opt+N_opt＝L)。

应注意，无源天线不需要信号放大器并且因此它们比有源天线便宜。因此，如果天线的总数是L，并且我们部署了最佳数目的无源天线N(M＝L-N)，则我们同时提高了数据传输速率并减少了***的成本。

在一些实施方式中，要被指定作为主天线的天线的数目和要被指定作为辅助天线的数目可以是可变的，并且可以适配于改变的条件。给定的天线要被指定为“主”还是“辅助”也是可选择的。例如，可以使用开关将所选的天线连接到发送链，同时将其他所选天线仅连接到接收链，以及指定要对来自给定天线(运行在接收模式)的输出进行怎样的处理，即，用于完整通信还是仅用于减轻干扰。

还可以选择仅使用辅助天线，或者主天线和辅助天线的组合，用于估计来自相邻基站的干扰信号。

示例

图5呈现了对于例如如图1所示的7个相邻小区的情况我们执行的数值仿真的结果。我们假设在每个小区中有4个移动台并且这些移动台使用正交导频的相同集合，每个导频包括n＝4个符号。更确切地，我们假设这4个导频形成大小为4的哈达玛(Hadamard)矩阵的行。

从上到下，3个曲线分别代表，结果依赖于无源天线的数目N的我们的新方法；参考图3所述的使用时间偏移导频传输的方法；以及如参考图2所述的使用没有时间偏移的同步导频传输的方法。

显然，来自不同小区的移动台发送时移导频的协议展示了相对所有小区中的所有移动台同步发送导频的协议的增益。(在两种情况下仅使用M个有源天线)。也可以看出所建议的利用N个无源天线的方案给出了进一步的显著提高。

Claims (7)

1.一种由服务一个或多个移动终端的基站执行的方法，包括：

(a)在多个基站天线处从服务的所述移动终端中的至少一个移动终端接收导频信号，所述多个基站天线包括至少一些主天线和至少一些辅助天线；

(b)从所述多个基站天线中的每个天线提供输出，所述输出响应于接收的导频信号；以及

(c)处理天线输出以获得用于从所述主天线进行的发送的预编码权重的集合，所述处理包括使用至少来自所述辅助天线的输出使至少一个干扰信号为零。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述预编码权重向服务的所述移动终端中的一个或多个发送数据，所述发送是从所述主天线进行的，同时不从所述辅助天线进行任何发送。

3.根据权利要求2所述的方法，其中向多个服务的所述移动终端同时进行数据发送。

4.根据权利要求1所述的方法，其中从多个服务的所述移动终端同时接收导频信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收导频信号的步骤至少部分地在从至少一个相邻基站进行传输期间执行，并且使用至少来自辅助天线的输出以使至少一个所述相邻基站传输为零。

6.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述主天线的输出和来自所述辅助天线的输出用于使至少一个所述干扰信号为零。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述多个基站天线中的一些天线作为主天线，以及选择所述多个基站天线中的一些其他天线作为辅助天线。

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