專利名稱：在協(xié)作、多用戶、多入多出網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及多入多出(MIMO)通信網(wǎng)絡(luò)，并且更具體地說，涉及減少發(fā)送信號在協(xié)作基站、多用戶MIMO網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)間干擾。

背景技術(shù)：
在多入多出(MIMO)通信網(wǎng)絡(luò)中的頻譜效率增益對于點到點鏈路是至關(guān)重要的。然而，該增益在多用戶(收發(fā)器)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中是有限的。在從蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站到收發(fā)器(移動電話)的下行鏈路(也稱為矢量廣播信道)中尤其如此。
在常規(guī)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，主要由細(xì)致的無線電資源管理技術(shù)(例如，功率控制、頻率復(fù)用、和擴頻碼的分配)來處理小區(qū)間同信道干擾(CCI)。
近年來，已經(jīng)提出了多種優(yōu)于常規(guī)方法的更先進的技術(shù)來減少蜂窩MIMO網(wǎng)絡(luò)中的CCI影響。例如，移動站(MS)中的多用戶檢測(MUD)提供了相當(dāng)大的性能改進，見H.Dai，A.F.Molisch和H.V.Poor，“Downlink capacity of interference-limited MIMO networks with jointdetection，”IEEE Trans.Wireless Communications，vol.3，no.2，pp.442-453，March 2004。然而，MUD的阻礙在于對于大多數(shù)實際網(wǎng)絡(luò)來說過于復(fù)雜。
已提出了在常規(guī)單小區(qū)傳輸網(wǎng)絡(luò)中(其中僅從一個關(guān)聯(lián)的基站(BS)發(fā)送打算僅供給一個MS的信號)在協(xié)同的BS之間的聯(lián)合預(yù)編碼優(yōu)化，見A.Pascual-Iserte，A.I.Perez-Neira和M.A.Lagunas，“An approach tooptimum joint beamforming design in a MIMO-OFDM multi-user system，”European Journal on Wireless Communications and Networking，2004，no.2，pp.210-221，4th Quarter，2004；和C.Windpassinger，R.F.H.Fischer，T.Vencel和J.B.Huber，“Pre-coding in multiantenna and multi-user communications，”IEEE Trans.Wireless Communication，vol.3，no.4，pp.1305-1316，July，2004。
然而，非常嚴(yán)格的維度約束嚴(yán)重限制了可由這種網(wǎng)絡(luò)處理的收發(fā)器的數(shù)量。盡管聯(lián)合預(yù)編碼顯著地增加了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，但其性能增益有限。臟紙編碼(DPC)在用于所有協(xié)作基站之間的聯(lián)合傳輸時，可有效地消除CCI的影響，見A.F.Molisch，Wireless Communications，Wiley，2005；A.Goldsmith，S.A.Jafar，N.Jindal和S.Vishwanath，“Capacity limits ofMIMO channels，”IEEE J.Select.Areas Commun.，vol.21，no.5，pp.684-702，June 2003；和S.Shamai和B.M.Zaidel，“Enhancing the cellulardownlink capacity via co-processing at the transmission end，”Proc.2001Spring IEEE Vehicular Technology Conf.，pp.1745-1749，May 2001。
產(chǎn)生了略微次優(yōu)選的結(jié)果的Tomlinson-Harashima預(yù)編碼(THP)是另一實施方案，見A.Pascual-Iserte，A.I.Perez-Neira和M.A.Lagunas，“Anapproach to optimum joint beamforming design in a MIMO-OFDMmulti-user system，”European Journal on Wireless Communications andNetworking，2004，no.2，pp.210-221，4th Quarter，2004；和C.Windpassinger，R.F.H.Fischer，T.Vencel和J.B.Huber，“Pre-coding in multiantenna andmulti-user communications，”IEEE Trans.Wireless Communications，vol.3，no.4，pp.1305-1316，July 2004。
然而，DPC和THP均為非線性預(yù)編碼技術(shù)，并且其阻礙在于，對于協(xié)作BS MIMO網(wǎng)絡(luò)來說過于復(fù)雜。因此，在協(xié)作BS之間的發(fā)射機處的線性預(yù)編碼是一種令人矚目的方案，其在BS和MS二者處均提出相對較低的復(fù)雜性要求，見S.Shamai和B.M.Zaidel，“Enhancing the cellulardownlink capacity via co-processing at the transmission end，”Proc.2001Spring IEEE Vehicular Technology conf.，pp.1745-1749，May 2001；G.J.Foschini，H.Huang，K.Karakayali，R.A.Valenzuela和S.Venkatesan，“Thevalue of coherent base station coordination，”Proc.2005 Conference onInformation Sciences and Systems(CISS 05)，The Johns Hopkins University，March 16-18，2005；P.W.Baier，M.Meurer，T.Weber和H.Troeger，“Jointtransmission(JI)，an alternative rationale for the downlink of time divisionCDMA using multi-element transmit antennas，”Proc.2000 IEEE 6th Int.Symp.Spread Spectrum Techniques，vol 1，pp.1-5，Sept.2000；和B.L.Ng，J.S.Evans，S.V.Hanly和D.Aktas，“Transmit beamforming with cooperativebase stations，”Proc.IEEE International Symposium on Information Theory，ISIT 05，pp.1431-1435，Sept.2005。
協(xié)作基站之間的聯(lián)合傳輸不僅有效地減少CCI，而且利用了宏分集，并且可避免在具有嚴(yán)重的空域相關(guān)性的信道中的容量瓶頸。然而，常規(guī)的聯(lián)合傳輸方案總是假設(shè)來自不同BS的期望信號和干擾信號同步達(dá)到每個MS。盡管該假設(shè)使得能夠以直接方式應(yīng)用已經(jīng)被深入研究的單小區(qū)下行鏈路傳輸模型，但在實際網(wǎng)絡(luò)中，這基本上是不可實現(xiàn)的。
BS可調(diào)整它們的傳輸，以使得試圖用于某一MS的信號均可同步到達(dá)該MS。然而，當(dāng)這些信號還作為干擾由其它MS接收時，BS無法進行同步控制。因此，即使在精確同步的BS協(xié)作的假設(shè)下，干擾信號也不會同時到達(dá)MS。該固有異步的影響在高數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)中是很明顯的。這可顯著地降低網(wǎng)絡(luò)性能。甚至其中僅由一個BS發(fā)送用于MS的線性預(yù)編碼信號的多BS預(yù)編碼優(yōu)化也對干擾信號的異步到達(dá)無濟于事。
就目前我們的了解來看，在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有解決多用戶MIMO網(wǎng)絡(luò)的該異步干擾的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式提供了用于使用線性預(yù)編碼處理在協(xié)作基站、多用戶、多入多出(MIMO)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送信號以減少小區(qū)間干擾的方法和系統(tǒng)。
這些實施方式還可減少在實際網(wǎng)絡(luò)中不可避免的定時提前不精確性(inaccuracies)或‘抖動’。通過使用抖動統(tǒng)計感知預(yù)編碼器，可顯著減少這些定時提前不精確性的影響。
通常，本發(fā)明使得能夠在協(xié)作基站、多用戶MIMO網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)聯(lián)合傳輸。



圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方式的多用戶、多入多出通信網(wǎng)絡(luò)的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方式的到達(dá)圖1網(wǎng)絡(luò)的移動站處的期望信號和異步干擾的時序圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于對圖1網(wǎng)絡(luò)的移動站處接收信號進行優(yōu)化的方法的框圖； 圖4是根據(jù)一實施方式的線性預(yù)編碼的框圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明實施方式的發(fā)送RF鏈的框圖； 圖6是圖5的發(fā)送RF鏈的信道映射模塊的框圖； 圖7是在各基站處發(fā)送的信號和在各基站處的SINR的框圖；以及 圖8是在各基站處發(fā)送的信號和在各基站處的SLNR的框圖。

具體實施例方式 網(wǎng)絡(luò)模型和問題方程式化 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的協(xié)作基站、多用戶、多入多出網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)包括B個基站(BS)100。每個BS具有NT個天線102，其中T大于1?；疽詤f(xié)作方式發(fā)送信號101。還有K個移動站(MS)103。每個MS具有NR個天線104，其中R是1或更大。例如，基站位于蜂窩點處，并且移動站(用戶)是蜂窩收發(fā)器(‘移動電話(cell phone)’)。各站(station)都可發(fā)送或接收無線電信號。如圖1中所示，來自BS的信號部分地重疊。即，MS1和MS2二者均可從BS1和BS2兩者接收信號。
本發(fā)明的基本思想是由多個基站發(fā)送到特定移動站的信號是彼此同步的，而這些信號相對于由這些基站發(fā)送到任何其它移動站的信號是異步的。
如圖4中所示，各BS 100將Lk個數(shù)據(jù)流401協(xié)作發(fā)送給MSk，其中k＝1，...，K。在基帶中，數(shù)據(jù)流401是發(fā)送RF鏈500的輸出并且該數(shù)據(jù)流包括可從信號星座(例如，公知的調(diào)制格式(如，QPSK、M-QAM等))提取的碼元。這些鏈所使用的是所謂的有限調(diào)制字母表(finite modulationalphabet)。
如圖5中所示，對于3GPP下行鏈路信道，發(fā)送RF鏈500可包括以下階段信道編碼501、交錯502、擾頻503、擴頻504、和信道映射600。輸入的是一些信號510(例如，從移動電話中的麥克風(fēng)獲得的信號)，而輸出的是數(shù)據(jù)流401。圖6示出了信道映射階段(stage)600，其包括串行-并行模塊601和調(diào)制映射器602。
返回參考圖4，如這里所述的數(shù)據(jù)流401被譯碼(410)，以使得譯碼后的信號411同步到達(dá)預(yù)期移動站，并且異步到達(dá)其它非預(yù)期移動站。
協(xié)作發(fā)送意味著信號是同步的。不同發(fā)送和接收天線對之間的鏈路(信道)101被假設(shè)為相互獨立并且經(jīng)歷頻率平坦的瑞利衰減。因此，Hk(b)(從BSb到MSk的信道的基帶表示)具有高斯獨立同分布入口(i.i.d.entry)。設(shè)bk表示最接近于MSk的BS的標(biāo)號。
對于任意MS，BS協(xié)作且同步發(fā)送預(yù)期用于該MS的信號。如上所述，我們在BS處使用聯(lián)合線性預(yù)編碼。使用大小為Nt×Lk的矩陣Tk(b)對來自BSb的用于MSk的發(fā)送矢量(信號)進行線性預(yù)編碼。該發(fā)送矢量采用xk(b)(m)＝Tk(b)sk(m)的形式，其中sk(m)表示用于MSk的大小為Lk×1的第m個零平均數(shù)據(jù)矢量。
在緩慢衰減的環(huán)境中，我們假設(shè)每個BS均具有用于到所有MS的所有子信道的所需信道狀態(tài)信息。這例如可通過涉及所有協(xié)同基站的初始聯(lián)合訓(xùn)練階段、或借助于MS處實現(xiàn)的自適應(yīng)信號跟蹤和反饋處理來實現(xiàn)。
本發(fā)明假設(shè)具有足夠大相干時間的區(qū)塊衰減信道模型(block-fadingchannel model)，使得信道衰減在使用預(yù)編碼矩陣Tk(b)的持續(xù)時間內(nèi)保持基本恒定。該相干時間通常比任意BS-MS對之間的傳播延遲更長。為了最大化用于每個MS的信息傳輸率，針對該發(fā)送數(shù)據(jù)矢量使用高斯碼本。
根據(jù)對功率進行歸一化，其中算子H表示矩陣共軛變換，并且IL表示L×L的單位矩陣?？捎深A(yù)編碼矩陣T的范數(shù)來定義對發(fā)送信號的功率限制。此外，用于不同MS的碼本是相互獨立的，即其中k≠1。
本發(fā)明假設(shè)發(fā)送信號的精確BS間同步例如可通過全球定位系統(tǒng)(GPS)或通過無線廣播信令方法得以實現(xiàn)，見M.Capaccioli和D.Rispo，“A technique to realize base stations on-air frame synchronization inTD-SCDMA system，”Proc.IEEE Vehicular Technology Conference，2003，VTC-Fall 03，vol.2，pp.982-986，Oct.2003；和M.Rudlf和B.Jechoux，“Design of concatenated extended complementary sequences for inter-basestation synchronization in WCDMA TDD mode，”Proc.IEEE GlobalTelecommunications Conference，2001，GLOBECOM 01，vol.1，pp.674-679，Nov.2001，以引用的方式將二者并入于此，或通過有線線路骨干(在方便軟切換的CDMA2000和IS-95網(wǎng)絡(luò)中的已有技術(shù))得以實現(xiàn)，見H.Dai，A.F.Molisch和H.V.Poor，“Downlink capacity ofinterference-limited MIMO systems with joint detection，”IEEE Trans.Wireless Communications，vol.3，no.2，pp.442-453，Mar.2004，以引用的方式將其內(nèi)容合并于此。
在每個BS處可得到的信道狀態(tài)信息(CSI)還包括從各BS到各MS的傳播延遲的消息。給定通過BS間同步實現(xiàn)的在協(xié)作BS之間的同步時鐘，該延遲消息使得能夠在下行鏈路中使用定時提前機制。
具體地說，BS提前它們的發(fā)送時間，以確保信號同步到達(dá)期望的MSk。然而，如上所述，由于無線信道的廣播特性，MSk也會不可避免地接收到預(yù)期用于其它MS的信號。如上所詳述，這些信號以不同的延遲偏移量到達(dá)MSk，并且與預(yù)期用于MSk的數(shù)據(jù)流異步。
如圖1中所示，對于兩個BS和兩個MS，從BSb到MSk的傳播延遲表示為τk(b)。為了保證在MSk處同步接收所述發(fā)送信號{xk(b)}b＝1...B，BSb將發(fā)送信號xk(b)(m)的時間提前了間隔這確保所發(fā)送信號{xk(b)}b＝1...B以相同的延遲

到達(dá)MSk。當(dāng)利用在范圍
(其中α是脈沖形狀的滾降因子)定義的基帶信號波形g(t)進行線性調(diào)制時，通過下式給出在MSk處的等同接收基帶信號 其中是從B個BS到K個MS的所有信道矩陣，是聯(lián)合發(fā)送的信號，并且nk(t)表示加性高斯白噪聲矢量。
在MSk處，使所接收的基帶信號rk(t)經(jīng)過匹配到

的濾波器以生成信道統(tǒng)計。注意，被匹配的濾波器也被延遲

通過MSk處的碼元同步機制獲得該延遲。g(t)的自相關(guān)表示為其中p(0)＝1，并且MSk處的對應(yīng)接收信號分量矢量是HkTksk(m)，其中是B個基站針對MSk使用的發(fā)送預(yù)編碼矩陣。
然后，在匹配濾波之后的總離散接收信號是 其中nk是滿足的離散噪聲矢量，并且ijk(b)是在MSk處的來自由BSb對于MSj發(fā)送的信號的異步干擾。該干擾的強度取決于BSb針對MSj和針對MSk使用的定時提前之間的延遲差τjk(b) 圖2示出了由BSb發(fā)送的期望信號m 200，并利用標(biāo)號為mjk(b)和mjk(b)+1的兩個鄰近碼元傳輸201-202示出了因BSb發(fā)送到MSj的信號而在MSk處引起的異步干擾，其中

表示大于或等于x的最小整數(shù)。設(shè)表示延遲偏移量τjk(b)對碼元持續(xù)時間Ts的余數(shù)。于是我們得到 以下給出干擾ijk(b)的一階矩(first moment)和二階矩。從方程式(3)，可以看出由于預(yù)期用于兩個不同MS的信息信號j1和j2彼此獨立，我們得到其中j1≠j2≠k。
而且，由以下方程式給出在ijk(b1)和ijk(b2)之間的相關(guān)性，其中j≠k。
其中 其中j≠k (5) 當(dāng)b1＝b2＝b時，我們得到此外，對于所有的b1和b2， 我們最大化可由線性預(yù)編碼獲得的信息率。根據(jù)方程式(1)，通過下式給出MSk處的帶寬歸一化信息率Rk 其中Φk是方程式(1)中的噪聲加干擾的協(xié)方差矩陣，并且采用形式為 因為所有K個MS都使用同一波形g(t)，所以可預(yù)先確定相應(yīng)的不同定時參數(shù){βjk(b1，b2)}并且將其存儲在查找表中。注意在方程式(6)和(7)中，線性預(yù)編碼矩陣{Tk}k＝1...K是所有K個MS的信道矩陣H1～HK的函數(shù)。
本發(fā)明的目的在于聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射機預(yù)編碼矩陣{Tk}k＝1...K，以在給定信道狀態(tài)H1～HK下最大化所有K個MS上的信息率的總和。
為了確保用戶之間的公平，可使用以下形式的各MS功率限制Trace(THk Tk)≤PT，其中功率限制閾值PT是預(yù)定的。除了確保用戶之間的公平以外，還具有這樣優(yōu)點，即，其產(chǎn)生在分析方面易處理的解。另一限制可以是各BS功率限制，這簡化了BS中功率放大器的設(shè)計。只要對于所有涉及的共信道MS的發(fā)送功率分配不會讓各個協(xié)作BS超過它們的發(fā)送功率上限，各MS功率限制就與各BS限制是兼容的。然而，應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的實施方式還可應(yīng)用于在移動站上沒有功率限制或具有其它功率限制的情況。
其他的限制遵循對信道空間維度的限制BNT≥∑kLk。因此，可通過以功率限制Trace(THk Tk)≤PT，其中k＝1，...，K為條件的以下目標(biāo)函數(shù)來定義優(yōu)化問題 該優(yōu)化問題是非線性的，并且甚至是非凸的。采取常規(guī)窮舉(brute-force)數(shù)值優(yōu)化技術(shù)涉及在非常大的維數(shù)空間BNT∑kLk上搜索。這種技術(shù)包括Nelder-Mead方法，見J.C.Lagarias，J.A.Reeds，M.H.Wright和P.E.Wright，“Convergence Properties of the Nelder-Mead Simplex Methodin Low Dimensions，”SIAM Journal of Optimization，vol.9，no.1，pp.112-147，1998；和模擬退火方法，見L.Shao和S.Roy，“Downlink MulticellMIMO-OFDMAn Architecture for Next Generation Wireless Networks，”Proc.IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC)，March 2005。那些方法的阻礙在于在計算方面開銷大并且未提供可實施的選項。
因此，本發(fā)明提供了另選的次優(yōu)技術(shù)以確定預(yù)編碼矩陣。
一個可能的方案可以基于無效方法(nullification method)，見G.J.Foschini，H.Huang，K.Karakayali，R.A.Valenzuela和S.Venkatesan，“Thevalue of coherent base station coordination，”Proc.2005 conference onInformation Sciences and Systems(CISS 05)，Mar.16-18，2005；P.W.Baier，M.Meurer，T.Weber和H.Troeger，“Joint transmission(JT)，an alternativerationale for the downlink of time division CDMA using multi-elementtransmit antennas，”Proc.2000 IEEE 6th Int.Symp.Spread SpectrumTechniques，vol.1，pp.1-5，Sept.2000和B.L.Ng，J.S.Evans，S.V.Hanly和D.Aktas，“Transmit beamforming with cooperative base stations，”Proc.IEEE International Symposium on Information Theory，ISIT 05，pp.1431-1435，Sept.2005，以引用的方式將其全部內(nèi)容并入于此。
該方法由于其簡單性和相對良好的性能而廣泛應(yīng)用于小區(qū)內(nèi)多用戶場景。該無效方法使得發(fā)射機滿足限制HkTj＝0，然而，由于早期描述的小區(qū)間異步干擾，導(dǎo)致該限制不能消除方程式(1)中的干擾項。因此，顯著干擾繼續(xù)存在。
另一可能選項實施更強的每基站限制其中k≠j，見H.Kaaranen，A.Ahtiainen，L.Laitinen，S.Naghian和V.Niemi，UMTSNetworksArchitecture，Mobility and Services，Wiley，2005。盡管該限制完全消除了干擾，但是其嚴(yán)重限制了用戶數(shù)量。僅可支持K≤NT/NR個用戶，這明顯是不合需要的。
協(xié)作基站的聯(lián)合線性預(yù)編碼 因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，我們提供了聯(lián)合發(fā)射機線性預(yù)編碼方法，其產(chǎn)生了閉式解或簡化解。該方法減少了所有移動站輸入處的干擾量。該方法基于次優(yōu)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。
我們首先假設(shè)定時提前機制精確地工作，以使得所期望信號而非干擾信號同步到達(dá)各MS。下面將對甚至能夠影響期望信號的不精確的定時提前進行描述。
聯(lián)合維納濾波(JWF) 如上所述，很難將常規(guī)直接優(yōu)化和無效方法應(yīng)用到根據(jù)方程式(1)建模的信號。因此，本發(fā)明的發(fā)射機預(yù)編碼矩陣{Tk}k＝1...K使用維納平滑準(zhǔn)則，以使得在所有K個MS的接收機的輸入處最小化用于這些所有K個MS的整體均方誤差(MSE)。
圖7示出了在每個基站處發(fā)送的信號和在每個基站處的SINR。在圖7中，BS1發(fā)送信號T1(1)S1+T2(1)S2，其中是T1(1)S1是預(yù)期用于MS1的信號分量，而T2(1)S2是預(yù)期用于MS2的信號分量。類似地，BS2發(fā)送信號T1(2)S1+T2(2)S2，其中T1(2)S1是預(yù)期用于MS1的信號分量，而T2(2)S2是預(yù)期用于MS2的信號分量。然后，MS1接收第一信號H1T1s1+H1(1)T2(1)τ21(1)+H1(2)T2(2)τ21(2)，而MS2接收第二信號H2T2s2+H2(1)T1(1)τ12(1)+H2(2)T1(2)τ12(2)。通過下式分別給出在MS1和MS2處的信號與干擾加噪聲比 JWF已經(jīng)用于減少小區(qū)內(nèi)干擾，見G.J.Foschini，H.Huang，K.Karakayali，R.A.Valenzuela，和S.Venkatesan，“The value of coherent basestation coordination，”Proc.2005 Conference on Information Sciences andSystems(CISS 05)，Mar.16-18，2005；P.W.Baier，M.Meurer，T.Weber和H.Troeger，“Joint transmission(JT)，an alternative rationale for thedownlink of time division CDMA using multi-element transmit antennas，”Proc.2000 IEEE 6th Int.Symp.Spread Spectrum Techniques，vol.1，pp.1-5，Sept.2000；和B.L.Ng，J.S.Evans，S.V.Hanly和D.Aktas，“Transmitbeamforming with cooperative base stations，”Proc.IEEE InternationalSymposium on Information Theory，ISIT 05，pp.1431-1435，Sept.2005，以引用的方式將其全部內(nèi)容并入于此。
然而，將JWF技術(shù)擴展到本發(fā)明的具有異步干擾的協(xié)作BS網(wǎng)絡(luò)絕非顯而易見的。
盡管本發(fā)明的技術(shù)對于最大化信息率是次優(yōu)的，但是作為優(yōu)點，其避免了復(fù)雜的迭代處理并且提供了使用BS協(xié)作增益的閉式解。
為了簡化該描述，我們省略方程式(1)中的碼元標(biāo)號m。所接收到的針對所有MS的信號矢量是并且在所有MS上的數(shù)據(jù)矢量是如果y和s維數(shù)相同，例如當(dāng)對于所有的k，Lk＝NR，那么可將總的網(wǎng)絡(luò)MSE表示為 其中MSEk代表MSk的MSE，并且期望值E{...}取決于隨機數(shù)據(jù)矢量{sk}k＝1...K和噪聲{nk}k＝1...K。于是優(yōu)化準(zhǔn)則變?yōu)? 該準(zhǔn)則受到 其中k＝1...K(10)的限制。
如果對于某些k，有NR≠Lk，那么等式(9)中的MSE最小化是無效的。在這種情況下，需要在接收機處假設(shè)某些發(fā)射機相關(guān)解碼結(jié)構(gòu)和信道相關(guān)解碼結(jié)構(gòu)。這可能要求復(fù)雜的迭代處理，參見上面的Foschini等人、Baier等人和Ng等人的描述。
通過將方程式(1)中的多用戶干擾(MUI)項表示為 通過下式給出MSEk 其中我們使用恒等式E{JKHJk}＝Trace{JkJkH}。為了以閉式求解方程式(10)，我們應(yīng)用拉格朗日目標(biāo)函數(shù) 其中κ1～κK分別是與用于MS 1～K的功率限制相關(guān)的拉格朗日乘子。因此，可通過最小化方程式(12)來求解方程式(9)。
使用附錄A中的分析，我們獲得用于預(yù)編碼矩陣Tk的閉式解 其中對應(yīng)于MSk的ck是以下形式的分塊矩陣
以下式給出Ck的子矩陣 附錄A還導(dǎo)出用于拉格朗日乘子κk的表達(dá)式。聯(lián)合選擇拉格朗日乘子κ1～κK以最小化方程式(9)中的網(wǎng)絡(luò)MSE。
聯(lián)合泄漏抑制(JLS) 可通過考慮干擾泄漏抑制來獲得另選的次優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，該函數(shù)具有允許逐站優(yōu)化的優(yōu)點。對于MSk，預(yù)編碼矩陣Tk對在MSk處接收的其期望信號的功率與由于噪聲和在其它MS處的信號‘泄漏’xk引起的總功率二者之和的比例進行最大化。我們稱之為信號與泄漏加噪聲比(SLNR)。
該方法最小化了由于預(yù)期用于另一MS的數(shù)據(jù)流而非到達(dá)該MS的干擾導(dǎo)致的信號干擾比。相比于每MS單個數(shù)據(jù)流和不用異步干擾建模BS協(xié)作的簡單情況，該問題是更加普遍的。
圖8示出了在各基站處發(fā)送的信號，和在各基站處的SLNR。在圖7中，BS1發(fā)送信號T1(1)S1+T2(1)S2，其中是T1(1)S1是預(yù)期用于MS1的信號分量，而T2(1)S2是預(yù)期用于MS2的信號分量。類似地，BS2發(fā)送信號T1(2)S1+T2(2)S2，其中T1(2)S1是預(yù)期用于MS1的信號分量，而T2(2)S2是預(yù)期用于MS2的信號分量。然后，MS1接收第一信號H1T1s1+H1(1)T2(1)τ21(1)+H1(2)T2(2)τ21(2)，而MS2接收第二信號H2T2s2+H2(1)T1(1)τ12(1)+H2(2)T1(2)τ12(2)。通過下式分別給出由于MS1和MS2的信號導(dǎo)致的信號與泄漏加噪聲比 為了便于分析，我們將預(yù)編碼矩陣Tk的集合限制為半酉矩陣(semi-unitary)的縮放版本。因此， 其中NTB×Lk的半酉矩陣Qk包含正交列。正交性確保在用于MSk的Lk個數(shù)據(jù)流之間沒有串?dāng)_，并且簡化了在MSk處的檢測器。于是，MSk處的所接收信號具有以下形式 其中矩陣Qkb包括矩陣Qk中與第b個BS相關(guān)的行。于是，通過下式給出信號分量功率 由于信號導(dǎo)致的異步干擾泄漏xk(即，期望用于MSk但也在MSj處接收的信號)是

通過下式給出信號的功率PL_kj 在MSk處的噪聲的功率是PNk＝N0NR。合并方程式(16)和(17)，通過下式給出MSk的SLNR 其中qkl是矩陣Qk的第1列，并且其中以下給出矩陣Akj
對預(yù)編碼矩陣T1，...，TK的優(yōu)化進行去耦。即使這樣，關(guān)于

的直接最大化方程式(18)仍然是難處理的。因此，我們導(dǎo)出在分析上可被最大化的下限。基于不等式特性，可以將方程式(18)中的SNLRk的下限限定為 于是我們導(dǎo)出如下輔助定理 輔助定理 用于

列的以下值最大化了方程式(20)中SNLRk的下限 其中vl(A)表示矩陣A的與第1個最大特征值相對應(yīng)的特征矢量。
證明 因為

是正交矢量，矢量空間具有維數(shù)dim V＝Lk。因為矩陣Mk是厄密共軛矩陣而Nk是正定矩陣，所以可應(yīng)用Courant-Fischer Max-Min定理，見J.R.Schott，Matrix analysis for statistics，2th ed，Wiley，2004；C.D.Meyer，Matrix analysis and applied linear algebra，SIAM，2000；和G.Golob和C.V.Loan，Matrix computations，3rd edition，The John Hopkins University Press，1996，以引用的方式將它們的內(nèi)容并入于此。
于是，方程式(20)中下限的最大值被給定為 其中λL(A)是矩陣A的第L個最大特征值。通過檢查，方程式(21)滿足方程式(22)的相等性。
因此，方程式(21)中的單閉式解使得它相比JWF沒那么復(fù)雜，參見附錄A。
作為特定情況，當(dāng)Lk＝1時，可通過應(yīng)用瑞利-里茲商定理(Rayleigh-Ritz quotient theorem)直接對方程式(18)進行最大化?；喌玫? 值得注意SLNR和SINR之間的相似性，這實際上是要優(yōu)化的更相關(guān)的度量標(biāo)準(zhǔn)。在對于MSk的SINR的表達(dá)式中， 在分母中的干擾功率項對不同MS的不同預(yù)編碼矩陣TK求和，而信道實現(xiàn)項相同。另一方面，方程式(18)中的SLNRk的泄漏功率對與不同MS相關(guān)的不同信道求和，而預(yù)編碼矩陣相同。因為SINR和SLNR是作為隨機變量的信道狀態(tài)的函數(shù)，所以二者也是隨機變量。結(jié)果是對于兩個MS(K＝2)來說，SINRk和SLNRk是同分布的。干擾功率的總量等于干擾泄漏功率總量的事實表明上述的JLS方法對于減少小區(qū)間干擾仍然是有效的。
受控的迭代奇異值分解(CIVSD) 兩個上述實施方式通過優(yōu)化與方程式(8)中的速率和頻譜效率度量標(biāo)準(zhǔn)不同的度量標(biāo)準(zhǔn)而提供了閉式解。大多數(shù)用于減少小區(qū)間干擾的方法的現(xiàn)有技術(shù)基于特定準(zhǔn)則(例如，最大速率和(maximum sum rate)、最小信號與干擾加噪聲比(SINR)、最小功率、或具有梯度下降的迭代優(yōu)化)來使用迭代處理。然而，通常，這些處理遭受非凸性問題，該問題導(dǎo)致局部次優(yōu)解，而不是全局優(yōu)化解，并且要求對于適當(dāng)初始點進行搜索，而且這些處理并非是針對小區(qū)間干擾而進行的設(shè)計。
為了直接改進在本發(fā)明的協(xié)作BS網(wǎng)絡(luò)中的頻譜效率，同時保持可接受的計算復(fù)雜性，如圖3中所示，我們描述了迭代方法以優(yōu)化方程式(8)的目標(biāo)函數(shù)。
在步驟1，用方程式(21)為所有移動站K確定預(yù)編碼矩陣T1，...，Tk，其中k＝1，...，K。
在步驟2，獨立優(yōu)化每個預(yù)編碼矩陣Tk，同時保持所有其它的預(yù)編碼矩陣{Tj}j≠k不變。
在步驟3，確定是否達(dá)到了終止條件(例如，方程式(8)中目標(biāo)函數(shù)的值的增加小于預(yù)定義閾值)，如果未到達(dá)該終止條件，則重復(fù)步驟2。
各步驟是對于預(yù)編碼矩陣的常規(guī)奇異值分解(SVD)，以及使用單位加性噪聲功率對等價矩陣Hk_equ＝Φ-1/2Hk的常規(guī)注水(water-filling)功率分配。
在給定問題的非線性特性的情況，僅僅在目標(biāo)函數(shù)增加，或該增加小于預(yù)定閾值時才繼續(xù)迭代。該初始點對于優(yōu)化也起了至關(guān)重要的作用。用方程式(21)中的解初始化該迭代。整個過程可解釋為“爬山”過程，或受控的迭代SVD(CISVD)。
這些步驟保證過程終止。相比于常規(guī)隨機或窮舉的搜索過程，本發(fā)明的方法有意在每個步驟中優(yōu)化一個預(yù)編碼器，以改進對應(yīng)MS的性能，同時對其它MS施加相對低級別的干擾。
對不精確的定時提前情況的概述 當(dāng)定時提前是精確的時，上述的聯(lián)合BS預(yù)編碼方法確保期望的信號分量同步到達(dá)。然而，因為延遲估計誤差、站的移動性、和不精確的BS和MS同步，所以在實際協(xié)作的基站MIMO網(wǎng)絡(luò)中不精確的定時提前是不可避免的。
用Jk(b)表示發(fā)送用于MSk的信號時的BSb的定時提前誤差或抖動。因此，當(dāng)發(fā)送用于MSk的信號xk(b)(m)時，BSb將時間提前如下時間間隔偏移量 假設(shè)在協(xié)作基站中已知抖動的聯(lián)合統(tǒng)計和邊緣統(tǒng)計。因此，由于BSb對MSj發(fā)送的信號造成的在MSk處的延遲偏移量是 除了方程式(10.1)中的MUI項、Jk以外，不精確的定時提前也會導(dǎo)致碼間干擾(ISI)。通過應(yīng)用方程式(25)，將方程式(1)變形為 其中是具有αk(b)和mk(b)的ISI項，其中αk(b)和mk(b)由下式給出 塊對角矩陣可解釋為由于不精確的信號同步導(dǎo)致的功率劣化矩陣。對于精確定時提前來說，該矩陣等于INTB。
根據(jù)方程式(27)，MSk的信息率是 其中噪聲加干擾項的協(xié)方差現(xiàn)在變?yōu)? 這里如果輸入自變量為0，則指標(biāo)函數(shù)1(...)等于1，否則等于0，并且sgn(x)是函數(shù) 現(xiàn)在以與在方程式(5)中確定τjk(b))相同的方式，通過方程式(26)中的

確定由于不精確定時提前引起的異步干擾系數(shù)
方程式(25)中的相同定時不精確性(其在確定

時導(dǎo)致誤差)使得協(xié)作BS在方程式(26)中進行不精確定時提前估計。
如我們可以從方程式(27)和方程式(28)看到的，由于功率劣化項Λk、對

的錯誤估計和附加ISI項ok，導(dǎo)致定時提前不精確性劣化了性能。盡管抖動的準(zhǔn)確值未知，但是可以由協(xié)作BS以如下方式確定并利用其統(tǒng)計以減少性能劣化。
在附錄B中導(dǎo)出了除異步干擾泄漏以外還合并定時提前不精確性的JWF和JLS方法的形式。
對于JWF，MSk的聯(lián)合預(yù)編碼矩陣是 其中形式類似于方程式(14)中矩陣C的矩陣C’k具有子矩陣 其中 注意，由于對

的以TS為模的運算導(dǎo)致很難確定

的一階矩。然而，抖動相比于碼元持續(xù)時間通常相當(dāng)小。我們假設(shè)方程式(3)中的碼元標(biāo)號差異(symbol index difference){mjk(b)}不變。于是，我們得到并且通過在方程式(5)中用對抖動進行平均而獲得預(yù)測(被表示為
對于JLS，輔助定理仍然成立，但是分別用Mk′和Nk′來表示修改后的Mk和Nk的表達(dá)式
其中Akj′具有如方程式(19)中同樣的形式，用

代替βkj(b1，b2)，其中j不等于k，并且用

代替βkk(b1，b2)。注意，來自從BS發(fā)送到MSk的信號的異步泄漏功率現(xiàn)在不僅包括到達(dá)MS(j≠k)的那些泄漏功率，而且還包括由于ISI導(dǎo)致的到達(dá)MSk本身的泄漏功率。
本發(fā)明的效果 在協(xié)作BS聯(lián)合發(fā)送的情況，即使當(dāng)使用精確定時提前以對在移動站處期望信號分量的接收進行同步時，由于預(yù)期用于其它移動站的數(shù)據(jù)流所導(dǎo)致的在該移動站處的干擾不可避免地是異步的。這對于網(wǎng)絡(luò)性能可能具有顯著的影響。
因此，本發(fā)明減少了在協(xié)作BS MIMO網(wǎng)絡(luò)中從基站到移動站的下行鏈路上的異步干擾。
本發(fā)明的上述關(guān)于CISVD、JLS和JWF的實施方式顯著地優(yōu)于不考慮異步干擾的常規(guī)方法。CISVD實現(xiàn)了尤其是在冗余空間維度之下的顯著的性能增益，JLS在減少干擾和計算復(fù)雜性之間獲得了良好的折衷，并且JWF以低至中級SNR、或在沒有冗余空間維度的信道中良好運行。
本發(fā)明的實施方式還通過使用抖動統(tǒng)計感知預(yù)編碼器減少了由定時不精確性引起的性能劣化。
盡管通過優(yōu)選實施方式的實施例已描述了本發(fā)明，要理解的是，可在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)做出各種其它修改和變型。因此所附權(quán)利要求的目的是覆蓋落入本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的所有這些修改例和變型例。
附錄A JWF解的推導(dǎo)方程式(13)和方程式(14) 為了基于矩陣計算準(zhǔn)則來最小化關(guān)于來自B個基站中每個的所有K個MS的預(yù)編碼矩陣{Tk(b)}k＝1...K，b＝1...B的方程式(12)，我們應(yīng)用下面的推導(dǎo)并且將它們設(shè)置為0 . . . 這得出CkTk+κkTk＝HkH，并且方程式(13)和方程式(14)遵循該計算準(zhǔn)則。
為了基于每站功率限制來確定kk，我們對方程式(14)中定義的厄密共軛矩陣Ck應(yīng)用特征值分解 Ck＝UkΛkU*k， 其中 通過進一步定義Bk＝UkHHkHHkUk，我們得到 其中bki＝[Bk]ii。
因此，可通過采取方程的其中一個根來確定κk。注意κ1～κK的確定可能引入一些復(fù)雜性，對于大值NT或B尤其如此。
附錄B 具有不精確的定時提前的等式(29)、(30)和(31)中的JWF和JLS解的推導(dǎo) 我們現(xiàn)在基于方程式(27)表示MSEk，并且經(jīng)由{Jk(b)}對其平均，得出 拉格朗日目標(biāo)函數(shù)是 并且通過執(zhí)行如方程式(32)中的類似推導(dǎo)操作，導(dǎo)出方程式(29)和(30)。
對于JLS，從方程式(27)，可以通過下式表達(dá)將在MSk處的所接收期望信號的功率針對{Jk(b)}所取得的平均值 其中Mk′遵循方程式(31)。此外，分別將對MS(j≠k)造成MSj處的MUI的、來自發(fā)送信號的泄漏功率xk針對{Jk(b)}取平均值以及對其本身造成MSk處的ISI的、來自發(fā)送信號的泄漏功率xk針對{Jk(b)}取平均值二者表示為 以及 通過表示并且應(yīng)用方程式(20)和輔助定理，我們導(dǎo)出具有Mk和Nk的方程式(21)，其中在方程式(31)中分別用Mk′和Nk′替代了Mk和Nk。
權(quán)利要求
1.一種用于在協(xié)作、多用戶、多入多出網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收信號的方法，該網(wǎng)絡(luò)包括多個基站和多個移動站，并且其中各基站具有至少兩個天線并且各移動站具有至少一個天線，所述方法包括
在第一基站和第二基站處使用線性預(yù)編碼矩陣對多個數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合預(yù)編碼，以產(chǎn)生第一信號和第二信號；
從該第一基站和該第二基站同步地將該第一信號發(fā)送到第一移動站；和
從該第一基站和該第二基站同步地將該第二信號發(fā)送到第二移動站，其中該第一信號和該第二信號是彼此異步的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括
使用數(shù)值優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化該預(yù)編碼矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個數(shù)據(jù)流使用有限調(diào)制字母表。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中K個基站同步地發(fā)送用于預(yù)期移動站的信號，并且K個信號相對于預(yù)期用于任何其它移動站的信號是異步的，并且每個預(yù)編碼矩陣的大小是NT×Lk，其中NT是相應(yīng)基站處的天線數(shù)量，并且Lk是所發(fā)送信號的數(shù)量，并且該方法還包括
優(yōu)化該預(yù)編碼矩陣以根據(jù)下面的目標(biāo)函數(shù)來最大化所有發(fā)送信號的信息率的和
其中Tk是所述k個信號中的一個的特定預(yù)編碼矩陣，并且Rk是信息率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中優(yōu)化依照Trace(THkTk)≤PT，而受預(yù)定的每移動站功率限制PT的限制，其中H是信道狀態(tài)，k＝1，...，K。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述優(yōu)化使用維納平滑準(zhǔn)則，以使得對于所有由移動站的任何子集接收的信號的總均方誤差被最小化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中各移動站具有NR個天線，并且在所有移動站處接收的所有信號的接收信號矢量是y＝[y1H，y2H，...，yKH]H，而所有移動站的數(shù)據(jù)矢量是s＝[s1H，s2H，...，sKH]H，并且對于所有k而言，Lk＝NR，從而MSE為
并且
期望值E{...}取決于數(shù)據(jù)矢量{sk}k＝1...K和噪聲{nk}k＝1...K，并且優(yōu)化準(zhǔn)則是以其中k＝1...K為條件的其中B是基站的數(shù)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，該方法還包括
應(yīng)用拉格朗日目標(biāo)函數(shù)
其中κ1～κK是與所述功率限制相關(guān)的拉格朗日乘子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括
優(yōu)化所述預(yù)編碼矩陣以對在所述第一移動站處接收的第一信號的功率與噪聲和由于在其它移動站處接收的第一信號引起的總功率二者之和的比例進行最大化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括
優(yōu)化所述預(yù)編碼矩陣以對在所述第二移動站處接收的第二信號的功率與噪聲和由于在其它移動站處接收的第二信號引起的總功率二者之和的比例進行最大化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括，所述預(yù)編碼矩陣是半酉矩陣。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，該方法還包括
獨立優(yōu)化各預(yù)編碼矩陣Tk，同時保持所有其它預(yù)編碼矩陣{Tj}j≠k不變。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括
如果所述目標(biāo)函數(shù)的值的增加小于預(yù)定閾值則終止該優(yōu)化，否則則重復(fù)該優(yōu)化步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述優(yōu)化利用了對所述預(yù)編碼矩陣的奇異值分解和用單位加性噪聲功率對等價矩陣進行的注水功率分配。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中聯(lián)合地優(yōu)化線性預(yù)編碼矩陣以改進網(wǎng)絡(luò)的總頻譜效率。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括
根據(jù)在第一同步信號和第二同步信號中的定時不精確性進行優(yōu)化。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，該方法還包括
以統(tǒng)計方式表達(dá)該定時不精確性。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述優(yōu)化使用維納平滑準(zhǔn)則，以使得對于由多個移動站接收到的所有信號的總均方誤差被最小化。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述優(yōu)化對在所述第一移動站處接收的第一信號的功率與噪聲和由于在其它移動站處接收的第一信號引起的總功率二者之和的比例進行最大化。
全文摘要
一種方法在協(xié)作、多用戶、多入多出網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收信號。所述網(wǎng)絡(luò)包括基站(BS)和移動站(MS)。各基站具有至少兩個天線，并且各移動站具有至少一個天線。在第一基站和第二基站處使用線性預(yù)編碼矩陣聯(lián)合預(yù)編碼多個數(shù)據(jù)流，以產(chǎn)生第一信號和第二信號。從第一BS和第二BS將第一信號同步地發(fā)送到第一MS，并且從第一BS和第二BS將第二信號同步地發(fā)送到第二MS，并且其中第一信號和第二信號相對于彼此是異步的。
文檔編號H04L1/06GK101361289SQ20078000173
公開日2009年2月4日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者內(nèi)萊士·B·梅赫塔, 張鴻遠(yuǎn), 安德里亞·F·莫利薩奇, 張錦云 申請人:三菱電機株式會社