在協作、多用戶、多入多出網絡中發送和接收信號的方法

2023-05-08 23:09:31

專利名稱：在協作、多用戶、多入多出網絡中發送和接收信號的方法
技術領域：
本發明總體上涉及多入多出(MIMO)通信網絡，並且更具體地說，涉及減少發送信號在協作基站、多用戶MIMO網絡中的小區間幹擾。

背景技術：
在多入多出(MIMO)通信網絡中的頻譜效率增益對於點到點鏈路是至關重要的。然而，該增益在多用戶(收發器)蜂窩網絡中是有限的。在從蜂窩網絡的基站到收發器(行動電話)的下行鏈路(也稱為矢量廣播信道)中尤其如此。
在常規蜂窩網絡中，主要由細緻的無線電資源管理技術(例如，功率控制、頻率復用、和擴頻碼的分配)來處理小區間同信道幹擾(CCI)。
近年來，已經提出了多種優於常規方法的更先進的技術來減少蜂窩MIMO網絡中的CCI影響。例如，移動站(MS)中的多用戶檢測(MUD)提供了相當大的性能改進，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的阻礙在於對於大多數實際網絡來說過於複雜。
已提出了在常規單小區傳輸網絡中(其中僅從一個關聯的基站(BS)發送打算僅供給一個MS的信號)在協同的BS之間的聯合預編碼優化，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，非常嚴格的維度約束嚴重限制了可由這種網絡處理的收發器的數量。儘管聯合預編碼顯著地增加了網絡複雜性，但其性能增益有限。髒紙編碼(DPC)在用於所有協作基站之間的聯合傳輸時，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。
產生了略微次優選的結果的Tomlinson-Harashima預編碼(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均為非線性預編碼技術，並且其阻礙在於，對於協作BS MIMO網絡來說過於複雜。因此，在協作BS之間的發射機處的線性預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複雜性要求，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。
協作基站之間的聯合傳輸不僅有效地減少CCI，而且利用了宏分集，並且可避免在具有嚴重的空域相關性的信道中的容量瓶頸。然而，常規的聯合傳輸方案總是假設來自不同BS的期望信號和幹擾信號同步達到每個MS。儘管該假設使得能夠以直接方式應用已經被深入研究的單小區下行鏈路傳輸模型，但在實際網絡中，這基本上是不可實現的。
BS可調整它們的傳輸，以使得試圖用於某一MS的信號均可同步到達該MS。然而，當這些信號還作為幹擾由其它MS接收時，BS無法進行同步控制。因此，即使在精確同步的BS協作的假設下，幹擾信號也不會同時到達MS。該固有異步的影響在高數據速率網絡中是很明顯的。這可顯著地降低網絡性能。甚至其中僅由一個BS發送用於MS的線性預編碼信號的多BS預編碼優化也對幹擾信號的異步到達無濟於事。
就目前我們的了解來看，在現有技術中還沒有解決多用戶MIMO網絡的該異步幹擾的問題。


發明內容
本發明的實施方式提供了用於使用線性預編碼處理在協作基站、多用戶、多入多出(MIMO)通信網絡中發送信號以減少小區間幹擾的方法和系統。
這些實施方式還可減少在實際網絡中不可避免的定時提前不精確性(inaccuracies)或『抖動』。通過使用抖動統計感知預編碼器，可顯著減少這些定時提前不精確性的影響。
通常，本發明使得能夠在協作基站、多用戶MIMO網絡中實現聯合傳輸。



圖1是根據本發明實施方式的多用戶、多入多出通信網絡的示意圖； 圖2是根據本發明實施方式的到達圖1網絡的移動站處的期望信號和異步幹擾的時序圖； 圖3是根據本發明的實施方式的用於對圖1網絡的移動站處接收信號進行優化的方法的框圖； 圖4是根據一實施方式的線性預編碼的框圖； 圖5是根據本發明實施方式的發送RF鏈的框圖； 圖6是圖5的發送RF鏈的信道映射模塊的框圖； 圖7是在各基站處發送的信號和在各基站處的SINR的框圖；以及 圖8是在各基站處發送的信號和在各基站處的SLNR的框圖。

具體實施例方式 網絡模型和問題方程式化 圖1示出了根據本發明的實施方式的協作基站、多用戶、多入多出網絡。該網絡包括B個基站(BS)100。每個BS具有NT個天線102，其中T大於1。基站以協作方式發送信號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，基站位於蜂窩點處，並且移動站(用戶)是蜂窩收發器(『行動電話(cell phone)』)。各站(station)都可發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。
本發明的基本思想是由多個基站發送到特定移動站的信號是彼此同步的，而這些信號相對於由這些基站發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個數據流401協作發送給MSk，其中k＝1，...，K。在基帶中，數據流401是發送RF鏈500的輸出並且該數據流包括可從信號星座(例如，公知的調製格式(如，QPSK、M-QAM等))提取的碼元。這些鏈所使用的是所謂的有限調製字母表(finite modulationalphabet)。
如圖5中所示，對於3GPP下行鏈路信道，發送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，從行動電話中的麥克風獲得的信號)，而輸出的是數據流401。圖6示出了信道映射階段(stage)600，其包括串行-並行模塊601和調製映射器602。
返回參考圖4，如這裡所述的數據流401被解碼(410)，以使得解碼後的信號411同步到達預期移動站，並且異步到達其它非預期移動站。
協作發送意味著信號是同步的。不同發送和接收天線對之間的鏈路(信道)101被假設為相互獨立並且經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bk表示最接近於MSk的BS的標號。
對於任意MS，BS協作且同步發送預期用於該MS的信號。如上所述，我們在BS處使用聯合線性預編碼。使用大小為Nt×Lk的矩陣Tk(b)對來自BSb的用於MSk的發送矢量(信號)進行線性預編碼。該發送矢量採用xk(b)(m)＝Tk(b)sk(m)的形式，其中sk(m)表示用於MSk的大小為Lk×1的第m個零平均數據矢量。
在緩慢衰減的環境中，我們假設每個BS均具有用於到所有MS的所有子信道的所需信道狀態信息。這例如可通過涉及所有協同基站的初始聯合訓練階段、或藉助於MS處實現的自適應信號跟蹤和反饋處理來實現。
本發明假設具有足夠大相干時間的區塊衰減信道模型(block-fadingchannel model)，使得信道衰減在使用預編碼矩陣Tk(b)的持續時間內保持基本恆定。該相干時間通常比任意BS-MS對之間的傳播延遲更長。為了最大化用於每個MS的信息傳輸率，針對該發送數據矢量使用高斯碼本。
根據對功率進行歸一化，其中算子H表示矩陣共軛變換，並且IL表示L×L的單位矩陣。可由預編碼矩陣T的範數來定義對發送信號的功率限制。此外，用於不同MS的碼本是相互獨立的，即其中k≠1。
本發明假設發送信號的精確BS間同步例如可通過全球定位系統(GPS)或通過無線廣播信令方法得以實現，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併入於此，或通過有線線路骨幹(在方便軟切換的CDMA2000和IS-95網絡中的已有技術)得以實現，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容合併於此。
在每個BS處可得到的信道狀態信息(CSI)還包括從各BS到各MS的傳播延遲的消息。給定通過BS間同步實現的在協作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提前它們的發送時間，以確保信號同步到達期望的MSk。然而，如上所述，由於無線信道的廣播特性，MSk也會不可避免地接收到預期用於其它MS的信號。如上所詳述，這些信號以不同的延遲偏移量到達MSk，並且與預期用於MSk的數據流異步。
如圖1中所示，對於兩個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處同步接收所述發送信號{xk(b)}b＝1...B，BSb將發送信號xk(b)(m)的時間提前了間隔這確保所發送信號{xk(b)}b＝1...B以相同的延遲

到達MSk。當利用在範圍
(其中α是脈衝形狀的滾降因子)定義的基帶信號波形g(t)進行線性調製時，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，是聯合發送的信號，並且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)經過匹配到

的濾波器以生成信道統計。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)的自相關表示為其中p(0)＝1，並且MSk處的對應接收信號分量矢量是HkTksk(m)，其中是B個基站針對MSk使用的發送預編碼矩陣。
然後，在匹配濾波之後的總離散接收信號是 其中nk是滿足的離散噪聲矢量，並且ijk(b)是在MSk處的來自由BSb對於MSj發送的信號的異步幹擾。該幹擾的強度取決於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發送的期望信號m 200，並利用標號為mjk(b)和mjk(b)+1的兩個鄰近碼元傳輸201-202示出了因BSb發送到MSj的信號而在MSk處引起的異步幹擾，其中

表示大於或等於x的最小整數。設表示延遲偏移量τjk(b)對碼元持續時間Ts的餘數。於是我們得到 以下給出幹擾ijk(b)的一階矩(first moment)和二階矩。從方程式(3)，可以看出由於預期用於兩個不同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)之間的相關性，其中j≠k。
其中 其中j≠k (5) 當b1＝b2＝b時，我們得到此外，對於所有的b1和b2， 我們最大化可由線性預編碼獲得的信息率。根據方程式(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)中的噪聲加幹擾的協方差矩陣，並且採用形式為 因為所有K個MS都使用同一波形g(t)，所以可預先確定相應的不同定時參數{βjk(b1，b2)}並且將其存儲在查找表中。注意在方程式(6)和(7)中，線性預編碼矩陣{Tk}k＝1...K是所有K個MS的信道矩陣H1～HK的函數。
本發明的目的在於聯合優化發射機預編碼矩陣{Tk}k＝1...K，以在給定信道狀態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是預定的。除了確保用戶之間的公平以外，還具有這樣優點，即，其產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中功率放大器的設計。只要對於所有涉及的共信道MS的發送功率分配不會讓各個協作BS超過它們的發送功率上限，各MS功率限制就與各BS限制是兼容的。然而，應當注意，本發明的實施方式還可應用於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為條件的以下目標函數來定義優化問題 該優化問題是非線性的，並且甚至是非凸的。採取常規窮舉(brute-force)數值優化技術涉及在非常大的維數空間BNT∑kLk上搜索。這種技術包括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。那些方法的阻礙在於在計算方面開銷大並且未提供可實施的選項。
因此，本發明提供了另選的次優技術以確定預編碼矩陣。
一個可能的方案可以基於無效方法(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容併入於此。
該方法由於其簡單性和相對良好的性能而廣泛應用於小區內多用戶場景。該無效方法使得發射機滿足限制HkTj＝0，然而，由於早期描述的小區間異步幹擾，導致該限制不能消除方程式(1)中的幹擾項。因此，顯著幹擾繼續存在。
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。儘管該限制完全消除了幹擾，但是其嚴重限制了用戶數量。僅可支持K≤NT/NR個用戶，這明顯是不合需要的。
協作基站的聯合線性預編碼 因此，根據本發明的實施方式，我們提供了聯合發射機線性預編碼方法，其產生了閉式解或簡化解。該方法減少了所有移動站輸入處的幹擾量。該方法基於次優優化標準。
我們首先假設定時提前機制精確地工作，以使得所期望信號而非幹擾信號同步到達各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。
聯合維納濾波(JWF) 如上所述，很難將常規直接優化和無效方法應用到根據方程式(1)建模的信號。因此，本發明的發射機預編碼矩陣{Tk}k＝1...K使用維納平滑準則，以使得在所有K個MS的接收機的輸入處最小化用於這些所有K個MS的整體均方誤差(MSE)。
圖7示出了在每個基站處發送的信號和在每個基站處的SINR。在圖7中，BS1發送信號T1(1)S1+T2(1)S2，其中是T1(1)S1是預期用於MS1的信號分量，而T2(1)S2是預期用於MS2的信號分量。類似地，BS2發送信號T1(2)S1+T2(2)S2，其中T1(2)S1是預期用於MS1的信號分量，而T2(2)S2是預期用於MS2的信號分量。然後，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處的信號與幹擾加噪聲比 JWF已經用於減少小區內幹擾，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容併入於此。
然而，將JWF技術擴展到本發明的具有異步幹擾的協作BS網絡絕非顯而易見的。
儘管本發明的技術對於最大化信息率是次優的，但是作為優點，其避免了複雜的迭代處理並且提供了使用BS協作增益的閉式解。
為了簡化該描述，我們省略方程式(1)中的碼元標號m。所接收到的針對所有MS的信號矢量是並且在所有MS上的數據矢量是如果y和s維數相同，例如當對於所有的k，Lk＝NR，那麼可將總的網絡MSE表示為 其中MSEk代表MSk的MSE，並且期望值E{...}取決於隨機數據矢量{sk}k＝1...K和噪聲{nk}k＝1...K。於是優化準則變為 該準則受到 其中k＝1...K(10)的限制。
如果對於某些k，有NR≠Lk，那麼等式(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某些發射機相關解碼結構和信道相關解碼結構。這可能要求複雜的迭代處理，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)中的多用戶幹擾(MUI)項表示為 通過下式給出MSEk 其中我們使用恆等式E{JKHJk}＝Trace{JkJkH}。為了以閉式求解方程式(10)，我們應用拉格朗日目標函數 其中κ1～κK分別是與用於MS 1～K的功率限制相關的拉格朗日乘子。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，我們獲得用於預編碼矩陣Tk的閉式解 其中對應於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還導出用於拉格朗日乘子κk的表達式。聯合選擇拉格朗日乘子κ1～κK以最小化方程式(9)中的網絡MSE。
聯合洩漏抑制(JLS) 可通過考慮幹擾洩漏抑制來獲得另選的次優目標函數，該函數具有允許逐站優化的優點。對於MSk，預編碼矩陣Tk對在MSk處接收的其期望信號的功率與由於噪聲和在其它MS處的信號『洩漏』xk引起的總功率二者之和的比例進行最大化。我們稱之為信號與洩漏加噪聲比(SLNR)。
該方法最小化了由於預期用於另一MS的數據流而非到達該MS的幹擾導致的信號幹擾比。相比於每MS單個數據流和不用異步幹擾建模BS協作的簡單情況，該問題是更加普遍的。
圖8示出了在各基站處發送的信號，和在各基站處的SLNR。在圖7中，BS1發送信號T1(1)S1+T2(1)S2，其中是T1(1)S1是預期用於MS1的信號分量，而T2(1)S2是預期用於MS2的信號分量。類似地，BS2發送信號T1(2)S1+T2(2)S2，其中T1(2)S1是預期用於MS1的信號分量，而T2(2)S2是預期用於MS2的信號分量。然後，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於MS1和MS2的信號導致的信號與洩漏加噪聲比 為了便於分析，我們將預編碼矩陣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。正交性確保在用於MSk的Lk個數據流之間沒有串擾，並且簡化了在MSk處的檢測器。於是，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相關的行。於是，通過下式給出信號分量功率 由於信號導致的異步幹擾洩漏xk(即，期望用於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。合併方程式(16)和(17)，通過下式給出MSk的SLNR 其中qkl是矩陣Qk的第1列，並且其中以下給出矩陣Akj
對預編碼矩陣T1，...，TK的優化進行去耦。即使這樣，關於

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

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個最大特徵值相對應的特徵矢量。
證明 因為

是正交矢量，矢量空間具有維數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容併入於此。
於是，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個最大特徵值。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沒那麼複雜，參見附錄A。
作為特定情況，當Lk＝1時，可通過應用瑞利-裡茲商定理(Rayleigh-Ritz quotient theorem)直接對方程式(18)進行最大化。化簡得到 值得注意SLNR和SINR之間的相似性，這實際上是要優化的更相關的度量標準。在對於MSk的SINR的表達式中， 在分母中的幹擾功率項對不同MS的不同預編碼矩陣TK求和，而信道實現項相同。另一方面，方程式(18)中的SLNRk的洩漏功率對與不同MS相關的不同信道求和，而預編碼矩陣相同。因為SINR和SLNR是作為隨機變量的信道狀態的函數，所以二者也是隨機變量。結果是對於兩個MS(K＝2)來說，SINRk和SLNRk是同分布的。幹擾功率的總量等於幹擾洩漏功率總量的事實表明上述的JLS方法對於減少小區間幹擾仍然是有效的。
受控的迭代奇異值分解(CIVSD) 兩個上述實施方式通過優化與方程式(8)中的速率和頻譜效率度量標準不同的度量標準而提供了閉式解。大多數用於減少小區間幹擾的方法的現有技術基於特定準則(例如，最大速率和(maximum sum rate)、最小信號與幹擾加噪聲比(SINR)、最小功率、或具有梯度下降的迭代優化)來使用迭代處理。然而，通常，這些處理遭受非凸性問題，該問題導致局部次優解，而不是全局優化解，並且要求對於適當初始點進行搜索，而且這些處理並非是針對小區間幹擾而進行的設計。
為了直接改進在本發明的協作BS網絡中的頻譜效率，同時保持可接受的計算複雜性，如圖3中所示，我們描述了迭代方法以優化方程式(8)的目標函數。
在步驟1，用方程式(21)為所有移動站K確定預編碼矩陣T1，...，Tk，其中k＝1，...，K。
在步驟2，獨立優化每個預編碼矩陣Tk，同時保持所有其它的預編碼矩陣{Tj}j≠k不變。
在步驟3，確定是否達到了終止條件(例如，方程式(8)中目標函數的值的增加小於預定義閾值)，如果未到達該終止條件，則重複步驟2。
各步驟是對於預編碼矩陣的常規奇異值分解(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，僅僅在目標函數增加，或該增加小於預定閾值時才繼續迭代。該初始點對於優化也起了至關重要的作用。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。相比於常規隨機或窮舉的搜索過程，本發明的方法有意在每個步驟中優化一個預編碼器，以改進對應MS的性能，同時對其它MS施加相對低級別的幹擾。
對不精確的定時提前情況的概述 當定時提前是精確的時，上述的聯合BS預編碼方法確保期望的信號分量同步到達。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，所以在實際協作的基站MIMO網絡中不精確的定時提前是不可避免的。
用Jk(b)表示發送用於MSk的信號時的BSb的定時提前誤差或抖動。因此，當發送用於MSk的信號xk(b)(m)時，BSb將時間提前如下時間間隔偏移量 假設在協作基站中已知抖動的聯合統計和邊緣統計。因此，由於BSb對MSj發送的信號造成的在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致碼間幹擾(ISI)。通過應用方程式(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於不精確的信號同步導致的功率劣化矩陣。對於精確定時提前來說，該矩陣等於INTB。
根據方程式(27)，MSk的信息率是 其中噪聲加幹擾項的協方差現在變為 這裡如果輸入自變量為0，則指標函數1(...)等於1，否則等於0，並且sgn(x)是函數 現在以與在方程式(5)中確定τjk(b))相同的方式，通過方程式(26)中的

確定由於不精確定時提前引起的異步幹擾係數
方程式(25)中的相同定時不精確性(其在確定

時導致誤差)使得協作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，由於功率劣化項Λk、對

的錯誤估計和附加ISI項ok，導致定時提前不精確性劣化了性能。儘管抖動的準確值未知，但是可以由協作BS以如下方式確定並利用其統計以減少性能劣化。
在附錄B中導出了除異步幹擾洩漏以外還合併定時提前不精確性的JWF和JLS方法的形式。
對於JWF，MSk的聯合預編碼矩陣是 其中形式類似於方程式(14)中矩陣C的矩陣C』k具有子矩陣 其中 注意，由於對

的以TS為模的運算導致很難確定

的一階矩。然而，抖動相比於碼元持續時間通常相當小。我們假設方程式(3)中的碼元標號差異(symbol index difference){mjk(b)}不變。於是，我們得到並且通過在方程式(5)中用對抖動進行平均而獲得預測(被表示為
對於JLS，輔助定理仍然成立，但是分別用Mk′和Nk′來表示修改後的Mk和Nk的表達式
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不等於k，並且用

代替βkk(b1，b2)。注意，來自從BS發送到MSk的信號的異步洩漏功率現在不僅包括到達MS(j≠k)的那些洩漏功率，而且還包括由於ISI導致的到達MSk本身的洩漏功率。
本發明的效果 在協作BS聯合發送的情況，即使當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，由於預期用於其它移動站的數據流所導致的在該移動站處的幹擾不可避免地是異步的。這對於網絡性能可能具有顯著的影響。
因此，本發明減少了在協作BS MIMO網絡中從基站到移動站的下行鏈路上的異步幹擾。
本發明的上述關於CISVD、JLS和JWF的實施方式顯著地優於不考慮異步幹擾的常規方法。CISVD實現了尤其是在冗餘空間維度之下的顯著的性能增益，JLS在減少幹擾和計算複雜性之間獲得了良好的折衷，並且JWF以低至中級SNR、或在沒有冗餘空間維度的信道中良好運行。
本發明的實施方式還通過使用抖動統計感知預編碼器減少了由定時不精確性引起的性能劣化。
儘管通過優選實施方式的實施例已描述了本發明，要理解的是，可在本發明的精神和範圍內做出各種其它修改和變型。因此所附權利要求的目的是覆蓋落入本發明的真實精神和範圍內的所有這些修改例和變型例。
附錄A JWF解的推導方程式(13)和方程式(14) 為了基於矩陣計算準則來最小化關於來自B個基站中每個的所有K個MS的預編碼矩陣{Tk(b)}k＝1...K，b＝1...B的方程式(12)，我們應用下面的推導並且將它們設置為0 . . . 這得出CkTk+κkTk＝HkH，並且方程式(13)和方程式(14)遵循該計算準則。
為了基於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應用特徵值分解 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，可通過採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複雜性，對於大值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 我們現在基於方程式(27)表示MSEk，並且經由{Jk(b)}對其平均，得出 拉格朗日目標函數是 並且通過執行如方程式(32)中的類似推導操作，導出方程式(29)和(30)。
對於JLS，從方程式(27)，可以通過下式表達將在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、來自發送信號的洩漏功率xk針對{Jk(b)}取平均值以及對其本身造成MSk處的ISI的、來自發送信號的洩漏功率xk針對{Jk(b)}取平均值二者表示為 以及 通過表示並且應用方程式(20)和輔助定理，我們導出具有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。
權利要求
1.一種用於在協作、多用戶、多入多出網絡中發送和接收信號的方法，該網絡包括多個基站和多個移動站，並且其中各基站具有至少兩個天線並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編碼矩陣對多個數據流進行聯合預編碼，以產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.根據權利要求1所述的方法，該方法還包括
使用數值優化技術來優化該預編碼矩陣。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述多個數據流使用有限調製字母表。
4.根據權利要求2所述的方法，其中K個基站同步地發送用於預期移動站的信號，並且K個信號相對於預期用於任何其它移動站的信號是異步的，並且每個預編碼矩陣的大小是NT×Lk，其中NT是相應基站處的天線數量，並且Lk是所發送信號的數量，並且該方法還包括
優化該預編碼矩陣以根據下面的目標函數來最大化所有發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編碼矩陣，並且Rk是信息率。
5.根據權利要求1所述的方法，其中優化依照Trace(THkTk)≤PT，而受預定的每移動站功率限制PT的限制，其中H是信道狀態，k＝1，...，K。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述優化使用維納平滑準則，以使得對於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.根據權利要求6所述的方法，其中各移動站具有NR個天線，並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，而所有移動站的數據矢量是s＝[s1H，s2H，...，sKH]H，並且對於所有k而言，Lk＝NR，從而MSE為
並且
期望值E{...}取決於數據矢量{sk}k＝1...K和噪聲{nk}k＝1...K，並且優化準則是以其中k＝1...K為條件的其中B是基站的數量。
8.根據權利要求7所述的方法，該方法還包括
應用拉格朗日目標函數
其中κ1～κK是與所述功率限制相關的拉格朗日乘子。
9.根據權利要求1所述的方法，該方法還包括
優化所述預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於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.根據權利要求1所述的方法，該方法還包括
優化所述預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於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.根據權利要求1所述的方法，該方法還包括，所述預編碼矩陣是半酉矩陣。
12.根據權利要求4所述的方法，該方法還包括
獨立優化各預編碼矩陣Tk，同時保持所有其它預編碼矩陣{Tj}j≠k不變。
13.根據權利要求12所述的方法，該方法還包括
如果所述目標函數的值的增加小於預定閾值則終止該優化，否則則重複該優化步驟。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述優化利用了對所述預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.根據權利要求1所述的方法，其中聯合地優化線性預編碼矩陣以改進網絡的總頻譜效率。
16.根據權利要求1所述的方法，該方法還包括
根據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化。
17.根據權利要求16所述的方法，該方法還包括
以統計方式表達該定時不精確性。
18.根據權利要求1所述的方法，其中所述優化使用維納平滑準則，以使得對於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.根據權利要求16所述的方法，其中所述優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於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
一種方法在協作、多用戶、多入多出網絡中發送和接收信號。所述網絡包括基站(BS)和移動站(MS)。各基站具有至少兩個天線，並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編碼矩陣聯合預編碼多個數據流，以產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送到第一MS，並且從第一BS和第二BS將第二信號同步地發送到第二MS，並且其中第一信號和第二信號相對於彼此是異步的。
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 優先權日2006年4月20日
發明者內萊士·B·梅赫塔, 張鴻遠, 安德裡亞·F·莫利薩奇, 張錦雲 申請人:三菱電機株式會社