CN101414992A - Mimo无线通信系统 - Google Patents

Abstract

一种MIMO系统中的无线通信方法，在所述MIMO系统中，多个相邻小区的每一个中的用户由该小区的基站服务，所述基站具有在各个MIMO信道上到所述小区中的每个用户站的传输链路。所述方法包括第一小区的所述基站(BS_A)实行的以下步骤：从另一小区的基站(BS_B)或用户(B)接收一个或更多个针对减小对所述另一小区中的用户站的干扰的请求；在到所述第一小区中的用户的传输链路中识别秩亏MIMO信道(H_A)，以选择要作为迫零法对象的MIMO信道；以及将迫零法应用于在所述选择的MIMO信道(H_A)上的传输，以减小所述另一小区中的至少一个用户(B)经受的干扰。选择秩亏MIMO信道，使得最小化由于所述迫零法导致的整体数据容量的减小；通过检验所述信道矩阵的本征值并计算其比率来找到所述秩亏MIMO信道。此外，检查所选择的信道(H_A)与到所述另一小区中的所述用户(B)的信道(H_B)之间的相干性，并且如果它们的相干性大于阈值量，则替代地选择所述第一小区中的另一信道。

Description

MIMO无线通信系统

技术领域本发明涉及无线通信系统，更具体地涉及具有多输入、多输出(MIMO)性能的无线通信系统，特别但是并不排他地涉及包括与IEEE802.16标准兼容的系统的OFDMA系统。这里通过引用并入IEEE标准802.16-2004“Air Interface for Fixed Broadband Wireless AccessSystems”和IEEE标准802.16e-2005“Amendment 2 and Corrigendum 1 toIEEE Std 802.16-2004”的全部内容。

背景技术

无线通信系统被广泛熟知，其中基站(BS)与该BS范围内的多个用户站(SS或MS，也称为用户)通信。由一个BS覆盖的区域被称为小区，并且典型地，在合适的位置提供许多基站，以便与相邻小区程度不同地无缝覆盖广泛的地理区域。每个BS将它可获得的带宽(即频率和时间资源)划分为分配给用户的各个资源。为了容纳更多用户和/或更多数据密集业务，一直存在增加这种系统的容量的需要。

OFDM是一种用于在无线通信系统中传输数据的已知技术。基于OFDM(正交频分复用)的通信方案在多个子载波(也称为频率指(frequency fingers))中划分待发送的数据码元，所述子载波在频率上彼此为等间隔，因此为频分复用。通过在每个子载波上仅载送少量数据，每个子载波的比特率被保持为较低，因此减小了码元间干扰。通过调节它的相位、幅度或者调节相位和幅度两者来在子载波上调制数据。

名称OFDM的“正交”部分指这样的事实，即专门选择子载波的间隔，以在数学意义上与其他子载波正交。更准确地，沿频率轴排列子载波，以便允许相邻子载波的边带重叠，但仍可以在没有子载波间干扰(一般称为ICI)的情况下进行接收。在数学意义上，每个子载波的正弦波形被称为线性信道的本征函数，每个正弦曲线的峰值与每个其他正弦曲线的零值一致。这可通过将子载波间隔设为码元周期的倒数的倍数来获得。

当各个子载波或子载波集被指配给无线通信系统的不同用户时，产生被称作OFDMA的多址系统。(在本说明书中，术语OFDM在后面用来包括OFDMA)。通过向小区中的每个用户指配不同的频率/时间资源，OFDMA可以基本避免小区内的用户间的干扰。然而，如稍后所释，来自相邻小区的干扰仍然可能是个问题。

基本OFDM方案的进一步修改被称为MIMO OFDM，其中MIMO代表多输入多输出。该方案在发射器和接收器处都采用多个天线来增加BS和每个用户之间可获得的数据容量。例如，4×4 MIMO信道是一种这样的方案，其中发射器和接收器使用四个天线来相互通信。发射器和接收器不需要采用相同数目的天线。典型的是，由于功率、成本以及尺寸限制的不同，与移动手持机相比较，无线通信系统中的基站将被装备更多的天线。

考虑与单个接收器(用户站)通信的发射器(例如基站)的最简单的实施例，MIMO信道是发射器和接收器之间的无线链路的频率(或等同时间延迟)响应。它包含所有子载波，并且覆盖发射的整个带宽。MIMO信道包含许多独立无线链路，因此它具有Nt×Nr个SISO信道(也称为子信道)。例如，2×2 MIMO排列包含4个链路，因此它具有4个SISO信道。可以按各种方式组合SISO信道，以将一个或更多个数据流发送到接收器。

图1是一般的MIMO系统的概念图。在图1中，发射器利用Nt个发射天线发射信号，并且接收器利用Nr个接收天线接收来自发射器的信号。用H_0，0到H_Nr-1，Nt-1标识发射器与接收器之间的各个SISO信道或子载波的特性，并且如图中所示，这些形成被称为信道矩阵或信道响应矩阵H的矩阵术语。“H_0，0”指示用于将信号从发射天线0发送到接收天线0的信道特性(例如，信道频率响应)。“H_Nr-1，Nt-1”指示用于将信号从发射天线Nt-1发送到接收天线Nr-1的信道特性等。因为发射器不能对接收天线进行个别寻址，所以存在最多N_t个数据流。

在图1中，使用发射天线N₀到N_Nt-1发射的码元x₀到x_Nt-1形成了发射向量x。类似的是，使用接收天线N₀到N_Nr-1接收的接收到的信号y₀到y_Nr-1共同形成接收到的信号向量y。在没有预编码(见下)的情况下，向量y和x通过y＝H.x+n关联起来，其中H是信道矩阵，而n是表示每个接收天线中的噪声的术语。

信道矩阵H具有作为独立行或列的数目的秩。当一些行或列彼此相关(指示各个子载波之间的相关性)时，MIMO信道被称为“秩亏”。在这种情况中，由于相关性，MIMO信道不能提供最大的数据吞吐量。

MIMO传输方案包括所谓的非自适应和自适应配置。在非自适应情况中，因为发射器不能考虑条件(信道配置(channel profile))的变化，所以发射器没有对信道属性的任何知识，而这又限制了性能。自适应方案依赖于所述接收器将信息(信道状态信息或CSI)反馈给发射器或者本地导出该CSI，使得所传输的信号适应变化的条件并使数据吞吐量最大化。从接收器到发射器的反馈路径(未示出)载送反馈信号以便向发射器通知信道属性。

在FDD(频分双工)系统中需要闭环系统，其中上行链路(移动装置到基站)和下行链路(与上行链路反向)采用两个不同的载波频率。因为频率变化，上行链路和下行链路信道不同，并且需要反馈CSI。在TDD(时分双工)系统中，在相同频率上的两个相邻时隙中传输上行链路和下行链路。这两个时隙在信道相干时间内(信道未改变)，所以不需要反馈信道状态信息。通常，通过用发射器将导频或已知波形插入到在反向链路上发送的信号中，发射器可以根据在反向链路上接收到的信号来估计信道。

要描述的本发明可以应用于TDD和FDD系统，但是本发明更关注于下行链路，即从用作发射器的基站到用作接收器的其用户的传输，而不是关注于上行链路。

典型的是，MIMO配置包含在发射器处的预编码，由此使用每个子载波、子信道或子载波组的本征函数为要发送的数据码元加权。换言之，信道状态信息用来使发射向量x适应于信道条件。这有效地允许MIMO信道被分解成一组并行的SISO信道，所谓的固有码型信号传输，从而在接收器处极好地分离出(被赋予极好的信道状态信息的)码元。在信道中可获得的固有码型也被称为空间码型(spatial mode)。然而，每个频带或子载波组的预编码权重需要被经常更新。该频带或子载波组的最优或优选的带宽取决于MIMO信道的空间码型的相干带宽。该相干带宽的计算基于从横跨OFDM频谱的MIMO信道矩阵获得本征值。预编码可以是线性的，即获得合理结果的同时限制了处理的复杂性；或者是非线性的，即获得接近最优的结果但付出更大复杂性代价。线性预编码的一种形式是如下面涉及的所谓“迫零法(zero forcing)”。

图2是更具体地示出MIMO系统的结构的图。MIMO系统1包括：具有多个发射天线的发射器2，和具有多个接收天线的接收器3。

发射器2使用Nt个发射天线并行地发射码元0到Nt-1；这些码元可以依据一个数据流创建(称为垂直编码)或者依据不同数据流创建(称为水平编码)。此外，如果调制方法为BPSK，则每个发射的码元例如对应于一比特数据，而如果调制方法为QPSK，则每个发射的码元对应于两比特数据。接收器3使用Nr个接收天线接收从发射器2发射的信号，并且它包括信号再生单元4，所述信号再生单元4根据所接收的信号再生所传输的码元。在本结构中，可对应于Nt和Nr的最小值来获得空间码型的数量。

如图2中的箭头所示，从多个发射天线的每一个发射的信号被多个接收天线的每一个接收，产生总共Nt×Nr个子载波。换言之，从发射天线(0)发射的信号被接收天线(0)到(Nr-1)接收，类似的是，从发射天线(Nt-1)发射的信号也被接收天线(0)到(Nr-1)接收。将信号从第i个发射天线传播到第j个接收天线的子载波的特性被表示为“Hij”，并且形成Nt×Nr个信道矩阵H的一个分量项。

典型地通过发送导频信号，来在实际数据传输之前测量子载波特性。发射器2首先使用发射天线(0)发射导频信号。接收器3通过接收天线(0)到(Nr-1)接收从发射天线(0)发射的导频信号。在这种情况中，因为预先确定导频信号的发射功率，所以接收器3通过监控经由接收天线(0)到(Nr-1)接收到的信号的功率、SNR等来获得信道矩阵中的第一行的每个分量(H_0，0到H_0，Nr-1)。之后，以相同方式使用从每个发射天线发射的导频信号，可获得信道矩阵中第2到第Nt行的每个分量。

在MIMO系统1中，如果从发射器2发射码元x(x₀～x_Nt-1)，则通过表达式(1)标识在接收器3中检测到的信号y(y₀～y_Nr-1)。因此，在没有噪声n的情况下，接收器3可以通过检测信道矩阵H并执行与信道矩阵H中每个分量对信号的影响相对应的反向操作来获得正确传输的码元。然而，实际上存在噪声n，而且还不能绝对准确地确定信道矩阵H。因此，接收器3根据接收到的信号y和信道矩阵H来估计所传输的码元，并引入用于最小化该估计值的误差的算法。

通过背景说明，将参考图3和4简要概述MIMO-OFDM发射器和接收器。图3是MIMO-OFDM发射器的示意图。高速二进制数据被编码(卷积码是一种示例)、交织以及调制(使用诸如BPSK、QPSK、64QAM等的调制方案)。可以对每个发射天线使用独立的信道编码器。随后，该数据被转换成馈至N个子载波的并行的低速调制数据流。在多个子载波上分别载送来自每个编码器的输出。通过N点快速傅立叶逆变换(IFFT)来对调制信号进行频分复用。产生的OFDM信号通过D/A转换器转换成模拟信号，并且上变频到RF带，且被无线传输。

在图4中示意性示出的MIMO-OFDM接收器处，从Nr个接收天线接收到的信号被带通滤波器(BPF)滤波，并且随后被下变频到低频率。下变频的信号被A/D转换器采样(即，转换成数字信号)，并且去除了保护间隔。之后，采样数据被馈至N点快速傅立叶变换器(FFT)。在对通过Nr个接收天线接收到的每个信号执行傅立叶变换之后，将它们馈至MIMO信号处理单元11。这里，MIMO信号处理单元11包括信号再生单元4，所述信号再生单元4使用信道矩阵H且考虑在发射器侧应用的预编码，来执行补偿信道特性的算法。例如使用稍后描述的“迫零法”来消除来自其他用户的干扰，由此在频域内补偿每个子载波的信道。在本实施例中，MIMO信号处理单元11的输出为Nt个独立数据流，并且每个数据流被独立解调、解交织以及解码。然而，如果信号量被复用，即在发射器侧对多个天线应用了垂直编码，则可对输出进行解复用以形成单个信号数据流。

MIMO系统中用于消除干扰的迫零方法是有文献可寻的，并且下列文献是这些技术的良好参考：

Q.H.Spencer et.Al，“Zeroforcing Methodes for Downlink SpatialMultiplexing in Multiuser MIMO Channels”，IEEE Trans.on SignalProcessing，Vol.52，No.2，Feb.，2004

上面的解释考虑了单个发射器向单个接收器发送MIMO信号的情况，但实际的MIMO无线通信系统当然比这精细得多，实际的MIMO无线通信系统提供许多互邻小区，在每个小区中，基站在各个MIMO信道上同时向多个用户站进行传输。实际上，相邻小区有某种程度的重叠，从而来自一个小区中的一个基站的传输可能对相邻小区的边缘处的用户造成干扰。如果小区具有六边形栅格排列，则一个小区可以与多达六个邻近小区相邻，使得到具体用户的传输可能导致对多于一个其它小区的干扰。

在未来的无线通信系统中，诸如在与IEEE 802.16m(也称为高级WiMAX或吉比特WiMAX)兼容的无线通信系统中，期望MIMO和OFDMA实现大容量数据吞吐量。然而，在实现这些系统中期望的容量增加的过程中，上述多用户干扰效应可能成为显著障碍。例如，在一个小区边缘附近正与使用特定频率/时间资源的一个BS通信的用户可能与相邻小区中由使用相同频率/时间资源的不同BS服务的用户发生干扰。一种用于减小干扰的有前景的方法是针对存在较高干扰效应的用户(即通常在小区边缘的用户)将一些空间码型用于迫零法。迫零法可以被认为是一种波束形成法，使得通过牺牲一个或更多个空间码型，让来自发射器的无线电波的波束在意图减小其干扰的用户的方向上形成零值(null)。使用将空间码型用于迫零法的代价在于可能损失一些MIMO容量。

因此，期望开发用于识别处于如下BS处的用户的算法，在所述BS处，在对小区容量影响最小的情况下，将一些空间码型用于迫零法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供有一种MIMO系统中的无线通信方法，所述MIMO系统具有相互相邻的第一小区和一个或更多个第二小区，每个小区由基站服务并且具有多个固定或移动用户站，所述基站具有在各个MIMO信道上到所述小区中的每个用户站的传输链路，在所述第一小区的所述基站中，所述无线通信方法包括以下步骤：从所述第二小区接收针对减少由来自所述第一小区的所述基站的传输导致的对所述第二小区中的用户站的干扰的请求；在从所述第一小区中的所述基站到所述第一小区中的每个用户站的所述传输链路中识别出秩亏MIMO信道，以选择要作为预编码对象的MIMO信道；以及将预编码应用于在所述选择的MIMO信道上的传输，以减少所述第二小区中的所述用户站受到的干扰。

根据本发明的第二方面，提供有一种蜂窝无线通信系统中使用的基站，用于在各个MIMO信道上将数据传输到第一小区中的用户，所述第一小区与一个或更多个其他小区相邻，所述基站响应于从所述第一小区外部接收到的请求来预编码它到所述第一小区中的所述用户之一的传输，以减少由所述传输导致的使其他小区中的一个或更多个用户受到的干扰，所述基站被配置成基于在所述MIMO信道的组成子信道中是否存在相干性来选择到其用户之一的MIMO信道来进行预编码。

根据本发明的第三方面，提供有一种由多个小区组成的MIMO无线通信系统，每个所述小区包括如第二方面的阐述中所指示的基站和由所述基站服务的多个用户站，每个所述用户站被配置为检测从所述基站的它的下行链路上的干扰，并可操作地发送针对减小干扰的请求。

根据本发明的第四方面，提供有一种MIMO蜂窝网络中的用户站，其包括：多个天线，所述多个天线用于接收来自其自己小区的基站的MIMO传输；检测装置，所述检测装置用于检测来自所述网络的另一小区中的基站的干扰；发送装置，所述发送装置用于发送针对消除所述干扰的请求；以及自适应选择装置，所述自适应选择装置用于根据来自基站的请求自适应地选择当前使用的其天线数。

因此，本发明的实施方式可以提供如下技术，即针对遭受较高干扰影响的(在小区边缘处的)其它小区用户，选择用户进行迫零。

附图说明

仅以示例方式对附图进行参考，其中：

图1是MIMO通信信道的概念图；

图2是通过MIMO信道通信的发射器和接收器的示意图；

图3是MIMO-OFDM发射器的示意图；

图4是MIMO-OFDM接收器的示意图；

图5例示了基于仿真目的采用的小区与用户的结构；

图6是示出使用本发明的选择算法获得的仿真MIMO信道容量的图；

图7是示出针对随机信道选择的仿真MIMO信道容量的图；以及

图8是本发明的实施方式中的用于MIMO预编码的信道选择算法的流程图。

具体实施方式

在参照图5到8解释本发明的实施方式之前，将首先概述基本原理。

MIMO迫零法的基本思想可以解释如下。考虑基站BS_A服务的用户A，和在相邻小区的边缘或附近由另一基站BS_B服务的另一用户B。为了方便，用户A被称为“小区内”用户，而B被称为相邻小区用户或“小区边缘”用户，但是应该注意这种用户不需要在物理上位于小区边缘。如果用户A和B通过无线信道H_A和H_B对基站BS_A都可见，并且分别采用Nr₁×Nt和Nr₂×Nt(接收天线数乘以传输天线数)个MIMO系统(Nt＝Nr₁+Nr₂)，则可以用Nt×Nr₁预编码矩阵V₀对(从BS_A)到A的传输数据向量进行预编码，使得该传输对用户B不存在干扰。通过获得无线电信道H_B的奇异向量(通过奇异值分解)来生成矩阵V_s。矩阵V₀由H_B的右奇异矩阵V_s的最后(Nt-Nr₂)列向量组成，当Nt>Nr₂时，所述矩阵V₀跨越零空间。在数学表示法中，这可以写为：

[U_s，D，V_s]＝svd(H_B)

V_s＝[V₁V₀]     (1)

其中，U_s是左奇异矩阵，而D是具有n个奇异值作为对角元素的对角矩阵。

利用V₀预编码的用户A的Nr₁×1个接收信号向量y变为(参见公式(1))：

y＝H_A·V₀·x+n      (2)

其中x是Nt×1个发射向量，并且Nr₁×1个向量n意味着噪声添加。当V₀包含(Nt-Nr₂)列时，来自A的传输被限制为Nr₁＝(Nt-Nr₂)并行流作为预编码的结果。考虑到如果未应用预编码方案，则(如果A有采用Nt×Nt MIMO系统的可能)Nt个并行数据流是可能的，所以这可能导致容量损失。然而，实际损失将取决于在被替代来用于迫零法的Nr₂流上可获得的容量。此外，需要无线电信道H_A与来自相同基站的无线信道H_B去相关，以实现到A的有效数据传输。即，如果一强信号在用户B看来接近于零波形，则向用户A提供该强信号是不可能的。

如上面已经指示的，本发明可特别应用于基于OFDMA(正交频分多址接入)系统，在所述系统中，因相邻小区中相同时间/频率资源的使用冲突产生小区间干扰。当用户B靠近服务基站BS_B的小区边缘时，他将感到来自使用相同时间/频率资源为其用户A服务的相邻小区基站BS_A的显著干扰。即使在用户B未靠近小区边缘的情况下，也可能发生对用户B的干扰，例如如果BS_A正在用高功率进行传输。处理该问题的已知方法是在时域和/或频域中分隔用户，然而，这将导致系统容量的减小。替代的方法是，本发明使用上面的预编码方法，其中可以用矩阵V₀对传输到用户A的信号进行预编码，从而消除对用户B的干扰。(因为预编码矩阵的效果是减少传输的码元数目，通过用户A接收较少数据)这也包含容量的损失，所以本发明旨在解决该问题。

本发明提供如下算法：对BS_A中的活动用户进行扫描并选择用户A，使得上面提到的容量损失最小化，并且因为对用户B的干扰减少所以具有容量净增益。与处理小区边缘干扰的已知技术相比较，本发明提供实现容量净增益的可能。该算法对最大秩亏信道应用迫零法，即对受到移除一些并行MIMO流影响最小的用户应用迫零法。

现在将更详细地解释本发明的实施方式。为了方便，以下描述指的是执行本发明的技术的“基站”，但是一般来说，本发明可以应用于能够与无线通信系统中的多个用户通信的任何发射器，包括点对点网络中的中继站、用户站等。因此，权利要求书中使用的术语“基站”应该被给予广泛的解释。

为了保证净容量增益，基站在它的活动用户中搜索“秩亏”MIMO信道(即，其中两个或更多个组成MIMO子信道相干，并且因此它们将为整个用户容量提供最小的容量改善的信道)，并将预编码向量分配给最大秩亏信道。

为了识别秩亏信道，基站查看绝对MIMO信道矩阵(H·H^*，^*表示共轭转置)的本征值，并且测量最大本征值(λ_m)与最小值(λ₁)的比率。典型的是，由于基站已经出于其他目的(注水、特征分解等)计算了这些本征值，所以额外处理成本不高。本发明还假设，可以根据要求的用于迫零法的空间码型的数目，在Nr₁+Nr₂＝N_t的限制内自适应地选择接收天线Nr₁和Nr₂的数目。换言之，对于每个用户站，能够关闭一个或更多个其天线。所述要求的空间码型的数据基于可以与用户A共享相同频率/时间资源并且因此受益于迫零法的小区边缘(在多个小区中，并且不需要在小区边缘处)的用户的数目。要求最少的r个空间码型以便同时针对r个小区边缘用户应用迫零法。

一般来说，如果空间码型被用于迫零法(即Nt-Nt₁＝Nr₂＝k)，则算法将计算比率和 $({\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_2+......+{\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{Nr}}_2}),$ 并使用具有最大比率和的信道进行预编码。这里λ₂是第二小本征值，而是升序上的第Nr₂个本征值。实行对选择的信道H_A与H_B之间的信道相干性的最终检查，并且.如果相干性低于预定义的阈值ρ_th，则实行预编码。如果信道相干性高于ρ_th，则放弃所述选择，并选择具有最高本征值比率和的下一信道，这是因为之前提及的有效数据传输的要求。重复该处理，直到发现H_A与H_B之间的信道相干性低于ρ_th。两个向量X与Y之间的相干性ρ(X，Y)被定义为：

$\mathrm{\ρ}(X,Y)=\frac{E[X\·Y^{*}]}{\sqrt{E[X\·X^{*}]E[Y\·Y^{*}]}}---\left(3\right)$

其中E[]表示期望算子，而^*表示复共轭。为了测试本算法的有效性，使用从系统级仿真器生成的真实MIMO信道数据和SINR(信号与干扰加噪声比)值来进行一组仿真。MIMO信道是用于覆盖可以分割成2个相邻小区的测量位置的4×4系统。每个小区包含13个测量位置，所述测量位置可以被认为是活动用户。下面的图5中示出了小区部署。

图5例示了基于真实世界地图数据的出于仿真目的采用的小区和用户的结构。图中的实线标示互邻的六边形小区的小区边缘，圆中的数字表示各个用户站或用户。图边缘处的延长三角形表示各个小区的基站。

为了仿真，将2个小区边缘用户(来自BS_A的用户2和来自BS_B的用户1)标识为从相邻小区接收最大干扰的用户。然后，进行MIMO预编码以消除干扰。换言之，本发明的方法被应用两次。初始的4×4MIMO系统被减小为4×2MIMO系统来应用迫零法，因此采用2个用于消去干扰的空间码型。当针对用户产生的容量减小最小时，本发明的方法将BS_A中的用户3和BS_B中的用户7标识为可以应用预编码的秩亏信道。在应用本预编码算法的情况下和不应用本预编码算法的情况下，针对小区边缘用户和选择的预编码用户计算信道容量。通过下式给出用于n×n MIMO系统的信道容量：

$C={\log }_2\left(\det [I_n+\frac{\mathrm{SINR}}{n_T}\left({\mathrm{HH}}^H\right)]\right)---\left(4\right)$

其中，I_n是单位矩阵，H是信道矩阵，而n_T是传输的并行数据流的数目。根据与基站的距离，从系统级仿真器选择SINR。小区半径被假设为1000m。系统级仿真器被用来生成存在最显著干扰源时和不存在最显著干扰源时的SINR。对于小区边缘用户，对这两个SINR值进行比较。在下面的图6和7中示出针对BS_B小区的MIMO容量和(小区边缘用户和预编码用户的和)的累积分布函数。图6将应用选择算法进行预编码时的容量与未预编码时的4×4系统进行比较。图7将应用于用户的随机选择(针对仿真的每次反复从13个用户中随机选择)的预编码与未预编码的4×4系统进行比较。在图6和7的每一个中，横坐标表示受迫零算法影响的两个用户的容量，即要减小其受的干扰的小区用户和提供一个或更多个用于迫零法的空间码型的秩亏用户。纵坐标表示容量的整体改善的可能性。

这些图清晰地示出提出的信道选择算法在用于预编码的随机选择上的益处。提出的选择算法提供了未预编码系统上的时间的80％的改善的容量和(即净容量收益)。然而，根据该随机信道选择，净容量收益仅发生时间的30％，并且剩余部分会有显著损失。尽管这些结果特别针对于测量的信道和产生的SINR值(对于每个用户重复1000次)，但是它们确实指示出所提出的算法的益处。

因此，从系统容量角度来看，由于干扰的减小，受干扰用户的容量的改善优于个体用户容量的减小，所以可以推断出在本方案中将秩亏用户的两个流用于迫零法的益处更大。

图8中给出本发明优选实施方式中由每个基站执行的方法的流程图。

在步骤S1中，相邻小区中的用户(用户B)报告由于来自基站BS_A的传输而受到高干扰。典型的是，它通过在上行链路上将消息发送到它自己的基站BS_B来完成此操作。接着(S2)，基站BS_A连同关于分配给用户B的时间/频率资源的信息一起接收到干扰的通知。在本实施例中，例如通过骨干网(有线或无线)从BS_B向BS_A发送。如果接收到多于一个这种通知(S3)，则BS_A使用净容量收益准则(见下)进行比较并且如果需要的话对它们设置优先级，来决定是否牺牲多于一个空间码型用于迫零法。然后，BS_A确定其小区中的哪些用户应该提供用于迫零法的空间码型。为了最小化整个数据容量的损失，按照前述方式选择秩亏MIMO信道。这涉及针对它的活动用户(即它自己小区中的用户)计算如上文规定的本征值比率或比率和。在步骤S5中，选择最大秩亏信道H_A(在此情况中，被确定为具有最高比率和 ${\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_2+......+{\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{Nr}}_2}$ 的信道)，并且检查此信道与小区边缘用户B的信道H_B之间的相干性。如果相干性太高，(S6，是)，则重复步骤S5来选择不同的秩亏信道。

作为进一步的检查(如图8的步骤S3中所示)，优选的是，基站找出期待通过执行迫零法实现的净容量收益，即通过减小的干扰获得的到用户B的MIMO信道上的容量增益减去到用户A的秩亏信道上的容量损失。如果未发现净容量增益，则放弃该过程。为了进行该计算，尽管不是必须要素，但该基站与为用户B服务的基站交换信息和/或从系统的中央控制器接收信息是有帮助的。否则(S6，否)执行迫零法，包括对用户A分派与由BS_B指配给边缘小区用户B的频率/时间资源相同的频率/时间资源。

图8示出迫零法对单个用户(用户A)施加的用于消除或减小对一个或更多个小区边缘用户(用户B)的干扰的步骤。以更多空间码型为代价，可以重复所述处理以对其它用户执行迫零法。另选的是，有时能够通过对单个小区内用户实行迫零来减小两个或更多个小区边缘用户受到的干扰。两个或更多个这种小区边缘用户可以在多个相邻小区中，并且可以被分配相同的时间/频率资源。然而，(小区边缘用户加一个小区内秩亏用户的)活动接收器的总和不应该超过基站处发射天线的数目Nt。

为了有效，当小区边缘用户可以期望显著干扰减小时，应用本发明的信道选择算法通常对小区边缘用户有利。另一方面，在物理上未处于小区边缘的用户可能经受来自另一基站的显著干扰。然而，实际上仅有有限数目的秩亏MIMO信道可能是可获得的，因此，期望基站有选择性地响应针对减小干扰的请求。在一些实例中，可能期望限制针对小区边缘用户的这种请求(假设这些是可以辨别的)，并且这可以通过下述操作来实现，即通过配置用户站使得仅当他们是小区边缘用户时才发布请求，或者通过配置每个基站使得所述基站仅接受来自被确定处于小区边缘的用户站的请求。上面提及的对净容量收益的检查也趋于具有限制小区边缘用户的可接受请求的效果。

此外，应该注意，尽管图8中的流程图是优选实施方式，但是如下面所概述的，存在对示出的步骤的一些可能的替换。

在另选实施方式中，小区边缘用户站直接与干扰BS通信，来替代其向它的服务站(BS)指示干扰情况。由于干扰显著，所以可以假设经受干扰的用户站将处于可与该BS通信的范围内的位置处。随后，这两个BS可以协调资源分配，从而适当执行所述消除操作，或者用户站可以自己在两个BS之间进行判定，以避免在骨干网上发送信号的需要。如果来自多个小区的用户以这种方式与相同的干扰BS通信，则该BS可以决定要分配用于干扰消除的空间码型数k。

一种计算本征值比率和的更简单的方法是仅使用单个比率其中是第Nr₂最小的本征值。尽管这可能不准确，但是它提供了以更低处理要求来指示候选的另选机制。

因此，本发明的实施方式可以提供MIMO系统中的无线通信方法，在所述MIMO系统中，多个相邻小区的每一个中的用户由该小区的基站服务，所述基站通过各个MIMO信道在下行链路上将数据传输到小区中的每个用户。该方法包括第一小区的基站(BS_A)实行的以下步骤：从基站(BS_B)或者从另一小区中的用户(B)接收一个或更多个减小由另一小区中的用户所导致的干扰的请求；在到第一小区中的用户的传输链路中识别秩亏MIMO信道(H_A)，以选择作为进行迫零法对象的MIMO信道；以及对所选择的MIMO信道(H_A)上的传输实施迫零法，以减小其他小区中至少一个用户(B)经受的干扰。选择秩亏MIMO信道来最小化由于迫零法造成的整个数据容量的减小；通过检验信道矩阵的本征值并计算其比率来发现所述秩亏MIMO信道。此外，检查所选择的信道(H_A)和到其他小区中的用户(B)的信道(H_B)之间的相干性，并且如果它们的相干性超过阈值量，则替换地选择第一小区中的另一信道。

本发明的实施方式可以以硬件实现，或者可以实现为在一个或更多个处理器上运行的软件模块，或者可以在其组合上实现。即本领域技术人员应该意识到，微处理器或数字信号处理器(DSP)可以在实践中用于实现上面描述的一些或所有功能。

这种微处理器或DSP可以存在于无线通信系统的基站中。在采用中继站的无线通信系统中，进一步优选的是，每个中继站包括执行根据本发明的方法的功能。每个用户站的处理器或DSP还可能需要对本发明的方法的调整，具体的说，提供将消息发送到其小区外面的所需基站的操作。此外，点对点网络中的用户站可以自己实行本发明的方法。

本发明还可以被实施为用于实行这里描述的方法的部分或全部的一个或更多个设备或装置程序。实施本发明的这些程序可以被存储在计算机可读介质上，或者例如可是一个或更多个信号的形式。这些信号是可从因特网网站下载的数据信号，或者在载体信号上提供或者是任何其它形式。

Claims (31)

1、一种MIMO系统中的无线通信方法，所述MIMO系统具有相互相邻的第一小区和一个或更多个第二小区，每个小区由基站服务并且具有多个固定或移动用户站，所述基站具有在各个MIMO信道上到所述小区中的每个用户站的传输链路，在所述第一小区的所述基站中，所述无线通信方法包括以下步骤：

从所述第二小区接收针对减小由来自所述第一小区的所述基站的传输导致的对所述第二小区中的用户站的干扰的请求；

在从所述第一小区的所述基站到所述第一小区中的每个用户站的所述传输链路中识别出秩亏MIMO信道，以选择要作为预编码对象的MIMO信道；以及

对在所选择的MIMO信道上的传输实行预编码，以减小所述第二小区中的所述用户站经受的干扰。

2、根据权利要求1所述的无线通信方法，其中所述识别步骤选择最大秩亏MIMO信道作为所述预编码对象。

3、根据权利要求2所述的无线通信方法，其中所述识别步骤检查所述最大秩亏MIMO信道与到所述第二小区中的所述用户站的MIMO信道之间的相干性，并且如果所述相干性超过阈值，则替代地选择下一最大秩亏MIMO信道作为所述预编码对象。

4、根据权利要求1、2或3所述的无线通信方法，其中所述接收步骤包括接收指配给所述第二小区中的所述用户站的时间和频率坐标，并且其中所述第一小区中的所述基站将相同的时间和频率坐标指配给所选择的MIMO信道。

5、根据前面任意权利要求所述的无线通信方法，其中从所述第二小区的所述基站接收所述请求。

6、根据权利要求1到4中的任意一项所述的无线通信方法，其中从所述第二小区中的所述用户站接收所述请求。

7、根据前面任意权利要求所述的无线通信方法，其中所述预编码包括迫零法。

8、根据前面任意权利要求所述的无线通信方法，其中所述识别步骤通过求出每个绝对MIMO信道矩阵的本征值λ并且度量最大本征值λ_m与最小本征值λ₁的比率来识别秩亏MIMO信道。

9、根据权利要求8所述的无线通信方法，其中所述识别步骤针对到所述第一小区中的用户站的每个MIMO信道计算比率和：

${\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_2+......+{\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{Nr}}_2},$

其中Nr₂是所述第二小区中的所述用户站使用的接收天线的数目，并且所述识别步骤选择具有最大和的信道进行预编码。

10、根据权利要求1到7中的任意一项所述的无线通信方法，其中所述识别步骤针对到所述第一小区中的用户站的每个MIMO信道计算比率：

${\mathrm{\λ}}_m/{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{Nr}}_2},$

其中λ_m是所述MIMO信道矩阵中的最大本征值，Nr₂是所述第二小区中的所述用户站使用的接收天线的数目，而

是第Nr₂个本征值，并且所述识别步骤选择具有最大比率的所述信道来预编码。

11、根据前面任意权利要求所述的无线通信方法，其中从所述或每个第二小区接收多个请求，并且所述无线通信方法应用所述预编码，来同时减小对所述第二小区中的多个所述用户的干扰。

12、根据权利要求11所述的无线通信方法，其中在从所述第一小区的所述基站到所述第一小区中的每个用户站的所述传输链路中，针对多个MIMO信道重复所述识别和实行步骤，以同时减小对所述或每个第二小区中的多个所述用户的干扰。

13、根据权利要求11所述的无线通信方法，其中在一个所述选择的MIMO信道上进行所述实行预编码的步骤，以同时减小对所述或每个第二小区中的多个所述用户的干扰。

14、根据前面任意权利要求所述的无线通信方法，其中所述第一小区中的所述基站与所述第二小区中的所述基站交换消息，以协调所述实行预编码的步骤。

15、根据权利要求6所述的无线通信方法，其中所述第二小区中的所述用户站将消息发送到所述第一小区和所述第二小区的所述基站，以协调所述实行预编码的步骤。

16、根据前面任意权利要求所述的无线通信方法，在所述识别步骤之后还包括以下步骤：对实行所述预编码的所述MIMO系统估计净容量效果，并且仅当估计了净容量收益，才前进到实行所述预编码的操作。

17、被应用于基于OFDMA的无线通信系统的下行链路的根据前面任意权利要求所述的无线通信方法。

18、一种蜂窝无线通信系统中使用的基站，其用于在各个MIMO信道上将数据传输到第一小区中的用户，所述第一小区与一个或更多个其他小区相邻，所述基站响应于从所述第一小区外部接收到的请求来预编码它到所述第一小区中的所述用户之一的传输，以减小由所述传输导致的其他小区中的一个或更多个用户所经受的干扰，所述基站被配置成基于在所述MIMO信道的组成子信道中是否存在相干性来选择到它的用户之一的MIMO信道，来进行预编码。

19、根据权利要求18所述的基站，其中所述预编码为迫零法。

20、根据权利要求18或19所述的基站，所述基站还被配置成计算到执行所述预编码的所述第一小区和其他小区的净容量收益，如果不存在净容量收益，则忽略所述请求。

21、根据权利要求18、19或20所述的基站，其中所述基站被配置为在向所述基站中的所述用户发送数据所用的所述MIMO信道中搜索秩亏MIMO信道来选择用于预编码的MIMO信道。

22、根据权利要求21所述的基站，其中所述基站被配置为将预编码矩阵应用于最大秩亏MIMO信道。

23、根据权利要求22所述的基站，其中所述基站被配置为通过检测每个MIMO信道矩阵的本征值来识别所述最大秩亏MIMO信道。

24、根据权利要求18到23中任意一项所述的基站，所述基站还被配置为检查被选择用于预编码的MIMO信道与用于到其他小区中的所述一个或更多个用户的传输的每个MIMO信道之间的相干性的存在。

25、根据权利要求18到24中任意一项所述的基站，所述基站还被配置为从基站或者从供所述预编码使用的至少一个其他小区中的所述用户接收信息。

26、一种由多个小区组成的MIMO无线通信系统，每个所述小区包括根据权利要求18到25中的任意一个所述的基站和由所述基站服务的多个用户站，每个所述用户站被配置为从所述基站检测它的下行链路上的干扰，并能够操作来发送针对减少干扰的请求。

27、根据权利要求26所述的无线通信系统，其中每个用户站被配置为将所述请求发送到它自己小区的所述基站。

28、根据权利要求26所述的无线通信系统，其中每个用户站被配置为将所述请求发送到另一个所述小区的所述基站。

29、一种MIMO蜂窝网络中的用户站，其包括：

多个天线，其用于接收来自它自己小区的基站的MIMO传输；

检测装置，其用于检测来自所述网络的另一小区中的基站的干扰；

发送装置，其用于发送消除所述干扰的请求；以及

自适应选择装置，其用于根据来自基站的请求自适应地选择当前使用的其天线数。

30、软件，当通过无线通信系统中的基站的处理器执行时，所述软件提供根据权利要求18到25中的任意一个所述的基站。

31、软件，当通过无线通信系统中的用户站的处理器执行时，所述软件提供根据权利要求29所述的用户站。

Images