CN101523760A - 减轻符号间干扰 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供计算符号间干扰(ISI)的空间协方差以及使用所计算的空间协方差来减轻ISI。也对其它实施例进行了描述和请求保护。

Description

减轻符号间干扰

技术领域

本发明的实施例涉及无线网络领域，更具体而言，涉及在无线网络的传输中减轻符号间干扰。

背景技术

两个连续发射的符号在无线网络的节点之间可能经历不同的传播路径并因此经历不同的传输时间，可以称之为信道延迟扩展。当这些符号在接收节点处重叠时，该接收信号的某部分可能具有符号间干扰(ISI)。

在正交频分复用(OFDM)系统中使用循环前缀来减轻ISI效应。由于循环前缀增加了开销并降低了系统吞吐量，所以将其持续时间最小化。当循环前缀比最大时延短的时候，ISI可能会在符号间出现。在典型的城市环境中使用短循环前缀时会出现这种情况，其中短循环前缀为4.6875微秒以及最大时延是5微秒。ISI常常由于最近的多径返回而引发，其中该多径返回的功率比峰值返回低10分贝(dB)。尽管每个子载波上的平均的信号干扰功率比(SIR)是大约22dB，但是ISI的效应不能忽略。当忽略ISI时，链路自适应会预测链路具有高吞吐量并选择高级别的调制和码速率。然而，ISI可能导致解码错误并且吞吐量可能会开始下降。

附图说明

通过下面的详细描述并结合附图可以容易地理解本发明的实施例。为便于描述，相同的附图标号指示相同的结构元件。附图中的图形中以举例的方式而不是以限制的方式图解说明了本发明的实施例。

图1示出了根据本发明各种实施例的通信系统；

图2示出了根据本发明各种实施例的在通信系统中发射的导致ISI的符号；

图3示出了根据本发明各种实施例的在时域中和频域中的ISI部分；

图4示出了根据本发明各种实施例的多输入接收机；

图5示出了根据本发明各种实施例的ISI减轻操作；

图6示出了根据本发明各种实施例的使用连续干扰消除(SIC)在接收机中的ISI减轻。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考构成本文一部分的附图，在附图之间相同的标号指示相同的部分，并且以可以实施本发明的说明性实施例的方式进行了说明。应当理解可以使用其它实施例，并且可以在不背离本发明范围的情况下进行结构或逻辑的改变。因此，下面的详细描述不具有限制意义，并且根据本发明的实施例的范围由所附权利要求及其等价物来进行限定。

各种操作可以用依次进行的多个分立的操作来描述，这是一种有助于理解本发明实施例的方式；然而，描述的顺序不应被解释为暗示了这些操作是必须按特定的顺序执行。

出于说明本发明的目的，短语“A/B”意思是A或B。出于说明本发明的目的，短语“A和/或B”意思是“(A)、(B)或(A和B)”。出于说明本本发明的目的，短语“A、B和/或C”意思是“(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)”。出于说明本发明的目的，短语“(A)B”意思是“(B)或(AB)”，也就是说，A是可选的元素。

说明书可能使用短语“在实施例中”或者“在多个实施例中”，这两个短语都可以代表一个或多个同样的或不同的实施例。此外，在本发明的实施例中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。

本发明的实施例提供了在无线网络的节点之间的通信中符号间干扰的减轻。

图1示出了根据本发明实施例的通信系统100。在这个实施例中示出了两个无线节点，例如发射机104和接收机108。每个无线节点具有多个天线(例如，三个发射天线112和三个接收天线116)以向它们各自的多个节点提供到空中(OTA)通信链路(OTA链路)120的无线接口，该OTA链路120通信地耦合这两个节点。具有多个发射和接收天线的节点可以被称为多输入多输出(MIMO)节点。在各种实施例中，节点可以具有任何数目的发射和/或接收天线。

通信系统100中的发射机104可以使用调制星座图(诸如：QAM、PSK等)将数据序列映射到多个符号。发射机104接着可以使用调制技术(例如，正交频分复用(OFDM))将这些符号作为调制信号来发射，该调制技术可以将OTA链路120的空间信道分为多个子载波。在邻近子载波上发射的数据流可以是相互正交的以降低干扰。

图1中示出的多个发射天线112可以用来形成一个或多个活动空间信道。一个空间信道可以由一个或多个发射天线112形成。通过使用波束成形权重，多于一个发射天线112可以形成单个空间信道。接收机108收到的信号的信号模型可以是：

y(f)＝H(f)x(f)+v(f)+n(f)         (公式1)

其中H(f)是子载波f上的信道矩阵(例如，具有或不具有波束成形和/或空时编码)；f是子载波索引，x(f)是发射信号矢量；n(f)是AWGN噪声矢量；以及v(f)是干扰矢量。干扰可能是由ISI和/或其它干扰源引起的。n(f)矢量中的各项可以是独立同分布的，而v(f)矢量中的各项不是。

图2示出了根据本发明各种实施例的两个符号的传输。该实施例图解说明了第一符号200和第二符号204。接收机108可以将每个符号200和204分别作为相互重叠的多个信号200a-200c和204a-204c来接收。这些信号由于不同的传播路径而可能在不同时间到达接收机108。接收机108可以获得图示的两个符号200和204的快速傅里叶变换(FFT)采样。信号200c的一部分208可能与第二符号204的取样产生ISI。

图3示出了根据本发明各种实施例的在时域中和频域中的ISI。时域中的ISI信号(即部分208)可以表示为f(t)。在频域中，彼此间隔Δω的两个子载波之间的相关性可以计算为：

r(Δω)＝IFFT(‖f(t)‖²)             公式2

由于f(t)具有一般小于0.5微秒的狭窄的时间跨度，所以r(Δω)在频域中具有相对宽的宽度，例如，14MHz带宽。例如，如果f(t)仅有一个采样，则r(Δω)的幅度可能在频率上是平坦的。r(Δω)的主波瓣的相对宽的宽度可以指示f(t)的频率响应可能是高度相关的。这可以从另一点上观察。ISI信号f(t)具有来自一些采样的少数的随机变量。该频率响应具有通过傅里叶变换从这几个随机变量产生的较大量的点。因此，这些子载波上的频率响应可能是高度相关的。因为高度相关，所以ISI近似于在频率上是平坦的。也就是说，ISI功率电平在频率上是近似于相同的，并且子载波响应是相关的。

在一些实施例中，如果子载波之间的v(f)是高度相关的，则可以用导频符号来估计v(f)，该导频符号分布在多个子载波上并且与数据符号相互交织，并且可以从公式1所示的接收信号中减去该导频符号以对有用信号进行解码。

子载波上的频率响应的高度相关性可以允许对子载波上ISI的空间协方差值进行低复杂度的估计。空间协方差值可以是ISI在天线之间或空间信道之间的相关程度的量度。例如，高协方差值表示如果一个天线响应高于其期望值，则其它的响应也很可能高于它们的期望值。可以将这些空间协方差值布置在协方差矩阵中。接收机108可以计算这些空间协方差值并且可以将这些协方差值用于减轻接收信号的ISI。

图4示出了根据本发明各种实施例的可以类似于接收机108或者可以本质上与接收机108互换的接收机400。在这个实施例中，接收机400可以包括分别对应于其接收天线408的接收链404。每个接收链404可以包括对接收信号进行模拟处理的组件412和/或进行FFT的组件416。接收机400可以具有线性最小均方误差(LMMSE)检测器420，该LMMSE检测器420与接收链404耦合以进行初始误差检测计算。LMMSE检测器420可以将接收信号耦合到空间-频率解交织器424以对经交织的传输进行拆解。接收机400还可以具有涡轮解码器428。涡轮解码器428可以对已编码传输进行解码，在解码过程中考虑了由对应发射机(例如，发射机104)的互补的前端涡轮编码器引入的似然数据。

接收机400还可以包括ISI减轻器432。如图所示，该ISI减轻器432可以耦合到接收链404、LMMSE检测器420、解交织器424和解码器428中的每一个。该ISI控制器432可以包括协方差计算器436，其从接收链404接收信号并基于接收的信号计算空间协方差值。ISI控制器432还可以包括减轻器440，其以减轻接收信号中ISI的方式控制LMMSE检测器420、解交织器424和/或解码器428的操作。

图5示出了根据本发明各种实施例的ISI控制器(例如，ISI控制器432)的ISI减轻操作。方框504处，接收机400可以经由OTA链路120在多个子载波上接收信号，例如包括一个或多个训练符号的训练信号。训练符号可以是接收机400已知的符号。这些符号可以是前导符号、导频符号等。

方框508处，协方差计算器436可以接收由接收链404进行后处理的训练信号，并基于接收到的训练信号计算ISI的空间协方差值。协方差计算器436可以将空间协方差值布置为协方差矩阵以供后续操作使用。在包括下面将要进一步详细描述的实施例的各种实施例中，可以通过连续的操作来直接地近似或构造空间协方差值，这些操作包括对每个天线(或空间信道)的多个子载波上的ISI功率进行估计和/或对天线相关矩阵进行估计。

方框512处，接收机400可以接收包括一个或多个数据符号的数据通信信号。数据符号可以是具有向接收机400传送各种信息的有效负载的符号。方框516处，减轻器440可以从协方差计算器436接收计算得到的协方差值，并且可以与接收机400的各种组件合作来使用该计算得到的空间协方差值来减轻在接收的数据通信信号中的ISI。

来自不同天线的ISI可能具有空间相关性，这与公式1中的独立同分布的AWGNn(f)不同。可以如下计算ISI的空间相关性。由于ISI可能来自于每个天线(或空间信道)的前一个(或后一个)符号的一部分，所以接收到的ISI是来自所有天线(或空间信道)的部分符号的线性组合。为了简单起见，省略了公式1中的子载波索引f，通过将ISI建模为相关噪声，则接收信号可以是：

y＝H_dx+H_iz+n           公式3

其中，x和z分别是有用信号矢量和干扰信号矢量；H_d和H_i分别是用于有用信号和ISI信号的信道矩阵(或者波束成形信道矩阵)。z矢量中的每项可以是由于一个天线(或空间信道)的前一个(或后一个)符号中导致ISI的部分而产生的。H_d可能随频率变化而H_i可能大致不变。接收机可以知道H_d而不知道H_i。H_i可能是由于超出了符号循环前缀的前面的信道抽头(channel tap)引起的。该抽头可能是复高斯分布的。

一组连续的子载波上的ISI的功率电平可以表示为p_z，并且该功率电平可以根据信道训练信号来估计。可以将一些余量加入到p_z中以增强鲁棒性。例如，如果所估计的p_z是0.01毫瓦(mW)，则可以在后续的计算中使用0.02mW。p_x可以是每个天线(或空间信道)发射信号的功率并且可以在多个天线(或空间信道)之间有所不同。

可以将H_i建模为：

$H_i=R_{\mathrm{rx}}^{1/2}{H}_{\mathrm{iid}}{R}_{\mathrm{tx}}^{1/2}$                 公式4

或者

$\mathrm{vec}\left(H_i\right)=(R_{\mathrm{tx}}^{T/2}\⊗R_{\mathrm{rx}}^{1/2})\mathrm{vec}\left(H_{\mathrm{iid}}\right)$    公式5

其中H_iid中的各项可以是独立同分布(iid)的，并且是具有单位方差的循环对称复高斯随机变量；R_rx和R_tx可以分别是用于接收天线阵列和发射天线阵列的空间相关矩阵。因为可以假定这两个矩阵在一组连续的子载波之间是大致相同的，所以可以根据信道训练信号来估计这两个矩阵。有效的估计可以是仅仅分别根据接收机和发射机上的两个邻近天线的天线相关性来计算R_rx和R_tx。R_rx和R_tx可以计算为：

              公式6

以及

              公式7

其中，p_r和p_t分别是两个邻近的接收天线和发射天线之间的相关系数；以及N_r和N_i分别是接收天线和发射天线的数目。可以将相关系数定义为

${\mathrm{\ρ}}_{X_1{X}_2}=\frac{E\left[(X_1-{\mathrm{\μ}}_1){(X_2-{\mathrm{\μ}}_2)}^{*}\right]}{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_2}$                      公式8

其中，

是随机变量X₁和X₂之间的相关系数；μ₁和μ₂分别是X₁和X₂的均值；σ₁和σ₂分别是X₁和X₂的标准差；

是模小于或等于1并没有功率单位的数。R_rx的第m行第n列的项是第m个和第n个接收天线之间的相关系数，其定义为：

C_m，n＝E[(a_m-μ_m)(a_n-μ_n)^*]          公式9

其中，a_m和a_n是在接收天线m和n处对同一个发射信号的接收信号；μ_m和μ_n分别是a_m和a_n的均值；C_m，n具有功率单位。对于非视线信道而言，所有的均值μ_m都是0并且计算可以进一步简化。或者直接估计

，或者估计p_r、p_z和p_t然后对

进行近似。H_i项之间的相关性可以计算为：

$E\left[\mathrm{vec}\left(H_i\right){\mathrm{vec}}^H\left(H_i\right)\right]$

$=E\left[(R_{\mathrm{tx}}^{T/2}\⊗R_{\mathrm{rx}}^{1/2}){(R_{\mathrm{tx}}^{T/2}\⊗R_{\mathrm{rx}}^{1/2})}^H\right]$

$=E\left[(R_{\mathrm{tx}}^{T/2}\⊗R_{\mathrm{rx}}^{1/2})({\left(R_{\mathrm{tx}}^{1/2}\right)}^{*}\⊗R_{\mathrm{rx}}^{H/2})\right]$                     公式10

$=E[\left(R_{\mathrm{tx}}^{1/2}{\left(R_{\mathrm{tx}}^{1/2}\right)}^{*}\right)\⊗\left(R_{\mathrm{rx}}^{1/2}{R}_{\mathrm{rx}}^{H/2}\right)]$

$=E[(R_{\mathrm{tx}}^T\⊗R_{\mathrm{rx}})$ (如果R_tx和R_rx是厄密共轭的)

将A定义为：

A＝E[vec(H_i)vec^H(H_i)]           公式11

则可以计算协方差矩阵为：

$E{\left[H_i{H}_i^H\right]}_{m,n}=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{(k-1)N_r+m,(k-1)N_r+n}$                          公式12

其中，a_m，n可以是A的第m行第n列的项。

接收机108可以使用该协方差矩阵

来对接收信号进行ISI减轻。该ISI减轻可以根据给定实施例的特定细节以多种方式进行，该特定细节诸如是使用的接收机算法的类型，例如MMSE滤波、连续干扰消除等。

在利用MMSE滤波的实施例中，用于接收信号y的MMSE滤波器可被计算为：

$W=R_{\mathrm{xx}}{H}_d^H{(H_d{R}_{\mathrm{xx}}{H}_d^H+H_i{R}_{\mathrm{zz}}{H}_i^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}=p_x{H}_d^H{(p_x{H}_d{H}_d^H+p_z{H}_i{H}_i^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}$     公式13

其中，σ²是n中每项的AWGN功率。因为接收机108不知道瞬时的

可以在MMSE滤波中将瞬时

替换为

在一定时间范围和多个子载波上的均值，即，

然后可以将接收信号y滤波为 $\hat{x}=\mathrm{Wy}.$

图6示出了根据本发明各种实施例的受到接收机108进行连续干扰消除的传输。在该实施例中，随着每次连续的迭代，H_d矩阵的列数减少，而H_i保持不变。例如，如图6所示，在第一次迭代中H_d具有三列。在x₁携带的第一数据流被解码之后可以删除第一列，并且在第二次迭代中H_d还剩下两列。因为在连续干扰消除处理中ISI未被解码和消除，所以H_i在多次迭代中保持不变。

虽然为了对优选实施例进行描述的目的，本文已经对特定实施例进行了说明和描述，但是本领域的技术人员应当理解，在不离开本发明的范围的情况下，可以使用适合于实现相同目的的各种替代的和/或等价的实施例或实施方式来替代图示和描述的实施例。本领域的技术人员可以轻易地理解根据本发明的多个实施例可以使用广泛的各种方式来实施。本申请旨在涵盖本文讨论的多个实施例的任何调整或改变。因此，根据本发明的多个实施例清楚地仅受到权利要求和其等价范围的限制。

Claims (20)

1、一种方法，包括：

接收空间信道的多个子载波上的一个或多个训练符号；

至少部分地基于所接收的一个或多个训练符号来计算在所述多个子载波上的预定时间上的符号间干扰(ISI)的一个或多个空间协方差值；

接收一个或多个数据符号；以及

使用所计算的一个或多个空间协方差值对所接收的一个或多个数据符号进行ISI减轻。

2、如权利要求1所述的方法，其中，所述计算ISI的一个或多个空间协方差值包括：估计所述空间信道的所述多个子载波上的ISI功率。

3、如权利要求1所述的方法，其中，所接收的一个或多个训练符号包括一个或多个导频和/或前导符号。

4、如权利要求3所述的方法，其中，所接收的一个或多个训练符号由接收信号y表示，该接收信号y建模为：

y＝H_dx+H_iz+n，

其中，H_d和H_i分别是发射信号和干扰信号的信道矩阵，x是发射信号，z是干扰信号，以及n是噪声。

5、如权利要求4所述的方法，其中，H_d和H_i不同。

6、如权利要求4所述的方法，其中，所述计算一个或多个空间协方差值包括计算协方差矩阵

该协方差矩阵

建模为：

$E{\left[H_i{H}_i^H\right]}_{m,n}=\underset{k=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{(k-1)N_r+m,(k-1)N_r+n},$

其中，a_m，n是A中第m行第n列的项，其中将A定义为A＝E[vec(H_i)vec^H(H_i)]，N_t是发射天线的数目以及N_x是接收天线的数目。

7、如权利要求1所述的方法，其中，所述计算ISI的一个或多个空间协方差值还包括：

估计一个或多个发射天线的天线相关矩阵。

8、如权利要求1所述的方法，其中，所述计算ISI的一个或多个空间协方差值还包括：

估计一个或多个接收天线的天线相关矩阵。

9、一种设备，包括：

协方差计算器，其被配置为接收空间信道的多个子载波上的一个或多个训练符号，并且至少部分地基于所接收的一个或多个训练符号来计算在所述多个子载波上的预定时间上的符号间干扰(ISI)的一个或多个空间协方差值；以及

耦合到所述协方差计算器的减轻器，其被配置为使用所计算的一个或多个空间协方差值来对一个或多个数据符号进行ISI减轻。

10、如权利要求9所述的设备，其中，所述协方差计算器还被配置为：

估计所述空间信道的所述多个子载波上的ISI功率；以及

至少部分地基于所估计的ISI功率来计算所述一个或多个空间协方差值。

11、如权利要求9所述的设备，其中，所述一个或多个训练符号包括一个或多个导频和/或前导符号。

12、如权利要求9所述的设备，其中，所述协方差计算器还被配置为将所接收的一个或多个训练符号建模为接收信号y，将接收信号y建模为：

y＝H_dx+H_iz+n，

其中，H_d和H_i分别是发射信号和干扰信号的信道矩阵，x是发射信号，z是干扰信号，以及n是噪声。

13、如权利要求9所述的设备，其中，所述协方差计算器被配置为将所述一个或多个空间协方差值作为协方差矩阵来计算。

14、一种具有相关联的指令的机器可存取介质，所述指令当被存取时导致机器：

接收空间信道的多个子载波上的一个或多个训练符号；

至少部分地基于所接收的一个或多个训练符号来计算所述多个子载波上的预定时间上的符号间干扰(ISI)的一个或多个空间协方差值；

接收一个或多个数据符号；以及

使用所计算的一个或多个空间协方差值来对所接收的一个或多个数据符号进行ISI减轻。

15、如权利要求14所述的机器可存取介质，其中，当所述指令被存取时还导致所述机器：

估计所述空间信道的所述多个子载波上的ISI功率；以及

至少部分地基于所估计的ISI功率来计算ISI的所述一个或多个空间协方差值。

16、如权利要求14所述的机器可存取介质，其中，所述一个或多个训练符号包括一个或多个导频和/或前导符号。

17、如权利要求16所述的机器可存取介质，其中，当所述指令被存取时还导致所述机器：

将所述一个或多个训练符号建模为接收信号y，将接收信号y建模为：

y＝H_dx+H_iz+n，

其中，H_d和H_i分别是发射信号和干扰信号的信道矩阵，x是发射信号，z是干扰信号，以及n是噪声。

18、如权利要求17所述的机器可存取介质，其中H_d和H_i不同。

19、一种系统，包括：

多个接收天线，其被配置为经由空中通信(OTA)链路在空间信道的多个子载波上接收一个或多个训练符号和一个或多个数据符号；以及

符号间干扰(ISI)控制器，其耦合到所述多个接收天线并被配置为：

至少部分地基于所接收的一个或多个训练符号来计算在所述多个子载波上的预定时间上的ISI的一个或多个空间协方差值；以及

使用所计算的一个或多个空间协方差值来对所接收的一个或多个数据符号进行ISI减轻。

20、如权利要求19所述的系统，其中，所述ISI控制器还被配置为将所述一个或多个训练符号建模为接收信号y，将接收信号y建模为：

y＝H_dx+H_iz+n，

其中，H_d和H_i分别是发射信号和干扰信号的信道矩阵，x是发射信号，z是干扰信号，以及n是噪声。

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