背景技术
作为IEEE802.16e和3GPPLTE向IMT-advanced系统的演进标准,IEEE802.16m和3GPP LTE+目标在于取得更高的平均用户吞吐率、小区边缘用户吞吐率和扇区吞吐率等。多用户MIMO(MU-MIMO)是演进过程中的重要障碍。众所周知,空分多址(SDMA)技术可以用于系统容量的提高,其中单个基站(BS)通过预编码技术在相同的时频资源上将多个数据流发送给多个用户,使得每个用户不受来自其他用户的干扰。但是,相比于单用户MIMO(SU-MIMO),MU-MMIMO在诸如低频重用之类的干扰受限制环境中并不能取得明显的性能增益,这是因为严重的小区间干扰(ICI)而造成的。在IEEE802.16m和3GPP LTE+中,小区间干扰同样是期待解决的技术问题。
为了解决小区间干扰问题,已经提出了一些方案,例如ICI知晓(ICI-aware)功率控制,灵活频率重用,宏分集,在接收侧进行干扰消除的ICI随机化技术等等。这些技术可以在MU-MIMO之上使用,用来提高在干扰受限制的情况下提高性能增益。虽然这些技术能够提高小区边缘用户吞吐率,但是无论是在系统频谱效率方面还是接收机复杂度方面带来的成本都是非常高的。从系统容量的角度来看,无论使用何种技术在接收机侧消除干扰,未遭受干扰的系统总是比那些遭受了干扰的系统具有较高的容量。
现有技术之一是SU-MIMO通信系统。如图1所示,在SU-MIMO通信系统中,每个基站BS1和BS2分别向其小区覆盖范围中的单个移动站MS1和MS2提供数据流,但是相邻的基站发射会导致ICI,也就是除了真正有用的数据流之外还产生干扰流。
在SU-MIMO通信系统中,每个基站向单个移动站(BS)提供服务。每个基站BS1和BS2根据从它自身到所服务的移动站MS1和MS2之间的信道矩阵,按照预定的标准计算加权矩阵,然后在被发送到无线电信道之前用加权矩阵对数据符号进行加权操作。在SU-MIMO通信系统中,在基站BS1和基站BS2之间没有数据流和信道信息交换操作,因此它们之间并不进行任何协同工作。如上所述,SU-MIMO通信系统的系统性能受ICI的限制,例如小区边缘用户吞吐率比较低等。
现有技术之二是MU-MIMO通信系统。如图2所示,在MU-MIMO通信系统中,每个基站BS1和BS2分别向其覆盖区域之内的多个移动站MS1a、MS1b和MS2a、MS2b发送数据流,相邻的基站发射同样会导致ICI,也就是除了产生有用的数据流之外,还产生了干扰流。
在MU-MIMO通信系统中,每个基站向多个移动站提供服务。每个基站基于从其自身到其服务的多个用户之间的信道矩阵,按照诸如迫零(ZF)、分块对角化(BD)、最大特征值传输(MET)之类的预定标准计算加权矩阵,以便最大化多用户系统容量,使得每个移动站的信号远离其他用户,然后在发送到无线电信道之前对数据符号进行加权。另外,在MU-MIMO通信系统中,终端需要估计从基站到其自身的信道矩阵,然后将其反馈给该基站。在MU-MIMO通信系统中,在基站BS1和基站BS2之间不存在数据流和信道信息交换操作,但是系统容量同样受ICI限制。
现有技术之三是网络MIMO(NET-MIMO)通信系统。如图3所示,在NET-MIMO通信系统中,在多个基站BS1和BS2之间进行联合多用户预编码操作,使得基站的所有用户的信号彼此正交。
在NET-MIMO通信系统中,多个基站BS1和BS2联合向多个移动站MS1和MS2提供服务。每个基站基于从所有基站到其服务的所有移动站之间的信道矩阵,按照预定的标准计算加权矩阵,以便最大化多用户信道容量,然后在发送到无线电信道之间对数据符号进行加权操作。在NET-MIMO通信系统中,终端需要估计从向其提供服务的所有基站到该终端之间的信道矩阵,然后将估计的信道矩阵反馈给相应的基站。如上所述,在NET-MIMO通信系统中,需要在基站之间交换所有的数据和所有的信道信息,使得这些数据和信道信息能够为每个基站得到,这造成了对主干网带宽的明显需求。在NET-MIMO通信系统中,由于ICI被消除,大大提高了系统的容量,但是带来的问题是需要明显消耗主干网络的带宽,以便在各个基站之间传送数据和信道信息。另外,每个移动站要估计所有相关的信道矩阵,使得接收端的计算量非常大。
现有技术之四是协同MIMO(CO-MIMO)通信系统。如图4所示,在CO-MIMO通信系统中,单个基站BS1或BS2向多个移动站MS1和MS2提供服务,并且单个移动站由多个基站提供服务。与NET-MIMO通信系统的一个区别在于每个基站将独立地进行预编码。
如上所述,在CO-MIMO通信系统中,每个基站向多个移动站提供服务,每个移动站由多个基站提供服务。另外,每个基站基于从其自身到所有服务的移动站的信道矩阵,按照预定的标准计算加权矩阵,从而最大化多用户信道容量,然后在发送到无线电信道之前对数据符号进行加权操作。在CO-MIMO通信系统中,终端需要估计从向其提供服务的所有基站到该终端的信道矩阵,然后将信道矩阵反馈给相应的基站。另外,在CO-MIMO通信系统中,在基站之间不存在数据和信道信息的交换操作,因此对主干带宽没有需求。
在CO-MIMO通信系统中,ICI得到了部分的消除,从而提高了系统性能。但是,同时由于调度算法和每个移动站到向其提供服务的各个基站之间的路径上的功率的不平衡,造成了系统性能的损害。因此,CO-MIMO通信系统仅仅适用于在小区边缘的用户提高小区边缘用户吞吐率。
总之,上述的现有技术或者是因为ICI的缘故而导致系统增益较低,或者是需要通过主干网在基站之间传送大量的数据和信道信息,造成了运营成本的增加,或者是复杂的多用户调度和功率不平衡造成系统性能的降低。
发明内容
本发明的目的是提出一种MIMO通信系统及其方法,它基于多基站辅助信道测量和调度,使用多用户预编码来消除ICI,因此提高了系统频谱效率,降低了对主干网带宽的需要,消除了路径功率不平衡造成的影响,并提高了小区边缘用户的吞吐率。
在本申请中提出了一种方案,目的在于提高ICI消除能力,降低基站协调复杂度和提高系统性能。在本发明的方案中,单个基站根据基站调度结果向单个或者多个移动站提供服务,同时每个移动站仅仅由单个基站提供服务。在每个基站进行多用户预编码操作,从而消除对相邻基站的用户的干扰。在本申请中,将所提出的方案称为‘干扰零化CO-MIMO(CO-MIMO-IN)’。
在本发明的一个方面,提出了一种MIMO通信系统,包括多个基站和多个移动站,其中每个基站向一个或者更多个移动站提供服务,并且每个移动站仅仅由一个基站提供服务,每个移动站都包括:信道估计单元,用于估计从向其提供服务的基站以及相邻的基站到该移动站的信道矩阵,其中所述信道矩阵被反馈到向其提供服务的基站和相邻的基站,每个基站都包括:加权矩阵计算单元,用于基于从移动站反馈的信道矩阵用多用户预编码算法计算加权矩阵;以及加权单元,用于利用加权矩阵对要发射的数据符号进行加权运算。
在本发明的另一方面,提出了一种MIMO通信系统,包括多个基站和多个移动站,其中每个基站向一个或者更多个移动站提供服务,并且每个移动站仅仅由一个基站提供服务,每个移动站都包括:参考信号发送单元,用于将参考信号发送给向其提供服务的基站以及相邻的基站,每个基站都包括:信道矩阵估计单元,用于基于参考信号发送单元所发送的参考信号,利用上下行信道的对称性估计相应的信道矩阵;加权矩阵计算单元,用于基于估计的信道矩阵用多用户预编码算法计算加权矩阵;以及加权单元,用于利用加权矩阵对要发射的数据符号进行加权运算。
在本发明的再一方面,提出了一种用于MIMO通信系统的方法,所述MIMO通信系统包括多个基站和多个移动站,其中每个基站向一个或者更多个移动站提供服务,并且每个移动站仅仅由一个基站提供服务,所述方法包括步骤:在每个移动站估计从向其提供服务的基站以及相邻的基站到该移动站的信道矩阵,其中所述信道矩阵被反馈到向其提供服务的基站和相邻的基站,基于从移动站反馈的信道矩阵用多用户预编码算法计算加权矩阵;以及利用加权矩阵对要发射的数据符号进行加权运算。
在本发明的又一方面,提出了一种用于MIMO通信系统的方法,所述MIMO通信系统包括多个基站和多个移动站,其中每个基站向一个或者更多个移动站提供服务,并且每个移动站仅仅由一个基站提供服务,在每个移动站将参考信号发送给向其提供服务的基站以及相邻的基站,基于所发送的参考信号,利用上下行信道的对称性估计相应的信道矩阵;基于估计的信道矩阵用多用户预编码算法计算加权矩阵;以及利用加权矩阵对要发射的数据符号进行加权运算。
利用本发明实施例的通信系统和方法,能够有效避免小区间干扰,相比于传统的单天线系统,本发明的方案能够允许传统的SU-MIMO和MU-MIMO获得充分的性能增益。
另外,相比于NET-MIMO,本发明实施例的方案大大降低了对基站间协调能力的需求,因此降低了对主干网带宽的需求。
另外,相比于NET-MIMO和CO-MIMO,本发明实施例的方案并不需要复杂的基站间调度,因此对于应用环境更具有鲁棒性。
另外,相比于CO-MIMO,本发明实施例的方案对于路径功率不平衡更为鲁棒,因此可以应用于小区中心的用户和小区边缘的用户,从而提高了平均系统容量和小区边缘用户的吞吐率。
具体实施方式
下面对照附图来说明根据本发明各个实施例的通信系统及其方法。
图5示出了根据本发明实施例的CO-MIMO-IN通信系统的示意图。如图5所示,在CO-MIMO-IN通信系统中,每个基站BS1和BS2向单个或者多个移动站MS1和MS2提供服务,并且每个移动站MS1和MS2仅仅由单个基站BS1或BS2提供服务。由于基站不需要向相邻的基站的用户提供服务,大大降低了调度复杂度,并且消除了路径功率不平衡带来的影响。
在根据本发明实施例的通信系统中,例如每个基站BS1基于从其自身到所服务的移动站MS1以及相关的移动站MS2之间的信道矩阵,按照预定的标准计算加权矩阵,以便在消除相关移动站MS2的干扰的同时最大化多用户信道容量,然后在发送到无线电信道之前对数据符号进行加权操作。
在本发明实施例的通信系统中,每个移动站MS1和MS2需要估计从提供服务的基站和干扰基站二者到其自身之间的信道矩阵,然后将其反馈给相应的基站BS1和BS2。另外,在基站BS1和BS2之间不进行数据和信道信息的交换,因此消除了对骨干网带宽的需要。由于在基站侧的预编码中就考虑到了相关联的移动站的干扰,因此能够消除小区间干扰。
根据本发明的实施例,由于单个移动站仅仅由一个基站来提供服务,所以能够有效对抗功率不平衡和调度复杂度,同时对演进中的标准的改动最小,整体的小区吞吐率的改进完全超过了未使用宏分集所引起的性能降低。
下面给出根据本发明实施例的通信系统的实例。如图6所示,根据本发明实施例的通信系统包括至少一个基站和至少一个移动站,每个基站向一个或者多个移动站提供服务,而每个移动站仅仅由单个基站提供服务。
根据该实施例,蜂窝系统中有两个扇区,其中在每个扇区中有一个移动站。每个基站有四根发射天线,并且向具有两根接收天线的单个移动站提供服务。每个移动站所接收的数据流的数目是二,等于接收天线的数目。自然,上述的配置可以扩展到其他数目的基站和移动站以及另外的天线配置。
如图6所示,基站BS1包括加权矩阵计算单元10、加权单元(未示出)和发送单元(未示出)。类似,基站BS2包括加权矩阵计算单元20,加权单元(未示出)和发送单元(未示出)。
移动站MS1包括信道估计单元30和解调单元40,而移动站MS2包括信道估计单元50和解调单元60。下面对照附图6对本发明示例的通信系统的结构和操作过程进行详细说明。
在下面的描述中将使用如下变量:
1)sm(m=1,2):要发送给第m个移动站的数据符号矢量;
2)xm(m=1,...,4):要发送给第m个移动站的协方差为PI的预编码符号矢量,其中P是每根天线的发射功率;
3)Hmn:从第n个基站到其所服务的第m个移动站的信道矩阵;
4)nm:第m个移动站的方差为σ2I的加性白噪声矢量;
5)Ym:第m个移动站所接收的符号矢量;
6)Wmn:第n个基站的用于第m个移动站的归一化预编码矩阵。
根据本发明实施例的通信系统的操作过程如下:
1)对于移动站MS1,信道估计单元30例如基于导频估计基站BS1和BS2到移动站BS1的信道矩阵H11和H12,然后例如以基于码本(codebook)的方法直接通过上行链路将信道矩阵H11反馈到基站BS1,信道矩阵将H12反馈到基站BS2。作为另一选择,也可以将信道矩阵H1,2反馈给基站BS1,然后要求基站BS1通过基站间信道交换方式将信道矩阵通知给基站BS2。
2)对于MS2,信道估计单元50估计基站BS1和BS2到移动站MS2的信道矩阵H21和H22,然后通过以如上相同的方式将信道矩阵H21反馈给基站BS1,将信道矩阵H22反馈给基站BS2。作为另一选择,也可以将信道矩阵H22反馈个基站BS1,然后要求基站BS1通过基站间信道交换方式将信道矩阵通知给基站BS2。
3)在基站BS1,加权矩阵计算单元10基于获得的信道矩阵H11andH21,将诸如BD,ZF,MET之类的多用户预编码算法应用于信道矩阵 ,获得加权矩阵[W11 W12],然后加权单元用获得的加
权矩阵对要发射的数据符号进行加权运算得到x1=W11·s1并且H21·W11=0,接下来发送单元通过发射天线发送经过加权后的数据符号;
4)类似地,在基站BS2,加权矩阵计算单元20基于获得的信道矩阵H12和H22,将多用户预编码算法用于信道矩阵 ,获得加权矩阵[W21 W22],然后加权单元用获得的加权矩阵对要发射的数据符号进行加权运算得到x2=W22·s2并且H12·W22=0,接下来发送单元通过发射天线发送经过加权的数据符号;
5)这样,在移动站MS1接收的符号矢量 由于H12·W22=0,则y1=H11·W11·s1+n1,消除了ICI;
6)类似地,在移动站MS2接收的符号矢量 由于H21·W11=0,则y1=H11·W11·s1+n1,消除了ICI。
根据本发明的实施例,解调单元40和60可以利用最大相似度检测器或者MMSE检测器将接收的消除了ICI的信号矢量解调为针对移动站MS1的s1和针对移动站MS2的s2。
下面说明根据本发明实施例的通信系统和方法的仿真结果。在仿真过程中,采用如下配置:
1)小区布置:两个扇区,每个扇区一个基站
2)考虑到的MIMO方案:SU-MIMO,MU-MIMO,Co-MIMO,Net-MIMO,and Co-MIMO-IN
3)天线配置
a)情形1:每个移动站具有两根发射天线,每个移动站具有一根接收天线。在这种情形下,CO-MIMO通信系统执行MU-MIMO预编码,以便在每个基站为两个移动站提供服务,然后以宏分集的形式将数据从每个基站发送到目的移动站
b)情形2:每个基站具有四根发射天线,每各移动站具有两根接收天线
4)对信号信道和干扰信道都采用空间独立的平坦瑞利衰落信道
5)每个移动站的总发射功率是固定的,并且被发射的数据流均分
6)多用户预编码算法采用分块对角化(BD)
7)SIR:长期发射信号对干扰功率比
8)SNR:长期发射信号对造成功率比
9)Δ:功率不平衡因子,它等于每个无线电路径上的功率与其他无线电路径上的功率之比;
10)性能度量:每个移动站的总容量
11)未考虑调度增益
【情形1】
图7示出了情形1下根据本发明实施例的通信系统与现有技术之间的性能增益比较。从图7中可以看出,在干扰受限制的情况下,例如SIR为0时,SU-MIMO和MU-MIMO的性能受到很大的限制,并且出现了容量平台(capacity floor),这意味着增加发射功率对于系统的容量而言不起作用。比较而言,NET-MIMO,CO-MIMO和CO-MIMO-IN由于有效的消除了ICI,所以可以获得更高的系统容量。与NET-MIMO相比,CO-MIMO和CO-MIMO-IN有大约20%的容量增益。但是NET-MIMO的高实现复杂度导致容量增益比较低。与现有的CO-MIMO相比,本发明实施例的CO-MIMO-IN通信系统虽然因为宏分集而丧失了10%的系统容量,但是由于消除了功率不平衡造成的不利影响,所以CO-MIMO-IN通信系统还是可以获得与CO-MIMO类似的性能,如图所示。
【情形2】
图9和图10示出了根据本发明实施例的通信系统与现有技术在情形1下的仿真结果比较。从图9中可以看出,天线数目的增加有利于SU-MIMO和MU-MIMO的容量的增加,但是它们的性能仍旧受ICI所限制。NET-MIMO,CO-MIMO和CO-MIMO-IN同样能够获得较高的容量增益,NET-MIMO,CO-MIMO和CO-MIMO-IN的容量间隙略有增大。但是,由于路径功率不平衡而给CO-MIMO所带来的不利影响同样增加,从图10中可以看出,CO-MIMO-IN比CO-MIMO的容量高出了15%。
根据本发明实施例的通信系统能够获得如下优点:
1)有效避免小区间干扰,相比于传统的单天线系统,本发明的方案能够允许传统的SU-MIMO和MU-MIMO获得充分的性能增益;
2)相比于NET-MIMO,本发明实施例的方案大大降低了对基站间协调能力的需求,因此降低了对主干网带宽的需求;
3)相比于NET-MIMO和CO-MIMO,本发明并不需要复杂的基站间调度,因此对于应用环境更具有鲁棒性;
4)相比于CO-MIMO,本发明的方案对于路径功率不平衡更为鲁棒,因此可以应用于小区中心的用户和小区边缘的用户,从而提高了平均系统容量和小区边缘用户的吞吐率。
【变型】
以上描述的是信道估计操作在移动站端进行的情况。实际上,信道估计可以在基站端进行。在这种情况下,需要移动站包括一个参考信号发送单元,它能够向基站发送参考信号(例如sounding),然后由设置在基站端的信道估计单元,基于该参考信号估计从该移动站到该基站的信道矩阵,同时利用上下行信道的对称性,将该上行信道矩阵作为从该基站到该移动站的下行信道矩阵。然后,加权矩阵计算单元和加权单元按照如上所述的方法计算加权矩阵,并且在被发送到无线电信道之前对该要发送的数据符号进行加权操作。
以上所虽然以功能模块的形式描述了本发明实施例的通信系统的构成及其功能,但是这并不意味着将本发明限定于上述的形式。本领域的普通技术人员能够将其中的一个或者多个模块进行组合,或者将其中的一个模块的功能分别在两个或者更多个模块中实现。
另外,上述的通信系统中的功能模块可以由软件来实现,也可以由硬件来实现,或者由软件和硬件一起来实现。
可以对上述的内容进行各种具体的实施或者改变而不偏离本发明的实质和精髓。上述的实施例意欲例证本发明,而非想要限制本发明的范围。本发明的范围由所附的权利要求而非实施例来限定。在权利要求范围内和本发明权利要求的意义和等同范围内进行的各种修改被视为在本发明的范围之中。