CN102106162B

CN102106162B - 用于上行链路的低复杂度多基站mimo方法和设备

Info

Publication number: CN102106162B
Application number: CN200880129856.1A
Authority: CN
Inventors: 尤明礼; 朱旭东; 刘瑾
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: WO2009155729A1; CN102106162A

Abstract

一种用于通信网络中的低复杂度多基站MIMO方法，包括：确定用户设备的群集，该群集包括对用户设备进行MIMO的基站集合；处理步骤，检测用户设备的信号并抵消最强用户间干扰；以及用户群集中服务基站对来自各个基站的抵消了干扰的用户信号进行组合。一种用于通信网络中的低复杂度多基站MIMO设备。

Description

用于上行链路的低复杂度多基站MIMO方法和设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种用于上行链路的低复杂度多基站MIMO方法和设备。

背景技术

相比于LTE(长期演进)R8，在LTE-advanced(高级)系统中必须把平均谱效率和小区边沿谱效率进一步增大为2到3倍，以满足IMT-advanced(高级)系统的需求。来自3GPP中的主要公司(阿尔卡特-朗讯公司是主要领导者之一)的共同观点是，多基站MIMO(多输入多输出)技术是用于改进系统性能，尤其是边沿性能的主要候选技术之一。

利用多基站MIMO，将典型的小区间干扰转换为信号，因而可以进行信号合并以增强系统性能。然而，由于集中式联合信号处理，多站点间会引起明显的回传(backhaul)成本，即传输即时信道状态信息(CSI)和符号等信息，同时集中处理的计算复杂度也是难以接受的。实现系统性能增强和回传上的大量信令开销之间的平衡仍是一个很有挑战性的难题。

在实际系统中，每个用户与整个无线网络中各基站的无线信道不同，因此不同小区的用户甚至同一小区的用户可能有不同的协作小区群集；而不同用户间的协作小区群集可能只有一个或有限数量的基站(BS)发生交叠。这个特征没有被上行网络MIMO方案所利用，因为该方案定义基于小区的协作小区群集，该群集中的用户进行集中式信号处理；同时因为没有定义基于小区的群集间通信，相邻两个小区用户虽然有很强的同频干扰，但是因为它们属于不同的小区群集而无法进行干扰消除或抑制。这个特征部分地被下行链路协作MIMO所利用，但因为其方案限制了基站间的用户的信道信息的传递，限制了小区间用户的干扰抑制或抵消。对于上行链路，我们提出了分布式的在有公共交叠BS上对群集内跨小区或跨协作小区群集用户间的干扰抑制或抵消技术，可以有效地消除最强用户的同频干扰，提高用户到每一个协作小区群集中每个基站的信号强度。

阿尔卡特-朗讯公司已经提出了两种多基站MIMO方案，即：

■用于上行链路[1]和下行链路两者的网络MIMO

在网络MIMO中，通过多个基站(称作群集)和多个用户之间的协调把小区间干扰转换为信号组合。需要中央处理单元对被协调的多个基站中的用户进行联合检测。同时由于没有群集间通信，用户如果仅共享群集中的部分基站，它们不能在中央单元中被联合检测，因此它们间的同频干扰无法得到有效抑制。已证实，网络MIMO可以带来显著的性能增强，然而其方案复杂度很高，同时需要消耗大量的回传带宽来传输CSI和量化的接收信号。

■用于下行链路的协作MIMO[2]

在协作MIMO中，用户由多个相邻的基站联合服务，而且每一个协调基站使用SDMA技术来服务该小区内的多个用户。在协作MIMO中，由于不允许基站间传递即时CSI信令，因此不能有效地形成跨小区多用户MIMO。协作MIMO复杂度低，然而其系统性能提高并不明显。

如图1中所示，存在3个小区，组成群集C1和群集C2(为了比较，简化了群集的大小[1])。存在用户1(小区A的服务用户)以及用户2、3、4(小区B的服务用户)，用户5(小区C的服务用户)。C1由小区A和B组成，并且包括两个用户1和2。而群集2由小区B和小区C组成，并仅包括用户3、5。用户4仅属于小区B。在网络MIMO中，仅有用户1和2可以在群集C1的中央单元中被联合检测。而在上行链路协作MIMO中(把下行链路协作MIMO的概念应用于上行链路)，用户2和3或者用户3和4可以被联合检测，然而，不允许联合检测用户1和3或者用户1和4，因为用户1与用户3和4处于不同的小区中，而且在协作MIMO中禁止基站间的即时CSI信令。同时协作式MIMO中的SDMA技术不允许基站调度天线个数的用户，因此用户间的干扰消除仅仅限于可支持的用户数。

多基站MIMO是把传统蜂窝网中对相邻小区的干扰转化为有用信号，而无线信号的强度随着距离衰减很快，因此对于网络MIMO中定义的基于小区的群集其基站或小区的个数过大(例如＞＝7)，同时小区中所有用户都必须选择群集，从回传成本和信令开销来看，在实际系统中不具有可实现性。因此，针对具有合理复杂度的实际系统，应当重新定义基于用户的群集(由若干基站组成的协调区域，以实现多基站MIMO)。另外，在[1]中，群集间通信的定义没有考虑到复杂度。这对于具有大的协调区域并且将中央用户包括到群集中的网络MIMO来说不会有大的问题。然而，这种群集间通信对于新定义的具有适当复杂度的群集来说将扮演重要的角色，因而应当加以解决。

对于上行链路协作MIMO，其禁止基站间即时CSI信令传递和基于SDMA(空分多址)技术，限制了其系统性能。例如在图1中，从用户4至用户1的无线链路对小区B的强干扰是显著的，而且不能有效地由协作MIMO来抵消。

因此，需要一种新型的多基站MIMO的技术以满足其对带宽的要求较低，而且处理复杂度较低；并且能够有效地克服小区间同频干扰，提高边沿谱效率。而系统的平均谱效率可以通过单基站的单用户和多用户MIMO来提高。

参考文献：

[1]Coordinating base stations for greater uplink spectral efficiency：proportionally fair user rates，Sivarama Venkatesan，Bell-Labs，ALU，PIRMC07

[2]Collaborative MIMO based on multiple base station coordination，Yang Song，Liyu Cai，Keying Wu，Hongwei Yang，IEEE C802.16m-07/162

发明内容

本发明提出了一种用于多基站环境中，特别是用于上行链路的低复杂度MIMO方案，其中多个小区(基站)可以联合地组合来自群集中的一个或一组用户的接收信号，而无需传递该用户的瞬时信道信息(CSI)。同时，在群集中的每个小区(基站)中，可以使用自适应接收波束形成(beamforming)，例如MMSE(最小均方误差)接收机，在本地基站对来自群集中的用户和群集外但具有交叠的小区的用户联合地检测或进行干扰抑制。

本发明针对小区边沿用户，为每个用户定义具有有限个数的小区子集的动态群集，以实现多基站MIMO传输。根据用户和小区之间的长期CSI(包括路径损耗和阴影衰弱)，应当以慢速方式(如5-100ms)对包括该大小的群集以及属于该群集的用户进行更新。对于群集中的用户，需要定义多小区导频，群集内的基站也可检测针对群集中所有用户的即时CSI。这个即时CSI信息被保存在每一个基站中，而且可进一步传输到群集的中央单元或取决于是否需要进一步对群集用户进行集中联合处理。为了减少回传成本和降低处理复杂度，在下文中假定不需要通过回传来传输CSI信令。

本发明在每个基站上使用自适应接收波束形成，实现包含该基站的群集中的用户(可以基站的服务和/或非服务用户)以及该基站的服务用户的干扰抑制或干扰抵消。在自适应接收波束形成中，仅有导致最强用户间干扰的用户会被用于与目标用户的联合检测，其对于减少本地基站中的小区间和/或群集间干扰来说最有效。

本发明提出进行简单的比特级软组合(soft-combining)，作为群集中用户的接收信号合并，以减小回传成本。实践中，这具有成本效率，因为在每一个基站中，本地最强用户间干扰已被缓解，用户对群集中各个基站的信号得以加强，因而简单的比特级软组合足以有效改进系统性能。

因此，根据本发明的一个目的，提供了一种用于无线通信网络中的低复杂度多基站MIMO方法，包括在每个基站处执行的如下步骤：确定该小区所有用户设备的群集，所述群集包括对该用户设备进行多基站MIMO的基站；处理步骤，各基站检测用户设备的信号并抵消来自不同小区或不同群集的最强同频干扰；以及该用户服务基站对来自其群集中各个基站的经过干扰抵消的信号进行组合。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于通信网络中的低复杂度多基站MIMO设备，其中，所述设备包括：确定装置，用于确定用户设备的群集，所述群集包括对该用户设备进行多基站MIMO的基站集合；处理装置，用于检测用户设备的信号并进行干扰抵消；以及组合装置，对来自各个基站的干扰抵消过的信号进行组合。

根据本发明的又一方面，提供了一种包括上述设备的基站。

根据本发明的又一方面，提供了一种包括上述基站的通信系统。

附图说明

通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其他特征将会变得更加明显，其中：

图1是示出现有技术中用于上行链路的多基站MIMO方案的示意图；

图2是示出本发明的具有分布式小区间或群集间用户干扰消除或抑制然后作简单合并处理的低复杂度多基站MIMO方案的示意图；

图3是示出根据本发明的低复杂度多基站MIMO方法的主要步骤的流程图；以及

图4是示出根据本发明的低复杂度多基站MIMO设备的框图。

具体实施方式

图2是示出本发明的具有分布式小区间联合处理的低复杂度多基站MIMO方案的示意图。如图2中所示，小区A的边沿用户1和小区B的边沿用户2形成了群集C1，而小区C的用户4和小区B的用户5形成了群集C2，因为[1]中对群集的定义，这更为简单。

对于群集中的用户，应当定义用于上行链路传输的多小区导频，使群集中的基站都能检测到该用户的信道信息(CSI)，小区B也可以将用户1至小区B的CSI检测为h3和h4。小区A可以检测用户4的h7和h8。作为示例，用户1在小区A中被调度，用户3在小区B中被调度(不同于协作式MIMO，小区B也可以同时调度用户3和用户5)，而且用户4在小区C中被调度。这样，在小区A中，使用本地自适应接收波束形成来联合处理用户1与A之间的无线链路和用户4至小区A之间的无线链路，对用户1而言，可以有效消除邻小区及邻群集用户4的干扰，同样对用户4而言，在小区A可以有效消除用户1的干扰。然后，对用户1和用户4的已检测到信号的软比特信号传输至该用户对应群集C1和C2的中央处理单元以做进一步的比特级软组合，如同HARQ合并。每个用户对应群集的中央处理单元位于改用户服务小区。这对于针对用户1和小区B的服务用户3在小区B的本地自适应接收波束形成(例如MMSE)也一样。这种在每个小区本地作的自适应接收波束形成可以有效地消除两个不同族用户间的干扰(如C1中的用户1和C2中的用户4)或跨小区的干扰抑制(如A小区中用户1和B小区中的用户4，在用户1和用户4组成或不组成为MU-MIMO的情况下)，这是现有网络MIMO或协作MIMO无法做到的，它充分适用于不同用户群集间可能仅有一个或若干小区发生交叠，而在交叠的小区上做不同用户间的联合检测或干扰抑制。所提多基站MIMO方法通过抵消该用户对其群集中每个小区的无线链路上来自不同小区或不同群集中的最强的干扰用户的同频干扰，然后作群集内小区信号合并，接收非常有助于提高系统性能。

利用调度方法(分布式迭代多小区调度或并行分布式调度等)，所提出的传输和检测可以用作调度器的先验知识，或仅用作链路自适应的先验知识。在这两种选择中，图2的方案可以有效地提高系统谱效率，特别是提高边沿用户的谱效率。

下文参考图3描述本发明的低复杂度多基站MIMO方法的主要步骤。这里，给出与所提出的方法的一些细节，并给出一个例子以分析该方法的潜在性能改进。

图3中的方法从S300开始，然后动态地定义基于每个用户的群集，该群集包括需要在蜂窝网络中针对该用户进行协作的小区的集合，以用于多基站MIMO传输。群集的定义基于包括路径损耗和阴影衰弱的长期信道状态信息(CSI)。具体地，在S302，定义用于所有用户构造群集的阈值PLD_threshold。在S304，针对每一个用户i，初始化群集i，其包括针对用户设备i的服务小区的集合。在S306，对群集进行调整，找出相邻小区，即与用户i的服务小区以及非服务小区之间的路径损耗(包括阴影衰弱)的差小于阈值PLD_threshold，然后通过加入非服务小区来更新群集i；否则，如果没有找到合适的相邻小区，则不进行更新，或者在用户设备发生移动使得服务小区和非服务小区发生变化时，移除非服务小区，用该用户的新的服务小区来更新群集i。需要额外提及，可能需要对群集进行重新组织，即如果多个用户属于同一群集(含义是其子集小区都相同，不仅仅是部分交叠)，则将多个用户中每一个用户的群集归并为用于所述多个用户的仅一个群集，这样可以更好地调度，形成多基站多用户MIMO。另外，慢速地(如以5-100ms中任意时间为周期)更新每一个用户的群集。

在S308，对于群集中的用户，定义用于上行链路传输的多小区导频。然后在S310识别可检测的干扰用户(可以跨小区或群集)，在S312中执行联合检测或干扰抑制。以上文结合图2所述作为示例，用户1在小区A中调度，用户3在小区B中调度，而且用户4在小区C中调度。在小区A中使用本地自适应接收波束形成来联合处理用户1与A之间的无线链路和用户4至小区A之间的无线链路。然后，在S312基站A检测用户1时对最强干扰用户如用户4进行干扰抑制，而在检测用户4是可以对用户1或另一个用户进行干扰抑制。然后，在步骤314，对已检测信号的软比特信息传输至群集的中央处理单元，以做进一步的比特级软组合。

下面给出一个例子来阐述本发明的低复杂度多基站MIMO与现有的网络MIMO之间的对比。

假设用户1和用户3在小区A和B中被调度。每一个小区仅具有2个接收天线，而且所有用户仅具有1个Tx天线。因此，MMSE接收机性能相当于具有每一个信道的SINR(信号与干扰和噪声之比)之和的等效SINR的MRC(最大比合并)接收机。

1)如果以集中式联合处理来应用网络MIMO，则

使用具有小区A和B的群集1处的线性MMSE，对用户1进行集中式处理，其等效SINR_user1＝|h1|²+|h2|²+|h3|²+|h4|²，并且把用户3作为白干扰(whiteinterferer)；

利用MMSE检测小区B中的用户3，把用户1作为白干扰，其等效的SINR_user3＝|h5|²+|h6|²。

2)利用本发明提出的方案：

首先在小区A中利用MMSE检测用户1的位置，其等效SINR是：SINR_user1＝|h1|²+|h2|²；

然后利用MMSE在小区B中联合检测用户1和用户3；

这样，用户1在小区B中的等效SINR是：SINR_user1＞|h3|²+|h4|²，因为其抵消了用户3的干扰；

用户3在小区B中的等效SINR是：SINR_user3＞|h5|²+|h6|²，因为其抵消了用户1的干扰；

另外，可以像HARQ那样在比特级对用户1的两个信号进行软合并。

可以看出，最终的用户1的等效SINR是：SINR_user1＞|h1|²+|h2|²+|h3|²+|h4|²，且SINR_user3＞|h5|²+|h6|²。

图4是示出根据本发明的低复杂度多基站MIMO设备的框图。如图所示，低复杂度多基站MIMO设备400包括确定装置402、处理装置404和组合装置406。其中，确定装置402用于确定用户设备的群集，该群集包括对该用户设备进行多基站MIMO的基站。优选地，确定装置402包括：初始化模块，用于将用户设备的群集初始化为包括该用户设备的服务基站；变更模块，用于根据预定规则来变更群集；以及更新模块，定期地更新用户设备的群集。优选地，变更模块包括：阈值发生子模块，产生用于每个用户设备的阈值；计算子模块，计算用户设备到服务基站与用户设备到非服务基站之间的路径损耗的差；以及更替子模块，在所计算的差小于所述阈值的情况下，把所述非服务基站加入该用户设备的群集。

处理装置404用于检测用户设备的信号并抵消最强用户间干扰。优选地，可以采用本地自适应接收波束形成装置，例如线性最小均方误差接收机或非线性干扰抵消接收机。组合装置406对来自各个基站的抵消了干扰的信号进行组合。例如，该组合装置可以包括比特级软组合装置。

综上所述，本发明提出了一种具有多基站协作的低复杂度多站点MIMO，仅用于边沿用户(由上文的路径损耗的差来限定)，其显著地降低了导频数量、回传成本和调度开销等。另外，本发明提出了一种分布式本地自适应接收波束形成，以实现小区间或群集间用户间的干扰抵消，这能够提供更具有鲁棒性的无线链路。本发明还提出了一种用户信号跨小区(群集)的软组合，以实现具有低回传成本和低计算复杂度的多基站MIMO传输，例如2*4MIMO被分解为2个1*2MIMO矩阵计算，但是每个1x2MIMO中有效地消除了本地最强干扰。这种每一个基站中的本地联合小区间或群集间用户间抵消可以补偿由于集中式多基站处理造成的性能损失。因此，与上行链路的网络MIMO相比，本发明利用低得多的复杂度实现了差不多的性能。

尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims

1.一种用于通信网络中的低复杂度多基站MIMO方法，包括在每个基站处执行的如下步骤：

确定用户设备的群集，所述群集包括对所述用户设备进行多基站MIMO的基站集合，其中所述群集的定义基于包括路径损耗和阴影衰弱的长期信道状态信息；

处理步骤，检测用户设备的信号并抵消最强用户间干扰；以及

用户群集中服务基站对来自各个基站的抵消了干扰的用户信号进行组合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定群集的步骤包括如下子步骤：

将用户设备的群集初始化为包括所述用户设备的服务基站；

根据预定规则来变更群集；以及

定期地更新用户设备的群集。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定群集的步骤还包括：

在多个用户设备具有相同的群集时，将所述多个用户设备中每一个用户设备的群集归并为用于所述多个用户设备的仅一个群集。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述变更步骤包括：

定义用于每个用户设备的阈值；

计算用户设备到服务基站与用户设备到非服务基站之间的路径损耗的差；以及

如果所计算的差小于所述阈值，则将所述非服务基站加入所述用户设备的群集。

5.根据权利要求2所述的方法，其中执行所述更新步骤的周期为5ms至100ms中的任意值。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述变更步骤还包括：

当由于用户设备的移动使其服务基站变为非服务基站时，从所述用户设备的群集中移除所述非服务基站，同时将其新服务基站加入到其群集中。

7.根据权利要求1所述的方法，其中利用本地自适应接收波束形成来执行所述处理步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述本地自适应接收波束形成包括线性最小均方误差或非线性干扰抵消接收。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合步骤包括：

对来自各个基站的抵消了干扰的信号进行比特级软组合。

10.一种用于通信网络中的低复杂度多基站MIMO设备，其中所述设备包括：

确定装置，用于确定用户设备的群集，所述群集包括对所述用户设备进行多基站MIMO的基站，其中所述群集的定义基于包括路径损耗和阴影衰弱的长期信道状态信息；

处理装置，用于检测用户设备的信号并抵消最强用户间干扰；以及

组合装置，对来自各个基站的抵消了干扰的信号进行组合。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述处理装置包括本地自适应接收波束形成装置。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述本地自适应接收波束形成装置包括线性最小均方误差接收机或非线性干扰抵消接收机。

13.根据权利要求10所述的设备，其中所述确定装置包括：

初始化模块，用于将用户设备的群集初始化为包括所述用户设备的服务基站；

变更模块，用于根据预定规则来变更群集；以及

更新模块，定期地更新用户设备的群集。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述变更模块包括：

阈值发生子模块，产生用于每个用户设备的阈值；

计算子模块，计算用户设备到服务基站与用户设备到非服务基站之间的路径损耗的差；以及

更替子模块，在所计算的差小于所述阈值的情况下，将所述非服务基站加入所述用户设备的群集。

15.根据权利要求10所述的设备，其中所述组合装置包括比特级软组合装置。

16.一种基站，包括根据权利要求10至15中任意一项所述的设备。

17.一种通信系统，包括根据权利要求16所述的基站。