CN102859902B - 多天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在作为无线通信系统的传送器与接收器之间的通信信道的一部分的多天线装置中的自干扰抑制的方法。通信系统使用多天线装置，多天线装置位于传送器与接收器之间，并且使用天线和中继器单元将信号从传送器转发到接收器。通信信道具有由传送信道矩阵定义的在传送器与多天线装置之间的传送信道、由接收信道矩阵定义的在多天线装置与接收器之间的接收信道及在多天线装置的输出与输入侧之间的自干扰信道。自干扰信道由自干扰信道矩阵定义，其中，方法包括以下步骤：●为多天线装置配备至少三个天线；以及●通过使用在天线与中继器单元之间插入的至少一个滤波矩阵布置，抑制自干扰信道。本发明也提供在包括多天线装置的无线通信系统中用于作为通信信道的一部分的多天线装置中自干扰抑制的节点。

Description

多天线装置

技术领域

本发明涉及在传送器与接收器之间操作的旨在接收、可能增强和转发信号的多天线中继器领域。

背景技术

中继器在传送器与接收器之间使用，否则，在接收器的接收信号将太弱。在提及术语中继器时，它能够是有时称为转发器的放大及转发(AF)中继器，或者它能够是解码及转发(DF)中继器。在文献中，我们也能够发现带有在AF与DF之间功能性的中继器，并且一个此类示例是估计及转发(EF)中继器。

中继器有关的已知问题是在中继器的输出与输入之间差的隔离造成的自干扰。自干扰将严重限制中继器的性能。例如，AF中继器的放大增益和DF中继器的检测性能均受隔离限制。为使中继器适当地达到其目的，即增大端对端(E2E)性能，解决隔离问题是重要的。

用于中继器自干扰减轻的现有技术例如包括：

●半双工操作，时分双工(TDD)或频分双工(FDD)，以及

●正交接收和传送天线极化。

消除自干扰的一种方式是在半双工模式中操作中继器。也就是说，中继器不在相同时间接收和传送，TDD或不在相同频率接收和传送，FDD，并且因此在输入与输出之间具有无限隔离。然而，半双工操作带来了通常50%的容量损失。此巨大容量损失是不可接受的，因此，需要用于增大隔离的其它解决方案。用于频率上中继器（on-frequencyrelay）（频率上操作意味着中继器在相同频率上接收和转发）的一个此类解决方案是在接收和传送侧使用诸如正交极化的天线技术。然而，由于用户设备(UE)的极化极可能未知，因此，可能最好是通过两个正交极化传送转发的信号以便防止在中继器与UE之间的极化失配。因此，可能不想为降低自干扰而牺牲极化之一。

因此，需要抑制在中继器的输出与输入之间的自干扰而无上述半双工操作的容量降低或使用正交极化的缺陷。

发明内容

本发明的目的是减少现有技术解决方案有关的至少一些提及的缺点，并且提供：

●用于自干扰抑制和信道保护的方法，以及

●在无线通信网络中在传送器与接收器之间的节点

以解决抑制在诸如中继器等多天线装置的输出与输入之间的自干扰的问题，而无上述容量降低或使用正交极化的缺陷。

通过提供一种用于在作为无线通信系统的传送器与接收器之间的通信信道的一部分的多天线装置中的自干扰抑制的方法，实现了该目的。通信系统使用多天线装置，多天线装置位于传送器与接收器之间，并且使用天线和中继器单元将信号从传送器转发到接收器。通信信道具有由传送信道矩阵定义的在传送器与多天线装置之间的传送信道、由接收信道矩阵定义的在多天线装置与接收器之间的接收信道及在多天线装置的输出与输入侧之间的自干扰信道。自干扰抑制由自干扰信道矩阵定义，其中，方法包括以下步骤：

●为多天线装置配备至少三个天线，其中，至少一个天线是位于面向传送信道的输入侧的输入天线，以及至少一个天线是位于面向接收信道的输出侧的输出天线；以及

●通过在具有至少两个天线的多天线装置的一侧使用在天线与中继器单元之间插入的至少一个滤波矩阵布置，抑制自干扰信道，每个所述滤波矩阵布置由滤波矩阵定义，所述滤波矩阵布置通过选择与要对消的自干扰信道的至少一个本征模正交的滤波矩阵的列，对消自干扰信道的所述至少一个本征模。

还通过提供在无线通信系统中包括用于在作为无线通信系统的传送器与接收器之间的通信信道的一部分的多天线装置中自干扰抑制的多天线装置的节点，实现了该目的。通信系统包括多天线装置，多天线装置位于传送器与接收器之间，并且包括天线和中继器单元将信号从传送器转发到接收器。通信信道包括由传送信道矩阵定义的在传送器与多天线装置之间的传送信道、由接收信道矩阵定义的在多天线装置与接收器之间的接收信道及在多天线装置的输出与输入侧之间的自干扰信道。自干扰抑制由自干扰信道矩阵定义，其中：

●多天线装置包括至少三个天线，其中，至少一个天线是位于面向传送信道的输入侧的输入天线，以及至少一个天线是位于面向接收信道的输出侧的输出天线；以及

●在包括至少两个天线的多天线装置的一侧在天线与中继器单元之间插入至少一个滤波矩阵布置，每个所述滤波矩阵布置由滤波矩阵定义，所述滤波矩阵布置设置成通过滤波矩阵的列设置成与要对消的自干扰信道的至少一个本征模正交，对消自干扰信道的所述至少一个本征模。

在本发明的方法的一个示例中，传送信道矩阵、接收信道矩阵和自干扰矩阵在信道更新模块中更新。

在本发明的方法的一个示例中，对自干扰矩阵执行分解，在多个本征模中划分自干扰矩阵，以及其中所述滤波矩阵由与要对消的自干扰信道的所述至少一个本征模正交的向量构成。

在本发明的方法的一个示例中，分解通过多天线装置对自干扰信道矩阵(H₀)执行奇异值分解SVD来完成。自干扰信道矩阵(H₀)的SVD由以下式子给出：

其中，U₀是酉矩阵，N₁是输入天线的数量，包含左奇异向量。S₀是对角矩阵，N₂是输出天线的数量，包含沿其主对角降序的奇异值。V₀是酉矩阵，包含右奇异向量，以及V₀ ^H是V₀的复共轭转置。

在本发明的方法的一个示例中，使用了两个滤波矩阵。通过对消某个本征模的自干扰抑制借助于满足选择准则的滤波矩阵布置进行，以便最小化传送信道和/或接收信道的一个或几个主导本征模的损失风险。

在本发明的方法的一个示例中，选择准则是功率损失准则，其中，比较通过应用接收滤波矩阵布置以对消某个本征模而在传送信道中损失的功率量和通过应用传送滤波矩阵布置以对消相同的某个本征模而在接收信道中损失的功率，并且选择给出最低功率损失的滤波矩阵布置。

在本发明的方法的一个示例中，接收滤波矩阵布置和传送滤波矩阵布置对消自干扰信道的不同本征模。

在本发明的节点的一个示例中，滤波矩阵布置具有天线侧和中继器侧，天线侧具有到位于多天线装置的侧之一的每个天线的分开连接，并且中继器侧具有到中继器单元的连接。

在本发明的节点的一个示例中，无线通信系统是正交频分复用OFDM系统。

在本发明的节点的一个示例中，使用两个滤波矩阵布置，由接收滤波矩阵W_r定义的滤波矩阵布置和由传送滤波矩阵W_t定义的传送滤波矩阵布置。在接收滤波矩阵布置的天线侧的输入端连接到输入天线，以及在中继器侧的输出端连接到中继器单元。在传送滤波矩阵布置的中继器侧的输入端连接到中继器单元，并且在天线侧的输出端连接到输出天线。用于传送滤波矩阵和接收滤波矩阵的布置能够是分开的单元或者完全或部分与中继器单元集成。

在本发明的节点的一个示例中，接收和/或传送滤波矩阵布置包括设置成将接收信号馈送到处理器模块的输入端口和设置成输送来自接收和/或传送滤波矩阵布置的输出的输出端口。处理器模块包括：

●分解软件，设置成执行自干扰信道的分解，在多个本征模中划分自干扰矩阵，所述滤波矩阵由与要对消的自干扰信道的所述至少一个本征模正交的自干扰矩阵的那些奇异向量构成。

●滤波器软件，设置成执行在多天线装置来自输入天线的接收信号向量和接收滤波矩阵W_r的相乘和/或来自中继器单元的传送信号向量和传送滤波矩阵W_t相乘，以及将结果输出到输出端口。

在本发明的节点的一个示例中，中继器单元包括用于放大信号的功能。多天线装置因此作为放大及转发AF中继器操作

或者

中继器单元也包括用于在转发前纠错的功能，多天线装置因此作为解码及转发DF中继器操作。

在本发明的节点的一个示例中：

●信道矩阵设置成通过诸如导频信号等标准方式在信道更新模块中更新，

●更新的信道矩阵馈送到设置用于基于更新的信道矩阵计算滤波矩阵和选择准则的计算模块，以及

●信道更新模块和计算模块能够是多天线装置中的分开单元，或者部分或完全与中继器单元集成。

如下面将说明的一样，通过实现上面未提及的从属权利要求的一个或几个特征，实现了另外的优点。

附图说明

图1以示意图方式示出无中继器功能的MIMO通信信道。

图2以示意图方式示出根据现有技术的中继MIMO通信信道的示例。

图3以示意图方式示出根据本发明的节点的示例。

图4示出本发明的基本方法步骤。

图5示出100个独立MIMO信道的有序奇异值的图表的示例。

图6示出流程图，带有使用SVD和功率选择准则的本发明的方法的一部分的示例。

图7以示意图方式示出在AF中继器中实现本发明时模拟结果的示例。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明。

此后，在描述中向量以粗体和斜体表示。矩阵以斜体大写字母表示。公式中的矩阵索引遵循Matlab标记法。

图1以示意图方式示出多输入多输出(MIMO)通信信道的示例，其中传送器Tx具有三个输出天线T_x1-T_x3，并且接收器Rx具有三个输入天线R_x1-R_x3。在此示例中，每天线有一个数据流，在其它示例中，几个数据流能够混合在相同天线上。数据流的此混合称为预编码，并且例如能够用于波束成形(beamforming)目的。天线T_x1传送信号到每个R_x1、R_x2和R_x3天线。信道系数h₁₁定义在T_x1与R_x1之间的衰减和相移。信道系数h₁₂定义在T_x1与R_x2之间的衰减和相移，以及信道系数h₁₃定义在T_x1与R_x3之间的衰减和相移。在T_x1与所有接收天线之间的信道能够表示为信道向量。同样地，在T_x2与所有接收天线之间的信道能够表示为信道向量，并且在T_x3与所有接收天线之间的信道表示为信道向量。在数字通信信道中，来自Tx的信息因此在此示例中通过由三个信道向量h₁、h₂和h₃表示的通信信道在多个数据流中传送。通信信道因而能够表示为矩阵Hc，该矩阵如图1所示，具有三个信道向量h₁、h₂和h₃作为Hc矩阵中的列。如果三个信道向量h₁、h₂和h₃₃线性无关，则说通信信道Hc具有满秩。在带有传送器与接收器之间信号的多径传播和散射的通信信道中，情况经常但不一定始终是如此。通信信道Hc的最大秩在此示例中为3。通常，最大可能秩受具有最少数量的天线的传送或接收侧的天线的数量限制。

图2中示出根据现有技术的中继通信信道。由于假设与中继信道相比，在Tx与Rx之间的直接信道非常弱，因此，忽略了该直接信道。弱直接信道实际上是在Tx与Rx之间安装中继器的动机。除此之外，直接信道与自干扰信道无关，并且不提供有关如何抑制它的任何信息。因此，我们具有三个信道：在Tx与中继器输入之间由传送信道矩阵H₁定义的传送信道、由接收信道矩阵H₂定义的作为在中继器输出与Rx之间的信道的接收信道及最后在中继器输出与输入之间由自干扰信道矩阵H₀定义的自干扰信道。自干扰信道是要抑制的信道。传送器具有N_tx个天线，接收器具有N_rx个天线，并且中继器具有N₁个输入天线和N₂个输出天线。

图3以示意图方式示出根据本发明的节点的示例。节点包括用于在作为无线通信系统的传送器与接收器之间的通信信道的一部分的多天线装置中的自干扰抑制的多天线装置301。通信系统包括多天线装置301，以与图2的中继器位于传送器与接收器之间相同的方式，多天线装置位于传送器与接收器之间。多天线装置包括天线和中继器单元302以便将信号从传送器转发到接收器。天线包括位于多天线装置的输入侧的输入天线1....N₁和位于多天线装置的输出侧的输出天线1....N₂。通信信道包括由传送信道矩阵H₁定义的在传送器与多天线装置之间的传送信道、由接收信道矩阵H₂定义的在多天线装置与接收器之间的接收信道及在多天线装置的输出与输入侧之间的自干扰信道。自干扰信道由自干扰信道矩阵H₀定义。

多天线装置301包括至少三个天线310，311，其中，至少一个天线是位于面向传送信道的输入侧的输入天线310。至少一个天线是位于面向接收信道的输出侧的输出天线311。

多天线装置还包括至少一个滤波矩阵布置RF，TF，其在包括至少两个天线的多天线装置301的一侧在天线与中继器单元302之间插入。每个所述滤波矩阵布置由滤波矩阵定义。如将说明的一样，所述滤波矩阵布置设置成通过将滤波矩阵的列设置成与要对消的自干扰信道的至少一个本征模正交，对消自干扰信道的所述至少一个本征模。滤波矩阵布置在多天线装置的输入侧插入时也称为接收滤波器，并且在多天线装置的输出侧插入时，也称为传送滤波器。

对于技术人员来说，本征模是诸如自干扰信道等MIMO通信信道的熟知属性。本征模将进一步与描述定义自干扰信道的自干扰矩阵的分解关联论述和说明。

每个滤波矩阵布置RF，TF具有天线侧和中继器侧，天线侧具有到位于多天线装置的侧之一的每个天线的分开连接，并且中继器侧具有到中继器单元的连接。

在图3的示例中，有由接收滤波矩阵W_r定义的接收滤波矩阵布置或接收滤波器RF303和由传送滤波矩阵W_t定义的传送滤波矩阵布置或传送滤波器TF304。接收滤波矩阵布置在输入天线310，1...N₁与中继器单元302之间插入。接收滤波矩阵布置的天线侧因此具有到N₁个输入天线的每个天线的N₁个分开连接，并且中继器侧具有到中继器单元的多个连接。中继器侧的此类连接的数量取决于接收滤波矩阵的大小。传送滤波矩阵布置在输入天线311，1...N₂和中继器单元302之间插入。传送滤波矩阵布置的天线侧因此具有到N₂个输出天线的每个天线的N₂个分开连接，并且中继器侧具有到中继器单元的多个连接。中继器侧的连接的数量取决于传送滤波矩阵的大小。

多天线装置还包括计算模块305和更新模块306。下面将进一步说明这些模块。

本发明也包括一种用于在作为无线通信系统的传送器Tx与接收器Rx之间的通信信道的一部分的多天线装置301中的自干扰抑制的方法。通信系统使用多天线装置，多天线装置位于传送器与接收器之间，并且使用天线和中继器单元302将信号从传送器转发到接收器。通信信道具有由传送信道矩阵H₁定义的在传送器与多天线装置之间的传送信道、由接收信道矩阵H₂定义的在多天线装置与接收器之间的接收信道及在多天线装置的输出与输入侧之间的自干扰信道。自干扰抑制由自干扰信道矩阵H₀定义。方法包括以下步骤：

●为多天线装置301配备401至少三个天线301，311，其中，至少一个天线是位于面向传送信道的输入侧的输入天线310，以及至少一个天线310，311是位于面向接收信道的输出侧的输出天线311以及；

●通过在具有至少两个天线的多天线装置的一侧使用在天线310，311与中继器单元之间插入的至少一个滤波矩阵布置RF，TF，抑制402自干扰信道，每个所述滤波矩阵布置RF，TF由滤波矩阵定义，所述滤波矩阵布置通过选择与要对消的自干扰信道的至少一个本征模正交的滤波矩阵的列，对消自干扰信道的所述至少一个本征模。

图4以示意图方式示出如上所述包括为多天线装置配备401至少三个天线和使用至少一个滤波矩阵布置来抑制402自干扰信道的方法步骤。

方法能够应用于在是正交频分复用OFDM系统的无线通信系统中的使用，并且能够使节点用于在是正交频分复用OFDM系统的无线通信系统中的操作。方法也能够应用于并且能够使节点用于在诸如码分多址CDMA、时分多址TDMA或单载波系统等其它无线通信系统中的操作。

我们假设由矩阵H₀、H₁和H₂定义的传送、接收和自干扰信道在多天线装置已知。H₀能够在多天线装置从与Rx用于估计由接收信道矩阵H₂定义的接收信道的相同导频信号估计。这是技术人员熟知的标准过程。H₁能够在多天线装置根据从Tx传送的导频估计。然而，H₂在FDD系统中要从接收器反馈，或者在TDD系统中要在互易反向信道上估计。这也是技术人员熟知的过程，并且因此不在此进一步论述。也将在H₂在多天线装置未知时的情况中概述解决方案。然而，现在假设H₂已知。也假设在本发明的所述示例中，在OFDM系统中每窄带子载波执行操作，因此，在所述示例中，采用窄带信道。

在多天线装置接收的信号向量（N₁行和1列）表示为：

其中，H₁是在Tx与多天线装置之间的（N₁行和N_tx列）MIMO传送信道矩阵，s是来自Tx的传送的信号向量，H₀是在多天线装置的输出侧与输入侧之间的自干扰MIMO信道矩阵，y是来自多天线装置的传送的信号向量，以及n₁是在多天线装置的输入侧的噪声向量。向量和矩阵的大小以格式表示，其中，m是行的数量，并且n是列的数量。信号向量此处包括多个信号。

为分离自干扰信道的本征模，对自干扰矩阵H₀执行了分解，在多个本征模中划分自干扰矩阵，其中，所述滤波矩阵由与要对消的自干扰信道的所述至少一个本征模正交的向量构成。

在本发明的一个示例中，通过多天线装置对自干扰信道矩阵H₀执行奇异值分解(SVD)来完成分解，其中，H₀是矩阵。H₀的SVD由下式给出：

其中，U₀是酉（规范正交）矩阵，N₁是输入天线310的数量，包含左奇异向量，S₀是对角矩阵，N₂是输出天线311的数量，包含沿其主对角降序的奇异值，V₀是酉矩阵，包含右奇异向量。V₀ ^H是V₀的复共轭转置，其中，H表示厄米转置(Hermitiantranspose)。酉矩阵中的行和列向量相互正交，即，

以及

其中，I_N是N×N单位矩阵。U₀ ^H是U₀的复共轭转置。

本征模是在自干扰信道中的模式并且通过SVD发现。每个奇异值具有对应的左和右奇异向量。奇异值、右和左奇异向量的每个此类集称为本征模。奇异值是本征模的强度的测度。

由接收滤波矩阵W_r定义的也称为空间滤波器的对消n₀个最强本征模（对应于H₀的n₀个第一奇异值）的接收滤波器因而（使用Matlab标记法）由给出。括号内的标记意味着所有行（表示为:）和从n₀+1到N₁的列。此接收滤波矩阵作为接收滤波器应用在接收信号向量x上时，它产生：

在此表达式中，自干扰由积W_rH₀定义，它现在包括新的且现在降低的干扰分量：

表达式意味着从右侧与带有N₁-n₀行和列的单位矩阵级联，带有只填充0的N₁-n₀行和n₀列的矩阵。级联是熟知的矩阵运算，意味着两个矩阵的结合。也就是说，通过应用由接收滤波矩阵W_r定义的接收滤波器的此特定选择，对消了自干扰信道的n₀个最强本征模。

在本发明的其它示例中，能够在多天线装置的输出侧应用由给出的传送滤波矩阵定义的传送滤波器，类似于上面接收滤波器的说明，这将导致以下降低的干扰分量

表达式意味着从下方与带有N₂-n₀行和列的单位矩阵级联，带有只填充0的n₀行和N₂-n₀列的矩阵的转置。

因此，上述传送滤波器也将对消自干扰信道的n₀个最强本征模。

不必使用接收和传送滤波两者对消自干扰信道的相同本征模。更佳的方案反而是让接收和传送滤波器对消自干扰信道的不同本征模。例如，接收滤波器能够对消自干扰信道的第一本征模，而传送滤波器能够对消第二本征模。它们因而将一起对消两个本征模，每个滤波器一个本征模。上述示例通过由以下接收和传送滤波矩阵定义的滤波器选择来完成：

以及

滤波器能够视为使最强的干扰方向变空的波束成形滤波器。以线性代数术语表述时，意味着它们将接收和/或传送的信号向量投射到更低维（子）空间，其中，自干扰更小或有时甚至为零。如果自干扰为零，则此更低维子空间是自干扰信道矩阵的零空间(nullspace)。但要使此情况发生，自干扰矩阵要为低秩，这是因为只有低秩矩阵具有零空间。如果自干扰信道没有零空间，则接收和/或传送滤波器将投射信号向量到包含小量自干扰的子空间。在此子空间中的自干扰量由未对消的自干扰信道矩阵的本征模的奇异值，即更小的奇异值给出。我们能够说更小的非零奇异值及其对应奇异向量表示自干扰信道的近似零空间。

在图5中，示出了100个独立4×4i.i.d.（独立同分布）瑞利分布MIMO信道的四个有序奇异值（即，以降序设置的奇异值）的增益。瑞利分布是技术人员熟知的连续概率密度函数。i.i.d.瑞利分布信道表示带有零相关的富信道(richchannel)。富信道一般情况下是高秩信道。满秩信道意味着所有信道向量（即信道矩阵中的所有列）是线性无关的。富信道对应于存在由多径波传播和散射造成的独立的多个传播的情况。

信道实现号在x轴上示出，并且用dB表述为20乘以第一奇异值501、第二奇异值502、第三奇异值503和第四奇异值504的奇异值的以10为底的对数的增益在y轴上示出。对应于第一奇异值501的曲线画成粗实线，对应于第二奇异值的曲线画成点线，对应于第三奇异值的曲线画成实线，以及对应于第四奇异值的曲线画成短划线。从图5中，明白即使对于这些种类的富信道，在最大与最小奇异值之间也存在大的增益差。对于不那么富的信道，增益差将甚至更大。此处，在最大与最小奇异值之间的平均增益或功率差为17dB，对应于在第一奇异值501与第四奇异值504之间的平均差，并且平均98%的总功率位于前三个本征模中。本征模的功率对应于其奇异值的平方。此外，89%的总功率位于前两个本征模中。实际上，没有粗略近似表明甚至4×4i.i.d.瑞利分布信道具有至少一维的近似零空间。这些种类的零空间近似在天线的数量增加时变得甚至更准确。子空间和零空间及空间的维度、本征模和奇异值是线性代数中的熟知术语。

到现在为止，我们只考虑了自干扰对消，而未考虑对传送和接收信道的影响。例如，在使用多输入多输出(MIMO)技术的多流传送/接收上下文中，保持端对端(E2E)信道秩是另一优点。为实现此保持，必须认真设计中继器自干扰对消方案，以使E2E信道秩得以保持。然而，在一些情况下，可能为了自干扰能力而驱使牺牲E2E信道秩。此外，情况可能是自干扰信道与不希望对消的其它信道共享维度。假设通过传送信道传送的信号向量的相当大部分位于自干扰信道的最强本征模（维度）跨的相同子空间中。随后，接收信号向量到自干扰信道的零空间的投射也将对消所需信号向量的相当大部分。因此，避免此情况发生能够是有利的。为例示本发明的一种使用，可使得自干扰信道的最强本征模与传送信道的最强本征模属于相同子空间，然而，自干扰信道的最强本征模与接收信道的任何重要本征模不属于相同子空间。如果情况是如此，则我们简单地在多天线装置的传送侧对消自干扰信道的该特定本征模，或反之亦然。在本发明的此示例中的构想是通过将传送和接收信道考虑在内而认真地选择在哪侧执行此操作，对消自干扰信道的最强（主导）本征模（维度）。在本发明的此示例中，确保基于U₀应用接收滤波器不会对消传送信道中的主导本征模，如果这样，则可基于V₀应用传送滤波器（如果它不会对消接收信道的主导本征模的话）。由于传送和接收信道由独立的随机矩阵过程定义，因此，它们均与自干扰信道共享重要本征模是不太可能的事件。因此，如果在一侧不可能对消干扰本征模，则能够在另一侧对消该本征模。

在使用两个滤波矩阵时，本发明能够使用选择准则来选择使用哪个滤波矩阵对消哪个本征模。随后，通过对消某个本征模的自干扰抑制借助于满足选择准则的滤波矩阵布置进行，以便最小化传送信道和/或接收信道的一个或几个主导本征模的损失风险。

为形成如何选择自干扰抑制的决定基础，我们查看通过应用W_r作为接收滤波器而在传送信道中损失的功率量，并且将它与通过应用W_t作为传送滤波器以对消相同本征模（例如第r个本征模）而在接收信道中损失的功率量。用于此类算法的示例的伪代码由下面给出：

如果

则让第r个本征模由基于U₀的接收滤波器对消

也让本征模由基于V₀的传送滤波器对消。

标记表示矩阵X的熟知弗罗贝尼乌斯范数(Frobeniusnorm)的平方，并且给出X矩阵的功率的测度。这是选择准则是功率损失准则的示例，其中，比较通过应用接收滤波矩阵布置RF以对消某个本征模而在传送信道中损失的功率量和通过应用传送滤波矩阵布置TF以对消相同的某个本征量而在接收信道中损失的功率。选择给出最低功率损失的滤波矩阵布置。为消除接收和传送信道的不同路径损失的影响，可在采用基于功率损失的选择准则前将接收和传送信道矩阵归一化成例如单位范数。

作为如上所述功率损失准则的备选，其它准则能够例如基于以下所述用作准则：

●互信息损失

●每流SNR损失

●秩匹配

●速率匹配

图6示出自干扰算法的示例的流程图，包括使用功率损失作为选择准则的本发明的方法的步骤2的详细信息。

在第一SVD步骤601中，计算自干扰信道的SVD，并且将W_r设成U₀，以及将W_t设成V₀。

在第二模式选择步骤602中，选择要对消的n₀个最强干扰本征模，并且将r设成1，以及将q设成1。

在第三启动步骤603中，将接收和传送滤波矩阵设成以下初始值：

以及

上述第三启动步骤603中的标记意味着你挑选所有行（第一个冒号）和第1列到第r-1列接着第r+1列到最后一列（末尾(end)）。

在第四选择步骤604中，通过应用在第三启动步骤603中定义的接收和传送滤波矩阵，比较传送信道中损失的功率和接收信道中损失的功率。这通过比较弗罗贝尼乌斯表达式来执行：

如果由H₁定义的传送信道中损失的功率少于或等于在由H₂定义的接收信道中损失的功率，则自干扰算法继续到第五接收滤波器步骤605，在该步骤中进行以下设置：

和，以及

之后，过程继续到第六比较步骤606，在该步骤中，检查是否。如果这种情况属实，则已对消n₀个本征模，并且终止过程，以及应用由滤波器矩阵W_r ^H及W_t定义的滤波器。如果不是这种情况，则过程回到第三步骤603，在该步骤中，应用r和q的更新值，并且启动新循环。

如果在第四比较步骤604中的应答为否，则过程继续到第七传送滤波器步骤607，在该步骤中进行以下设置：

和，以及

之后，过程继续到第六比较步骤606，在该步骤中，检查是否。如果这种情况属实，则已对消n₀个本征模，并且终止过程，以及应用由W_r ^H及W_t定义的滤波器。如果不是这种情况，则过程回到第三步骤603，在该步骤中，应用r和q的更新值，并且启动新循环。

在一些情况中，在如上所述结束自干扰算法后要对滤波矩阵W_r及W_t执行“矩阵填充”。例如，这能够是在中继器单元如上所述包括AF功能时的情况。在接收滤波器具有比传送滤波器更多或更少列的情况下，调整传送或接收滤波器中列的数量可能是必要的（在接收滤波器的厄米转置前，这是列，否则，这是行）。如果接收滤波器具有n₁列，则这意味着在AF功能中将放大n₁个信号。所有这些放大的n₁个信号随后应进入传送滤波器。然而，如果传送滤波器具有比n₁更少或更多的列，则这不匹配。效应将是由于错误的矩阵大小而不匹配的矩阵相乘。为解决此效应，可在具有最小列数量的滤波器中重复多个列，使得此滤波被填充成具有与另一矩阵同样多的列。通常，此“矩阵填充”能够借助于其原列向量的任何线性组合进行，这是因为列向量的任何线性组合在原列向量跨越的空间中，这保证了用于填充的另外列向量也与要对消的自干扰信道的本征模正交。在中继器单元包括DF功能时，此“矩阵填充”是不必要的，这是因为来自n₁个接收和滤波的信号的所有数据流均被解码。随后，可能将p≤n₁个解码的数据流转发到由大小为N₂×p的传送滤波器矩阵定义的传送滤波器。就DF中继器而言，p因此不一定必须等于n₁。因此，在一些应用中需要此“矩阵填充”以便能够执行矩阵相乘。

再参照图3，它示出多天线装置包括中继器单元302并且因此节点也包括中继器单元302。中继器单元位于接收和传送滤波器之间。中继器单元能够包括用于AF、DF或EF中继器或转发器的标准功能。例如，中继器单元包括用于放大信号的功能，多天线装置因此作为放大及转发AF中继器操作

或者

中继器单元也包括用于在转发前纠错的功能，多天线装置因此作为解码及转发DF中继器操作。

如更早所述，在具有至少两个天线的多天线装置的一侧，能够在天线与中继器单元之间插入滤波器矩阵布置。在图3的示例中，多天线装置的两侧均具有不止两个天线，即N₁≥2和N₂≥2，这意味着可能但不必的是在多天线装置的两侧（输入侧和输出侧）均应用滤波矩阵布置。在图3的示例中，在多天线装置的两侧均应用滤波矩阵布置。在本发明的备选示例中，能够只在接收侧（如果N₁≥2）或只在传送侧（如果N₂≥2）应用滤波矩阵。

如所提及的一样，滤波矩阵布置具有面向天线的天线侧和面向中继器单元的中继器侧。就接收滤波矩阵而言，天线侧也称为输入端，这是因为信号在此侧接收，并且中继器侧也称为输出端，这是因为信号从此侧发送。就传送滤波矩阵而言，中继器侧也称为输入端，这是因为信号在此侧接收，并且天线侧也称为输出端，这是因为信号从此侧发送。

在本发明的一个示例中，在使用两个滤波矩阵布置RF，TF时，接收滤波矩阵布置RF如说明的一样，由接收滤波矩阵W_r定义，并且传送滤波矩阵布置TF如说明的一样，由传送滤波矩阵W_t定义。在接收滤波矩阵布置的天线侧的输入端连接到输入天线310，并且在中继器侧的输出端连接到中继器单元302，以及在传送滤波矩阵布置的中继器侧的输入端连接到中继器单元，并且在天线侧的输出端连接到输出天线311。用于传送滤波矩阵和接收滤波矩阵的布置能够是分开的单元或者完全或部分与中继器单元集成。

多天线装置也包括带有到接收滤波器的第一连接307和到传送滤波器的第二连接308的计算模块305。多天线装置还包括具有到计算模块305的第三连接309的更新模块306。

估计的信道矩阵设置成通过诸如导频信号等标准方式在信道更新模块306中更新。更新的频率能够在取决于应用的类型的广泛限制内有所不同。在移动通信系统中，更新差不多是持续的，不同于更新频率能够更低的固定无线系统。

更新的信道矩阵馈送到设置用于基于更新的信道矩阵来计算滤波矩阵和优选也计算选择准则的计算模块305。

信道更新模块306和计算模块305能够是如图3所示天线装置中的分开单元，或者部分或完全与中继器单元集成。

在滤波矩阵和选择准则已计算时，此信息如在图3的示例中一样通过第一连接馈送到接收滤波器，并且通过第二连接馈送到传送滤波器。如说明的一样，接收和传送滤波器包括用于连接到天线和中继器单元的硬件。接收和传送滤波器也包括诸如数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)等处理模块，其通过常规方式，借助于软件实现滤波矩阵和选择准则。计算和更新模块能够使用处理模块和软件以相同方式实现。

用于连接到天线和中继器单元的接收和传送滤波器RF，TF的硬件包括设置成将接收信号馈送到处理器模块的输入端口和设置成输送来自接收和/或传送滤波矩阵布置RF，TF的输出的输出端口。处理器模块包括：

●分解软件，设置成执行自干扰信道H₀的分解，在多个本征模中划分自干扰矩阵，所述滤波矩阵由与要对消的自干扰信道的所述至少一个本征模正交的自干扰矩阵H₀的那些奇异向量构成，以及

●滤波器软件，设置成执行在多天线装置来自输入天线的接收信号向量和接收滤波矩阵W_r的相乘和/或来自中继器单元的传送信号向量和传送滤波矩阵W_t相乘，以及将结果输出到输出端口。

本发明也包括方法和节点，其中：

●通过诸如导频信号等标准方式在信道更新模块中更新信道矩阵或信道矩阵设置成通过诸如导频信号等标准方式在信道更新模块中更新，

●更新的信道矩阵在计算模块305中使用或者馈送到计算模块305以计算滤波矩阵，并且优选也计算选择准则，或者设置用于基于更新的信道矩阵计算滤波矩阵，并且优选也计算选择准则，以及

●信道更新模块和计算模块能够是多天线装置301中的分开单元，或者部分或完全与所述中继器单元302集成。

在本发明的方法中，传送信道矩阵H₁、接收信道矩阵H₂和自干扰矩阵H₀因此在信道更新模块中更新。

如果接收信道在多天线装置未知，则我们能够应用不使用接收信道的特定信道信息的备选选择准则和自干扰算法以实现保护，例如，使用通过H₂定义的接收信道的秩r_k传送，其中，r_k小于或等于在多天线装置的输出侧的天线的数量。例如，如果秩r_k等于在DF中继器的输入侧检测到的流的数量，即，r_k是传送信道的秩，则N₂-r_k剩余（如果有）天线可用于在多天线装置的输出侧的自干扰抑制。然而，如果传送滤波器应用于自干扰抑制而不采用接收信道的任何知识，则系统将有对消接收信道的主导本征模的风险。我们也能够考虑本发明的另一示例，其中，多天线装置模仿在例如长期学进(LTE)系统中的演进节点B(eNB)中的基站（接收器将多天线装置感受为eNB）。接收器随后将反馈信道秩指示符(Rl)、预编码矩阵指示符(PMI)和信道质量指示符(CQI)。基于提供的信息，多天线装置能够使用例如功率损失准则，形成与上述简单传送滤波器相比更佳的传送滤波器，这是因为它能够确保例如保护优选预编码器和秩。

在本发明的示例中，在使用选择准则时，可能平衡在自干扰减轻与信道保护之间的可用自由度DOF（由多个天线提供）。这意味着能够完成自干扰抑制而不必在很大程度上降低在传送器与接收器之间的总信道秩。DOF是技术领域中的熟知术语，并且意味着在例如MIMO配置中有多个天线时，你有能够如何使用每个天线的一定自由度。如果你选择为自干扰抑制使用天线，则这意味着你使用或牺牲DOF以有利于自干扰抑制。自干扰得以降低但并非不计代价。因此，在使用选择准则时，在自干扰抑制与信道保护之间存在折衷。通过降低的自干扰，多天线装置能够在AF操作中增大其传送增益而无自振荡和不稳定的风险，并且它能够在DF操作中增强其检测性能。

图7示出来自在AF中继器中实现公开的发明的数值示例的结果。图7示出在Y轴上以每秒比特和赫兹(bps/Hz)为单位的容量对在X轴上的参数ρ，其中，ρ对应于来自Tx的传送功率电平。第一曲线701示出实现有本发明的自干扰对消的结果，并且第二曲线702示出未实现自干扰对消的结果。在此示例中，对于使用本发明的公开自干扰对消时的情况，ρ=0dB和ρ=40dB分别大约对应于在Rx的接收信噪比-10dB和+30dB。对于无自干扰对消的情况，多天线装置的增益由于存在强自干扰信道而受限，因此，接收的SNR一般更低。模拟SNR范围反映在无线通信系统中的典型SNR值。此外，在此示例中，设置多天线装置的增益，使得它比在多天线装置的输出与输入侧之间获得的隔离低15dB。这样做是为了确保稳定性。最后，将所有信道建模为独立的4x4i.i.d.瑞利分布信道，并且将对消的自干扰本征模的数量设成n₀=2。在图7的示例中，图6的流程图已与上述“矩阵填充”特征一起使用。

图7示出本发明的公开方法和节点由于其在多天线装置中采用更大的增益设置而不会由于自干扰信道而冒不稳定性风险的能力，在无线通信系统中在对应于典型SNR范围的传送功率范围内给出了相当大的容量增大。

本发明不限于上述实施例和示例，而是可在随附权利要求范围内自由地变化。

Claims (19)

1.一种用于在作为无线通信系统的传送器(Tx)与接收器(Rx)之间的通信信道的一部分的多天线装置(301)中的自干扰抑制的方法，所述通信系统使用所述多天线装置(301)，所述多天线装置位于所述传送器与所述接收器之间，并且使用天线（310，311）和中继器单元(302)以将信号从所述传送器转发到所述接收器，所述通信信道具有由传送信道矩阵(H₁)定义的在所述传送器与所述多天线装置之间的传送信道和由接收信道矩阵(H₂)定义的在所述多天线装置与所述接收器之间的接收信道及在所述多天线装置的输出与输入侧之间的自干扰信道，所述自干扰信道由自干扰信道矩阵(H₀)定义，所述方法包括以下步骤：

●为所述多天线装置(301)配备(401)至少四个天线（301，311），其中至少两个天线是位于面向所述传送信道的输入侧的输入天线(310)，以及至少两个天线（310，311）是位于面向所述接收信道的输出侧的输出天线(311)，以及；

其特点在于

●通过使用至少两个滤波矩阵布置，在所述输入天线(310)与所述中继器单元(302)之间插入的接收滤波矩阵布置(RF)和在所述输出天线(311)与所述中继器单元(302)之间插入的传送滤波矩阵布置(TF)，抑制(402)所述自干扰信道，所述接收滤波矩阵布置由接收滤波矩阵W_r定义，并且所述传送滤波矩阵布置由传送滤波矩阵W_t定义，所述滤波矩阵布置通过选择与要对消的所述自干扰信道的至少一个本征模正交的滤波矩阵的列，对消所述自干扰信道的所述至少一个本征模，通过对消某个本征模的自干扰抑制借助于满足选择准则的滤波矩阵布置进行，以便最小化所述传送信道和/或所述接收信道的一个或几个主导本征模的损失风险。

2.根据权利要求1所述的方法，其特点在于所述无线通信系统是正交频分复用OFDM系统。

3.根据权利要求1所述的方法，其特点在于所述传送信道矩阵(H₁)、所述接收信道矩阵(H₂)和所述自干扰矩阵(H₀)在信道更新模块中更新。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特点在于对所述自干扰矩阵(H₀)执行分解，在多个本征模中划分所述自干扰矩阵，以及其中所述滤波矩阵由与要对消的所述自干扰信道的所述至少一个本征模正交的向量构成。

5.根据权利要求4所述的方法，其特点在于所述分解通过所述多天线装置对所述自干扰信道矩阵(H₀)执行奇异值分解SVD来完成，其中所述自干扰信道矩阵(H₀)的SVD由以下式子给出：

其中，U₀是酉矩阵，N₁是输入天线(310)的数量，包含左奇异向量，S₀是对角矩阵，N₂是输出天线(311)的数量，包含沿其主对角降序的奇异值，V₀是酉矩阵，包含右奇异向量，以及V₀ ^H是V₀的复共轭转置。

6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特点在于所述接收滤波矩阵W_r由以下式子给出：

其中，U₀ ^H是U₀的复共轭转置，所述接收滤波布置因此对消所述自干扰信道的n₀个最强本征模。

7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特点在于所述传送滤波矩阵W_t由以下式子给出：

所述传送滤波布置因此对消所述自干扰信道的n₀个最强本征模。

8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特点在于所述选择准则是功率损失准则，其中比较通过应用所述接收滤波矩阵布置(RF)以对消某个本征模而在所述传送信道中损失的功率量和通过应用所述传送滤波矩阵布置(TF)以对消所述某个本征模而在所述接收信道中损失的功率，并且选择给出最低功率损失的滤波矩阵布置。

9.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特点在于所述接收滤波矩阵布置(RF)和所述传送滤波矩阵布置(TF)对消所述自干扰信道的不同本征模。

10.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特点在于：

●所述信道矩阵通过标准方式在信道更新模块(306)中更新，

●更新的信道矩阵在用于基于所述更新的信道矩阵计算所述滤波矩阵和所述选择准则的计算模块(305)中使用，以及

●所述信道更新模块和所述计算模块能够是所述多天线装置(301)中的分开单元，或者部分或完全与所述中继器单元(302)集成。

11.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特点在于：

●所述信道矩阵通过导频信号在信道更新模块(306)中更新，

●更新的信道矩阵在用于基于所述更新的信道矩阵计算所述滤波矩阵和所述选择准则的计算模块(305)中使用，以及

●所述信道更新模块和所述计算模块能够是所述多天线装置(301)中的分开单元，或者部分或完全与所述中继器单元(302)集成。

12.一种在无线通信系统中包括用于在作为无线通信系统的传送器(Tx)与接收器(Rx)之间的通信信道的一部分的多天线装置中的自干扰抑制的多天线装置(301)的节点，所述通信系统包括所述多天线装置(301)，所述多天线装置位于所述传送器与所述接收器之间，并且包括天线（310，311）和中继器单元(302)以将信号从所述传送器转发到所述接收器，所述通信信道包括由传送信道矩阵(H₁)定义的在所述传送器与所述多天线装置之间的传送信道、由接收信道矩阵(H₂)定义的在所述多天线装置与所述接收器之间的接收信道及在所述多天线装置(301)的输出与输入侧之间的自干扰信道，所述自干扰信道由自干扰信道矩阵(H₀)定义，

●所述多天线装置(301)包括至少四个天线（301，311），其中至少两个天线是位于面向所述传送信道的输入侧的输入天线(310)，以及至少两个天线（301，311）是位于面向所述接收信道的输出侧的输出天线(311)，以及；

其特点在于：

●两个滤波矩阵布置，设置在所述输入天线(310)与所述中继器单元(302)之间的接收滤波矩阵布置(RF)和设置在所述输出天线(311)与所述中继器单元(302)之间的传送滤波矩阵布置(TF)，所述接收滤波矩阵布置由接收滤波矩阵W_r定义，并且所述传送滤波矩阵布置由传送滤波矩阵W_t定义，所述滤波矩阵布置设置成通过所述滤波矩阵的列设置成与要对消的所述自干扰信道的至少一个本征模正交，对消所述自干扰信道的所述至少一个本征模，以及

●所述多天线装置还包括连接到所述接收和传送滤波矩阵布置的计算模块(305)，并且所述计算模块是所述多天线装置中的分开单元或者部分或完全与所述中继器单元(302)集成，对消某个本征模设置成借助于满足选择准则的滤波矩阵布置进行，以便最小化所述传送信道和/或所述接收信道的一个或几个主导本征模的损失风险，所述选择准则设置成在所述计算模块(305)中计算。

13.根据权利要求12所述的节点，其特点在于所述滤波矩阵布置（RF，TF）具有天线侧和中继器侧，所述天线侧具有到位于所述多天线装置(301)的侧之一的每个天线的分开连接，并且所述中继器侧具有到所述中继器单元的连接。

14.根据权利要求12所述的节点，其特点在于所述无线通信系统是正交频分复用OFDM系统。

15.根据权利要求12-14任一项所述的节点，其特点在于在所述接收滤波矩阵布置的天线侧的输入端连接到所述输入天线(310)，并且在所述中继器侧的输出端连接到所述中继器单元(302)，以及在所述传送滤波矩阵布置的中继器侧的输入端连接到所述中继器单元，并且在所述天线侧的输出端连接到所述输出天线(311)，用于所述接收滤波矩阵和所述传送滤波矩阵的布置能够是分开的单元或者完全或部分与所述中继器单元集成。

16.根据权利要求12-14任一项所述的节点，其特点在于所述接收和/或传送滤波矩阵布置（RF，TF）包括设置成将接收信号馈送到处理器模块的输入端口和设置成输送来自所述接收和/或传送滤波矩阵布置（RF，TF）的输出的输出端口，所述处理器模块包括：

●分解软件，设置成执行所述自干扰信道(H₀)的分解，在多个本征模中划分所述自干扰矩阵，所述滤波矩阵由与要对消的所述自干扰信道的所述至少一个本征模正交的所述自干扰矩阵(H₀)的那些奇异向量构成，以及

●滤波器软件，设置成执行在所述多天线装置来自所述输入天线的接收信号向量和所述接收滤波矩阵W_r的相乘和/或来自所述中继器单元的传送信号向量和所述传送滤波矩阵W_t的相乘，以及将结果输出到所述输出端口。

17.根据权利要求12-14任一项所述的节点，其特点在于所述中继器单元(302)包括用于放大所述信号的功能，所述多天线装置因此作为放大及转发AF中继器操作

或者

所述中继器单元也包括用于在转发前纠错的功能，所述多天线装置因此作为解码及转发DF中继器操作。

18.根据权利要求12-14任一项所述的节点，其特点在于：

●所述信道矩阵设置成通过标准方式在信道更新模块(306)中更新，

●更新的信道矩阵馈送到设置用于基于所述更新的信道矩阵计算所述滤波矩阵和所述选择准则的计算模块(305)，以及

●所述信道更新模块(306)和所述计算模块(305)能够是所述多天线装置中的分开单元，或者部分或完全与所述中继器单元(302)集成。

19.根据权利要求12-14任一项所述的节点，其特点在于：

●所述信道矩阵设置成通过导频信号在信道更新模块(306)中更新，

●更新的信道矩阵馈送到设置用于基于所述更新的信道矩阵计算所述滤波矩阵和所述选择准则的计算模块(305)，以及

●所述信道更新模块(306)和所述计算模块(305)能够是所述多天线装置中的分开单元，或者部分或完全与所述中继器单元(302)集成。