CN1703854B - 用于无线通信系统中的干扰评估与减少的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法和系统，用于利用天线阵列来减少无线通信系统中的干扰。该天线阵列使用一个或多个信号信道用于与一个或多个移动终端通信。首先，将至少一个信道分配为空信道，在该空信道中不传输任何有效信号，以便提供所有相关干扰的表示。由于空信道的空域特性与常规信号信道的空域特性应当非常相似，所以基于在空信道上接收到的干扰和在至少一个信号信道上接收到的有效信号，分析信号信道的空域特征。然后用分析出的空域特征来减少所有信号信道上的干扰。

Description

用于无线通信系统中的干扰评估与减少的方法与系统

技术领域

本发明一般涉及无线通信系统，更具体地说，涉及用于减少无线通信系统中的噪声与干扰的方法与系统。

背景技术

无线通信系统包括蜂窝结构，在该结构中，诸如基站之类的呼叫控制与管理设备使用预定的频带与许多移动终端通信。对于每个终端，以它为目的地的信号之外的那些信号被认为是来自其它源的噪声或干扰。这些干扰源可能变化很大。例如，在相同的覆盖区域内，每个终端都可以代表其它移动终端的潜在干扰源。从无线通信设备的市场接受来看，在接下来的数年中，无线通信设备的数目只可能会增加。这样，干扰也可很能随时间而增加。

为了限制由无线设备的增加所导致的干扰效果，可以使用具有干扰减少或消除能力的自适应天线阵列，这种天线阵列也被称作智能天线。天线阵列一般包含一个或多个天线元件。在上行和下行通信期间，终端或基站的接收机接收有用信号和从其它源传输来的干扰通信信号的组合信号，包括诸如热噪声之类的持久噪声。利用诸如信道化和CDMA解扩频之类的正确预处理，可以增强有用信号，并且抑制所有干扰和噪声分量。然而，当干扰分量的功率电平明显高于有用信号的功率电平时，难以获得足够高的信号干扰噪声比来确保正确地检测出有用信号或者根本的数字符号。为了减轻信号检测的难度，已经基于诸如有限集、循环统计量(cyclostationarity)和恒模特性之类的唯一信号属性，开发了许多盲算法，不幸的是，由于下述事实，这些算法可能并不有效：许多干扰信号是由其它基站或它们对应的终端产生的，这些基站或终端使用与传输有用信号的频带相同的频带或者重叠的频带，从而不可避免地处理相同的信号属性。此外，这些算法常常是计算密集性的，并且需要大量的数据样本来达到满意的性能。

需要一种用于减少或者消除无线通信系统的干扰的改进方法。

发明内容

本发明公开了一种用于评估干扰并减少干扰的方法和系统。本公开内容描述一种利用天线阵列准确检测来自相关源的干扰信号特性的方法和系统。该天线阵列使用一个或多个信号信道用于与一个或多个移动终端通信。首先，将至少一个信道分配为空信道，在该空信道中不传输有效信号，以便提供所有相关干扰的表示。由于空信道中的干扰的空域特性与常规信号信道中的空域特性应当非常相似，所以基于在空信道上接收到的干扰和在至少一个信号信道上接收到的有效信号，分析信号信道的空域特征。然后用分析出的空域特征来减少所有信号信道上的干扰。

例如，在基于CDMA的无线通信系统中，为了更好地估计干扰信号，基站指定一个编码信道，其中基站和具体终端之间的预期通信被抑制，而所有其它通信编码信道仍旧正常使用。这样，在指定的编码信道中，可以将干扰信号充分暴露，并且准确检测干扰信号的特性。基于检测到的干扰信号的特性，基站可以专门设计波束形成机构或者其它装置，以在正常使用所有编码信道期间，消除或者最小化这种干扰的影响。

附图说明

图1图示了利用天线阵列的无线通信系统。

图2-5图示了根据本公开内容的不同实施方式用于估计并减少干扰的四个流程图。

具体实施方式

本公开内容为每个天线阵列引入了唯一的待用编码信道，从而由于缺乏正常数据信号，只有由相关源生成的干扰将被更好地估计。所有干扰信号的特性被如此获得，并且被用于消除使用其它编码信道的其它通信中的这种信号。

图1示出了具有自适应天线阵列102的无线通信系统100，天线阵列102用于接收、发射并且处理无线发射信号。阵列102包括m个天线元件104，每个天线元件被耦合到诸如基站(BS)106的基站点(base site)的一串分离的信号处理设备。每串信号处理设备包括下述组件：例如射频接收机和模数转换器、子信道解调器、或者符号同步器。在传统技术中，符号同步器控制多个采样设备来按照根据传统符号速率采样算法确定的速率对信号进行采样。

当阵列102的天线元件104接收到多个信号时，由天线元件104接收到的每个信号构成例如由一个移动终端108发射的原始信号的不同反射的区别和不同的叠加与总和。在理想的环境中，接收到的信号会包含没有被任何表面反射的直接“视线”分量，从而在每个天线元件104处接收到的信号可以包括原始信号。简而言之，接收到的信号一般是原始信号的多个反射信号的总和，或者原始信号和原始信号的多个反射信号的总和。另外，每个天线元件104接收到的信号还包含来自诸如终端110的其它移动终端或基站点112的干扰和随机噪声。在下面的讨论中，将天线阵列102试图接收的来自移动终端108的信号称作“有效信号”，而将来自其它移动终端和基站点的信号称作“干扰信号”。如工业中所了解的那样，在每个天线元件104接收多个信号之后，由与每个元件相关联的一串信号处理设备处理该信号。在一个实施例中，某些加权计算器确定用来限制干扰和噪声影响的权重。

当移动终端向无线通信系统100的基站发射信号时，可以将在天线阵列102的不同天线元件104处接收到的信号数学建模为被最初发送的信号相乘的向量。该向量通常由多个因素确定，所述因素包括移动终端的位置、传播环境、天线阵列元件的配置、载波频率等。这些因素一起被称作移动终端的空域特征(spatial signature)。类似地，可以将空域特征的概念应用到任何发射设备。在下面的讨论中，尽管可以将移动终端用作发射设备的一个示例，但是发射设备不限于诸如图1的终端108或110之类的移动终端，而可以是任何信号发射源。此外，在本公开内容的一个示例中，将使用同步CDMA通信系统来说明本发明，但是本发明的原理可以应用于TDMA、OFDM、FDMA或任何类似的系统。

在同步CDMA系统中，给移动终端分配被称作编码信道的正交扩频码，它在码域中将信号分开。调整在这些编码信道中的信号的发射时间，以使得从移动终端(例如终端108)发送的信号可以几乎同时到达天线阵列104。应当理解，如果没有维持定时精度，则从其它终端发射的信号将造成干扰。如前所述，在天线处，来自其它小区和其它系统的发射也导致对有效终端信号的干扰。

期望天线阵列102和基站106一起提供抑止干扰的解决方案。从天线阵列来看，由于每个移动终端都具有其自己唯一的空域特征，所以位于不同位置的发射设备将具有不同的空域特征。

如本领域已知的一样，CDMA技术将无线电频谱划分为宽带数字无线电信号，每个信号波形传输数个不同的编码信道，而每个编码信道由唯一的信道码来标识。在天线接收编码信号时，处理机构通过使信号和正确信道码序列关联或匹配，以及增强相关信号而不增强其它信号，来将信道分离。大多编码信道用于语音或数据通信，而少量编码信道用于控制目的，例如导频(pilot)、同步、寻呼(paging)和访问信道。

图2是流程图200，图示了用于评估干扰并减少干扰的本公开内容的一个示例。为了准确地评估干扰，保留一个或多个编码信道仅仅用于信号质量控制目的(称作“空信道”)。不同于其它编码信道，这些空信道根本不传输任何有效信号，从而其上出现的信息仅仅是包括噪声的无用干扰。然后可以检测出这些暴露的干扰的特性，并且将其用于消除或者减少其它编码信道上的干扰。例如，使用空信道，基站和具体终端根本不发射信号，或者以明显低于正常功率电平的功率电平来发射信号以帮助评估干扰，从而能够更加有效地评估干扰。

为了说明目的，假设只将一个编码信道保留为空信道，并为每个移动终端分配一个编码信道(例如为第k个终端分配第k个编码信道)。

例如在步骤202中，执行诸如解扩频过程的处预理以从宽带信号中抽取每个编码信道符号。类似地，如果多址方案使用正交频分多址(OFDM)技术，则执行快速傅立叶变换(FFT)来将信号分成多个音调(tone)。对于频分多址(FDMA)信号，使用过滤机制来将宽带信号分解为窄带信号。对于时分多址(TDMA)信号，预处理仅仅意味着基于它们占用的时隙将信号分离为不同的组。在步骤204中，估计空信道的协方差矩阵R_in。然后在步骤206中，使用获得的数据向量来计算传输信号的编码信道的样本协方差矩阵R_x，R_x＝[X(1)X^*(1)+X(2)X^*(2)+…X(N)X^*(N)]/N，其中X(n)是在时间下标n处的预处理之后的数据向量，并且N是使用的数据向量样本数。应当理解X(n)＝as(n)+i(n)，其中s(n)表示在编码信道中传输的有效信号，并且i(n)表示噪声、a表示空域特征。在步骤208中，基于R_x和R_in估计信号空域特征。一种方法是应用R_x和R_in的归一化特征分解。为了说明的目的，假设[λ_i，e_i]是矩阵束(matrix pencil){R_x，R_in}的第i大归一化特征值和它对应的归一化特征向量，从而R_xe_i＝λ_iR_ine_i(在本例中，a＝e_i)。

在估计了空域特征之后，在步骤210中，基于a来估计接收/上行波束形成向量w_null。一种寻找w_null的方法是让 $w_{\mathrm{null}}=R_{\mathrm{in}}^{-1}a.$ 如果R_in是条件差的(例如，条件数大于某个阈值)，则用R_in的伪逆矩阵(即R_in ^#)来替换R_in ^-1。利用波束形成向量w_null，在步骤212中用下述公式 $y\left(n\right)=w_{\mathrm{null}}^{*}x\left(n\right)$ 来相应地执行接收波束形成，其中y(n)是信号信道中波束形成结果的第n个样本，并且x(n)是信号信道中数据向量的第n个样本，其中*表示向量w_null的复数共扼。然后基于y(n)对接收到的通信信号适当地解调。类似地，可以基于接收波束形成向量和校准向量来估计发射/下行波束形成向量。

图3是流程图300，图示了用于估计并减少干扰的另一个实施方式。流程图300与图2的流程图200相似，除了现在用步骤306替换步骤206和208外，在步骤306中，通过编码信道中的训练序列s(n)的帮助来估计空域特征。步骤302、304、308和310与图2的步骤202、204、210和212一样。由于无线通信系统完全知道训练序列中的内容，所以应当更容易检测空域特征和评估其它干扰。

图4是流程图400，图示了本公开内容的另一个实施方式。步骤402-412分别与步骤202-212相同，然后在步骤414中，从y(n)导出编码信道的信号s(n)。一旦导出s(n)，则在步骤416中，将它插回公式 $a=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s*\left(n\right)X\left(n\right)/\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s\left(n\right)\right|}^2$ 来得到要用于其它信道的更优空域特征。

图5是另一个流程图500，图示了本公开内容的另一个实施方式。图500与图300相似，除了在获得y(n)之后，在步骤512中从y(n)导出信号信道的信号s(n)。然后将s(n)反馈回步骤506，在该步骤中使用训练序列更好地估计空域特征a。在另一个示例中，在步骤512之后可以暂时缓存s(n)，以使得在下一推导循环中，可以将新s(n)与存储的s(n)相比较。可以建立这两个s(n)值之间的容限，以决定是否需要将新的s(n)反馈回步骤506。因此，在不同估计循环中的s(n)值的收敛有助于获得用于减少干扰的最优空域特征。也可以由操作者将由步骤506-512形成的反馈环的重复过程设置为预定数目。

此外，在使用上述方法最终获得空域特征的估计之后，可以根据某些预定标准将当前帧的空域特征与在先前帧中获得的空域特征相比较，以保持其是最新的和准确的干扰环境。

如上所述，可以通过基站和终端两者来实现利用空信道减少干扰。通信的这两终端可以合作来更有效地来分配信道和减少干扰。传统上，由于与终端相比，基站具有更强的处理能力，所以可以在基站中执行对干扰特性的估计。然而，随着终端变得更加智能，也可以在终端上执行许多分析。于是，也可以在终端一侧实现改进的波束形成机制。

上面的公开内容提供了数种不同的实施方式或实施例，用于实现该公开内容的不同特征。另外，描述了组件的特定示例和过程来帮助阐明该公开内容。当然，这些仅仅是示例，而不是要限制权利要求中描述的公开内容。例如，上面给出的示例将CDMA技术用作例子，其中空信道是预定的编码信道。如果无线通信系统使用时分多址技术，则空信道可以是时隙。类似地，对于基于OFDM技术的系统，空信道可以是频段(frequencybin)，而对于基于FDMA技术的系统，空信道可以是副载波。

尽管已经参考本公开内容的优选实施方式具体图示并描述了本公开内容，但是本领域的技术人员应当理解，可以对其作出各种形式改变和细节改变，而不脱离本公开内容的精神和范围。

Claims (6)

1.一种利用天线阵列来减少无线通信系统中的干扰的方法，所述天线阵列使用至少一个或多个信道来与一个或多个移动终端通信，所述方法包括：

将至少一个信道分配为空信道，在所述空信道中不传输任何有效信号，以便提供所有相关干扰的协方差矩阵表示，其中所述有效信号是天线阵列试图接收的来自移动终端的信号；

基于在所述空信道上接收到的干扰和在至少一个信号信道上接收到的有效信号，分析所述至少一个或多个信道的空域特征；以及

通过利用分析出的空域特征和所有相关干扰的所述协方差矩阵表示，减少所述信号信道上的干扰，其中，所述分析还包括：

估计数据协方差矩阵Rx和Rin，其中Rin是所述空信道的协方差矩阵，并且Rx是所述信号信道的协方差矩阵；

通过寻找矩阵束{R_x，R_in}的归一化主特征向量来估计所述信号信道的空域特征；以及

基于所述空域特征和R_in，为所述信号信道获得零权重向量。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述零权重向量确定波束形成向量；

从所述波束形成向量检测所述有效信号；

进一步确定所述空域特征；以及

重复上述步骤，直到满足预定条件，其中，所述预定条件是检测到的有效信号的收敛或预定的迭代次数。

3.一种利用天线阵列来减少干扰的无线通信系统，所述天线阵列使用一个或多个信号信道来与一个或多个移动终端通信，所述系统包括用于实现下述操作的装置：

将至少一个信道分配为空信道，在所述空信道中不传输任何有效信号，以便提供所有相关干扰的协方差矩阵表示，其中所述有效信号是天线阵列试图接收的来自移动终端的信号；

基于在所述空信道上接收到的干扰和在至少一个信号信道上接收到的有效信号，分析所述信号信道的空域特征；以及

通过利用分析出的空域特征和所有相关干扰的所述协方差矩阵表示，减少所述信号信道上的干扰，其中，所述分析还包括：

估计数据协方差矩阵R_x和R_in，其中R_in是所述空信道的协方差矩阵，并且R_x是所述信号信道的协方差矩阵；

通过寻找矩阵束{R_x，R_in}的归一化主特征向量来估计所述信号信道的空域特征；以及

基于所述空域特征和R_in，为所述信号信道获得零权重向量。

4.如权利要求3所述的系统，还包括：

基于所述零权重向量确定波束形成向量；

从所述波束形成向量检测所述有效信号；

进一步确定所述空域特征；以及

重复上述步骤，直到满足预定条件，其中，所述预定条件是检测到的有效信号的收敛或者预定的迭代次数。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述空域特征是通过在所述信号信道中使用训练序列获得的。

6.一种利用天线阵列来减少无线通信系统中的干扰的方法，所述天线阵列使用一个或多个信道来与一个或多个移动终端通信，所述方法包括：

将至少一个信道分配为空信道，在所述空信道中不传输任何有效信号，以便提供所有相关干扰的协方差矩阵表示，其中所述有效信号是天线阵列试图接收的来自移动终端的信号；

基于在所述空信道上接收到的干扰和在至少一个信号信道上接收到的训练序列信号，分析所述一个或多个信道的空域特征；以及

通过利用分析出的空域特征和所有相关干扰的所述协方差矩阵表示，减少所述信号信道上的干扰，其中，所述分析还包括：

通过寻找矩阵束{R_x，R_in}的归一化主特征向量来估计所述信号信

道的空域特征，其中R_in是所述空信道的协方差矩阵，并且R_x是所述

信号信道的协方差矩阵；

基于所述信号信道的协方差矩阵和所述空域特征，为所述信号信道获得零权重向量；

基于所述零权重向量确定波束形成向量；

从所述波束形成向量检测所述训练序列信号；以及

重复上述四个步骤，直到满足预定条件，其中，所述预定条件是检测到的训练序列信号的收敛或者预定的迭代次数。

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