用于多用户无线通信系统中信道信息获取、信号检测和传输的方法与流程

本申请要求2014年10月20日提交的美国临时专利申请no.62/065,775的权益。

本发明的领域是无线通信，更具体地说，涉及用于多用户(mu)无线通信系统中的信道信息获取、信号检测和传输的方法，具体地说，涉及大规模mu多入多出(mu-mimo)系统中的信道信息获取、信号检测和传输的策略。

背景技术：

大规模mimo系统可能将传统mimo系统放大达量级的量值(例如基站(bs)处的几百个天线)，以在相同时间-频率资源中同时服务于几十个用户设备(ue)。通过主动空间复用和大阵列增益的能力，大规模mimo系统可以实现大的容量增加[1]-[3]。此外，可以通过廉价的低功率组件对此进行构建。其也具有减少空中接口的延时，简化媒体接入层，并且增加对非有意的人为干扰和有意的拥塞的鲁棒性的潜能。通常，利用上行链路与下行链路之间的信道互易性，在时分双工(tdd)模式下考虑大规模mimo系统。通过2013年12月20日提交的我们的临时专利申请61/919,032“methodforacquiringchannelstateinformationinfddmimowirelessnetworks”中所描述的方法，在频分双工(fdd)大规模mimo中使用互易性的信道估计是可能的。此外，正交频分复用(ofdm)仍是用于对于作为第4代(4g)lte通信系统的整个带宽复用ue的流行技术，并且良好地适合于mimo系统。大规模mimo通过ofdm将比通过相对简单实现方式的传统系统增加谱效率多于十倍。

当在传统tdd通信系统(例如3gpplte/lte-a)中采用mu-mimo时，ue所发送的侦听基准信号(srs)主要由bs用于测量自身与ue之间的无线信道系数。于是，所估计的信道系数用于计算用于下行链路数据传输的预编码矩阵。对于上行链路信号检测，bs必需基于首先专用于数据解调的接收到的导频信号(例如解调基准信号(dmrs))估计自身与ue之间的信道系数。然后，其计算每个无线电资源单元上的检测矩阵，以从叠加来自多个ue的信号的接收到的信号分离属于每个ue的信号。然而，该处理在大规模mimo系统中是不可行的。原因在于，由于接收天线和所复用的ue的数量分别增加到数百个以及多于十个，因此尤其是当系统带宽很大(例如20mhz)时，检测矩阵的计算需要巨大硬件资源。因此，其增加成本并且产生不可接受的处理延迟，这不满足无线电接入网(ran)的典型要求。因此，在关于大规模mimo系统的该专利中提供全新上行链路信号检测处理，以确保在减少处理延迟以满足ran的要求的同时上行链路传输的性能不比传统系统更差。图1示出上行链路中的典型mu-mimo通信系统，其中，bs1通过相同频率资源同时与三个ue2(ue1、ue2、ue3)进行通信。采用一个特定资源单元作为示例，在通过三个不同的无线信道3、h1、h3、h3之后，三个ue所发送的信号s1、s2、s3分别叠加在bs的接收天线处。组合接收机噪声n和相邻小区干扰i，bs接收到的信号可以建模为y＝h1s1+h2s2+h3s3+n+i。图2提供传统mu-mimo通信系统中的信号检测的处理。其开始于4，当bs通过数据区域中所插入的导频估计用于数据传输的特定无线电资源上的mu-mimo群组中的每个ue的信道矢量时(5)。然后，bs计算特定无线电资源的检测矩阵(6)。此后，bs将检测矩阵应用于分离属于mu-mimo群组中的每个ue的数据(7)，并且处理结束(8)。

大规模mimo系统的天线可以通过两种方式分布。第一种方式是集总式天线系统，其中，天线位于一个地方，并且如果载波频率是相对小的(例如2ghz)，则其需要大空间以固定巨大天线阵列。第二种方式是分布式天线系统，其中，所有天线划分为若干群组，并且每个群组固定在不同地方。这些群组的射频(rf)信号可以通过光纤或其它接口传递到基带。图3示出集总式天线系统，其中，具有大数量的天线9和集总式基带处理器10的bs1同时与多个ue2进行通信。图4示出分布式天线系统，其中，三个远程无线电头11通过它们自身的天线阵列9分别通过光纤12连接到公共基带处理器10，并且同时与多个ue2进行通信。

本发明提出提供信号传输和检测方法以及用于大规模mimo系统中的下行链路和上行链路传输的有关处理的实施例。

技术实现要素：

本发明提供可以实现于大规模mimo系统中以改进系统性能的通用信道获取、信号检测和传输方法以及处理流程图。本发明目的是提供一种用于大规模mimo系统的新上行链路信号检测处理。本发明的其它目的是提出当检测多个ue的信号时克服频率和时间偏移的方法。

为了检测上行链路传输中的多个ue的数据信号，在ue将数据发送到bs之前，bs必需通过采用一些特定导频信号(例如侦听基准信号(srs))估计每个ue的信道系数。当估计信道系数时，bs还需要估计每个ue的频率偏移和时间偏移。通过所估计的频率和时间偏移值，bs修改所估计的信道系数并且计算用于每个ue的有效信道矢量。然后，当接收数据信号时，bs通过有效信道矢量计算用于所复用的ue的检测矩阵。此后，其通过补偿频率和时间偏移修改检测矩阵。最后，检测矩阵应用于分离属于每个ue的数据信号。

附图说明

作为当结合附图时本发明的各个方面的以下详细描述的结果，将更清楚地理解本发明的前述实现方式以及附加实现方式。贯穿附图的若干视图，相同标号指代对应部分。

图1示出典型mu-mimo通信系统。

图2示出用于传统通信系统中的信号检测的方法。

图3示出集总式天线mimo系统。

图4示出具有三个天线群组的分布式天线mimo系统。

图5示出无线电时间-频率资源的结构。

图6示出资源块的结构。

图7示出当对于srs预留一个码元时的子载波子集。

图8示出当对于srs预留一个码元时在第m接收天线与第kue之间的所估计的信道。

图9示出当对于srs预留两个码元时的子载波子集。

图10示出当对于srs预留两个码元时在第m接收天线与第kue之间的所估计的信道。

图11示出用于该专利中的信道信息获取的方法。

图12示出用于集总式天线系统的检测矩阵计算和应用的方法。

图13示出用于分布式天线系统的检测矩阵计算和应用的方法。

图14示出用于下行链路中的集总式和分布式天线系统的预编码矩阵计算和应用的方法。

具体实施方式

对于采用tdd模式的大规模mu-mimoofdm通信系统，用于上行链路和下行链路的时间和频域中的无线电资源分配示出于图5中。在该图中，在频域中的整个带宽和时域中的tf所表示的连续时间持续期构成的帧单元13中组织资源。一个帧进一步划分为n个子帧14，其中，分别对于下行链路和上行链路传输预留n1和n2＝n-n1个子帧。注意，下行链路和上行链路子帧的数量和指数在帧中是可配置的。一个子帧包括时域中的nsym个ofdm码元15，并且对于srs传输预留两个码元16。图5示出帧和子帧结构的示例。一个子帧包括多个资源块(rb)，其中，一个rb包括频域中的nsc个连续子载波(例如在3gpp-lte/lte-a中，nsc＝12)以及时间持续期中所有ofdm码元(例如子帧)。ofdm码元中的一个子载波称为资源元素(re)并且是最小数据传输单元。图6示出rb结构17的示例，其中，nsc＝12，nsys＝14，正方形表示一个re。对于上行链路数据传输，在子帧中的部分或整个rb中复用mu-mimo群组中的k个ue。

可以在任何上行链路子帧中发送srs。用于子帧中的srs的ofdm码元的数量是可配置的(例如，一个或两个或甚至整个子帧)。子帧中的srs码元指数可以是连续的或不连续的。如图5的示例所示，srs占据帧的第一上行链路子帧的最后两个码元。

在频域中，可使用的子载波的子集或整个可使用的子载波可以分配给一个ue，以用于srs。可以通过正交序列或半正交序列在所分配个子载波的相同子集上复用多个ue。

当在子帧中预留srs码元时，一个或两个ofdm码元可以分配给ue，以用于srs传输。图7示出所有可使用的子载波划分为两个子集的示例。总共msrs个ue分配给第一子集18，以发送srs，而其它msrs个ue分配给第二子集19。

如果ue分配一个ofdm码元以在特定子帧中发送srs，则bs将估计自身与ue之间的信道系数以及ue的时间偏移。图7中的第一子载波子集中的第kue用于示出srs传输的示例，其中，可使用的子载波划分为用于srs传输的两个子集，并且在每个子集中复用k个ue。假设子集具有np个子载波，表示为：图8示出bs的第m(m＝1、……、m)接收天线与第kue的发送天线之间的信道系数，其中，我们假设每个ue具有单个发送天线。与图7相似地，总共msrs个ue分配给第一子集18，以发送srs，而其它msrs个ue分配给第二子集19。当bs在所分配的子载波上接收信号时，其通过使用例如[5]中的方法估计ωk的第l子载波上的信道系数l＝1、……、np，m＝1、……、m。为了估计时间偏移，bs首先计算相关值。以下考虑两种情况。

对于集总式天线mimo系统(即bs的所有天线位于一个地方)，相关值是：

其中，是的共轭，δ是正整数(例如1或2)。然后，bs将时间偏移的等效相位估计为：

其中，β是比例因子，并且可以选取为其中，δ＝il+1-il并且nfft是快速傅立叶变换(fft)的大小，arg(·)表示输入复数值数的相位。注意，在此，如果β选取为则相位的单位是弧度。

对于分布式天线mimo系统(即bs的所有天线划分为nda个群组)，其中，每个群组位于不同地方，则需要单调地估计天线的每个群组的时间偏移。对于第nda群组，相关值是

并且时间偏移的等效相位估计为：

其中，表示属于第nda天线群组的天线的指数子集。

如果对ue分配多于一个的ofdm码元以在特定子帧中发送srs，则bs将估计自身与ue之间的信道系数，并且还估计ue的频率和时间偏移。

图9示出对于srs传输预留的两个码元20、21的示例，其中，可使用的子载波划分为两个子集(即第一子载波集合18和第二子载波集合19)假设第kue属于具有np个子载波的第一子载波集合，表示为图10示出bs处的第m(m＝1、……、m)接收天线与第kue的发送天线之间的信道系数。与图9相似，对于srs传输预留的两个码元20、21，其中，可使用的子载波划分为两个子集(即第一子载波集合18和第二子载波集合19)。当bs在第kue的所分配的子载波上接收信号时，其通过使用例如[5]中的方法分别在第一和第二srs码元的第l子载波上将信道系数估计为和l＝1、……np，m＝1、……m。为了估计第kue的频率偏移，bs首先计算相关值：

然后，bs将频率偏移的等效相位估计为：

其中，ns是两个srs码元之间的采样的数量。对于时间偏移，与一个srs码元情况相似，其取决于以下描述的天线的物理分布。

对于集总式天线mimo系统，bs首先计算相关值：

其中，δ是正整数(例如1或2)。然后，bs将时间偏移的等效相位估计为：

其中，β是比例因子，并且可以选取为δ＝il+1-il。

对于分布式天线mimo系统，需要单独估计天线的每个群组的时间偏移。对于第nda群组，相关值是：

并且时间偏移的等效相位估计为：

通过所估计的频率和时间偏移，修改所估计的信道系数。注意，如果对于子帧中的ue仅预留一个srs码元，则可以使用更早时间中的(6)中的所估计的频率偏移。在此情况下，取决于天线的物理分布实现所估计的信道系数的修改。

对于集总式天线系统，通过和所估计的信道系数修改为：

其中，tsrs表示子帧中的srs码元指数。

对于分布式天线系统，通过和所估计的信道系数修改为：

在如[0031]中对于每个ue预留两个srs码元的情况下，通过和取决于天线的物理分布实现所估计的信道系数的修改。

对于集总式天线系统，通过和所估计的信道系数修改为：

以及

其中，t1和t2分别表示第一和第二码元的码元指数。

对于分布式天线系统，通过和所估计的信道系数修改为：

以及

在完成所估计的信道系数的修改之后，bs计算包括用于srs的子载波子集的部分的每一连续nden个rb的bs的每个接收天线与ue的每个发送天线之间的有效信道系数。注意，nden可以是任何正实数值数(例如0.5、1或2)，其中，ndennsc和nrb/nden是整数，这nden个rb的频率带宽应小于相干带宽。仍采用[0031]中的示例，假设srs子载波子集包括于nrb个rb中，则bs需要计算第m接收天线与第kue之间的有效信道系数。对于第neh有效信道系数，其对应于子载波子集的频带然后，bs选取例如通过子集中所包括的子载波指数l从公式(13)和(14)或(15)和(16)计算的子集所表示的第kue的所修改的信道系数。此后，bs通过简单地对中的元素取平均或加权平均计算有效信道系数该处理对于m个接收天线重复，并且结果由mx1矢量表示。然后，该处理对于其它neh-1个有效矢量并且对于其它ue重复。最后，bs将每个ue的所有信道矢量以及频域中的有效信道的位置(例如对应于每个有效信道矢量的rb指数)存储在存储器中。

在上行链路传输中，当bs在上行链路子帧中从多个ue接收所叠加的上行链路数据传输信号时，其计算用于每个mu-mimo群组的检测矩阵。相似地，其还取决于天线分布。以下分别描述集总式和分布式天线系统。

对于集总式天线系统，假设分配给复用kul个ue的特定mu-mimo群组的资源包括nul个rb，则bs通过以下处理计算这nul个rb的检测矩阵。其首先读出对应于每个ue的每个rb的有效信道矢量。然后，其将这nul个rb划分为ndm个群组，其中，每个ue在群组的每个rb上具有相同有效信道矢量。此后，bs计算用于每个群组(例如第ndm群组)的检测矩阵以及对应信道矢量k＝1、……、kul，检测矩阵通过一些特定方法计算为：

共轭波束成形：

迫零：

最小均方差：

其中，并且α是所指定的参数。

在获得检测矩阵之后，根据其应用于的re的位置通过所估计的频率和时间偏移对其进行修改。例如，如果应用于具有频域中从i1到ins的子载波指数以及子帧中从1到nsym的ofdm码元指数的re，则修改为：

其中，对角矩阵dn，s写为：

对于分布式天线系统，假设分配给复用kul个ue的特定mu-mimo群组的资源包括nul个rb，则bs通过以下处理计算这nul个rb的检测矩阵。其首先读出对应于每个ue的每个rb的有效信道矢量。然后，其将这nul个rb划分为ndm个群组，其中，每个ue在群组的每个rb上具有相同有效信道矢量。此后，bs修改每个群组的每一子载波上的每个ue的有效信道矢量，例如，对于第ndm群组以及对应信道矢量群组中的每个子载波上的有效信道矢量修改为：

nda＝1,…，nda，ndm＝1，…，ndm，

其中，表示第ndm群组的子载波指数子集。最后，第ndm群组中的第n子载波的检测矩阵通过一些特定方法计算为：

共轭波束成形：

迫零：

最小均方差：

其中，在获得检测矩阵之后，根据其应用于的re的位置通过所估计的频率偏移对其进行修改，例如应用于具有频域中的第ndm群组的子载波指数n以及子帧中的从1到nsym的ofdm码元指数的re。然后，修改为：

其中，对角矩阵dn，s写为：

所修改的检测矩阵应用于每个re，然后获得属于每个ue的信号。对于[0043]中的示例，假设具有子载波指数n和码元指数s的re上的接收到信号矢量是y，则数据信号可以检测为此后，这些所检测的信号发送到解调器和信道解码器(例如turbo解码器)，以用于进一步处理。

在图11中总结信道估计和修改的处理。其开始(22)，当bs通过接收到的srs估计bs与ue之间的信道系数时(23)。接下来，bs需要指出是否ue在多于一个的ofdm码元中发送srs(24)。如果在一个ofdm码元中发送srs，则bs估计时间偏移(25)，并且通过新估计的时间偏移和较早时间中的所估计的频率偏移修改所估计的信道(26)。如果在多于一个的ofdm码元中发送srs，则bs估计ue的频率偏移和时间偏移(27)，并且通过新估计的频率和时间偏移修改所估计的信道(28)。此后，bs每nden个rb计算有效信道矢量(29)。最后，bs将有效信道矢量和所估计的频率以及时间偏移值存储在存储器中(30)，并且处理结束(31)。

关于集总式天线系统在图12中总结检测矩阵的处理和应用。其开始(32)，当bs在用于特定mu-mimo群组的所分配的资源的每个rb上读出每个ue的有效信道矢量时(33)。然后，bs将所分配的资源划分为ndm个群组，其中，群组中的每个rb上的每个ue的信道矢量是相同的(34)。然后，bs通过使用每个群组中的每个ue的有效信道矢量计算用于每个群组的检测矩阵(35)。此后，根据在子帧中应用矩阵的re的位置通过所估计的频率和时间偏移修改每个检测矩阵(36)。最后，所修改的检测矩阵应用于每个re，以分离属于每个ue的数据信号(37)，并且处理结束(38)。

关于分布式天线系统在图13中总结检测矩阵的处理和应用。其开始(39)，当bs在用于特定mu-mimo群组的所分配的资源的每个rb上读出每个ue的有效信道矢量时(40)。然后，bs将所分配的资源划分为ndm个群组，其中，群组中的每个rb上的每个ue的信道矢量是相同的(41)。接下来，bs根据应用信道矢量的子载波指数通过每个ue的所估计的时间偏移修改群组中的每个ue的信道矢量(42)。此后，bs使用每个子载波上的每个ue的所修改的信道矢量计算检测矩阵(43)。然后，通过每个ue的所估计的频率偏移，bs根据应用矩阵的子帧中的码元指数修改检测矩阵(44)。最后，所修改的检测矩阵应用于每个re，以分离属于每个ue的数据信号(45)，并且处理结束(46)。

如果对于分配用于上行链路中的数据传输的rb中的导频预留一些re，则bs将首先估计自身与ue之间的信道系数，并且然后其根据子帧的导频的位置通过所估计的频率和时间偏移修改它们。此后，所修改的信道系数用于计算ue的有效信道矢量，并且该处理与[0043]中的处理相同。最后，结果用于更新对应于bs的存储器中所存储的相同频带的信道矢量。

在下行链路传输中，bs计算用于子帧中的所有分配的rb上的每个mu-mimo群组的预编码矩阵，并且然后将它们应用于在每个re上对来自调制器的数据进行预编码。例如，如果分配给复用kdl个ue的特定mu-mimo群组的资源包括ndata个rb，则bs通过以下处理计算这ndata个rb的预编码矩阵。其首先读出对应于每个ue的每个rb的有效信道矢量。然后，其将这ndata个rb划分为npm个群组，其中，每个ue在群组的每个rb上具有相同有效信道矢量。此后，bs校准每个ue的信道矢量，例如，对于第npm群组，npm＝1、……、npm，对应有效信道矢量hk，k＝1、……、kdl计算为：

hpm，k(m)＝bmhk，k＝1，…，kdl，m＝1，…，m，(28)

其中，bm是用于第m天线的校准因子。此后，bs计算用于每个群组的预编码矩阵，例如，用于第npm群组的预编码矩阵(npm＝1、……、npm)通过一些特定方法计算为：

共轭波束成形：

迫零：

最小均方差：

其中，在获得预编码矩阵之后，根据其应用于的re的位置通过所估计的频率偏移对其进行修改，例如，应用于具有频域中的第npm群组的子载波指数n以及子帧中的从1到nsym的ofdm码元指数的re。然后，修改为：

其中，对角矩阵写为：

最后，预编码矩阵应用于属于第npm群组的rb。

在图14中总结该方法的处理步骤。其开始(47)，当bs在用于特定mu-mimo群组的所分配的资源的每个rb上读出每个ue的有效信道矢量时(48)。然后，bs将所分配的资源划分为npm个群组，其中，群组中的每个rb上的每个ue的信道矢量是相同的(49)。接下来，bs通过使用每个群组中的每个ue的有效信道矢量计算用于每个群组的预编码矩阵(50)。此后，根据在子帧中应用矩阵的re的位置通过所估计的频率偏移修改每个预编码矩阵(51)。最后，所修改的预编码矩阵应用于每个re，以对数据信号进行预编码(52)，并且处理结束(53)。

虽然本发明优选实施例的前面描述已经示出、描述或说明本发明的基本新颖特征或原理，但应理解，在不脱离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以进行所示的方法、要素或装置的细节的形式及其使用方面的各种省略、替换和改变。因此，本发明的范围不应限于前面描述。此外，本发明的原理可以应用于广泛范围的方法、系统和装置，以实现在此所描述的优点并且实现其它优点或同样满足其它目的。

参考文献

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