专利名称：Mimo系统及其信号接收方法和基站的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，具体地讲，涉及多用户多小区 MIMO (Multiple-Input Multiple-Out-put)系统及其信号接收方法和基站。
背景技术：
下一代移动通信将为用户提供更高的数据传输速率和更好的服务质量，系统容 量也将得到大幅度提高。MIMO系统能适应这一发展要求，因此近年来得到了迅猛的发展。 MIMO系统通过在发送端和接收端分别使用多个天线发送和接收信号，获得空间分集和复用 增益，从而能够在无需额外功耗和带宽的条件下大幅度增加系统容量，显著提高传输链路 质量、提高频谱利用率，适用于高速率的音频、视频多媒体业务。目前，点对点的单用户MIMO 系统的研究已经日趋成熟，点对多点的多用户MIMO系统(MU-MIMO)成为了新的研究热点。 图1示出多用户MIMO系统的示意图。例如，在实际的无线局域网(WLAN)以及蜂窝通信系统 中，一个基站通常与多个用户同时通信，用户具有一根或多根天线，基站则具有多根天线。 多用户MIMO具有很多优点多天线带来的分集增益能够提高误比特率性能，多天线的复用 增益可以扩大系统的吞吐量，多天线带来的方向性增益可以从空间上区分多用户，从而消 除用户间干扰。在实际的蜂窝通信系统中，往往采用多小区制构架，而从形成多用户多小区 MIMO系统。在多用户多小区MIMO系统中，由于每个小区内采用统一的频率复用和正交多 址接入方案，如频分多址(Frequency Division MultipleAccess，FDMA)、单载波频分多 址(Single-Carrier Frequency DivisionMultiple Access, SC-FDMA)、时分多址(Time Division MultipleAccess, TDMA)，小区内的干扰一般认为是可以忽略的，因此小区间的共 道干扰(Co-Charmel Interference,CCI)成为限制系统性能的一个主要因素。小区间的共 道干扰即为不同小区内的两个发射端因使用同一频段造成的干扰。传统的消除CCI的干扰 处理方法主要依靠无线资源分配技术，比如频率复用样式的精心设计、精确的功率控制、准 确的扩频码的分配。但是以上传统技术可能会降低可达的频谱效率，也可能会导致不适当 的CCI的抑制。基于信息理论对多小区网络的容量分析，采用基站间协作来发掘系统潜在容 量的增强的接收技术被提出。最简单的基站间协作是假设系统中有一个中心处理节点 (Central Processing Unit, CPU)来处理和协调各个基站，然而这种基于CPU的构架有多 个缺陷中心处理节点是一个潜在的失效节点，因而整个系统易瘫痪；再者，由于多用户检 测(Multi-User Detection,MUD)的算法复杂性主要受用户数目的影响，因此拥有一个中心 处理节点会增加潜在的过量的计算负担和巨大的交互信息流量。现有的与多用户多小区MIMO系统上行链路的信号接收相关的算法，包括单小区 单用户(Single-cell Single-user)检测算法，即非协作的检测算法(以线性迫零算法 (Linear Zero Forcing,LZF)为代表)、以及最大似然检测算法(Maximum Likelihood,ML) 下面我们分别介绍这几种算法。
1)单小区单用户非协作检测算法单小区单用户检测算法是指在每个基站采用一定的算法进行单用户检测，接收到 的与之处于共道干扰的其它小区的用户的信号，被简单的当做噪声处理，即不考虑共道干 扰的用户的信号。这类算法未使用基站间的协作通信，以线性迫零算法(LZF)为代表，可简 单描述如下在准静态衰落信道下，接收机t时刻收到的信号矢量可以表示为rt = Hxt+nt (1)其中rt表示nKX1的接收信号矢量，!!是！！一叫维信道响应矩阵，&是％><1的发送信 号矢量，nt是ηκΧ1的AWGN噪声矢量，其每个分量都是均值为零、方差为的σ 2的相互独立 的正态分布随机变量。LZF算法的目的是首先检测某一层的发送信号，然后从其它层中抵 消这一层信号造成的干扰，逐次迭代，最后完成整个信号矢量的检测。令S = {、，&，···，&,} 表示自然序数{1，2，···，％}的某种排列，LZF算法的流程可描述如下初始化i= 1 = H+；迭代过程。二 arg min ||(φ ||2 (2)
^￠{^,52,---,5,.!}乂WSI=(GI)SI(3)= Ws,ri(4)=Qiys,)(5)
_7]rM = T1 - {Η)\(6)Gl+l = H^1(7)i = i+1 (8)式中，H+表示Moore-Penrose广义逆；表示令S1, S2,…Si列为0得到的矩阵
的广义逆；(GA.表示矩阵Gi的第j行；Q( ·)函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解调。由于忽略了共道干扰CCI的影响，这类单用户检测算法具有较低的复杂度，但性 能也较差。2)最大似然检测算法(ML)最大似然联合检测算法(ML)可描述如下对(1)式，算法采用最小化(9)式进行 检测
nRm(xt\rt,H) = Y^rtt - HiXl |2 (9)其中、表示A的第i(i = 1，2，…ηκ)个分量汛表示H的第i(i = 1，2，-nE) 行，即为1Χητ向量；&是％\1的发送信号矢量。基于(9)式的译码是一个非常复杂的过 程，特别是当ηκ较大时。在多用户MIMO系统环境下，考虑共道干扰的影响时，需采用联合 最大似然检测，这时需要知道基站与所有共道干扰用户的信道矩阵信息。实际运用中多采 用降低了复杂度的球译码算法来帮助解决ML检测器的译码，并且球半径会根据当时的信噪比环境进行自适应调节。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种MIMO系统及其信号接收方法和基站， 使得相比于目前的检测算法，能较好的解决共道干扰的问题，较大地提升系统性能，并拥有 可接受的复杂度。按照本发明的第一方面，提供了一种用于多用户多小区MIMO系统的信号接收方 法，包括对基站的本小区移动台和邻近小区中与本小区移动台处于共道干扰的移动台进 行联合检测，获得联合检测的接收信号；根据联合检测的接收信号计算基站的本小区移动 台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据；获得其它基站的本小区移 动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据；对其它基站的本小区移 动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据、以及基站的本小区移动 台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据进行合并计算，得到本小区 移动台的接收信号的判决统计量，对接收信号进行检测判决。通过本发明的信号接收方法，可以消除共道干扰的影响，达到增强接收性能的目 的。优选地，根据联合检测的接收信号计算基站的本小区移动台的每个发送符号关于 每个调制星座点的先验概率的估计数据的步骤包括根据联合检测的接收信号基于PDA算 法计算基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据。通过使用PDA算法，简化了后验概率的求解，使得该方法在提升性能的同时拥有 可接受的复杂度。优选地，获得其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先 验概率的估计数据的步骤包括在各个基站间采用的客户端-服务器的交互模式进行协作 通信，以获得其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的 估计数据。基站作为客户端，每个基站都会收到多份自己需要检测的用户的软判决信息数 据，使相邻的小区受益。优选地，信号接收方法还包括对基站通过信道估计得到信道状态信息Gk Gk =、Hkk,Hka、,…,HkaJ对和按照以下式子进行修正 剛 Hkk =PkHkk+^1kEk
_8] Hka =PaHkai+^rPliEai 其中，M为第k个基站与本小区移动台之间的信道状态信息，/￠.为在MS；和BSk
之间的MbXMu的信道矩阵，Mb表示基站的天线数，Mu表示移动台的天线数，表示第α i 个移动台，i = 1，…(；，Cu表示有效的与本小区移动台处于共道干扰的移动台数，表示第k个基站，k= 1，…Nb，Nb表示总共的基站数，&表示;^的方差，Ε*表示/《的方差，β, 和久,表示信道估计的质量。通过对信道矩阵进行修正，纠正信道估计得到的信道状态信息非完美的问题。优选地，采用下述公式对获得其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个 调制星座点的先验概率的估计数据、以及基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调 制星座点的先验概率的估计数据进行合并计算，得到本小区移动台的接收信号的判决统计 量
CbPm(st I ycoop) = PJst I yk)l{Pm^t I /θ，
J=I并且对得到的软判决信息进行归一化处理
Z5 “ 丨 ν 、
m V H Jf coop 'h
P (s \v 、
m V t I coop JI ycoop J norm ~ ρ ^ | 少 )，
m其中，ycoop代表用于基站间协作的接收信号，yk表示第k个基站的接收信号，k = 1，…Nb，Nb表示总共的基站数，;表示第^个基站的将接受信号，j = 1，…，Cb，Cb为邻 近的基站数，St表示发送符号，t= 1,2..., MU(CU+1)，Mu表示移动台的天线数，Cu表示有效 的与本小区移动台处于共道干扰的移动台数，Pm(St|y)表示对St = iim，m= L2，…M的发 送符号的先验概率值的估计，\表示调制星座点集合中的第m个元素，Pffl(Sjycoop)表示合 成的软判决信息。
优选地，对接收信号进行检测判决包括
对每个传输符号St进行最终判决，得出& =^V，其中，m'满足下式 W' = arg maxJPdCsl 丨 ycoop\orJ。
按照本发明的第二方面，提供了一种用于多用户多小区ΜΙΜΟ系统的基站，包括 检测装置，用于对基站的本小区移动台和邻近小区中与本小区移动台处于共道干扰的移动 台进行联合检测，获得联合检测的接收信号；计算装置，用于根据联合检测的接收信号计算 基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据；交互装 置，用于获得其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的 估计数据；判决装置，用于对其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座 点的先验概率的估计数据、以及基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点 的先验概率的估计数据进行合并计算，得到本小区移动台的接收信号的判决统计量，对接 收信号进行检测判决。通过本发明的用于多用户多小区MIMO系统的基站，可以消除共道干扰的影响，达 到增强接收性能的目的。优选地，计算装置根据联合检测的接收信号基于PDA算法计算本小区移动台的每 个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据。通过使用PDA算法，简化了后验概率的求解，在提升性能的同时拥有可接受的复 杂度。
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优选地，交互装置通过在各个基站间采用的客户端-服务器的交互模式与其它基 站进行协作通信，以获得其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的 先验概率的估计数据。交互装置主要使相邻的小区受益。基站作为客户端，每个基站都会收到多份自己 需要检测的用户的软判决信息数据。
优选地，该基站还包括信道估计装置，对基站通过信道估计得到信道状态信息
Gk
对// 和H 二按照以下式子进行修正Gk=[Hkk,Hkay;Hi]
Hkk =PkHkk+^P1kEk Hka -^JaEai
其中，为第k个基站与本小区移动台之间的信道状态信息，^￠.为在MS；和BSk
之间的MbXMu的信道矩阵，Mb表示基站的天线数，Mu表示移动台的天线数，表示第α i 个移动台，i = 1，…(；，Cu表示有效的与本小区移动台处于共道干扰的移动台数，表示 第k个基站，k= 1，…Nb，Nb表示总共的基站数，&表示丑丨的方差，表示的方差，β, 和A^1表示信道估计的质量。通过对信道矩阵进行修正，纠正信道估计得到的信道状态信息非完美的问题。优选地，判决装置采用下述公式对从其它基站获得的与本小区移动台相关的每个 发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据、以及计算的基站本小区移动台的每 个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据进行合并计算，得到本小区移动台 的接收信号的判决统计量PrM I yC0J = PMI yk)f\Pm^t I /O，
7=1并且对得到的软判决信息进行归一化处理 P I v、 _ ^mist I ycoop)I ycoop J norm ~ ρ ^ | 少 )
m其中，ycoop代表用于基站间协作的接收信号，yk表示第k个基站的接收信号，k = 1，…Nb，Nb表示总共的基站数，;表示第^个基站的将接受信号，j = 1，…，Cb，Cb为邻 近的基站数，St表示发送符号，t= 1,2..., MU(CU+1)，Mu表示移动台的天线数，Cu表示有效 的与本小区移动台处于共道干扰的移动台数，Pm(St|y)表示对St = iim，m= L2，…M的发 送符号的先验概率值的估计，\表示调制星座点集合中的第m个元素，Pffl(Sjycoop)表示合 成的软判决信息。优选地，判决装置对每个传输符号St进行最终判决，得出& = ，其中，m'满足 下式
m' 二 arg max JPd (st 丨又)norm}按照本发明的第三方面，提供了一种多用户多小区ΜΙΜΟ系统，包括如本发明第二 方面的基站。相比于现有技术，能较好的解决系统中共道干扰的问题，较大地提升系统性能，并 拥有可接受的复杂度。
图1示出了多用户MIMO系统的示意图。图2示出了按照本发明的用于多用户多/J 施例的流程图。图3示出了按照本发明的用于多用户多/J 实施例的流程图。图4示出了按照本发明的用于多用户多/J 图。图5示出了按照本发明的用于多用户多/J 框图。图6示出了按照本发明的多用户多小区(MIMO)系统的一个实施例的六边形拓扑图。图7示出了无软合并的PDA和ML联合检测算法、分布式PDA算法、单小区单用户 LZF算法、单用户ML和PDA界的性能比较。图8示出了不同信道估计质量下的分布式PDA算法性能分析。图9示出了带软合并的分布式PDA算法的收敛性质分析。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明提供一种基于分布式概率数据关联算法和基站间协作的多用户多小区 MIMO系统上行链路的信号接收方法，应用在多用户多小区MIMO系统中。在本发明的一个实 施例中，每个基站采用PDA算法对本小区用户和邻近小区中与该小区用户处于共道干扰的 用户进行联合检测，得到在当前接收信号的条件下，每个发送符号关于每个调制星座点的 先验概率的估计，再通过基站间的协作通信，交换得到的先验概率数据，最后在每个基站端 进行软信息的合并，得到判决统计量，从而完成接收信号的检测。概率数据辅助(!Probabilistic Data Association, PDA)方法最初被用于目标 跟踪，后被发展成为一种可用于替代所谓的最佳软判决方法最大后验概率(Maximum A Posteriori,MAP)解码器/检测器/均衡器的低复杂度方案，并逐渐被推广到CDMA和MIMO 系统的多用户检测中。PDA方法的主要思想是根据中心极限定理将若干变量的和近似为高斯变量。PDA 方法将当前检测符号当作随机变量，将其它层干扰近似成高斯噪声，通过这种近似，根据其 它层符号的先验信息计算与高斯变量匹配的均值和方差进而得到当前检测符号的条件概 率，该条件概率又作为检测其它层符号的先验信息，这样各层符号的条件概率得以不断迭代更新，如果两次迭代得到的某检测信号对数似然比(Log-Likelihood-Ratios，LLRs)小 于一个阈值，则说明该信号的检测已经收敛。PDA方法具有以下优点第一，它是一种自然的软输出软输出算法 (Soft-Input-Soft-Output，SIS0)，非常适用于卷积码、Turbo码、低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check,LDPC)的合并；第二，它能达到近似最优的多用户检测的性能，特别 是在CDMA(CodeDivision Multiple Access)系统下；第三，它具有较低的复杂度，当采用 BPSK (Binary Phase Shift Keying)调制时一般不超过O (L3)，这里L表示ΜΙΜΟ系统中的 发射天线数或CDMA系统中的用户数；第四，在信道非秩亏损的条件下，发射天线数或用户 数越多，系统可达的性能越好。下面介绍PDA算法PDA算法的核心思想是对噪声和层间干扰的高斯近似，这种近似简化了后验概率 的求解。PDA算法的基本流程接收信号r = Hx+n (10)其中，χ是发送矢量，H是信道矩阵，η是高斯白噪声矢量。设χ的第m个符号为当前检测符号，则
权利要求
1.一种用于多用户多小区MIMO系统的信号接收方法，包括对基站的本小区移动台和邻近小区中与所述本小区移动台处于共道干扰的移动台进 行联合检测，获得联合检测的接收信号；根据所述联合检测的接收信号计算所述基站的所述本小区移动台的每个发送符号关 于每个调制星座点的先验概率的估计数据；获得其它基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率 的估计数据；对所述其它基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概 率的估计数据、以及所述基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的 先验概率的估计数据进行合并计算，得到所述本小区移动台的接收信号的判决统计量，对 所述接收信号进行检测判决。
2.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，所述根据所述联合检测的接收信 号计算所述基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的 估计数据的步骤包括根据联合检测的所述接收信号基于PDA算法计算所述基站的所述本小区移动台的每 个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据。
3.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，所述获得其它基站的所述本小区 移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据的步骤包括在各个基 站间采用的客户端-服务器的交互模式进行协作通信，以获得所述其它基站的所述本小区 移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据。
4.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，还包括对所述基站通过信道估计得到信道状态信息Gk Gk =[Hkk,Hkai,-,HkaJ对/《和/￠.按照以下式子进行修正 Hkk= PkHkkEkK= Paflka^ ^frWaEai其中，乂为第k个基站与本小区移动台之间的信道状态信息，为在MSa,和之间 的MbXMu的信道矩阵，Mb表示基站的天线数，Mu表示移动台的天线数，MS；表示第a i个移 动台，i = 1，…Cu，Cu表示有效的与本小区移动台处于共道干扰的移动台数，表示第k 个基站，k = 1，…Nb，Nb表示总共的基站数，&表示的方差，Ε。表示的方差，/、表示信道估计的质量。
5.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，采用下述公式对获得其它基站的 所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据、以及所述 基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据进 行合并计算，得到所述本小区移动台的接收信号的判决统计量Pm^Aycoop) = Pm{st\yk)Y{PmM/J) ^J=I并且对得到的软判决信息进行归一化处理…、PmMy coop /m I ycoop ) norm 一 \ 1 η / ι、，L,pmis Ayeoap)m其中，y。。。p代表用于基站间协作的接收信号，yk表示第k个基站的接收信号，k= 1，… Nb, Nb表示总共的基站数表示第个基站的将接受信号，j = 1，…，Cb, Cb为邻近的 基站数，St表示发送符号，t= 1,2..., MU(CU+1)，Mu表示移动台的天线数，Cu表示有效的与 本小区移动台处于共道干扰的移动台数，Pm(StIy)表示对St = ^1，m= 1，2，"·Μ的发送符 号的先验概率值的估计，\表示调制星座点集合中的第m个元素，Pffl(Sjycoop)表示合成的 软判决信息。
6.如权利要求5所述的信号接收方法，其特征在于，对所述接收信号进行检测判决包括对每个传输符号St进行最终判决，得出毛= .，其中，m ‘满足下式m' = arS max 丨 。
7.一种用于多用户多小区ΜΙΜΟ系统的基站，包括检测装置，用于对基站的本小区移动台和邻近小区中与所述本小区移动台处于共道干 扰的移动台进行联合检测，获得联合检测的接收信号；计算装置，用于根据所述联合检测的接收信号计算所述基站的所述本小区移动台的每 个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据；交互装置，用于获得其它基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座 点的先验概率的估计数据；判决装置，用于对所述其它基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星 座点的先验概率的估计数据、以及所述基站的所述本小区移动台的每个发送符号关于每个 调制星座点的先验概率的估计数据进行合并计算，得到所述本小区移动台的接收信号的判 决统计量，对所述接收信号进行检测判决。
8.如权利要求7所述的基站，其特征在于，所述计算装置根据联合检测的所述接收信 号基于PDA算法计算所述本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率 的估计数据。
9.如权利要求7所述的基站，其特征在于，所述交互装置通过在各个基站间采用的客 户端-服务器的交互模式与其它基站进行协作通信，以获得所述其它基站的所述本小区移 动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据。
10.如权利要求7所述的基站，其特征在于，还包括信道估计装置，对所述基站通过信道估计得到信道状态信息Gk Gk=[Hkk,Hka^-,HkaJ对// 和按照以下式子进行修正
11.如权利要求7所述的基站，其特征在于，所述判决装置采用下述公式对从其它基站 获得的与所述本小区移动台相关的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计 数据、以及计算的基站本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估 计数据进行合并计算，得到所述本小区移动台的接收信号的判决统计量
12.如权利要求11所述的基站，其特征在于，所述判决装置对每个传输符号St进行最 终判决，得出式= ，其中，m'满足下式
13.一种多用户多小区MIMO系统，包括如权利要求7-12中任意一项所述的基站。
全文摘要
本发明公开了一种用于多用户多小区MIMO系统的信号接收方法，包括对基站的本小区移动台和邻近小区中与本小区移动台处于共道干扰的移动台进行联合检测，获得联合检测的接收信号；根据联合检测的接收信号计算基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据；获得其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据；对其它基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据、以及基站的本小区移动台的每个发送符号关于每个调制星座点的先验概率的估计数据进行合并计算，得到本小区移动台的接收信号的判决统计量，对接收信号进行检测判决。
文档编号H04L25/02GK102075224SQ20101062256
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者吕铁军, 杨少石, 龙非池 申请人:北京星河亮点通信软件有限责任公司