CN100525275C - Mimo-ofdm系统及其中之预编码与反馈的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)系统及其中之预编码与反馈的方法。本发明使用MIMO的通道矩阵之QR分解来参数化每一OFDM频带的通道状态信息，另外，本发明仅反馈一部分频带的积文氏旋转矩阵之θ，φ相关信息，并利用内插法来产生所有频带的积文氏旋转矩阵之θ，φ，进而能代表所有频带的通道状态信息。因此，本发明具有低复杂度与低反馈率的优点。

Description

MIMO-OFDM系统及其中之预编码与反馈的方法

技术领域

本发明涉及一种正交频分复用(orthogonal-frequency-division-multiplexing，简称OFDM)的无线(wireless)系统，且特别涉及一种天线阵列基础之多输入多输出(antenna-array-based multiple-input multiple-output简称MIMO)正交频分复用(MIMO-OFDM)系统，此系统使用MIMO的通道矩阵(MIMOchannel matrix)之QR分解(QR decomposition)来参数化通道状态信息(channel state information简称CSI)。

背景技术

无线移动通信并能负载大量的数据传输已经是现今社会的基本要求趋势，为了有效且明显地增加通道传输率(channel capacity)，于是应用了所谓的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)技术。在闭回路(closed loop)MIMO-OFDM系统中，使用空间向量编码方案(spatial vector-coding scheme)于发射端(transmitter)可实际并大量地增加通道传输率，但是，空间向量编码方案的有效性决定于接收端(receiver)所评估之MIMO通道状态信息的正确性，因此，从接收端反馈足够的参数与信息到发射端而使发射端能重现通道状态信息是重要关键，这一关键在发射天线的数目大于接收天线的数目时尤为重要。

在现存的空间向量编码方案中，有一较佳的解决途径能提供MIMO通道的最大相互信息(maximum mutual information)，其是使用每一频带之MIMO的通道矩阵H之奇异值分解(singular valuedecomposition)来参数化通道状态信息，表示为：

并应用积文氏旋转(Givens rotations)所有频带的V矩阵，来产生多个积文氏旋转矩阵(Givens rotation matrix)

表示为：

$V\stackrel{\mathrm{GivensRotations}}{\→}{G}_1{G}_2...G_{\frac{(2M_T-1)M_R-M_R^2}{2}},$

再反馈所有频带的这些积文氏旋转矩阵的信息到发射端，并于发射端组合这些积文氏旋转矩阵的信息以重新获得所有频带的V矩阵，然后应用这些V矩阵于发射端的向量编码(vector coding)中。在此解决方案中，使用MIMO的通道矩阵之右/左奇异向量(right/left singularvectors)作为发射/接收权值向量(transmit/receive weighting vectors)，并使用注水能量分配(water-filing power allocation)以架构最佳的空间多路复用(optimum spatial multiplexing)系统。

显而易见地，上述解决方案具有计算量大、复杂度高、以及反馈数据过多或回传位率要求过高等的缺点。因为针对每一个频带(frequency band)，接收端都必须先由MIMO的通道矩阵H求得V矩阵，再由V矩阵求得积文氏旋转矩阵，所以计算量与复杂度自然又大又高。另外，必须反馈所有频带之积文氏旋转矩阵的信息，则反馈信息正比于频带数目，典型地频带数目可能有512，因此，反馈数据过多或回传位率要求过高的缺点昭然若显。举例而言，如果通道矩阵H之维度为2×4，则针对每一频带需要62个复数乘数的计算，且每一频带至少需要回传10个实数的信息，则总回传信息会高达5120个实数。

发明内容

本发明的目的是提供一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，此系统解决公知技术所造成之计算量大、复杂度高、以及反馈数据过多或回传位率要求过高等的缺点。

本发明的再一目的是提供一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的反馈方法，此方法可以降低复杂度，并使计算量锐减，更可以自由控制反馈数据之多寡与适应回传位率的要求。

本发明的又一目的是提供一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的预编码方法，此方法可以在反馈数据大减的情况下，保持理想的通道传输率与相互数据损失(mutual information loss)。

本发明提出一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，此系统之接收端包括：M_R个接收天线、M_R个频带解调制器、通道评估与反馈参数产生器(Channel Estimator & Feedback ParameterGenerator)、以及N个检测器(Detector)，此系统之发射端包括：向量编码矩阵(vector-coding matrix)产生器、N个编码器、M_T个频带调制器(Frequency Band Modulator)、以及M_T个发射天线。令此系统中，M_R、M_T、N、n皆为自然数，且0<n<＝N。

在本发明所提供之系统的接收端中，上述M_R个频带解调制器连接至M_R个接收天线，其解调这些接收天线所接收之信号，每一频带解调制器获得N个不同频带的频带信号(tone)。上述通道评估与反馈参数产生器连接至这些频带解调制器，其依据这些频带解调制器之输出，而评估获得N个不同频带的通道状态信息，并根据这些通道状态信息产生反馈参数，且将其反馈至发射端。上述N个检测器连接至这些频带解调制器以及通道评估与反馈参数产生器，其依据这些通道状态信息，对这些频带解调制器之输出进行解码，而获得N个接收数据向量，其中同一检测器接收所有频带解调制器所输出之相同频带的频带信号。

在本发明所提供之系统的发射端中，上述向量编码矩阵产生器根据反馈参数，产生N个空间向量编码矩阵(spatial vector-codingmatrix)W(n)，亦即，先令H(n)为第n个频带的MIMO通道矩阵，且令H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵(Lower triangular matrix)，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵(Orthonormal matrix)，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置(Complex conjugate transport)矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量(Column vector)，则：

W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]；

其中M、m为自然数，且0<M<＝M_T，上述N个编码器连接至向量编码矩阵产生器，其接收N个传输数据向量，每一传输数据向量维度为M×1，并根据这些向量编码矩阵，对这些传输数据向量进行编码，每一编码器输出M_T个相同频带的频带信号，且每一编码器所输出之频带信号是不同频带。上述M_T个频带调制器连接至这些编码器以及发射天线，其对这些编码器之输出进行调制后，再经这些发射天线输出，其中每一频带调制器接收所有编码器所输出之不同频带的频带信号。

根据本发明的实施例所述之MIMO-OFDM系统，上述之通道评估与反馈参数产生器根据这些通道状态信息，应用积文氏旋转这些MIMO通道矩阵H(n)，来产生多个积文氏旋转矩阵

并根据这些积文氏旋转矩阵之来产生反馈参数。较佳地，实施例中，此通道评估与反馈参数产生器根据这些积文氏旋转矩阵

使用delta调制(delta modulation)于θ及

以产生反馈参数。更特定地说，此通道评估与反馈参数产生器是使用有1位量化器(one-bit quantizer)或多位量化器之delta调制θ及

以产生反馈参数。

依照本发明的较佳实施例所述之MIMO-OFDM系统，接收端之通道评估与反馈参数产生器仅根据一部分频带之MIMO通道矩阵来产生这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵

并仅根据这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵之

来产生反馈参数。亦即，反馈参数中仅包括一部份频带之信息。而发射端之向量编码矩阵产生器依据反馈参数，仅产生一部分频带之并利用内插法(interpolation)以产生所有频带之

再产生所有的空间向量编码矩阵。

本发明所提供之MIMO-OFDM系统可应用于接收天线之数目小于发射天线之数目的系统，亦即，M_R<M_T。但当M_R<<M_T时，更能凸显本发明之效能。

本发明提出一种MIMO-OFDM系统内的反馈方法，其中此系统包括M_R个接收天线及M_T个发射天线，此反馈方法包括下列步骤：首先，解调这些M_R个接收天线所接收之信号，每一接收天线所接收之信号可解调而获得N个不同频带的频带信号；然后，依据所有不同频带的频带信号，而评估获得N个不同频带的通道状态信息；再将所有频带信号分成N个集合，每一集合依次包括M_R个由不同接收天线所获得之相同频带的频带信号，并依据这些通道状态信息，对每一集合的频带信号进行检测解码，而获得N个接收数据向量；同时，根据这些通道状态信息，产生并输出反馈参数至发射端，其中，令H(n)为系统内第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量，并且令空间向量编码矩阵W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]，则对每一相同频带的频带信号进行检测解码以获得所有的接收数据向量时，是相对应于使用这些空间向量编码矩阵W(n)进行编码，上述M_R、M_T、N、M、m、n皆为自然数且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

依照本发明的实施例所述之MIMO-OFDM系统内的反馈方法，其中，应用积文氏旋转这些MIMO通道矩阵H(n)，来产生多个积文氏旋转矩阵

并根据这些积文氏旋转矩阵之

来产生反馈参数。较佳地，实施例中，使用delta调制上述这些积文氏旋转矩阵

中的θ及

以产生反馈参数。更可以特定地说，使用有1位量化器或多位量化器之delta调制θ及来产生反馈参数。

依照本发明的较佳实施例所述之MIMO-OFDM系统内的反馈方法，其中，仅根据一部分频带之MIMO通道矩阵来产生这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵

并根据这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵之

来产生反馈参数。

本发明提出一种MIMO-OFDM系统内的预编码方法，其中此系统包括M_R个接收天线及M_T个发射天线，此预编码方法包括下列步骤：首先，接收由接收端所送出之反馈参数；然后，依据反馈参数来产生N个空间向量编码矩阵W(n)，亦即，令H(n)为系统内第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量，则：W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]；接着，接收N个传输数据向量，每一传输数据向量维度为M×1，并依据这些向量编码矩阵，对这些传输数据向量进行编码，每一传输数据向量经编码后获得M_T个相同频带的频带信号，且不同传输数据向量所获得之频带信号是不同频带；再对所有频带信号分成M_T个集合，每一集合依次包括N个由不同传输数据向量所获得之不同频带的频带信号，并对每一集合之频带信号进行调制后，再经这些发射天线输出，上述，M_R、M_T、M、N、m、n皆为自然数，且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

依照本发明的实施例所述之MIMO-OFDM系统内的预编码方法，其中，依据反馈参数来产生多个积文氏旋转矩阵

再由这些积文氏旋转矩阵

来产生这些N个空间向量编码矩阵W(n)。较佳地，实施例中，反馈参数是使用delta调制这些积文氏旋转矩阵

中的θ及

所产生。更可以特定地说，此反馈参数是使用有1位量化器或多位量化器之delta调制于θ及

所产生。

依照本发明的较佳实施例所述之MIMO-OFDM系统内的预编码方法，其中，依据反馈参数来仅产生一部分频带之

并利用内插法以产生所有频带之

再产生这些空间向量编码矩阵。

本发明因采用MIMO的通道矩阵之QR分解来参数化通道状态信息，而不是使用复杂的奇异值分解来参数化通道状态信息，因此，降低复杂度并使计算量锐减。另外，本发明仅反馈一部分频带之积文氏旋转矩阵之

并利用内插法来产生所有频带之积文氏旋转矩阵之进而产生所有频带之空间向量编码矩阵，因此，更可以自由控制反馈资料之多寡与适应回传位率的要求。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明较佳实施例之一种具有空间向量编码的MIMO-OFDM系统的方框图。

图2为本发明较佳实施例使用QR分解与公知技术中开回路或使用SVD分解之效能差异比较图。

图3A为如图1之MIMO-OFDM系统中通道评估与反馈参数产生器仅反馈部分频带的参数与数据的示意图。

图3B为于如图1之MIMO-OFDM系统中向量编码矩阵产生器使用成串法于反馈参数以组合所有频带信息的示意图。

图3C为于如图1之MIMO-OFDM系统中向量编码矩阵产生器使用内插法于反馈参数以组合所有频带信息的示意图。

图4为本发明较佳实施例使用内插法与成串法之效能差异比较图。

图5为本发明较佳实施例反馈频带之数目多寡之效能差异比较图。

主要元件标记说明

102：接收天线

104：频带解调制器

106：通道评估与反馈参数产生器

108：检测器

122：发射天线

124：频带调制器

126：向量编码矩阵产生器

128：编码器

202：M_R＝4，M_T＝6时的效能

204：M_R＝3，M_T＝6时的效能

206：M_R＝2，M_T＝6时的效能

402：变化大(虚线27-Taps)时的效能

404：变化小(实线12-Taps)时的效能

502：两反馈频带信号相隔的频带数目为10时

504：两反馈频带信号相隔的频带数目为50时

506：两反馈频带信号相隔的频带数目为100时

具体实施方式

观察公知技术的特征在于：使用每一频带之MIMO的通道矩阵之奇异值分解来参数化通道状态信息，再应用积文氏旋转所有频带的V矩阵，来产生多个积文氏旋转矩阵接着，反馈所有频带的这些积文氏旋转矩阵的信息到发射端，并于发射端组合这些积文氏旋转矩阵的信息以重新获得所有频带的V矩阵，然后应用这些V矩阵于发射端的向量编码中。值的疑问的是：一定必须使用奇异值分解吗？有没有其它计算较简单的方法？一定必须反馈所有频带的信息吗？有鉴于此，本发明之技术特征重点之一在于：采用MIMO的通道矩阵之QR分解来参数化通道状态信息，因此，可直接应用积文氏旋转这些MIMO通道矩阵，来产生这些积文氏旋转矩阵

本发明另一技术特征重点之一在于：仅反馈一部分频带之积文氏旋转矩阵之

再较佳地利用内插法来产生所有频带之积文氏旋转矩阵之

进而产生所有频带之空间向量编码矩阵。

图1为本发明较佳实施例之一种具有空间向量编码的MIMO-OFDM系统的方块图，请参照图1。此系统由一个发射端(transmitter)与一个接收端(receiver)所组成，且此系统为具有N个不同频带的系统。此系统之发射端包括：M_T个发射天线122、M_T个频带调制器124、向量编码矩阵产生器126、以及N个编码器128，此系统之接收端包括：M_R个接收天线102、M_R个频带解调制器104、通道评估与反馈参数产生器106、以及N个检测器108。其中，M_R、M_T、N皆为自然数。

在本发明所提供之系统的发射端中，N个编码器128接收N个传输数据向量s(n)，每一编码器128对应一个不同的频带，而每一传输数据向量维度为M×1，这些编码器128依据每一不同频带之通道状态信息(CSI)，对这些传输数据向量s(n)进行空间向量编码，亦即，依据N个向量编码矩阵W(n)，对这些传输数据向量s(n)进行编码，由于，每一个不同的频带有不同的向量编码矩阵W(n)，且每一向量编码矩阵W(n)维度为M_T×M，因此，每一编码器128输出M_T个相同频带的频带信号(tone)，且每一编码器128所输出之频带信号是不同频带，其中M、n皆为自然数，且0<M<＝M_T，0<n<＝N。请继续参照图1，M_T个频带调制器124连接至这些编码器128以及M_T个发射天线122，每一频带调制器124依序接收所有编码器128所输出之不同频带的频带信号，再对这些编码器128所输出之不同频带的频带信号进行调制后，经这些发射天线122输出无线电信号。典型地，频带调制器124的调制是反向快速傅立叶转换(IFFT)。

在本发明所提供之系统的接收端中，M_R个频带解调制器104连接至M_R个接收天线102，其解调这些接收天线102所接收之无线电信号，每一频带解调制器104获得N个不同频带的频带信号(tone)。典型地，频带解调制器104的调制是快速傅立叶转换(FFT)。通道评估与反馈参数产生器106连接至这些频带解调制器104，其依据这些频带解调制器104之输出，而评估获得N个不同频带的通道状态信息(CSI)。N个检测器108连接至这些频带解调制器104以及通道评估与反馈参数产生器106，每一检测器108对应一个不同的频带，同一检测器108依序接收所有频带解调制器104所输出之相同频带的频带信号，其依据不同频带的通道状态信息(CSI)，对这些频带解调制器104之输出进行解码，而获得N个接收数据向量

。

由上述可知，不论发射端与接收端皆利用每一不同频带之通道状态信息(CSI)，来进行编码与解码。而本发明之技术特征重点之一就是采用了MIMO的通道矩阵之QR分解来参数化此通道状态信息。因此，通道评估与反馈参数产生器106依据所有频带解调制器104之输出，而评估获得N个不同频带的通道状态信息后，根据这些通道状态信息产生与MIMO的通道矩阵之QR分解有关之反馈参数后，并将其反馈至发射端。而向量编码矩阵产生器126依据由接收端所送回之反馈参数，来产生所有不同频带的通道状态信息，亦即，产生上述N个空间向量编码矩阵W(n)，因此，令H(n)为第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量(Columnvector)，则：

W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]，

其中M、m为自然数，且0<M<＝M_T。

事实上，通道评估与反馈参数产生器106并不一定需要真正产生Q(n)，通道评估与反馈参数产生器106根据不同频带的通道状态信息，直接应用积文氏旋转这些MIMO通道矩阵H(n)，来产生多个积文氏旋转矩阵并根据这些积文氏旋转矩阵之

来产生反馈参数。而向量编码矩阵产生器126依据这些与积文氏旋转矩阵之

有关之反馈参数，直接组合而得Q(n)，并由Q(n)矩阵中的多个行向量，进一步产生上述N个空间向量编码矩阵W(n)。

此较佳实施例中，通道评估与反馈参数产生器106根据这些积文氏旋转矩阵使用delta调制θ及

以产生反馈参数。更特定地说，此通道评估与反馈参数产生器106是使用有1位量化器(one-bit quantizer)或多位量化器之delta调制θ及

以产生反馈参数。

整理上述系统之接收端的操作，可获得本发明所提出之一种MIMO-OFDM系统内的反馈方法，此反馈方法包括下列步骤：首先，解调所有M_R个接收天线所接收之信号，每一接收天线所接收之信号可解调而获得N个不同频带的频带信号；然后，依据所有不同频带的频带信号，而评估获得N个不同频带的通道状态信息；再将所有频带信号分成N个集合，每一集合依序包括M_R个由不同接收天线所获得之相同频带的频带信号，并依据这些通道状态信息，对每一集合的频带信号进行侦测解码，而获得N个接收数据向量；同时，根据这些通道状态信息，产生并输出反馈参数至发射端，其中，令H(n)为系统内第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量(Columnvector)，并且令空间向量编码矩阵W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]，则对每一相同频带的频带信号进行侦测解码以获得所有的接收数据向量时，是相对应于使用这些空间向量编码矩阵W(n)进行编码，上述M_R、M_T、N、M、m、n皆为自然数且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

此反馈方法中，可直接应用积文氏旋转这些MIMO通道矩阵H(n)，来产生多个积文氏旋转矩阵

并根据这些积文氏旋转矩阵之

来产生反馈参数。较佳地，可使用delta调制于上述这些积文氏旋转矩阵

中的θ及

以产生反馈参数。更可以特定地说，使用有1位量化器或多位量化器之delta调制θ及来产生反馈参数。

同样地，整理上述系统之发射端的操作，可获得本发明所提出之一种MIMO-OFDM系统内的预编码方法，此预编码方法包括下列步骤：首先，接收由接收端所送出之反馈参数；然后，依据反馈参数来产生N个空间向量编码矩阵W(n)，亦即，令H(n)为系统内第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量(Columnvector)，则：W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]；接着，接收N个传输数据向量，每一传输数据向量维度为M×1，并依据这些向量编码矩阵，对这些传输数据向量进行编码，每一传输数据向量经编码后获得M_T个相同频带的频带信号，且不同传输数据向量所获得之频带信号是不同频带；再对所有频带信号分成M_T个集合，每一集合依序包括N个由不同传输数据向量所获得之不同频带的频带信号，并对每一集合之频带信号进行调制后，再经这些发射天线输出，上述，M_T、M_R、M、N、m、n皆为自然数，且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

此预编码方法中，依据反馈参数来产生多个积文氏旋转矩阵

再由这些积文氏旋转矩阵

来产生这些N个空间向量编码矩阵W(n)。

图2为本发明较佳实施例使用QR分解与公知技术中开回路或使用SVD分解之效能差异比较图，请参照图2。标示202、204、206分别表示M_R＝4，M_T＝6、M_R＝3，M_T＝6、M_R＝2，M_T＝6时的效能，比较图2中的标示202、204、206，可知，本发明使用QR分解远优于公知技术中使用开回路的架构，且本发明使用QR分解几乎可获得相同于使用SVD分解的效能。但是，本发明使用QR分解可降低复杂度并使计算量锐减。举例而言，如果通道矩阵H之维度为2×4，则针对每一频带仅需要10个复数乘数的计算即可。由图2也可知，本发明所提供之架构非常适合应用于接收天线之数目小于发射天线之数目的系统，亦即，应用于M_R<M_T的系统，但当M_R<<M_T时，更能凸显本发明之效能。

图3A为如图1之MIMO-OFDM系统中通道评估与反馈参数产生器仅反馈部分频带的参数与数据的示意图，请参照图3A。接收端之通道评估与反馈参数产生器其实不一定需要反馈所有频带的信息，亦即，反馈参数中仅包括一部份频带之信息。通道评估与反馈参数产生器仅根据一部分频带之MIMO通道矩阵来产生这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵

并仅根据这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵之来产生反馈参数。如图3A所示，共有N个频带分别从1到N，但是仅反馈第3，8，13...频带的信息，亦即仅反馈空间向量编码矩阵W(3)，W(8)，W(13)有关的信息。

发射端之向量编码矩阵产生器依据反馈参数，仅产生一部分频带之

并利用成串法(clustering)或内插法(interpolation)以产生所有频带之

再产生所有的空间向量编码矩阵。由于

是积文氏旋转矩阵中的参数数据，因此，虽然经过内插法的运算，仍然可保证最后所获得之这些空间向量编码矩阵具有正交特性。图3B为如图1之MIMO-OFDM系统中向量编码矩阵产生器使用成串法于反馈参数以组合所有频带信息的示意图，图3C为如图1之MIMO-OFDM系统中向量编码矩阵产生器使用内插法于反馈参数以组合所有频带信息的示意图，请同时参照图3B与图3C。使用成串法时，由于仅单纯的将反馈参数的频带附近的频带以反馈参数的频带所获得的空间向量编码矩阵来取代，其结果明显差于使用内插法，亦即，使用内插法可较忠实的重现所有频带的空间向量编码矩阵。

整理上述系统之接收端与发射端的操作，依照本发明的MIMO-OFDM系统内的反馈方法，其中，仅根据一部分频带之MIMO通道矩阵来产生这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵

并根据这一部分频带之这些积文氏旋转矩阵之

来产生反馈参数。而依照本发明的MIMO-OFDM系统内的预编码方法，其中，依据反馈参数来产生仅一部分频带之

并利用内插法以产生所有频带之再产生这些空间向量编码矩阵。

图4为本发明较佳实施例使用内插法与成串法之效能差异比较图，请参照图4。图4是以总频带数目N为1024之系统来仿真，横轴表示反馈频带信号的数目，纵轴表示相互信息损失。标示402、404分别表示变化大(虚线27-Taps)、变化小(实线12-Taps)时的效能，由图4中的标示402、404，可知，本发明使用内插法远优于使用成串法。举例而言，以相互信息损失为10⁰＝1％为例，变化小(12-Taps)之反馈频带信号的数目，于内插法时仅需反馈约2⁴＝16个频带信号信息，于成串法时需反馈约2⁵＝32个频带信号信息。

图5为本发明较佳实施例反馈频带数目多寡之效能差异比较图，请参照图5。横轴表示平均移动速度，纵轴表示相互信息损失。标示502、504、506之线分别表示两反馈频带信号相隔的频带数目为10、50、100时的效能，由图5中的标示502、504、506，可知，反馈频带信号间相隔的频带数目愈少，则相同的相互信息损失可容许的平均移动速度愈大。举例而言，以相互信息损失为5％为例，反馈频带信号间相隔的频带数目为10时可容许的平均移动速度约为17公里/小时，而反馈频带信号间相隔的频带数目为100时可容许的平均移动速度仅约为2公里/小时。

综合图4与图5的结果，本发明仅反馈部分频带之积文氏旋转矩阵之

相关信息，并利用内插法来产生所有频带之积文氏旋转矩阵之

进而产生所有频带之空间向量编码矩阵。使用举例而言，对典型具有512频带之系统，如果通道矩阵H之维度为2×4，每一频带至少需要回传10个实数的信息，如所有频带的信息都全部反馈，则总回传信息会高达5120个实数。如每10个频带反馈1个频带的信息，则回传信息为512个实数，仅为原先的1/10。

综上所述，本发明因采用MIMO的通道矩阵之QR分解来参数化通道状态信息，而不是使用复杂的奇异值分解来参数化通道状态信息，因此，降低复杂度并使计算量锐减。另外，本发明仅反馈一部分频带之积文氏旋转矩阵之

并利用内插法来产生所有频带之积文氏旋转矩阵之

进而产生所有频带之空间向量编码矩阵，因此，更可以自由控制反馈资料之多寡与适应回传率的要求。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (23)

1.一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是包括：

M_R个接收天线；

M_R个频带解调制器，连接至上述这些接收天线，用以解调上述这些接收天线所接收之信号，每一频带解调制器获得N个不同频带的频带信号；

通道评估与反馈参数产生器，连接至上述这些频带解调制器，用以依据上述这些频带解调制器之输出，而评估获得N个不同频带的通道状态信息，并根据上述这些通道状态信息产生反馈参数；

N个检测器，连接至上述这些频带解调制器以及该通道评估与反馈参数产生器，用以依据上述这些通道状态信息，对上述这些频带解调制器之输出进行解码，而获得N个接收数据向量，其中同一检测器接收所有上述这些频带解调制器所输出之相同频带的频带信号；

向量编码矩阵产生器，用以依据该反馈参数，产生N个空间向量编码矩阵W(n)，令H(n)为第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×MT的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量，则：

W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]；

N个编码器，连接至该向量编码矩阵产生器，用以接收N个传输数据向量，每一传输数据向量维度为M×1，并依据上述这些向量编码矩阵，对上述这些传输数据向量进行编码，每一编码器输出M_T个相同频带的频带信号，且每一编码器所输出之频带信号是不同频带；

M_T个发射天线；以及

M_T个频带调制器，连接至上述这些编码器以及上述这些发射天线，用以对上述这些编码器之输出进行调制后，再经上述这些发射天线输出，其中每一上述这些频带调制器接收所有上述这些编码器所输出之不同频带的频带信号，

其中，M_R、M_T、M、N、m、n皆为自然数，且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

2.根据权利要求1所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该通道评估与反馈参数产生器根据上述这些通道状态信息，应用积文氏旋转上述这些MIMO通道矩阵H(n)，来产生多个积文氏旋转矩阵G_p，q(θ，

)，并根据上述这些积文氏旋转矩阵之θ，

产生该反馈参数。

3.根据权利要求2所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该通道评估与反馈参数产生器根据上述这些积文氏旋转矩阵G_p，q(θ，

)，使用delta调制θ及

，以产生该反馈参数。

4.根据权利要求3所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该通道评估与反馈参数产生器是使用有1位量化器或多位量化器之delta调制θ及

，以产生该反馈参数。

5.根据权利要求2所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该通道评估与反馈参数产生器仅根据部分频带的上述这些MIMO通道矩阵来产生部分频带之上述这些积文氏旋转矩阵G_p，q(θ，

)，并根据部分频带的上述这些积文氏旋转矩阵之θ，

来产生该反馈参数。

6.根据权利要求5所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该向量编码矩阵产生器依据该反馈参数，仅产生部分频带之θ(n)，

(n)，并利用内插法以产生所有频带之θ(n)，

(n)，再产生上述这些空间向量编码矩阵。

7.根据权利要求1所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是M_R<M_T。

8.一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的反馈方法，其特征是该系统包括M_R个接收天线及M_T个发射天线，该反馈方法包括下列步骤：

解调M_R个接收天线所接收之信号，每一接收天线所接收之信号可解调而获得N个不同频带的频带信号；

依据所有上述这些不同频带的频带信号，而评估获得N个不同频带的通道状态信息；

将所有频带信号分成N个集合，每一集合依序包括M_R个由不同接收天线所获得之相同频带的频带信号，并依据上述这些通道状态信息，对每一集合的频带信号进行检测解码，而获得N个接收数据向量；以及

根据上述这些通道状态信息，产生并反馈一反馈参数，

其中，令H(n)为该系统内第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量，并且令空间向量编码矩阵W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]，

则对每一相同频带的频带信号进行检测解码以获得上述这些接收数据向量时，是相对应于使用上述这些空间向量编码矩阵W(n)进行编码，

其中，M_R、M_T、M、N、m、n皆为自然数且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

9.根据权利要求8所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的反馈方法，其特征是，应用积文氏旋转上述这些MIMO通道矩阵H(n)，来产生多个积文氏旋转矩阵G_p，q(θ，

)，并根据上述这些积文氏旋转矩阵之θ，

产生该反馈参数。

10.根据权利要求9所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的反馈方法，其特征是，使用delta调制上述这些积文氏旋转矩阵

中的θ及

以产生该反馈参数。

11.根据权利要求10所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的反馈方法，其特征是，使用有1位量化器或多位量化器之delta调制θ及以产生该反馈参数。

12.根据权利要求10所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的反馈方法，其特征是，仅根据部分频带之上述这些MIMO通道矩阵来产生部分频带之上述这些积文氏旋转矩阵

并根据部分频带之上述这些积文氏旋转矩阵之

来产生该反馈参数。

13.一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的预编码方法，其特征是该系统包括M_R个接收天线及M_T个发射天线，该预编码方法包括下列步骤：

接收反馈参数；

依据该反馈参数，产生N个空间向量编码矩阵W(n)，其中，令H(n)为该系统内第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量，则：

W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]；

接收N个传输数据向量，每一传输数据向量维度为M×1，并依据上述这些向量编码矩阵，对上述这些传输数据向量进行编码，每一传输数据向量经编码后获得M_T个相同频带的频带信号，且不同传输数据向量所获得之频带信号是不同频带；以及

对所有频带信号分成M_T个集合，每一集合依序包括N个由不同传输数据向量所获得之不同频带的频带信号，并对每一集合之频带信号进行调制后，再经上述这些发射天线输出，

其中，M_R、M_T、M、N、m、n皆为自然数，且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

14.根据权利要求13所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的预编码方法，其特征是，依据该反馈参数，产生多个积文氏旋转矩阵

再由上述这些积文氏旋转矩阵

产生上述这些N个空间向量编码矩阵W(n)。

15.根据权利要求14所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的预编码方法，其特征是，该反馈参数是使用delta调制上述这些积文氏旋转矩阵

中的θ及

所产生。

16.根据权利要求15所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的预编码方法，其特征是，该反馈参数是使用有1位量化器或多位量化器之delta调制θ及

所产生。

17.根据权利要求14所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统内的预编码方法，其特征是，依据该反馈参数，仅产生部分频带之

并利用内插法以产生所有频带之

再产生上述这些空间向量编码矩阵。

18.一种天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是包括：

M_R个接收天线；

M_R个频带解调制器，连接至上述这些接收天线，用以解调上述这些接收天线所接收之信号，每一频带解调制器获得N个不同频带的频带信号；

通道评估与反馈参数产生器，连接至上述这些频带解调制器，用以依据上述这些频带解调制器之输出，而评估获得N个不同频带的通道状态信息，并根据部分频带之上述这些通道状态信息，且应用积文氏旋转来产生多个积文氏旋转矩阵

并根据部分频带之上述这些积文氏旋转矩阵之

来产生反馈参数；

N个检测器，连接至上述这些频带解调制器以及该通道评估与反馈参数产生器，用以依据上述这些通道状态信息，对上述这些频带解调制器之输出进行解码，而获得N个接收数据向量，其中同一检测器接收所有上述这些频带解调制器所输出之相同频带的频带信号；

向量编码矩阵产生器，用以依据该反馈参数，仅产生部分频带之

再进一步产生所有频带之

而产生N个空间向量编码矩阵W(n)；

N个编码器，连接至该向量编码矩阵产生器，用以接收N个传输数据向量，每一传输数据向量维度为M×1，并依据上述这些向量编码矩阵，对上述这些传输数据向量进行编码，每一编码器输出M_T个相同频带的频带信号，且每一编码器所输出之频带信号是不同频带；

M_T个发射天线；以及

M_T个频带调制器，连接至上述这些编码器以及上述这些发射天线，用以对上述这些编码器之输出进行调制后，再经上述这些发射天线输出，其中每一上述这些频带调制器接收所有上述这些编码器所输出之不同频带的频带信号，

其中，M_R、M_T、M、N、n皆为自然数，且0<M<＝M_T，0<n<＝N。

19.根据权利要求18所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该向量编码矩阵产生器依据该反馈参数来产生上述这些空间向量编码矩阵W(n)：

令H(n)为第n个频带的MIMO通道矩阵，且H(n)之QR分解表示为：

H(n)＝R(n)Q^*(n)，

其中R(n)是维度为M_R×M_T的下三角矩阵，Q(n)是维度为M_T×M_T的正交矩阵，且Q^*(n)代表Q(n)的复数共扼转置矩阵，令Q(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_MT(n)]，其中q_m(n)代表Q(n)矩阵中的第m个行向量，则：

W(n)＝[q₁(n)q₂(n)...q_M(n)]，

其中，M、m亦为自然数。

20.根据权利要求19所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该通道评估与反馈参数产生器根据上述这些通道状态信息，应用积文氏旋转上述这些MIMO通道矩阵H(n)，来产生上述这些积文氏旋转矩阵

并根据上述这些积文氏旋转矩阵之产生该反馈参数。

21.根据权利要求20所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该通道评估与反馈参数产生器根据上述这些积文氏旋转矩阵

使用delta调制θ及

以产生该反馈参数。

22.根据权利要求21所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该通道评估与反馈参数产生器是使用有1位量化器或多位量化器之delta调制θ及

以产生该反馈参数。

23.根据权利要求18所述的天线阵列基础之多输入多输出正交频分复用系统，其特征是该向量编码矩阵产生器依据该反馈参数，仅产生部分频带之

并利用内插法以产生所有频带之再产生上述这些空间向量编码矩阵。

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