CN101080934A - Mimo－ofdm系统中副载波及天线选择方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在一多重输入多重输出(MIMO)正交频分多工(OFDM)通讯系统中无线资源控制的方法和装置。信道尺度是为每一多个传输天线计算，副载波是根据各传输天线的信道尺度而分派给各传输天线，信号是使用在每一天线所分派的副载波传输，每一副载波的适应性调变和编码及传输功率控制可进一步根据信道尺度实施，功率控制可以根据一天线基础或是一副载波基础实施。在执行功率控制方面，可选择一传输天线的子集，且可仅用所选择的天线实施灌水法，灌水法可基于SNR取代信道回应。

Description

MIMO-OFDM系统中副载波及天线选择方法及装置

技术领域

本发明是关于一种无线通讯系统，本发明尤其是关于在一正交频分多工(OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)通讯系统中使用多天线传输一数据串流。

背景技术

OFDM是一种数据传输机制，其中数据分成多个较小的串流，且每个串流皆使用副载波传输，其具有比总有效传输频宽更小的频宽，图1所示即为在OFDM中正交副载波的图式表示。OFDM的效率取决于选择这些相互正交的副载波，换句话说，当每一个副载波携带一部份的使用者数据时，副载波之间不能互相干扰。

OFDM可说优于其他无线通讯系统，当使用者数据分成由不同副载波携带的串流时，每一个副载波的有效数据率便小得多，因此，符号的持续时间就会较大，而较大的符号持续时间可忍受较大的延迟展开，换句话说，其不会严重地受到多重路径的影响。因此，OFDM符号可忍受典型的出现在其他无线通讯系统中的延迟展开，且不需要将接收器设计复杂化以弥补多重路径延迟。

如图2所示，将数据串流分成多个平行传输串流仍维持一样的基本使用者数据率，因为每一个符号持续时间成比例的增加，所以任何延迟展开系成比例的缩小，在实作上，副载波数量是从16至2048。

OFDM的另一个优点便是，在传输器和接收器的正交副载波的产生，可使用反快速傅立叶变换(IFFT，inverse fast Fourier transform)及快速傅立叶变换(FFT)引擎完成，由于IFFT和FFT为公知技术，因此OFDM可轻易地实施，而且不需要复杂的接收器。

图3所示为一种OFDM传输器和接收器的实施例方块图。传输器和接收器的核心部分是IFFT和FFT，IFFT和FFT操作在数学上几乎是一样的，因此，IFFT和FFT运算典型地可通过一个简单的运算引擎完成。

由于OFDM所带来的利益(也即：容易实施、对较大延迟展开的抗性、以及频谱的有效利用)，OFDM在今天可说是一种较佳的无线传输机制，其用于WLAN空气介面中，例如802.11a、WMAN，例如802.16、且其为许多无线通讯标准的一部份。

多重输入多重输出(MIMO，multiple-input multiple-output)为一种无线传输和接受机制的形式，其中传输器和接收器皆使用一个以上的天线，图4所示即为一种MIMO传输器和接收器。MIMO系统利用空间多样性或是空间多工处理，改善了信号杂讯比(SNR)并增加了产量。

MIMO系统主要有两种形式，一种MIMO系统通过使用以MIMO平行传输可将传输数据率最大化，一个此种类型MIMO机制的范例为BLAST系统，在此种系统类型中，数据串流分成多个平行串流，并通过空气介面平行送出，通过使用连续的干扰消除器(SIC，successive interference canceller)形式检测器，接收器会分离和收集所有的平行串留，因此在空中的有效数据率便会增加。

另一种MIMO系统便是空间时间编码(STC，Space-Time Coding)，一个STC系统提供更强健的链结，且因此可支持较高的信号群集，换句话说，STC通过增加信号发送顺序来增加空中发送的数据率，且因此增加在空中的有效数据率，一个2×2MIMO STC的范例便为Alamouti编码。

一种增加OFDM效率的技术称作“灌水”法，且与在OFDM中选择每个副载波的传输功率有关。图5所示为一个典型的灌水程序，传输器获得信道估测(步骤1)，并反转他(步骤2)，且分派功率给对应的副载波，其是由最低点开始直到达到总传输功率(步骤3)。为了执行灌水法，传输器就需要该信道增益信号所遍布的传输带，接收器可以封闭回路方式将信道估测信号发送回给该传输器，或是传输器可根据另一侧所接收的信号来推断该信道。

图6为一种现有的MIMO系统方块图，例如VBLAST，其中该数据系转换为平行且通过多个天线传输。

图7和图8所示为一种现有机制方块图，用以控制每一天线基础的传输功率或是调变和编码机制。在现有技术中，传输功率或调变和编码机制根据平均信道增益或其他尺度决定，此机制通过允许该传输器为不同的天线分派不同的传输功率或调变和编码机制而注入了弹性，其基于每一传输天线在接收器端所见的信道回应。

图9为一种现有系统的方块图，用以在以CDMA为基础的系统中运作，其为熟知的PARC(每天线率控制)。就像典型的任何CDMA系统一样，此机制使用每一天线的全传输频宽传输，此现有系统仅满足每天线率控制，且不太适用于OFDM应用，因为他们并不使用在OFDM中所存在的副载波等级资源分派。

图10所示为另一个现有系统的方块图，称为S-PARC(选择性每天线率控制)，此机制使用每天线的全传输频宽传输，如同典型的任何CDMA系统。

现有系统并不能利用OFDM能用的副载波等级资源分派，现有系统为每一天线调整传输功率，其根据接收器由每一传输天线所视的横跨频带的平均增益，因此现有系统并不适用于OFDM系统，在OFDM系统中可使用副载波等级资源控制。

发明内容

本发明是关于一种在一MIMO-OFDM系统中无线资源控制的方法和装置。信道尺度为每一多个传输天线计算，副载波根据每传输天线的信道尺度分派给每一个传输天线，信号是使用在每一天线所分派的副载波传输，每一副载波的适应性调变和编码及传输功率控制可进一步根据信道尺度实施，功率控制可以每一天线基础或是每一副载波基础实施。在执行功率控制方面，可选择一传输天线的子集，且可仅用所选择的天线实施灌水法，灌水法可基于SNR而非信道回应，通过副载波等级资源控制和功率控制的机制，便提供了额外的弹性以最佳化该系统，且增加实作上的产量和连结限度。

附图说明

图1为在OFDM中的正交副载波表示图；

图2为将数据串流分成多个平行传输串流的表示图；

图3为一OFDM传输器和接收器的方块图；

图4为一现有的MIMO系统方块图；

图5为一种灌水法程序；

图6为一现有的MIMO系统方块图；

图7为一种在MIMO系统中控制传输功率的方法图；

图8为一种在MIMO系统中适应性调变和编码方法图；

图9为一种实施现有PARC机制的传输器方块图；

图10为一种实施现有S-PARC机制的传输器方块图；

图11为根据本发明第一实施例的副载波方派图；

图12为根据本发明第一实施例的传输器方块图；

图13为AMC表示图；

图14为本发明的灌水变异方块图；

图15为根据本发明另一实施例的传输器方块图；

图16为根据本发明的灌水技术应用表示图；

图17为根据本发明的SNR基础的灌水技术应用表示图；以及

图18为根据本发明，在一MIMO-OFDM通讯系统中副载波和天线选择程序流程图。

具体实施方式

本发明将参照附图描述，其中相同的号码代表相同的元件。

下文所述为本发明的最佳实施例，其关于副载波等级资源分派的使用，以及天线选择、调变顺序、传输功率等级、或诸如此类，以便完全利用OFDM和MIMO的能力。

本发明可实施于一无线传输/接收单元(WTRU)及一基地台中。专用术语“WTRU”包含但并未限制于，一使用者设备、一移动站台、一固定或移动用户单元、一呼叫器或可在一无线环境下操作的任何形式的装置。专用术语“基地台”包含但并未限制于，一节点B、一站台控制器、一存取点或是在无线环境下任何形式的介面装置。

图11为根据本发明第一实施例的副载波等级资源分派表示图。信道尺度为每一多个传输天线计算，且副载波根据信道尺度分派给每一个传输天线。再者，信号是使用在每一天线所分派的副载波传输，每一副载波的适应性调变和编码及传输功率控制可进一步根据信道尺度实施，功率控制可以每一天线基础或是每一副载波基础实施。在执行功率控制方面，可选择一传输天线的子集，且可仅用所选择的天线实施灌水法，灌水法可基于SNR而非信道回应，通过副载波等级资源控制和功率控制的机制，便提供了额外的弹性以最佳化该系统，且增加实作上的产量和连结限度。

由于并非所有的MIMO信道都具有相同的行为，有些信道比其他信道更为衰弱，且信道回应是一种随时间变化的行为，且其为频率选择。通过所有的天线传输所有副载波并非最佳化，当一组副载波在具有足够品质维持在一固定平均传输功率的信道上传输时，会具有较佳的总连结品质。

图12为根据本发明的传输器100方块图。传输器100包含多个天线102、序列平行转换器104、信道估测器106、副载波调变单元108、以及一控制器110。一个序列输入数据被转换成多个平行数据串流，每个数据串流由该副载波调变单元108进行调变，转送至每一个传输天线102以便传输。

信道估测器106由每个传输天线102的测量或是品质指示器来计算尺度，信道尺度可由该传输器100以一个开放回路方法估测，或是以一个封闭回路方法尤其他通讯实体报告。在开放回路的例子中，信道估测器106由接收信号执行信道估测，而在封闭回路的例子中，由传输器100接收通讯信号的通讯实体执行信道估测，并且回报给该传输器100。

每个数据串流是由副载波调变单元108根据控制器110的输出信号进行调变，该控制器110为每一个传输天线102选择所有副载波的子集或是不选择副载波，其是根据每一天线102的信道尺度，举例来说，如果以信道增益作为信道尺度，则超过一预设门槛值时控制器110会选择副载波。一个不同的、相同的、重叠的副载波集合可能会分派给每一天线。

选择性地，传输器100可更进一步的执行每一传输天线的适应性调变和编码(AMC)以及功率控制，传输器100在包含每一天线的一AMC单元112及/或一增益114，并调整每一传输天线的调变顺序/编码速率及/或传输功率(每天线功率控制)，其根据每一传输天线102的信道尺度。

图13所示为每一传输天线的AMC机制，如图13所示，可根据每一传输天线102的信道尺度，实施不同的调变顺序或编码速率。该AMC单元112根据来自控制器110的控制信号，来调整用于每一传输天线102的数据串流的调变顺序及/或编码速率。

每一传输天线的传输功率等级于增益装置114上调整，其根据来自控制器110的控制信号，该传输功率控制可为开放回路或是封闭回路。

图14为本发明另一较佳实施例的方块图。传输器100除了第一实施例的元件之外，还包含一映射器118，用以映射每一个数据串流至一传输天线102。该映射器118选择一个传输天线102，并且根据来自控制器110的控制信号，交叉连结每一个数据串流至一传输天线102。

在此实施例中，该MIMO机制选择一或多个天线以传输，其根据使用报告或估测的测量及品质指示器所计算的尺度，除此之外，该机制还选择所有可用的副载波或是其子集以传输，换句话说，该机制选择最佳天线或是一组天线及副载波的组合。值得注意的是，如果需要弹性运用的话，每个天线的该子集或是副载波可不相同，而如果要简单实施的话，则也可强迫其皆相同，这给了系统操作员弹性以解决较佳连结限度及较佳产量之间的分歧，且在排程期间的资源分派上也有更多的弹性。

并非所有的MIMO信道行为皆相同，有些比其他信道更为衰弱，或是表现出与其他信道的不适关联，此行为为一种随时间变化以及频率选择的行为，因此，在所有的信道传输所有的副载波并非最理想，当一组副载波在较佳品质的信道上，以在任何合适功率频谱密度需求内的一定的平均传输功率传输时，便会达到较佳的连结品质。

此实施例会识别出每一MIMO信道品质，且每个OFDM副载波(信道)通常会不相同且随时间变化，而聪明的使用这些信道便能获得差异/能力的优势。信道品质可发送至传输器，或是由传输器消除，在某些实施上，复杂度和规范可能会限制天线/频率的弹性。

根据本发明的另一实施例，传输器100更执行每个副载波的传输功率控制，图15变为根据本发明第二实施例的传输器100方块图，传输器100除了第一实施例的元件之外，还包含每一传输天线102的一副载波TPC单元116。

副载波TPC单元116根据控制器110的控制信号，调整每一副载波的传输功率等级，副载波等级传输功率控制较佳地是使用灌水法技术，然而也可使用其他技术。每一副载波的传输功率等级根据每一副载波的信道回应调整，因此，每一副载波或一群副载波的横跨频带的传输功率等级便不相同。

灌水法演算法较佳地是于所有天线和所有的副载波上运行，并且调整每一副载波的传输功率等级，然而，有时候并不需要这么做。当使用一组N传输天线以及M接收天线时，接收器的复杂度典型地与M4N4成比例，换句话说，接收器的复杂度会受到传输器和接收器天线数量的影响，除此之外，一般情况下，并非所有的天线信号都会在所需的信道状况下传输。

本发明的另一实施例便是上述灌水法技术的加强版，根据本实施例，选择一传输天线的子集以传输，且仅在所选传输天线上使用灌水法，图16所示即为根据每一传输天线的信道回应选择传输天线。在图16中，天线102a、102c、102d被选择用以传输，而102b被排除在传输之外，在选择一个传输天线的子集之后，例如选择天线102a、102c、102d，灌水法技术或是其他技术便可用于所选的传输天线上。

传输天线102的数量维持在一个合理的数量，(可为预设)，且让接收器复杂度维持在低点，同时，通过选择最佳天线组合，总体效能也保持在一定水准。

根据本发明的另一实施例，灌水法系基于SNR实施，而非信道回应。此技术考虑到出现在每一副载波的杂讯等级，典型地，背景杂讯会被当作白噪点，换句话说，背景杂讯假设为所有副载波的相同等级，此种假设对由未经许可的频带来说并非正确，在未经许可的频带中，其他传输可能会与在传输频带的部分副载波重叠，且接收信号可不管信道回应而限制在干扰的不同等级，因此，SNR可以提供每一副载波或副载波群较佳的尺度，然而也可以使用其他干扰/杂讯/信号测量，像是信号干扰比(SNR)或是信号干扰杂讯比(SINR)。背景杂讯等级可不同于或部分不同于频谱，且因此较佳的解决方案可能会与假设平滑杂讯频谱有所不同。

图17说明SNR基础的灌水法机制，图17也展现OFDM频谱的信道回应和SNR。根据SNR来选择副载波并分派传输功率，与图16相比，其灌水法基于信道回应，在图17中，新加入了一些副载波，也移除了一些副载波。除了信道回应之外，在横跨频谱的背景杂讯等级改变时，此实施例提供并保存其高效能。

图18为在一MIMO-OFDM通讯系统中，副载波和天线选择的程序200流程图。获取每一多个传输天线的信道尺度(步骤202)。副载波根据每一天线的信道尺度分派给每一天线(步骤204)。信息是使用在每一天线分派的副载波传输(步骤206)。AMC可以每天线基础、每副载波或副载波群基础执行，功率控制可以每天线基础或每副载波基础执行，在执行每副载波基础的功率控制中，可选择传输天线的子集且仅在该选择的天线中实施灌水法，灌水法可基于SNR而非信道回应。

图12、图13、以及图15的元件可使用一单一的集成电路(IC)实施，像是一应用特定集成电路(ASIC)、多ICs、离散元件或是ICs及离散元件的组合。

尽管本发明已经参照说明用的实施方式描述，此描述并未被视为其限制。该说明用的实施方式及本发明实施方式的不同修改和组合，对本领域普通技术人员来说是显而易见的，因此附上的权利要求项将包含任何修改或实施方式。

Claims (30)

1.一种多重输入多重输出正交频分多工通讯系统的方法，其步骤包含：

获得每一多个传输天线的信道尺度；

根据各天线的信道尺度分派副载波给每一天线，其中一可能的副载波分派不会是所有副载波；以及

使用在各天线的所分派的副载波来传输信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其步骤还包含：

为每该天线执行适应性调变及编码。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该为每该天线执行适应性调变及编码是根据天线基础来执行。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该为每该天线执行适应性调变及编码还根据副载波基础来执行。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该为每该天线执行适应性调变及编码还根据副载波群基础来执行。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其步骤更包含：

实施该分派副载波的全天线功率控制。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各副载波的传输功率是根据该信道尺度调整。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其步骤还包含：

选择一传输天线子集，藉此仅为该选择的传输天线调整各副载波的传输功率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该选择天线的数量为预设。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该信道尺度为一信号杂讯比。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该信道尺度为一信道回应。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其步骤还包含：

选择一传输天线子集，藉此仅分派副载波给该所选传输天线。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该信道尺度是通过一传输器以一开放回路方式估测。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该信道尺度是以一封闭回路方式报告给该传输器。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其步骤还包含：

将数据串流映射及交叉连结至一天线。

16.一种在一正交频分多工通讯系统中传输信号的传输器，该传输器包含：

多个传输天线；

一信道估测器，用以获得各多个传输天线的信道尺度；以及

一控制器，用以根据各天线的信道尺度来分派副载波给各天线，其中一可能的副载波分派不会是所有副载波。

17.如权利要求16所述的传输器，其特征在于，该控制器为各天线执行适应性调变及编码。

18.如权利要求17所述的传输器，其特征在于，该为各天线执行适应性调变及编码是根据天线基础来执行。

19.如权利要求18所述的传输器，其特征在于，该为各天线执行适应性调变及编码是根据副载波基础来执行。

20.如权利要求17所述的传输器，其特征在于，该为各天线执行适应性调变及编码是根据副载波群基础来执行。

21.如权利要求16所述的传输器，其特征在于，该控制器实施该分派副载波的全天线功率控制。

22.如权利要求16所述的传输器，其特征在于，各副载波的传输功率是根据该信道尺度来调整。

23.如权利要求22所述的传输器，其特征在于，该控制器选择一传输天线子集，藉此仅为该选择的传输天线调整各副载波的传输功率。

24.如权利要求23所述的传输器，其特征在于，该选择天线的数量为预设。

25.如权利要求22所述的传输器，其特征在于，该信道信号为一信号杂讯比。

26.如权利要求22所述的传输器，其特征在于，该信道信号为一信道回应。

27.如权利要求16所述的传输器，其特征在于，该控制器选择一传输天线子集，藉此仅分派副载波给该所选传输天线。

28.如权利要求16所述的传输器，其特征在于，该信道信号是通过一传输器以一开放回路方式估测。

29.如权利要求16所述的传输器，其特征在于，该信道信号是以一封闭回路方式报告给该传输器。

30.如权利要求16所述的传输器，其特征在于，还包含一映射器，用以将数据串流映射及交叉连结至一天线。

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