CN110417426B - 接收器、通信系统以及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本案公开一种接收器、通信系统以及检测方法，接收器包括天线以及检测电路。天线接收于一下行方向的接收信号，其中接收信号包括下行干扰信号及下行目标信号。检测电路，耦接于天线，对下行方向的接收信号进行多用户检测操作，以产生已检测干扰信号及已检测目标信号。下行目标信号是根据第一调变阶数所产生，并由第一站台所传送，其传送对象为接收器。下行干扰信号是根据第二调变阶数所产生，并由第二站台所传送，其传送对象为第二接收器。

Description

接收器、通信系统以及检测方法
技术领域
本案涉及一种接收器、通信系统以及检测方法，尤涉及一种符合低延迟要求以及低运算复杂度的接收器、通信系统以及检测方法。
背景技术
为了在确保安全性/可靠性的前提下广泛部署自动驾驶汽车(AV)，车载网络延迟需被限制在毫秒级。然而，最近AV测试中的事故证明了单一AV所能提供的计算量不足以提供维持安全/可靠所需的计算量。因此，可靠且超低延迟车载网络是必要的。在可靠和超低延迟的车载网络中，一组AP由一个服务雾/边缘计算的锚节点控制，以实现实时控制，基于这种配置，采用虚拟蜂窝的概念来整合开回路通信以及主动网络联系。
在上行链路中，每个车辆可主动联系多个AP，以建立其专属的虚拟蜂窝，以通过虚拟网络中的无线电资源分割(radio slicing)为车辆提供服务。在下行链路中，锚节点预测每个车辆欲联系的潜在AP，并因此将数据封包发送至适当AP再传至车辆。在这种情况下，不再需要耗时的换手过程(handover)。
需要注意的是，为了降低延迟(latency)，无线资源分配可能无法完美优化。举例来说，在一下行方向中，虚拟蜂窝内的多个AP可利用相同无线电资源单元(如频谱)同时传输数据/信号给不同的车辆/接收器。以接收器的观点来说，仅来自一个AP的数据/信号是目标信号，而来自其他AP的其余数据/信号是干扰。
然而，传统仰赖反馈信道状态信息(channel state information,CSI)机制(例如波束成形(beam forming)或干扰对齐(interference alignment))的干扰抑制方法无法满足超可靠低延迟通信系统(ultra-reliable low-latency communications,URLLC)对低延迟的需求。
发明内容
本案公开一种接收器，包括一天线，用来接收于一下行方向的一接收信号，其中该接收信号包括一下行干扰信号及一下行目标信号；以及一检测电路，耦接于该天线，用来对于该下行方向的该接收信号进行一多用户检测操作，以产生一已检测干扰信号及一已检测目标信号；其中，该下行目标信号是根据一第一调变阶数所产生，并由一第一站台所传送，其传送对象为该接收器；其中，该下行干扰信号是根据一第二调变阶数所产生，并由一第二站台所传送，其传送对象为一第二接收器。
本案公开一种通信系统，包括一第一接收器及一第二接收器；以及一第一站台及一第二站台；其中该第一接收器包括一天线，用来接收于一下行方向的一接收信号，其中该接收信号包括一下行干扰信号及一下行目标信号；以及一检测电路，耦接于该天线用来对于该下行方向的该接收信号进行一多用户检测操作，以产生一已检测干扰信号及一已检测目标信号；其中，该下行目标信号是根据一第一调变阶数所产生，并由一第一站台所传送，其传送对象为该第一接收器；其中，该下行干扰信号是根据一第二调变阶数所产生，并由一第二站台所传送，其传送对象为该第二接收器。
本案公开一种检测方法，包括接收于一下行方向的一接收信号，其中该接收信号包括一下行干扰信号及一下行目标信号；以及对于该下行方向的该接收信号进行一多用户检测操作，以产生一已检测干扰信号及一已检测目标信号；其中，该下行目标信号是根据一第一调变阶数所产生，并由一第一站台所传送，其传送对象为一第一接收器；其中，该下行干扰信号是根据一第二调变阶数所产生，并由一第二站台所传送，其传送对象为除了该第一接收器以外的一第二接收器。
附图说明
图1为根据本案一实施例所绘示的通信系统的示意图。
图2为根据本案一实施例所绘示的接收器的示意图。
图3为根据本案一实施例所绘示的检测流程的示意图。
图4为多个星座点及多个代表性星座点的示意图。
图5为多个星座点及多个代表性星座点的示意图。
图6为多个星座点及一代表性星座点的示意图。
图7为多个星座点及一代表性星座点的示意图。
具体实施方式
图1为根据本案一实施例所绘示的通信系统10的示意图。通信系统10包括站台AP1-AP3及接收器121、122。站台AP1-AP3可为低功率的接入点(access points，APs)，其连接于一骨干网络(backhaul network)11。骨干网络11可包括一锚节点(anchor node)110、一运算装置112及一核心网络(core network)114。运算装置112可为一计算机或一服务器。锚节点110及运算装置112可替站台AP1-AP3及接收器121、122提供一雾计算(fogcomputing)或是一边缘计算(edge computing)。骨干网络11亦可连接于一站台HPN，站台HPN可为一大型基地台(macro base station)或是一演进节点B(evolved Node B,eNB)，其皆可视为高功率节点。站台HPN可提供无线网络服务(如高数据传输率的无线网络服务)至一接收器123。
于一实施例中，通信系统10可为应用于一车载网络(vehicular network)，换句话说，接收器121及接收器122可分别设置于一第一车辆及一第二车辆(未绘示于图1)。于一上行方向(uplink，即从接收器至站台)，每一接收器(其可为121或122)可主动联系(associate)多个站台，如AP1-AP3，以形成一虚拟蜂窝(virtual cell)，而该虚拟蜂窝是用来服务该接收器。于一下行方向(从站台至接收器)，锚节点110及/或运算装置112可预测该车辆可能会与之联系的潜在站台，并传送数据封包至适当的站台，使得该站台可转传(forward)数据封包至该接收器或该车辆。于一实施例中，该第一车辆及该第二车辆可为自动驾驶车辆(autonomous vehicle)。
具体来说，接收器121及站台AP1-AP3可形成一第一虚拟蜂窝，其代表一服务区域VC1。服务区域VC1是以接收器121为导向或是以接收器121为中心的服务区域。服务区域VC1可随着接收器121移动而移动。接收器121可与第一虚拟蜂窝(或服务区域VC1)中的站台(如AP1-AP3)联系，使得接收器121可被服务区域VC1中的站台(如AP1-AP3)服务。同样地，接收器122及站台AP1、AP3可形成一第二虚拟蜂窝，其代表以接收器122为导向或是以接收器122为中心的一服务区域VC2。服务区域VC2可随着接收器122移动而移动。接收器122可与服务区域VC2中的站台(如AP1及AP3)联系，使得接收器122可被服务区域VC2中的站台(如AP1及AP3)服务。
于一实施例中，如图1的1a所示，于服务区域VC1中，站台AP1于时间t1利用无线资源单元(radio resource unit)R1将数据/信号传送给接收器121，站台AP2于时间t2利用无线资源单元R2将数据/信号传送给接收器121，站台AP3于时间t3利用无线资源单元R3将数据/信号传送给接收器121。同时，于服务区域VC2中，站台AP1于时间t2利用无线资源单元R2将数据/信号传送给接收器122，站台AP3于时间t1利用无线资源单元R1将数据/信号传送给接收器122，站台AP2因超出服务区域VC2的范围而不传送数据/信号给接收器122。无线资源单元R1/R2/R3可为特定频谱或是于正交分频多任务(orthogonal frequency divisionmultiplexing,OFDM)系统中的特定子载波集合。
对于无线资源单元R1以及时间t1，以接收器121的观点来说，站台AP3会在无线资源单元R1及时间t1处对接收器121造成干扰。另外，若站台HPN同时于无线资源单元R1及时间t1传送数据/信号给接收器123，站台HPN亦会对接收器121造成干扰。于图1的1b中，实线箭头指的是目标链接(desired links)，代表接收器121于无线资源单元R1及时间t1自站台AP1接收一下行目标信号，虚线箭头指的是干扰连结(interfering links)，代表接收器121于无线资源单元R1及时间t1自站台AP3及HPN接收多个下行干扰信号。
为了方便说明，以下说明是假设接收器121仅受到站台AP3的干扰，而忽略来自站台HPN的干扰信号。接收器121接收一接收信号y，其可表示为
y＝a1h1X1+a2h2X2+n (公式1)，
其中a1及a2分别为来自站台AP1及AP3的(接收)信号振幅，h1/h2为站台AP1/AP3与接收器121之间的通道向量，X1及X2分别为站台AP1及AP3所传送的下行信号，n为于接收器121收到的噪声，其可为零均值复数高斯分布。由公式1，假设接收器121可具有多根天线，而天线个数对应于向量y/h1/h2中的元素个数。以接收器121的观点来说，X1为下行目标信号，X2为下行干扰信号。
由公式1可知，接收信号y包括下行目标信号X1及下行干扰信号X2。另外，下行目标信号X1是以一第一调变方式产生，其对应于一第一调变阶数M1，下行干扰信号X2是以一第二调变方式产生，其对应于一第二调变阶数M2。本案的调变阶数是指在采用一特定调变方式的情况下，不同调变符元的一个数。举例来说，若下行目标信号X1为64-QAM调变而成，则第一调变阶数M1为64。调变方式对应于星座点集合，举例来说，对应于4-PAM(pulse-amplitude modulation)调变方式的一星座点集合可为{±d，±3d}，其中d为一常数。
为了自接收信号y分辨或译码出下行目标信号X1及下行干扰信号X2，接收器121可对接收信号y进行一多用户检测操作(multiuser detection,MUD)。
图2为根据本案一实施例所绘示的接收器121的示意图。接收器121包括天线ANT及一检测电路1210。天线ANT用来接收一接收信号y，检测电路1210用来对接收信号y进行多用户检测操作。于一实施例中，检测电路1210可执行一最大似然(maximum-likelihood)多用户检测操作。也就是说，在噪声n为复高斯分布的情况下，检测电路1210可取得一已检测目标信号
Figure GDA0002802677670000061
及一已检测干扰信号
Figure GDA0002802677670000062
使得||y-a1h1X1-a2h2X2||为最小。换句话说，检测电路1210可借由找出公式2的解，而取得已检测目标信号
Figure GDA0002802677670000063
及已检测干扰信号
Figure GDA0002802677670000064
Figure GDA0002802677670000065
于公式2中，MS1代表对应于下行目标信号X1的第一调变方式的一第一星座点集合，MS2代表对应于下行干扰信号X2的第二调变方式的一第二星座点集合，MS1×MS2代表MS1及MS2的一笛卡尔积(Cartesian product)集合。另外，|| ||代表一范数运算符，||u||可为向量u的Lp范数，例如，||u||可为曼哈顿范数(L1范数)、欧几里德范数(L2范数)或无限范数(L∞范数)。
接收器121的操作可归纳为一检测流程30，如图3所示。于检测流程30中，步骤302可由天线ANT来执行，而步骤304可由检测电路1210来执行。检测流程30可由特殊应用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、微控制器(MCU)或处理单元来实现，而不限于此。
需注意的是，传统多用户检测是用来解决「上行方向」的多重接入干扰(multipleaccess interference,MAI)问题，而多重接入干扰通常发生在上行方向的接收端(如大型基地台或eNB)。传统多用户检测通常由站台(如eNB)执行，以检测/译码出来自不同行动/用户装置(如用户设备或UE)的信号，而成功地检测/译码出来自不同行动/用户装置的上行信号对基地台来说是相当关键的。与先前技术不同的是，在多个虚拟蜂窝(其中多个虚拟蜂窝相互重叠)的情境之下，本案是于「下行方向」的接收端(如接收器121)进行多用户检测。进一步地，与其检测出来自所有多个站台的多个下行信号，检测电路1210仅需要解出下行目标信号X1，即使可解出已检测干扰信号
Figure GDA0002802677670000071
其最终仍会被检测电路1210丢弃。
于一实施例中，公式2所示的多用户检测牵涉对笛卡尔积集合MS1×MS2进行一穷竭搜寻(exhausted search)操作。假设MS1＝{h_1,…，h_M1}及MS2＝{k_1,…，k_M2}，其中h_m1/k_m2代表积集合MS1/MS2中的一个星座点，指标m1可为1到M1的整数，指标m2可为1到M2的整数。为了进行公式2所示的多用户检测操作，检测电路1210可对积集合MS1×MS2进行穷竭搜寻操作，以取得一双已检测信号对
Figure GDA0002802677670000072
其可将||y-a1h1X1-a2h2X2||最小化。需注意的是，MS1×MS2＝{(h_1，k_1)，…，(h_1，k_M2)，(h_2，k_1),…，(h_2，k_M2),…，(h_M1，k_1),…，(h_M1，k_M2)}，积集合MS1×MS2的一基数(Cardinality，即一集合内的元素个数)为M1·M2，也就是说，执行公式2以进行多用户检测操作的可行解集合(feasible set，即MS1×MS2)相当大，尤其是当调变阶数为高时。过大的可行解集合会增加运算复杂度。
过于沉重的运算负荷或许对基地台(eNB)来说不是太大的问题，然而，对行动装置(如接收器121)有限可负荷的运算量及功耗而言，过于沉重的运算负荷是不切实际的。为了避开执行公式2多用户检测操作所带来的庞大计算复杂度，于一实施例中，检测电路1210可形成一缩小星座点集合MS2,R为MS2,R＝{k_1',…，k_M2,R'}，而检测电路1210可借由找出公
式3的解，进行一种低复杂度多用户检测操作。
Figure GDA0002802677670000081
于公式3中，缩小星座点集合MS2,R的基数M2,R小于第二星座点集合MS2的基数M2，即M2,R＝|MS2,R|<M2＝|MS2|，其中|S|代表集合S的基数。星座点s k_1'-k_M2,R'可视为星座点k_1-k_M2中的代表性(representative)星座点。
公式2与公式3的不同之处在于，公式2中的第二星座点集合MS2被缩小星座点集合MS2,R取代，而成为公式3。需注意的是，已检测干扰信号
Figure GDA0002802677670000083
的正确与否对检测电路1210来说不重要，对检测电路1210来说重要的是运算复杂度。虽然将第二星座点集合MS2替换成为缩小星座点集合MS2,R会牺牲及已检测干扰信号
Figure GDA0002802677670000082
的错误率效能，但检测电路1210(执行公式3)可简化多用户检测操作的运算复杂度。
形成缩小星座点集合MS2,R及取得代表性星座点k_1'-k_M2,R'的操作细节叙述如下。假设下行干扰信号X2是以16-QAM(quadrature amplitude modulation,QAM)调变而成(即M2＝16)。请参考图4，图4绘示第二星座点集合MS2中的星座点k_1-k_M2(即k_1-k_16)以及缩小星座点集合MS2,R中的星座点k_1'-k_M2,R'(如，k_1'-k_4')。以第二星座点集合MS2中位于象限/卦限(quadrant/orthant)I的星座点k_1-k_4为例，星座点k_1-k_4可表示为k_1＝3d2+j·3d2，k_2＝d2+j·3d2，k_3＝3d2+j·d2及k_4＝d2+j·d2，其中d2为对应于第二星座点集合MS2的一常数。星座点k_1-k_4可以用星座点k_1'来作为其代表，换言之，以检测电路1210的角度来说，星座点k_1'可视为用来代表星座点k_1-k_4的代表性星座点，其中k_1'可表示为k_1'＝-d2,R+j·d2,R，对应于缩小星座点集合MS2,R的常数d2,R可为2·d2。相同的原则可应用于位于象限II、III、IV的星座点，而取得代表性星座点k_2'-k_4'，如图4所示。因此，检测电路1210可形成缩小星座点集合MS2,R＝{k_1'，k_2'，k_3'，k_4'}。
检测电路1210取得代表性星座点的方式并未有所限。举例来说，检测电路1210可选取一特定区域RG(如图4的象限I)并取得于特定区域RG中的多个星座点(如图4的星座点k_1-k_4)，检测电路1210可取得特定区域RG中多个星座点的一中心点(如图4的星座点k_1')作为用来代表特定区域RG中多个星座点的代表性星座点。
于一实施例中，检测电路1210可取得该中心点为特定区域RG中所有星座点的算术平均数(arithmetic mean/average)。举例来说，k_1'可为星座点k_1-k_4的算术平均数，其可表示为k_1'＝avea(k_1，k_2，k_3，k_4)＝(k_1+k_2+k_3+k_4)/4，其中avea(·)代表算术平均运算符。算术平均适用于QAM或PAM调变方式，如图4(QAM)及图5(PAM)所示。于图5，星座点k_1-k_4为以PAM调变而成。星座点k_1-k_4可表示为k_1＝c-3d，k_2＝c-d，k_3＝c+d及k_4＝c+3d，其中c及d为常数。于图5的5a中，代表性星座点k_1'代表星座点k_1-k_4。于图5的5b中，代表性星座点k_1'代表区域RG1中的星座点k_1-k_2，即k_1'＝avea(k_1,k_2)，而代表性星座点k_2'代表区域RG2中的星座点k_3-k_4，即k_2'＝avea(k_3,k_4)。
于一实施例中，检测电路1210可取得该中心点为特定区域中所有星座点的几何平均数(geometric mean/average)。如图6所示，代表性星座点k_1'可为区域RG6中的星座点k_1-k_4的几何平均数，其可表示为k_1'＝aveg(k_1,k_2,k_3,k_4)＝(k_1·k_2·k_3·k_4)1/4，其中aveg(·)代表几何平均运算符。几何平均适用于PSK(phase-shift keying)调变方式，或是FSK(frequency-shift keying)调变方式。于图6所绘示的实施例中，星座点k_1-k_4为PSK调变而成，其可表示为k_1＝r·exp(θ1)，k_2＝r·exp(θ2)，k_3＝r·exp(θ3)及k_4＝r·exp(θ4)。
于一实施例中，检测电路1210可借由计算
k_1'＝avea(aveg(k_1,k_2),aveg(k_3,k_4)) (公式4)
或
k_1'＝aveg(avea(k_1,k_3),avea(k_2,k_4)) (公式5)，
以取得该中心点，如图7所示。于图7中，星座点k_1-k_4是以APSK(amplitude andphase-shift keying)调变而成。位于区域RG7中的星座点k_1-k_4可表示为k_1＝r1·exp(θ1)，k_2＝r1·exp(θ2)，k_3＝r2·exp(θ3)and k_4＝r2·exp(θ4)。公式4及公式5适用于APSK调变方式。
于检测电路1210取得代表性星座点k_1'-k_M2,R'并形成缩小星座点集合MS2,R后，检测电路1210可通过对经过缩小的积集合MS1×MS2,R进行搜寻操作，以进行公式3中的低复杂度多用户检测操作。由于可行解集合(即积集合MS1×MS2,R)已缩小，检测电路1210应可负荷公式3的低复杂度多用户检测操作。
进一步地，公式3的逻辑可推展至多个干扰站台。举例来说，接收信号y可表示为y＝a1h1X1+a2h2X2+…+aKhKXK+n，其中X2-XK为多个下行干扰信号，h2-hK为自多个干扰站台至接收器121的多个通道向量，a2-aK为干扰信号的振幅。检测电路1210可解公式6以进行低复杂度多用户检测操作。
Figure GDA0002802677670000101
于公式6中，检测电路1210可利用与上述相同或相似的方法取得缩小星座点集合MS3,R-MSK,R，其中Mk,R＝|MSk,R|<Mk＝|MSk|，基数Mk及第二星座点集合MSk对应于下行干扰信号Xk，其中指针k可为3到K的整数。
综上所述，由于本案的多个虚拟蜂窝会相互重叠，行动接收器可进行多用户检测操作以检测/译码出下行目标信号，并将下行干扰信号丢弃。另外，借由缩小对应于下行干扰信号的星座点集合，可降低运算复杂度。
以上所述仅为本发明之优选实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。
【符号说明】
10 通信系统
11 骨干网络
110 锚节点
112 运算装置
114 核心网络
121、122、123 接收器
1210 检测电路
30 流程
302、304 步骤
AP1、AP2、AP3、HPN 站台
ANT 天线
d2、d2,R 常数
I、II、III、IV 象限
k_1～k_16、k_1'～k_4' 星座点
RG、RG1、RG2、RG6、RG7 区域
R1、R2、R3 无线资源单元
t1、t2、t3 时间
Figure GDA0002802677670000121
已检测目标信号
Figure GDA0002802677670000122
已检测干扰信号
VC1、VC2 服务区域。

Claims (6)

1.一种接收器，包括：
一天线，用来接收于一下行方向的一接收信号，其中该接收信号包括一下行干扰信号及一下行目标信号；以及
一检测电路，耦接于该天线，用来对于该下行方向的该接收信号进行一多用户检测操作，以产生一已检测干扰信号及一已检测目标信号；
其中，该下行目标信号是根据一第一调变阶数所产生，并由一第一站台所传送，该下行目标信号的传送对象为该接收器；
其中，该下行干扰信号是根据一第二调变阶数所产生，并由一第二站台所传送，该下行干扰信号的传送对象为一第二接收器；
其中该检测电路进行该多用户检测操作是通过对一积集合进行一搜寻操作来执行，该积集合为一第一星座点集合与一缩小星座点集合所形成的，该第一星座点集合的一第一基数为该第一调变阶数，该缩小星座点集合的一第二基数小于该第二调变阶数。
2.如权利要求1所述的接收器，其中该检测电路根据对应于该下行干扰信号的一第二星座点集合中的多个星座点，取得多个代表性星座点并形成该缩小星座点集合，该缩小星座点集合包括该多个代表性星座点。
3.如权利要求1所述的接收器，其中该接收信号另包括多个下行干扰信号，该多个下行干扰信号是根据多个第二调变阶数所产生，对应于一第一下行干扰信号的一缩小星座点集合的一第二基数小于对应于该第一下行干扰信号的一第二调变阶数。
4.一种通信系统，包括：
一第一接收器及一第二接收器；以及
一第一站台及一第二站台；
其中该第一接收器包括：
一天线，用来接收于一下行方向的一接收信号，其中该接收信号包括一下行干扰信号及一下行目标信号；以及
一检测电路，耦接于该天线用来对于该下行方向的该接收信号进行一多用户检测操作，以产生一已检测干扰信号及一已检测目标信号；
其中，该下行目标信号是根据一第一调变阶数所产生，并由一第一站台所传送，该下行目标信号的传送对象为该第一接收器；
其中，该下行干扰信号是根据一第二调变阶数所产生，并由一第二站台所传送，该下行干扰信号的传送对象为该第二接收器；
其中该检测电路进行该多用户检测操作是通过对一积集合进行一搜寻操作来执行，该积集合为一第一星座点集合与一缩小星座点集合所形成的，该第一星座点集合的一第一基数为该第一调变阶数，该缩小星座点集合的一第二基数小于该第二调变阶数。
5.如权利要求4所述的通信系统，其中该接收信号另包括多个下行干扰信号，该多个下行干扰信号是根据多个第二调变阶数所产生，对应于一第一下行干扰信号的一缩小星座点集合的一第二基数小于对应于该第一下行干扰信号的一第二调变阶数。
6.一种检测方法，包括：
接收于一下行方向的一接收信号，其中该接收信号包括一下行干扰信号及一下行目标信号；以及
对于该下行方向的该接收信号进行一多用户检测操作，以产生一已检测干扰信号及一已检测目标信号；
其中，该下行目标信号是根据一第一调变阶数所产生，并由一第一站台所传送，该下行目标信号的传送对象为一第一接收器；
其中，该下行干扰信号是根据一第二调变阶数所产生，并由一第二站台所传送，该下行干扰信号的传送对象为除了该第一接收器以外的一第二接收器；
其中进行该多用户检测操作是通过对一积集合进行一搜寻操作来执行，该积集合为一第一星座点集合与一缩小星座点集合所形成的，该第一星座点集合的一第一基数为该第一调变阶数，该缩小星座点集合的一第二基数小于该第二调变阶数。
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