TW200939665A - Method and apparatus for combining space-frequency block coding, spatial multiplexing and beamforming in a MIMO-OFDM system - Google Patents

Description

200939665 ’ 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種無線通訊系統，尤其是關於在多重 輸入多重輸出(ΜΙΜΟ)正交頻分多工(OFDM)系統中，一種 結合空間頻率區塊編碼(SFBC)、空間多工(SM)以及波束成 形的方法及裝置。 【先前技術】 Ο ❹ OFDM疋一種資料傳輸機制，其係將資料分成複數個 小串流，且每個串流係使用其頻寬比總有效傳輸頻寬還小 的子載波來傳輸。OFDM的有效性是視選擇這些互相正交 的子載波而定，當每個子載波攜帶總使用者資料的一部份 時’其並不會互相影響。 ,一個OFDM系統具有勝過其他無線通訊系統的優勢， 當使用者f料分成由不同毅所西代的串麟，每個子載 波的有效㈣率就會小好，目此，符賴齡大很多^ <脚入的付現遇期可容忍較大的延遲展開，因此，其不會 又到多重餘的嚴重影響。因此，〇FDM符號可容忍延遲 展開，而不需要複雜的接收器設計，然而，典型的無線系 統需要複_頻料化制，以便抵抗多重雜的衰退。 OFDM的另—個優勢便是’在傳輪器和接收器端所產 ^的正交子魏可反触速傅立葉轉換(ifft)及快速 ，立葉轉換(FFT)引擎完成，由於财和FFT已是習知技 #，因此’ OFDMf以輕易地實施而不需要複雜的接收器。 ΜΙΜΟ所參考無線傳輸和接收_料傳輸器和接收 4 200939665 器皆使用-個以上4天線。—個⑽腿系統所佔有的優勢 在於其空間多樣性或是空間多工，且可以改善信號雜訊比 (SNR)並增加總處理能力〇 SFBC是-種用以傳輸空間多樣性編碼符號的機制，其 係在連續時槽中的鄰近子载波上，而非在相同的子載波 上。該SFBC避免了與空間時間區塊編碼(STBC)有關的快 速時間變換的問題，然而，當結合發生時，在子載波上的 頻道必須維持穩定。 〇 【發明内容】 本發明是關於一種用以在MIMO-OFDM系統中結合 SFBC、SM及波束成形的方法和裝置，該祕包含一具有 • 複數個傳輸天線的傳輸器’以及-具有複數個接收天線的 接收器。該傳輸器產生至少一資料串流及複數個空間串 流，空間串流的產生數量取決於傳輸天線的數量以及接收 天線的數量。該傳輸器根據SFBC、SM及波束成形中至少 、 其中之一來決定一傳輸機制，該傳輸器根據該所選的傳輸 © 機制，在該資料串流中傳輸資料至該接收器。 【實施方式】 本發明之較佳實施方式將參照圖式描述，其中，全文 中相同的號皆代表相同的元件。 本發明之特徵可整合至一積體電路(IC)上，或是配置在 • 一個包含許多互連元件之電路上。 - 本發明提供複數個SFBC、SM、FD和波束選擇的組 合’其係根據有效資料串流和空間串流以及傳輸和接收天 線的數量所選擇，該組合可提供設計MJMO—OFSM系統的 5 200939665 彈性，以及對任何數量的傳輸和接收天線配置的解決方 案。每該組合在效能、可靠度及資料率之間會交換，因此， 可根據某些準則來選擇組合，像是強健性、資料率、頻道 狀態或是諸如此類。資料串流的數量較佳地是根據一調變 和編碼機制所決定，該空間串流的數量則是由傳輸和接收 天線的數量所決定。 本系統運作有兩種模式：封閉回路及開放回路。封閉 回路係於當頻道狀態資訊(CSI)可供傳輸器使用時所使用， 而開放回路則是當CSI無法給傳輸器使用時所使用。可使 用一變形傳輸至遺留STA (legacy STA)，並在該處提供多樣 性的優勢。 - 在封閉回路模式中，CSI是用以虛擬地產生獨立頻道， /、係藉由在在傳輸器端預編碼，並更進一步在接收器端進 行天線處理’以便分解和對角化頻道矩陣來完成，展開益 線頻道之特徵根後，藉由使用SFBC及/或SM便能達成& ❹資料率和_性_交|。賴紙許使關單的接收器 實施，其係比最小均方錯誤_8£)接收器還簡單。此組合 方式與傳峨術比較’在較大範_有較高的總處理能 力，此技術允許每子載波功率/位元負載，並透過封閉回路 運作及CSI _來維持一個可接受的強健鍊結。本技術的 另一個優點便是，其在任何數量的傳輸器和接收器 輕易地實施。 ‘CSI可由接收n的回饋或是透過頻道相互作用在傳輸 器獲得’延遲需求和回饋資料率典型地對繼承頻率非選擇 6 200939665 1 -5. 性特徵根來說並不顯著。此外，需要一個傳輸天線校正機 制’另外’頻道品質資訊(CQI)亦被用以決定子載波群的每 一子載波之一編碼率及一調變機制。根據資料串流的數 量，該組合係以有效空間串流選擇。 第1圖所示為一個實施一封閉回路模式的 OFDM-MIMO系統1〇〇方塊圖，其係根據本發明所配置， 該系統100包含一傳輸器110及一接收器13〇。該傳輸器 110包含一頻道編碼器112、一多工器114、一功率負載單 ❹ 元116、複數個非必須的SFBC單元118、複數個序列至平 行(S/P)轉換器120、一傳輸波束成形器ι22、複數個ifft 單元124以及複數個傳輸天線126。該頻道編碼器112編碼 資料較佳地係根據一 CQI，其係由該接收器13〇所提供: 肖CQI制以歧每子毅或子做群之—編解及調變 機制，該編碼資料辛流係由該多工器114多工處理成二 多個資料串流115。 $ 。每該資料串流115之該傳輸功率等級係由該功率負載 〇 單元116所調整’其係根據該接收器130所提供的回饋 150，該功率負載單元116係提整關於每個特徵波束的資料 率之功率等級，以便平衡所有特徵波束(或子載波)之總傳輪 工六座。 該非必要的SFBC單元118在該資料串流ιΐ5上 SFBC ’ SFBC餘倾鱗㈣之特紐束和 上執行’特徵絲和子倾縣被選擇叫侧立頻道。 OFDM符號係由K子載波所攜帶，為了搭載sfbc，該子 200939665 載波係分成L _子倾(献子載断)，每軒载波 頻寬應該小於頻道的相干触，細，#組合特徵波束成 形時，此關會目為該特徵波束的鮮不敏紐而放寬。 由區塊編碼所使用的子載波群對係獨立考虞，下列為 Alammrti形式的SFBC用於〇FDM符號的一個二子：一

S -sl S2 S'

-旦非必要的SFBC單元118建構财所有子載波的 OFDM符號，則該編碼區塊係由該s/p轉換器12〇多工處 理，且輸人至該傳輸波束成職122，該傳輸波束成形器 122分配特徵波束至該傳輸天線，而該jpFT單元124則將 在頻率域的資料轉換成為時間域的資料。 該接收器130包含複數個接收天線128、複數個FFT 單元132、一接收波束成形器134、複數個非必要SFBC解 碼單元136、一解多工器138、一頻道解碼器144、一頻道 估測器140、一 CSI產生器142、以及一 CQI產生器146。 該FFT單元132將由該天線128在時間域中所接收的 樣本轉換為頻率域’該接收波束成形器134、該非必要sfbC 解碼單元136、該解多工器138、以及該頻道估測器144則 繼續處理轉換為頻率域的樣本。 該頻道估測器140產生頻道矩陣，其係使用由該傳輸 器所傳輸之一訓練序列，並且將該每該子載波(或每該子載 波群)之頻道矩陣分解成兩個波束成形單位矩陣U和V (U 為傳輸而V為接收），以及一對角矩陣D，其係藉由奇異值 200939665 分解法(SVD)或是特徵值分解法完成。該CSI產生器142由 該頻道估測結果產生CSI147,且該CQI產生器根據該解竭 結果產生一 CQI 148，該CSI及該CQI由該接收器130提 供回饋150給該傳輸器11〇。 在ηΤ傳輸天線及nR接收天線間的頻道矩陣η可如下 表示： ^ 〜…\„Τ H = Ο λ21 hll …Κ，ηΤ • · • · • · _hnR，l hnR，2 … 該頻道矩陣丑係由SVD分解如下：

H = UDVH 其中U和v係為單一矩陣，而D係為對角矩陣， [/而r e 。接著，在傳輸符號向量s方面，傳輸 欲編碼係簡單表示如下： x = Vs 該接收信號則變成如下： y - HVs + η 其中η係為注入頻道的雜訊，該接收器使用一匹配濾 波器完成分解：

VhHh ~ vhvdhuh ~ DhVh 在正規化特織束之頻道增紐，該傳輸符號 S之估 測變為： Λ s = oDhUhHvs + tj = s + η 200939665 π f執_續干擾·或是 器便可侧。的係為-對角 上對角所形成，因此，該正規侧子^炉 之特徵向量，V係為的之特徵向量，而！>係為ί之奇 異值的對角矩陣(ΗΗη之特徵根的平方根）。 如果非必要SFBC單元118及該非必要SFBC解碼單元 136分別由該傳輸器110及該接故器130移除的話，則該傳 輸器110及該接收器130可由SM使用。

在開放回賴式中，在該雜ϋ⑽中空咖率編瑪 及空間展關組合可提供多樣性，科需要CSI 147。該 CQI 148仙以決定每子紐或子毅群之—編碼率及調 變。此編碼率及調變機制決定資料串流的數量。根據該資 料串流之數量，該組合可以有效空間串流選擇。 第2圖所示為一個實施一開放回路模式的系統2⑽方 塊圖，其係根據本發明所配置，該系統2⑻包含一傳輸器 210以及一接收器230。在該開放回路模式中，在該傳輸器 210中空間頻率編碼及空間展開的組合便提供了多樣向，而 不在需要CSI。當運作於遺留IEEE 802.11a/g使用者設備 時’亦可使用此機制之變形。 該傳輸器210包含一頻道編碼器212、一多工器214、 一功率負载單元210、複數個SFBC單元218、複數個序列 至平行(S/P)轉換器220、一波束成形器網路(BFN) 222、複 數個IFFT單元224、以及複數個傳輸天線226。如同在該 封閉回路模式一般’該頻道編码器212使用CQI以決定每 200939665 子載波或子紐群之編解和觀’該 係由該多工請多工處理成二或多個資料; 晒222在空間中形成N個波束，其令㈣為天線咖之 數量’該波束係由該BFN矩陣運算偽隨機建構。用於sfbc 編碼的該獨立子載波群係於個別波束中傳輪。 在遺留支援方便，SFBC編碼可能無法執行，取而代之 的多樣性係透過波束的排列所達成，其係改善多樣性以及 遺留IEEE802.11a/g使用者設備的效能。 ❹該接受器230包含複數個接收天線231、fft單元232、 BFN234、一 SFBC解碼和組合單元236、以及一頻道解 碼器238。該FFT單元232將由該接收天線231在時間域 . 中所接收的樣本轉換成頻率域。該SFBC解碼和組合單元 236解碼並組合子載波群/特徵波束所接收的符號，並將其 由平行轉換為序列，其係使用叢集大小的習知技術。符號 係使用MRC組合，該頻道解碼器238將該組合符號解碼並 產生一 CQI240。 Ο 如果該SFBC單元218及該SBC解碼和組合單元236 之SFBC解碼功能分別由該傳輸器21〇及該接收器230移 除的話’則該傳輸器210和該接收器230可由SM使用。 根據本發明之SFBC、SM、FD及波束選擇組合的範例 係於下文中解釋。

Si表示調變符號群，長度則取決於該資料分成多少個 子載波群，子載波係分成兩個群組，每該Si包含長度為資 料之子載波數目一半的符號。 11 200939665 4x1 MIMO-OFDM (開放回路)一兩個資料串流實施例 在此實施例中，開放回路應該用以發送和回復兩個資 料串流。SM係以該固定波束成形矩陣實施，4E14兩個資 料串流係為每該子載波分成四個空間串流。 在不具有FD之SM情況下’一資料符號係經由每該空 間串流之一個子載波發送，而在具有FD之SM情況下，一 資料符號係經由每該空間串流之兩個子載波發送一。組合 ΪΊ)和非FD是可行的’其係如表21所示，表21中案例1 ❹ 和3的組合不會用來維6301每該資料串流之每該資料符號 相同的品質。 SM和具有固定波束成形矩陣的SFBC組合是可行的， 第一個選擇便是一個2x2 SFBC及兩個SM。一資料串流係 分派給該SFBC，而另一個資料串流係由SM發送，每該子 載波之兩個空間串流細由SFBC使用，而每該子載波之另 外兩個空間串流則給SM使用。在不具FD的情況下，一資 料符麟經由每_間枝之—子載波所發送，而在具有 〇 FD的情況下’一資料符號係經由每該空間串流之兩個子載 波所發送。結合FD和非FD是可行的，其係如表22所示， 此結合不會用於維持該資料串流之每該資料符號之相同品 質，其係使用SM。 第二個選擇便是使用兩個2x2 SFBC，每該資料串流係 分派給兩個分離的2x2 SFBC。每該子載波之四個空間串流 係分成兩組’每_串流—組，且每_被分派給每個 言’二(2)姆料符雜朗該固定波 28 200939665 4x2 MIMO-OFDM開玫回^ —兩資料串流實施例 在此實施例中’4x1 P极回路之兩資料串流實施例的所 有選擇皆可使用。 4x2 MIMO-OFDM開玫回路—三資料串流實施例 在此實施例中’4x1開玫回路之三資料串流實施例的所 有選擇皆可使用》 4x2 MIMO-OFDM開玫回路—四資料串流實施例 在此實施例中，4x1開玫回路之四資料串流實施例的所 〇 有選擇皆可使用。 4X3 M1MO-OFDM開玫回箱—一資料串流實施例 在此實施例中，SM係以svd波束成形實施，且三個 空間串流可供使用，具有較大奇異值的三個空間串流會被 選擇。在不具有FD情況下，一資料符號係經由每該空間串 =之-子載波發送，而在具^情況下，—龍符號係經由 每空間串流之兩個子載波發送，結合FD和非FD是可行 的’其係如表26所示。 ❹ 在SFBC方面，係選擇每該子載波之三個空間串流， 其具有較大的奇異值。在其間，兩健間枝，較佳地是 兩個壞的m n係分派給SFBC。兩個符號係使用 在兩個子載波之兩個壞的空間穿流上同時發送，且在每該 做之最佳郎_財面，—資騎餅不制SFBC發 送。對於後者’在不具FD的情況下，一資料符號係經由每 該工間串机之一子載波發送，而在具FD情況下，一資料符 號係經由每空間串流之兩個子載波發送。 32 200939665 可使用。 4x3 MIMO-OFDM封閉回薄—四資料串流實施例 在此實施例中，4x1之四資料串流實施例的所有選擇皆 可使用。 4x4 MIMO-OFDM封閉回游--資料串流實施例 在此實施例中，SM係以SVD波束成形實施，且四個 空間串流可供使用，在不具有FD情況下，一資料符號係經 由每該空間串流之一子載波發送，而在具!^情況下，—資 ❹ 料符號係經由每空間串流之兩個子載波發送，結合FD和非 FD是可行的，其係如表29所示。 第一個選擇是使用一個2x2 SFBC及兩個SM。藉由每 該子載波之奇異值，選擇兩個空間串流，較佳地是兩個壞 的空間串流’其係具有較小的奇異值。該資料符號係使用 SFB C在這兩個壞的空間串流上發送，而兩個資料符號則使 用SM而非SFBC在每該子載波的另兩個好的空間串流上 發送。在不具有FD情況下，一資料符號係經由每該空間串 ❹ 、流之一子載波發送，而在具FD情況下，-資料符號係經由 每空間串流之兩個子載波發送，結合FD和非是可行 的’其係如表30所示。 帛二個選擇便是使用兩個2x2 SFBC，每兩個資料符號 係刀派刀離的2x2 SFBC。每該子載波之四個空間串流係 . 分成兩個群組’每個群組有兩個空間串流，且每個群组係 分派給每個SFBC。在每_時方面，麵個子載波上之該 資料串流之四個(4)資料符號係使用SVD波束成形及兩個 35 200939665 4X4MIMO-〇FDM開放回路一三資料争流實施例 在此實施例中，4x1之二資料串流的所有選擇皆可使 用。 乜4 MIMO-OFDM封閉回路—四資料串流資施例 在此實施例中，SM係以SVD波束成形實施，且有四 個空間串流可供使用。四個資料串流係為每該子載波分成 四個空間串流。表29的所有方法都可使用。 4x4 MIMO-OFDM開玫回薄—四資料串流實施例 ❹ 在此實施例中，4x1之四資料串流的所有選擇皆可使 用。 儘管本發明之特徵和元件皆於實施例中以特定組合方 搞描述，但實施例中每-特徵或元件能獨自使用^不 需她佳實財式之其他舰或元倾合，或是與/不與本 發明之其他舰和元件做不同之組合。儘管本發明已經透 過較佳實齡彳描述，其他视附本㈣之_請專利範圍之 麵對熟習此技藝之人士來說還是顯而易見的。上述說明 書内容係以朗為目的，且不會以任何方式_特別發明。 38 200939665 【圖式簡單說明】 第1圖所示為一種實施一封閉回路模式的0FDM_MM0 系統方塊圖，其係根據本發明所配置；以及

第2圖所示為一種實施一開放回路模式的OFDM-MIMO 系統方塊圖，其係根據本發明所配置。 【主要元件符號說明】 100實施一封閉回路模式的OFDM-MUVK)系統 110傳輸器 0 115、215資料串流 126、226傳輸天線 128、231接收天線 B0接收器 150回饋 200實施一開放回路模式的系統 CQI頻道狀態資訊 CSI頻道品質資訊 ❹ FFT快速傅立葉轉換 IFFT反轉快速傅立葉轉換 MIMO-OFDM多重輸入多重輸出-正交頻分多工 SFBC空間-頻率區塊編碼 SM空間多工 • S/P序列至平行 39

Claims (1)

1. 200939665 七、申請專利範固： h使用多重輸入多重輸出(ΜΙΜΟ)正交頻分多工 (OTDM)_j^輸諸之裝置，該裝置包含·_ -傳^器，該傳輸器產生至少—輸人麟串流； 該傳輸器產生複數個空間串流； 該傳輸器決定一傳輸編碼機制及根據該傳輸編碼 機制處理該輸入資料串流而產生一輸出資料串流，該傳輸 編碼機制是空間頻率區塊編碼(SFBC)、空間多工伽）、頻 ® $多樣性（FD)以及波束成形以及其組合的其中之一，該 傳輸機制根據-頻道狀況而動態地變更以使得不同數目的 空間串流藉由使用—不_輸_而被產生及視該頻道狀 7 兄透過不同數目的空間串流而被傳送；以及 該傳輸器透過所產生的空間串流傳輸該輸出資 流。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該頻率 多樣性（FD)被實施，藉此，子載波係分成二個群組，一 β，個群組傳輸資料符號’而另—個群組傳輪該資料符號之一 共輛複數。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該傳輸器 同時地將FD和非FD皆用於該輸入資料串流之傳輸。 口 4.如申請專利範圍第！項所述之方法，其中，該傳輸 器更包含對該資料的傳輸進行波束選擇，藉此，該輸入資 料串流僅透過所選擇波束被傳輸。 5.如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含:為各子 200939665 载波獲得該傳輸器和一接收器之間的頻道狀態資訊(CSI)， 藉此，該傳輸器在選擇一傳輸編碼機制時使用該CSI而傳 輸該輸入資料串流。 6. 如申請專利耗圍第5項所述之方法，其中，該csi 是從該接收器傳回給該傳輸器。 7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中，該csi 係由該傳輸器使用頻道相互作用獲得。 8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該傳輸 器執行一固定波束成形矩陣之波束成形，以傳輸該輸入資 料串流。 9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，資料串 流之數量係由一調變和編碼機制決定。 10. —種多重輸入多重輸出（ΜΙΜΟ)正交頻分多工 (OFDM)傳輸器，包含： 至少二傳輸天線； 一傳輸處理單元，其配置以決定一傳輸編碼機制 及根據該傳輸編碼機制處理該輸入資料串流而產生一輸出 資料串流，該傳輸編碼機制是空間頻率區塊編碼(SFBC)、 空間多工(SM)、頻率多樣性（FD)以及波束成形以及其組 合的其中之一，該傳輸機制根據一頻道狀況而動態地變更 以使得不同數目的空間串流藉由使用一不同傳輸機制而被 產生及視該頻道狀況透過不同數目的空間串流而被傳送； 以及 、， 一收發器，其透過所產生的空間串流傳輪該輪出 200939665 資料串流。 11·如申請專利範圍第10項所述之傳輸器，其中，該 頻率多樣性（FD)被實施’藉此，子載波係分成二個群組， 個群組傳輸資料符號，而另一個群組傳輸該資料符號之 一共軛複數。 12.如申請專利範圍第1〇項所述之傳輸器，更包含一 多工器，用以產生複數個獨立資料串流，籍此分開傳輸複 數個資料串流。 ® 13·如申請專利範圍第10項所述之傳輸器，其中，該傳 輸器處理單元同時地將FD和非FD皆用於該輸入資料争流 之傳輪。 14. 如申請專利範圍第1〇項所述之傳輸器，其中，該 #輸處理單域行-目找束成雜陣讀束成形，以傳 輸該輸入資料。 15. 如申請專利範圍第1〇項所述之傳輸器，其中，該 傳輸處理單元執行封閉回路處理，以使得該傳輸處理單元 ® 在傳輸該資料時使用自一接收器所接收的通道狀態資訊。 16. 如申請專利範圍第1〇項所述之傳輸器，其中，該 傳輸處理單元執行開放回路處理，以使得該傳輸處理單元 在沒有自一接收器接收通道狀態資訊的狀況下傳輸該資 料。 17. —種積體電路’用以執行多重輸入多重輸出(mmo) 正交頻分多工(OFDM)，該1C包含： 一傳輸處理單元，其配置以決定一傳輸編碼機制及根 42 200939665 據該傳輸編碼機制處理輸入資料串流而產生一輸出資料串 流，該傳輸編碼機制是空間鮮區塊編碼(SFBC)、空間多 工(SM)、頻率多樣性（FD)以及波束成形以及其組合的其 中之一，該傳輸編碼機制根據一頻道狀況而動態地變更以 使得不_目的輸出串流藉由使用—不同傳輸機制而被產 生及視該頻道狀況透過不同數目的空間串流而被傳送；以 及 一收發器’其透過所產生的空間串流傳輸該輸出 ❹ 資料串流。 18. 如申請專利範圍第17項所述之忙，其中，該頻率 多樣性(FD)被實施’藉此子載波係分成二個群組，一個群 . 組傳輸資料符號’而另一個群組傳輸該資料符號之一共軛 複數。 19. 如申請專利範圍第π項所述之1C，其更包含一多 工器’用以產生複數個獨立資料串流，藉此分開傳輸複數 個資料串流。 〇 43