TW201840143A - 使用者分群方法及使用此方法的基地台 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種使用者分群方法，適用於一基地台經由多個波束提供服務給多個使用者設備，使用者分群方法包括下列多個階段。第一階段係依據使用者設備在各波束上的通道資訊，判斷使用者設備所使用之波束是否相互干擾。將所使用之波束相互干擾的使用者設備分配至相同群組以利干擾消除。接著，第二階段係減少維度過大的群組中的使用者個數及所使用之波束個數，且第三階段係將維度過小的群組合併。藉此，可有效降低運算複雜度及提昇系統效能。

Description

使用者分群方法及使用此方法的基地台
本發明係關於一波束群多重存取（Beam-group Division Multiple Access，BgDMA）通訊，特別係一種使用者分群方法及使用此方法的基地台。
第五代（fifth generation，5G）行動通訊系統的研發已開始成為世界各大科技廠競技的焦點，而巨量天線（large-scale antenna）係5G技術中最熱門的研究議題，基地台可利用巨量天線同時服務大量使用者。然而，現有技術會面臨到以下問題(1)若使用天線通道的訊號處理，需要大量領航（pilot）訊號來估測通道，且通道會呈現高度頻率選擇性（frequency selective），從而影響系統效能。(2)高階多使用者多輸入多輸出（Multiple User-Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）技術大幅提昇複雜度。
在眾多技術中，分波束群多重存取（BgDMA）系統被提出來用以解決前述問題，其在波束域處理訊號，從而解決頻率選擇性，並可大幅減少領航訊號密度及通道估測數。此外，藉由使用者分群，針對干擾嚴重的使用者，透過預編碼來有效降低複雜度並使消除干擾更有效率。由此可知，如何分配群組以達到低複雜度且低干擾的效能係相關研究人員努力的目標之一。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種使用者分群方法及使用此方法的基地台，其利用低複雜度方式將相互干擾嚴重的使用者分配至相同群組以利干擾消除，再進一步調整維度過大或過小之群組，從而大幅降低複雜度並改善系統效能。
為達成上述目的，本發明提供一種使用者分群方法，適用於一基地台經由多個波束與多個使用者設備通訊，該使用者分群方法包括下列步驟。依據該些使用者設備在各該些波束上的通道資訊，判斷該些使用者設備所使用之波束是否相互干擾。將所使用之波束相互干擾的使用者設備分配至相同群組。調整已分配之至少一群組中的使用者個數及所使用之波束個數。
另一方面，本發明提供一種基地台，其經由多個波束與多個使用者設備通訊。該基地台包括一傳送單元、一接收單元及一處理單元。該傳送單元用以傳送資料。該接收單元用以接收資料。該處理單元耦接該傳送單元及該接收單元，該處理單元並經配置用以執行下列步驟。依據該些使用者設備在各該些波束上的通道資訊，判斷該些使用者設備所使用之波束是否相互干擾。將所使用之波束相互干擾的使用者設備分配至相同群組。調整已分配之至少一群組中的使用者個數及所使用之波束個數。
藉由多階段的使用者分群，可有效降低運算複雜度，進而改善系統效能。由於將相互干擾嚴重的使用者設備分配至相同群組且限制每一群組中的使用者個數及波束個數，後續預編碼及多用戶檢測的複雜度即可大幅降低。
請參照第1圖係本發明一較佳實施例的通訊系統1，其包含有一基地台10及K個使用者設備20，K係正整數。該通訊系統1屬於一多使用者多輸入多輸出（Multiple User- Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）通訊系統。
本發明中所用之術語「基地台」（例如，該基地台10）可由多種實施例實現，例如可包含（但不限於）演進型節點B（Evolved NodeB，eNB）、家用演進型節點B（HeNB）、進階基地台（advanced base station，ABS）、基地收發器系統（base transceiver system，BTS）、存取點、家用基地台、中繼器（relay）、散射器（scatterer）、轉發器（repeater）、中間節點、中介點（intermediary）及/或基於衛星的通信基地台。
圖2係依據本發明一實施例說明基地台10的方塊圖，該基地台10可至少由如圖2所說明的功能元件表示。該基地台10可至少包括（但不限於）一傳送單元11、多個天線單元12、一接收單元13、一類比至數位（A/D）/數位至類比（D/A）轉換器14、一儲存單元15以及一處理單元16。該傳送單元11及接收單元113分別無線地傳輸下行鏈路（downlink）信號及接收上行鏈路（uplink）信號。該傳送單元11及接收單元13亦可執行諸如低雜訊放大、阻抗匹配、混頻、升頻或降頻轉換、濾波、放大及其類似者的操作。該類比至數位（A/D）/數位至類比（D/A）轉換器14經組態以在上行鏈路信號處理期間自類比信號格式轉換為數位信號格式，且在下行鏈路信號處理期間自數位信號格式轉換為類比信號格式。
該處理單元16經組態以處理數位信號且執行根據本發明的例示性實施例之程序（例如，波束域處理、波束尋找/追蹤、通道估測、使用者分群、預編碼及偵測等）。此外，該處理單元16可視情況耦接至非暫存性儲存單元15（例如，可改寫式可編程唯讀記憶體（EPROM）裝置、電子可改寫式可編程唯讀記憶體（EEPROM）裝置、以及快取記憶體等）以儲存程式碼、裝置組態、緩衝的或永久的資料、碼本（codebook）、波束碼本（beambook）、通道資訊（例如，通道響應、功率增益等）、波束集合等，且亦可記錄由該處理單元16執行的多個模組。該處理單元116的功能可藉由使用諸如微處理器、微控制器、數位信號處理（digital signal processing，DSP）晶片、場可程式化邏輯閘陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等可程式化單元來實施。該處理單元16的功能可用獨立電子裝置或積體電路（integrated circuit，IC）實施，且該處理單元16亦可用硬體或軟體實施。
本發明中所用之術語「使用者設備」（例如，該些使用者設備20）可由多種實施例實現，例如可包含（但不限於）移動站、先進移動站（advanced mobile station，AMS）、手機、伺服器、用戶端、桌上型電腦、筆記型電腦、網路電腦、工作站、個人數位助理（personal digital assistant，PDA）、平板個人電腦（personal computer，PC）、掃描器、電話裝置、尋呼機（pager）、相機、電視、掌上型視頻遊戲裝置、音樂裝置、無線感測器等。
圖3係依據本發明一實施例說明使用者設備20的方塊圖，各該使用者設備20可至少由如圖3所說明的功能元件表示。各該使用者設備20可至少包括（但不限於）一傳送單元21、多個天線單元22、一接收單元23、一類比至數位（A/D）/數位至類比（D/A）轉換器24、一儲存單元25以及一處理單元26。與該基地台10相同或相似的單元可參照前述基地台10的功能說明，於此不再贅述。
圖4係依據本發明較佳實施例說明一種使用者分群方法之流程圖。請參照圖4，本實施例的方法適用於圖2的基地台10。下文中，將搭配該基地台10中的各項元件說明本發明實施例所述之使用者分群方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。
使用者分群的主要目的係用於改善系統效能並降低系統運算複雜度。而下文將介紹使用者分群的詳細步驟，並可由下述多個階段來實現。
第一階段
該基地台10經由多個波束與該些使用者設20備通訊，且該處理單元16可透過該接收單元13經由波束找尋/追蹤後可找到該些使用者設備20所使用的波束（稱為可偵測波束）。由於可偵測波束數量非常多，該處理單元16可自該等可偵測波束中挑選出最大的幾個（例如，5、8、10個等）作為波束集合。接著，請參照圖5係第一階段使用者分群之範例，該處理單元16可自該波束集合50中挑選各該些使用者設備20所使用功率增益最強的γ個波束，γ係正整數（圖5所示為2個，但於其他實施例中可被調整），該處理單元16並判斷該些使用者設備20的γ個波束是否重疊，以判斷該些使用者設備20所使用之波束是否相互干擾（步驟S41），即不同使用者設備20所使用之波束在該波束集合50上有重疊則視為相互干擾。該處理單元16將所使用之γ個波束重疊（即相互干擾）的使用者設備20分配至相同群組（步驟S43）。例如，使用者設備A的最大2個波束有波束4，使用者設備B的最大2個波束有波束2及4，則使用者設備A、B將配分在同一群組（群組51）中，其餘群組52、53依此類推。
需說明的是，前述第一階段分群方式的優點在於複雜度相當低，然判斷使用者設備20所使用之波束是否相互干擾的方法還有很多種，且可於其他實施例中應用，但須注意複雜度。此外，於本實施例係選擇功率增益來判斷干擾情形，然於其他實施例中可依據調整後的判斷方式而使用其他類型的通道資訊。
第一階段的分群結果可能有部份群組的維度（使用者個數及波束個數）過大或過小（下文將詳細定義判斷基準），而為了達到降低後續運算複雜度的目的，該處理單元16將藉由後續階段來調整已分配之群組中的使用者個數及所使用之波束個數（步驟S45）。
第二階段
本階段會介紹兩種方法（2-1、2-2），以移除多餘的波束及使用者設備20。圖6係方法2-1的流程圖，該處理單元16選擇該使用者個數大於一使用者上限（例如，5、10或15個等）的群組，該處理單元16並依據各該些使用者設備20所使用波束的功率增益，減少所選擇之群組的使用者個數。該處理單元16係自所選擇之各該些群組中，挑選功率增益最強的至多Kb 個波束，該處理單元16並自所選擇之各該些群組中，挑選功率增益最強的至多Ku 個使用者設備20， Kb 、Ku 係正整數（例如，10、20、30等）（步驟S61），即可剔除未被挑選到之使用者設備20。限制群組大小後，該處理單元16自被剔除的使用者設備20中挑選出尚可服務的使用者設備20（步驟S63），該些尚可服務使用者設備20的κ個（例如，2、4、5個等）最大功率增益的波束與被限制的群組的波束集合是沒有重疊的。接著，該處理單元16將這些尚可服務的使用者設備20再次經過第一階段使用者分群（步驟S65），若處理的群組再出現維度過大者（超過Kb 個波束個數或Ku 個使用者個數），則該處理單元16再挑選功率增益最強的至多Kb 個波束個數並挑選功率增益最強的至多Ku 個使用者設備20（步驟S67）。
圖7係方法2-2的流程圖，該處理單元16將所選擇之群組（該使用者個數大於該使用者上限）中的使用者設備20，該處理單元16並依照這些使用者設備20的通道功率增益來排序（由高至低）（步驟S71）且依序判斷所選擇之各該些群組中的各該些使用者設備20的通道響應與所屬群組中其他使用者設備20的通道響應之間的正交性（步驟S72）。該處理單元16係將各該些使用者設備20的通道響應投影至所屬群組的正交基底（將該群組內所有使用者設備20的通道響應矩陣所組成之向量空間，利用格瑞姆-施密特（gram-schmidt）得出該正交基底），即可得出各該些使用者設備20的投影量。該處理單元16可判斷各該些使用者設備20是否應被服務（步驟S73）。若某一使用者設備20的投影量小，代表該使用者設備20與所屬群組的正交性高（例如大於一第一門檻值），即相互干擾不嚴重，故該使用者設備20可被服務。而若另一使用者設備20的投影量大，代表該使用者設備20與所屬群組的正交性低（例如小於該第一門檻值），即相互干擾嚴重，故該使用者設備20不可使用且將該使用者設備20自原所屬群組中剔除（步驟 S74）。該處理單元16接著判斷是否將某一使用者設備20分配至新創建的群組（步驟S75），該處理單元係將該正交性大於一第二門檻值的使用者設備20分配至新創建的群組（步驟S76），並將該正交性小於該第二門檻值的使用者設備保留在原所屬群組中（步驟S77），且該第二門檻值大於該第一門檻值。若未新創建群組，該處理單元16進一步判斷群組是否都已滿（步驟S78），若現有群組空間都滿則新創建群組（步驟S79），而若群組未滿則將該使用者設備20放入與其之間的正交性最低的群組中（步驟S80）。值得注意的是，該處理單元16將某一使用者設備20放入現有群組前，會檢查放入後是否會超出前述Kb 個波束個數或Ku 個使用者個數的限制，若未超出該限制才會放入此群組中。
也就是說，該基地台10會將干擾嚴重的使用者設備20先自原所屬群組中剔除；而若已保留的使用者設備20中與現有群組干擾不嚴重者，則創新的群組；但若未創新的群組，該基地台10則會將該使用者設備20放到與其干擾最大的現有群組中，以確保在預編碼時可有效降低該些使用者設備20之間的干擾。
需說明的是，前述第二階段的方法2-1、2-2係用以減少維度過大的群組中的使用者個數，該基地台10可擇一應用，然重新分配這些維度過大之群組的方法還有很多，且可於其他實施例中應用。
第三階段
本階段係將第一階段中維度過小的群組合併，該處理單元16選擇該使用者個數小於一使用者下限（例如，1、3、5個等）的群組，並將部份所選擇之群組合併，以使後續預編碼時可有效消除干擾，從而改善系統效能。以下將介紹兩種方法（3-1、3-2）。
圖8係方法3-1的流程圖，該處理單元16係判斷所選擇（維度過小）之各群組中的該些使用者設備20所使用的波束與其他群組所使用之波束的重疊數（步驟S81），將該些其他群組中該重疊數最多且該使用者個數最少的群組與所選擇之群組合併（步驟S83）。值得注意的是，在二該群組合併前，該處理單元16更判斷合併後是否會超出Kb 個波束個數或Ku 個使用者個數的限制，若未超出限制才合併群組，若超出限制則不合併群組。
需說明的是，方法3-1中選擇該重疊數最多且該使用者個數最少的群組來合併係為了降低運算複雜度，然於其他實施例中，該處理單元16亦可選擇該重疊數超出一重疊數門檻（例如，3、5、7個等）及/或該使用者個數小於一個數門檻值（例如，5、10、15個等）的群組來合併。
圖9係方法3-2的流程圖，其係再次進行第一階段的使用者分群，即該處理單元16挑選所選擇（維度過小）之群組中該些使用者設備20所使用功率增益最強的γ2 個波束（步驟S91），並判斷該些使用者設備20的γ2 個波束是否重疊（步驟S93）。該處理單元16並將所使用之γ2 個波束重疊的使用者設備20分配至相同群組（步驟S95），該處理單元16並對超出Kb 個波束個數或Ku 個使用者個數的限制的群組進行第二階段分群方法（步驟S97）。值得注意的是，在本階段所使用之γ2 係大於γ的正整數，其目的係為了提昇群組合併的機會，進而增加群組內的使用者個數，然於其他實施例中，γ與γ2 之間的大小關係可視需求調整。
需說明的是，前述第三階段的方法3-1、3-2可擇一應用，然重新分配這些維度過小之群組的方法還有很多，且可於其他實施例中應用。此外，前述第三階段使用者分群係利於後續預編碼能有效消除干擾，然若欲降低運算複雜度，則可省略第三階段使用者分群。
本發明所提出的多階段使用者分群方法可有效降低運算複雜度，且利用本發明的使用者分群方法後，不同群組間彼此干擾小，因此各該些群組可使用相同時間/頻率資源。也就是說，使用者分群方法係影響運算複雜度的主要因素之一。而各該些群組的使用者個數及波束個數皆未超出Kb 個波束個數或Ku 個使用者個數的限制，使該基地台10尚有系統資源能應用更加高複雜度的預編碼、干擾消除或使用者排程處理。
上述僅為本發明實施例的說明，不可用來限制本發明的專利範圍，舉凡未超脫本發明精神所作的簡易結構潤飾或變化，仍應屬於本發明申請專利範圍涵蓋的範疇。
1‧‧‧通訊系統
10‧‧‧基地台
11‧‧‧傳送單元
12‧‧‧天線單元
13‧‧‧接收單元
14‧‧‧類比至數位/數位至類比轉換器
15‧‧‧儲存單元
16‧‧‧處理單元
20‧‧‧使用者設備
21‧‧‧傳送單元
22‧‧‧天線單元
23‧‧‧接收單元
24‧‧‧類比至數位/數位至類比轉換器
25‧‧‧儲存單元
26‧‧‧處理單元
S41～S45、S61～S67、S71～S80、S81～S83、S91～S97‧‧‧步驟
51～53‧‧‧群組
第1圖係依據本發明較佳實施例之通訊系統的示意圖。 第2圖係依據本發明較佳實施例之基地台的元件方塊圖。 第3圖係依據本發明較佳實施例之使用者設備的元件方塊圖。 第4圖係依據本發明較佳實施例之使用者分群方法的流程圖。 第5圖係依據本發明較佳實施例之第一階段使用者分群的範例，揭示波束集合。 第6圖係方法2-1的流程圖。 第7圖係方法2-2的流程圖。 第8圖係方法3-1的流程圖。 第9圖係方法3-2的流程圖。

Claims (10)

  1. 一種使用者分群方法，適用於一基地台經由多個波束與多個使用者設備通訊，該使用者分群方法包括： 依據該些使用者設備在各該些波束上的通道資訊，判斷該些使用者設備所使用之波束是否相互干擾； 將所使用之波束相互干擾的使用者設備分配至相同群組；以及 調整已分配之至少一群組中的使用者個數及所使用之波束個數。
  2. 如請求項1所述的使用者分群方法，其中該通道資訊包括功率增益，而判斷該些使用者設備所使用之波束是否相互干擾的步驟包括： 挑選各該些使用者設備所使用功率增益最強的γ個波束，其中γ係正整數；以及 判斷該些使用者設備的γ個波束是否重疊。
  3. 如請求項2所述的使用者分群方法，其中將所使用之波束相互干擾的使用者設備分配至相同群組的步驟包括： 將所使用之γ個波束重疊的使用者設備分配至相同群組。
  4. 如請求項1所述的使用者分群方法，其中該通道資訊包括功率增益，而調整已分配之至少一群組中的使用者個數及所使用之波束個數的步驟包括： 選擇該使用者個數大於一使用者上限的群組； 依據各該些使用者設備所使用波束的功率增益，減少所選擇之群組的使用者個數。
  5. 如請求項4所述的使用者分群方法，其中減少所選擇之群組的使用者個數的步驟包括： 自所選擇之各該些群組中，挑選功率增益最強的至多Kb 個波束，其中Kb 係正整數； 自所選擇之各該些群組中，挑選功率增益最強的至多Ku 個使用者設備，其中Ku 係正整數；以及 剔除未被挑選到之使用者設備。
  6. 如請求項4所述的使用者分群方法，其中該通道資訊包括通道響應，而減少所選擇之群組的使用者個數的步驟包括： 依序判斷所選擇之各該些群組中的各該些使用者設備的通道響應與所屬群組中其他使用者設備的通道響應之間的正交性；以及 剔除該正交性小於一第一門檻值的使用者設備。
  7. 如請求項6所述的使用者分群方法，其中剔除正交性大於該第一門檻值的使用者設備的步驟之後，更包括： 若該正交性大於一第二門檻值的使用者設備分配至新創建的群組，其中該第二門檻值大於該第一門檻值。
  8. 如請求項1所述的使用者分群方法，其中調整已分配之至少一群組中的使用者個數及所使用之波束個數的步驟包括： 選擇該使用者個數小於一使用者下限的群組；以及 將部份所選擇之群組合併。
  9. 如請求項8所述的使用者分群方法，其中將部份所選擇之群組合併的步驟包括： 判斷所選擇之各群組中的該些使用者設備所使用的波束與其他群組所使用之波束的重疊數；以及 將該些其他群組中該重疊數最多且該使用者個數最少的群組與所選擇之群組合併。
  10. 一種基地台，經由多個波束與多個使用者設備通訊，該基地台包括： 一傳送單元，傳送資料； 一接收單元，接收資料；以及 一處理單元，耦接該傳送單元及該接收單元，該處理單元並經配置用於： 依據該些使用者設備在各該些波束上的通道資訊，判斷該些使用者設備所使用之波束是否相互干擾； 將所使用之波束相互干擾的使用者設備分配至相同群組；以及 調整已分配之至少一群組中的使用者個數及所使用之波束個數。
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