TWI259614B - Beam forming apparatus applied in multiple input multiple output system and related method - Google Patents

Description

1259614 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種波束形成裝置及相關方法，尤指一種應用 於多重輸入輪出系統之波束形成裝置與相關方法。 【先前技術】 多重輪入輸出（Multiple-Input Multiple-Output，ΜΙΜΟ)系統 的主要概念係在傳送端與接收端各設置複數根天線，以藉由複數 根天線間的通道來收發資料。舉例來說，第1圖係為一習知多重 輸入輸出系統10的示意圖。如圖所示，多重輸入輸出系統10具 有一傳輸端20以及一接收端3〇,傳輸端2〇上設置有三根天線22、 24、26,而接收端3〇上亦設置有兩根天線32、Μ，因此傳輸端 20所發送的資料會經由3*2個通道42、44、46、48、52、54到達 接收端3〇。假設傳輸端2〇係同時傳送兩個資料流D2至接收 籲端3〇 ’則傳輸端2〇係、會先將資料流m、的分別乘上增益值並且

1_ν!，ι，V2，】，V3，〗」3优马資料流D1的傳送向量；同理，三 因此三維向量 二維向量[V， 1259614 V2,2, V3,2]T係用來決定資料流於傳送訊號si、S2、S3所佔的 成分，因此三維向量[^^乂^义^广可視為資料流^^的傳送向量。 為了使接收端可順利分離傳送訊號SI、S2、S3中的資料流D1以 及資料流D2，習知技術係利用一奇異值分解法(SingularValue Decomposition, SVD)來決定傳送向量[Vl l，ν2 ι，ν3 ι]τ、[Vi 2, V22, V3,2]丁，以使接收端收到的資料流D1以及資料流说相互正交 (Orthogonal)。然而’利用奇異值分解法產生傳送向量 V3，1]、[Vp’VnV3,2]1的方式必須進行大量的浮點運算，因此會 耗費相當龐大的運算量。此外，利用奇異值分解法產生傳送向量 [vu，V2，1，V3’1]T、[v12, v22, 乂3,2]丁無法避免資料流 Dl、D2 的功率 刀配不均，或疋天線間的功率分配不均的問題’由於資料流Di、 D2係於傳送端一起編碼並且使用同一調變方式所產生，故當上述 功率分配不均的現象產生時將會降低資料流〇卜D2解碼的正確 性。 【發明内容】 因此，本發明之目的之一在於提供一種波束形成裝置與相關 方法。 此外本發明之目的之一在於提供一種波束形成裝置與相關 方法以解決先前技術的問題。 依據本發明之一實施例，其係揭露一種應用於一多重輸入輸 1259614 出糸統之波束形成方法，其中該多重輸入輸出系統包含有一傳送 端與-接收端，且該傳送端與該接收端係經由複數個通道來傳送 «。該波束形成方法包含有··於該接㈣產生對賴複數個通 道之複數個通道估側結果；決定複數個第一候選傳輸向量；依據 该複數個通道估側結果，自該複數個第—候選傳輸向量選取一第 一傳輸向量；決定複數個第二候選傳輸向量，且每—第二候選傳 輸向量係正交於該第—傳輸向量；依據該複數個通道估側結果， 攀自該複數個第二候選傳輸向量中選取一第二傳輸向量；依據該第 了傳輸向量與該第二傳輸向量整合—第—資料流與—第二資料流 以產生複數個傳賴號；以及分別於該傳送端之複數根天線上送 出該複數個傳送訊號。 依據本發明之-實關，其係揭露—種應用於—多重輸入輸 出系統之波束形絲置，其中該多重輪人輪出系統包含有一傳送 #端與-接收端，該傳送端與該接收端係經由複數個通道來傳送訊 號。該波束形成裝置包含有：-通道估側器，用來產生對應該複 數個通道之複數個通道侧絲；—第—雜向量產生模組 接於該通道估側器，用來決定複數個第-候選傳輸向量’並且依 據該複數個通道估側結果自該複數個第—候選傳輸向量中選取二 第-傳輸向量；—第二傳輸向量產生模組，她於該通道估側器 以及該第—傳輸向量產生難，用來決狂交_第—傳輸向; 之複數個第二候選傳輸向量，並且依制概個通道侧結果= 該複數個第二候選傳輪向量中選取_第二傳輪向量；一資料處理 1259614 模組，耦接於該第一傳輸向量產生模組以及該第二傳輸向量產生 模組，用來依據該第一傳輸向量與該第二傳輸向量整合一第一資 料流與一第二資料流以產生複數個傳送訊號；以及複數根天線， 耦接於該資料處理模組，用來傳送該複數個傳送訊號。 【實施方式】 請參閱第2圖，第2圖係為本發明波束形成裝置

(Beam-FormingDevice)之—較佳實施例的運作流程圖。本實施 例中，波束形成裝置係應用於—多童輸入輸出（Mul如㈣帅

Multiple_0utput)系統，射多重輪入輸出系統係包含有—傳送端 與-接收端。為方便綱1下運作流程係假設多重輪入輸出系 統係运收的兩师·，且傳送倾接收端各設置有四隻 天線。波束形成裝置的運作包含有下列步驟： ^ 步驟102 ·開始； 步驟104 :於接收端進行一诵憎 複數個通道估側結=剛’以產生對應於複數個通道之 步驟106:決定複數個第—候選傳輪向量； 步驟108 :依據通道估側結果 η，自複數個第一候選傳輸向量中撰 取一第一傳輪向量6 ; 、 第二候選傳輸向 步驟削：決定複數轉二候選傳輪向量，且每 量係正交於第—傳輪向量ρ,; 步驟112 :依據通道估側姓 取-第二傳輪：；量、自複數個第二候選傳輸向量中選 1259614 步驟114 ·•調整第一、第二傳輸向量r、&的大小· 步驟II6 ··依伽整後的[、第二傳輸向量卩，、。整合資料流 Dl、D2以產生四個傳送訊號S1、幻、％、y 步驟118 :分別於傳送端之複數根天線上送轉送訊號l S3 、 S4 ; " 步驟120 ··結束。 如上所述，魏，波束形成裝置必須進行—通道估測以產生 對應複數個通道之複數個通道估側結果H，接下來，波束形成裝 置會決賴數個第-候選傳輸向量L，並且依據通道估側結果11 自複數個帛-候選傳輸向量&中選出第—傳輸向量0。波束形成裝 置所產生的任一第一候選傳輸向量h係對應於4個係數[A 1 W ^ V3，1化]，其中上標r表示轉置（transp〇siti〇n)、下標左方的數字 表示相對應之天線、下標右方的數字表示第幾候選傳輸向量，而 為了使資料流D1的功率平均分布於傳送端的每一隻天線上，本實 轭例中第一候選傳輸向量L之每一係數的絕對值皆近似於一預定 值Τ’，因此第一候選傳輸向量&的每一係數可依下列程式產生： j2m 方程式(四) = e 4 = ι”.·，4，ζ· = ι”··，4 如此一來，波束形成裝置至多可產生44種第一候選傳輸向量L。 然而，請注意，產生第一候選傳輸向量h的方式並不以本實施例為 限’舉例來說，波束形成裝置亦可限定每一第一候選傳輸向量L中 僅需3個係數的絕對值近似於一預定值，且該預定值可視設計需 10 1259614 长加以凋整。接下來，波束形成裝置係利用通道估側結果Η約略 推异複數個第一候選傳輸向量L所對應的訊雜比(Signal t〇 Ratio, SNR) ’並且選擇訊雜比最大的第一候選傳輸向量&作為第一 傳輸向量K，推算訊雜比的方式可以依照下列方程式為之·· Y{^)-vxhHhHvx ^ 方程式(五） 方耘式(五）中，上標"係表示共軛轉置（^咖职把她聊伽⑽）。 φ由於r係正比於傳輸向量所對應之訊雜比，因此波束形成裝置可 依據每一第一候選傳輸向量所對應的τ大小判斷何者具有最大 訊雜比。 §第一傳輸向量π決定後，波束形成裝置必須進一步產生第二 傳輸向里κ。首先，波束形成裝置會決定複數個第二候選傳輸向 1 其中每一第二候選傳輸向量h皆對應四個係數[V12 v22 V32 V4,2]，且與第—傳輸向量R正交，因此所選擇的第二候選傳輸向量 -2必須符合下列方程式： 方程式(六） 盆中每_繁一乂 7 乐二候選傳輸向量h中至少有一係數係作為正交係數以 A足方式(六），其餘係數的絕對值則近似於一預定值，以使資料 的功率平均分布於傳送端的每一隻天線上。假設第二候選傳 之係數係作為正交係數，則其餘係數V12 V22 V32可依 下列方程式做任意組合： ，’ ’ 1259614 j2mi V,，: ，《 = 1，…，4，/ = 1，…，3 此外’產生健v42㈣作係如下列方程式所示·· ^

，I A(4，l) I ； 方程式(八） -中上標’代表取共麵數，且心^ 方程式求得·· 以―，2為正讀數，财可依下列 、尽(3，i)+A(4，i) y ^4,2 =V3. u + 方程式(九） ^述正交係數之選擇可於_係數[Vi2 V22 v狗]T中任意選擇， 或依據-糾規職順序來加以選擇。尚請注意，#多重輸出輸 入系統傳达收的貧料流超過兩個時，相對應的傳送向量也合辦 加，而產生其他傳送向量的.方法可依上述實施例類推，唯^差 财於越晚產生的候選傳送向量必須與所有絲產生的傳送向量 正父’因此其自由度較低，亦即越晚產生的候選傳送向量中可自 由指定的係數的數目將會遞減。接下來，波束形成裝置同樣依據 複數個通道估側結果H，估算每—第二候選傳輸向量^所對應的^ 大小，並且出自該複數個第二候選傳輸向量Z2選取具有最大訊雜 比的第二候選傳輸向量W乍為第二傳輸向量& 7的產生方式可參 考下列方程式： 4 Υ(Υ^)^ν2ΗΗΗΗν2 — 方程式(十） 睛特別注意，自複數個第一、第二候選傳輸向量中選出第—、 1259614 第二傳輸向量卩、^的依據並不僅限於其對應的訊雜比，其他可依 據通道估測絲反應魏端触峨品質的數值皆可作為選擇調 整第一、第二傳輸向量R6的依據。 當第-、第二傳輸向量γ、匕皆產生後，波束形成袭置會進一 步依據第-、第二傳輸向量γ、卩2觸應的τ(減娜比)來調整 第-、第二傳輸向、F2的大小。假設第一傳輸向量R係對應至 r 1並且第二傳輸向量κ係對應至72，則調整後的第—、第二傳 輸向量π可由下列方程式(十―)或方程式(十二)表示之： \Ιϋϊ 方程式(十一;) ν2 Vr2 v 方程式(十二) v\ λ/τΪ 方程式(十三) V2 λ/92 方程式(十四） 其中當天線數目大於資料流數目時可利用方程式(十一卜(十二）， 反之則可细方私式(十二）〜(十四），然此非對本發明之限制。尚 明庄思’第-、第二傳輸向量Ρι、^的調整方式並不以上述實施例 為限，其他可依據訊雜比調整第一、第二傳輸向量6、&的大小的 調整方Μ可為本發騎使用。最後，波束形錢置係依據調整 後的第-、第二傳輸向量卩，、整合㈣流m、说以產生複數 1259614 個傳送汛號SI、S2、S3、S4，並且分別於該傳送端之4根天線上 發送出傳送訊號SI、S2、S3、S4。 請參閱第3圖，第3圖係為本發明波束形成裝置2〇〇之一較 佳實施例的功能方塊圖。如圖所示，波束形成裝置2⑻包含有通 道估測斋202、傳輸向量產生模組21〇、220、加權單元230以及

資料處理模組240。傳輸向量產生模組21〇中另包含有候選傳輸向 里產生單兀m、訊雜比運算單^ 2M、比較單元施以及選取單 元218,並且傳輸向量產生模組22〇中另包含有候選傳輸向量產生

單兀222、訊雜比運算單元224、比較單元226以及選取單元瓜。 f先，通道估測器2G2會產生通道估測結果η，而候選傳輸向量 產生單元212會產生複數個第—候選傳輸向量，並且將複數個第 -候選傳輸向量傳送到訊雜比運算單元214以算出每—第一候選 傳輸向量所對應的訊雜比厂。接下來，比較單元226會找出複數 個訊雜比中的最大值r 1，然後由選取單元228自複數個第一候選 傳輸向量選出具有最大訊雜比"之一者作為第一傳輸向量^。當 第-傳輸向量q生後，候選傳輸向量產生單元a2會產生與第: 傳輸向里正又；的複數個第二候選傳輸向量，紐崎比運元 224會算出每一第二候選傳輸向量所對應的訊雜 : 個訊雜比傳送至啸W複數個訊雜比 72。然後，選取單以28便會自複數個第二候選傳輪向量選出具 有最大訊雜比r 2之-者作為第二傳輸向#。當第―、第二傳輸 1259614 向里1、4產生後，加權單元23G便依據訊觀η、口調整 第第一傳輸向里κ、&的大小。最後，資料處理模組24〇會依 據調整後的第―、第二傳輸向量心、。與資料流D!、D2產生複 數轉送訊號S卜S2、S3、S4，並且利用傳送端的複數個天線况、 54、256、258將傳送訊號S卜S2、S3、S4發送出去。 需注意的是，本發明波束形成裝置2〇〇之-部份係位於多重 輸入輸出系統的傳送端，另一部份則係位於多重輸入輸出系統的 接收端。本實施例中，通道估測器202、傳輸向量產生模組21〇、 220以及加權單元23〇係位於接收端；而資料處理模組·係位於 傳，端，因此，接收端會將第―、第二傳輸向妙、。回授給傳 送端’以使位於傳送端資料處理模組，可整合資繼D卜说 以產生傳送訊號S卜S2、S3、S4。然而，本發明之另-實施例中， L道估202係设置於接收端，且傳輸向量產生模組灿、咖、 加權單凡230、貧料處理模组24〇以及係設置於接收端，如此一來 接收端僅f進行通道伽】並且騎道侧的結果回傳給傳送端， 然後由傳送端進行其他工作即可。 此外，本發明之波束形成裝置亦可應用於正交分頻多工 (orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)系統，亦即利 ⑽輸向量整合〇FDM系統中每—子載波所對應的賴流，如此 -來經過逆向拥葉轉酬形成的QFDM t總在*同天線上的傳 輸功率可叹為平均，轴帛化細電_複雜度。 1259614 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發日科請專利範圍 所做之均等變化鄕飾，皆麵本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖係為—f知多重輸人輪出系統的示意圖。 1圖係為本發明波束形成裳置之一較佳實施例的運作流程圖。 第3圖係為本發明波束形成裝置之-較佳實施例的功能方塊圖。 【主要元件符號說明】· 10 多重輸入輸出系統 20 傳輸端 30 接收端

22、24、26、32、34、252 42、44、46、48、52、54 200 波束形成裝置 2G2 通道估測器 254、256、258 天線 通道 210、220傳輸向量產生模組 212、222候選傳輪向量產生單元 214、224訊雜比運算單元 216、226 比較單元 218、228選取單元 230 加權單元 資料處理模組 16 240

Claims (1)

1259614 十、申請專利範圍： 1 ·種應用於多重輸入輸出(Multiple Input Multiple Output, MIM〇)系統之波束形成(beam-forming)方法，該多重輸入輸出系 統包含有一傳送端與一接收端，該傳送端係經由複數個通道來 傳达複數個傳送訊號至該接收端，該波束形成方法包含有： 於該接收端產生對應該複數個通道之複數個通道估側結果； 決定複數個第一候選傳輸向量； _ 依據賴數個it道估繼果，自該概個第_候祕輸向量選 取一第一傳輸向量； 決疋複數個第二候選傳輸向量，且每一第二候選傳輸向量係正 交於該第一傳輸向量； 依據該複數個通道估側結果，自該複數個第二候選傳輸向量中 選取一第二傳輸向量；以及 依據該第-傳輸向量與該第二傳輸向量處理—第—資料流與一 Φ 第一資料流以產生該些傳送訊號。 2·如申請專利範圍第ί項所述之波束形成方法，其中選取該第一 傳輸向量之步驟包含有： 依據該些第-候選傳輸向量所分騎應之訊_，選擇該些第 -候選傳輸向1的其巾之—來作為該第—傳輸向量；以及 選取这第二傳輸向量之步驟包含有： 依據該些第二麟傳輪向量所分卿應之訊雜比，選擇該些第 -候選傳輸向里的其巾之—來作為該第二傳輸向量。 1259614 3·如申請專利範圍第2項所述之波束形成方法，其中選取該第一 傳輸向量之步驟包含有： 依據該複數個通道估側結果以及該複數個第一候選傳輸向量來 運算該複數個第一候選傳輸向量所對應之複數個第一訊雜 比；以及 選擇具有一特定第一訊雜比之一第一候選傳輸向量來作為該第 一傳輸向量；以及 鲁 選取该第二傳輸向量之步驟包含有： 依據該複數個通道估側結果以及該複數個.第二候選傳輪向量運 算該複數個第二候選傳輸向量所對應之複數個第二訊雜 比；以及 選擇具有-特定第二訊雜比之一第二候選傳輸向量來作為該第 二傳輸向量。 鲁4·如申請專利範圍第3項所述之波束形成方法，其中該特定第— 訊雜比係為該複數個第-訊雜比之最大值，以及該特定第二气 雜比係為該複數個第二訊雜比之最大值。 A &如申請專__ 1彻叙波束賴綠，其巾每該第—候 選傳輸向I係對應於η個係數，以及每該第一候選傳輪向量 至多η個係數係近似於一第一預定值。 6·如申請翻範_ 5酬述之波束賴方法，其中每該第二候 1259614 選傳輸向量鱗應於n個係數，且每該第二候選傳輸向量之至 多η-1個係數係近似於一第二預定值。 7.如申請專利範圍第1項所述之波束形成方法，其中該第一傳輸 向置係對應於一第一訊雜比以及該第二傳輸向量係對應於一第 二訊雜比，以及該波束形成方法另包含有： 依據該第一、第二訊雜比來調整該第一傳輸向量或該第二傳輸 向量之大小。 8·如申請專利範圍第7項所述之波束形成方法，其中調整該第一 傳輸向量或該第二傳輸向量之步驟包含有： 當該第一訊雜比大於該第二訊雜比時，縮小該第一傳輸向量或 放大該第二傳輸向量；以及 當該第一訊雜比小於該第二訊雜比時，放大該第一傳輸向量或 縮小該第二傳輸向量。 9·如申請專利範圍第1項所述之波束形成方法，其中該多重輸入 輸出系統以正交分頻多工（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)的方式傳送與接收該複數個資料流。 10. —種應用於一多重輸入輪出(Multiple inpUt Multiple Output， MIM0)系統之波束形成(beam-forming)裝置，該多重輪入輸出系 統包含有一傳送端與一接收端，該傳送端係經由複數個通道來 19 1259614 傳送複數個傳送訊號至該接收端，該波束形成裝置包含有： /通道估側ϋ，絲產生對應該複触^道之概個通道估侧 結果； /第一傳輸向量產生模組，雛於該通道侧器，用來決定複 數個第-候選傳輸向量，並且依據該複數個通道估側結果 ^自該複數個第一候選傳輸向量中選取一第一傳輸向量了 /第二傳輸向量產生模組，祕於該通道估·以及該第一傳 • 輸向量產生漁，絲決定正·料-倾向量之複數 個第二候選傳輸向量，並且依據該複數麵道估側結果自 違複數個第二候選傳輸向量中選取一第二傳輸向量；以及 /資料處理模組於該第—傳輸向量產生模組以及該第二 傳輸向量產生模組，用來依據該第一傳輸向量與該第二傳 輸向量處理-第-資料流與一第二資料流以產生該複數個 傳送訊號。 ’ u.如申，專利範圍帛10項所述之波束形成裝置，其中該第一傳 輸向置產生模組係依據該複數個第—候選傳輸向量所分別對應 2訊雜比，選擇該些第—候選傳輸向量的其中之—以作為該第 一傳輪向量’且該第二傳輸向量產生模組係依據該複數個第二 f選傳輸向量所分卿應之訊雜比，選擇該些第二候選傳輸向 量的其中之一以作為該第二傳輸向量。 12·如申清專利範圍第u項所述之波束形成裝置，其中該第一傳 20 Ϊ259614 輪向量產生模組包含有： 第侯L傳輸向里產生單元，用來決定該複數個第一候選傳 輸向量； -第-訊雜輯算單元，絲㈣第—候選傳輸向量產生單元 以及該通道估側器’用來依據該複數個通道估側結果以及 該複數個第-候選傳輸向量來運算該複數個第一候選傳輸 向量所對應之複數個第一訊雜比； ❿-第-咏早7G，輪於該第—雜比運算單元，用來選擇該 複數個第-訊雜比中一特定第一訊雜比；以及 -第-選取單7G ’麵接於該第一比較單元以及該第一候選傳輸 向里產生單70，用來選擇對應崎定第__比之一第一 候選傳輸向量作為該第一傳輪向量；以及 該第一傳輸向量產生模組包含有： -第二候選傳輸向量產生單元，用來決定該複數個第二候選傳 P 輸向量； -第二訊雜比運算單元，倾於該第二候選傳輸向量產生單元 从及必通丨古/間為5周來依據該複數個通道估側結果以及 雜數個第二候選傳輸向量來運算該複數個第二候選傳輸 向量所對應之複數個第二訊雜比； -第-比較單元’耗接於該第二訊雜比運算單元，用來選擇該 々稷數個第二訊雜比中一特定第二訊雜比·，以及 -第-選取早兀’減於該第二比較單元以及該第二候選傳輸 向里產生單70，用來選擇對應該特定第二訊雜比之一第二 21 1259614 候選傳輸向量作為該第二傳輸向量。 13·如申請專利範圍第12項所述之波束形成裝置，其中該特定第 一訊雜比係為該複數個第一訊雜比之最大值，以及該特定第二 訊雜比係為該複數個第二訊雜比之最大值。 W·如申請專利範圍第1〇項所述之波束形成裝置，其中每該第一 • 候選傳輸向量係對應於η個係數，以及每該第一候選傳輸向量 之至多η個係數係近似於一第一預定值。 15·如申請專利範圍第14項所述之波束形成裝置，其中每該第二 候選傳輸向量係對應個係數，且每該第二候選傳輸向量之 至多η-1個係數係近似於一第二預定值。 _ 16·如申請專利範圍第1〇項所述之波束形成裝置，其中該第一傳 輸向1係對應於一第一訊雜比以及該第二傳輸向量係對應於一 第二訊雜比，以及該波束形成裝置另包含有： 一加權單元，分別耦接該第一傳輸向量產生模組、該資料處理 模組以及該第二傳輸向量產生模組，用來調整該第一傳輸向 量或該第二傳輸向量之大小。 Π·如申請專利範圍第16項所述之波束形成裝置，其中當該第一 汛雜比大於該第二訊雜比時，該加權單元係縮小該第一傳輸向 22 1259614 量或放大該第二傳輸向量；當該第一訊雜比小於該第二訊雜比 時，該加權單元係放大該第一傳輪向量或縮小該第二傳輸向量。 18.如申請專利範圍第10項所述之波束形成裝置，其中該多重輸 入輸出系統以正交分頻多工（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)的方式傳送與接收該複數個資料流。 十一、圖式： 23