TWI399054B

TWI399054B - 多輸出多輸入系統之適應性自動重傳要求裝置與方法

Info

Publication number: TWI399054B
Application number: TW098112017A
Authority: TW
Inventors: Ming Hung Cheng; Ming Chien Tseng; Hsin Piao Lin
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2013-06-11
Also published as: US20100262885A1; TW201038002A; US8321742B2

Description

多輸出多輸入系統之適應性自動重傳要求裝置與方法

本發明係關於一種多輸出多輸入(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系統之適應性自動重傳要求(Adaptive Automatic Repeat-reQuest)裝置與方法。

如何提高系統傳輸效能及吞吐量是通訊系統的重要課題。結合各種無線寬頻接取技術以提升通訊系統傳輸效能及吞吐量，此傳輸機制例如正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系統、多輸入多輸出架構與混合式(Hybrid)的自動重傳要求機制等，其中正交分頻多工系統能對抗頻率選擇性衰落通道狀況，而多輸入多輸出架構能有效增加系統效能與吞吐量，混合式的自動重傳要求機制技術則能有效改善網路壅塞的狀況，故利用此三種系統之優點來改善現今通訊系統的品質是各種無線通訊標準的趨勢。

傳統混合式的自動重傳要求機制，例如第一圖之訊框型態(Frame Type)的範例所示，沒有區分個別天線所傳送的資料，只在一定長度L的訊框(Frame)110中，於資料110b後方加入一段循環冗餘碼(Cyclic Redundancy Check，CRC)110a，當應用於多根天線傳送的系統時，接收端發現有部分錯誤就重傳此訊框中所有的資料，而非只重傳錯誤區段，如此，沒有提高吞吐量也沒有減少錯誤資料的錯誤率。

美國專利公開號2007/0255993揭露一種OFDM-MIMO通訊系統中自動重傳要求(Automatic Repeat-reQuest，ARQ)控制系統。如第二圖所示，此控制系統提出回應資訊的四種重傳模式(Retransmission Mode)，並透過傳送端210的重傳模式選取區(Retransmission Mode Selecting Section)210a選取一種重傳模式來傳送資料，其中有兩種重傳模式皆加入新的資料一併重傳，其餘兩種重傳模式是利用塊狀空時編碼(Space-Time Block Coding，STBC)，透過兩根天線和四根天線傳送此塊狀空時編碼(Space-Time Block Coding)後的資料，因此，在接收端220需用相對應之兩種空間的解碼技術，如解碼器220a。

當資料傳送中發生錯誤就需要重傳，在傳送端資料重傳的方法主要有兩種，一種為排列與交錯重傳(Permutation And Interleaving Retransmission，PIR)法，也就是說，資料重傳時會改變原先資料傳送的天線排列順序並且會在時域(Time Domain)裡交錯；另一種為共軛轉換重傳(Conjugating Transformation Retransmission，CTR)法，也就是說，資料重傳時不只經過天線重新排列順序，而是將訊號做共軛轉換後再重新排列。

以N=4為例，傳送端與接收端皆有四根天線，每一天線傳送的資料例如以OFDM符元(Symbol)為單位，四根天線傳送的相對應符元記為S1至S4，第三圖是排列與交錯式重傳法的一個範例示意圖，說明傳送端之四根天線的排列，每一次資料重傳時，四根天線傳送的符元向量(Symbol Vector)會改變原先符元傳送的天線排列順序，並且每一向量的符元也會以同樣順序交錯。第四圖是共軛轉換式重傳的一個範例示意圖，其中，每一次資料重傳時，四根天線傳送的符元向量不只經過天線重新排列順序，是將訊號做共軛轉換後再重新排列。符元向量中，S1^* 、S2^* 、S3^* 與S4^* 分別是符元S1、S2、S3與S4之共軛轉換。

除了第一圖所示之訊框型態外，另一種訊框型態的範例如第五圖所示。第五圖的範例中，是在一定長度L的訊框中，有N個傳輸資料區塊，每一傳輸資料區塊I的後方加入個別的錯誤偵測碼I，1≦I≦N，N為大於1的整數。

依本發明所揭露的實施範例中，可提供一種多輸出多輸入系統之適應性自動重傳要求裝置與方法。

在一實施範例中，所揭露者是關於一種多輸出多輸入系統之自動傳輸裝置，此多輸出多輸入系統包括一傳送器與一接收器。此適應性自動重傳要求裝置包含一適應性重傳元件(Adaptive Retransmission Component)。此適應性重傳元件置放於此傳送器。此適應性重傳元件採用的傳送資料的訊框具有一特殊結構，此特殊結構係根據多根不同天線的數目將此訊框中傳送資料切分成多個區塊，於每一區塊中加入個別的錯誤偵測碼(Error Detecting Code)並且分別透過此多根不同天線來傳送資料至此接收器。而此接收端針對每一天線所傳送的資料回傳一回應確認(Acknowledgement)訊號或是否定回應確認(Negative Acknowledgement)訊號給此適應性重傳元件，並將偵測到的多根不同天線上傳送資料之接收訊號強度資訊回饋至適應性的重傳元件，適應性重傳元件接收此回饋的訊號強度資訊並決定錯誤資料的重傳。

在另一實施範例中，所揭露者是關於一種多輸出多輸入系統之自動傳輸方法，此多輸出多輸入系統包括一傳送器與一接收器。此適應性自動重傳要求方法包含：透過此傳送器的一適應性重傳元件，接收此接收器之回傳的一回應確認或是否定回應確認訊號，知道是那根天線所傳送的資料是否發生錯誤；若收到該回應確認訊號，則正確的資料不再傳送；以及若收到該否定回應確認訊號，則將錯誤資料重傳，並且在其中選擇一個或多個錯誤資料於另外天線重複傳送，然後回至該接收此接收器之回傳的一回應確認/否定回應確認訊號的步驟。

茲配合下列圖示、實施範例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。

本發明之實施範例中，揭露一種自動重傳要求技術，可應於多輸入多輸出系統上。此重傳技術係根據天線數目將資料切分成多個區塊，並且於每一區塊中加入個別的錯誤偵測碼，分別透過不同天線來傳送資料。如此，接收端可依各個錯誤偵測碼檢查出那根天線傳送的區塊資料發生錯誤，只需將此天線傳送的資料重傳，並且在重傳時利用其他天線重複傳送該區塊的資料。

因此，本發明之實施範例中，天線傳送資料的訊框可採用如第五圖的訊框型態。假設多輸入多輸出系統在每一根天線分別傳送不同的區塊資料，並記為傳輸資料區塊1至傳輸資料區塊N，其中N為傳送及接收的天線數目。依此，在一訊框中，於每一傳輸資料區塊資料I的後方加入個別的錯誤偵測碼I，1≦I≦N。錯誤偵測碼I例如是個別的循環冗餘碼CRC_I或是採用個別的其他數據錯誤偵測編碼。

除了每一區塊中有個別的錯誤偵測碼外，本發明之實施範例中也增加天線選擇(Antenna Selection)和重傳資料處理(Retransmission Data Processing)，稱之為適應性的重傳區(Adaptive Retransmission Section)。為易於瞭解起見，天線傳送的資料以OFDM符元為單位來說明。此天線選擇是針對重傳時，能夠利用已傳送正確符元所空下來的天線重複傳送錯誤符元。

例如，當錯誤符元的個數為一常數整數值時，全部的天線都重複傳送某一個錯誤符元；此常數整數值例如是1或2或其它常數等，第六圖的範例中，此常數整數值為1。當該錯誤資料中錯誤符元的個數與天線個數的比值小於等於一門檻值時，可平均使用所有天線，重複數次重新傳送錯誤符元；此門檻值例如是1/2或2/3或其它比值等，第六圖的範例中，此門檻值為1/2，也就是說，錯誤符元的個數小於等於天線個數的一半(即N/2)。當該錯誤資料中錯誤符元的個數與天線個數的比值大於此門檻值時，一根天線傳送一個錯誤符元，而由於無法在其他根天線上重複傳送每一錯誤符元，所以需要在其中選擇數個錯誤符元來重複重傳，第六圖的範例中，當錯誤符元的個數超過天線個數的一半，且選擇方式例如選擇訊號強度弱的錯誤符元於其他的天線重複傳送。

而接收端也會回傳每一根天線傳送的資料之接收強度訊息給傳送端，讓傳送端得知在每一根天線傳送資料的訊號強度。

承上述第六圖的重傳方式，第七圖的範例是以共軛轉換式重傳法為例來分析，並假設傳送端使用四根天線來傳送與接收資料，則當發生傳送1至3個錯誤符元時，其第一次重傳的符元之擺放方法，與本發明所揭露的某些實施範例一致。其中重傳時，正確符元不再傳送，其空出來的位置重複擺入發生鋙誤的符元，也就是在重傳時，錯誤符元將在其他天線上重複傳送。

第七圖的範例中，當錯誤符元的數目為1時，假設此錯誤符元為S1，則四根天線以共軛轉換重傳法為例來重傳S1，因此四根天線分別重傳-S1^* 、S1^* 、-S1^* 、S1^* 。當錯誤符元的數目為2時，假設錯誤符元為S1和S2，則平均使用四根天線以共軛轉換重傳法來重傳S1和S2，因此四根天線有兩種重傳符元的擺放方法，一種為四根天線分別重傳-S2^* 、S1^* 、-S2^* 、S1^* ，另一種為四根夭線分別重傳-S1^* 、S2^* 、-S2^* 、S1^* 。當錯誤符元的數目為3時，在其他天線重複傳送的符元就需要從3個錯誤符元中選擇1個錯誤符元，而選擇的方式可參考接收端回傳每一根天線之訊號強度分佈次序或是其他能代表天線傳送與接收之訊號強度的方式，來決定那些錯誤符元需要重複被傳送。

當錯誤符元的數目為3時，假設錯誤符元為S2、S3和S4，四根天線有三種重傳符元的擺放方法，第一種為四根天線分別重傳-S4^* 、S3^* 、-S2^* 、S3^* ，第二種為四根天線分別重傳-S4^* 、S3^* 、-S2^* 、S2^* 。第三種為四根天線分別重傳-S4^* 、S3^* 、-S2^* 、S4^* 。

依此，第八圖揭露之多輸出多輸入系統之適應性自動重傳要求裝置的實施範例可以實現上述本發明之適應性自動重傳要求機制。第八圖的範例中，適應性自動重傳要求裝置包含一適應性重傳元件801。適應性自動重傳要求裝置可應用在一多輸出多輸入系統中，此多輸出多輸入系統包括一傳送器810與一接收器820。適應性重傳元件801置放於傳送器810。適應性重傳元件801採用的訊框具有如第五圖之訊框型態的結構，並且分別透過多根不同天線888來傳送資料至接收器820。而接收器820針對每一根天線所傳送的資料，回傳一回應確認(Acknowledgement)訊號ACK或是否定回應確認(Negative Acknowledgement)訊號NACK給適應性重傳元件801，並將偵測到的多根不同天線888之傳送資料回饋至適應性重傳元件801。適應性重傳元件801接收此回饋的傳送資料之訊號強度資訊，例如空間訊號強度分佈次序801a，並決定錯誤資料的重傳801b。

第八圖的範例中，適應性重傳元件可參考錯誤資料之估測的訊號雜訊比、通道衰落狀況、以及接收的該多根不同天線之傳送資料的空間訊號強度分佈次序之前述三種資訊的任一組合來決定錯誤資料的重傳。

如第九A圖的範例所示，適應性重傳元件801接收從接收器820回傳的訊號ACK/NACK，或是空間訊號強度分佈次序，例如階層依序式干擾消除(Ordering Successive Interference Cancellation，OSIC)階層指標(Order Index)值。傳送器810還包括例如既有的資料處理元件(Data Processing Component)910a、錯誤偵測編碼器(Error Detecting Encoder)910b、通道編碼器(Chanmel Encoder)910c、調變器(Modulator)910d、以及串列轉並列轉換器(Serial Parallel Converter)910e等。適應性重傳元件801可置於資料處理元件910a與錯誤偵測編碼器910b之間。第八圖之自動傳輸裝置還可以包括此資料處理元件910a，將收到的資訊封包(Information Packet)991進行處理後，傳送至該適應性重傳元件。錯誤偵測編碼器910b例如可以是循環冗餘編碼器(CRC Encoder)或是採用其他數據錯誤偵測的編碼器。

本發明之適應性自動重傳要求裝置的實施範例也可以包括適應性重傳元件801以及一錯誤偵測編碼器。適應性重傳元件801將決定重傳的錯誤資料傳送給此錯誤偵測碼編碼器，以進行編碼。

如第九B圖的範例所示，接收器820可透過例如既有的多輸入多輸出的空間訊號偵測元件(Spatial Detection Component)920a、解調器(Demodulator)920b和通道解碼器(Chamel Decoder)920c、錯誤偵測解碼器(Error Detecting Decoder)920d、以及每一傳送資料區塊的錯誤偵測碼檢查元件920e等，來產生出收到的封包(Received Packet)992。空間訊號偵測元件920a將偵測到的多根不同天線888之傳送資料，傳送至傳送器810，再饋入適應性重傳元件801，例如饋入的空間訊號強度分佈次序801a是一OSIC階層指標(Order Index)值。錯誤偵測解碼器920d例如可以是循環冗餘解碼器(CRC Decoder)或是採用其他數據錯誤偵測的解碼器。

每一根天線所傳送的資料若以OFDM符元為單位，則傳送器810的調變器(Modulator)910d和接收器820的解調器920b可分別以OFDM調變器和OFDM解調器來實作。

根據本發明，接收器820可依各個錯誤偵測碼檢查出那根天線上傳送的區塊資料發生錯誤。所以，適應性重傳元件801除了會收到接收器820之空間訊號偵測元件920a回饋的資訊，如空間訊號強度分佈次序801a，也會收到接收器820之錯誤偵測碼檢查元件920e回傳的回應確認訊號ACK或是否定回應確認訊號NACK。適應性重傳元件801若收到錯誤偵測碼檢查元件920e對某一傳送資料區塊的回應確認(Acknowledgement)訊號ACK時，則此正確的資料不再重傳；若收到的是否定回應確認訊號NACK時，則知道是那根天線所傳送的資料發生錯誤，並可根據第六圖之適應性重傳方式來重傳資料，不再重述。

承上述，第十圖進一步說明多輸出多輸入系統之適應性自動重傳要求方法，與本發明所揭露的某些實施範例一致。第十圖的範例流程圖中，透過傳送器的適應性重傳元件，接收自接收器回傳的ACK/NACK訊號(步驟1010)，知道是那根天線所傳送的資料是否發生錯誤。若收到ACK訊號(如標號1015)，則正確的資料不再傳送(步驟1020)。若收到NACK訊號(如標號1025)，則會將錯誤資料重傳(步驟1030)，並且在其中選擇一個或多個錯誤資料於另外天線重複傳送(步驟1040)，然後回至步驟1010。

在重傳的過程中，若通道狀況維持不變的話，如何選擇錯誤資料來重傳可參考錯誤資料之估測訊號強度來決定，也可參考如錯誤資料之估測的訊號雜訊比(Signal To Noise Ratio，SNR)、通道衰落狀況(Channel Fading)或接收的OSIC階層指標值等前述資訊的任一組合來決定。前述第六圖的範例中，三個錯誤符元中係選擇訊號強度最弱的錯誤符元來重複傳送。

由於本發明之適應性自動重傳要求裝置或方法中，其重傳機制只是單純重傳錯誤資料，因此接收端可以維持原本的結構，也不需要使用兩種空間解碼技術。所以，本發明可讓MIMO系統具有額外空間之多樣性增益(Diversity Gain)，例如時間與空間維度的分集增益，也可以降低重傳次數而提昇MIMO系統的接收效能。

惟，以上所述者僅為本發明之實施範例，當不能依此限定本發明實施之範圍。即大凡本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍。

110．．．訊框

110a．．．循環冗餘碼

110b．．．資料

L．．．長度

210．．．傳送端

210a．．．重傳模式選取元件

220．．．接收端

220a．．．解碼器

CRC_I至CRC_N．．．循環冗餘碼

S1至S4．．．四根天線傳送的相對應符元

S1^* 、S2^* 、S3^* 與S4^* ．．．S1、S2、S3與S4之共軛轉換

801．．．適應性重傳元件

ACK/NACK．．．回應確認/否定回應確認訊號

801a．．．空間訊號強度分佈次序

801b．．．錯誤資料的重傳

810．．．傳送器

820．．．接收器

888．．．多根不同天線

OSIC．．．階層依序式干擾消除

910a．．．資料處理元件

920a．．．空間訊號偵測元件

910b．．．錯誤偵測編碼器

920b．．．解調器

910c．．．通道編碼器

920c．．．通道解碼器

910d．．．調變器

920d．．．錯誤偵測解碼器

910e．．．串列轉並列轉換器

920e．．．錯誤偵測碼檢查元件

1010．．．接收自接收器回傳的ACK/NACK訊號

1015．．．收到ACK訊號

1020．．．正確的資料不再傳送

1025．．．收到NACK訊號

1030．．．將錯誤資料重傳

1040．．．在其中選擇一個或多個錯誤資料於另外天線重複傳送

第一圖是傳統混合式之自動重傳要求機制之訊框型態的一個範例示意圖。

第二圖是一種傳統之多輸入多輸出系統中自動重傳要求控制系統的一個範例示意圖。

第三圖是在傳送端之重傳資料時，排列與交錯式重傳方法的一個範例示意圖。

第四圖是在傳送端之重傳資料時，共軛轉換式重傳方法的一個範例示意圖。

第五圖是另一種傳統多輸入多輸出系統中的訊框型態的一個範例示意圖。

第六圖是適應性的重傳方式的一個範例示意圖，與本發明所揭露的某些實施範例一致。

第七圖是使用四根天線來傳送與接收資料，當發生傳送1至3個錯誤符元時，其第一次重傳的符元之擺放方法的範例，與本發明所揭露的某些實施範例一致。

第八圖是多輸出多輸入系統之適應性自動重傳要求裝置的一個範例示意圖，與本發明所揭露的某些實施範例一致。

第九A圖是多輸出多輸入系統之傳送端的一個範例示意圖，與本發明所揭露的某些實施範例一致。

第九B圖是多輸出多輸入系統之接收端的一個範例示意圖，與本發明所揭露的某些實施範例一致。

第十圖是一個範例流程圖，說明多輸出多輸入系統之適應性自動重傳要求方法，與本發明所揭露的某些實施範例一致。