TWI410073B - 用於在劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置 - Google Patents

用於在劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置 Download PDF

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Description

用於在劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置
本發明大體而言係關於資料流加權，且詳言之係關於在劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置。
傳輸射束成形(有時被稱作傳輸適應性陣列(TXAA)傳輸)藉由建立在本質上傾向於為定向(亦即，並非均勻廣播)之覆蓋圖案而增加接收器設備所經歷的有效信雜比。此係藉由在傳輸地點採用多個天線及對每一天線加權以致相組合之傳輸產生一將最大功率/能量傳遞至接收器之射束成形圖案而實現。在同時將多個流傳輸至多個接收器(亦即，傳輸劃空間多向進接或SDMA)的狀況下，對天線權重進行選擇以使得達成使用者之間的最少量之串音或干擾。
然而，迫使所有串音為最小值係限制性的。藉由允許容許之串音量，可增加對於所要SDMA使用者之相干增益，且因此改良總效能。因此，選擇使使用者之間的串音最小化之天線權重可導致通信系統在極高SNR時的最佳理論效能；然而，具有某些串音將為可接受的，因為此將在通道雜訊中被掩蓋。因此，迫使天線權重傳遞最少量之串音為不必要的，此係因為少量之串音將在通道雜訊中被掩蓋且因此將不會使效能降級。因此，需要一在允許使用者之間的某些串音之劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置。
本文提供一種用於在劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置。在操作期間，基地台接收器自行動裝置(亦已知為使用者或節點)接收通道資訊並計算使傳遞至每一行動裝置之功率最大化同時允許少量串音存在於使用者之間的傳輸天線權重。利用適當流權重將資訊或資料傳輸至節點。藉由允許容許之串音量，可增加對於所要SDMA使用者之相干增益，且因此改良總效能。
為了解決上述需要，本文提供一種在劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置。在操作期間，基地台接收器自行動裝置(亦已知為行動單元、使用者、用戶台或節點)接收通道資訊並計算使至每一行動裝置之功率最大化同時允許少量串音存在於使用者之間的天線權重。利用適當流權數將資訊或資料傳輸至節點。藉由允許容許之串音量，可增加對於所要SDMA使用者之相干增益，且因此改良總效能。
本發明包含用於在劃空間多向進接(SDMA)通信系統中執行流加權之方法。該方法包含以下步驟：為複數個節點之每一者接收複數個資料流；為該複數個資料流中每一者計算流權重；及使用該等流權重對該複數個資料流加權。該等流權重使至節點之功率最大化同時允許某些串音存在於其他節點處。接著將該等加權之資料流傳輸至該等節點。
本發明另外包括一方法，該方法包含以下步驟：自複數個行動裝置確定下行鏈路通道資訊；確定串音臨限值；及建立一具有可允許串音量之數學通道。為該數學通道計算天線權重。該等天線權重係基於該串音臨限值及該數學通道。
本發明另外包括一裝置，該裝置包含流加權電路，該流加權電路為複數個節點之每一者接收複數個資料流且為該複數個資料流之每一者計算流權重。該等流權重使至節點之功率最大化同時允許某些串音存在於其他節點處。加權電路使用流權重對該複數個資料流加權。提供用於將加權之流傳輸至該等節點之傳輸電路。
現參看附圖，其中類似數字表示類似組件，圖1為通信系統100之方塊圖。在本發明之較佳實施例中，通信系統100利用基於正交劃頻多工(OFDM)或多載波之架構。在本發明之替代實施例中，該架構亦可包括使用諸如多載波CDMA(MC－CDMA)、多載波直接序列CDMA(MC－DS－CDMA)、具有一維或二維展頻之正交劃頻及劃碼多工(OFCDM)之展頻技術，或可基於較簡單之劃時及/或劃頻多工/多向進接技術或該等各種技術之組合。
如圖所示，通信系統100包含基地台101及多個行動或靜止節點102至103。儘管僅展示單一基地台及兩個節點，但一般熟習此項技術者將認識到，該等通信系統通常包含與許多節點102至103通信之多個基地台101。在操作期間，通信系統100利用SDMA以使基地台101與節點(102至103)之間的傳輸射束成形。如上文所討論的，射束形成係藉由在傳輸地點採用多個天線及對每一天線加權以使得相組合之傳輸產生一具有接收器處所接收之最大功率的射束成形圖案而實現。如所討論的，迫使所有串音為最小值可為極限制性的。藉由允許容許之串音量，可增加對於每一SDMA使用者之相干增益，且因此改良總效能。因此，選擇使使用者之間的串音最小化之天線權重可在不存在通道雜訊時導致通信系統之最佳理論效能；然而，當串音在通道雜訊中被掩蓋時，具有某些串音將為可接受的。因此，迫使天線權重使串音量最小化為不必要的，此係因為少量串音將在通道雜訊中被掩蓋且因此不會使效能降級。
為了解決該問題，基地台101將選擇會允許使用者之間的某些串音之天線權重。為了為使用者確定適當天線權重(u 將用作為用以指示使用者數目之整數)，在劃時雙工(TDD)系統中，節點102至103將導頻資訊在通信系統之上行鏈路上自節點處之每一天線傳輸至基地台101(該過程亦已知為"上行鏈路探測(uplink sounding)")。基地台101接著為每一節點處之每一天線計算上行鏈路通道估計。基地台101接著將基於該等上行鏈路通道估計而為每一基地台天線至每一節點天線計算下行鏈路通道估計。在劃頻雙工(FDD)系統中(此方法係已知為"通道反饋")，基地台101自其天線中之每一者處廣播由節點102至103接收之導頻序列。節點102至103基於所接收之導頻序列而執行通道估計並確定一導致個別行動裝置處之最大所接收功率之通道估計(當基地台使用該通道估計來計算傳輸權重時)。一旦節點確定適當通道估計，該等通道估計(H)便被傳輸至基地台101。無論是在FDD還是在TDD中，由基地台101利用通道估計(以及其他資訊)為特定節點確定適當天線權重。詳言之，確定串音臨限值(γ)，該串音臨限值致能任何經計算之天線權重將產生的在使用者之間的可允許串音量。由基地台101建立具有可允許串音量之數學通道(亦已知為虛擬或模擬通道)，且為該數學通道計算天線權重。以下為確定通道權重之較詳細解釋。
假定基地台101處存在M b 個傳輸天線，每一行動裝置102至103處存在M m 個接收天線(接收天線之數目在每一行動裝置處無需為相同的，但為了簡化顯示，將假定每一行動裝置具有相同數目的接收天線)，存在N u 個行動裝置(亦即，傳輸SDMA因子為N u )，且存在待傳輸至每一行動裝置102至103之N s 個資料流(傳輸至每一行動裝置之資料流的數目無需為相同的，但同樣為了簡化顯示，假定將相同數目之資料流傳輸至每一行動裝置)。假定一具有K 個可用副載波之OFDM下行鏈路，行動裝置u 處、副載波k (1k K )及符號時間(symbol time)b 上之所接收M m ×1信號給出如下：Y u (k ,b )＝H u (k ,b )V u (k )x u (k ,b )＋Z u (k ,b )＋N u (k ,b ) (1)其中H u (k ,b )為行動裝置u 之在副載波k 及OFDM符號b 上之M m ×M b 下行鏈路通道矩陣，V u (k )為行動裝置u 之在副載波k 上之M b ×N s 傳輸權重向量(在較佳實施例中，V u (k )為時間不變數，然而對時變傳輸權重之擴展為直接的)，x u (k ,b )為行動裝置u 之在副載波k 及OFDM符號b 上之符號值的N s ×1向量，Z u (k ,b )為串音之M m ×1向量，且N u (k ,b )為具有可為之協方差矩陣之加成雜訊的M m ×1向量，其中為行動裝置處每一接收天線上之雜訊功率且I m 為m ×m 單位矩陣。關於行動裝置u 之串音項給出如下：
產生流權重之所有先前技術中的技術強制迫零標準(zero－forcing criteria)，此意味著對於其他傳輸SDMA使用者而言不存在任何串音。然而，迫零標準可為極限制性的。藉由允許容許串音量，可增加對於所要SDMA使用者之相干增益，且因此改良總效能。允許串音在移動性中亦較為重要，此係因為串音將由於來自計算V u (k )時及將V u (k )用於傳輸資料流時的通道變化而存在。因此在設計中允許某些串音不會使移動性之效能降級而會由於對於所要SDMA使用者的增加之相干增益而使效能增強。在以下部分中呈現用以影響串音權衡(cross talk tradeoff)之某些技術。
投影矩陣方法
此處研究之投影法允許某程度之串音。觀念為僅將投影矩陣之特徵模式採用至其他SDMA使用者之高於某一臨限值之通道的正交補(orthogonal complement)中。因此，低功率特徵模式導致某些可接受之串音量。使用該方法為行動裝置u 計算傳輸權重V u (k )之步驟如下：1.挑選可允許之串音量並使N x ＝min(M b ,M m (N u －1))。舉例而言，挑選(亦即，允許預期串音高達小於雜訊功率6 dB)。
2.將除行動裝置u 之外的所有行動裝置之通道堆疊為以下M b ×M m (N u －1)矩陣：
3.使q 1 (k ,b )至(k ,b )為有序特徵值(自最強至最弱)且u 1 (k ,b )至(k ,b )為G u (k ,b )(k ,b )之相關聯特徵向量。
4.如下使特徵值正規化：q l (k ,b )＝q l (k ,b )/q 1 (k ,b )，其中l ＝1,...,N x 。
5.使N q (k ,b )為大於γ 之正規化特徵值數。
6.計算M b ×M b 投影矩陣P (k ,b )如下：
7.計算具有可允許串音量之數學通道H u (k ,b )P (k ,b )且使用該數學通道代替H u (k ,b )以計算V u (k )(例如，使用T.A.Thomas,F.W.Vook，"MIMO Strategies for Equal－Rate Data Streams，"IEEE VTC－2001/Fall ,2001年10月中所描述之技術)。該數學通道為一關於一節點之通道矩陣與一含有至其他節點之通道的逆矩陣之乘法。
一替代方法為確定一加權以置放在(3)中之通道的每一者上以使得對於其他SDMA使用者之串音在給定位準。該技術將需要疊代程序，此係因為V u (k )確定串音且因此必須藉由權重計算而執行V u (k )之計算(其計算可為高度非線性的)。
矩陣求逆方法
該方法藉由建立數學通道而操作，該數學通道為關於行動裝置u 之通道矩陣與一含有至其他SDMA行動裝置之通道的逆矩陣之乘法。藉由使用矩陣求逆，以類似於線性MMSE組合如何在接收SDMA中起作用之方式(亦即，線性MMSE組合權衡干擾抑止及雜訊增強，而建議之傳輸SDMA權衡具有相干信號增益之串音)而允許串音。將被描述之第一矩陣求逆方法縮放(scale)矩陣求逆中之單位矩陣的功率從而提供在某一位準之預期串音。第二矩陣求逆方法使單位矩陣之功率固定並縮放矩陣求逆中每一SDMA使用者之通道的功率從而使預期串音為某一位準。
對於單位矩陣縮放，關於行動裝置u 之逆矩陣R u (k ,b )給出如下： 其中α 經選擇以提供串音之特定所要位準。關於α 之一選擇係使其與預期都蔔勒(Doppler)頻率f d 關聯： 其中D 為OFDM符號之數目自進行通道量測及應用權重之時間開始的延遲且△為兩個相鄰OFDM符號之間的時間。關於該α 選擇之觀念為允許移動性中之較多串音且亦改良移動性中之相干增益。接著使用數學通道H u (k ,b )R u (k ,b )而非H u (k ,b )、使用程序(諸如T.A.Thomas,F.W.Vook,"MIMO Strategies for Equal－Rate Data Streams，"IEEE VTC－2001/Fall ,2001年10月中提供)而找出關於行動裝置u的傳輸權重向量。
第二方法為用於在使用以下R u (k ,b )之每一SDMA使用者之通道矩陣上選擇功率加權α 1 至的疊代程序： 接著使用數學通道H u (k ,b )R u (k ,b )而非H u (k ,b )、使用程序(諸如T.A.Thomas,F.W.Vook,"MIMO Strategies for Equal－Rate Data Streams，"IEEE VTC－2001/Fall ,2001年10月中提供)而找出關於行動裝置u 的傳輸權重向量。以下疊代程序可用於為行動裝置u 找出關於R u (k ,b )之功率加權：1.選擇每一行動裝置之可接受串音位準γ 以提供給其他使用者，設定e＝1，選擇最大疊代數I max ，設定i ＝1並設定c ＝1000(c 為用於儲存串音值之變數)。
2.以α l ＝1，其中l ＝1,...,N u l ≠u 開始並設定α l ,old ＝α l ，其中l ＝1,...,N u l ≠u 。
3.自(7)開始計算Ru (k,b)。
4.使用數學通道H u (k ,b )R u (k ,b )代替H u (k ,b )而計算V u (k )(例如，使用T.A.Thomas,F.W.Vook，"MIMO Strategies for Equal－Rate Data Streams，"IEEE VTC－2001/Fall ,2001年10月之技術)。
5.使用下式計算每一其他行動裝置之每一接收天線處的平均串音t l ，其中l ＝1,...,N u ,l ≠u (v u , l (k )為V u (k )之第l 行)：
6.設定c old ＝c 。
8.若c >c old ，則設定c ＝c old ，設定α l ＝α l ,old ，其中l ＝1,...,N u l ≠u ，且設定e ＝e /2。
9.設定α l ,old ＝α l ，其中l ＝1,...,N u l ≠u 。
10.設定α l ＝α l (t l /γ ) e 。
11.i ＝i ＋1。
12.若i <I max ，則轉至步驟3。
13.將V u (k )用作行動裝置u 之傳輸權重。
注意，若α 之預定值用於第一矩陣求逆方法，則計算複雜性由於無需任何疊代而比第二方法低得多。
圖2為基地台101之方塊圖。基地台101包含流加權電路201、快速傅立葉逆變換(IFFT)電路203及傳輸電路209。在操作期間，行動裝置u 之N s ×1資料流(在符號時間b 處)x u (k ,b )，(k ＝1,2,...K )(其中展示N u ＝3個行動裝置之資料流)進入流加權電路201(其中K 為副載波數目)。注意，將為待傳遞(傳輸)至N u 個節點(行動裝置)中之每一者的N s 個資料流之每一者執行由流加權電路所執行的加權操作。流加權電路201輸出複數個加權資料流，且詳言之，每一天線一個加權資料流。每一資料流係在頻域中由一天線特定權重V u (k )(其中u ＝1,2,...N u )適當地加權且對SDMA使用者進行結果求和從而為傳輸天線之每一者(或者被稱作"天線流")建立加權資料流。如上所述選擇權重從而允許使用者之間的某些串音。注意，權重在每一經射束成形之副載波上可為或可能不為不同的。由於{V u (k )} m (其中{A } m 為矩陣A之第m 列)為關於傳輸天線m 、行動裝置u 及副載波k 之權重，故流加權電路201為傳輸天線m 輸出加權之資料/天線流。
IFFT電路203對每一加權資料流s m (k ,b )執行快速傅立葉逆變換，此將頻域資料流轉換為時域資料流。在將IFFT電路203之所得輸出發送至傳輸電路209之前，可藉由循環擴張電路(未圖示)而對IFFT電路203之輸出執行可選循環擴張操作。詳言之，可由該循環擴張電路添加循環前置(cyclic prefix)或保護間隔。該循環前置通常比通道之預期最大延遲擴散長。如一般熟習此項技術者將認識到，循環擴張可包含前置、後置或前置與後置之組合。循環擴張為OFDM通信系統之固有部分。插入之循環前置使得具有多路徑通道之傳輸信號的正常卷積在該通道之脈衝回應於0至L CP 之範圍內時表現為循環卷積，其中L CP 為循環擴張之長度。最後，對適當加權之資料流進行OFDM調變且由傳輸器209自天線211傳輸IFFT電路之輸出(或視情況傳輸循環擴張電路的輸出)。
顯而易見，基地台101另外包含用於接收由節點傳輸之通道資訊及/或導頻序列之接收器213。接收器將使用該通道資訊或該等導頻序列以計算通道估計且該等通道估計將被傳遞至流加權電路201從而確定當傳達至特定節點時所使用的適當天線/流加權。
圖3為展示在通道反饋用於獲得下行鏈路通道估計時圖2之基地台之操作的流程圖。邏輯流程開始於步驟301，其中將導頻資料傳輸至至少一第一及一第二節點。導頻資料之傳輸僅包含來自多個天線211中每一者之已知序列之傳輸。該已知序列對於每一天線可為不同的及/或可傳輸於來自每一天線之不同通道資源上。作為回應，接收器213在步驟303處自節點接收通道資訊(亦即，通道估計)。如上文所討論的，該通道資訊包含關於將計算使至行動裝置之功率最大化並允許一串音量存在於使用者之間的哪些天線權重之資訊。
在步驟305處，流加權電路201接收複數個資料流且為每一資料流計算流權重。如上文所討論的，第一流權重將使至第一節點之功率最大化同時允許某些串音存在於其他節點處。在步驟307處對該等流加權並在步驟309處將加權之資訊或資料流傳輸至節點。
圖4為展示在計算流權重時流加權電路201之操作的流程圖。邏輯流程開始於步驟401，其中為每一行動裝置獲得下行鏈路通道資訊(H)(例如藉由通道反饋或上行鏈路探測)。在步驟403處，選擇一將在使用者之間產生可允許串音量之串音臨限值(γ)。建立一具有可允許串音量之數學通道(步驟405)並計算作為該數學通道之函數的天線權重(步驟407)。如上所述，可使用投影矩陣方法或矩陣求逆方法計算天線權重。
儘管已根據特定實施例特別地展示及描述了本發明，但例如，可容易地將該報告中所描述之技術擴展至每一行動裝置具有不同數目之資料流及/或接收天線的狀況。熟習此項技術者將瞭解，可在不偏離本發明之精神及範疇的情況下在其中進行形式及細節之各種變化。希望該等變化在以下申請專利範圍之範疇內。
100．．．通信系統
101．．．基地台
102、103．．．節點/行動裝置
201．．．流加權電路
203．．．快速傅立葉逆變換(IFFT)電路
209．．．傳輸電路/傳輸器
211．．．天線
213．．．接收器
圖1為採用劃空間多向進接之通信系統之方塊圖。
圖2為圖1之基地台之方塊圖。
圖3為展示圖2之基地台之操作的流程圖。
圖4為展示圖2之基地台之操作的流程圖。
(無元件符號說明)

Claims (6)

  1. 一種用於在一劃空間多向進接(SDMA)通信系統中執行流加權之方法，該方法包含以下步驟：為複數個節點中之每一者接收複數個資料流；確定來自該等節點之下行鏈路通道資訊；基於已確定之該下行鏈路通道資訊選擇一可允許串音量；藉由一基地台建立具有該可允許串音量之一數學通道，其中該數學通道為關於節點u 之通道矩陣與含有至其他節點之通道的逆矩陣之一乘法運算；基於該數學通道為該複數個資料流中之每一者計算流權重，其中該等流權重使至節點u 之功率最大化同時至少允許該可允許串音量存在於其他節點處；使用該等流權重對該複數個資料流加權；及將該等加權資料流傳輸至該等節點。
  2. 如請求項1之方法，其中藉由一基地台建立一數學通道包含：計算一數學通道，該數學通道為關於該節點u 之通道矩陣與經設計以提供所要串音位準之一投影矩陣的一乘法運算。
  3. 如請求項1之方法，其中藉由一基地台建立一數學通道係基於來自該等節點之該下行鏈路通道資訊。
  4. 一種用於在一劃空間多向進接(SDMA)通信系統中執行流加權之裝置，其包含： 流加權電路，其用以：為複數個節點中之每一者接收複數個資料流，確定來自該等節點之下行鏈路通道資訊，其中該下行鏈路通道資訊係被利用以選擇一可允許串音量，藉由一基地台建立具有該可允許串音量之一數學通道，其中該數學通道為關於節點u 之通道矩陣與至其他節點的一逆矩陣之一乘法運算，基於該數學通道為該複數個資料流中之每一者計算流權重，其中該等流權重使至節點u 之功率最大化同時至少允許該可允許串音量存在於其他節點處，且使用該等流權重對該複數個資料流加權；及傳輸電路，其將該等加權流傳輸至該等節點。
  5. 如請求項4之裝置，其中該數學通道為一關於該節點u 之通道矩陣與一經設計以提供一所要串音位準之投影矩陣的一乘法運算。
  6. 如請求項4之裝置，其進一步包含：一接收器，其接收來自該等節點之該下行鏈路通道資訊；及其中該等流權重係基於來自該等節點之該下行鏈路通道資訊。
TW096113494A 2006-05-23 2007-04-17 用於在劃空間多向進接通信系統中執行流加權之方法及裝置 TWI410073B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

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