TWI413368B - 多輸入多輸出無線通信系統中產生傳輸功率控制回饋資訊方法及裝置 - Google Patents

多輸入多輸出無線通信系統中產生傳輸功率控制回饋資訊方法及裝置 Download PDF

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TWI413368B
TWI413368B TW098118968A TW98118968A TWI413368B TW I413368 B TWI413368 B TW I413368B TW 098118968 A TW098118968 A TW 098118968A TW 98118968 A TW98118968 A TW 98118968A TW I413368 B TWI413368 B TW I413368B
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Jung Lin Pan
Robert Lind Olesen
Yingming Tsai
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2605—Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays

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  • Transmitters (AREA)

Description

多輸入多輸出無線通信系統中產生傳輸功率控制回饋資訊方法及裝置
本發明是關於一種無線通訊系統。本發明尤其是關於一種在多輸入多輸出(MIMO,multiple-input multiple-output)無線通訊系統中，產生傳輸功率控制之回饋資訊的方法及裝置。
一種MIMO通訊系統使用多個傳輸天線及接收天線進行傳輸和接收。一般來說，隨著傳輸和接收天線的數量增加，容量和效能也會跟著改善。藉由使用多個天線，在傳輸器和接收器之間便能建立多個頻道。
一般來說，傳輸器會受限於傳輸功率，因而必須使用傳輸功率控制。傳輸器就在可允許的最大傳輸功率限制下分配傳輸功率，而該MIMO系統的每個頻道便會遇到不同的頻道狀況。舉例來說，在每個頻道上的多路徑和衰退狀況可能會有所不同。
有些系統在接收器端使用具有頻率域等化(SC-FDE)的單一載波，其並未使用回饋，因此這些系統會有不良的系統產量和容量。而其他系統則會使用緩慢回饋系統。
本發明是關於一種在MIMO無線通訊系統中，產生傳輸功率控制之回饋資訊的方法及裝置。傳輸器和接收器都包含多個用以傳輸和接收的天線。該傳輸器包含一個功率分配單元，其係根據接收自該接收器的回饋以控制傳輸功率。該接收器包含一個頻道 估測器含一個奇異值分解(SVD,singular value decomposition)單元，該頻道估測器產生由一個接收自該傳輸器的信號而產生一個頻道矩陣，而該SVD單元則將該頻道矩陣分解成D、U和V矩陣。該接收器發送一個回饋至該傳輸器以控制該傳輸功率，該回饋係根據該SVD單元的輸出所產生。該回饋可為特徵根、傳輸功率等級、或是功率控制位元或命令。亦可根據頻道狀況實施一個複合機制以從中選擇其一。
本發明之特徵可整合於積體電路(IC)中，或是配置於一個包含許多互連元件的電路上。
當此後提到「無線傳輸/接收單元(WTRU)」，其包含但不限制於，一使用者設備、一行動站台、一固定或行動用戶單元、一呼叫器、或是其他任何可用於一無線環境中的裝置。當此後提到「基地台」，其包含但不限制於，一節點B、站台控制器、存取點、或是其他任何形式的無線環境介面裝置。
本發明為高資料率高速MIMO系統提供快速回饋及傳輸功率最佳化。本發明也提供三種功率分配和控制的主要實施例。第一種是使用空間域功率分配和控制；第二種是使用聯合空間-頻率域功率分配和控制；而第三種是使用頻率域功率分配和控制。
第一圖是在一天線域中，用於傳輸功率控制的系統100方塊圖，該系統100包含一個傳輸器110以及一個接收器120。該傳輸器110包含一個串聯至並聯(S/P)轉換器112、一個調變器114、一個循環前置(CP,cyclic prefix)插入器116、一個多天線傳輸單元 118、以及一個功率最佳化單元119。所輸入的資料係由該S/P轉換器轉換成複數個並聯資料串流，且該資料串流係由該調變器114進行調變。該調變器114可使用任何一種調變技術，像是QPSK、QAM、或是其他調變技術。接著由該CP插入器116將一個CP插入該資料串流，以防止區塊間的干擾。該資料串流接著轉送至該多天線傳輸單元118以進行傳輸，同時該功率最佳化單元119在最大可允許傳輸功率限制內，標分(scale)每個天線的傳輸功率。
該總可允許傳輸功率為P T 。根據本發明，該總傳輸功率係均勻的分佈於子頻率中，但注水(water filled)於天線。假設有M個天線及Q個子頻率，各該子頻率係分配的功率。對各該子頻率j而言，該天線i係分配的功率，對M個傳輸天線而言，功率係如下計算： 其中，為特徵根(eigenvalue)且Z係如下計算： 總功率限制必須滿足如下方程式： 分配給天線i的功率應該為所有子頻率之所有功率的總和，該子頻率係如下分配給天線i： 該總功率限制亦須滿足如下方程式： 該接收器120包含多天線接收單元122、一個CP移除器124、一個FFT單元126、一個頻道對角化器128、一個IFFT單元130、一個解調變器132、一個並聯至串聯(P/S)轉換器134、一個頻道估測器136、一個後處理器138、以及一個奇異值分解(SVD)單元140。傳輸資料係由該多天線接收單元122所接收，該CP係由該CP移除器124從所接收的資料串流中移除。接著，將該資料串流轉送至該FFT單元126，該FFT單元126將該資料串流轉換成頻率域。由該FFT單元之輸出係轉送至該頻道對角化器128及該頻道估測器136。該頻道估測器136產生CSI(亦即：各該傳輸天線和各該接收天線之間的一個頻道矩陣H)。該頻道估測器136藉由估測在頻率域中的頻道脈衝響應產生該頻道矩陣，或是先在時間域中產生該頻道脈衝響應後再將其轉換為頻率域。該頻道矩陣H係轉送至該SVD單元140，選擇性地經由該後處理器138進行濾波。
該SVD單元140將該頻道矩陣H分解成對角矩陣D及單位矩陣U和V，使得：H=UVD H ； 方程式(6)其中U和V皆為單位矩陣，其係分別由矩陣HH H 和H H H的特徵根所組成，且U H U=V H V=I。D為一個對角矩陣，其係由HH H 的特徵根的平方根所組成。儘管本發明之較佳實施例中係使用SVD，但除了SVD外尚可使用特徵根分解或是其他類似的技術。
分解後的D、U和V矩陣係被送至該頻道對角化器328。該頻道對角化器128將所接收的信號對角化，以便消除天線間的干 擾。假設R、S分別表示頻率域接收信號和資料，則在頻率域中的接收信號模型可如下表示： 該頻道對角化器128藉由使用該矩陣U H 及D -1 V，而將該頻道矩陣H對角化成為頻率域接收信號R。在對角化後所產生的信號變為： 其係為一個頻率域資料加上雜訊。
為了回復該時間域資料s，便由該IFFT單元130在頻率域資料S上執行IFFT動作，亦即，其中，。該資料接著交由該解調變器132及該P/S轉換器134進行處理。
本發明提供四個選擇作為傳輸功率控制資訊之回饋至該傳輸器110。第一個方式是，由該SVD單元140所獲得的特徵根可送回給該傳輸器110，以作為調整傳輸功率的回饋。第二個方法是，可由特徵根計算該傳輸功率等級，並送回給該傳輸器110以作為回饋資訊。第三個方式是，可產生一個功率控制位元(或是功率控制命令)，並送回給該傳輸器110以作為回饋資訊。第四個方式是，可組合前述三種方式作為一種複合方式。
第一種方法是發送該特徵根至該傳輸器110。包含該特徵根的回饋資訊會被送至該傳輸器110，以執行功率分配和注水。假設有M個傳輸天線和Q個子頻率，則使用第一個方法的回饋資訊便為每回饋之MQ實數。
第二個方法是該接收器120更包含一個特徵根處理器142，以處理由該SVD單元140所獲得之特徵根，並計算最理想的傳輸功 率等級，且將計算好的傳輸功率等級送回給該傳輸器110以作為回饋。
包含每個天線的功率等級及/或每個子頻率成份的該回饋資訊，係發送至該傳輸器110以執行功率分配和注水，而回饋資訊的大小會視系統而定。對空間域注水而言，包含每個天線功率等級的回饋資訊，會送回給該傳輸器110。對頻率域注水而言，包含每個子頻率成份之功率等級的回饋資訊，會送回給該傳輸器110。對聯合空間-頻率域注水而言，包含每個天線的功率等級及每個子頻率成份的該回饋資訊，會送回給該傳輸器110。回饋資訊的大小對空間域、頻率域、聯合空間-頻率域功率分配和注水而言，分別是M、Q、及MQ實數。
與頻道脈衝響應或CSI的回饋資訊相比，方法1和2的回饋資訊有顯著地降低。在此類系統中，回饋需要時間域係數的2MNL實數、或頻率域係數的2MNQ實數，其中，L是延遲展開的長度。
在第三個方法中，該接收器120更可包含一個功率控制位元產生器144，用以由該特徵根處理器142所計算的傳輸功率等級，產生一個功率控制位元(或是功率控制位元命令)。包含該功率控制位元的回饋資訊，係發送至該傳輸器110，以便執行功率分配和注水。該可根據下述演算法產生：三步驟演算法(2位元)：，如果天線i和子頻率j的功率等級需要增加；，如果天線i和子頻率j的功率等級需要減少；其他，如果功率等級不需要增加或減少。
具有靜寂的三步驟演算法(1位元)： ，如果天線i和子頻率j的功率等級需要增加；，如果天線i和子頻率j的功率等級需要減少；靜寂(無送出)，如果功率等級不需要增加或減少。
兩步驟演算法(1位元)：，如果天線i和子頻率j的功率等級需要增加；，如果天線i和子頻率j的功率等級需要減少；對空間域注水而言，包含PCB i ，i=1,2,...,M的回饋資訊係送回至該傳輸器110。對頻率域注水而言，包含，j=1,2,...,Q的回饋資訊係送回至該傳輸器110。對聯合空間-頻率域注水而言，包含，i=1,2,...,M且j=1,2,...,Q的回饋資訊係送回至該傳輸器110。若採三步驟功率控制演算法，則對空間域、頻率域、和聯合空間-頻率域注水而言，其PCB回饋資訊的大小分別為2M、2Q和2MQ位元。若採具有靜寂之三步驟功率控制演算法，或是採用兩步驟功率控制演算法，則對空間域、頻率域、和聯合空間-頻率域注水而言，其PCB回饋資訊的大小分別為M、Q和MQ位元。使用PCB的第三個方式，在降低回饋大小和在傳輸器110之傳輸功率控制速率方面是上述三種方法中最快的一種。
第四種方法中，該接收器120更可包含一頻道狀態監視器146，用以監控一頻道狀態及/或傳輸媒介速率，且用以選擇適當的回饋形式。該接收器110包含該SVD單元140、該特徵根處理器142、及/或該功率控制位元產生器144，且由該頻道狀態監視器146選出一回饋。根據所測量的頻道狀態或是傳輸媒介速率，選擇第1、2、或3種方法。
在快速衰退狀態或是高速環境中，當該功率等級需要躍進 時，可使用具有大步進大小的第1、2、或3種方法。在慢速衰退狀態或是低速環境或靜態環境中，當功率等級處於更穩定的狀態時，可使用具有小步進大小的第3種方法。第3種方法的不同或適應步進大小，可用於不同的頻道狀態或是傳輸媒介速率。
第2圖所示為用以產生功率控制回饋資訊的系統200方塊圖，其係根據本發明。該系統200包含一個傳輸器210以及一個接收器220。第2圖中的接收器220基本上與第1圖中的接收器120一樣，因此為了簡化說明，在此將不再描述第2圖中的接收器220，而僅針對該傳輸器210描述。
該傳輸器210包含一個S/P轉換器212、一個調變器214、一個快速傅利葉變換(FFT,fast Fourier transform)單元216、一個混合器218、一個逆FFT(IFFT)單元219、一個CP插入器222、多天線傳輸單元224、以及一個功率最佳化單元226。所輸入的資料係由該S/P轉換器212轉換成複數個並聯資料串流，且該資料串流係由該調變器214進行調變。調變後之資料串流係由該FFT單元216轉換成頻率域信號，其包含Q子頻率成份。
在此實施例中，功率分配和注水係於聯合空間-頻率域中執行。在頻率或是天線中的功率並非均質分佈，但已經為各該子頻率和天線進行理想化。各該Q子頻率成份的傳輸功率等級係由該混合器218進行標分，其係根據來自該功率最佳化單元226的控制信號。接著，該頻率域資料係由該IFFT單元219轉換回時間域信號。接著由該CP插入器222將CP插入該資料串流，以防止區塊間的干擾。該功率最佳化單元226在該最大可允許傳輸功率限制內標分各該天線的傳輸功率。接著，將該資料串流轉送至該多 天線傳輸單元以進行傳輸。傳輸功率係於天線域和頻率域中調整。
或者，可藉由關閉天線域傳輸功率控制而在頻率域中執行功率分配和注水，在此狀況下，該功率可均質分佈於天線中但為各該子頻率成份最佳化。在此實施例中，分配給每個天線的功率為。傳輸總功率限制應滿足下列方程式： 第3圖所示為根據本發明之另一實施例的系統300方塊圖。該系統300包含一個傳輸器310和一個接收器320。第3圖中的傳輸器310基本上與第2圖中的傳輸器210一樣，因此為了簡化說明，在此將不再描述第2圖中的傳輸器210，而僅針對該接收器320描述。
該接收器320包含多天線接收單元322、一個CP移除器324、一個FFT單元326、一個頻道對角化器328、一個IFFT單元330、一個解調變器332、一個並聯至串聯(P/S)轉換器334、一個頻道估測器336、一個後處理器338、以及一個奇異值分解(SVD)單元340。所傳輸之資料係由該多天線接收單元322所接收，而該CP移除器324係將該CP由該接收資料中移除。該資料串流接著會被轉送至該FFT單元326。該FFT單元326轉換該資料串流成為一個頻率域。由該FFT單元326之輸出係轉送至該頻道對角化器328及該頻道估測器336。該頻道估測器336產生CSI(亦即：各該傳輸天線和各該接收天線之間的一個頻道矩陣H)。該頻道矩陣係轉送至該SVD單元340及該後處理器338。
該SVD單元340將頻道矩陣分解成D、U及V矩陣，而該D、U及V矩陣係轉送至該頻道對角化器328及該後處理器338。該 後處理器338過濾由該頻道估測器336所產生的CSI，且發送一回饋至該傳輸器310。該回饋可為一個未經處理的CSI(亦即：未經過後處理的CSI)、或是可為一個經過後處理的CSI。為了使回饋更有效率，該回饋亦可為特徵根、傳輸功率等級、或是功率控制位元。
該頻道對角化器328將所接收的信號對角化，以便移除天線之間的干擾。為了回復該時間域資料，便由該IFFT單元330在該頻率域資料上執行IFFT。該資料接著由該解調變器332及該P/S轉換器334進行處理。
第4圖所示為一個在MIMO無線通訊系統中，產生傳輸功率控制之回饋資訊的程序400流程圖，其係根據本發明所實施。傳輸器和接收器皆包含複數個天線以進行傳輸和接收。一接收器接收由一傳輸器以多個傳輸天線所傳輸的資料串流(步驟402)。該接收器由該接收資料串流，在多個傳輸天線和多個接收天線之間產生一個頻道矩陣H(步驟404)。該接收器接著由奇異值分解(SVD)單元，將該頻道矩陣H分解成對角矩陣D和單位矩陣U和V，其係如方程式(6)所示(步驟406)。該接收器根據該SVD單元之輸出，發送回饋資訊至該傳輸器(步驟408)。該傳輸器接著根據該回饋調整傳輸功率。
儘管本發明之特徵和元件皆於實施例中以特定組合方式所描述，但實施例中每一特徵或元件能獨自使用，而不需與較佳實施方式之其他特徵或元件組合，或是與/不與本發明之其他特徵和元件做不同之組合。儘管本發明已經透過較佳實施例描述，其他不脫附本發明申請專利範圍之變型，對熟習此技藝之人士來說還是 顯而易見的。
100‧‧‧用於傳輸功率控制的系統
110‧‧‧傳輸器
112‧‧‧S/P轉換器
114‧‧‧調變器
116‧‧‧CP插入器
118‧‧‧多天線傳輸單元
119‧‧‧功率最佳化單元
120‧‧‧接收器
122‧‧‧多天線接收單元
124‧‧‧CP移除器
126‧‧‧FFT單元
128‧‧‧頻道對角化器
130‧‧‧IFFT單元
132‧‧‧解調變器
134‧‧‧P/S轉換器
136‧‧‧頻道估測器
138‧‧‧後處理器
140‧‧‧SVD單元
142‧‧‧特徵根處理器
144‧‧‧功率控制位元產生器
146‧‧‧頻道監視器
200‧‧‧用以產生功率控制回饋資訊的系統
210‧‧‧傳輸器
212‧‧‧S/P轉換器
214‧‧‧調變器
216‧‧‧FFT單元
218‧‧‧混合器
219‧‧‧IFFT單元
220‧‧‧接收器
222‧‧‧CP插入器
224‧‧‧多天線傳輸單元
226‧‧‧功率最佳化單元
300‧‧‧系統
310‧‧‧傳輸器
320‧‧‧接收器
322‧‧‧多天線接收單元
324‧‧‧CP移除器
326‧‧‧FFT單元
328‧‧‧頻道對角化器
330‧‧‧IFFT單元
332‧‧‧解調變器
334‧‧‧P/S轉換器
336‧‧‧頻道估測器
338‧‧‧後處理器
340‧‧‧SVD單元
400‧‧‧在MIMO無線通訊系統中，產生傳輸功率控制之回饋資訊的程序
402、404、406、408‧‧‧步驟
藉由下文中一較佳實施例之描述、所給予的範例，並參照對應的圖式，本發明可獲得更詳細地瞭解，其中：第1圖所示為一個根據本發明之實施例的系統方塊圖，其包含一個用以產生傳輸功率控制之回饋資訊的接收器；第2圖所示為一個根據本發明之另一實施例的系統方塊圖，其包含一個用以產生傳輸功率控制之回饋資訊的接收器；第3圖所示為一個根據本發明之又一實施例的系統方塊圖，其包含一個用以產生傳輸功率控制之回饋資訊的接收器；以及第4圖所示為一個產生傳輸功率控制之回饋資訊的程序流程圖。
100‧‧‧用於傳輸功率控制的系統
110‧‧‧傳輸器
112‧‧‧S/P轉換器
114‧‧‧調變器
116‧‧‧CP插入器
118‧‧‧多天線傳輸單元
119‧‧‧功率最佳化單元
120‧‧‧接收器
122‧‧‧多天線接收單元
124‧‧‧CP移除器
126‧‧‧FFT單元
128‧‧‧頻道對角化器
130‧‧‧IFFT單元
132‧‧‧解調變器
134‧‧‧P/S轉換器
136‧‧‧頻道估測器
138‧‧‧後處理器
140‧‧‧SVD單元
142‧‧‧特徵根處理器
144‧‧‧功率控制位元產生器
146‧‧‧頻道監視器

Claims (16)

  1. 一種接收器，其產生用於傳輸功率控制的回饋，該接收器包含：一頻道估測器，其配置為從一接收的信號產生一頻道響應矩陣；一頻道矩陣分解單元，其配置為分解該頻道響應矩陣以計算關聯於每一多輸入多輸出(MIMO)頻道的特徵根，其中頻道矩陣分解係由一奇異值分解(SVD)單元所執行；一特徵根處理器，其配置為從對應的特徵根計算用於每一MIMO頻道的一傳輸功率等級，其中該對應的特徵根係由該SVD單元所產生；一功率控制位元產生器，其配置為從對應的傳輸功率等級產生用於每一MIMO頻道的一功率控制位元；以及一頻道狀態監視器，其配置為監視頻道狀態以及根據該頻道狀態動態地切換一回饋類型，該回饋類型為該特徵根、該傳輸功率等級與該功率控制位元的其中之一，其中一不同的回饋類型被選擇做為該頻道狀態變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接收器，其中該頻道矩陣分解單元被配置為以特徵根分解執行分解。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之接收器，其中該頻道矩陣分解單元被配置為以一奇異值分解(SVD)單元執行分解。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之接收器，其中該特徵根處理器被配置為計算用於每一子頻率成分的傳輸功率等級。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之接收器，其中該特徵根處理器被配置為計算用於每一天線及子頻率成分的傳輸功率等級。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之接收器，其中該功率控制位元產生器被配置為產生在一3步驟模式、一具有靜寂之3步驟模式以及一2步驟模式中的功率控制位元。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之接收器，其中該頻道狀態監視器被配置為當該頻道為快速衰退時，動態地切換至具有一具有靜寂之3步驟模式的功率控制位元回饋，以及當該頻道為慢速衰退時，切換至具有一2步驟模式的功率控制位元回饋。
  8. 一種產生用於傳輸功率控制的回饋的方法，包含：接收一信號；從接收的信號產生一頻道矩陣；分解該頻道矩陣以計算關聯於每一多輸入多輸出(MIMO)頻道的特徵根，其中頻道矩陣分解係由一奇異值分解(SVD)單元所執行；從對應的特徵根計算用於每一MIMO頻道的一傳輸功率等級，其中該對應的特徵根係由該SVD單元所產生；從對應的傳輸功率等級產生用於每一MIMO頻道的一功率控制位元；監視一頻道狀態；以及產生回饋，一回饋類型根據該頻道狀態被動態地切換，該回饋類型為該特徵根、該傳輸功率等級與該功率控制位元的其中之一，其中一不同的回饋類型被選擇做為該頻道狀態變化。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該頻道矩陣分解由特徵根分解所執行。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該傳輸功率等級為每一子頻率成分被計算。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該傳輸功率等級為每一天線及子頻率成分被計算。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該功率控制位元被產生在一3步驟模式、一具有靜寂之3步驟模式與一2步驟模式其中之一中。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中當該頻道為快速衰退時，具有一具有靜寂之3步驟模式的該功率控制位元可選擇做為回饋，以及當該頻道為慢速衰退時，具有一2步驟模式的該功率控制位元可選擇做為回饋。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中當一傳輸功率被平均地分配至子頻率成分時，該傳輸功率為每一天線被獨立地最佳化。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中當一傳輸功率被平均地分配至天線時，該傳輸功率為每一天線被獨立地最佳化。
  16. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中一傳輸功率係聯合地為子頻率成分和天線最佳化。
TW098118968A 2005-06-14 2006-05-24 多輸入多輸出無線通信系統中產生傳輸功率控制回饋資訊方法及裝置 TWI413368B (zh)

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