TWI436610B

TWI436610B - 多輸入多輸出偵測方法

Info

Publication number: TWI436610B
Application number: TW100121014A
Authority: TW
Inventors: Terng Yin Hsu; Pochen Chen; Shau Yu Cheng
Original assignee: Univ Nat Chiao Tung
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2014-05-01
Also published as: TW201301799A

Description

多輸入多輸出偵測方法

本發明係關於一種無線通訊方法，詳而言之，係涉及一種應用於多天線系統之多輸入多輸出偵測方法。

多輸入多輸出(Multi input Multi output,MIMO)為一種描述多天線無線通訊的數學模型，其架構為傳送端和接收端分別具有複數個天線。傳送端的多個天線各自獨立地發送信號，接收端利用其多個天線接收不同傳送端天線傳送的信號，以解碼並偵測出所傳送的信號。請參閱第1A圖，傳送端具有N個天線，接收端具有M個天線，h_NM 表示特定傳送和接收端天線間的通道狀態，接收端所接收到的信號可以數學式表示，即接收端所接收到的信號會受到通道狀態之干擾，此外，接收端亦會受到雜訊的干擾，因而數學式可以y(t)=Hx(t)+noise表示之。

目前存在的MIMO偵測方法有迫零(Zero-Forcing,ZF)、最小均方誤差(Minimum Mean-Square Error,MMSE)、最大相似(Maximum Likelihood,ML)、球體解碼(Sphere Decode,SD)演算法等，其中，最大相似法為較佳的演算法，如第1B圖所示。請參閱第1B圖，在表示正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)信號之星狀圖上，標示有傳送端天線所傳送的信號，其中，該傳送端天線所傳送的信號包括16個星座點(constellation points/lattice points)，故此圖為16QAM星狀圖，而最大相似法係在接收端天線的星狀圖上計算所接收到的信號的估計位置11與各個星座點的距離，以找出與接收端天線所接收到的信號距離最短的星座點12，即解碼並偵測出所傳送的信號。此方法雖可達到最佳的訊號正確度，但其複雜度卻隨著發射天線個數的增加而增加。此外，球體解碼演算法雖將搜尋空間縮小為球體的半徑，請參閱第1C圖，但仍需計算信號的估計位置11’和球體半徑中所有點的距離才能求出距離最近的星座點12’。

另外，美國第7308047號專利案提供一種在多輸入多輸出系統中的符碼解映射方法(symbol de-mapping methods in multiple-input multiple-output systems)，利用頂層階層架構(Top-Level Hierarchical Structure)將64QAM星狀圖分為四個16QAM，此16QAM再分為四個相位偏移調變(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)，換言之，在64QAM星狀圖上決定候選的同相正交(in phase quadrature,IQ)資料(等同於星座點)時先進行兩次的QPSK分群，再依據留下來的IQ資料進行球體解碼演算，以解碼並偵測出傳送端天線所發射的信號。

然而，上述專利案需進行兩次QPSK分群，再加上最後一次的SD算法，總共需執行三次，雖可減少候選的IQ資料個數，但整體複雜度相較於球體解碼演算法增加約二至三倍。再者，運算量的提昇更會導致硬體的複雜度和面積的增加。

鑒於上述缺點，本發明提供一種多輸入輸出偵測方法，得以降低計算的複雜度並減少計算所需的時間。

本發明之多輸入多輸出偵測方法，係應用於包含複數個傳送端天線及複數個接收端天線之多天線系統，該多輸入多輸出偵測方法包括：(1)令該多天線系統藉由該複數個接收端天線自該複數個傳送端天線接收信號並進行處理，以在各該接收端天線的星狀圖上找出其所接收的信號的估計位置；(2)令各該接收端天線依據其所接收的信號的估計位置，利用預定演算法在各自的星狀圖上框選出範圍可調整的候選星群，其中，各該接收端天線每一次所接收的信號在其星狀圖上的估計位置的候選星群的範圍係可重疊；及(3)於各該接收端天線的星狀圖上的候選星群中搜尋出離該估計位置最近的星座點，以偵測並解碼出各該傳送端天線所發送的信號。

上述之步驟(1)復可包括依據該複數個接收端天線所接收的信號的強度決定其排序，並依據該排序處理該接收的信號。

上述之步驟(2)復包括令各該接收端天線依據其所接收的信號的估計位置及該候選星群的範圍預設值，在各該接收端天線的星狀圖上框選出候選星群。或者於一實施形態中，步驟(2)復可包括依據各該傳送端天線和各該接收端天線之間的通道增益資訊及資訊預設值，調整所框選出的候選星群之範圍。

上述之步驟(3)復包括以下步驟：(3-1)計算該接收的信號的估計位置至該候選星群中的各星座點的距離；(3-2)將所計算出的距離進行排序；及(3-3)依據該排序的結果利用寬度優先搜尋法搜尋出離該估計位置最近的星座點，以偵測並解碼出該傳送端天線所發送的信號。

相較於習知技術，本發明之多輸入多輸出偵測方法先求出所接收的信號的估計位置，接著依據該估計位置在星狀圖上框選出範圍可變動的候選星群，最後在該候選星群中，藉由寬度優先搜尋法找出該接收的信號的較佳解，以解碼並偵測出該傳送端天線所傳送的信號。因此，本發明可大幅減輕硬體數量，進而降低多輸入多輸出系統的電路複雜度。

以下係藉由具體的實施形態說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。以下之實施型態係進一步詳細說明本發明之觀點，但並非以任何觀點限制本發明之範疇。

本發明之多輸入多輸出偵測方法係應用於包括傳送端及接收端之多天線系統。請參閱第2A圖，傳送端包含複數個用以各自獨立傳送信號的傳送端天線x₁ 、x₂ 、x₃ 、x₄ ，接收端包含用以接收複數個傳送端天線x₁ 、x₂ 、x₃ 、x₄ 所傳送的信號之接收端天線y₁ 、y₂ 、y₃ 、y₄ 。接收端收到不同天線所傳送的載波後，會將原本傳送的信號解碼並偵測出來。以下配合第2A圖的示意圖參閱第2B圖的流程圖。

於步驟S21中，接收端對自傳送端所接收的信號進行處理，以在星狀圖上找出該接收的信號的估計位置204、202、201、203。在接收端進行信號處理之前，可先依據接收端天線y₁ 、y₂ 、y₃ 、y₄ 所接收的信號的強度決定其排序，以依據該排序處理該接收的信號。需說明的是，在步驟S21之前的排序為選擇性步驟。如第2A圖所示，接收端天線y₁ 、y₂ 、y₃ 、y₄ 所接收的信號的強度的排序為y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ ，因而依此順序進行信號處理。於第2A圖中，係以一64QAM星狀圖表示一根天線，並將所接收的信號的估計位置204、202、201、203顯示於星狀圖上。此外，接收端能以前置處理之方法，此前置處理包含任一利用通道頻率響應的資訊進行訊號偵測的方法，譬如ZF或MMSE演算法，對該接收的信號進行處理，其中，ZF演算法係對傳送端天線x₁ 、x₂ 、x₃ 、x₄ 與接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 之間的通道狀態資訊作反矩陣，即可快速在星狀圖上的找出該接收的信號的估計位置204、202、201、203。接著進至步驟S22。

於步驟S22中，依據該接收的信號的估計位置204、202、201、203，利用預定演算法在各接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 的星狀圖上框選出候選星群，其中，該候選星群的範圍224、222、221、223為可調整或可重疊。如第2A圖所示，在接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 的星狀圖上，依據所接收的信號的估計位置204、202、201、203，框選出候選星群的範圍224、222、221、223。此外，該預定演算法可為叢集法，包括重疊叢集法(overlap cluster)及可變叢集法(dynamic cluster)。

重疊叢集法如第3A圖所示，依據該接收的信號的估計位置，依據範圍預設值在各接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 的星狀圖上框選出候選星群。如第3A圖所示，依據各接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 每一次所接收的信號可在其星狀圖上估計出不同的估計位置，而根據不同的估計位置可框選出不同的候選星群，如範圍31或32，不同的候選星群間的範圍為可重疊。重疊叢集法的數學式為，其中，x '為所接收的信號的估計值且x ₁ …x _n 為範圍預設值，ω表示候選星群的範圍。

於第3A圖中，能以數學式表示重疊叢集法所框選的候選星群的範圍，例如，ω={+5,+7|6.5<x '}　(1)，ω={+3,+5,+7|5<x'<6.5}　(2)，ω={+1,+3,+5,+7|3.5 x '<5}　(3)，ω={-3,-1,+1,+3,+5|0 x '<3.5}　(4)。詳言之，當所接收的信號的估計位置的x值x '大於範圍預設值6.5時，範圍橫跨+5和+7，如式(1)所示；當所接收的信號的估計位置的x值x '大於範圍預設值大於5且小於6.5時，範圍橫跨+3、+5和+7，如式(1)所示，以此類推，其中，範圍預設值的設定為數據分析的結果。因此，一次接收的信號可分別在星狀圖的x軸和y軸上繪出一邊界，複數次接收的信號可分別在星狀圖的X軸和Y軸上繪出多個邊界，如第3A圖之箭頭所示，該些邊界可組成多個可能相互重疊的框，即形成候選星群的範圍31、32。由於估計位置位於邊界區域容易產生失誤，此法依不同邊界而框選出的不同候選星群且彼此間具有重疊星座點，籍此在叢集上有更好的準確性。

可變叢集法如第3B圖所示，依據傳送端天線x₁ 、x₂ 、x₃ 、x₄ 和接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 之間的通道增益資訊及資訊預設值，調整所框選出的候選星群之範圍。詳言之，由於接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 所接收到的信號越強者其信號越準確，越弱者其信號越不準確，因而在決策候選星群時，可利用通道增益(channel gain)資訊來調整候選星群的範圍大小，係使低通道衰減的天線有低量的候選星群，高通道衰減的天線有較多數量的候選星群，藉此擴大或縮小所框選出的候選星群的範圍，即通道增益大於資訊預設值時縮小候選星群的範圍，通道增益小於資訊預設值時擴大候選星群的範圍。

可變叢集法的數學式為，其中，h '為通道增益資訊且h ₁ ...h _n 為邊界值，候選星群的範圍以數學式表示。於第3B圖中，當通道增益資訊h '大於資訊預設值25時，能將候選星群的範圍縮小為範圍34，數學式為ω={+3,+5|25<h '}，當通道增益資訊h '小於資訊預設值25時，能將候選星群的範圍擴大為範圍33，數學式為為ω={+1,+3,+5,+7|0 h '<25}，其中，資訊預設值的設定不限於此。

於一較佳實施形態中，步驟S22可依序利用前述重疊叢集法和可變叢集法在各天線的星狀圖上框選出候選星群，或次序可相反，甚而可僅利用其中一者來決定候選星群。再者，重疊叢集法和可變叢集法的數學式乃例示性質，並非用以限制本發明。接著進至步驟S23。

於步驟S23中，於各接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 的星狀圖上的候選星群中搜尋出離該估計位置最近的星座點，以偵測出各傳送端天線x₄ 、x₂ 、x₁ 、x₃ 的信號。步驟S23包括先計算該接收的信號的估計位置204、202、201、203至該候選星群中的各星座點的距離，再排序所計算出的距離，最後依據排序結果利用寬度優先搜尋法(Breadth First Search,BFS)搜尋出離該估計位置最近的星座點，以偵測出該傳送端天線的信號之步驟。

詳言之，於各接收端天線y₄ 、y₂ 、y₁ 、y₃ 的星狀圖上的候選星群中，可藉由MMSE-SQRD計算該接收的信號的估計位置204、202、201、203至候選星群中的星座點之距離(partial Euclidean distance)並排序，以將計算過程調整為樹狀結構，且以寬度優先搜尋法搜尋出較佳解，請參閱第3C圖。如第3C圖所示，所接收的信號強度順序為最強的天線之64QAM星狀圖4上標示有信號的估計位置41，依據樹狀結構6進行寬度優先搜尋法，接著再計算信號強度順序為次之的天線所接收的信號，其所接收的信號的估計位置51在其64QAM星狀圖5上位於第二象限，將信號強度為最強的天線所計算出的結果遞交給信號強度為次之的天線，以依據樹狀結構7進行寬度優先搜尋法接續進行計算。於第3C圖中，依序計算所接收的信號的估計位置41與星狀圖4中的橫軸、縱軸的星座點的距離並排序分解，此計算係對應於樹狀結構6的第一層、第二層；接著計算信號的估計位置51與星狀圖5的橫軸、縱軸的星座點的距離並排序分解，此計算係對應於樹狀結構7的第一層、第二層。

因此，由上述說明可知，本發明之多輸入多輸出偵測方法於信號偵測前先利用前置處理之方法，此前置處理包含任一利用通道頻率響應的資訊進行信號偵測的方法，例如利用ZF或MMSE2等化器，在星狀圖上找出估計位置，再以重疊叢集法及/或可變叢集法在星狀圖上決策出候選星群並調整該候選星群的範圍，最後再利用MMSE-SQRD配合BFS以解出較佳解，進而偵測出傳送端天線所傳送的信號。實際應用上係實作於IEEE802.11n通訊平台上。此外，本發明由於候選星群的範圍係可調整或可重疊，故相較於習知技術無須計算星狀圖上每一星座點至所接收的信號的估計位置之距離，即可在維持效能的情況下大幅降低運算量。

請參閱第4A及4B圖，係以封包錯誤率(packet error rate,PER)和信號雜訊(signal noise ratio,SNR)比來表示所接收的信號之效能曲線，其分別為4根傳送端天線和4根接收端天線(4T4R)之系統中信號在64QAM星狀圖和256QAM之效能曲線圖。

請參閱第4A圖，在維持PER在0.08的SNR Loss 0.5dB以內，相較於傳統K best方法(即先前技術所言之球體分解法)，以相同的K(寬度優先搜尋法下，保持K個最佳的星座點)下，其運算複雜度可減少40~70%。另請參閱第4B圖，同樣與K best方法比較，以約略相同的複雜度下，SNR Loss可減少0.1~0.3dB。故，當從4T4R或64QAM提升至8T8R或256QAM等高天線數或高星狀圖之系統時，其硬體和運算的複雜度會大幅提昇，因而以適度的信號效能折扣來換取更低複雜度的方法，無論在學術界或產業界皆是可以被接收的。

綜上所述，本發明之多輸入多輸出偵測方法利用線性方法預先處理而求出信號的估計位置，接著執行重疊叢集法和可變叢集法來決策出該估計位置的候選星群的範圍，最後在該候選星群中，藉由MMSE-SQRD演算法結合寬度優先搜尋法找出較佳解，以偵測出該傳送端天線所傳送的信號。

因此，本發明可大幅減輕硬體數量，包括排序個數、乘法器個數等，得以降低多輸入多輸出偵測在高天線數和高星狀圖解碼器的電路複雜度。

上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

11、11’、204、202、201、203、41、51．．．估計位置

12、12’．．．星座點

224、222、221、223、31、32、33、34．．．範圍

4、5‧‧‧星狀圖

6、7‧‧‧樹狀結構

x₁ ~x₄ ‧‧‧傳送端天線

y₁ ~y₄ ‧‧‧接收端天線

S21~S23‧‧‧步驟

第1A圖係表示習知多輸入多輸出系統的數學模型；

第1B圖係表示習知利用最大相似演算法偵測原傳送的信號之16QAM星狀圖；

第1C圖係表示習知利用球體解碼演算法偵測原傳送的信號之16QAM星狀圖；

第2A圖係為本發明之多輸入多輸出偵測方法之示意圖；

第2B圖係為本發明之多輸入多輸出偵測方法之流程圖；

第3A圖係為本發明之多輸入多輸出偵測方法之重疊叢集法之64QAM星狀圖；

第3B圖係為本發明之多輸入多輸出偵測方法之可變叢集法之64QAM星狀圖；

第3C圖係為本發明之多輸入多輸出偵測方法之寬度優先搜尋法之說明圖；

第4A圖係繪示本發明之多輸入多輸出偵測方法之64QAM的效能曲線；及

第4B圖係繪示本發明之多輸入多輸出偵測方法之256QAM的效能曲線。

S21~S23．．．步驟

Claims

一種多輸入多輸出偵測方法，係應用於包含複數個傳送端天線及複數個接收端天線之多天線系統，該多輸入多輸出偵測方法包括：(1)令該多天線系統藉由該複數個接收端天線接收該複數個傳送端天線所傳送的信號並進行處理，以在各該接收端天線的星狀圖上找出其所接收的信號的估計位置；(2)令各該接收端天線依據其所接收的信號的估計位置，利用預定演算法在各自的星狀圖上框選出範圍可調整的候選星群，以依據各該傳送端天線和各該接收端天線之間的通道增益資訊及資訊預設值，調整所框選出的候選星群之範圍，其中，各該接收端天線每一次所接收的信號在其星狀圖上的估計位置的候選星群的範圍為可重疊；及(3)於各該接收端天線的星狀圖上的候選星群中搜尋出離該估計位置最近的星座點，以偵測並解碼出各該傳送端天線所發送的信號。
如申請專利範圍第1項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，步驟(1)復包括依據該複數個接收端天線所接收的信號的強度決定其排序，以依據該排序處理該接收的信號。
如申請專利範圍第1或2項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，步驟(1)復包括利用前置處理方法對該接收的信號進行處理，該前置處理方法包含任一利用通道頻率響應的資訊進行訊號處理之方式。
如申請專利範圍第1或2項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，步驟(2)復包括令各該接收端天線依據其所接收的信號的估計位置及該候選星群的範圍預設值，在各該接收端天線的星狀圖上框選出該候選星群。
如申請專利範圍第4項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，步驟(2)之框選出該候選星群之步驟復包括：根據該接收的信號的估計位置及該候選星群的範圍預設值，在各該接收端天線的星狀圖上標示出複數個邊界，再由該複數個邊界組成該候選星群，且其中，依據各該接收端天線不同次所接收的信號的估計位置而框選的候選星群的範圍係為可重疊。
如申請專利範圍第4項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，於步驟(2)之框選出該候選星群的步驟後，復包括依據各該傳送端天線和各該接收端天線之間的通道增益資訊及資訊預設值，調整所框選出的候選星群之範圍。
如申請專利範圍第1項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，於步驟(2)之調整所框選出的候選星群之範圍後，復包括令各該接收端天線依據其所接收的信號的估計位置及該候選星群的範圍預設值，在各該接收端天線的星狀圖上框選出該候選星群。
如申請專利範圍第1或2項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，步驟(3)復包括以下步驟：(3-1)計算該接收的信號的估計位置至該候選星群中的各星座點的距離；(3-2)將所計算出的距離進行排序；及(3-3)依據該排序的結果利用寬度優先搜尋法搜尋出離該估計位置最近的星座點，以偵測並解碼出該傳送端天線所發送的信號。
如申請專利範圍第1項所述之多輸入多輸出偵測方法，其中，多輸入多輸出偵測方法係實作於IEEE802.11n通訊平台上。