TWI443989B - 用於無線網路中通訊的方法，設備與系統及其製造物 - Google Patents

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Description

用於無線網路中通訊的方法，設備與系統及其製造物
本發明關係於出現有共通道干擾時之多輸入多輸出前置編碼。
於無線通訊網路中，使用多天線系統變得愈來愈普遍，以可以取得增加之通道容量及/或鏈結可靠度之優點。此等多天線系統於大致稱為多輸入多輸出(MIMO)系統，但其也可以是包含多輸入單輸出(MISO)及/或單輸入多輸出(SIMO)架構。
MIMO系統許諾高頻譜效率，並且，近來在很多出現的無線通訊標準中被提出。其中，有很大部份的工作在於前置編碼空間多工或時空編碼MIMO系統。前置編碼為用以提供增加陣列及/或分散增益的技術。在閉路正交分頻多工(OFDM)的例子中，頻道狀態資訊(CSI)可以被回授至一發射器並用以形成用於予以傳送之OFDM載波之前置編碼矩陣。今日，多數前置編碼研究主要係針對單一使用者系統。然而，在例如蜂巢式網路等等之多使用者環境中，可能出現有來自使用類似頻率資源的鄰近設備的共通道干擾(CCI)並對在兩通訊裝置間之通道有衝擊。因此，我們想要一閉路MIMO系統以減緩CCI並使用一前置編碼方案，其將CCI減緩後的有效通道列入考量。
因此，本發明關係於一種於無線網路中通訊的方法，包含步驟：根據自一接收裝置所回授的有效通道資訊，前置編碼在多輸入多輸出(MIMO)系統中之信號，其中該有效通道資訊包含有關於一通訊通道在為該接收裝置所減緩共通道干擾後之資訊。
本發明之態樣、特性及優點將由以下之本發明之說明參考附圖加以了解，附圖中相同元件符號表示相同元件。
雖然以下詳細說明可以關係於利用OFDM之無線網路或正交分頻多重進接(OFDMA)描述本發明之例示實施例，但本發明之實施例並不限於此，本發明可以使用其他調變及/或編碼方案，例如分碼多重進接(CDMA)或單載波系統加以實施，其中也可以適當應用本發明之實施例原理。再者，雖然在此描述之例示實施例係有關於寬頻無線都會區域網路(WMAN)，但本發明並不限於此，也可以應用至其他類型之無線網路，其中可以取得類似優點。此等網路明確地說包含但並不限於無線區域網路(WLAN)、無線個人區域網路(WPAN)及/或無線廣域網路(WWAN)，例如蜂巢式網路。
以下之本發明實施例可以用於各種應用中，包含一無線電系統之發射器及無線系統之發射器，但本發明並不限於此。包含於本發明範圍內之無線電系統包含但並不限於 網路介面卡(NIC)、網路轉接器、行動台、基地台、進接點(AP)、混合協調器(HC)、閘道器、橋接器、集線器及蜂巢無線電話。再者，在本發明範圍內之無線系統可以包含衛星系統、個人通訊系統(PCS)、雙向無線電系統、雙向呼叫器、個人電腦(PC)及相關週邊、個人數位助理(PDA)、個人計算附件及所有現存及未來有關於可加入本實施例原理的系統。
本發明實施例可以提供一種修改多天線系統之前置編碼的方法/設備，以使它們在有CCI出現時更堅強。如前所述，前置編碼需要知道在發射器的通道狀態資訊(CSI)。因此，取決於所涉及的系統，而有各種方式，使發射器了解CSI。例如，在單一使用者分時雙工(TDD)系統中，CSI可以根據通道的固有往返特徵加以決定。然而，在干擾有限的狀態下，具有發射於相同時間頻率資源的多數基地台及/或用戶台時，通道往返性並不能作為在上鏈及下鏈中之干擾的可靠指標。在此情形下，有必要使用一回授鏈路，以將CSI及/或干擾狀態資訊(ISI)從接收裝置帶到發射器(以下大致用以表示有關通道狀態的資訊及/或ISI資訊)。同樣地，分頻雙工(FDD)系統固有需要一回授路徑，用以通知發射器有關通道及干擾。因此，本發明之實施例可以修改經常稱為”閉路”系統之現行回授機制，用以將有關CCI減緩後之有效通道的CSI帶給發射器。
參考第1圖，依據本發明實施例之無線通訊系統100 可以包含一或多數用戶台110(也稱為使用者台)及一或多數網路進接台120(也稱為基地台)。系統100可以為任一類型之無線網路，例如無線都會區域網路(WMAN)、無線廣域網路(WWAN)或無線區域網路(WLAN)，其中用戶台110經由空氣介面與網路進接台120相通訊。
系統100可以進一步包含一或多數其他有線或其他無線網路裝置。在某些實施例中，系統100可以經由空氣介面利用多載波調變例如OFDM及/或正交分頻多重進接(OFDMA)進行通訊，但本發明之實施例並不限於此態樣。OFDM藉由將一寬頻帶分割成大量窄頻次載波或次通道而動作，其中次通道表示一或多數次載波。每一次載波或次通道可以取決於對該頻帶的特定窄部份之信號干擾雜訊比(SINR)特徵而加以分開調變。在操作中，傳輸可以發生在無線通道上，在部份網路中，可以被分成均勻時間呼叫訊框的間隔，訊框係由多數OFDM及/或OFDMA符號構成，每一符號可以由幾個次載波構成。可以用以編碼在次載波及通道上之資料有很多不同實體層協定可以承載多數服務資料流於基地台120與使用者台110之間。
第1圖顯示可能發生在操作於網路100中之多天線裝置(例如使用者台及/或基地台)間之CCI的例子。為了簡化起見，自個別裝置110、114及120的天線發射及/或接收之信號係被顯示為對應於相關箭頭之方向的線。當然，實際上，這些信號本質上為向四面八方，而不是有方向性，及第1圖係為了容易了解，而以簡化方式表示。在 第1圖的例子中，基地台120正傳送給用戶台110。然而，在接收裝置110上之天線不只接收來自基地台120的信號，同時，也接收來自一或多數鄰近站台或裝置(這被稱為共通道干擾器114)的信號。因為來自干擾器114的信號並不想要或針對用戶台110，所以，它但可能出現為在站台110天線間之空間共相關的雜訊。共相關於一裝置的兩或更多天線的雜訊在此被稱為“有色雜訊”並被表示為Ncolored 。相反地，隨機雜訊(例如熱雜訊)在天線間並未共相關，所以被稱為“白雜訊”並表示為Nwhite 。
在各種實施例中，用戶台110可以包含電路/邏輯，以減緩(例如藉由濾波及其他方法)所檢測的雜訊，以維持想要的SINR或信雜比(SNR)。用戶台110也包含電路/邏輯，以估計在某時間中，特定例下之通訊通道的特徵，使得通道特徵可以被回授回到發射裝置，以在一例子中，決定如何調變未來傳輸至接收器之次載波。
在例子中，我們假定以以下公式(1)表示單一使用者前置編碼MIMO-OFDM系統之傳輸(Y)：Y=HFX+Nwhite (1)；其中前置編碼矩陣F為通道矩陣H的函數及X代表資料信號。在出現有多使用者/共通道干擾時，系統可以以下公式(2)所示之有色雜訊的加入被模型化為公式(1)的單一使用者MIMO-OFDM：Y=HFX+Hcci Xcci +Nwhite → Y=HFX+Ncolored (2)。
在此時，可以為接收器所用之簡單等化或CCI減緩技術將施加一白化濾波器(W)至該信號，如以下例示公式(3)所示：WY=WHFX+WNcolored → WY=Heff FX+Nwhite (3)
在一實施例中，用於一白化濾波器之傳統選擇為
其中，Rcolored 為雜訊協方差(Convariance)矩陣及平方根表示柯列斯基(Cholesky)分解。以柯列斯基‧安德-路意斯命名之柯列斯基分解係為一對稱正定矩陣之矩陣分解成為下三角矩陣及下三角矩陣的轉置矩陣。
如於公式(3)的右部份所示，此可以以一新有效通道Heff 降低公式(1)的問題。然而，如果前置編碼矩陣F被選擇為原始通道H的函數，如同傳統所作地，則可能損失想要的前置編碼增益。例如，假設前置編碼矩陣F被選擇使得F=V，其中V對應於通道矩陣的正奇異向量H=UΣV’，及U為左正交矩陣。F被典型地選擇為F=V，以完成通道的對角化，因此，簡化接收處理。然而，使用F=V公式(3)可被重寫為：WY=WUΣX+Nwhite (4)。
從公式(4)看出，明顯地白化濾波器W的出現複雜化接收處理並防止通道被對角化。為了在各種本發明實施 例中克服此問題，在發射器中之前置編碼器可以被設計以使用前置編碼矩陣，其係為有效通道Heff (即為CCI減緩所衝擊之通道H)的函數。例如，如果F=Veff ，其中有效通道的奇異值分解為Heff =Ueff Σeff V*eff ，公式(3)可以被簡化為：WY=Ueff Σeff X+Nwhite (5)。
因此，解碼可以藉由預乘以白化資料向量WY與U*eff ，以對角化該通道。根據前述方案，有必要考量在前置編碼器設計中之CCI減緩演算法，使得前置編碼矩陣可以被選擇成為有效通道Heff 的函數。此需要如下所述地對傳統回授方案作出修改。
原始通道H的線性轉換為有效通道Heff 可能造成新通道分佈。例如，已經顯示出如果通道H為未相關於瑞立衰減通道，則Heff 可以不再為未相關。因為明確設計用於未相關通道的回授方案的使用被認為是損失在共相關通道中之效能，採用現行回授方案以回授指示在CCI減緩後之有效通道的指示將取決於實際因素，例如原始通道分佈、CCI減緩演算法，及/或在以下各實施例中之接收器可取得之干擾知識類型。
現參考第2圖，作為CCI減緩後之有效通道的函數之前置傳輸方法200可以大致包含一接收器：減緩一接收信號的CCI(205)；決定在該接收器與發射裝置間之有效通道(215)；及回授有關於CCI減緩後之有效通道的通 道狀態資訊(CSI)給該發射器(220)。根據此回授，發射裝置可以然後選擇或採用一前置編碼(225)，其係為有效通道的函數並使用其以前置編碼傳輸(230)。
如前所述，用以在步驟205中減緩接收信號中之CCI的基本技術為使用線性白化濾波器，以從所接收之信號濾去有色雜訊。然而，有各種技術以減緩/抑制/濾波CCI，本發明實施例可以等效地適用於其他減緩技術。評估通道H的步驟210可以以傳統方式執行，以取得通訊通道的模型。有效通道Heff 及/或其奇異值元件(例如V*eff )可以取決於所用之特定CCI減緩演算法及其對評估通道H的衝擊加以決定。在使用基本線性白化濾波器W的前述例子中，有效通道可以被簡化為Heff =WH.[SAW1]
有效通道狀態資訊(ECSI)的回授220將取決於本發明實施例所採用之回授為主前置編碼方案的類型而定。三個例示現行狀態及其可能於本實施例之應用係如下：
1.根據通道統計之部份CSI回授
已經提出根據第一與第二階通道的MIMO波束成型系統，其依據通道平均或協方差矩陣的回授。這些方案相較於可能已減少回授需求之最佳特徵波束成型技術有效能上之損失。它們可以迅速地延伸以使用如前所述之白化方式。
2.瞬間有限回授
這些方法利用前置設計編碼簿以經由回授通道傳輸有關於瞬間CSI資訊，以將信號傳輸適應至該通道的特徵結構。它們可以取得在發射器處以滿通道知識取得之理想系統效能，但每一通道實現均需要回授。在現行文獻中，有編碼簿可用於形式RH的未相關瑞立衰減通道及共相關瑞立衰減通道，其中H為未相關及R為空間共相關矩陣。如果原始H為未相關，則後者之編碼簿可以藉由以線性白化濾波器W替換R用於本發明實施例。
3.任意通道分佈的有限回授
這些演算法並未假設任何通道分佈及在統計或瞬間CSI上之基本前置編碼。它們使用在發射器與接收器一排編碼簿，以根據通道佈採用編碼簿的選擇。當通道分佈為任意時，它們優於未相關通道之均勻編碼簿。此編碼簿係直接應用至量化有效通道的實施例。
可以看出，用於有效通道的CSI之回授220將取決於所涉及之系統，並可以包含例如經由回授通道送出實際有效通道矩陣Heff ；送出Heff 的統計(例如平均+變數)；及送出編碼簿參考或前述技術的任意組合的索引。在其他實施例中，只有Veff 的值可以被回授。
所評估之通道H(或其指標)可以另外被回授作為CSI的部份，以決定次載波調變，但本發明實施例並不限於此。事實上，本發明實施例並不限定於任何特定形式或格式之CSI回授，只要在干擾減緩後之有效通道的部份指 標係可以為發射裝置的前置編碼器所取用即可。
接收有效通道的CSI的發射裝置然後可以選擇前置編碼矩陣成為有效通道的函數(在CCI減緩後)，作為根據前置編碼成為評估通道H的函數相對。使用先前討論之例子，前置編碼矩陣F可以被選擇為F=Veff ，使得通道可以為接收器所對角化。
現參考第3圖，依據各實施例之通訊系統300可以包含一發射器310及一接收器360，其經由OFDM MIMO空氣介面加以通訊，但該等實施例並不限於此態樣。發射器310及接收器360可以包含類似於現存通訊裝置的元件，例如編碼/調變或檢測/解調邏輯312、362及快速傅氏轉換(FFT)/逆FFT邏輯364、314及/或其他適當想要的元件。
然而，在本發明的各實施例中，發射器310可以包含一前置編碼電路320，其適用以前置編碼成為在CCI減緩後之有效通道的函數。為此，發射器310的前置編碼電路320可以包含一前置編碼器322及通道狀態資訊邏輯324，使得前置編碼矩陣可以被對應於為接收器360經由回授通道390送出之有效通道的回授。
接收器360可以包含CCI減緩邏輯368，以減緩/抑制及/或過濾例如來自共通道干擾器114的CCI。如前所述，接收器360也可以包含通道評估及回授邏輯370，以評估通道、決定有效通道及有效通道的回授指標。為了簡單起見，系統300只顯示發射裝置310的發射部份及接收 裝置360的接收部份。然而，在實際應用中，通訊設備將具有類似於第3圖所示之發射部份與接收部份。
在部份實施例中，此一設備的元件及協定可以被架構以配合用於WLAN的電子電機工程師協會(IEEE)802.11標準及/或用於寬頻WMAN的802.16標準，但本實施例並不限於此態樣。
利用如第3圖所示之元件之通訊設備可以例如是一無線基地台、無線路由器、使用者台及/或用於計算或通訊裝置的網路介面卡(NIC)或網路轉接器。因此，實施本實施例之原理的通訊設備的功能及/或特定架構將適當地包含。
實施類似於第3圖之發射器及/或接收器的設備之元件與特性可以使用分立電路、特定應用積體電路(ASIC)、邏輯閘及/或單晶片架構加以實施。再者，此設備的特性可以使用微控制器、可程式邏輯閘及/或微處理器或任何前述之組合加以實施。因此，於此所用之名詞如電路、元件及邏輯可以交換使用並可以表示任意類型硬體、韌體或軟體實施法，及本發明實施例並不限於任一特定實施法。
依據本發明之設備實施例可以使用MIMO、SIMO或MISO架構，利用多數傳輸及/或接收用天線加以實施。再者，本發明之實施例可以利用多載波分碼多工(MC-CDMA)多載波直接順序分碼多工(MC-DS-CDMA)或任何其他與本發明特性相容的現存或未來的調變或多工設備 。
本發明想出於此所述之方法，其可以(i)以任何順序及/或組合加以執行；及(ii)各別實施例的元件可以以任何方式加以組合。
雖然本發明之例示實施例已經加以描述，但各種變化與修改仍可以在不脫離本發明之範圍下完成。因此，本發明實施例並不為以上之特定揭示所限，而是隨附之申請專利範圍與其等效所限定。
100‧‧‧網路
110‧‧‧接收裝置
114‧‧‧共通道干擾器
120‧‧‧網路進接台
300‧‧‧通訊系統
310‧‧‧發射器
312‧‧‧檢測邏輯
314‧‧‧逆FFT邏輯
320‧‧‧前置編碼電路
322‧‧‧前置編碼器
324‧‧‧通道狀態資訊邏輯
360‧‧‧接收器
362‧‧‧解調邏輯
364‧‧‧快速傅氏轉換邏輯
368‧‧‧CCI減緩邏輯
370‧‧‧通道評估及回授邏輯
390‧‧‧回授通道
第1圖為依據本發明實施例之無線網路的方塊圖；第2圖為使用在CCI減緩後有效通道的閉路回授，以前置編碼OFDM信號的一般方法之流程圖；及第3圖為適用以執行本發明之一或多數方法的設備的例示實施例的功能方塊圖。

Claims (23)

  1. 一種用於無線網路中通訊的方法，包含步驟：使用前置編碼技術，根據自一接收裝置所回授的有效通道資訊，前置編碼在多輸入多輸出(MIMO)系統中之信號，該有效通道資訊包含該有效通訊通道的通道平均或通道協方差，該接收裝置在共通道干擾(CCI)減緩演算法被執行後，透過該有效通訊通道接收該前置編碼信號，及該CCI減緩演算法包含藉由使用線性白化濾波器過濾來自該被接收前置編碼信號的空間共相關雜訊，以由該接收前置編碼信號，過濾出該空間共相關雜訊；其中該前置編碼包含利用前置編碼矩陣，這造成該通道的對角化，用以為該接收裝置解碼白化信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該有效通道資訊更包含代表有效通訊通道特徵的量化的多數索引，在該接收裝置已對該接收前置編碼信號執行CCI減緩後及該通訊通道的通道狀態資訊(CSI)被決定之前，該接收裝置透過該有效通訊通道接收該前置編碼信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中前置編碼在該MIMO信號中的信號包含將資料信號乘以前置編碼矩陣，該前置編碼矩陣係為有效通訊通道、該CCI減緩演算法及該CCI減緩演算法對該接收前置編碼信號的特定衝擊的函數，該有效通訊通道包含已經為在該通訊通道上的該接收裝置所執行該CCI減緩演算法後，該接收裝置接收為該CCI減緩演算法所衝擊的該MIMO系統的該前置編碼 信號所經過之通訊通道。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：使用包含正交分頻多工(OFDM)、正交分頻多重進接(OFDMA)、分碼多重進接(CDMA)或單一載波調變的調變技術，調變該等前置編碼信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中自該接收裝置回授的該有效通道資訊進一步包含被利用於該前置編碼的方案的函數。
  6. 一種用於無線通訊的設備，該設備包含：前置編碼電路，根據由接收裝置所回授的通道狀態資訊(CSI)，前置編碼用於多天線傳輸的信號，該前置編碼電路使用前置編碼矩陣，其係為有效通訊通道的通訊平均或通道協方差的統計函數，在共通道干擾(CCI)減緩演算法被執行後，該接收裝置透過該有效通道通道接收該前置編碼信號，該CCI減緩演算法包含藉由使用線性白化濾波器過濾來自該接數多天線傳輸信號的該空間共相關雜訊，以濾出來自該多天線傳輸信號所接收的信號的空間共相關雜訊；其中該前置編碼電路利用前置編碼矩陣，以造成該通道的對角化，用以為該接收裝置解碼白化信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中該設備包含多輸入多輸出(MIMO)正交分頻多工(OFDM)通訊裝置。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之設備，更包含一發 射器，以發射已前置編碼之MIMO信號。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中自該接收裝置回授的該有效通道資訊進一步包含被該前置編碼電路所利用於前置編碼的方案的函數。
  10. 一種用於無線通訊的設備，該設備包含：減緩電路，以共通道干擾(CCI)減緩演算法，減緩從發射裝置經至少兩天線接收的信號的共通道干擾(CCI)，其藉由使用線性白化濾波器過濾來自該接收信號的空間共相關雜訊，而由該接收信號濾出空間共相關雜訊；通道狀態資訊(CSI)回授電路，耦接至該減緩電路，以回授有效通訊通道的指標給該發射裝置，其中該有效通訊通道的指標包含該有效通訊通道的通道平均或通道協方差，該接收裝置在CCI減緩演算法已經被執行後透過該有效通訊通道接收該前置編碼信號；及解碼電路，解碼白化信號，其已經以造成該通道對角化的前置編碼矩陣所前置編碼。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中該指標包含代表該有效通訊通道的量化的統計。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之設備，更包含：解調器，與該減緩電路相通訊，以解調所接收之信號。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中該設備包含使用者台。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中該設備包含基地台。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中回授至該發射裝置的該有效通訊通道之該指標包含為該減緩電路所用以前置編碼之方案的函數。
  16. 一種於無線網路中通訊的系統，該系統包含：發射器，包含前置編碼電路，以根據自接收裝置所回授的通道狀態資訊(CSI)，前置編碼多天線傳輸用的信號，該前置編碼電路使用前置編碼矩陣，其係為包含有效通訊通道的通道平均或通道協方差的統計之函數，該接收裝置在共通道干擾(CCI)減緩演算法已經執行後透過該有效通訊通道接收前置編碼信號，該有效通道包含該接收裝置在其上接收多天線信號並在決定該通訊的CSI之前已經對該接收多天線傳輸信號以該接收裝置於其中執行該CCI減緩演算法的通訊通道，該CCI減緩演算法包含藉由使用線性白化濾波器，以由該接收多天線傳輸信號過濾出空間共相關雜訊，以自該接收多天線傳輸信號過濾該空間共相關雜訊；其中該前置編碼電路利用造成該通道對角化的前置矩陣，用以為該接收裝置解碼白化信號；及至少兩天線，耦接至該發射器，以輻射該前置編碼信號成為電磁波。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該發射器更包含：正交分頻多工(OFDM)調變電路，耦接至該前置編碼器。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該系 統包含使用者台或網路進接台。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該系統更包含一接收器，其包含本身之CCI減緩電路及CSI回授電路。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中自該接收裝置回授的該有效通道資訊更包含為該前置編碼電路所前置編碼所用之方案的函數。
  21. 一種具有機器可讀取指令儲存於其上之製造物，當指令為處理平台所執行時，造成：對在多數天線從發射裝置所接收的信號，施加一共通道干擾(CCI)減緩演算法，該CCI減緩演算法包含藉由使用線性白化濾波器，以過濾來自該接收信號的空間共相關雜訊，以由該接收信號過濾該空間共相關雜訊；回授有效通道的指標給該發射裝置，該有效通道包含其上接收有該接收信號並且在該通訊通道的通道狀態資訊(CSI)被決定前其中已經執行有該CCI減緩演算法之通訊通道；其中，自該發射裝置回授的該有效通道的該指標包含在該CCI減緩演算法已經被執行後，該發射裝置所透過之該有效通訊通道接收該前置編碼信號所用的該有效通訊通道的通道平均或通道協方差；及解碼已經被以造成該通道的對角化的前置編碼矩陣所前置編碼的白化信號。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之製造物，更包含 其他機器可讀取指令，當其為處理平台所執行時，造成：使用前置編碼矩陣，以前置編碼被傳輸至不同接收裝置的多輸入多輸出(MIMO)信號，該前置編碼矩陣係為從該不同接收裝置所回授的該有效通道的指標所指出之現行有效通道之指標的函數。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之製造物，其中回授至該發射裝置的該有效通道的該指標包含為該發射裝置所前置編碼所利用的方案之函數。
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