TWI452865B - 用於多路徑衰減頻道之有效多輸入多輸出系統 - Google Patents

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TWI452865B
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Description

用於多路徑衰減頻道之有效多輸入多輸出系統
本發明一般係關於無線通訊系統。具體而言，本發明係關於使用天線陣列來傳輸信號。
圖1說明多輸入多輸出(multiple input multiple output；MIMO)系統。使用多重發射天線121 至12M (12)及多重接收天線161 至16N (16)來傳輸通訊。每一天線12、16與其他的天線12、16係在空間上分離。一發射器10使用其天線陣列12將一訊息通過一無線空中介面18傳輸至一接收器18。接收器18用其天線陣列16接收該訊息。使用多重發射天線12與多重接收天線16，即稱作多輸入多輸出(MIMO)處理。
通常，MIMO處理在基地台發射器及使用者設備接收器處均使用多重天線。基地台天線陣列的運用已在無線通訊系統中普遍使用，而基地台及使用者設備陣列的同時運用，藉由打開多重信號維數，可使容量及資料傳輸速率顯著增加。
可用的MIMO演算法可定址一單路徑衰減頻道。然而，無線通訊系統的特徵在於多路徑衰減頻道。而用於單路徑衰減頻道的演算法通常在多路徑中表現出嚴重的退化。
因此，需要另外的MIMO系統。
資料係在無線通訊系統中(如在一無線展頻通訊系統中)傳輸。將資料進行編碼以產生複數個資料流。藉由複數個發射天線，該資料流係用以產生一傳輸向量。每一傳輸向量藉由其發射天線通過一無線空中介面經多路徑傳輸。藉由複數個之接收天線接收來自於每一傳輸的傳輸向量的多路徑成份。所接收到的多路徑成份經過等化以還原傳輸向量。從所還原的傳輸向量來還原資料。
圖2係一多輸入多輸出(MIMO)發射器及接收器系統之簡化方塊圖。發射器20可用於一使用者設備及一基地台，且接收器22也可用於一基地台及一使用者設備。如圖2所示，該MIMO系統最好係使用一分碼多向近接(code division multiple access；CDMA)空中介面，如一分頻雙工(frequency division duplex；FDD)/CDMA、分時雙工(time division duplex；TDD)/CDMA或分時同步分碼多向近接(time division synchronous code division multiple access；TD-SCDMA)空中介面，但也可使用其他的空中介面。
一資料向量d 係藉由發射器20通過無線空中介面傳輸。在天線陣列中發射器20有M個天線341 至34M (34)。如果未使用傳輸空間多元化，則M為1(單一天線)。天線陳列34在空間上分離，因此它們接收到的信號之間可獲得低度相關。對於基地台發射器角度在1至10度範圍內的使用而言，天線的間隔最好為數個波長，如4個波長。用於使用者設備(UE)接收器時，由於角度大，故天線之間可使用較小間隔，如半個波長。根據個別實例，空間間隔可有其他值。
如圖2所示，對於一多碼傳輸的較佳實例，由M個天線34傳輸的資料向量d 可藉由一多碼向量編碼器26進行編碼。對於Q個展開碼(spreading code)C1 至CQ 中的每一展開碼，在其進行擴展前將資料分成M個單獨的資料流d1,1 至dM,Q 。所得到的資料流總數為M‧Q。為說明C1 ，則需產生資料流d1,1 至dm,1 。M個資料流中的每一資料流均係與一天線34相關連。
相對於每一展開碼，使用一相應的展開裝置281 至28Q (28)，如一混合器，使資料流藉由其展開碼得以拓展。將與相同天線34關連的展開資料流輸入一組合器301 至30M (30)，如一加法器，其與M個天線34的第34個天線關連，並產生M個展開資料向量s 1 至s M 。藉由調變器321 至32M (32)將每一組合的展開資料向量s 1 至s M 轉換成射頻，並藉由其關連天線34通過無線空中介面24發射該展開資料向量。
如圖2所示的多碼接收器之較佳具體實施例係根據一對發射與接收天線，係在所有的多碼傳輸經歷相同的頻道回應時予以使用。這通常在下行鏈路中發生。而在上行鏈路中，當多個使用者進行傳輸時，可使用圖2的接收器22來處理單一使用者的傳輸。其他的使用者傳輸則視為雜訊。
在接收器22處，N個接收天線361 至36N 中的每一天線將每一發射天線所發射的信號作為一組合接收信號予以接收。如果未使用接收空間多元化，則N為1(單一天線)。N最好等於或大於M。解調器381 至38N (38)將所接收到的每一天線信號解調至基頻。藉由取樣裝置401 至40N (40)對每一解調信號進行取樣，如以傳輸速率或傳輸速率的倍數進行取樣，以產生每一天線36的一接收向量r 1 至r N 。組合的接收向量r 包含r 1 至r N 。
將組合的接收向量r 輸入一MIMO頻道等化裝置44。將一導流序列(training sequence)信號r '輸入一頻道估測裝置44。頻道估測裝置42估測每一對接收及發射天線組合的頻道回應。對於接收天線36的第i個接收天線及發射天線34的第j個發射天線，第k個瞬時的頻道回應為hij (k)。在第k個瞬時的所有天線組合的總頻道回應係根據等式1A求解。
總頻道回應係根據等式1B求解。
將總頻道回應H傳送到MIMO頻道等化裝置44。MIMO頻道等化裝置44使用該頻道回應矩陣H並使接收向量r 等化以補償通過無線空間介面24造成的頻道失真，並產生一展開資料向量s 。藉由一展開向量重排裝置46，將展開資料向量s 進行重排，使每一發射天線的展開資料向量s 1 至s M 得以還原。藉由一解拓裝置48用展開碼C1 至CQ 將每一發射天線的展開資料向量s 1 至s M 解拓，以估測M個編碼資料流中每一資料流相對於每一天線的資料d 1,1 至d M,Q 。一解拓資料流解碼器50將資料流d 1,1 至d M,Q 合併以還原至原始資料向量d 。
由於空間多元化，藉由一對特別的發射/接收天線組合傳輸的每一訊號與其他發射/接收天線組合相比，需經過一不同的多路徑環境。藉由對所有接收天線361 至36N 接收到的多路徑成份進行處理，可大大增強該系統的容量及資料的最大傳輸速率。
圖3A係MIMO頻道等化裝置44之具體實施例，而圖3B係MIMO頻道等化的一項具體實施例之流程圖。也可使用MIMO頻道等化裝置的其他具體實施例，如Cholesky分解(Cholesky decomposition)或近似Cholesky分解。每對天線的頻道脈衝回應所接收之取樣係根據等式2求解。
hi,j (k)，其中k=0,…,L-1　等式2
i係第i個接收天線。j係第j個發射天線。k係長度為L的脈衝回應的第k個取樣。第k個取樣的所有接收及發射天線對的頻道脈衝回應係根據等式3求解。
傳輸的展開資料向量s 有Ns ‧M維的向量s(k)。Ns 係傳輸的資料符號的數目。總接收向量r 有N維的Ns +L-2個接收向量，並係根據等式4求解。
ω 為雜訊向量。或者，等式4也可寫成等式5。
r =H s +w 　等式5
向量r 及w 的長度為(Ns +L-1)‧N。向量s 的長度為Ns M，且H係一(Ns +L-1)‧N乘Ns ‧M矩陣。
如等式4所示，H矩陣為一近似塊循環(block circulant)矩陣。為了使該H矩陣更接近於塊循環，將L-1區塊行加到該H矩陣，得到一擴展的H矩陣，並將相應數目的零加到s 向量，得到一擴展的s 向量。根據H矩陣的塊循環結構加入L-1行區塊。將H矩陣及s 向量進行擴展，擴展後的H矩陣的維數為(Ns +L-1)‧N乘(Ns +L-1)‧M，且s 的長度為(Ns +L-1)‧M。
為簡寫之便，用D代表Ns +L-1，因此D=Ns +L-1。用N乘M大小的區塊將DN乘DM大小的擴展H矩陣加以分解，根據等式6求解。
F(N) 係用一N乘N大小的區塊執行一區塊傅立葉轉換(Fourier transform)；F(M) 係用一M乘M大小的區塊執行一區塊傅立葉轉換。F(N) 根據等式7求解。
係Kronecker乘積操作，而IN 則係一N乘N恆等矩陣(identity matrix)。
F(M) 係根據等式8求解。
IM 係一M乘M恆等矩陣。
區塊對角矩陣(block-diagonal matrix)Λ(N,M) 最好係由H矩陣的第一區塊行以一區塊傅立葉轉換而得，(進行置換後)也可用另一行，步驟84。一區塊傅立葉轉換裝置62對H矩陣的一區塊行執行一區塊轉換以產生Λ(N,M) 。Λ(N,M) 最好根據等式9求解。
diag(N,M) (Λ(N,M) )=F ( N ) H ( N , M ) (:,1:M )　等式9
diag(N,M) (Λ(N,M) )係Λ(N,M) 的區塊對角。(:,1:M)代表寬度為M的第一區塊行。Λ(N,M) 係藉由H矩陣的一單一區塊行解得，該H矩陣可近似為一塊循環矩陣。
將等式6代入等式2，得到等式10的結果。
Λ( N , M ) F ( M ) s =F ( N ) r 　等式10
為解s ，首先根據等式11決定一向量x ，步驟86。
x =F(N) r 　等式11
x 最好係藉由長度為D的一N非區塊離散傅立葉轉換來決定。一區塊傅立葉轉換裝置64對r 執行區塊轉換而得到x 。
接著，根據等式12決定一向量y ，步驟88。
Λ( N , M ) y = x 　等式12
用一y 決定裝置66得到y 。
由於Λ(N,M) 係一塊循環矩陣，y 最好係按照區塊接區塊的方式藉由求解較小的等式系統D來決定，如根據等式13求解。
Λ1 (N,M) 係Λ(N,M) 的第i個區塊。y i 係第i個M乘1子向量y 。x i 係第i個N乘1子向量x 。
由於Λ1 (N,M) 係開放結構，解等式13的一個方法為對等式14進行Cholesky分解並前向代入或反向代入(forward and backward substitution)，也可使用其他方法。
(Λ i ( N , M ) ) H Λ l ( N , M ) 　等式14
如果接收天線N的數量等於發射天線的數量，則Λ1 (N,M) 係一正方矩陣，且y 可藉由將Λi (N,M) 逆反決定。對於數值小的N，執行矩陣反轉(matrix inversion)比Cholesky分解更為有效。
根據等式15求解向量s ，步驟90。
使用一區塊反傅立葉轉換裝置68得到s 。用等式15解s 的一個方法，係藉由執行維數為D的M個非區塊離散傅立葉轉換，也可使用其他方法。
圖4A係MIMO頻道等化裝置44B的另一項具體實施例，而圖4B則係MIMO頻道等化的一項具體實施例之流程圖。為決定s ，在等式2的兩邊乘上HH ，根據等式16求解。
H H r =R s +H H w =R s + n 　等式16
(‧)H 係共軛轉置(conjugate transpose)操作。n 為經等化的雜訊向量。R為頻道交互相關矩陣，且其藉由一R決定裝置70使用矩陣H來決定，步驟92。要得到一零強制(zero forcing)解，R係根據等式17求解。
R=HH H　等式17
要得到一最小均方誤差(minimum mean square errors；MMSE)的解，R係根據等式18求解。
R=HH H+σ2 I　等式18
σ2 為雜訊向量w 的變異數，而I 則為一恆等矩陣。
頻道交互相關矩陣R有一如等式19之結構。
如上所述，將L-1行加到H矩陣後，可得到一接近於R矩陣的區塊循環矩陣，被稱作拓展R矩陣。該拓展R矩陣的維數為DM乘DM。
使用該拓展R矩陣，根據等式20決定s 。
H H r =R s 　等式20
由於HH 近似於R且為區塊循環矩陣，R根據等式21進行分解。
ΛR (N,M) 最好係R矩陣的第一區塊行根據等式22所得，(經置換後)也可使用另一行，步驟94。
diag(M,M) (ΛR (M,M) )係ΛR (M,M) 的區塊對角。
用一區塊傅立葉轉換裝置72對R矩陣的一區塊行執行區塊傅立葉轉換來解ΛR (M,M) 。
HH 係根據等式23進行分解。
ΛH (M,N) 最好係由HH 矩陣的第一區塊行根據等式24來決定，(經置換後)也可使用另一區塊行，步驟96。
diag(M,N) (ΛH (M,N) )係ΛH (M,N) 的區塊對角。
用一區塊傅立葉轉換裝置74對HH 矩陣的一區塊行執行區塊傅立葉轉換來決定ΛH (M,N) 。
將等式21及23代入等式20，得到等式25的結果。
解s ，得到等式26的結果。
求解s 最好經過四個步驟來完成。首先，根據等式27求解x ，步驟98。
x =F ( N ) r 　等式27
最好藉由長度為D的一N非區塊傅立葉轉換來執行區塊傅立葉轉換。一區塊傅立葉轉換裝置76對r 執行區塊傅立葉轉換求解x 。
第二步，根據等式28求解y ，步驟100。
y 決定裝置78用ΛH (M,N) 及x 求解y 。
第三步，根據等式29求解z ，步驟102。
z 決定裝置80用ΛR (M,M) 及y 來求解z 。
由於ΛR (M,M) 係一區塊對角矩陣，最好使用較小的D系統根據等式30來求解等式29。
(ΛR (M,M) )1 係ΛR (N,M) 的第i個區塊。z i 係第i個M乘1子向量z 。y i 係第i個M乘1子向量y 。
由於(ΛR (M,M) )i 係開放結構，解(ΛR (M,M) )1 的一個方法為對((ΛR (N,M) )i )H (ΛR (M,M) )i 進行Cholesky分解並前向代入或反向代入，也可使用其他方法。
第四步，根據等式31執行維數為D的一M非區塊反離散傅立葉轉換來求解s ，步驟104。
用一區塊反傅立葉轉換裝置82對z 執行一反區塊轉換以解s 。
在另一項具體實施例中，所估測的展開資料向量s 將資料還原，藉由展開向量排列裝置將展開資料向量s 分成M個傳輸資料流s m ，其中m=1、...、M。該展開資料向量s 係將資料流向量s m 連接的結果，並藉由相同的傳輸間隔分組而進行重排，根據等式32求解。
smj 降低第m個資料流的第j個傳輸間隔。
為還原展開資料向量流s m 的每一向量，根據等式33將估測的展開資料向量s 的傳輸進行重排，得到重排的s REORDERED 。
藉由解拓裝置48用相應的展開碼C1 至CQ 將此等資料流展開資料向量s m 中的每一向量進行解拓，以估測資料流的符號。藉由解拓資料流解碼器50將每一資料流的估測符號進行解碼以還原成原始資料d 。
10．．．發射器
12．．．天線陣列
121 -12M ．．．發射天線
14．．．無線空中介面
16．．．天線陣列
161 -16N ．．．接收天線
18．．．接收器
20．．．發射器
22．．．接收器
24．．．無線空中介面
26．．．多碼向量編碼器
28(281 -28Q )．．．展開裝置
30(301 -30M )．．．組合器
32(321 -32M )．．．調變器
34(341 -34M )．．．M個(發射)天線
36(361 -36N )．．．N個接收天線
38(381 -38N )．．．解調器
40(401 -40N )．．．取樣裝置
42．．．頻道估測裝置
44(44A、44B)．．．MIMO頻道等化裝置
46．．．展開向量重排裝置
48．．．解拓裝置
50．．．解拓資料流解碼器
60．．．解拓資料流解碼器
62．．．區塊傅立葉轉換裝置
64．．．區塊傅立葉轉換裝置
66．．．y 決定裝置
68．．．區塊反傅立葉轉換裝置
70．．．R決定裝置
72．．．區塊傅立葉轉換裝置
74．．．區塊傅立葉轉換裝置
76．．．區塊傅立葉轉換裝置
78．．．y 決定裝置
80．．．z 決定裝置
82．．．區塊反傅立葉轉換裝置
圖1係使用多重天線的一發射器及一接收器。
圖2係一較佳MIMO發射器及接收器之簡化方塊圖。
圖3A係一MIMO頻道等化裝置之具體實施例。
圖3B係MIMO頻道等化的一項具體實施例之流程圖。
圖4A係一MIMO頻道等化裝置之另一項具體實施例。
圖4B係MIMO頻道等化的另一項具體實施例之流程圖。
20．．．發射機
22．．．接收器
24．．．無線空中介面
26．．．多碼向量編碼器
28(281 -28Q )．．．展開裝置
30(301 -30M )．．．組合器
32(321 -32M )．．．調變器
34(341 -34M )．．．M個(發射)天線
36(361 -36N )．．．N個接收天線
38(381 -38N )．．．解調器
40(401 -40N )．．．取樣裝置
42．．．頻道估測裝置
44(44A、44B)．．．MIMO頻道等化裝置
46．．．展開向量重排裝置
48．．．解拓裝置

Claims (18)

  1. 一種用以在多路徑衰減出現時自一信號取得傳輸資料的頻道等化裝置，包含：一第一轉換裝置，配置以轉換一頻道回應以產生一近似頻道回應；一第二轉換裝置，配置以轉換接收資料以產生被轉換接收資料；一第一決定裝置，配置以使用該近似頻道回應來處理該被轉換接收資料，以產生再轉換接收資料；一跨相關裝置，配置以處理該頻道回應以產生一頻道跨相關；一第三轉換裝置，配置以轉換該頻道跨相關以產生一被轉換頻道跨相關；一第二決定裝置，配置以使用該再轉換接收資料及該被轉換頻道跨相關來產生被轉換資料；以及一反轉裝置，配置以處理該被轉換資料以產生該傳輸資料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該第一轉換裝置係配置以經由執行一傳立葉轉換來轉換該頻道回應。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該第二轉換裝置係配置以經由執行一傳立葉轉換來轉換該接收資料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該第一決定裝置係配置以使用矩陣乘法運算來處理該被轉換接收資料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該跨相關裝置係配置以經由對該頻道回應執行一矩陣運算來處理該頻道回應。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該第三轉換裝置係配置以經由執行一傅立葉轉換來轉換該頻道跨相關。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該第二決定裝置係配置以經由求解一線性方程式系統來產生該被轉換資料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該第二決定裝置係配置以使用Cholesky分解來產生該被轉換資料。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的頻道等化裝置，其中該反轉裝置係配置以經由執行一反傅立葉轉換來處理該被轉換資料。
  10. 一種用以在多路徑衰減出現時自一信號取得傳輸資料的方法，包含：轉換一頻道回應以產生一近似頻道回應；轉換接收資料以產生被轉換接收資料；使用該近似頻道回應來處理該被轉換接收資料，以產生再轉換接收資料；處理該頻道回應以產生一頻道跨相關；轉換該頻道跨相關以產生一被轉換頻道跨相關；使用該再轉換接收資料及該被轉換頻道跨相關來產生被轉換資料；以及處理該被轉換資料以產生該傳輸資料。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述轉換一頻道回 應包括執行一傅立葉轉換。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述轉換接收資料包括執行一傳立葉轉換。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中處理該被轉換接收資料包括矩陣乘法運算。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述處理該頻道回應包括對該頻道回應執行一矩陣運算。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述轉換該頻道跨相關包括執行一傅立葉轉換。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述產生該被轉換展開資料包括求解一線性方程式系統。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述產生該被轉換展開資料包括Cholesky分解。
  18. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中所述處理該被轉換資料包括執行一反傅立葉轉換。
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