TWI455507B - An evaluation device for providing a transmission and reception performance information of a transmission system - Google Patents

An evaluation device for providing a transmission and reception performance information of a transmission system Download PDF

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Description

用於提供一傳收系統之收發表現資訊的評估裝置
本發明是有關於一種評估裝置，特別是指一種用於提供一傳收系統之收發表現資訊的評估裝置。
參閱圖1，一習知的傳收系統900包含一傳送器Tx及一接收器Rx。該傳送器Tx包括一調變器91、一分集單元92及多個傳送天線93。該接收器Rx包括多個接收天線94、一合成單元95及一解調變器96。
當該傳收系統900採用一傳送選擇分集/接收最大比率結合(TAS/MRC)的架構時，該傳收系統900會先進行通道估測，用以瞭解該分集單元92切換至哪一個傳送天線93以傳送該調變器91所產生的一訊號時，將該等接收天線94接收到的該訊號經由該合成單元95進行權重加總後會具有最佳的通訊品質，如：最大的分集增益(diversity gain)或最大的平均輸出訊雜比(signal to noise ratio,SNR)；然後，該傳送器Tx即以該傳送天線93發送訊號，該接收器Rx再將所有接收天線94收到的訊號進行權重加總，而最佳化該傳收系統900的整體收發表現。然而，該種TAS/MRC的架構存在的一缺點就是：對單一用戶所持有的接收器Rx而言雖然可以得到最大的傳送分集增益或最大的平均輸出訊雜比，但當該傳收系統900更包含其它用戶所持有的接收器(圖未示)時，卻會犧牲其他用戶所持有的接收器與該傳送器Tx間的通訊品質，因此可能會降低該傳收系統900的整體收發表現。
為解決以上缺點，另一種傳送一般分集/接收最大比率結合(Transmit Generalized Selection/Maximal-Ratio Combining,TGS/MRC)的架構於是被提出。該TGS/MRC架構相較於該TAS/MRC架構的差異在於該傳送器Tx不必然得選擇該對應最佳之通訊品質的傳送天線93來發送訊號，而可以視不同的情況而有不同的選擇，避免最佳化單一用戶的通訊品質卻產生犧牲其他用戶之通訊品質的缺點。
在文獻1(Choi,S.,& Ko,Y.-C.(2006). Performance of Selection MIMO Systems with Generalized Selection Criterion over Nakagami-m fading Channels.IEICE Trans. Commun .,E89-B (12),3467-3470.)中是以如圖2的中上型(Nakagami)通道模型來計算該TGS/MRC架構的一平均輸出訊雜比及一位元錯誤率。然而文獻1仍存在的缺點就是該平均輸出訊雜比及該位元錯誤率的計算過於複雜(需以m ×L R 個有限項次總和計算，其中，m 為該中上型通道模型的一衰減指數，L R 為該等接收天線94的數目)，且缺乏關於一中斷機率(outage probability)的計算方式。
因此，本發明之目的，即在提供一種可避免先前技術之缺點的評估裝置。
於是，本發明評估裝置用於提供一傳收系統之收發表現資訊。該傳收系統包括一具有多個傳送天線的傳送器和一具有多個接收天線的接收器，並使用一具有一衰減指數的中上型通道模型來界定該傳送器和該接收器間之通道。該等傳送天線分別對應多個序號。該評估裝置包含一訊雜比設定模組、一參數計算模組及一輸出模組。該訊雜比設定模組用於設定該傳送器和該接收器間之通道的一平均訊雜比。該參數計算模組用於根據該等序號中的一者、該衰減指數、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目及該等接收天線的數目，計算一平均輸出訊雜比、一位元錯誤率及一中斷機率中的一者作為一表現參數。該輸出模組用於根據該表現參數提供該傳收系統之收發表現資訊。
其中，當該參數計算模組利用多個有限項次總和來計算該表現參數時，該等有限項次總和的數目無關於該等接收天線的數目及該衰減指數。
本發明之功效在於該評估裝置較習知文獻1精簡該位元錯誤率及該平均輸出訊雜比的計算。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
原理推導與介紹
圖3的傳收系統100採用一種傳送一般分集/接收最大比率結合(TGS/MRC)的架構，並包含一傳送器1及一接收器2。較佳地，該傳送器1是一基地台，而該接收器2相當於一移動用戶持有的手機。
該傳送器1包括一分集單元11及L T (L T >1)個傳送天線12，該接收器2包括L R (L R >1)個接收天線22、一合成單元21以及一個通道估測器23。為了便於示圖，圖3以L T =3且L R =2為例。
在這樣的TGS/MRC架構中存在著L T ×L R 個可能的通道，每一通道是介於其中一傳送天線12和其中一接收天線22之間，並可以如圖2所示的一具有一衰減指數(fading index)m 的中上型通道模型來界定，且該衰減指數m 可為任意正數。
該通道估測器23估算每一傳送天線12所傳送出的一訊號通過該L R 個通道，再被該等接收天線22接收，且於該合成單元21進行最大比率結合後輸出的一合成訊號的一瞬時輸出訊雜比，並將該L T 個分別對應該等傳送天線12的瞬時輸出訊雜比提供給該分集單元11。接著，該分集單元11將該L T 筆瞬時輸出訊雜比由小至大排序，並根據此排序給予每一傳送天線12一相對應之正整數的序號l ，其中1 l L T ，且該傳送天線12所對應的該序號l 越小則代表對應該傳送天線12的該瞬時輸出訊雜比也越小，反之則越大。
該TGS/MRC架構下的該分集單元11選擇對應該序號l 的該傳送天線12來傳送訊號，該被選定的傳送天線12與該等接收天線22間的該等通道都是以圖2之中上型通道模型來界定，且每一通道的平均訊雜比都相同，當該中上型通道模型的衰減指數m 與該等接收天線22的數目L R 相乘為整數時，該合成單元21所輸出之該合成訊號的一平均輸出訊雜比、一位元錯誤率P BER 及一中斷機率P out (R ,)的計算方式說明如下。
該平均輸出訊雜比的計算方式：
其中，
當該傳收系統100使用二階相移鍵控(BPSK)調變，該合成單元21所輸出之該合成訊號的該符元錯誤率P SER 的計算如下：
其中，α =/[m (L T -l +n +1)]。另外，在該通道的該平均訊雜比>>1(也就是大於一預設值)的情況下，可進一步將式(2)近似如下：
該傳收系統100的該通道的平均訊雜比為時，所支援的瞬間通道容量小於一容量門檻R 的機率稱為一中斷機率P out (R ,)，計算如下：
其中，λ =2 R -1,γ (.,.)是低階不完全伽馬函數。另外，在該通道的平均訊雜比>>1(也就是大於一預設值)的情況下，可進一步將式(4)近似如下：
值得注意的是上述的說明雖然是基於該TGS/MRC架構，但是當l =L T 時，該TGS/MRC架構即是該TAS/MRC架構，又當該中上型通道模型的衰減指數m =1時，該中上型通道模型即是一瑞雷(Rayleigh)通道模型。
較佳實施例
參閱圖3，本發明用於提供一傳收系統之收發表現資訊的評估裝置200的較佳實施例適用於分析該傳收系統100的該合成單元21所結合出的一合成訊號。該傳收系統100包括一傳送器1及一接收器2。該傳送器1具有多個分別對應多個序號的傳送天線12，該接收器具有多個接收天線22。該傳送器1和該接收器2間之多個通道中的每一個均以一具有一衰減指數m 的中上型通道模型來界定，且任一傳送天線12與任一接收天線22間的該通道均具有相同的一平均訊雜比。
參閱圖4，在式(1)至式(5)的基礎下，該評估裝置200包含一訊雜比設定模組3、一參數計算模組4及一輸出模組5。
該訊雜比設定模組3用於設定該通道的該平均訊雜比。該參數計算模組4用於根據該等序號中的一者l 、該衰減指數m 、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目L T (L T >1)及該等接收天線的數目L R (L R >1)，計算一平均輸出訊雜比、一位元錯誤率P BER 及一對應該平均訊雜比及一容量門檻R 的中斷機率P out (R ,)中的一者作為一表現參數。該輸出模組5用於根據該表現參數提供該傳收系統100之收發表現資訊。
其中，從式(1)至式(5)中可以得知：當該參數計算模組4利用多個有限項次總和來計算該表現參數時，該等有限項次總和的數目無關於該等接收天線22的數目L R 及該衰減指數m 。
下表1為本實施例相較於習知文獻1關於該表現參數之計算量的比較表。
如將習知文獻1中關於該平均輸出訊雜比及該位元錯誤率的計算方式應用於NTT DoCoMo所提出之超快速封包傳輸(ultra-high-speed packet transmission)這種需要用到12個接收天線22的架構，且該中上型通道模型的該衰減指數m =1時，該平均輸出訊雜比及該位元錯誤率的計算皆必須用到高達12個有限項次總合，而遠大於本實施例所需的計算量(見表1)。此外，本實施例的該參數計算模組4更提供關於該中斷機率的計算方式，且同樣地，該中斷機率的計算量也不隨該衰減指數m 或該等接收天線22的數目L R 的增加而增加。
參閱圖5並配合圖4，該評估裝置200所執行的步驟如下：
步驟61：該訊雜比設定模組3為每一可能的通道設定一平均訊雜比，且所有通道的該平均訊雜比都相同。
步驟62：該參數計算模組4根據該等序號l 中的一者、該衰減指數m 、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目L T 及該等接收天線的數目L R ，計算m ×L R 為整數時之一平均輸出訊雜比、一位元錯誤率P BER 及一中斷機率P out (R ,)中的一者作為一表現參數，且該平均輸出訊雜比是以式(1)計算，該位元錯誤率P BER 是以式(2)或式(3)計算，該中斷機率P out (R ,)是以式(4)或式(5)計算。特別說明的是，當平均訊雜比大於一預設值時，該參數計算模組4關於該位元錯誤率P BER 的計算會基於式(3)來計算，該中斷機率P out (R ,)的計算會基於式(5)來計算；而當該平均訊雜比不大於該預設值時，該參數計算模組4關於該位元錯誤率P BER 的計算會基於式(2)來計算，該中斷機率P out (R ,)的計算會基於式(4)來計算。
步驟63：該輸出模組5根據一計算指示，決定是否使該訊雜比設定模組3設定另一平均訊雜比，以讓該參數計算模組4算出與另一平均訊雜比對應的另一平均輸出訊雜比、另一位元錯誤率P BER 及另一中斷機率P out (R ,)中的一者作為另一表現參數。
若是，跳回步驟61，否則前進至步驟64。
步驟64：該輸出模組5根據該表現參數提供該傳收系統100(見圖3)之收發表現資訊。
參閱圖6及圖7，圖6是本實施例在圖3的該傳收系統100之該等傳送天線12的數目L T =4及該等接收天線22的數目L R =4的情況下，以式(1)計算該分集單元11選擇對應不同序號l 的該個傳送天線12傳送訊號時，該合成單元21所輸出之該合成訊號經過正規化後的多個平均輸出訊雜比(縱軸)對應多個衰減指數m (橫軸)的關係圖。圖7則是習知文獻1基於與圖6相同的通訊條件下之相同的關係圖。將圖6及圖7兩相比對可發現兩者的關係曲線是近似相同，所以可以驗證本實施例以式(1)計算該平均輸出訊雜比不但較習知文獻1節省計算量，還可維持相同的準確度。此外，圖6還可觀察出當該通道越穩定(即該衰減指數m 越大)則該分集單元11選擇以哪一個傳送天線12傳送訊號對該合成單元21輸出之合成訊號的該平均輸出訊雜比的影響就越小，也就是代表該分集單元11不必然得選擇該對應最大之平均輸出訊雜比的該個傳送天線12。
參閱圖8，是圖3的傳收系統100採BPSK調變、該衰減指數m =0.5、該等傳送天線12的數目L T =4，及該等接收天線22的數目L R =2的情況下，選取對應不同序號l 的該個傳送天線12傳送訊號時，以式(2)及式(3)計算並標示多個平均訊雜比(橫軸)與對應每一平均訊雜比之位元錯誤率P BER (縱軸)的關係圖。從圖8中可觀察出：a.該位元錯誤率會隨著該平均訊雜比的增加而降低，且該位元錯誤率P BER 越低即代表該傳收系統100具有較佳的收發表現；及b.隨著該平均訊雜比的增加，式(3)的結果也就越趨近於式(2)，即代表該平均訊雜比大於一預設值時，該位元錯誤率P BER 即可以簡化的式(3)計算，反之則以式(2)計算。
參閱圖9，是圖3之傳收系統100的該等傳送天線12的數目L T =4、該等接收天線22的數目L R =2、該衰減指數m =0.5且該容量門檻R =2 bits/s/Hz的情況下，選取對應不同序號l 的該個傳送天線12傳送訊號時，以式(4)及式(5)計算並標示多個平均訊雜比(橫軸)與對應每一平均訊雜比之一中斷機率P out (R ,)(縱軸)的關係圖。從圖9中可觀察出隨著該平均訊雜比的增加，式(5)的結果也就越趨近於式(4)，即代表該平均訊雜比大於一預設值時，該中斷機率P out (R ,)即可以簡化的式(5)計算，反之則以式(4)計算。
綜上所述，本實施例的該參數計算模組4計算該合成單元21所輸出之該合成訊號的該平均輸出訊雜比、該位元錯誤率P BER 及該中斷機率P out (R ,)時，該等有限項次總和的數目如表1中所示皆無關於該等接收天線22的數目L R 及該衰減指數m ，所以在多接收天線22及高衰減指數m 的通訊條件下更能相較習知文獻1節省計算量，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100．．．傳收系統
1．．．傳送器
11．．．分集單元
12．．．傳送天線
2．．．接收器
21．．．合成單元
22．．．接收天線
23．．．通道估測器
200．．．評估裝置
3．．．訊雜比設定模組
4．．．參數計算模組
5．．．輸出模組
61．．．設定每一通道的一平均訊雜比的步驟
62．．．計算一表現參數的步驟
63．．．決定是否計算另一表現參數的步驟
64．．．提供收發表現的步驟
圖1是習知一傳收系統的示意圖；
圖2是一中上型分布的示意圖；
圖3是一傳收系統的示意圖，說明本發明一評估裝置的較佳實施例適用於該傳收系統；
圖4是該較佳實施例的一方塊圖；
圖5是該較佳實施例所執行之步驟的一流程圖；
圖6是一模擬示意圖，說明該較佳實施例的多個正規化的平均輸出訊雜比之於一中上型通道模型的多個不同的衰減指數的相對關係；
圖7是一模擬示意圖，說明一習知文獻1的多個正規化的平均輸出訊雜比之於該中上型通道模型的多個不同的衰減指數的相對關係；
圖8是一模擬示意圖，說明該傳收系統採BPSK調變時該較佳實施例的多個位元錯誤率之於多個不同的平均訊雜比的相對關係；及
圖9是一模擬示意圖，說明該較佳實施例的多個中斷機率之於多個不同的平均訊雜比的相對關係。
200．．．評估裝置
3．．．訊雜比設定模組
4．．．參數計算模組
5．．．輸出模組

Claims (5)

  1. 一種用於提供一傳收系統之收發表現資訊的評估裝置，該傳收系統包括一具有多個傳送天線的傳送器和一具有多個接收天線的接收器，並使用一具有一衰減指數的中上型通道模型來界定該傳送器和該接收器間之通道，該等傳送天線分別對應多個序號，該評估裝置包含：一訊雜比設定模組，用於設定該傳送器和該接收器間之通道的一平均訊雜比；一參數計算模組，用於根據該等序號中的一者、該衰減指數、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目及該等接收天線的數目，計算一平均輸出訊雜比、一位元錯誤率及一中斷機率中的一者作為一表現參數；及一輸出模組，用於根據該表現參數，提供該傳收系統之收發表現資訊；其中，當該參數計算模組利用多個有限項次總和來計算該表現參數時，該等有限項次總和的數目無關於該等接收天線的數目及該衰減指數；其中，該參數計算模組是根據與該等傳送天線分別相對應之正整數的該等序號中的一者l 、該衰減指數m 、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目L T 及該等接收天線的數目L R ，計算該平均輸出訊雜比作為該表現參數，如下： ，其中， 。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之評估裝置，其中，該參數計算模組是根據與該等傳送天線分別相對應之正整數的該等序號中的一者l 、該衰減指數m 、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目L T 及該等接收天線的數目L R ，計算該位元錯誤率P BER 作為該表現參數，如下： 其中，α =/[m (L T -l +n +1)]， 。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之評估裝置，其中，該參數計算模組是根據與該等傳送天線分別相對應之正整數的該等序號中的一者l 、該衰減指數m 、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目L T 及該等接收天線的數目L R ，計算該位元錯誤率P BER 作為該表現參數，如下：
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之評估裝置，其中，該參數計算模組是根據與該等傳送天線分別相對應之正整數的該等序號中的一者l 、該衰減指數m 、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目L T 及該等接收天線的數目L R ，計算對應於一容量門檻R 及該平均訊雜比的該中斷機率P out (R ,)作為該表現參數，如下： 其中，λ =2 R -1，γ (.,.)是低階不完全伽馬函數， 。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之評估裝置，其中，該參數計算模組是根據與該等傳送天線分別相對應之正整數的該等序號中的一者l 、該衰減指數m 、該平均訊雜比、該等傳送天線的數目L T 及該等接收天線的數目L R ，計算對應於一容量門檻R 及該平均訊雜比的該中斷機率P out (R ,)作為該表現參數，如下： 其中，λ =2 R -1。
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