TWI577149B - 分散式類正交空時/空頻區塊編碼之雙向中繼網路的通訊方法 - Google Patents

Description

分散式類正交空時/空頻區塊編碼之雙向中繼網路的通訊方法

本發明是關於一種雙向中繼網路的通訊方法，特別是關於一種分散式類正交空時/空頻區塊編碼之雙向中繼網路的通訊方法

現今無線通訊中，合作式通訊可有效的增加整體系統的多樣性增益，如分散式空時編碼(Distributed Space Time Code)、單載波頻域等化(Single Carrier with Frequency Domain Equalization)、正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)…等。其中雙向中繼網路的頻寬使用效率較單向中繼網路為佳，而在雙向中繼網路中當兩個來源端都只有一根天線的情況下，考慮到來源端的體積大小及複雜度，在中繼端上進行類正交空時區塊編碼(QOSTBC)及類正交空頻區塊編碼(QOSFBC)為當今雙向中繼網路的發展重點，但於中繼端進行QOSTBC和QOSFBC編碼會造成接收端解碼複雜度上升且沒有辦法達到全散度(Full-Diversity)的特性，因此，如何使QOSTBC/QOSFBC之雙向中繼網路達到全散度及全速率(Full-Rate)為本技術領域所欲解決之問題。

本發明的主要目的在於藉由將中繼端之中繼天線相位旋轉的方式，使得分散式類正交空時/空頻區塊編碼之雙向中繼網路可同時達到全散度及全速率的特性。

本發明之一種雙向中繼網路的通訊方法包含：提供一無線通訊系統，該無線通訊系統具有一第一來源端、一中繼端及一第二來源端，該第一來源端具有一第一天線，該中繼端具有一第一中繼天線、一第二中繼天線、一第三中繼天線及一第四中繼天線，該第二來源端具有一第二天線；該第一來源端及該第二來源端分別經由該第一天線及該第二天線傳送兩訊號至該中繼端之該第一中繼天線、該第二中繼天線、該第三中繼天線及該第四中繼天線；該中繼端對該些訊號構成之複數個混合訊號進行編碼；將該第三中繼天線之相位旋轉一特定角度，並將該第四中繼天線之相位旋轉90度，該特定角度依據該第一來源端與該中繼端之間及該中繼端與該第二來源端之間的複數個通道求得；該中繼端經由該第一中繼天線、該第二中繼天線、該第三中繼天線及該第四中繼天線分別將編碼後之該些混合訊號傳送至該第一來源端之該第一天線及該第二來源端之該第二天線；該第一來源端及該第二來源端對編碼後之該混合訊號解碼。

本發明藉由分別將該中繼站之該第三中繼天線及該第四中繼天線相位旋轉一特定角度及90度，使得該第一來源端及該第二來源端在收到編碼之訊號後，可因通道特性簡易地將訊號解碼，而達到全散度及全速率。

請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一種雙向中繼網路的通訊方法10，其包含「提供無線通訊系統11」、「第一、二來源端上行傳輸12」、「中繼端編碼13」、「第三、四中繼天線相位旋轉14」、「中繼端下行傳輸15」及「第一、二來源端解碼16」。

請參閱第1及2圖，於步驟11中提供一無線通訊系統100，該無線通訊系統100包含一第一來源端110、一中繼端120及一第二來源端130，該第一來源端110具有一第一天線111，該中繼端120具有一第一中繼天線121、一第二中繼天線122、一第三中繼天線123及一第四中繼天線124，該第二來源端130具有一第二天線131，其中該第一來源端110及該第二來源端130為用戶設備，其可為行動電話、智慧型手機、平板電腦或筆記型電腦…等，該中繼端120為基地台，在本實施例中，該中繼端120包含一第一基地台BS1及一第二基地台BS2，且該第一基地台BS1及該第二基地台BS2分別具有兩中繼天線，其中，該第一中繼天線121及該第二中繼天線122位於該第一基地台BS1，該第三中繼天線123及該第四中繼天線124位於該第二基地台BS2，或在其他實施例中，該第一中繼天線121及該第三中繼天線123位於該第一基地台BS1，該第二中繼天線122及該第四中繼天線124位於該第二基地台BS2，本發明並不在此限。

請參閱第1及2圖，於步驟12中該第一來源端110及該第二來源端130分別經由該第一天線111及該第二天線131傳送兩訊號至該中繼端120之該第一中繼天線121、該第二中繼天線122、該第三中繼天線123及該第四中繼天線124，其中，該第一來源端110之該第一天線111所傳送之該訊號為： ，該第二來源端130之該第二天線131所傳送之該訊號為： ，其中 為該些訊號的長度，當該中繼端120之該第一中繼天線121、該第二中繼天線122、該第三中繼天線123及該第四中繼天線124分別由該第一來源端110之該第一天線111及該第二來源端130之該第二天線131接收到訊號後，該些訊號構成複數個混合訊號，該中繼端120所接收之該些混合訊號可表示為： ，其中 為時間， 為該第一中繼天線121所接收之該混合訊號， 為該第二中繼天線122所接收之該混合訊號， 為該第三中繼天線123所接收之該混合訊號， 為該第四中繼天線124所接收之該混合訊號， 為該第一來源端110之該第一天線111與該中繼端120之該第一中繼天線121之間的通道， 為該第一來源端110之該第一天線111與該中繼端120之該第二中繼天線122之間的通道， 為該第一來源端110之該第一天線111與該中繼端120之該第三中繼天線123之間的通道， 為該第一來源端110之該第一天線111與該中繼端120之該第四中繼天線124之間的通道， 為該中繼端120之該第一中繼天線121與該第二來源端130之該第二天線131之間的通道， 為該中繼端120之該第二中繼天線122與該第二來源端130之該第二天線131之間的通道， 為該中繼端120之該第三中繼天線123與該第二來源端130之該第二天線131之間的通道， 為該中繼端120之該第四中繼天線124與該第二來源端130之該第二天線131之間的通道， 為可加性高斯白雜訊(Additive White Gaussian Noise)。

請參閱第1及3圖，於步驟13中該中繼端120對該些混合訊號進行編碼，在本實施例中，該中繼端120是以D-QOSTBC(Distributed Quasi-Orthogonal Space Time Block Code)對該些混合訊號進行編碼，該些混合訊號編碼後之一編碼矩陣為： 其中， 為第 m個區塊的編碼矩陣， 為該中繼端120之該第一中繼天線121接收之第 m個區塊之時間 m~ m+3的訊號， 為該中繼端120之該第二中繼天線122接收之第 m個區塊之時間 m~ m+3的訊號， 為該中繼端120之該第三中繼天線123接收之第 m個區塊之時間 m~ m+3的訊號， 為該中繼端120之該第四中繼天線124接收之第 m個區塊之時間 m~ m+3的訊號， 為共軛，可以看到各該中繼天線均是以自己接收到之該混合訊號進行編碼。請參閱第3圖，該第一中繼天線121所接收之該混合訊號 經過編碼後表示為 ，該第二中繼天線122所接收之該混合訊號 經過編碼後表示為 ，該第三中繼天線123所接收之該混合訊號 經過編碼後表示為 ，該第四中繼天線124所接收之該混合訊號 經過編碼後表示為 。

請參閱第1及3圖，於步驟14中將該第三中繼天線123之相位旋轉一特定角度 ，並將該第四中繼天線124之相位旋轉90度，該特定角度 依據該第一來源端110與該中繼端120之間及該中繼端120與該第二來源端130之間的複數個通道求得，請參閱第3圖，編碼後之該混合訊號 經相位旋轉後表示為 ，其中 ，編碼後之該混合訊號 經相位旋轉後表示為 ，其中 ，較佳的，該特定角度 的計算式為： 其中， 為該特定角度， 為一通道角度， ， 。

請參閱第1及4圖，於步驟15中該中繼端120經由該第一中繼天線121、該第二中繼天線122、該第三中繼天線123及該第四中繼天線124分別將編碼後之該些混合訊號傳送至該第一來源端110之該第一天線111及該第二來源端130之該第二天線131。

最後，請參閱第1圖，於步驟16中該第一來源端110及該第二來源端130對編碼後之該混合訊號解碼即可將訊號解回，其中該第一來源端110及該第二來源端130所接收到編碼後之該混合訊號可表示為： 其中， 為該第一來源端110接收到的編碼後之該混合訊號， 為該第二來源端130接收到的編碼後之該混合訊號，而編碼後之該些混合訊號扣除自我干擾項後，編碼後之該混合訊號的各區塊可表示為： 接著將第二項及第四項取共軛並整理後可得： 所以該第一來源端110及該第二來源端130轉相後之等效通道矩陣為： 由此可知，本方法於步驟14進行相位旋轉後，可以得知該第一來源端110及該第二來源端130之等效通道矩陣可具有以下之特性： 有了這樣的特性，該第一來源端110及該第二來源端130分別收到編碼後之該混合訊號，只需分別乘上等效通道矩陣之赫米特矩陣(Hermitian matrix)所得之 及 均為對角線矩陣，因此，該第一來源端110及該第二來源端130僅需再以簡單的線性強迫歸零就能將訊號解回，而達到全散度(Full-Diversity)及全速率(Full-Rate)。

請參閱第5至8圖，其為本發明之另一實施例，其與第一實施例的差異在於該中繼端120是以D-QOSFBC(Distributed Quasi-Orthogonal Space Frequency Block Code)對該些混合訊號進行編碼，其中，該第一來源端110所傳送之該訊號為： ，該第二來源端130所傳送之該訊號為： ， 為該些訊號的長度，該中繼端120所接收之該混合訊號為： ， 為該第一中繼天線121所接收之該混合訊號， 為該第二中繼天線122所接收之該混合訊號， 為該第三中繼天線123所接收之該混合訊號， 為該第四中繼天線124所接收之該混合訊號， 為該第一天線111與該第一中繼天線121之間的循環通道矩陣， 為該第一天線111與該第二中繼天線122之間的循環通道矩陣， 為該第一天線111與該第三中繼天線123之間的循環通道矩陣， 為該第一天線111與該第四中繼天線124之間的循環通道矩陣， 為該第二天線131與該第一中繼天線121之間的循環通道矩陣， 為該第二天線131與該第二中繼天線122之間的循環通道矩陣， 為該第二天線131與該第三中繼天線123之間的循環通道矩陣， 為該第二天線131與該第四中繼天線124之間的循環通道矩陣， 為可加性高斯白雜訊(Additive White Gaussian Noise)。

該中繼端120之該第一中繼天線121、該第二中繼天線122、該第三中繼天線123及該第四中繼天線124分別收到該些混合訊號後分別進行移除循環字首(Cyclic Prefix)、離散傅立葉轉換及子載波分割，接著，該中繼端120對該第一中繼天線121、該第二中繼天線122、該第三中繼天線123及該第四中繼天線124所接收之該些混合訊號進行D-QOSFBC編碼，該些混合訊號編碼後之一編碼矩陣為： 其中， 為第 m個區塊的編碼矩陣， 為該中繼端120之該第一中繼天線121接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為該中繼端120之該第二中繼天線122接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為該中繼端120之該第三中繼天線123接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為該中繼端120之該第四中繼天線124接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為共軛，請參閱第6及7圖，以需進行相位旋轉該第三中繼天線123及該第四中繼天線124為例，該第三中繼天線123所接收之該混合訊號 經離散傅立葉轉換後表示為 ，經子載波分割後表示為 ，經QOSFBC編碼後表示為 ，該第四中繼天線124所接收之該混合訊號 經離散傅立葉轉換後表示為 ，經子載波分割後表示為 ，經QOSFBC編碼後表示為 。

請參閱第6、7及8圖，在本實施例中，相同地，將該第三中繼天線123之相位旋轉一特定角度 ，並將該第四中繼天線124之相位旋轉90度，其中，該第三中繼天線123須分別對各子載波進行相位旋轉，相位旋轉後之該些子載波表示為 ，而該些子載波經過合併、反離散傅立葉轉換及加入循環字首後即可由該第三中繼天線123傳送至該第一來源端110之該第一天線111及該第二來源端130之該第二天線131。相對地，該第四中繼天線124可將該些子載波合併後再進行相位旋轉，表示為 ，經相位旋轉後之編碼後的該混合訊號再經過反離散傅立葉轉換及加入循環字首後即可由該第四中繼天線124傳送至該第一來源端110之該第一天線111及該第二來源端130之該第二天線131。其中，該第三中繼天線123相位旋轉之該特定角度 的計算式為： 其中， 為第 m個區塊之該特定角度， 為一通道角度， ， ， 為該第一天線111與該第一中繼天線121之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第一天線111與該第二中繼天線122之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第一天線111與該第三中繼天線123之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第一天線111與該第四中繼天線124之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線131與該第一中繼天線121之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線131與該第二中繼天線122之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線131與該第三中繼天線123之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線131與該第四中繼天線124之間的循環通道矩陣 的頻域。

最後，該第一來源端110及該第二來源端130對編碼後之該混合訊號解碼即可將訊號解回，其中該第一來源端110及該第二來源端130所解收到編碼後之該混合訊號可表示為： 其中， 為該第一來源端110接收到的編碼後之該混合訊號的頻域， 為該第二來源端130接收到的編碼後之該混合訊號的頻域，而編碼後之該些混合訊號扣除自我干擾項後，編碼後之該混合訊號的各區塊可表示為： 接著將第二項及第四項取共軛並整理後可得： 所以該第一來源端110及該第二來源端130轉相後之等效通道矩陣為： 由此可知，本方法進行相位旋轉後，可以得知該第一來源端110及該第二來源端130之等效通道矩陣可具有以下之特性： 有了這樣的特性，該第一來源端110及該第二來源端130分別收到編碼後之該混合訊號，只需分別乘上等效通道矩陣之赫米特矩陣(Hermitian matrix)所得之 及 均為對角線矩陣，因此，該第一來源端110及該第二來源端130與第一實施例相同地僅需以簡單的線性強迫歸零就能將訊號解回，而達到全散度(Full-Diversity)及全速率(Full-Rate)。

請參閱第9至12圖，為於單載波頻域等化系統(SC-FDE)及正交分頻多工系統(OFDM)的架構下本發明之通訊方法與習知之通訊方法的比較圖，習知之通訊方法均未進行相位旋轉，其中傳統編碼的編碼矩陣為： Jing’s編碼的編碼矩陣為： Gong’s編碼的編碼矩陣為： 由圖中可以看到，無論是SC-FDE或是OFDM架構下，本發明之通訊方法相較於習知之通訊方法均能得到較佳的效能，這是由於本案藉由相位旋轉的方式相較於習知技術可具有較高的散度，而在相同的位元錯誤率下達到較低的SNR。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

10‧‧‧雙向中繼網路的通訊方法

11‧‧‧提供無線通訊系統

12‧‧‧第一、二來源端上行傳輸

13‧‧‧中繼端編碼

14‧‧‧第三、四中繼天線相位旋轉

15‧‧‧中繼端下行傳輸

16‧‧‧第一、二來源端解碼

           

100‧‧‧無線通訊系統

110‧‧‧第一來源端

                    

111‧‧‧第一天線

120‧‧‧中繼端

                         

121‧‧‧第一中繼天線

122‧‧‧第二中繼天線

                       

123‧‧‧第三中繼天線

124‧‧‧第四中繼天線

                       

130‧‧‧第二來源端

131‧‧‧第二天線

                           

BS1‧‧‧第一基地台

BS2‧‧‧第二基地台

第1圖：依據本發明之一實施例，一種向中繼網路的通訊方法之流程圖。 第2圖：依據本發明之一第一實施例，一無線通訊系統上行訊號的示意圖。 第3圖：依據本發明之一第一實施例，一中繼端進行編碼及相位旋轉的示意圖。 第4圖：依據本發明之一第一實施例，該無線通訊系統下行訊號的示意圖。 第5圖：依據本發明之一第二實施例，一無線通訊系統上行訊號的示意圖。 第6圖：依據本發明之一第二實施例，一第三中繼天線進行編碼及相位旋轉的示意圖。 第7圖：依據本發明之一第二實施例，一第四中繼天線進行編碼及相位旋轉的示意圖。 第8圖：依據本發明之一第二實施例，該無線通訊系統下行訊號的示意圖。 第9圖：本發明與習知技術以QOSTBC編碼實現於SC-FDE架構的位元錯誤率-SNR之比較圖。 第10圖：本發明與習知技術以QOSTBC編碼實現於OFDM架構的位元錯誤率-SNR之比較圖。 第11圖：本發明與習知技術以QOSFBC編碼實現於SC-FDE架構的位元錯誤率-SNR之比較圖。 第12圖：本發明與習知技術以QOSFBC編碼實現於OFDM架構的位元錯誤率-SNR之比較圖。

10‧‧‧雙向中繼網路的通訊方法

11‧‧‧提供無線通訊系統

12‧‧‧第一、二來源端上行傳輸

13‧‧‧中繼端編碼

14‧‧‧第三、四中繼天線相位旋轉

15‧‧‧中繼端下行傳輸

16‧‧‧第一、二來源端解碼

Claims (9)

1. 一種雙向中繼網路的通訊方法，其包含：提供一無線通訊系統，該無線通訊系統具有一第一來源端、一中繼端及一第二來源端，該第一來源端具有一第一天線，該中繼端具有一第一中繼天線、一第二中繼天線、一第三中繼天線及一第四中繼天線，該第二來源端具有一第二天線；該第一來源端及該第二來源端分別經由該第一天線及該第二天線傳送兩訊號至該中繼端之該第一中繼天線、該第二中繼天線、該第三中繼天線及該第四中繼天線；該中繼端對該些訊號構成之複數個混合訊號進行編碼；將該第三中繼天線之相位旋轉一特定角度，並將該第四中繼天線之相位旋轉90度，該特定角度依據該第一來源端與該中繼端之間及該中繼端與該第二來源端之間的複數個通道求得；該中繼端經由該第一中繼天線、該第二中繼天線、該第三中繼天線及該第四中繼天線分別將編碼後之該些混合訊號傳送至該第一來源端之該第一天線及該第二來源端之該第二天線；以及該第一來源端及該第二來源端對編碼後之該些混合訊號解碼。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該中繼端是以D-QOSTBC(Distributed Quasi-Orthogonal Space Time Block Code)對該些混合訊號進行編碼。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該第三中繼天線之相位旋轉之該特定角度的計算式為： 其中，θ ₁為該特定角度，θ _B 為一通道角度， ，g ₁₁為該第一來源端之該第一天線與該中繼端之該第一中繼天線之間的通道，g ₁₂為該第一來源端之該第一天線與該中繼端之該第二中繼天線之間的通道，g ₂₁為該第一來源端之該第一天線與該中繼端之該第三中繼天線之間的通道，g ₂₂為該第一來源端之該第一天線與該中繼端之該第四中繼天線之間的通道，h ₁₁為該中繼端之該第一中繼天線與該第二來源端之該第二天線之間的通道，h ₁₂為該中繼端之該第二中繼天線與該第二來源端之該第二天線之間的通道，h ₂₁為該中繼端之該第三中繼天線與該第二來源端之該第二天線之間的通道，h ₂₂為該中繼端之該第四中繼天線與該第二來源端之該第二天線之間的通道，．^*為共軛。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該中繼端對該些混合訊號編碼後之一編碼矩陣為： 其中，C _m 為第m個區塊的編碼矩陣，r _11,4m ~r _11,4m+3為該中繼端之該第一中繼天線接收之第m個區塊之時間m~m+3的訊號，r _12,4m ~r _12,4m+3為該中繼端之該第二中繼天線接收之第m個區塊之時間m~m+3的訊號，r _21,4m ~r _21,4m+3為該中繼端之該第三中繼天線接收之第m個區塊之時間m~m+3的訊號，r _22,4m ~r _22,4m+3為該中繼端之該第四中繼天線接收之第m個區塊之時間m~m+3的訊號，N為該混合訊號的訊號長度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該第一來源端所傳送之該訊號為： ，該第二來源端所傳送之該訊號為： ， 為該些訊號的長度，該中繼端所接收之該些混合訊號為： ， 為時間， 為該第一中繼天線所接收之該混合訊號， 為該第二中繼天線所接收之該混合訊號， 為該第三中繼天線所接收之該混合訊號， 為該第四中繼天線所接收之該混合訊號， 為可加性高斯白雜訊(Additive White Gaussian Noise)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該中繼端是以D-QOSFBC(Distributed Quasi-Orthogonal Space Frequency Block Code)對該些混合訊號進行編碼。
7. 如申請專利範圍第6項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該第三中繼天線之相位旋轉之該特定角度的計算式為： 其中， 為第 m個區塊之該特定角度， 為一通道角度， ， ， 為該第一天線與該第一中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第一天線與該第二中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第一天線與該第三中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第一天線與該第四中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線與該第一中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線與該第二中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線與該第三中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為該第二天線與該第四中繼天線之間的循環通道矩陣 的頻域， 為共軛。
8. 如申請專利範圍第7項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該中繼端對該些混合訊號編碼後之一編碼矩陣為： 其中， 為第 m個區塊的編碼矩陣， 為該中繼端之該第一中繼天線接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為該中繼端之該第二中繼天線接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為該中繼端之該第三中繼天線接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為該中繼端之該第四中繼天線接收之第 m個區塊之頻率 m~ m+3的訊號， 為該混合訊號的訊號長度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之雙向中繼網路的通訊方法，其中該第一來源端所傳送之該訊號為： ，該第二來源端所傳送之該訊號為： ， 為該些訊號的長度，該中繼端所接收之該混合訊號為： ， 為該第一中繼天線所接收之該混合訊號， 為該第二中繼天線所接收之該混合訊號， 為該第三中繼天線所接收之該混合訊號， 為該第四中繼天線所接收之該混合訊號， 為可加性高斯白雜訊(Additive White Gaussian Noise)。