TWI627847B - 基於通道容量決定調變編碼方式的裝置及方法 - Google Patents

Abstract

一種接收裝置，包含有一通道估測單元，用來根據複數個參考訊號，產生複數個通道估測；一特徵值計算單元，耦接於該通道估測單元，用來根據該複數個通道估測，產生對應該複數個通道估測的至少一特徵值；一通道補償單元，耦接於該特徵值計算單元，用來根據該至少一特徵值，產生用來補償該複數個通道估測的一相關性修正值；一通道容量計算單元，耦接於該特徵值計算單元及該通道補償單元，用來根據該至少一特徵值及該相關性修正值，產生一通道容量；以及一選擇單元，耦接於該通道容量計算單元，用來根據該通道容量，決定一調變編碼方式。

Description

基於通道容量決定調變編碼方式的裝置及方法

本發明相關於一種用於通訊系統的裝置及方法，尤指一種決定調變編碼方式的裝置及方法。

在無線通訊系統中，由於通道是時變的，為了提高用戶端的吞吐量（throughput），接收端會根據通道狀況來選擇較佳的調變編碼方式（modulation and coding scheme，MCS），以及將選擇的調變編碼方式回報給傳送端。在收到來自接收端的調變編碼方式後，傳送端可使用所接收的調變編碼方式來傳送資料。

一般來說，接收端會使用指數型有效訊號對雜訊及干擾比映射（Exponential Effective SINR Mapping，EESM）來選擇調變編碼方式。然而，指數有效SINR映射適用於線性偵測器，卻難以應用於多重輸入多重輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）的非線性偵測器。

因此，如何在使用非線性偵測器的情況下，較準確地選擇調變編碼方式成為亟待解決的問題。

因此，本發明提供了一種接收裝置及接收方法，可應用於具有線性偵測器或非線性偵測器的接收裝置，用來決定調變編碼方式，以解決上述問題。

本發明揭露一種接收裝置，包含有一通道估測單元，用來接收複數個參考訊號，根據該複數個參考訊號，產生複數個通道估測；一特徵值計算單元，耦接於該通道估測單元，用來根據該複數個通道估測，產生對應該複數個通道估測的至少一特徵值（eigenvalue）；一通道補償單元，耦接於該特徵值計算單元，用來根據該至少一特徵值，產生用來補償該複數個通道估測的一相關性修正值；一通道容量計算單元，耦接於該特徵值計算單元及該通道補償單元，用來根據該至少一特徵值及該相關性修正值，產生一通道容量；以及一選擇單元，耦接於該通道容量計算單元，用來根據該通道容量，決定一調變編碼方式（modulation and coding scheme，MCS）。

本發明另揭露一種接收方法，用於一接收裝置，包含有接收複數個參考訊號，根據該複數個參考訊號，產生複數個通道估測；根據該複數個通道估測，產生對應該複數個通道估測的至少一特徵值（eigenvalue）；根據該至少一特徵值，產生用來補償該複數個通道估測的一相關性修正值；根據該至少一特徵值及該相關性修正值，產生一通道容量；以及根據該通道容量，決定一調變編碼方式（modulation and coding scheme，MCS）。

第1圖為本發明實施例一通訊系統10的示意圖。通訊系統10可為任何使用正交分頻多工（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）技術（或稱為離散多頻調變（discrete multi-tone modulation，DMT）技術）的通訊系統，簡略地由一傳送端TX及一接收端RX所組成。在第1圖中，傳送端TX及接收端RX是用來說明通訊系統10之架構。舉例來說，通訊系統10可為非對稱式數位用戶迴路（asymmetric digital subscriber line，ADSL）系統、電力通訊（power line communication，PLC）系統、同軸電纜的乙太網路（Ethernet over coax，EOC）等有線通訊系統，或者是區域無線網路（wireless local area network，WLAN）、數位視訊廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）系統、長期演進（Long Term Evolution，LTE）系統及先進長期演進（LTE-advanced，LTE-A）系統等無線通訊系統。此外，傳送端TX及接收端RX可設置於行動電話、筆記型電腦等裝置中，不限於此。

第2圖為本發明實施例一接收裝置20的示意圖，用於第1圖的接收端RX中，用來決定（例如選擇）調變編碼方式。接收裝置20包含有一通道估測單元200、一特徵值計算單元210、一通道補償單元220、一通道容量計算單元230及一選擇單元240。詳細來說，在接收裝置20接收複數個參考訊號sig_ref後，通道估測單元200可根據複數個參考訊號sig_ref（例如執行通道估測），產生複數個通道估測ch_est。其中，複數個參考訊號sig_ref可為導航（pilot）訊號、前置碼（preamble）等可用來估測通道的已知訊號，但不限於此。特徵值計算單元210耦接於通道估測單元200，可用來根據複數個通道估測ch_est，產生對應複數個通道估測ch_est的至少一特徵值（eigenvalue）eig_ch。通道補償單元220耦接於特徵值計算單元210，可根據至少一特徵值eig_ch，產生用來補償複數個通道估測ch_est的相關性修正值corr_comp。通道容量計算單元230耦接於特徵值計算單元210及通道補償單元220，可根據至少一特徵值eig_ch及相關性修正值corr_comp，產生通道容量cap_est。選擇單元240耦接於通道容量計算單元230，可根據通道容量cap_est，決定一調變編碼方式（modulation and coding scheme，MCS）mcs_sel。

也就是說，隨著時間變化，通道也會跟著變化，所估測到的複數個通道估測ch_est可能具有較高的相關性，例如是因為多天線所造成的相關性。通道容量計算單元230可在估測通道容量cap_est時，透過使用相關性修正值corr_comp，以使通道容量cap_est反映相關性所造成的負面效應。因此，選擇單元240可根據較正確的通道容量來決定適合目前通道狀況的調變編碼方式mcs_sel，進而改善接收端RX的吞吐量（throughput）。此外，接收裝置20可應用於線性偵測器（linear detector）或非線性偵測器（non-linear detector），解決了指數型有效訊號對雜訊及干擾比（signal to noise and interference ratio，SINR）映射（Exponential Effective SINR Mapping，EESM）僅能應用於線性偵測器的問題。

在一實施例中，選擇單元240可根據通道容量cap_est來產生位元效率 (Bit Efficiency)，以及選擇單元240可根據該位元效率來決定調變編碼方式。進一步地，選擇單元240可根據該位元效率來決定調變編碼方式以使接收裝置20的一區塊錯誤率（block error rate，BLER）符合一預定的區塊錯誤率（例如10%）。在一實施例中，特徵值計算單元210可根據奇異值分解（Singular value decomposition，SVD）來產生對應複數個通道估測ch_est的至少一特徵值eig_ch。也就是說，特徵值計算單元210使用奇異值分解來計算出至少一特徵值eig_ch，以降低計算至少一特徵值eig_ch的複雜度（即功率消耗）。

在一實施例中，選擇單元240另包含有一階層處理單元242，可分割通道容量cap_est來產生對應於複數個階層（layers）的複數個通道容量。進一步地，階層處理單元242可以下列方式分割通道容量cap_est：均分複通道容量cap_est，或者根據該複數個階層的複數個功率準位來分割通道容量cap_est。也就是說，當傳送端TX使用多重輸入多重輸出時，資料傳輸會透過多個階層被傳送，即資料傳輸會被分配給多個串流（streams），以及這些串流可能會分別經歷不同的通道。在此實施例中，階層處理單元242計算這些通道容量，再替這些通道容量（即階層）決定對應的調變編碼方式，以改善吞吐量。階層處理單元242分割通道容量cap_est的方法有很多種。舉例來說，階層處理單元242可均分通道容量cap_est，即每個階層所分配到的通道容量相同。此簡單的分配方式可降低接收裝置30的複雜度。在另一實施例中，階層處理單元242可根據複數個階層的複數個功率準位來分割通道容量cap_est。此分配方式可進一步改善吞吐量。

在一實施例中，根據至少一特徵值eig_ch，通道補償單元220可產生複數個通道的一條件數（condition number），以及根據該條件數，通道補償單元220產生相關性修正值corr_comp。也就是說，通道補償單元220可透過使用條件數來獲得相關性修正值corr_comp。

以下實施例係用來舉例說明特徵值計算單元210如何根據通道估測ch_est來決定至少一特徵值eig_ch。首先，特徵值計算單元210計算通道的 共變異數矩陣 如下： （式1）

其中 是子載波（subcarrier）指標為 的 （估測的）通道矩陣， 是接收端的天線數量， 是傳送端的天線數量， 為共軛轉置（conjugate transpose）運算。 是計量單元，其可為單一子載波，或是如長期演進系統所規範的資源區塊（resource block，RB）。以計量單元為資源區塊的情況為例， ， 是下鏈路（downlink，DL）的資源區塊數量， 是在一個計量單元內使用的子載波數量。接著，特徵值計算單元210計算共變異數矩陣 的特徵值，例如可透過式2的奇異值分解來獲得至少一特徵值eig_ch： （式2）

其中 是 么正矩陣（unitary matrix）， 是 么正矩陣， 是 的對角矩陣， ， ，其中， 為共變異數矩陣 的奇異值（singular values）（即特徵值）。

根據用於傳送的階層，通道容量計算單元230利用特徵值來計算通道容量 的方式可分為兩種案例：

第一種案例為單階層（Single layer）: 如長期演進TM1、TM2、TM4 Rank 1等傳輸模式，通道容量計算單元230可根據特徵值 計算出該通道容量 ，其方程式如下： （式3）

其中， 是雜訊的能量。在此實施例中，通道補償單元220可被省略或被禁能。

第二種案例為多階層（Multiple layers）：如長期演進TM3、TM4 Rank 2等傳輸模式，通道容量計算單元230可根據特徵值 及相關性修正值 計算出該通道容量 ，其方程式如下： （式4）

以下詳述相關性修正值 的獲得方式。通道補償單元220可先根據特徵值 計算出條件數 如下： （式5）

接著，通道補償單元220根據條件數 計算出相關性修正值 如下： （式6）

其中，在一實施例中，可設定參數如下： , , , 。

在單階層的案例中，選擇單元240根據通道容量 ，選擇一調變編碼方式。在多階層的案例中，選擇單元240可根據各階層的通道狀況選擇調變編碼方式（相同或不同）。以下係以2個階層為例，說明2個分配通道容量的實施例：

第一實施例：階層處理單元242將通道容量平均分配給2個階層。在此情況下，因為2個階層的編碼調變方式相同，接收裝置只需回報一個階層的調變編碼方式。階層處理單元242可計算通道容量如下： （式7）

其中 與 分別為第一個階層及第二個階層的通道容量。

第二實施例：階層處理單元242分別計算2個階層的通道容量。在此情況下，接收裝置須回報各個階層的的調變編碼方式。以長期演進TM4 Rank 2為例，將通道矩陣表示成 後，階層處理單元242可透過計算每個階層的功率準位來計算通道容量如下： , （式8）

若 ，階層處理單元242可獲得通道容量如下： , 其中 （式9）

反之，若 ，階層處理單元242可獲得通道容量如下： , 其中 （式10）

在根據前述獲得通道容量後，選擇單元240可據以決定調變編碼方式。以下實施例係用來舉例說明選擇單元240如何根據通道容量來決定調變編碼方式。選擇單元240先計算每個階層的通道容量的平均值如下： （式11）

其中 為階層指標。接著，選擇單元240可使用轉換函數 ，將通道容量 轉換為位元效率 ，其中 為對應於系統區塊錯誤率（例如10%）的轉換函數， 為一組對應於單階層或多階層的係數。選擇單元240可將 與預先決定的位元效率 相比較，以選擇對應於該位元效率的的通道品質指標 如下： （式12）

因此，接收裝置可傳送通道品質指標 到傳送端，使傳送端可根據通道品質指標 來得知較佳的調變編碼方式。

第3圖為本發明實施例一通道品質指標及位元效率對應表30的示意圖。第3圖舉例說明了不同的通道品質指標、調變編碼方式、調變、碼率及位元效率之間的對應關係。根據先前所述，若接收端RX所估測的通道容量經轉換函數轉換後得到位元效率為3.8，接收裝置20可根據對應表30推算出對應的位元效率為3.3223，以及回傳通道品質指標“11”到傳送端TX，以通知傳送端TX使用調變編碼方式“21”。換言之，選擇單元根據該位元效率來決定調變編碼方式，使接收裝置20的區塊錯誤率可符合一預定的區塊錯誤率（如10%）的要求。當然，當系統要求的區塊錯誤率改變時，該轉換函數 需對應的改變。換言之，轉換函數 為何係依據設定的區塊錯誤率需求而定。

需注意的是， 的形式可以有很多種，只要可適當地將通道容量 轉換為位元效率 即可。以下舉例說明一種決定二次多項式 的方法。

1. 選定通道品質指標 j，隨機產生衰減通道（fading channel），以進行區塊錯誤率的系統模擬。

2. 計算區塊錯誤率10%所需的訊號對雜訊比（signal to noise ratio，SNR），並將此訊號對雜訊比輸入通道容量的計算，可得到 。

3. 重複步驟1及2共 次，以及計算 個衰減通道的平均通道容量如下： （式13）

4. 重複步驟1、2及3，直到求得所有通道品質指標的平均通道容量 。

5. 定義 為通道品質指標的平均通道容量向量矩陣， 為通道品質指標的位元效率向量矩陣。在一實施例中，可使用最小平方誤差（least square error）來獲得多項式 如下： （式14）

其中用於單階層的案例時，可約略獲得 ，以及用於多階層的案例時，可約略獲得 。

前述接收裝置20的運作方式可歸納為一流程40，用於接收端RX中，如第4圖所示。流程40包含以下步驟：

步驟400：開始。

步驟402：接收複數個參考訊號，根據該複數個參考訊號，產生複數個通道估測。

步驟404：根據該複數個通道估測，產生對應該複數個通道的至少一特徵值。

步驟406：根據該至少一特徵值，產生用來補償該複數個通道的一相關性修正值。

步驟408：根據該至少一特徵值及該相關性修正值，產生一通道容量。

步驟410：根據該通道容量，決定一調變編碼方式。

步驟412：結束。

流程40是用來舉例說明收裝置20的運作方式，詳細說明及變化可參考前述，於此不贅述。

需注意的是，接收裝置20（及其中的通道估測單元200、特徵值計算單元210、通道補償單元220、通道容量計算單元230及選擇單元240）的實現方式可有很多種。舉例來說，可將上述單元整合為一或多個單元。此外，接收裝置20可以硬體（例如電路）、軟體、韌體（為硬體裝置與電腦指令與資料的結合，且電腦指令與資料屬於硬體裝置上的唯讀軟體）、電子系統、或上述裝置的組合來實現，不限於此。

綜上所述，本發明提供了一種決定（例如選擇）調變編碼方式的裝置及方法，可應用於線性偵測器或非線性偵測器，可用來根據較正確的通道容量來決定適合目前通道狀況的調變編碼方式，進而改善系統吞吐量。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

20‧‧‧接收裝置
200‧‧‧通道估測單元
210‧‧‧特徵值計算單元
220‧‧‧通道補償單元
230‧‧‧通道容量計算單元
240‧‧‧選擇單元
242‧‧‧階層處理單元
30‧‧‧表
40‧‧‧流程
400、402、404、406、408、410、412‧‧‧步驟
sig_ref‧‧‧參考訊號
ch_est‧‧‧通道
eig_ch‧‧‧特徵值
corr_comp‧‧‧相關性修正值
cap_est‧‧‧通道容量
mcs_sel‧‧‧調變編碼方式
TX‧‧‧傳送端
RX‧‧‧接收端

第1圖為本發明實施例一通訊系統的示意圖。 第2圖為本發明實施例一接收裝置的示意圖。 第3圖為本發明實施例一通道品質指標及位元效率對應表的示意圖。 第4圖為本發明實施例一流程的流程圖。

Claims (10)

1. 一種接收裝置，包含有： 一通道估測單元，用來接收複數個參考訊號，根據該複數個參考訊號，產生複數個通道估測； 一特徵值計算單元，耦接於該通道估測單元，用來根據該複數個通道估測，產生對應該複數個通道估測的至少一特徵值（eigenvalue）； 一通道補償單元，耦接於該特徵值計算單元，用來根據該至少一特徵值，產生用來補償該複數個通道估測的一相關性修正值； 一通道容量計算單元，耦接於該特徵值計算單元及該通道補償單元，用來根據該至少一特徵值及該相關性修正值，產生一通道容量；以及 一選擇單元，耦接於該通道容量計算單元，用來根據該通道容量，決定一調變編碼方式（modulation and coding scheme，MCS）。
2. 如請求項1所述的接收裝置，其中該選擇單元根據該通道容量來產生一位元效率 (Bit Efficiency)，以及該選擇單元根據該位元效率來決定該調變編碼方式。
3. 如請求項2所述的接收裝置，其中該選擇單元依據該位元效率來決定該調變編碼方式以使該接收裝置的一區塊錯誤率（block error rate，BLER）符合一預定的區塊錯誤率。
4. 如請求項1所述的接收裝置，其中該特徵值計算單元根據一奇異值分解（Singular value decomposition，SVD）來產生對應該複數個通道估測的該至少一特徵值。
5. 如請求項1所述的接收裝置，該選擇單元另包含有： 一階層處理單元，耦接於該通道容量計算單元，用來分割該通道容量來產生對應於複數個階層（layers）的複數個通道容量。
6. 如請求項5所述的接收裝置，其中該階層處理單元以下列方式分割該通道容量：均分該複通道容量，或者根據該複數個階層的複數個功率準位來分割該通道容量。
7. 如請求項1所述的接收裝置，其中根據該至少一特徵值，該通道補償單元產生該複數個通道的一條件數（condition number），以及根據該條件數，該通道補償單元產生該相關性修正值。
8. 一種接收方法，用於一接收裝置，包含有： 接收複數個參考訊號，根據該複數個參考訊號，產生複數個通道估測； 根據該複數個通道估測，產生對應該複數個通道估測的至少一特徵值（eigenvalue）； 根據該至少一特徵值，產生用來補償該複數個通道估測的一相關性修正值； 根據該至少一特徵值及該相關性修正值，產生一通道容量；以及 根據該通道容量，決定一調變編碼方式（modulation and coding scheme，MCS）。
9. 如請求項8所述的接收方法，其中決定該調變編碼方式的步驟包含有： 根據該通道容量來產生一位元效率 (Bit Efficiency)，以及 根據該位元效率來決定該調變編碼方式。
10. 如請求項8所述的接收方法，其中決定該調變編碼方式的步驟包含有： 根據該至少一特徵值，產生該複數個通道的一條件數（condition number），以及 根據該條件數，產生該相關性修正值。