TWI719914B - 預編碼方法及基地台與計算電路 - Google Patents

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TWI719914B
TWI719914B TW109121033A TW109121033A TWI719914B TW I719914 B TWI719914 B TW I719914B TW 109121033 A TW109121033 A TW 109121033A TW 109121033 A TW109121033 A TW 109121033A TW I719914 B TWI719914 B TW I719914B
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Abstract

本案提供一種預編碼方法。預編碼方法包含下述步驟：根據多個所欲通道相關矩陣及多個干擾通道相關性矩陣，計算鬆弛波束形成矩陣；根據鬆弛波束形成矩陣，計算近似波束形成矩陣；根據鬆弛波束形成矩陣中多個鬆弛波束形成向量及近似波束形成矩陣中多個近似波束形成向量，計算對應於多個資料流之多個劣化程度；根據劣化程度，選擇選定資料流索引；將對應於選定資料流索引之一選定鬆弛波束形成向量分解為第一向量及第二向量；以及根據第一向量更新近似波束形成矩陣，並根據第二向量增廣近似波束形成矩陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣。

Description

預編碼方法及基地台與計算電路
本案係指一種預編碼方法、基地台與計算電路，尤指一種可在低計算複雜度下提高加總速率（sum rate）的預編碼方法、基地台與計算電路。
隨著第五代無線網絡增長，毫米波（millimeter wave）通信系統變為有望增加網絡容量的解決方案。毫米波系統的優點在於其短波長，而能將大量天線置於一定尺寸中，而可達成大型空間分工及高度定向波束形成。毫米波系統的設計挑戰在於：相較於目前細胞頻段（cellular bands），毫米波會有嚴重的路徑損耗、穿透損耗及雨衰。
由於天線總量很大，因此分配一射頻鏈（radio frequency chain）專門用於一天線相當浪費。實際上，射頻鏈數量小於（發送）天線數量。混合波束形成（Hybrid beamforming）是毫米波通信系統一種新的信號處理概念，其將信號處理操作分為數位預編碼及類比預編碼，且可以減少射頻鏈數量。為了達到良好的性能，目前已有以迭代方式設計的數位預編碼器及類比預編碼器。然而，以迭代方式設計的數位及類比預編碼器過於複雜。
因此，習知技術實有改進之必要。
本案之主要目的在於提供一種可在低計算複雜度下提高加總速率的預編碼方法及其基地台與計算電路。
本案之一實施例提供一種預編碼方法，用於一基地台中，基地台包含一計算電路、一類比預編碼器、多個天線及多個射頻鏈，類比預編碼器耦接於多個天線與射頻鏈之間，基地台發送朝向多個用戶之多個資料流。預編碼方法包含有根據多個所欲通道相關矩陣及多個干擾通道相關性矩陣，計算一鬆弛波束形成矩陣，其中，鬆弛波束形成矩陣包含對應於用戶之多個鬆弛波束形成子矩陣，根據對應於一用戶之一所欲通道相關矩陣及一干擾通道相關矩陣，產生一鬆弛波束形成子矩陣；根據鬆弛波束形成矩陣，計算一近似波束形成矩陣，其中，近似波束形成矩陣中項目大小固定；根據鬆弛波束形成矩陣中多個鬆弛波束形成向量及近似波束形成矩陣中多個近似波束形成向量，計算對應於資料流之多個劣化程度；根據劣化程度，選擇一選定資料流索引；將對應於選定資料流索引之一選定鬆弛波束形成向量分解為一第一向量及一第二向量，其中，第一向量及第二向量中項目大小固定；以及根據第一向量，更新近似波束形成矩陣，且根據第二向量增廣近似波束形成矩陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣；其中，類比預編碼器根據更新增廣波束形成矩陣，執行一第一預編碼操作。
本案之一實施例另提供一種基地台。基地台包含有多個天線；多個射頻鏈；一類比預編碼器，耦接於天線及射頻鏈之間，用來執行一第一預編碼操作；以及一計算電路，用來執行以下步驟：根據多個所欲通道相關矩陣及多個干擾通道相關性矩陣，計算一鬆弛波束形成矩陣，其中，鬆弛波束形成矩陣包含對應於用戶之多個鬆弛波束形成子矩陣，根據對應於一用戶之一所欲通道相關矩陣及一干擾通道相關矩陣，產生一鬆弛波束形成子矩陣；根據鬆弛波束形成矩陣，計算一近似波束形成矩陣，其中，近似波束形成矩陣中項目大小固定；根據鬆弛波束形成矩陣中多個鬆弛波束形成向量及近似波束形成矩陣中多個近似波束形成向量，計算對應於資料流之多個劣化程度；根據劣化程度，選擇一選定資料流索引；將對應於選定資料流索引之一選定鬆弛波束形成向量分解為一第一向量及一第二向量，其中，第一向量及第二向量中項目大小固定；以及根據第一向量，更新近似波束形成矩陣，且根據第二向量增廣近似波束形成矩陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣；其中，類比預編碼器根據更新增廣波束形成矩陣，執行一第一預編碼操作。
本案之一實施例另提供一種計算電路，設置於一基地台，其中，基地台包含一類比預編碼器、多個天線及多個射頻鏈，類比預編碼器耦接於天線與射頻鏈之間，基地台發送朝向多個用戶之多個資料流，計算電路包含有一處理單元；以及一記憶體，用來儲存一程式碼，其中計算電路更用來執行以下步驟：根據多個所欲通道相關矩陣及多個干擾通道相關性矩陣，計算一鬆弛波束形成矩陣，其中，鬆弛波束形成矩陣包含對應於用戶之多個鬆弛波束形成子矩陣，根據對應於一用戶之一所欲通道相關矩陣及一干擾通道相關矩陣，產生一鬆弛波束形成子矩陣；根據鬆弛波束形成矩陣，計算一近似波束形成矩陣，其中，近似波束形成矩陣中項目大小固定；根據鬆弛波束形成矩陣中多個鬆弛波束形成向量及近似波束形成矩陣中多個近似波束形成向量，計算對應於資料流之多個劣化程度；根據劣化程度，選擇一選定資料流索引；將對應於選定資料流索引之一選定鬆弛波束形成向量分解為一第一向量及一第二向量，其中，第一向量及第二向量中項目大小固定；以及根據第一向量，更新近似波束形成矩陣，且根據第二向量增廣近似波束形成矩陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣；其中，類比預編碼器根據更新增廣波束形成矩陣，執行一第一預編碼操作。
本案中術語“波束形成”及“預編碼”可交換使用。線性操作（如預編碼操作）表示為其相對應（預編碼）矩陣。用戶 k表示第 k個用戶。資料流 d指示第 d資料流。
第1圖係根據本案實施例所繪示之一基地台10的示意圖。基地台10可應用在毫米波（millimeter wave, mm Wave）通信系統中，用來向複數個用戶發送複數個資料流。術語“用戶”在本申請案中指“用戶裝置（user equipment）”，為可接收從基地台10發送資料的電子裝置，如行動電話、平板計算機、可佩戴裝置。基地台10包含一計算電路12、一類比預編碼器14、一數位預編碼器16、複數個射頻鏈（radio frequency chain）11及複數個天線13。數位預編碼器16接收複數個資料流且用來於複數個資料流之一（基帶）資料 s執行一數位預編碼操作。射頻鏈路11將預編碼後的基帶資料向上轉換至一射頻頻率。類比預編碼器14耦接於射頻鏈11及天線之間13，用來對射頻鏈之輸出執行一類比預編碼操作。天線13向用戶發送類比預編碼器14的輸出。計算電路12用來計算用於類比預編碼器14之一類比波束形成矩陣 V RF，以執行類比預編碼操作，並且計算用於數位預編碼器16之數位波束形成矩陣 V BB，以執行數位預編碼操作。
第2圖係根據本案實施例所繪示之計算電路12之示意圖。計算電路12可包含一處理單元120及一記憶體122。記憶體122用來儲存一程式碼124，以指示處理單元120計算 V RF及 V BB。記憶體122可為一非揮發性記憶體（non-volatile memory, NVM）如電子抹除式可複寫唯讀記憶體（electrically-erasable programmable read-only memory，EEPROM）或一快閃記憶體，但不限於此。處理單元120可能為一處理器，如一數位信號處理器（digital signal processor, DSP）或一中央處理單元（central processing unit, CPU），但不限於此。
在一實施例中，數位預編碼器16可以由一特定應用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）或一數位信號處理器實現。
在一實施例中，類比預編碼器14可由複數個移相器（phase shifter）來實現。因此，波束形成矩陣 V RF內的項目大小都固定。在一實施例中，波束形成矩陣 V RF內的每個項目大小等於1，即對於所有 p, q，| V RF( p, q)| = 1，其中 V RF( p, q)表示波束形成矩陣 V RF­中第( p, q)項目。
假設類比預編碼器14以移相器來實現，計算電路12計算 V RF及 V BB以最大化一可實現加總速率。數學上來說，計算電路12所欲解決問題可以下列方程式(1a)-(1c)表示。在此應用中，解決最佳化問題不只可做為「尋找全局最佳解」，也可做為「透過次最佳解接近最佳化」。
Figure 02_image001
在方程式(1a)-(1c)中， R k 表示一用戶 k的可實現速率（其中 k是用戶索引），而 x表示透過天線13發送之一發送信號。方程式(1b)表示一傳輸功率限制，方程式(1c)中表示一固定大小限制。
具體而言，發射信號 x可以表示為
Figure 02_image003
，其中
Figure 02_image005
且
Figure 02_image007
。信號向量 s是一( n S×1)向量，並且包含對應於一特定時間之複數個資料流之發送資料，其中 n S表示打算供複數個用戶之複數個資料流的數量， K表示一用戶數量。信號向量 s k 表示給用戶 k的一資料向量。 V BB是一( n RF× n S)矩陣，其中 n RF代表射頻鏈數量。 V BB, k 表示對應於用戶 k之一波束形成子矩陣。在一實施例中， D k 資料流是提供給用戶 k且Σ k D k = n S。在一實施例中，可以將 n S 資料流平均提供給 K個用戶，且各用戶由 D個資料流服務，即， n S = KD。在一實施例中， n S ≤ n RF > n T ，其中 n T表示發射天線（即天線13）的數量，基地台10可以配備有比資料流多的射頻鏈，且所配備之天線多於射頻鏈。
用戶 k之一接收信號 y k 可以表示為方程式(2)。 H k 表示從基地台10到用戶 k的通道矩陣， n k 表示用戶 k接收的雜訊，其中 n k 可以遵守具有變異數
Figure 02_image009
的複雜高斯分佈，如
Figure 02_image011
。方程式(1a)中可實現速率 R k 可以被表示為方程式(3)，方程式(3)中 C k 可以被表示為方程式(4)。
Figure 02_image013
(2)
Figure 02_image015
(3)
Figure 02_image017
(4)
解決問題(1)的策略包含a)假設 V BB為初始常數 V BB (0)，將 V BB (0)代入方程式(1a)-(1c)，並透過將 V RF視為變數解決問題(1)，以獲得 V RF的解，表示為 V RF (S)；b)將 V RF (S)作為常數代入方程式(1a)-(1c)，並透過將 V BB視為變數解決問題(1)，以獲得 V BB的解，表示為 V BB (S)。
值得注意的是，在關於解決本申請案問題的段落中，符號 V RF及 V BB表示矩陣的變數；在第1圖及相關的段落中，符號 V RF/ V BB定義編碼器14/16所執行之預編碼操作。在實際預編碼操作中，解 V RF （ S ）及 V BB （ S ）用來執行預編碼操作，這意味著預編碼操作被執行時 V RF= V RF (S)及 V BB= V BB (S)。
為解決問題(1)，假設 V BB (0)= [ γ I 0] T ，其中 V BB (0)中 I是大小 n S 的單位矩陣，0是大小( n RF- n S) × n S的零矩陣，其可以被視為 n S 資料流分流至第一 n S射頻鏈，其餘( n RF- n S)射頻鏈無輸入。
此外，透過將 V RF視為變數，由於固定大小限制(1c)是非凸的（non-convex），問題(1)仍然是一非凸優化問題。一種處理這樣非凸性的方法是鬆弛非凸固定大小限制並解決鬆弛後問題(1)，因此可獲得一鬆弛解（波束形成矩陣）
Figure 02_image019
。然後，計算電路12可以透過滿足固定幅度限制的一近似解（波束形成矩陣）
Figure 02_image021
來近似鬆弛解
Figure 02_image019
。
第3圖係根據本案實施例所繪示之一流程30的示意圖。流程30可被編譯為程式碼124並由處理單元120執行以產生 V RF及 V BB。
步驟302：根據複數個所欲通道相關矩陣及複數個干擾通道相關矩陣，計算一鬆弛波束形成矩陣。
步驟304：根據鬆弛波束形成矩陣，計算一近似波束形成矩陣。
步驟306：計算對應於複數個資料流之複數個劣化程度。
步驟308：根據複數個劣化程度選擇選定資料流索引。
步驟310：將對應於選定資料流索引之選定鬆弛波束形成向量分解為第一向量及第二向量。
步驟312：根據該第一向量，更新近似波束形成矩陣，且根據第二向量增廣近似波束形成陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣。
步驟314：根據更新增廣波束形成矩陣，計算一數位預編碼矩陣。
在步驟302中，計算電路12根據複數個所欲通道相關矩陣 G 1,…, G K 及複數個干擾通道相關矩陣 Q 1,…, Q K ，計算鬆弛波束形成矩陣
Figure 02_image019
。
需要注意的是，另一解決鬆弛問題(1)的議題是，所有用戶的最大總合速率之預編碼設計要考量彼此相關的所有用戶，因此需要考慮計算複雜性的問題。幸運地，可利用熟知的上行鏈路下行鏈路對偶性對不同用戶之預編碼設計去耦合。亦即，可以將鬆弛問題(1)轉換為 K個獨立問題。個別問題對應於一用戶以最大化一虛擬/等效上行鏈路信號與干擾加雜訊比（signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR）。
上行鏈路下行鏈路對偶性為本領域中所熟知。第4圖係根據本案實施例所繪示之一下行鏈路系統之一系統模型之示意圖。第5圖係根據本案實施例所繪示之等效於第4圖所示之下行鏈路系統之一虛擬上行鏈路系統之示意圖。
在上行鏈路方向上，相應於用戶 k之一虛擬上行鏈路接收信號可以表示為方程式(5)。在方程式(5)中， γ指分配給各資料流的功率，且 γ可假定為 γ= P max/ n RF以求簡單。
Figure 02_image023
可視為對應於用戶 k的波束形成子矩陣，其中
Figure 02_image025
。根據方程式(5)，一虛擬上行鏈路信號與干擾加雜訊比可表示為等式(6)，其中，假定
Figure 02_image027
。在方程式(6)中，
Figure 02_image029
正比於所欲通道 H k 的一相關矩陣（以用戶 k而言），命名為所欲通道相關矩陣（對應於用戶 k）。 Q ķ （對應於用戶 k）命名為干擾通道相關矩陣，可表示為方程式(7)。數學上來說，對於用戶 k，最大化已鬆弛信號與干擾加雜訊比的問題可以表示為方程式(8)。
Figure 02_image031
(5)
Figure 02_image033
(6)
Figure 02_image035
(7)
Figure 02_image037
(8)
在步驟302中，計算電路12可解決所有用戶的已鬆弛/無限制的問題(8)，並因此獲得鬆弛解（波束形成子矩陣）
Figure 02_image039
,…,
Figure 02_image041
。因此，計算電路12將獲得鬆弛波束形成矩陣
Figure 02_image043
。
在一實施例中，問題(8)可以重列為二次限制二次分式（quadratically constrained quadratic program, QCQP），其可以被表示為方程式(9a)-(9b)，其中
Figure 02_image045
表示用戶 k的第 d ķ 個資料流在波束形成子矩陣內所對應的波束形成向量，如方程式(10)所示。
Figure 02_image047
Figure 02_image049
(10)
解決問題(9)等同於將一拉格朗日方程式（Lagrangian function）之一一階導數等於0，如方程式(11)所示。問題(9)將變成如方程式(12)所示之一廣義特徵值問題。換言之，如果
Figure 02_image051
滿足方程式(12)，
Figure 02_image053
為問題(9)的最佳解。此外，如果
Figure 02_image054
滿足方程式(12)，
Figure 02_image055
是對應特徵值 λ d 之一矩陣對( C k , Q k )之一廣義特徵向量，其中矩陣對( C k , Q k )包含 C k 及 Q k 。值得注意的是，作為拉格朗日乘數及特徵值之 λ d ，可視為一目標虛擬上行鏈路信號與干擾加雜訊比，其對應於用戶的 k之第 d個資料流，且可以理解為將方程式(12) 兩邊乘以
Figure 02_image056
，並將兩邊所乘結果除以
Figure 02_image058
。
Figure 02_image060
(11)
Figure 02_image062
(12)
在一實施例中，如方程式(13)所示，步驟302包含找到矩陣 C k 及 Q k 的廣義特徵向量，其中，
Figure 02_image064
將得到對應於矩陣 A及 B之第 d個大的廣義特徵值。
Figure 02_image066
(13)
此外，在步驟302中，計算電路12對所有 d k = 1,…, D k 計算方程式(13)，以獲得方程式(10)之
Figure 02_image068
，並對於所有 k計算方程式(13)，以獲得
Figure 02_image070
作為
Figure 02_image043
。因此，計算電路12可獲得鬆弛波束形成矩陣
Figure 02_image070
。
需要注意的是，波束形成矩陣
Figure 02_image070
是包含最大化目標函數
Figure 02_image071
之波束形成子矩陣
Figure 02_image068
的一個解。然而，因為
Figure 02_image070
通常不滿足固定大小限制，因此解法
Figure 02_image070
在由移相器實現之類比預編碼器14中通常是無法實行。
對此，計算電路12可進一步透過一近似波束形成矩陣
Figure 02_image021
逼近
Figure 02_image070
，以滿足固定大小限制。計算電路12可找到最接近
Figure 02_image070
之
Figure 02_image021
，並滿足如方程式(1c)中固定大小限制。
在一實施例中，計算電路12可改為解決問題(14)，且問題(14)等效於問題(15)。另外，問題(15)之一全局最佳解可表示為方程式(16a)，其中arg( X)是一逐元素引數/相位（argument/phase）運算子。
Figure 02_image073
Figure 02_image075
Figure 02_image077
(16a)
在另一實施例中，對於類比預編碼器14中有限解析度移相器，計算電路12可計算方程式(16b)，以獲得一量化值 b，並使用量化值 b及方程式(16c)，以獲得
Figure 02_image021
，其中B代表與有限解析度移相器對應的位元數，且 BS= {2 u|u=0,…,B}。
Figure 02_image079
(16b)
Figure 02_image081
(16c)
須注意，執行方程式(16a)可以看作是對鬆弛波束形成矩陣
Figure 02_image070
的一種逐元素近似運算，而執行方程式(16b)可以看作是另一種。執行方程式(16a)及/或方程式(16b)可確保
Figure 02_image083
，其中 ε代表一特定閾值。
簡言之，在步驟304中，計算電路12由方程式(16)計算近似波束形成矩陣
Figure 02_image085
。須注意，在執行步驟304之近似後，
Figure 02_image021
不再是最佳解。換句話說，
Figure 02_image086
。
Figure 02_image088
與
Figure 02_image090
之間的差值（
Figure 02_image092
）可視為步驟304之近似所造成之一種信號與干擾加雜訊比劣化程度。
值得注意的是，在步驟302及304中，
Figure 02_image070
及
Figure 02_image021
被假設大小為( n T× n S)的矩陣，其中 n RF> n S，這意味著前 n S個射頻鏈輸出（將）被（透過
Figure 02_image021
）預編碼。此外，其餘( n RF- n S)個射頻鏈的輸出可被進一步預編碼，以補償步驟304之近似所造成之信號與干擾加雜訊比損失/劣化。
對此，計算電路12可選擇因步驟302近似而具有最糟信號與干擾加雜訊比劣化程度的資料流，並將其餘( n RF- n S)個射頻鏈的輸出結合於類比預編碼器14的預編碼操作，以補償這些資料流之信號與干擾加雜訊比劣化。
在步驟306中，計算電路12可計算對應於資料流 d的劣化程度Δ d ，其中 d是資料流索引。劣化程度Δ d 可如方程式(17)進行計算。在方程式(17)中，資料流 d表示用戶 k的第 d ķ 個資料流，而當
Figure 02_image094
時 d可以表示為
Figure 02_image096
或
Figure 02_image098
。計算電路12可對所有 d= 1,…, n S計算公式方程式(17)，而對所有 d= 1,…, n S獲得劣化程度Δ 1,…, Δ nS。
Figure 02_image100
, 其中
Figure 02_image102
(17)
值得注意的是，
Figure 02_image104
及
Figure 02_image106
表示根據對應於資料流 d之目標函數
Figure 02_image071
及相關鬆弛波束形成向量
Figure 02_image108
的一最佳目標值，而
Figure 02_image110
表示根據對應於資料流 d之近似波束形成向量
Figure 02_image112
所計算出的SINR數值。
在步驟308中，對 d= 1,…, n S的劣化程度Δ d ，計算電路12可以選擇對應於( n RF -n S )個最大的劣化程度之( n RF -n S )個資料流索引。假設對一集合{Δ d | d= 1,…, n S}中項目進行排序使其依序，使得一系列劣化程度的Δ >1>…≥Δ > ns> 符合Δ >1>≥ Δ >2>≥…≥Δ > ns> 。這樣的情況下，計算電路12在步驟308中可選擇資料流索引>1>,…,>( n RF -n S )>，並形成一索引集合S = {>1>,…,>( n RF -n S )>}。
已知一大小非1之複數
Figure 02_image114
（其中
Figure 02_image116
）可分解成2個大小為1之複數
Figure 02_image118
及
Figure 02_image120
。也就是說，
Figure 02_image114
（其中
Figure 02_image116
）可以表示/分解為
Figure 02_image122
。因此，在步驟310中，計算電路12對 d
Figure 02_image124
S（即對應一選定資料流索引）分解一選定鬆弛波束形成向量
Figure 02_image126
為一第一向量 a d 及一第二向量 b d ，使得
Figure 02_image128
，其中 a d 及 b d 包含大小為1之項目。假設
Figure 02_image130
（其中
Figure 02_image132
可正規化以滿足
Figure 02_image116
）， a d 及 b d 可以表示為
Figure 02_image134
及
Figure 02_image136
（其中 nT在上述 a d 及 b d 的中方程式表示 n T）， a d 及 b d 內的項目可由
Figure 02_image138
及
Figure 02_image140
獲得。此外，可以針對所有 d
Figure 02_image124
S（或等效地，
Figure 02_image142
, > t>
Figure 02_image124
S，其中 t表示為有序降解集合S的索引）執行
Figure 02_image128
的分解。
在步驟312中，計算電路12根據第一向量 a d 更新近似波束形成矩陣並根據第二向量 b d 增廣近似波束形成矩陣。舉例來說，假定近似波束形成矩陣
Figure 02_image021
對部分 d
Figure 02_image124
S可被表示為
Figure 02_image144
（其中 nS在上述
Figure 02_image021
方程中表示 n S），計算電路12可以第一向量 a d 代換近似波束形成向量
Figure 02_image146
，並以第二向量 b d 增廣
Figure 02_image021
。以d = >1>（集合S中第一元素）為例，計算電路12可以獲得一暫時波束形成矩陣
Figure 02_image148
。
可對所有 d
Figure 02_image124
S執行更新及增廣。最後，計算電路12可以獲得一更新增廣波束形成矩陣
Figure 02_image150
，其中
Figure 02_image152
的第 d欄，標示為
Figure 02_image153
，可如方程式(18)表示。在方程式(18)中
Figure 02_image155
(18)
更新增廣波束形成矩陣
Figure 02_image150
可為計算電路12所獲得的一解 V RF (S)。在步驟314中，計算電路12可將 V RF = V RF (S) = V RF,UnA 代入方程式(1a)-(1c)中作為常數並將 V BB視為變數解決問題(1)，以獲得數位預編碼矩陣的 V BB (S)，使得數位預編碼器16可根據數位預編碼矩陣 V BB (S)執行預編碼操作。
具體地，在步驟314中，計算電路12可以針對所有 k計算從基地台10到用戶 k的有效通道，並解決方程式(19)所表示的問題。解決問題(19)涉及迫零（zero-forcing）波束形成/預編碼及注水（water-filling）功率分配技術，其為本領域中所熟知，為簡潔起見在此不作敘述。
Figure 02_image157
流程30之執行可在加總速率方面實現更好的性能（其性能優於在大規模多用戶多輸入多輸出解法中一既有低複雜度混合預編碼，如Liang et al. in IEEE Wireless Communication Letter, pp.653-656, 2014 and an existing iterative hybrid precoding solution, published by Sohrabi et al. in IEEE Journal Selected Topics in Signal Processing, vol. 10(3), pp. 501-516, 2016所出版，表示為迭代解），且相比於迭代解具較低計算複雜性。
總而言之，本案鬆弛固定大小限制並利用上行鏈路下行鏈路對偶性，以解決不受限制最大加總速率的預編碼問題，來獲得鬆弛波束形成矩陣，再近似鬆弛波束形成矩陣，以獲得近似波束形成矩陣，選擇目標信號與干擾加雜訊比性能劣化最嚴重之資料流，並利用其它射頻鏈以補償劣化程度。 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。
10: 基地台 12: 計算電路 14: 類比預編碼器 16: 數位預編碼器 11: 射頻鏈 13: 天線 120: 處理單元 122: 記憶體 124: 程式碼 30: 流程 302~314: 步驟
第1圖係根據本案實施例所繪示之一基地台的示意圖。 第2圖係根據本案實施例所繪示之一計算電路的示意圖。 第3圖係根據本案實施例所繪示之一流程的示意圖。 第4圖係根據本案實施例所繪示之一下行鏈路系統之一系統模型的示意圖。 第5圖係繪示等效於第4圖中下行鏈路系統之一虛擬上行鏈路系統的示意圖。
30: 流程 302~314: 步驟

Claims (10)

  1. 一種預編碼方法，用於一基地台中，該基地台包含一計算電路、一類比預編碼器、複數個天線及複數個射頻鏈（radio frequency chain），該類比預編碼器耦接於該複數個天線與該複數個射頻鏈之間，該基地台發送朝向複數個用戶之複數個資料流，該預編碼方法包含有： 根據複數個所欲通道相關矩陣及複數個干擾通道相關性矩陣，計算一鬆弛波束（relaxed beamforming）形成矩陣，其中，該鬆弛波束形成矩陣包含對應於該複數個用戶之複數個鬆弛波束形成子矩陣，根據對應於一用戶之一所欲通道相關矩陣及一干擾通道相關矩陣，產生一鬆弛波束形成子矩陣； 根據該鬆弛波束形成矩陣，計算一近似波束形成矩陣，其中，該近似波束形成矩陣中項目大小固定； 根據該鬆弛波束形成矩陣中複數個鬆弛波束形成向量及該近似波束形成矩陣中複數個近似波束形成向量，計算對應於該複數個資料流之複數個劣化程度； 根據該複數個劣化程度，選擇一選定資料流索引； 將對應於該選定資料流索引之一選定鬆弛波束形成向量分解為一第一向量及一第二向量，其中，該第一向量及該第二向量中項目大小固定；以及 根據該第一向量，更新該近似波束形成矩陣，且根據該第二向量增廣該近似波束形成矩陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣； 其中，該類比預編碼器根據該更新增廣波束形成矩陣，執行一第一預編碼操作。
  2. 如請求項1所述之預編碼方法，其中根據該複數個所欲通道相關矩陣及該複數個干擾通道相關性矩陣，計算該鬆弛波束形成矩陣之包含： 將對應於一第一用戶之一第一所欲通道相關矩陣及一第一干擾通道相關矩陣，執行廣義特徵值分解（generalized eigenvalue decomposition），以獲得至少一廣義特徵向量；以及 形成該至少一廣義特徵向量作為對應於該第一用戶之一第一鬆弛波束形成子矩陣。
  3. 如請求項1所述之預編碼方法，其中根據該鬆弛波束形成矩陣，計算該近似波束形成矩陣之步驟包含： 對該鬆弛波束形成矩陣進行一逐元素近似運算，以獲得該近似波束形成矩陣；以及 其中，該近似波束形成矩陣之一項目之一相位與該鬆弛波束形成矩陣之一項目之一相位之一差值小於一閾值。
  4. 如請求項1所述之預編碼方法，其中計算該複數個劣化程度之步驟包含： 根據一目標及該鬆弛波束形成矩陣內對應於一第一資料流之一第一鬆弛波束形成向量，獲得一最佳目標值； 根據該目標及對應於該第一資料流之一第一近似波束形成向量，獲得一近似目標值；以及 計算與該第一資料流相對應之一第一劣化程度，該第一劣化程度為該最佳目標值減去該近似目標值。
  5. 如請求項1所述之預編碼方法，其中該選定資料流索引對應於一第一劣化程度，該第一劣化程度為該複數個劣化程度中一最大劣化程度。
  6. 如請求項1所述之預編碼方法，其中根據該第一向量更新該近似波束形成矩陣之步驟包含： 將對應於該選定資料流索引之一近似波束形成向量與該第一向量交換。
  7. 如請求項1所述之預編碼方法，其另包含： 根據該複數個劣化程度，選擇複數個選定資料流索引，其中該複數個選定資料流索引對應於複數個第一劣化程度，該複數個第一劣化程度大於該複數個劣化程度中其它劣化程度； 分解複數個選定鬆弛波束形成向量為複數個第一向量及複數個第二向量，該複數個選定鬆弛波束形成向量位於該鬆弛波束形成矩陣且對應於該複數個選定資料流索引，其中，該複數個第一向量及該複數個第二向量中項目大小固定；以及 根據該複數個第一向量更新該近似波束形成矩陣，並根據該複數個第二向量增廣該近似波束形成矩陣，以獲得該更新增廣波束形成矩陣。
  8. 如請求項1所述之預編碼方法，其中該基地台包含一數位預編碼器，該預編碼方法另包含： 根據該更新增廣波束形成矩陣，計算一數位預編碼矩陣；以及 該數位預編碼器根據該數位預編碼矩陣，執行一第二預編碼操作。
  9. 一種基地台，包含有： 複數個天線； 複數個射頻鏈； 一類比預編碼器，耦接於該複數個天線及該複數個射頻鏈之間，用來執行一第一預編碼操作；以及 一計算電路，用來執行以下步驟： 根據複數個所欲通道相關矩陣及複數個干擾通道相關性矩陣，計算一鬆弛波束（relaxed beamforming）形成矩陣，其中，該鬆弛波束形成矩陣包含對應於該複數個用戶之複數個鬆弛波束形成子矩陣，根據對應於一用戶之一所欲通道相關矩陣及一干擾通道相關矩陣，產生一鬆弛波束形成子矩陣； 根據該鬆弛波束形成矩陣，計算一近似波束形成矩陣，其中，該近似波束形成矩陣中項目大小固定； 根據該鬆弛波束形成矩陣中複數個鬆弛波束形成向量及該近似波束形成矩陣中複數個近似波束形成向量，計算對應於該複數個資料流之複數個劣化程度； 根據該複數個劣化程度，選擇一選定資料流索引； 將對應於該選定資料流索引之一選定鬆弛波束形成向量分解為一第一向量及一第二向量，其中，該第一向量及該第二向量中項目大小固定；以及 根據該第一向量，更新該近似波束形成矩陣，且根據該第二向量增廣該近似波束形成矩陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣； 其中，該類比預編碼器根據該更新增廣波束形成矩陣，執行一第一預編碼操作。
  10. 一種計算電路，設置於一基地台，其中，該基地台包含一類比預編碼器、複數個天線及複數個射頻鏈，該類比預編碼器耦接於該複數個天線與該複數個射頻鏈之間，該基地台發送朝向複數個用戶之複數個資料流，該計算電路包含有： 一處理單元；以及 一記憶體，用來儲存一程式碼，其中該計算電路更用來執行以下步驟： 根據複數個所欲通道相關矩陣及複數個干擾通道相關性矩陣，計算一鬆弛波束（relaxed beamforming）形成矩陣，其中，該鬆弛波束形成矩陣包含對應於該複數個用戶之複數個鬆弛波束形成子矩陣，根據對應於一用戶之一所欲通道相關矩陣及一干擾通道相關矩陣，產生一鬆弛波束形成子矩陣； 根據該鬆弛波束形成矩陣，計算一近似波束形成矩陣，其中，該近似波束形成矩陣中項目大小固定； 根據該鬆弛波束形成矩陣中複數個鬆弛波束形成向量及該近似波束形成矩陣中複數個近似波束形成向量，計算對應於該複數個資料流之複數個劣化程度； 根據該複數個劣化程度，選擇一選定資料流索引； 將對應於該選定資料流索引之一選定鬆弛波束形成向量分解為一第一向量及一第二向量，其中，該第一向量及該第二向量中項目大小固定；以及 根據該第一向量，更新該近似波束形成矩陣，且根據該第二向量增廣該近似波束形成矩陣，以獲得一更新增廣波束形成矩陣； 其中，該類比預編碼器根據該更新增廣波束形成矩陣，執行一第一預編碼操作。
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