TWI433483B - 具接收多樣化塊組傳輸之群組式連續干擾消除 - Google Patents
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Description
本發明大體上係有關於無線通信系統。明確地,本發明係有關於在一無線通信系統中之多重使用者信號聯合偵測。
第一圖係一無線通信系統10之圖式。通信系統10具有基地台121
至125
,其可與無線發射/接收單元(WTRU)141
至143
通信。每一基地台121
至125
皆具有一相關之操作範圍,該基地台可在其操作範圍內與WTRU141
至143
通信。
在譬如分碼多重存取(CDMA)及使用分碼多重存取之分時雙工(TDD/CDMA)等某些通信系統中,可在相同的頻譜上傳輸多重通信訊息。典型地可藉由複數個通信訊息之碼片碼(chip code)序列來區別該等通信訊息。為了更有效率地利用頻譜,TDD/CDMA通信系統係使用劃分成時間槽之重複訊框(repeating frame)來通信。在這種系統中傳送之一通信訊息,將具有根據通信頻寬為基礎而分派其的一個或多重相關之碼及時間槽。
由於可在相同頻譜中且在同一時刻傳送多重通信訊息,因此在這種系統中之一接收器必須可分辨出多重通信訊息。用於偵測這種信號之一方法係匹配過濾(matched filtering)。在匹配過濾中,可偵測到以一單一碼傳送的一通信訊息。其他的通信訊息則可視為干擾。為了偵測多重碼,可各自使用多個匹配過濾器。另一方法則為連續干擾消除(SIC)。在SIC中,可偵測到某一通信訊息,且可自業經接收到之信號中扣除該通信訊息之貢獻部份,以用於偵測次一通信訊息。
在某些情況下,希望能夠同時偵測多重通信訊息以改良效能。同時偵測多重通信訊息者係稱作聯合偵測。某些聯合偵測器係使用喬列斯基分解(Cholesky decomposition)來實施一最小均方誤差(MMSE)偵測或迫零塊組等化器(zero-forcing block equalizer(ZF-BLE))。其他的聯合偵測接收器係使用以傅利葉轉換(Fourier transform)為基礎之實現方式,以更進一步降低複雜性。
緣是,亟需以替代之方法來實施多重使用者偵測。
可在具有複數個天線元件之一天線陣列上接收複數個資料信號。在一無線通信系統中,可於一分享頻譜上傳輸該等資料信號。可在其中某一該等天線元件上接收到具有其中某一該等資料信號的一信號。該複數個資料信號可分組成複數個群組。將該等天線元件之接收信號匹配過濾成該複數個群組之一第一群組,以產生匹配過濾結果。可使用該匹配過濾結果來聯合地偵測該第一群組之資料。利用每一天線元件之偵測資料,即可構成一干擾修正信號。可自每一天線元件之接收信號扣除干擾消除結果,以對每一天線元件產生一干擾消除結果。利用每一天線元件之干擾消除結果,即可連續地偵測其餘群組之資料。
此後,一無線發射/接收單元(WTRU)包括但不限於一使用者終端設備、行動電話基地台、固定或行動用戶單元、或能夠在一無線環境中操作之任何其他型式裝置。當此後提及時,一基地台包括但不限於一基地台、節點B、網站控制器、存取點、或一無線環境中之其他介面裝置。
第2圖係顯示使用聯合偵測(JD)與群組式連續干擾消除(GSIC)之一適應性組合「GSIC-JD」的一簡化發射器26及接收器28,其中已使用接收多樣化。在一典型系統中,一發射器26係位於每一WTRU 141
至143
中,且用於傳送多重通信訊息之多重發射電路26係位於每一基地台121
至125
中。一基地台121
典型地將需要至少一發射電路26,以與WTRU 141
至143
有效地通信。GSIC-JD接收器28可設於基地台121
、WTRU 141
至143
、或兩者處,但更普遍之實施係亦設於一基地台處,其中多重元件之使用係更為普遍者。GSIC-JD接收器28可自多重發射器26或發射電路26接收到通信訊息。
儘管已結合實施於譬如TDD/CDMA或分時同步CDMA(TD-CDMA)等一有槽CDMA系統中之較佳應用來說明GSIC-JD,但亦可應用至譬如分頻雙工(FDD)/CDMA及CDMA 2000等由多重通信訊息分享相同頻帶之任何無線系統中。
每一發射器26皆在一無線之無線電頻道30上傳送資料。發射器26中之一資料產生器32係產生資料,以在一參考頻道上與一接收器28通信。參考資料係根據通信頻寬需求為基礎,而分派予一個或更多碼及/或時間槽。一調變及擴展(spreading)裝置34係將該參考資料擴展,且使該擴展參考資料在有槽系統中,與適當分派之時間槽及碼中的一連串序列作時間多工化(time-multiplexed)。在非有槽系統中,該參考信號可不作時間多工化,而譬如為一幾乎連續之全區導引碼(global pilot)。最終之序列係稱作一通信爆發。該通信爆發係藉由一調變器36而調變至無線電頻率。一天線38係經由無線之無線電頻道30,而將無線電頻率(RF)信號輻射至接收器28之一天線陣列40。用於傳輸通信訊息之調變型式可為熟於此項技藝之人士已知的任何者,譬如差分移相鍵控(DPSK)、正交移相鍵控(QPSK)、或正交振幅調變(QAM)。
在有槽系統中,一典型之通信爆發16具有一中間碼20、一防護週期(guard period)18、及兩個資料場22、24,如第3圖所示。中間碼20係使兩資料場22、24分離,且防護週期18係將複數個通信爆發分離,以容許自不同發射器傳輸來之爆發的抵達時間具有差異。兩資料場22、24包括有通信爆發之資料,且典型地具有相同之符碼長度。中間碼20包括有一連串序列。
接收器28之天線陣列可接收各種無線電頻率信號。天線陣列40具有P個天線元件411
至41P
。可藉由解調變器421
至42P
來解調變該等接收信號,以產生基頻信號。藉由一頻道估計器裝置44及一GSIC-JD裝置46而得在時間槽中處理該等基頻信號,且使適當之碼分派予相對應發射器26之通信爆發。頻道估計器裝置44係使用該等基頻信號中之連串序列成份,以提供譬如頻道脈衝反應等頻道資訊。GSIC-JD裝置46將利用該頻道資訊來估計該等接收通信爆發之傳輸資料係硬式或軟式符碼。
第4圖係一GSIC-JD裝置46之簡化圖。以下將以粗體來表示序列、向量、及矩陣,且(‧)H
係指示複數共軛轉置(transpose)運算,而(‧)T
係指示實轉置。K個信號爆發係在寬度為B之同一頻帶中同時有效。該K個爆發係藉其不同之碼而分離。在一UMTS TDD CDMA系統中,該等碼包括一胞元特定擾碼(scrambling code)、及單一或多重個頻道化碼。長度為N之有限傳輸資料符碼序列d ( k )
係如第一方程式。
每一資料符碼皆具有一持續時間T b
,且每一資料符碼皆取自一複數M元集合V,其具有M個可能值,如第二方程式。
V
={v 1 v 2
…v M
} 第二方程式
每一資料符碼序列d ( k )
皆由碼c ( k )
擴展。c ( k )
係依照第三方程式。
每一碼c ( k )
在持續時間T c
中包括Q
個,其中T b
=T c /Q
。每一爆發之每一資料場皆由長度為N×Q
之一碼片序列填滿。Q
係擴展因素。儘管以下之討論係對所有K個爆發皆使用一均勻的擴展因素,但亦可輕易地延伸成,以可變擴展因素用於複數個爆發。當以其各別之碼來調變資料後,該等爆發典型地將通過一發射器(TX)過濾器來實施脈波整型。該接收天線陣列具有P個天線元件。
K個信號爆發係通過K×P個線性獨立之無線電頻道,且該等頻道具有時變複數脈衝反應,其中k
=1,2,...,K
,且p
=1,2
,...,P
。代表一發射器k與一天線元件p之連接。K個爆發之頻道輸出序列係於每一天線元件處疊加成P個接收序列。每一該等疊加序列皆經由接收器(RX)過濾器來過濾,以達成頻帶限制及雜訊抑制,且以碼片速率1/T c
來取樣。可由依照第四方程式之一向量來表示每一發射器及每一天線元件的離散頻道脈衝反應h ( k , p )
。
W
係脈衝反應之長度。可在碼片速率1/T c
下取得W
個取樣中之每一個,其中W
>T b
。然而,可輕易地將這種方法擴充成多重碼片速率取樣。由於W
可大於T b
,因此可能出現符碼間干擾(ISI)。典型地,可使用譬如一中間碼序列等一參考序列來估計頻道脈衝反應h ( k , p )
。每一爆發及每一天線之符碼反應b ( k , p )
可由第五方程式表示。
符碼反應b ( k , p )
之長度為Q
+W
-1
個碼片,且代表該等碼片尾部向左側移動一單元符碼。
在處理每一資料場之前,可使用一中間碼消除演算法來消除中間碼對資料場之影響。在每一天線元件上,接收序列r ( p )
之長度為(NQ
+W-1
),其中p
=1,2,...,P
。每一r ( p )
係K個爆發與第六方程式所示之一雜訊序列的有效和。
第七方程式係零平均及共變異矩陣。
每一天線元件上所接收到之每一爆發的轉移系統矩陣為A ( k , p )
,且其大小為(NQ
+W
-1)×N
。轉移系統矩陣A ( k , p )
係具有頻道反應h ( k , p )
之傳輸爆發的一捲積(convolution)。該轉移系統矩陣之每一元素皆依照第八方程式。
天線p的(NQ+W-1)×KN
轉移系統矩陣A ( p )
係依照第九方程式。
爆發k的P
(NQ
+W
-1
)×N
轉移系統矩陣A ( k )
係依照第十方程式。
天線p處之接收序列r ( p )
係依照第十一方程式。
總資料符碼向量係依照第十二方程式。
d
之各組成分量係依照第十三方程式。
P(NQ+W-1)×KN總轉移系統矩陣A
係依照第十四方程式。
總雜訊向量n
係依照第十五方程式
n
之各組成分量係依照第十六方程式。
總雜訊向量n
之共變異矩陣係依照第十七方程式
第十八方程式係表示總接收序列。
r
之各組成分量係依照第十九方程式。
總接收序列r
係依照第二十方程式。
r ( k )
=A (k) d (k)
係代表使用者k之信號在該接收系列中之貢獻。總接收向量r
較佳地係由使用塊組線性等化器之一GSIC處理,以決定連續定值(valued)估計,如第二十一方程式。
兩種使用GSIC之方法係利用具接收多樣化的塊組線性等化器,但亦可使用其他者。其中一種方法係利用一迫零(ZF)準則,而另一種則係利用一最小均方誤差(MMSE)準則。
以下係假設,附加雜訊為具有立體空間性及暫存性的隨機白雜訊,而總雜訊向量之共變異矩陣係R n
=σ2 I
。σ2
係附加雜訊之變異數,且I係大小為KN×KN的單位矩陣(identity matrix)。利用接收多樣化,可藉由將二次代價函數(quadratic cost function)最小化而推導出ZF-BLE,如第二十二方程式。
係d
的連續定值估計,而「-1」係指反矩陣。之最小值將導致連續的定值且無偏移(unbiased)估計,如第二十三方程式。
MMSE-BLE可將二次代價函數最小化,如第二十四方程式。
係之連續定值估計。藉由資料符碼之共變異矩陣R d
=E
{dd H
}=I
及總背景雜訊向量之共變異矩陣R n
=σ2 I
,之最小值將導致連續定值估計,如第二十五方程式。
I
係表示KN×KN的單位矩陣。由於A H A
係一帶狀塊組托普利茨矩陣(banded block Toeplitz matrix),因此用於解資料向量之一方法係利用一近似喬列斯基公式。喬列斯基公式可較精確解降低複雜度,且其在效能上之減損係可忽略。
較佳地,為了同時降低複雜度,且去除ISI及多重存取干擾(MAI),可結合BLE與GSIC(GSIC-BLE)。在GSIC-BLE中,較佳地可依據接收功率,而將K個爆發劃分成較少群組。典型地,具有約略相同接收功率之爆發將共同歸為一組。功率約略相同之爆發係具有在P個相等功率天線元件上接收到之一組合功率者。
在每一干擾消除階段中,GSIC-BLE係考慮僅具有K個爆發中之一子集合(群組)的ISI及MAI,且聯合地偵測該群組之資料符碼。可利用偵測到之該群組符碼來產生MAI,而其為該群組將在後續階段中傳至其他群組者。可使用干擾消除來去除該MAI。倘若選擇該群組之大小為K,則GSIC-BLE將成為一單一使用者BLE。可在一步驟中決定所有資料。
結果,分組之臨界點可使複雜度與效能之間取得妥協。在極端情況下,可使K個爆發中的每一個,皆受分派得其本身之階段。這種方法可提供最低的複雜度。相反地,可將所有K個爆發皆分派至一單一階段,而具有最高的複雜度。
第4圖係具接收多樣化之GSIC-BLE的流程圖。在具接收多樣化之GSIC-BLE中,所有爆發較佳地係藉由其接收功率或振幅之強度來排序,而爆發1即為最強者,如步驟50。這種排序可根據接收器處之先前經驗、或藉由通常用於SIC或MUD接收器環境之其他估計方案而達成,這種方案可譬如為來自一特定爆發連串序列、匹配過濾器組等之特定爆發頻道估計。在使用已知頻道之某一實施中,可依照第二十五方程式來決定遞減順序。
在步驟52中,GSIC-BLE可藉由表列順序,而將具有約略相同功率、即相互之間皆在某一特定臨界值內的複數個爆發劃分成G個群組。該等群組係根據其接收功率而以遞減順序排列。該順序可表示為i
=1...G。n i
係第i
群組中之爆發數量,譬如。接收器包括G個階段。一聯合偵測係由群組i
=1開始。
對於每一群組,一ZF-BLE之某一群組式BLE矩陣係依照第二十六方程式。
MMSE-BLE之第二群組式BLE矩陣係依照第二十七方程式。
第i群組之溫納估計器(Wiener estimator),i
=1,2,...,G
將依照第二十八方程式。
I N
係大小為N×N之單位矩陣,其中N係每一爆發之每一資料場中的符碼個數。
在第一階段中,可決定出第一群組之轉移系統矩陣。係類似於總轉移系統矩陣A
,除了其僅包括有相對應於第一群組中之爆發的符碼反應以外。在第一階段中,可由總接收序列來給定群組1之輸入序列,如第二十九方程式。
為了去除第一群組中之ISI、MAI、及爆發之遠近效應(near-far effect),可實施具有之一多重使用者BLE(ZF-BLE或MMSE-BLE)。在步驟54中,可依照第三十方程式取得群組1之軟式決策符碼。
其中,i
=1,2,..,G
,其可為或 第三十方程式
係,的一連續定值估計器,其代表承載著符碼之資訊序列,且該等符碼係由第一群組中之全部爆發所傳達者。在步驟56中,可根據為基礎來實施硬式決策,以形成。在步驟58中係利用硬式決策變數而依照第三十一方程式來估計第一群組之對r
之貢獻。
p
=1,2,...,P
,係第一群組對天線p
處之接收序列的貢獻。在第二階段中,可藉由自總接收序列消去該MAI,而獲致干擾修正之輸入序列,如第三十二方程式。
一ZF-BLE之係依照第三十三方程式。
一MMSE-BLE之係依照第三十四方程式。
I g
係大小為(NQ
+W-1)×(NQ
+W-1)
的一單位矩陣。係用於天線p
,且自天線p
第一階段輸入序列(天線p處之接收序列)之干擾修正向量中扣除的一新干擾修正輸入序列。
在譬如一第n個階段等後續階段中,可藉由自先前階段之干擾修正輸入序列中扣除先前群組之MAI,而得決定出一新的干擾修正輸入序列,如第三十五方程式。
乘積矩陣係依照第三十六方程式。
相似於第一階段,包括,p
=1,2,...,P
。可實施單一使用者或多重使用者BLE,以擺脫MAI、ISI、及第i
群組本身之遠近問題。在步驟60中,可由第三十七方程式來表示軟式決策符碼。
在步驟62中,可使用軟式決策符碼,藉由執行硬式決策來產生硬式決策符碼。步驟64中,該等硬式符碼係用於產生r
中第i群組的貢獻,如第三十八方程式。
相似於第一階段,包括對於每一天線之,p
=1,2,...,P
。再次一階段中,可藉由自第i個輸入序列扣除該MAI來獲致干擾修正輸入序列,如第三十九方程式及步驟66。
在最後一步驟中,輸入序列將成為第四十方程式。
藉由實施單一或多重使用者BLE,即可依照第四十一方程式而獲致軟式決策符碼。
可使用硬式決策,而自該等軟式決策符碼獲致最終階段之硬式決策符碼。藉由將每一階段皆考慮為接收序列之一線性過濾,則每一階段之線性過濾器,i
=1
...G
,將可依照第四十二方程式。
每一階段之軟式決策符碼將依照第四十三方程式。
diag
(X
)係代表矩陣X
中僅包括有對角元素的一對角矩陣。係代表僅包括有X
中除了對角元素以外之其他元素的一零對角元素矩陣。
在第四十三方程式中,第一項係代表第i
群組所需之符碼、第二項係代表第i
群組之ISI及MAI項、及最後一項係第i
階段輸出處之背景雜訊項。該第一項係一向量,其中第j
個組成分量係第i
群組傳輸資料符碼向量的第j
個組成分量乘以一數量(scalar)。由MAI及ISI所造成之第二項係一向量,其中之第j個組成分量係在總傳輸資料符碼向量d
中所有其他傳輸符碼的一加權和。背景雜訊項之相關性係由其共變異矩陣給定,其中R n
係總接收序列中之附加雜訊的共變異數。每一階段輸出處之每一資料符碼的信號對干擾與雜訊比(SINR)係依照第四十四方程式。
Re{}係指示實部。[X
]j,j
係指示矩陣X
中第j
列第j行的元素。R d
=E{dd H
}係d
之共變異矩陣。
在數值模擬中,全BLE-FBLE(僅具有一單一階段之BLE)係表現出優於GSIC-BLE之效能。當考慮1%至10%之未編碼位元錯誤率(BER)之編碼增益時,GSIC-BLE之效能將與FBLE者接近。
GSIC-BLE亦適用於多重碼方案,其中某些或全部的使用者係傳輸多重碼。來自同一使用者之多重碼可共同歸為一組,且可在每一群組上實施多重使用者BLE。該等群組之間的MAI將由SIC消除。GSIC-BLE將在兩方面贏得優於習知SIC者之效能。第一,不同於習知SIC,其可藉由實施具有相似接收功率之爆發的多重使用者BLE,而在缺少一遠近效應時,仍得保持其效能。第二,不同於習知中以RAKE為基礎的SIC接收器,其可經由每一群組之多重使用者BLE,而負責完善地處理每一爆發之ISI。最佳化地減輕ISI,將可有效率地消除複數個群組之間的MAI,特別在具有大延遲傳播之頻道中尤然。
GISC-BLE典型地可達成隨著爆發數量K呈線性變化的一複雜度,但其大體上低於FBLE者。由於這種情況可負責處理每一爆發中之ISI,因此可能達成優於以RAKE為基礎之SIC接收器者的效能。這種效能優勢,在具有大延遲傳播之頻道中、即當ISI嚴重時,將更為增強。即使對於傳播延遲大之頻道,在複數個爆發之間的0至2分貝(dB)數量級遠近效應,仍顯現出足以達成媲美FBLE者的效能。
第5圖係結合接收多樣化使用之一GSIC-BLE簡化方塊圖。來自P個天線元件中的接收向量至將輸入至GSIC-BLE中。一群組1匹配過濾器70係對群組1之接收向量實施匹配過濾。匹配過濾之一結果係由一BLE處理,譬如藉由一ZF時的、或MMSE時的。BLE 72之一結果將藉由一由軟至硬式決策裝置74而轉換成硬式符碼。一干擾修正裝置76係利用該等硬式符碼來生成用於每一天線之一向量至,其代表群組1對該天線接收向量之貢獻。對於每一天線,一減法器921
至92P
將自接收向量至扣除群組1之貢獻量至,以生成對於每一天線之一干擾消除向量至。
一群組2匹配過濾器78係對該等干擾消除向量實施匹配過濾。匹配過濾之一結果係由一BLE 80處理,譬如藉由一ZF時的、或MMSE時的。BLE之一結果將藉由一由軟至硬式決策裝置82而轉換成硬式符碼。一干擾修正裝置84係利用該等硬式符碼來生成用於每一天線之一向量至,其代表群組2對該天線接收向量之貢獻。對於每一天線,一減法器941
至94P
將自接收向量至扣除群組2之貢獻量至,以生成對於每一天線之一干擾消除向量至。
可連續地對其餘群組、即群組3至群組G-1實施資料估計、及干擾消除,直到最終群組G為止。對於群組G,一群組G匹配過濾器86係對干擾消除向量實施匹配過濾。匹配過濾之一結果係由一BLE 88處理,譬如藉由一ZF時的、或MMSE時的。BLE之一結果將藉由一由軟式至硬式決策裝置90而轉換成硬式符碼。
16...通信爆發
18...防護週期
20...中間碼
22...資料場
24...資料場
26...發射器
28...接收器
32...資料產生器
34...調變及擴展裝置
36...調變器
30...無線之無線電頻道
42,42p...解調變器
46...GSIC聯合偵測裝置
44...頻道估計器裝置
第1圖係一無線通信系統之簡化圖式。
第2圖係一發射器、及具有多重天線元件之一聯合偵測群組連續干擾消除接收器的簡化方塊圖。
第3圖係一通信爆發(爆發)之圖式。
第4圖係用於具有多重天線元件之聯合偵測群組連續干擾消除的流程圖。
第5圖係一聯合偵測群組連續干擾消除器之簡化方塊圖。
26...發射器
28...接收器
32...資料產生器
34...調變及擴展裝置
36...調變器
30...無線之無線電頻道
42,42p...解調變器
46...GSIC聯合偵測裝置
44...頻道估計器裝置
Claims (16)
- 一種用於分離與偵測來自一接收器的複數資料信號、個別資料信號的方法,該複數資料信號接收於來自複數無線傳輸器的一天線陣列上,該方法包括:根據該複數資料信號的每一個的接收功率將該複數資料信號分為複數群組,其中每一個別群組之該資料信號係相互之間皆在某一特定臨界值內;對於該複數群組,匹配過濾該複數資料信號,以產生一匹配過濾結果;使用該匹配過濾結果,從該複數群組中聯合偵測一第一群組的資料;對於該複數資料信號的每一個,建構一干擾修正信號;從該複數資料信號的每一個減去該干擾修正信號,以產生一干擾消除結果;以及利用每一天線元件之干擾消除結果,連續地偵測其餘群組之資料。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該聯合偵測資料係利用一迫零塊組線性等化器來完成。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該聯合偵測資料係利用一最小均方誤差塊組線性等化器來完成。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該聯合偵測資料產生軟式符碼,且該方法更包括在建構該干擾修正信號前,將該軟式符碼轉變成硬式符碼。
- 如申請專利範圍第1項之方法,更包括基於在該複數資料信號的每一個中的一連串序列成份,以提供一頻道資訊。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該複數資料信號的每一個係在一分享頻譜上自該複數無線傳輸器傳輸。
- 如申請專利範圍第6項之方法,更包括:擴展與調變參考資料為一通信爆發;產生將在一參考頻道上通信的參考資料信號; 將該通信爆發調變為一無線電頻率(RF)信號;以及藉由一無線之無線電頻道將該RF資料信號輻射至該接收器。
- 如申請專利範圍第7項之方法,更包括:產生與分派之時間槽及碼中的一連串序列作多工化的該通信爆發。
- 如申請專利範圍第7項之方法,更包括:產生該通信爆發為一偽連續全區導引碼。
- 如申請專利範圍第7項之方法,更包括:使用一差分移相鍵控(DPSK)。
- 如申請專利範圍第7項之方法,更包括:使用一正交移相鍵控(QPSK)。
- 如申請專利範圍第7項之方法,更包括:使用一正交振幅調變(QAM)。
- 如申請專利範圍第7項之方法,更包括:產生包括一中間碼、一防護週期以及二資料場的該通信爆發。
- 如申請專利範圍第13項之方法,其中該中間碼係介於該二資料場間。
- 如申請專利範圍第13項之方法,其中該防護週期分離該通信爆發與下一通信爆發。
- 如申請專利範圍第13項之方法,其中該二資料場具有相同長度。
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