TWI517616B - 在多重輸入多重輸出系統用於改善無線電資源分配之配置及方法 - Google Patents

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Description

在多重輸入多重輸出系統用於改善無線電資源分配之配置及方法
本發明一般涉及無線通信系統，以及具體地涉及在多重輸入多重輸出無線通信系統中改善的資源分配。
IEEE標準802.16e－2005及IEEE標準802.16－2004/Corl－2005(對IEEE標準802.16－2004的修訂及更正)，"本地及都會區域網路的IEEE標準，第16部分：用於固定及行動寬頻無線存取系統的空中介面，第2修訂：在許可帶寬中用於結合的固定及行動操作的實體及媒體存取控制層"，2006年2月28日。
專利申請PCT/US2006/020707"用於利用HARQ的MIMO SCW設計的秩降級"。
在一個無線通信系統中，一傳輸器(例如，一基地台，或一終端機)可利用多個傳輸天線用於資料傳輸到一配備有多個接收天線的接收器。該多個傳輸－接收天線形成了一多輸入多輸出(MIMO)頻道，其可用於增加流輸送量及/或提高可靠性。例如，該傳輸器可同時從該等傳輸天線傳輸一些資料流以提高流輸送量。另外，該傳輸器可冗餘地從所有的傳輸天線傳輸一單一資料流以改善該接收器的接收。這項技術的另一個通用術語是智慧天線，其執行多個天線處理的空間資訊。MIMO系統提供顯著增加的資料流輸送量及鏈結範圍而沒有無線通信的額外帶寬及傳輸功率。此係藉由更高的頻譜效率(每秒每赫茲的帶寬更多的 位元)及鏈結可靠性或多樣性(減少的衰減)實現。
對於無線通信，MIMO系統提供一除了頻率與時間的額外的信號空間維度。專用傳輸－接收天線對創造該空間維度的秩，例如，該秩代表資料流中可經由該MIMO頻道被同時傳輸的數目。如果太多資料流被傳輸，那麼過多的干擾可由這些資料流的每個所觀測，並且整體性能可能受到影響。反過來說，如果太少資料流被傳輸，那麼該MIMO頻道的容量沒有被完全地利用。理想地，該等MIMO傳輸－接收天線對的每個鏈路佔用該信號空間中的一個秩，以使頻道係數形成一滿秩矩陣。一MIMO接收器然後可使用信號處理技術分離來自不同天線的信號，其等藉由其在該空間維度中的線性獨立性在頻率與時間中是重疊的。信號的分離類似於絕緣的電線，唯一的不同是其是經由相同頻率與時間的共同無線媒體完成。用由MIMO創造的這個額外的空間維度，多個資料流可在空氣中相互疊加，從而增加可支援的資料率。
多個重新傳輸方案被揭示在先前技術中。一個常用的方案是所謂的自動重覆請求(ARQ)，其是資料傳輸的一個錯誤控制技術，其使用確認及逾時來達成可靠的資料傳輸。ARQ的一個演變變形是所謂的混合ARQ或H－ARQ，其最佳給出比傳統ARQ在無線頻道上更好的性能。
H－ARQ經常被利用作為鏈路適應錯誤的一項補救措施或作為由機運性提前終止的干擾減少的一種機制。由於無線行動環境中不可預測的衰減，該MIMO頻道在排程的時間 及報告的時間之間可能有不可忽略的變化。在報告及排程中的不匹配可導致選擇該鏈路可支援之過於樂觀的調變與編碼方案，因此造成封包錯誤。沒有H－ARQ，在實體層中的剩餘封包錯誤只能由上層協定糾正。有了H－ARQ，實體層能迅速回應以重新傳輸該封包以提供第二次機會。
對於上行鏈路，把一封包需要的能量分成幾個傳輸將減少功率，因此減少干擾、波動。H－ARQ能利用一上行鏈路封包可能的提前終止來收穫該機運性增益。H－ARQ預計為MIMO系統提供相同的好處。
因此，有需要使能夠提高MIMO系統中H－ARQ重新傳輸的效率的一種方法及配置。
為了提供充分理解本發明的有關概念，多輸入多輸出系統信號的理論的一般描述將如下文。
一般，MIMO系統中的信號之空間特徵能從該等導頻或導頻信號提取。例如，不同天線的該等導頻可被設計為在時域與頻域中是正交的。圖1中說明802.16e[1]的一個2×2 MIMO例子。因此，該例子假設一系統包括兩個傳輸/接收天線對，即，兩個傳輸天線及兩個接收天線。因此，一個信號被說明作為一副載波部分利用(PUSC)群集，其包括四個正交分頻多工(OFDM)符號及其各自分離的導頻及其在時間(OFDMA符號)與頻率(副載波)上的分離。
在圖1中，一接收機能從該等實心黑點推導出在天線0的該2×1頻道向量 h 0 ＝[h 0,0 h 0,1 ] T ，以及從該等條狀點推導出天 線1的頻道向量 h 1 ＝[h 1,0 h 1,1 ] T ，其中下標中的第一個數字表示傳輸天線號碼且第二個數字表示接收天線號碼。假設由天線0傳輸的資料符號是x 0 以及由天線1傳輸的是x 1 ，則在該兩個接收天線處，觀測可由方程式1表示 其中n 0 與n 1 是在接收天線0與1處觀測到的雜訊與干擾樣本。看方程式1，如果雜訊分量可被忽略並且假設頻道係數矩陣是滿秩的，則能基於兩個觀測值y 0 與y 1 解出兩個未知x 0 與x 1 。實際上，當雜訊分量係不可忽略時，一雜訊變異數矩陣通常被加到頻道係數的逆矩陣，以用於該資料符號的最小均方差之解。
上面的例子能很容易地歸納到M ×N 的MIMO系統，其中M 是在一MIMO碼字的空間域中所傳輸符號的數目，且N 是接收到的MIMO符號觀測的數目。注意，圖1的例子中的該MIMO導頻並不限於頻域與時域。事實上，水平軸與垂直軸可以是信號空間的任何維度，其包含時間、頻率或碼，只要是該信號空間中的頻道係數能以實際濾波器從導頻來估計。因此，該方程在一般意義上被寫成
其中是在該傳輸器處的預編碼矩陣。對於那些非預編碼的系統，其中N 等於M ，該預編碼矩陣是一單位矩陣(identity matrix)。
該頻道係數矩陣的秩小於或等於min(M,N )。只要碼字的數目小於該秩，該聯立方程式即有一唯一解。若該頻道係數矩陣是滿秩，在該廣義的時間譜與空間域中多工傳輸的該等並行資料流能增加該MIMO系統的峰值速率。總言之，無線頻道與雜訊的該暫態實現必須導致可分離的信號空間分量以使該多工傳輸的資料流存在一唯一解。
平行地，該空間分集，比如Alamuti編碼或SFBC，也依賴於該等多秩頻道以提高覆蓋範圍。該空間分集在不同天線分支之間的該等不相關的頻道處達到良好的性能，但是遠遠不如在該等強相關頻道處的該單一天線傳輸。
如果該雜訊－干擾等級與該信號部分相比為太高，則上述方程式中的該等傳輸資料符號可能無法正確解出，或者如果由於改變無線傳播的特徵而使該頻道係數矩陣不是滿秩的，則可能係完全不可解的。同時，過多的頻道估計誤差可造成[x 0 x 1 ]的初始檢測的失敗。對於在該接收器處具有干擾消除的系統，誤差傳播將導致所有該等傳輸碼字的完全失敗。在這些情況下，上述的H－ARQ方案的幫助是十分有限的，因為其只是設計來提供能量或編碼增益，不提供額外的信號空間維度以分離多工信號或抑制過多的干擾。因此，有需要改善H－ARQ對於MIMO系統的可適用 性。
在此領域中一個先前技術是減少MIMO的秩以用於H－ARQ重新傳輸[2]。該減少的秩使MIMO系統對於頻道估計與干擾消除誤差更加強大，特別是在強關聯的頻道中。然而，該先前技術只介紹了用於空間多工的秩減少機制。在重新傳輸期間具有不同數目的MIMO秩，該對應的無線電資源分配方案保持與初始傳輸相同。因此，如果該重新傳輸嘗試的條件與在干擾大的環境中的該初始傳輸是相同的，那麼該H－ARQ的成功的可能性是有限的。
本發明將參考在圖2a中說明的該非常一般無線系統及圖2b的該MIMO系統而描述在下文中。
因此，圖2a中的該系統是一無線通信系統。該系統包括在一或多個扇區中的複數個基地台BS，其互相接收、傳輸、重覆等無線通信信號及/或到一或多個用戶設備UE。每個基地台BS可包括一傳輸器鏈及一接收器鏈，其每個又能包括複數個與信號傳輸及接收相關聯的元件(例如，處理器、調變器、多工器、解調器、解多工器、天線等)。用戶設備UE可以是例如行動電話、智慧手機、筆記型電腦、手持式通信裝置、手持式計算裝置、衛星收音機、全球定位系統、PDA及/或其他適合用於在無線網路上通信的裝置。
此外，圖2b顯示一個一般MIMO系統，其中某個包括多個天線或天線組的傳輸裝置TX與一包括多個天線或天線組的接收裝置RX進行無線通信。熟習此項技術者認識到 每個傳輸TX及接收RX裝置都能經調適成同時具有傳輸天線及接收天線的收發器。
本發明將主要在一利用OFDM的無線通信系統的上下文中被討論，但是應明白相同的總體概念完全適用於利用CDMA或WCDMA或類似者等的系統。
本發明的一種方法的一個基本態樣因此是在該減少秩之MIMO HARQ重新傳輸期間以一靈活的方式分配該無線電資源。本質上，根據一基本實施例，一旦接收到一H－ARQ，該傳輸器藉由選擇可用MIMO鏈路的一子集來減少該MIMO頻道的秩，以重新傳輸所請求資料，不一定是原來分配的鏈路，且重新分配該可用無線電資源以改善該H－ARQ重新傳輸效能。
特別是，參考圖3，根據本發明的一種方法的一一般實施例能夠改善在一MIMO無線通信系統中的一節點中的H－ARQ重新傳輸，例如，基於OFDM。然而，本發明同樣適用於利用CDMA或WCDMA或類似者等的系統。基於一預定秩與無線電資源分配，初始資料被傳輸S1跨越複數個可用MIMO鏈路。為了回應接收到S2一該傳輸資料的至少一部分的H－ARQ，該隨後重新傳輸的該秩藉由選擇該可用MIMO鏈路(包含該等由於成功傳輸而再次可用的鏈路)的一子集而被減少S3。此外，該等可用的無線電資源被以一靈活或調適的方式重新分配S4以進一步增加該請求資料的成功重新傳輸的機會。最後，該請求資料被重新傳輸S5，根據MIMO鏈路中所選擇的子集(例如，減少的秩的MIMO 頻道)及該等重新分配的無線電資源。
應注意，參考圖4a及圖4b，對於MIMO系統，待傳輸的該等資料流可能受到垂直或者水平編碼。因此，如圖4a中所示，對於垂直編碼，一資料流c 的不同符號c1、c2經由從不同Tx天線始發的不同MIMO鏈路被傳輸。相似地，如圖4b中所示，對於水平編碼，包括兩個資料流c 與d 的該等符號經由不同MIMO鏈路被傳輸，該等兩個資料流也被從不同Tx天線傳輸。
MIMO HARQ資料流的該ACK/NACK回饋可以一單獨或集合的形式被傳輸。對於水平編碼，每流HARQ與每傳輸時間間隔HARQ都是可行的。
無線電資源的該重新分配可基於關於重新傳輸應滿足何條件而被實施為各種實施例。
除了該重新傳輸中的秩的減少，不同重新傳輸也可選擇不同秩以接近HARQ中跳躍的空間域。參考以上描述，該極端的情況是具有在不同重新傳輸嘗試中跳躍的空間域的該秩－1的重新傳輸。
根據一具體實施例，無線電資源的該重新分配能夠重指派導頻空間。因此，為了完全利用由成功的資料流留下的該維度，有可能重指派該導頻空間以使進一步加強對該等剩餘鏈路的頻道估計的準確性或減少負擔。
又一實施例關於將由傳輸功率所表示的可用無線電資源分配至剩餘的資料流以促進信號雜訊比。此外，該額外維度可重複使用作為剩餘資料流的空間分集的一來源。換言 之，當水平編碼資料流被部分接收到時，該成功資料流的H－ARQ重新傳輸停止，且該等剩餘資料流的H－ARQ重新傳輸藉由使用該信號空間中所釋放之維度可從空間多工切換到空間－時間傳輸分集。
在集合ACK的情況下，當所有資料流被成功接收到時，該傳輸器將被確認停止重新傳輸。在垂直編碼與空間分集的情況下，一個資料流被分成幾個只具有一個CRC的並行資料流，其被稱為每TTI HARQ。在接收到該集合ACK之前，該傳輸器不能區分是否所有或部分的鏈路是錯誤的。取代在所有MIMO鏈路上重新傳輸的是，該傳輸器可只選擇它們的部分用於重新傳輸。
首先，該選擇可係基於對應於具有重新分配導頻型樣與傳輸功率的失敗先前傳輸之延遲MIMO分支CQI回饋。導頻的重新分配可遵循該接收器預先知道的一預定的型樣順序或可由該傳輸器傳輸信號用於該重新傳輸。
第二，該選擇可能基於考慮到該系統位元在解碼中是最重要的，因此，總是重新傳輸首先具有減少秩的該等系統位元。
第三，在另一實施例中，在以滿導頻與功率分配將該等並列資料流串連回到一串列流之後，該傳輸可被減少到一單輸入多輸出(SIMO)系統。
第四，可以一隨機方式(例如，空間域跳躍)來執行MIMO鏈路的的該子集的選擇，以達成空間域分集。
以上揭示的實施例可單獨或聯合使用。熟習此項技術者 能容易地把該空間域跳躍概括成光譜、時間與空間編碼域跳躍之組合的方案。在本揭示案中，這廣義的方法信號將被稱為空間跳躍。
在該減少的秩MIMO HARQ重新傳輸及該對應資料流的成功解碼之後，該接收器可使用判定回饋以為在從所結合MIMO信號的最後失敗傳輸所緩衝的軟值中的分支重新建構一"新導頻序列"。基於判定回饋的該新導頻序列將比原來的更長，因此，該MIMO分支能從舊的軟值被更加準確地估計與消除。結果，從該最後傳輸剩餘的該失敗的MIMO分支可用該新的干擾消除與成功解碼的一更好機會而被恢復。
參考圖5，揭示根據本發明的一配置的一般實施例。該配置可位於一無線通信系統中的一基地台與行動終端機之一者或二者中，且除了一天線陣列與一輸入輸出單元I/O，該配置亦包括：一傳輸單元10、50，其經調適用於根據一預定秩與無線電資源分配在該天線陣列中的一或多個天線上傳輸資料流；一H－ARQ單元20，其經調適用於接收與處理關於傳輸資料的重新傳輸請求；一秩處理單元30，其經調適用於減少或調適重新傳輸的該秩。該秩處理單元30經調適用於藉由選擇用於請求資料流或符號的重新傳輸的可用MIMO鏈路的一子集來(例如)減少該重新傳輸秩。此外，該配置包括一分配單元40，其經調適用於重新分配該等無線電資源以用於在該選擇的可用MIMO鏈路子集上重新傳輸。最後，該傳輸單元10、50進一步經調適用 於基於一減少的秩與該等無線電資源的重新分配而重新傳輸請求資料流或符號。
本發明已經被描述在一單用戶MIMO情況的上下文中，然而，它同樣適用於一多用戶MIMO情況。不論是具有大空間之天線陣列(不相關空間頻道)之常規多用戶MIMO(MU－MIMO)或者具有接近空間之天線陣列(相關空間頻道)所謂的空分多重存取(SDMA)。
此外，取代只利用該重新分配資源用於重新傳輸的是，也可能傳輸與該重新傳輸的資料流並行的新資料，基於該重新分配資源。因此，該等新資料流有可能具有更好的成功傳輸機會。
本發明的優點包括：結合減少的秩MIMO HARQ與靈活的資源分配(比如信號空間跳躍與導頻型樣重新指派)的改良之效率，其提高了對頻道估計準確性與干擾對消誤差傳播的強度。該重新傳輸不僅提供額外的編碼分集或能量增益，而且還改善了頻道估計與干擾對消的條件。
熟習此項技術者將明白，只要不背離其由該等所附請求項所界定之範圍的情況下可對本發明作各種修飾及變化。
10、50‧‧‧傳輸單元
20‧‧‧H－ARQ單元
30‧‧‧秩處理單元
40‧‧‧分配單元
本發明，連同其進一步的目的與優點，可經由參考以下描述連同所附圖式而被最好地理解，其中：圖1說明已知MIMO信號傳輸的原理；圖2a說明一一般無線系統； 圖2b說明一示意性的廣義MIMO系統；圖3說明根據本發明的一種方法的一一般實施例的示意流程圖；圖4a示意性說明垂直編碼的原理；圖4b示意性說明水平編碼的原理；圖5說明根據本發明的一配置的示意方塊圖；
(無元件符號說明)

Claims (14)

  1. 一種改善在一MIMO無線通信系統中的一節點中之資料流的混合自動重覆請求(HARQ)重新傳輸之方法，該MIMO無線通信系統具有與該MIMO無線通信系統之多個傳輸-接收天線對相關聯之複數個可用MIMO鏈路，其特徵為：根據一預定秩與無線電資源分配，跨越複數個可用MIMO鏈路以傳輸(S1)資料，其中該複數個可用MIMO鏈路之每一者佔用一個秩且其中該無線電資源分配包括一第一導頻空間指派；接收(S2)一對該傳輸資料之至少部分的重新傳輸請求；藉由選擇該複數個可用MIMO鏈路之一子集來減少(S3)該等重新傳輸的該秩；藉由至少將導頻空間重指派至該複數個可用MIMO鏈路之該子集而調適地重新分配(S4)可用無線電資源給該子集；以及根據該減少的秩與無線電資源重新分配，在所選之該子集上重新傳輸(S5)該請求資料，其中該無線電資源重新分配包括一第二不同導頻空間指派。
  2. 根據請求項1之方法，其中該重新分配步驟(S4)包含空間域跳躍。
  3. 根據請求項1之方法，其中該等資料流經水平編碼。
  4. 根據請求項1之方法，其中該重新分配步驟包含從空間 多工切換到空間-時間傳輸分集。
  5. 根據請求項1之方法，其中該等資料流經垂直編碼。
  6. 根據請求項1之方法，其進一步包含用於一失敗的MIMO鏈路傳輸之接收到的頻道品質資訊(CQI)回饋與H-ARQ而選擇一或數個MIMO鏈路以用於重新傳輸；以及重新分配用於該等所選擇MIMO鏈路之導頻型樣與傳輸功率。
  7. 根據請求項1之方法，其進一步包含以該減少的秩來重新傳輸用於所請求資料之系統位元。
  8. 根據請求項5之方法，其包含藉由將所有垂直編碼之所傳輸資料流結合成一單一串列資料流且以滿導頻與功率分配來重新傳輸而將該MIMO頻道減少至一單輸入多輸出(SIMO)頻道的另一步驟。
  9. 根據請求項1之方法，其進一步包含隨機選擇用於重新傳輸之MIMO鏈路之該子集。
  10. 根據請求項1之方法，其包含利用多個MIMO鏈路重新傳輸該所請求資料。
  11. 根據請求項1之方法，其包含利用該等原來MIMO鏈路且增加該等MIMO鏈路之所分配功率來重新傳輸該所請求資料。
  12. 根據請求項1之方法，其中該導頻空間重指派遵循一預定的型樣順序。
  13. 根據請求項1之方法，其中該重指派導頻空間包含將該重新傳輸之該導頻空間重指派以信號傳輸(signaling)。
  14. 一種具有與一MIMO無線通信系統之多個傳輸-接收天線對相關聯之複數個可用MIMO鏈路之MIMO無線通信系統，其特徵為：用於根據一預定秩與無線電資源分配而跨越複數個可用MIMO鏈路來傳輸資料之構件(10)，其中該複數個可用MIMO鏈路之每一者佔用一個秩且其中該無線電資源分配包括一第一導頻空間指派；用於接收對該傳輸資料之至少部分之一重新傳輸請求的構件(20)；用於藉由選擇該複數個可用MIMO鏈路之一子集而減少該等重新傳輸的秩之構件(30)；藉由至少將導頻空間重指派至該複數個可用MIMO鏈路之該子集而用於調適地重新分配可用無線電資源給該子集之構件(40)；以及用於根據減少的該秩與該無線電資源重新分配而在所選擇之該子集上重新傳輸該所請求資料的構件(50)，其中該無線電資源重新分配包括一第二不同導頻空間指派。
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