TWI738317B

TWI738317B - 一種通訊系統及其方法

Info

Publication number: TWI738317B
Application number: TW109114852A
Authority: TW
Inventors: 林茂昭; 許永超
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2021-09-01
Also published as: TW202044795A; US20200358638A1; US11283652B2

Abstract

一種通訊系統及其方法，係應用於行動通訊環境中，利用本發明之通訊系統及其方法使用分增益多重接取GDMA (Gain-Division Multiple Access)技術，在使用者透過不同且獨立的衰落通道(fading channels)進行資料傳輸的場景中，利用不同的通道係數(通道增益)來區分不同使用者所傳輸的信號。本發明之通訊系統及其方法所具有之多重接取GDMA技術允許多個使用者共享相同的傳輸資源，使資源的分配更有彈性。在上行鏈路(uplink)多重接取(multiple access）的無線資料傳輸中，多個用戶(user)可以同時與同一個基地台進行資料的傳輸。在多個用戶沒有引信信號(pilot signals)且使用相同的傳輸資源的場景中，本發明針對基地台所收到的疊加信號(superimposed signal)序列利用分群演算法以及疊加信號的幾何特性實施多用戶的通道估計，再根據所得的通道增益估計以GDMA技術解回每位用戶所傳送的原始訊息。

Description

一種通訊系統及其方法

本發明係有關於通訊系統及其方法，更詳而言之，係有關於一種應用在行動通訊環境中之用於上行鏈路多重接取(Uplink Multiple Access)的免引信信號設計(pilot-Free Scheme)的通訊系統及其方法。

多重接取技術為現今通信系統中不可或缺的一部分，而在目前習知的通訊系統中，能同時進行資料傳輸的都需要事前協調以取得通道資訊。

台灣公開/公告號I606743「多用戶疊加傳輸方法以及使用所述方法的基地台」係提出一種多用戶疊加傳輸（multiuser superposition transmission, MUST）方法及使用所述方法的基地台。所述方法包括但不限於：決定要被傳輸的第一位元流（bit stream）;對第一位元流進行編碼藉以產生第一編碼位元流，其中第一編碼位元流中的各符號（symbol）分別具有多個二進位級別（binary levels）；決定第一編碼位元流中各個二進位級別的第一編碼率，其中第一編碼位元流中的至少二個級別具有不同的編碼率；以及基於第一編碼率附加第一多個冗餘位元（redundancy bits）。

台灣公開/公告號201831004「聯合用戶分組與功率分配方法以及使用所述方法的基地台」係提供一種聯合用戶分組與功率分配方法以及使用所述方法的基地台，適用於合作式非正交多重接取（non-orthogonal multiple access；NOMA）系統。本發明之方法包括下列步驟：依據基地台與個使用者裝置之間的個通道增益對使用者裝置進行排序，並建立包含個使用者裝置之強用戶候選者群組與包含個使用者裝置之弱用戶候選者群組；對該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應的功率分配係數，以將該個使用者裝置區分成個群組；以及依據該個群組對應的功率分配係數，傳送訊息給該個使用者裝置。

台灣公開/公告號201836395「聯合功率分配、預編碼與解碼方法及其基地台」係提供一種聯合功率分配、預編碼與解碼方法及其基地台，適用於多輸入多輸出-非正交多重接取（MIMO-NOMA）系統。本發明之方法包括下列步驟：（1）將各個群組所對應的預編碼器分解為第一預編碼器乘上第二預編碼器；（2）取得各個群組中所有使用者裝置之解碼訊號的均方誤差（mean-squared error，MSE）函式；（3）在最小化一群組中的所有MSE函式之最大值的情況下計算各個群組的功率分配因子；以及（4）根據所計算出的功率分配因子，在總傳輸功率限制的情況下透過最小化所有群組中所有使用者裝置之解碼訊號的MSE函式總和來取得各個群組的第二預編碼器與解碼器。

台灣公開/公告號201911831「適用於非正交多重存取通訊系統的傳輸器及其傳輸方法」係提供一種傳輸方法，適用於非正交多重存取通訊系統的傳輸器，包括：儲存用以計算同時傳送第一與第二應用資料的傳輸速率組合的多個規則。自接收器接收對於傳輸第一應用資料的傳輸許可。判斷是否需同時傳輸第二應用資料。若需同時傳輸第二應用資料，則基於規則計算同時傳送第一與第二應用資料的多個傳輸速率組合以計算傳輸速率組合表或根據預先存儲傳輸速率組合表建立傳輸速率組合表。根據第二應用資料的傳輸速率需求，由所選擇傳輸速率組合表的多個傳輸速率組合中選擇一組傳輸速率組合。基於受選傳輸速率組合同時傳輸第一與第二應用資料。

台灣公開/公告號201911957「用於無線通訊的方法」係提供了與用於無線通訊的非正交多址存取有關的各種新穎概念和方案。組正交編碼存取（GOCA）方案被引入，以減少多用戶干擾（MUI）並提高性能。此外，本發明採用重複分配多址存取（RDMA）方案，以通過不同的重複模式區分用戶設備（UE）。低密度擴展（LDS）方案被引入，以減少MUI並提高性能。

台灣公開/公告號201919418「接收資料的方法、發射資料的方法及使用者設備」係提供一種通過根據非正交多址方案操作的使用者設備或基站來接收或發射資料的方法、使用此方法的使用者設備以及使用此方法的基站。根據例示性實施例中的一個，方法應包含（但不限於）：在相同物理資源內接收具有彼此疊加的第一信號和第二信號的組合信號；將相位旋轉資訊應用於第一信號和第二信號；基於相位旋轉資訊而從組合信號去除第二信號；以及從組合信號解碼第一信號。

台灣公開/公告號201722098「多使用者採用相同簽記之多重接取系統」係一種區分多使用者訊號方法，應用於一多重接取系統之一接收裝置，其中該多重接取系統包含複數個使用者，該複數個使用者中部份使用者共用一相同簽記，該方法包含有根據複數個通道資訊，決定複數個假設訊號位準；根據一接收訊號取得一前置處理訊號；根據該前置處理訊號以及該複數個假設訊號位準，計算複數個符元級機率；以及根據該複數個符元級機率，取得對應於該部份使用者之複數個對數概似比，以及根據該複數個對數概似比產生對應於該部份使用者之複數個解碼訊號。

前述台灣公告號201722098專利可以稱之為分增益多重接取GDMA（Gain-Division Multiple Access），此技術是利用用戶的通道增益來處理接收裝置收到的受雜訊干擾的疊加信號。因此在應用GDMA時，如何在基地台正確地估計每位用戶的通道增益就會是很重要的工作。在現今的行動通訊系統中，通道增益的估計經常是透過加入已知的引信信號（pilot signal）來實現，然而加入過多與資料無關的引信信號同時會造成頻譜使用效率的降低，且不同用戶的引信信號設計也牽涉到事前協調的問題;因此，如何在維持一定的頻譜使用效率且避免事前協調的工作的同時，又可以對用戶所使用的通道有足夠準確的估計，而以上種種所述，均是待解決的問題。

本發明之主要目的便是在於提供一種通訊系統及其方法，係應用於行動通訊中之上行鏈路多重接取(Uplink Multiple Access)的免引信信號設計(Pilot-Free Scheme)的無線資料傳輸中，實施多用戶在上行鏈路多重接取系統中進行資料傳輸時的多用戶通道估計，可以避免引信信號的使用需求而使多位用戶可透過相同的傳輸資源與基地台的接收裝置進行通訊並擁有良好的頻譜使用效率;且，基地台則可以利用分群演算法的概念對收到的信號進行分群以估計多用戶的通道增益之各種線性組合，進而利用這些線性組合的幾何特性找出每位用戶傳輸信號時所對應的通道增益估計值，最後即可利用GDMA中的的多位階檢測技術解回用戶的訊息。

根據以上所述之目的，本發明提供一種通訊系統，該通訊系統包含一個以上使用者之傳輸模組(transmitter)、以及一個接收裝置(receiver)。

每一使用者擬傳送的二元(binary)訊息序列經由所屬的傳輸模組(transmitter)，予以編碼以及調變成為經調變後之符號序列，然後經由獨立的傳輸通道傳送給接收器;多個使用者同時傳送信號給同一接收裝置的通道集合可以視為一個多重接取通道(Multiple Access Channel)。

接收裝置利用基地台所收到的信號序列實施多用戶的通道估計，先利用分群演算法對收到之信號進行分群以估計多個用戶的通道增益之線性組合，進而以這些線性組合的幾何特性找出每位用戶傳輸信號時所對應的通道增益估計值，最後根據所得到的通道增益估計值即可利用GDMA中的的多位階檢測技術解回每一用戶所傳送之二元訊息序列的原始訊息。

在上行鏈路多重接取的無線資料傳輸中，不同的用戶會經由不同的傳輸路徑同時與同一個基地台進行聯繫。不同的傳輸路徑會產生不同的通道係數，或稱為通道增益（channel gains）。分增益多重接取GDMA技術則利用不同的通道增益來區分不同的用戶，因此可以容納多位用戶同時在相同的傳輸資源上進行資料的傳輸。而當基地台收到以疊加多位用戶的信號加上雜訊所形成的受汙染的疊加(superimposed)信號時，GDMA採用多位階檢測MLDT（Multi-Level Detection），利用疊加信號的所有可能位階與不同的通道增益可產生的對應關係，偵測出每一個用戶所傳送的原始訊息位元。

GDMA技術與功率領域導向的非正交多重接取（power domain non-orthogonal multiple access）技術不同的地方在於，GDMA技術是利用不同且獨立的通道增益的特性來區分用戶，其中包括不同的增益大小(amplitude)以及不同的增益相位(phase)，而不僅僅是以功率來區分。

由於GDMA技術是利用用戶的通道增益來偵測收到的受汙染的疊加信號，因此如何在基地台正確地估計每位用戶的傳輸通道增益就會是很重要的工作。在現今的行動通訊系統中，通道估計經常是透過加入已知的引信信號來實現，然而加入過多與資料無關的引信信號同時會造成頻譜使用效率的降低，且不同用戶的引信信號設計也牽涉到事前協調的問題。因此如何在維持一定的頻譜使用效率且避免事前協調的工作的同時，又可以對用戶所使用的通道增益有足夠準確的估計是本發明所關心的議題。

另，分群演算法(clustering algorithm)為資料科學中的分析工具，其主要的目的為對輸入資料進行分群。分群演算法是由兩個主要步驟所組成的遞迴式最佳化演算法，其中包括找出輸入資料的多個質心，以及利用輸入資料與質心之間的距離對輸入資料進行分群。在無線通訊中，每一個用戶經過調變（modulation）所產生的傳輸符號（symbol）在經過衰落通道（fading channel）後，相當於乘上一個通道係數，又稱為通道增益。因此基地台在多個用戶使用相同傳輸資源的條件下所收到的不含雜訊之疊加信號會是多個用戶所對應的通道增益之線性組合，而在不同的資料傳輸中，用戶間不同的訊息組合就會對應到通道增益之不同的線性組合。這些通道增益的多種線性組合可以稱為疊加信號的位階（level）。假設這些通道在一定的時間內維持不變，則基地台在接收器收到數量夠多的含雜訊污染之信號後則可以利用分群演算法估計出疊加信號的所有位階，也就是多個用戶所對應到的通道增益之所有線性組合，進而利用所有位階的幾何特性估計各個用戶傳輸資料時分別對應到的通道增益。

在基地台的接收端所收到的疊加信號的各個位階是由多位用戶與基地台之間的通道增益的線性組合所決定，且在接收端會受到雜訊的污染。如何利用有效的演算法對收到的疊加信號序列進行可靠的分群會是一個很重要的課題。本發明也利用疊加信號的各個位階所形成的集合的對稱性，讓分群演算法的可靠度可以大為提升，也提升了接下來進行多用戶通道估計的準確度。

利用分群演算法能夠估計疊加信號的每一個位階，但也只是找出了多位用戶在傳輸信號時所對應的通道增益之每一個可能的線性組合，且由於多位用戶是在沒有引信信號的情況下對基地台直接傳送訊號，因此基地台必須要在沒有其它協助的條件下找出多位用戶各自對應的通道增益。本發明針對這樣的問題，利用疊加信號的位階的幾何特性估計每位用戶傳輸信號時所對應的通道增益。

本發明所使用的通道增益估計法是直接利用攜帶用戶訊息的信號當作輸入資料，好處為避免了引信信號的使用，進而使得頻譜使用效率提高，代價為在接收端會有不可避免的相位不定性（phase ambiguity），這個問題可以透過傳統方法解決，例如在傳送端加入差分編碼（differential encoding）或是非同調區塊變碼(Noncoherent block coding)。

利用本發明之通訊系統以進行P 個用戶且每個調變信號2^m 個信號點的通訊方法的過程時，首先，進行挑選初始質心(centroid）動作; 以隨意或是以某些機制，挑選

個初始質心。

繼而，進行分群動作;利用輸入資料與質心之間的距離對輸入資料進行分群，找出與每一個輸入符號最接近的質心，並將其與該質心歸納為同一群組;在此，會將輸入資料的全部

個輸入符號分成

個群組，每一個群組所對應的符號之平均則稱為該群組之質心。

再之，根據

個新質心重新進行分群動作，再行計算每一群組的新質心，得到

個更新的質心。

繼之，收斂動作;重覆進行分群動作，直到質心的變化量小於一個預先設定好的臨界值。

隨後，計算質心平均值;計算找出來的

個質心的平均值大小(magnitude)，若大於一個預先設定好的臨界值則重新回到進行挑選初始質心動作，否則將結束分群演算法。最後所得的每個質心都會對應到其中一個疊加信號的位階的估計值。

爲使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如後:

第1圖為一系統示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統之系統架構、以及運作情形。如第1圖中所示之，通訊系統1包含P 個之傳輸模組2(transmitter)、以及接收器3(receiver)。

P 個傳輸模組2(transmitter)，P 個用戶4之中的每一用戶擬傳送的二元訊息序列經由所屬的傳輸模組2，予以調變成為經調變後之符號序列，然後經由多重接取通道(Multiple Access Channel)5中的一個獨立的衰落通道傳送給接收裝置3。

接收裝置3，位於基地台將接收P 個傳輸模組所傳送的傳輸符號序列疊加然後再加上雜訊而形成的受汙染的疊加信號序列。

接收裝置3接收裝置利用基地台所收到的信號序列實施多用戶4的通道估計，先利用分群演算法對收到之信號進行分群以估計多個用戶4的通道增益之線性組合，進而以這些線性組合的幾何特性找出每位用戶4傳輸信號時所對應的通道增益估計值，最後根據所得到的通道增益估計值即可利用GDMA中的的多位階檢測技術解回每一用戶4所傳送之二元訊息序列的原始訊息。

在上行鏈路多重接取的無線資料傳輸中，不同的用戶4會經由不同的傳輸路徑同時與同一個基地台進行聯繫。不同的傳輸路徑會產生不同的通道增益。GDMA系統中的多位階檢測技術是在不同用戶4與基地台接收裝置3之間的通道增益皆為已知的前提下，利用不同的通道增益來區分不同用戶所傳輸的信號。GDMA採用多位階檢測MLDT（Multi-Level Detection），利用疊加信號的所有可能位階與不同的通道增益的關聯性，偵測出每個用戶4所傳送的原始訊息位元。而本發明的目的即為直接利用收到的受汙染的疊加信號序列進行通道估計，所得到的通道增益估計值則可以被多位階檢測技術所使用，進一步偵測不同用戶4所傳送之原始訊息。

由於GDMA技術是利用用戶的通道增益來偵測收到的疊加信號，因此如何在基地台正確地估計每位用戶4的傳輸通道就會是很重要的工作。惟，在現今的行動通訊系統中，通道估計經常是透過加入已知的引信信號來實現，然而加入過多與資料無關的引信信號同時會造成頻譜使用效率的降低，且不同用戶的引信信號設計也牽涉到事前協調的問題。因此如何在維持一定的頻譜使用效率且避免引信信號的同時，又可以對用戶4所使用的通道有足夠準確的估計是本發明所關心的議題。

換言之，以本發明所具有之技術內容而言，在行動通訊系統中，無須透過加入已知的引信信號，即可進行通道估計，且，由於無須加入過多與資料無關的引信信號，因而，不會降低頻譜使用效率，亦無由於引信信號設計而造成之不同使用者的事前協調的問題。

另，分群演算法(clustering algorithm)為資料科學中的分析工具，其主要的目的為對輸入資料進行分類。分群演算法是由兩個主要步驟所組成的遞迴式最佳化演算法，其中包括找出輸入資料的多個質心，以及利用輸入資料與質心之間的距離對輸入資料進行分群。在無線通訊中，每一個用戶4經過調變（modulation）所產生的傳輸符號（symbol）在經過衰落通道（fading channel）後，相當於乘上一個通道係數，又稱為通道增益。因此基地台在多個用戶4使用相同傳輸資源的條件下所收到的不含雜訊之疊加信號會是多個用戶4所對應的通道增益之線性組合，而在不同的資料傳輸中，用戶4間不同的訊息組合就會對應到通道增益之不同的線性組合。這些通道增益的多種線性組合可以稱為疊加信號的位階（level）。假設這些通道在一定的時間內維持不變，則基地台在接收裝置3收到數量夠多的含雜訊污染之信號後則可以利用分群演算法區分出疊加信號的所有位階，也就是多個用戶4所對應到的通道增益之所有線性組合，進而利用所有位階的幾何特性來估計各個用戶4傳輸資料時分別對應到的通道增益。

在基地台的接收裝置3所收到的受汙染的疊加信號的各個位階是由多位用戶4與基地台接收裝置3之間的通道增益的線性組合所決定，且在接收端會受到白高斯雜訊的污染。如何利用有效的演算法對收到的疊加信號序列進行可靠的分群會是一個很重要的課題。本發明利用疊加信號的各個位階所形成的集合的對稱性，讓分群演算法的可靠度可以大為提升，也提升了接下來進行多用戶通道估計的準確度。即使利用分群演算法能夠區分出疊加信號的每一個位階，也只是找出了多位用戶4在傳輸信號時所對應的通道增益之每一個可能的線性組合，且由於多位用戶4是在沒有事先協調的情況下對基地台直接傳送訊號，因此基地台必須要在沒有其它協助的條件下找出多位用戶4各自對應的通道增益。本發明針對這樣的問題，利用疊加信號位階的幾何特性還原回每位用戶4傳輸信號時所對應的通道增益。

本發明所使用的分群演算法是直接利用攜帶每一用戶4訊息的信號(每一用戶4的二元訊息序列)當作輸入資料，好處為避免了引信信號的使用，進而使得頻譜使用效率提高，代價為在接收端會有不可避免的相位不確定性（phase ambiguity），這個問題可以透過傳統方法解決，例如在傳送端加入差分編碼（differential encoding）或是非同調區塊編碼 (noncoherent block coding)。

於本發明之實施例，通訊系統1的P 個傳輸模組2(transmitter)中之任一個係位於不同用戶4的手機中，該傳輸模組2可由硬體、軟體、以及韌體的至少其中之一所組成;而接收裝置3係位於基地台，該接收裝置3可由硬體、軟體、以及韌體的至少其中之一所組成。

本發明於實際施行時，再，視實施狀況，通訊系統1的P 個傳輸模組2(transmitter)中之任一個亦可位於具有通訊功能之平板電腦、iPad、感應裝置(sensor)的其中之一。

第2圖為一分群演算法之流程圖，用以顯示說明利用如第1圖中之本發明之通訊系統以進行通訊方法的流程步驟。如第2圖中所示之，首先，於步驟101，首先，進行挑選質心(centroid）動作;以隨機方式或是以某種方式選取多個質心，並進到步驟102。

於步驟102，進行分群動作;利用輸入資料與質心之間的距離對輸入資料進行分群，對每一個輸入符號距離找出相關的質心，並將該輸入符號與該質心歸納為同一群組，每一個群組所對應的符號之平均則稱為該群組之質心，且每個質心都會對應到其中一個疊加信號位階的估計值，並進到步驟103。

於步驟103，計算每群組之新質心動作;在此，根據進行分群動作所區分出來的群組別，重新計算每一群組的新質心，並進到步驟104。

於步驟104，收斂動作;再進行分群動作，回到步驟102，直到質心的變化量小於一個預先設定好的臨界值，並進到步驟105。

於步驟105，計算質心平均值;計算找出來的多個質心的平均值大小(magnitude)，若大於一個預先設定好的臨界值則回到步驟101進行挑選質心動作，否則將結束分群演算法。

利用分群演算法，我們可以將所收到的符號區分為多個群組別，每一個群組別所對應的質心即為其中一個疊加信號位階的估計值。在步驟105中，本發明利用疊加信號位階的對稱性檢查最後所得到的分群結果是否正確，避免發生不正確的結果，提升了分群演算法的可靠度。

步驟101選擇多個組別的初始質心，而初始化的方法在文獻中有多種已知的方法皆可以被使用。例如（1）k－平均（k－means）演算法，（2）k－平均＋＋（k－means＋＋）演算法或（3）林德─布佐─格雷（Linde－Buzo－Gray；LBG）演算法等，皆可以被使用。

步驟102至104是可以用硬式分群法（hard clustering），如每一個輸入符號有唯一對應的質心。其也可以用軟式分群法（soft clustering），每一個輸入符號可以有多個對應的質心。例如：以高斯混合模型GMM（Gaussian mixture model）為基礎，利用期望值加上最大化EM（expectation－maximization）演算法找出輸入資料的質心。最終的目的皆為分群組並找出個群組之質心。

找出各群組之質心亦即疊加信號位階之後。本發明再利用疊加信號位階的幾何特性還原回每位用戶4傳輸信號時所對應的通道增益。再經過GDMA系統中的多位階檢測技術還原每一用戶4的訊息位元。

第3圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統的一實施例、以及運作情形。如第3圖中所示之，通訊系統1包含P 個傳輸模組2(transmitter)、以及接收裝置3(receiver)。

P 個傳輸模組2(transmitter)，來自P 個用戶中之每一用戶4的二元訊息序列，經由P 個傳輸模組2中之對應傳輸模組2予以編碼以及調變為經調變後之符號序列;經多重接取通道(Multiple Access Channel)5中之相對應之獨立通道傳送。

在GDMA所考慮的系統模型中，傳送端同一時間會有P 個用戶設備UE（User Equipment），在此，例如，P 個傳輸模組2，使用相同的傳輸資源向基地台傳送訊息。假設

為每一個用戶設備UE(傳輸模組2)的編號，且用戶設備UE-

的二元訊息序列中為d _p ，此d _p 經過前向錯誤更正編碼(forward error correction coding， FEC)後得到二元序列c_p = (c_p1 ，c_p2 ， …，c_pj ， …) ，再經過調變後得到的調變符號序列x_p = (x_p1 ，x_p2 ， …， x_pj ，…)，其序列中任一符號x_pj 總共會有

種可能的結果。其後將符號x_pj 中的j 略去而簡寫為x_p 。每一個用戶設備UE皆會透過不同且獨立的衰落通道同時向基地台傳送信號，在傳輸時序對齊的條件下，在基地台的接收裝置3所收到的符號可以寫為

，其中

為使用者設備UE-

與基地台接收器3之間的通道增益，

為一個複數型相加性白高斯雜訊AWGN（additive white Gaussian noise）。符號

則是由多個用戶設備UE傳送的信號以及通道增益所決定的疊加信號，且

總共會有

種可能的結果，其中疊加信號

的每一種可能的結果(線性組合)稱為疊加信號的其中一個位階，我們將位階表示為

且

。

GDMA系統中的多位階檢測技術則是在P 個用戶設備UE與基地台之間的通道增益皆為已知的前提下，計算出每一個

的事後機率，然後算出每一位元c_p 的對數概似比(log-likelihood ratio) ，再依此檢測出每個用戶設備UE所傳送的原始訊息位元d_p 。而本發明的目的即為直接利用收到的疊加信號序列進行多用戶通道估計，所得到的通道增益估計值則可以被GDMA的多位階檢測技術所使用，因此可以在沒有通道增益資訊的條件之下檢測P 個用戶設備UE所傳送之原始訊息。

假設P 個用戶設備UE所使用的通道在連續

個符號的傳輸時間內皆保持不變，代表疊加信號的

個可能的位階也會保持不變，則在這段時間內收到的每一個符號

都會是這固定的

個位階的其中一個再加上額外的白高斯雜訊。因此本發明利用分群演算法，將連續

個收到的符號r (1)，r (2)，…，r (n)表示為序列

，當作是分群演算法的輸入資料，希望將這

個輸入符號區分為

個群組，每一個群組所對應的符號之平均則稱為該群組之質心（centroid），且每個質心都會對應到其中一個疊加信號位階的估計值。然後利用疊加信號位階的幾何特性還原回每位用戶4傳輸信號時所對應的通道增益。再經過GDMA系統中的多位階檢測技術還原二元訊息序列d _p 。

本發明根據k－平均＋＋演算法進行修改，設計了一個有效的初始化演算法。第一步：從收到的

個輸入符號中隨機挑選一個符號當作第一個初始質心，且設定

。第二步：計算每一個輸入符號

與當下離它最近的初始質心的距離

，然後根據

的大小保留輸入符號中前

個擁有最大的

的符號，再從保留下來的

個輸入符號中根據與

的平方成正比的機率隨機挑選下一個初始質心，挑選後設定

。第三步：回到第二步直到

。第四步：得到

個初始質心後即可送至分群演算法繼續接下來的步驟。

第4圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統的又一實施例、以及運作情形。如第4圖中所示之，通訊系統1包含P 個傳輸模組2(transmitter)、以及接收器3(receiver)，在此，P = 2 並且

。

舉例言之，以用戶設備UE的數量為

而言，且UE-1和UE-2皆是透過二位元相移鍵控BPSK（binary phase shift keying）進行調變（

），則疊加信號

總共會有四種可能的位階，包括

、

、

和

，如第5圖所示。

傳輸符號與疊加信號

的對應關係為，S[0] 對應x₁ =1，x₂ =1; S[1] 對應，x₁ =1， x₂ =-1; S[2] 對應，x₁ =-1，x₂ =1; 而S[3] 對應x₁ =-1，x₂ =-1 。

如第6(a)、6(b)圖中所示之，在找到

=4(P =2，

)個代表疊加信號位階之估計值的質心後，本發明另外提出了一種演算法，可以從疊加信號的多個位階，還原回用戶設備UE各自的通道係數。對於經由BPSK（

）調變的傳輸系統來說，在接收端收到的疊加信號的多個位階可以形成多個平行四邊形，舉例來說：當

且

，則四個疊加信號位階可以連成一個平行四邊形。

而P 個UE所對應的通道係數可以透過這些平行四邊形的四個邊上之中點取得，舉例來說：在分群演算法所找出的多個質心剛好等於各個位階的條件下，當

且

，則第一步：隨機挑選一個質心，再從剩下的三個質心中找出與之相加後剛好等於零的質心並組成一個配對，例如S[1]與S[2]，而剩下的兩個質心S[0]與S[3]則組成另一個配對。第二步：透過質心的配對即可找出平行四邊形的四個邊線的關係。例如：從第一個配對中任意挑選一個質心，S[1] ，將其與另外一組配對中的兩個質心S[3]或S[0]相連即可得到此平行四邊形的兩個相鄰邊線，S[1]-S[3]邊線或S[1]-S[0]邊線，而兩個相鄰邊線上的中點即為兩個用戶設備UE傳送信號時所對應的通道係數(或是乘上負號) 。亦即S[1]-S[3]邊線的中點對應h₂ (或-h₂ )，而亦即S[1]-S[0]邊線的中點對應h₁ (或-h₁ ) 。剩下的兩個邊線上的中點為兩個用戶設備UE的通道係數在相位上偏移一百八十度的結果。如此估計方法所得的兩個用戶設備UE的通道係數有正負號未知問題也就是相位上偏移一百八十度的模棱兩可問題。這個問題可以用傳統的方法來解決，例如差分編碼或是非同調區塊編碼 (noncoherent block coding，NBC)。

第7圖為本實施例使用(256，128) Polar code於k=0以及k=3的Rician fading channel之BLER (block error rate) 。當k=3時，我們假設 h₁ 與h₂ 的平均值大小相同且有90度的相位差。當使用非同調區塊編碼 (NBC)以及林德─布佐─格雷（Linde－Buzo－Gray；LBG）演算法於本實施例時，P =1個用戶與P =2個用戶所造成的BLER差距並不大。甚至與採用理想通道增益所造成的BLER差距並不大。

第8圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統的再一實施例、以及運作情形。如第8圖中所示之，通訊系統1包含p 個傳輸模組2(transmitter)、以及接收器3(receiver)，在此，P=3 並且

。

舉例言之，以用戶設備UE的數量為

而言，且UE-1、UE-2和UE-3皆是透過BPSK進行調變，如第9圖所示之，疊加信號

總共會有八種可能的位階，包括

、

、

、

、

、

、

和

。

如第10(a)至10(g)圖中所示之，在找到

(P =3)個代表疊加信號位階之估計值的質心後，本發明另外提出了一種演算法，可以從疊加信號的多個位階，還原回用戶設備UE各自的通道係數。多個疊加信號位階可以連成多個平行四邊形。而

個UE所對應的通道係數可以透過這些平行四邊形的四個邊線上之中點取得，舉例來說：在假設分群演算法所找出的多個質心剛好等於各個位階的條件下，當

且

，則八個質心總共可以組成六個平行四邊形。本發明將六個平行四邊形兩兩分為三組，檢查每一組的兩個平行四邊形的邊線上的中點是否重疊，即可得到三個使用者設備UE傳送信號時所各自對應的通道係數。為達成此目的，第一步：對八個質心進行配對，其中每一組配對包含兩個質心，且兩個配對後的質心相加後會等於零。第二步：假設成功找出的四組配對稱為A、B、C和D，則挑選配對A及配對B，總共四個質心，形成一個平行四邊形，剩下的四個質心則形成另一個平行四邊形，接著找出兩個平行四邊形的交集，為四個邊線上的中點，其中兩個重疊的中點，代表其中一個用戶設備UE傳送信號時所對應的通道係數，另外兩個重疊的中點，代表該通道係數在相位上偏移一百八十度的結果。第三步：挑選配對A及配對C，總共四個質心，形成一個平行四邊形，剩下的四個質心則形成另一個平行四邊形，接著找出兩個平行四邊形交集，為四個邊線上的中點，其中兩個重疊的中點，代表第二個用戶設備UE傳送信號時所對應的通道係數，另外兩個重疊的中點，代表該通道係數在相位上偏移一百八十度的結果。第四步：挑選配對A及配對D，總共四個質心，形成一個平行四邊形，剩下的四個質心則形成另一個平行四邊形，接著找出兩個平行四邊形交集，為四個邊線上的中點，其中兩個重疊的中點，代表第三個個用戶設備UE傳送信號時所對應的通道係數，另外兩個重疊的中點，代表該通道係數在相位上偏移一百八十度的結果。以上的執行步驟皆為假設分群演算法所找出的多個質心剛好等於疊加信號各個位階。當接收信號受到雜訊汙染時，所得到的質心可能會偏離實際疊加信號的位階，則上述之執行步驟在進行質心之配對時，則修改為找出相加後最接近零的配對組合；而在

且

的場景中，每一組的兩個平行四邊形中的每兩個重疊的中點則則修改為為距離最近的兩個中點，再加以平均後才會得到通道增益之估計值。本發明所提出的演算法主要是利用位階的幾何特性，透過質心的配對進而找出各個平行四邊形邊上的中點，這樣的方法也可以應用在四位元相位偏移調變（quadrature phase-shift keying；QPSK）的傳輸系統中。

為了要避免引信信號的使用，本發明可以透過收到的疊加信號序列估計每個UE傳送信號時所對應的通道係數。然而得到的通道係數之估計值仍然有相位不定性的問題。舉例來說：假設使用者設備UE是透過BPSK進行調變，則本發明提出的方法所估計的通道係數估計值，會有一百八十度的相位不確定性。此相位不確定性的問題可以透過已知的多種方法解決，例如在傳送端加入差分編碼，或是利用非同步區塊編碼（Noncoherent block coding）來移除相位不確定性。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之範圍;凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。

1:通訊系統 2:傳輸模組 3:接收裝置 4:使用者 5:多重接取通道 101 102 103 104 105:步驟

第1圖為一系統示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統之系統架構、以及運作情形; 第2圖為一流程圖，用以顯示說明利用如第1圖中之本發明之通訊系統以進行通訊方法的流程步驟; 第3圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統的一實施例、以及運作情形; 第4圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統的又一實施例、以及運作情形; 第5圖為一示意圖，用以顯示說明於第5圖中之實施例的符號、位階的對應關係; 第6(a)、6(b)圖為示意圖，用以顯示說明於第4圖中之實施例的組合信號位階所連成的平行四邊形; 第7圖為一示意圖，用以顯示說明為本實施例使用(256，128) Polar code於k=1以及k=3的Rician fading channel之BLER (block error rate); 第8圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之通訊系統的再一實施例、以及運作情形; 第9圖為一示意圖，用以顯示說明於第9圖中之實施例的符號、位階的對應關係;以及第10(a)至10(g)圖為一示意圖，用以顯示說明於第9圖中之實施例的疊加信號位階所連成的平行四邊形。

101 102 103 104 105:步驟

Claims

一種通訊方法，係應用在用於上行鏈路多重接取的行動通訊環境中，包含以下程序：傳送端同一時間會有多個用戶設備向基地台傳送訊息，該基地台利用分群演算法，針對該基地台所收到的信號序列當作是該分群演算法的輸入資料，找出該些輸入資料的多個質心，亦即一個以上使用者傳送信號的疊加所成疊加信號多個位階的估計值；然後利用該疊加信號多個位階的幾何特性來估計每位用戶設備傳輸信號時所對應的通道增益；以及利用該每位用戶設備傳輸信號時所對應的該通道增益估計值來還原回該每位用戶設備傳輸的訊息；其中，該分群演算法包含以下程序：進行挑選質心動作；針對該基地台所收到的該信號序列當作是該分群演算法的該些輸入資料，找出該些輸入資料的多個質心；挑選多個初始質心動作；以該基地台所收到的該信號序列當作是該分群演算法的該些輸入資料，挑選該些輸入資料的多個初始質心；進行分群動作；利用該些輸入資料與該些多個質心之間的距離對該些輸入資料進行分群；計算每一群組之新質心動作；每一群組所對應的符號之平均為該組別之新質心，且每一新質心都會對應到其中一疊加信號位階的估計值；遞迴動作；以遞迴方式重新進行分群動作以及計算每一群組之新質心動作直到所得出之質心的變化量小於一個預先設定好的臨界值；以及計算所有質心平均值；計算所得出之多個質心的平均值的絕對值，大於一個預先設定好的該臨界值，將重新挑選多個初始質心再進行分群動作。
如申請專利範圍第1項所述之通訊系統，其中，該挑選多個初始質心之方法為k-平均++(k-means++)演算法。
如申請專利範圍第1項所述之通訊系統，其中，該挑選多個初始質心之方法為林德-布佐-格雷(Linde-Buzo-Gray；LBG)演算法。
如申請專利範圍第1項所述之通訊系統，其分群演算法為Gaussian Mixture Model。
如申請專利範圍第1項所述之通訊系統，其中，該挑選L個初始質心之方法為k-平均++演算法進行修改的程序：第一步：從收到的n個輸入符號中隨機挑選一個符號當作第一個初始質心，且設定i=1；第二步：計算每一個輸入符號r與當下離它最近的初始質心的距離D(r)，然後根據D(r)的大小保留輸入符號中前M個擁有最大的D(r)的符號，再從保留下來的該M個輸入符號中根據與D(r)的平方成正比的機率隨機挑選下一個初始質心，挑選後設定i=i-1；第三步：回到第二步直到I=L；以及第四步：得到L個初始質心。
如申請專利範圍第1項所述之通訊系統，其中，利用該疊加信號多個位階的幾何特性來估計該每位用戶設備傳輸信號時所對應的該通道增益方法包含以下程序：將多個疊加信號位階連成多個平行四邊形，而透過這些平行四邊形的邊線上之中點取得該每位用戶設備傳輸信號時所對應的通道增益估計值。
如申請專利範圍第6項所述之通訊系統，其中，針對兩位用戶設備及BPSK調變之環境，其透過這些平行四邊形的邊線上之中點來估計該每位使用者傳輸信號時所對應的通道增益方法包含以下程序：第一步：隨機挑選一個質心，再從剩下的三個質心中找出與之相加後等於或接近於零的質心並組成一個配對，而剩下的兩個質心則組成另一個配對；以及第二步：透過質心的配對即可找出平行四邊形的四個邊線的關係；從第一個配對中任意挑選一個質心，將其與另外一組配對中的兩個質心相連即可得到此平行四邊形的兩個相鄰邊線，而兩個相鄰邊線上的中點即為兩個用戶設備UE傳送信號時所對應的通道係數或是所對應的通道係數乘上-1。
如申請專利範圍第6項所述之通訊系統，其中，針對三位使用者及BPSK調變之環境，其透過這些平行四邊形的邊線上之中點來估計每位用戶設備傳輸信號時所對應的通道增益方法包含以下程序：第一步：對八個質心進行配對，其中每一組配對包含兩個質心，且兩個配對後的質心相加後會接近於零；第二步：假設成功找出的四組配對稱為A、B、C和D，則挑選配對A及配對B，總共四個質心，形成一個平行四邊形，剩下的四個質心則形成另一個平行四邊形，接著找出兩個平行四邊形的所有邊線中點集合內的兩個最接近的邊線中點，這兩個接近的中點的平均值即為其中一個使用者設備UE傳送信號時所對應的通道係數或該通道係數乘上-1；第三步：挑選配對A及配對C，總共四個質心，形成一個平行四邊形，剩下的四個質心則形成另一個平行四邊形，接著找出兩個平行四邊形的所有邊線中點集合內的兩個最接近的邊線中點，這兩個接近的中點的平均值即為第二個使用者設備UE傳送信號時所對應的通道係數或該通道係數乘上-1；第四步：挑選配對A及配對D，總共四個質心，形成一個平行四邊形，剩下的四個質心則形成另一個平行四邊形，接著找出兩個平行四邊形的所有邊線中點集合內的兩個最接近的邊線中點，這兩個接近的中點的平均值即為第三個使用者設備UE傳送信號時所對應的通道係數或該通道係數乘上-1。
如申請專利範圍第1項所述之通訊系統，其中，針對利用該每位使用者傳輸信號時所對應的通道增益估計值來還原回該每位使用者傳輸之訊息之方法包含以下程序：第一步：傳輸端的每一個使用者將二元訊息序列做差分編碼(differential encoding)；以及第二步：基地台的接收裝置採用多位階檢測MLDT(Multi-Level Detection)計算出每一位階之事後機率，然後計算出每一位元之log-likelihood ratio，用以輸入針對差分編碼之檢測器或解碼器。
如申請專利範圍第1項所述之通訊系統，其中，針對利用該每位使用者傳輸信號時所對應的通道增益估計值來還原回該每位使用者傳輸之訊息之方法包含以下程序：第一步：傳輸端的每一個使用者將二元訊息序列做非同調區塊編碼(noncoherent block coding)；以及第二步：基地台的接收器採用多位階檢測MLDT(Multi-Level Detection)計算出每一位階之事後機率，然後計算出每一位元之對數概似比(log-likelihood ratio)，用以輸入針對noncoherent block coding之解碼器。
如申請專利範圍第5項所述之通訊系統，其中該M數值設為接近n/L數值的整數。