专利名称：正交频分多工系统中处理双极正交预编码的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明关于一种用于一无线通讯系统的方法及其通讯装置，尤指一种用于多输入多输出正交频分多工系统，用来处理双极正交预编码的方法及其通讯装置。
背景技术：
第三代合作伙伴计划(the3rd Generation Partnership Project, 3GPP)为了改良通用移动电信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)，制定了具有较佳效能的长期演进(Long Term Evolution, LTE)系统，其支持第三代合作伙伴计划第八版本(3GPP Re-18)标准及/或第三代合作伙伴计划第九版本(3GPP Rel-9)标准，以满足使用者日益增加的需求。长期演进系统被视为提供高数据传输率、低潜伏时间、封包最佳化以及改善系统容量和覆盖范围的一种新无线接口及无线网络架构，包含有由多个演进式基站(evolved Node-Bs, eNBs)所组成的演进式通用陆地全球无线接入网络(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN)，其一方面用以与客户端进行通讯，另一方面用以与处理非接入层(Non Access Stratum, NAS)控制的核心网络进行通讯， 而核心网络包含伺服网关器(serving gateway)及移动管理单元(Mobility Management Entity, MME)等装置。先进长期演进(LTE-advanced，LTE-A)系统为长期演进系统的进阶版本，其包 ^ .] (carrier aggregation)、t办i周多专: / Ii1Ifc (coordinated multipoint transmission/reception, CoMP) UR^^iA^^iHi (multi-input multi-output, ΜΙΜΟ) 等先进技术，以延展频宽、提供快速转换功率状态及提升小区边缘效能。为了使先进长期演进系统中的客户端及演进式基站能相互通讯，客户端及演进式基站必须能支持为了先进长期演进系统所制定的标准，如第三代合作伙伴计划第十版本(3GPP Rel-ΙΟ)标准或较新版本的标准。进一步地，在多种多输入多输出方法中，发射分集(transmit diversity)被视为可克服信道衰减的一有效且经济的方法。为了实现发射分集，传送端需配置有多个天线，接收端所配置天线的数量则不受限制。因此，在使用发射分集克服信道衰减的情形下，可于接收端使用一根天线来降低接收端的复杂度。进一步地，实现发射分集的方式是未有所限，举 列来说，可使用空时编石马(space-time coding, ST coding)或空频编石马(space-frequency coding, SF coding)来实现发射分集。以空时编码来说，由于基于正交码的空时编码可进一步降低其复杂度，已成为目前较为受欢迎的空时编码方式。正交码可针对两个或多个发射天线来设计，其优点为传送端可在不需要信道信息的情形下使用正交码，接收端也仅需要使用线性处理即可正确地还原由正交码所编码的数据。另一方面，通过结合正交频分多工 (orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)，基于正交码的空频编码亦可用来实现发射分集。在此情形下，发射分集不仅可克服平坦信道衰减(flat channel fading), 也可克服选择性信道衰减(selective channel fading)。需注意的是，通过适当的修改，空时编码亦可与正交频分多工结合来实现发射分集。当正交频分多工结合多输入多输出时，可被称为多输入多输出正交频分多工(ΜΙΜΟ OFDM)。然而，即使多输入多输出正交频分多工可用来克服信道衰减，但无法消除噪声及干扰等负面影响，其中噪声可为加成性白高斯噪声(additive white Gaussian noise, AWGN)，干扰可为小区间干扰(inter-cell interference)、载波间干扰(inter-carrier interference)及/或多用户干扰(multiuser interference)，不限于此。进一步地，噪声及干扰会于至少一子载波(subcarrier)上，造成极低的信号对噪声比(signal-to-noise ratio, SNR)及 / 或信号对噪声及干扰比(signal-to-noise-plus-interference-ratio, SINR)，使传送于该至少一子载波上的位难以被正确地还原。因此，极低的信号对噪声比及 /或信号对噪声及干扰比会严重地影响位错误率(bit error rate, BER)。换句话说，极低的信号对噪声比及/或信号对噪声及干扰比会大幅提高位错误率。因此，多输入多输出正交频分多工需要进一步地被改善。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种方法及其通讯装置，用于多输入多输出正交频分多工(ΜΙΜ0 OFDM)系统，用来处理双极正交(antipodal parauitary,APU)预编码 (precoding)，以解决上述问题。本发明揭露一种传送多个数据码元的方法，用于一无线通讯系统中一传送端，该方法包含有根据一双极正交预编码，将该多个数据码元编码为多个预编码码元；使用多输入多输出及正交频分多工来处理该多个预编码码元，以产生多个传输码元；以及根据该多输入多输出及该正交频分多工的运作，通过多个发射天线，传送该多个传输码元。
30f)300、302、304、306、308 步骤40、50、8060、90410,510,810420、520、8200P_1 0P_J、530、540、830、840522,822532、542、832、842534、544、834、844AT_1 AT_J、ANTl、ANT2214220
程序码
通讯接口单元流程
传送端表
双极正交预编码器多输入多输出处理器正交频分多工处理器
Alamouti编码器反快速傅立叶转换循环前缀增加器
传输天线
具体实施例方式请参考图1，图1为本发明实施例一无线通讯系统10的示意图，其简略地是由一网络端及多个客户端(user equipments, UEs)所组成，其中网络端及客户端支持多输入多输出(multi-input multi-output,ΜΙΜΟ)及正交步页分多工(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)。在图1中，网络端及客户端用来说明无线通讯系统10的架构。于先进长期演进(long term evolution-advanced,LTE-A)系统中，网络端可为一演进式通用陆地全球无线接入网络(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network,E-UTRAN), 包含有多个演进式基站(evolved Node-Bs, eNBs)及中继站(relays)。另一方面，于IEEE 802. 11系统中，网络端可为一接入点(access point，AP)，不限于此。客户端可为移动电话、笔记本型计算机、平板计算机、电子书及可携式计算机系统等移动装置。此外，根据传输方向，可将网络端及客户端分别视为传送端或接收端。举例来说，对于一上链路(uplink， UL)，客户端为传送端而网络端为接收端；对于一下链路(downlink，DL)，网络端为传送端而客户端为接收端。请参考图2，图2为本发明实施例一通讯装置20的示意图。通讯装置20可为图1中的客户端或网络端，包含一处理装置200、一储存单元210以及一通讯接口单元220。处理装置 200 可为一微处理器或一专用集成电路(application-specific integrated circuit, ASIC)。储存单元210可为任一数据储存装置，用来储存一程序码214，并通过处理装置200 读取及执行程序码214。举例来说，储存单元210可为用户识别模块(subscriber identity module, SIM)、只读存储器(read-only memory, ROM)、随机存取存储器(random-access memory, RAM)、光盘只读存储器(CD-ROM/DVD-ROM)、磁带(magnetic tape)、硬盘(hard disk)及光学数据储存装置(optical data storage device)等，而不限于此。控制通讯接口单元220可为一无线收发器，其根据处理装置200的处理结果，用来传送及接收无线信号。请参考图3，图3为本发明实施例一流程30的流程图。流程30用于图1中客户端及/或网络端的一传送端中，用来传送多个数据码元(data symbols)。流程30可被编译成程序码214，其包含以下步骤步骤300:开始。步骤302 根据一双极正交(antipodal paraunitary, APU)预编码(precoding)， 将该多个数据码元编码为多个预编码码元。步骤304 使用多输入多输出及正交频分多工来处理该多个预编码码元，以产生多个传输码元。步骤306 根据该多输入多输出及该正交频分多工的运作，通过多个发射天线，传送该多个传输码元。步骤308:结束。根据流程30，客户端及/或网络端的传送端不会于使用多输入多输出及正交频分多工后，直接传送多个数据码元，而会先根据双极正交预编码，将多个数据码元编码为多个预编码码元。接着，传送端使用多输入多输出及正交频分多工来处理多个预编码码元，以产生多个传输码元，以及根据多输入多输出及正交频分多工的运作，通过多个发射天线，传送多个传输码元。由于多个数据码元于传送的会先经过预编码，通过双极正交预编码所产生的平均效果，可使子载波(subcarriers)上信号对噪声比(signal-to-noise ratio, SNR) 及 / 或信号对噪声及干扰比(signal-to-noise-plus-interference-ratio，SINR)变得平坦(即彼此相似)。换句话说，相异子载波的信号对噪声比及/或信号对噪声及干扰比的差异会被控制在一小范围内，使一子载波上不会发生极低的信号对噪声比及/或信号对噪声及干扰比，进而使传送于其上的位难以被正确复原。详细来说，请参考图4，其为本发明实施例一传送端40的示意图，用来实现流程 30。传送端40包含有一双极正交预编码器410、多输入多输出处理器420、正交频分多工处理器0P_1 0P_J及传送天线AT_1 AT_J。于图4中，双极正交预编码器410会先将多个数据码元St(k)，0彡k彡M-I预编码，以产生多个预编码码元Xt(k)，0彡k彡M-1，其中k、 t及M为整数，且1。t是时间指标，可用来于时域上识别由多个数据码元St (k)所构成的序列，或视为先进长期演进系统中传输区块(transport block)的指标，而不限于此。实现双极正交预编码器410的方法是未有所限，举例来说，其可通过使用以下所述的双极正交多项式矩阵T (ζ)来实现T(Z) = ^TrZ-(式 D
r=0其中T(Z)T(Z)H= I，I是一维度为MXM的单位矩阵(identity matrix)。也就是说，T (ζ)是一维度为MXM的正交(paraunitary)矩阵。(·)Η用来表示共轭转置(conjugate transpose)运算。进一步地，是维度为MXM的矩阵，其所包含元素的大小 (magnitude)是相同，其中P是双极正交多项式矩阵T (χ)的阶数(order)。因此，仅需要加法运算来实现双极正交多项式矩阵T (ζ)，而不需要乘法运算，可降低实现双极正交多项式矩阵T(Z)的复杂度。较佳地，预编码码元Xt (k)可通过以下方程序获得
PXi=ZrTA-,(式 2)
r=0其中Xt= [Xt(O)，···，Xt(M-l)]T& St = [St (0)，· · ·，St (M_l) ]τ。换句话说，Xt (k)可以St (k)及T(Z)的折积来获得。进一步地，根据空时编码(space-time coding, ST coding)或空频编码 (space-frequency coding, SF coding)，多输入多输出处理器420会处理Xt (k)，以产生J
组码元笨(k) ~ t(k)。接着，多输入多输出处理器420亦会分别输入J组码元~ XT(k) 至正交频分多工处理器0P_1 0P_J。在正交频分多工处理器0P_1 0P_J处理J组码元笨(k) ~ ^(k)之后，会对应地产生J组传输码元~ A(n)。最后，传送端40会通过传送天线AT_1 AT_J，分别将J组传输码元~ 传送出去。因此，通过使用双极正交预编码器410所提供平均效果，传送端40可消除噪声及干扰，其中噪声可为加成性白高斯噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)，干扰可为小区间干扰 (inter-cell interference)、载波间干扰(inter-carrier interference)及 / 或多用户干扰(multiuser interference)，使相异子载波的信号对噪声比及/或信号对噪声及干扰比的差异会被控制在一小范围内。数据码元St (k)的位错误率(bit error rate, BER)不会被上述负面效应所影响。请参考图5，其为本发明实施例一传送端50的示意图，用来以空时编码及两个传送天线，举例说明传送端40。传送端50包含有一双极正交预编码器510、多输入多输出处理器520、正交频分多工处理器530及MO以及传送天线ANTl及ANT2。进一步地，多输入多输出处理器520包含有一 Alamouti编码器522，用来执行空时编码。正交频分多工处理器530包含有一反快速傅立叶转换(inverse fast Fourier transform, IFFT) 532及一循环前缀(cyclic prefix, CP)增加器534。相似地，正交频分多工处理器540包含有一反快速傅立叶转换542及一循环前缀增加器M4。传送端50的运作是说明如下。根据式1及式2，双极正交预编码器510先将数据码元s(k)，0彡k彡M-I编码为预编码码元交04 0彡k彡M-Io接着，Alamouti编码
器522会将预编码码元运幻编码为空时编码码元民办)、Xt2(k)、又t+1彳幻及又邮㈨，其中
0彡k彡M/2-1，用来输入正交频分多工处理器530及M0。更详细来说，正交频分多工处理
器530会处理空时编码码元及，以及对应地产生处理结果Xtil (η)及(η)。
最后，传送端50于时间t及t+Ι，通过传送天线ANTl分别传送χ" (η)及Xt^ (η)。相似地，
正交频分多工处理器540会处理空时编码码元及，以及对应地产生处理结果
xt,2 (η)及&+1,2(η)。最后，传送端50于时间t及t+Ι，通过传送天线ANT2分别传送xt,2(n) 及。于图6中，表60用来说明由Alamouti编码器522所建立的预编码码元及空时编码码元间的关系，其中( 广用来表示共轭运算。进一步地，请参考图7，其为根据表60所得反快速傅立叶转换532及542的运作示意图。根据图7，反快速傅立叶转换532会将空时编码码元区块702(即(k))及722(即 Xt+U(k))分别转换为码元区块712(即、(11))及732(即、1，1(11))。接着，码元区块712及 732中的码元会被送入循环前缀增加器534，以分别产生Xu (η)及A+u (η)，其分别于时间 t及t+Ι，通过传送天线ANTl被传送出去。相似地，反快速傅立叶转换542会将空时编码码元区块704(即瓦2(k))及724 (即戈+u(k))分别转换为码元区块714(即、 )及734(即、+u(n))。接着，码元区块714及734中的码元会被送入循环前缀增加器M4，以分别产生 xt,2(η)及，其分别于时间t及t+Ι，通过传送天线ANT2被传送出去。另一方面，请参考图8，其为本发明实施例一传送端80的示意图，用来以空频编码及两个传送天线，举例说明传送端40。传送端50包含有一双极正交预编码器810、多输入多输出处理器820、正交频分多工处理器830及840以及传送天线ANTl及ANT2。进一步地， 多输入多输出处理器820包含有一 Alamouti编码器822，用来执行空频编码。正交频分多工处理器830包含有一反快速傅立叶转换832及一循环前缀增加器834。相似地，正交频分多工处理器840包含有一反快速傅立叶转换842及一循环前缀增加器844。传送端80的运作是说明如下。根据式1及式2，双极正交预编码器810先将数据码元S(k)，0彡k彡M-I编码为预编码码元交(k), 0彡k彡M-I。接着，Alamouti编码器822
会将预编码码元交(k)编码为空频编码码元笨⑷及先⑷,其中0彡k彡M/2-1，用来分别输入正交频分多工处理器830及840。更详细来说，正交频分多工处理器830会处理空频编码码元孓(k),以及对应地产生处理结果Xl(n)。最后，传送端80通过传送天线ANTl传送 X1 (η)。相似地，正交频分多工处理器840会处理空频编码码元,以及对应地产生处理结果&(n)。最后，传送端80通过传送天线ANT2传送& (η)。于图9中，表90用来说明由 Alamouti编码器822所建立的预编码码元及空频编码码元间的关系。进一步地，请参考图10，其为根据表90所得反快速傅立叶转换832及842的运作示意图。根据图10，反快速傅立叶转换832会将空频编码码元区块1002 (即交Jk))转换为码元区块1012(即&(11))。接着，码元区块1012中的码元会被送入循环前缀增加器834，以产生X1 (η)，其通过传送天线ANTl被传送出去。相似地，反快速傅立叶转换842会将空频编码码元区块1004(即元(k))转换为码元区块1014(即A(Ii))。接着，码元区块1014中的码元会被送入循环前缀增加器844，以产生& (η)，其通过传送天线ΑΝΤ2被传送出去。需注意的是，当使用于空时编码及空频编码中的参数M设定为2的幂次方时，如 256、512、10Μ等，可通过使用蝶形结构(butterfly structure)，以较低的复杂度来实现双极正交预编码器及反快速傅立叶转换。进一步地，双极正交多项式矩阵的阶数P会影响双极正交预编码器的复杂度，即复杂度随着P而增加。另一方面，双极正交预编码器的效能亦随着P而增加。在同时考虑复杂度及效能的情形下，可较佳地将P设定为0、2、4、6等较小的数值。此外，根据数据码元S (k)的数量(即M)是反快速傅立叶转换大小(即M/2)的两倍以及空时编码的特性，空时编码码元需要两段时间来传送才可传送完毕。换句话说，数据码元S(k)的信息是分布于\,1(11)、&+,1(11)、&,2(11)及&+1,2(11)中。另一方面，以空频编码来说，于第一次传送中，数据码元S(k)中的一半码元会先用于空频编码，亦即数据码元S(k) 中的一半码元的信息会分布于第一次传送的X1 (η)及&(11)中。接着，于第二次传送中，数据码元S(k)中的另一半码元会才会用于空频编码，亦即数据码元S(k)中的另一半码元的信息会分布于第二次传送的& (η)及&(11)中。请参考图11，其为本发明实施例子载波上信号对噪声比的仿真结果。于图11中， 正交频分多工传送端所使用的传送分集是空时编码，反快速傅立叶转换大小是512(即M/2 =512)，使用及未使用双极正交预编码的信号对噪声比结果皆绘示于图11中。如图所示， 当未使用双极正交预编码时，相异子载波上的信号对噪声比的差异是相当大，随机的噪声亦会在部分载波上造成极低的信号对噪声比。相反地，当使用双极正交预编码时，相异子载波上的信号对噪声比的差异会被控制在一小范围内，因此不会在子载波上出现极低的信号对噪声比。进一步地，请参考图12，其为本发明实施例位错误率的仿真结果，用来说明改善信号对噪声比对位错误率所产生的影响，其中SISO是指未使用双极正交预编码的单输入单输出(single-input single-output, SIS0)系统。数据码元会先后经由四位相位偏移调制(quadrature phase-shift keying,QPSK)及预编码处理。接着，将预编码码元用于空频调制及传送于具有四路径的多路径信道，该信道亦受加成性白高斯噪声所影响。如第图所示，无论于接收端使用强制归零(zero-forcing，ZF)接收机或最小均方误差(minimum mean square error, MMSE)接收机，当使用双极正交预编码时，皆可获得较好(较低)的位错误率。进一步地，即使双极正交多项式矩阵的阶数P系较小的数值，如0或2等，位错误率仍可获得相当大的改善。换句话说，双极正交预编码可在不需要高额外复杂度的情形下，改善位错误率。因此，本发明可在不需要高复杂度的情形下，通过改善接收端所观察到的信号对噪声比，改善位错误率。前述的所有流程的步骤(包含建议步骤)可通过装置实现，装置可为硬件、固件 (为硬件装置与计算机指令与数据的结合，且计算机指令与数据属于硬件装置上的只读软件)或电子系统。硬件可为模拟微电脑电路、数字微电脑电路、混合式微电脑电路、微电脑芯片或硅芯片。电子系统可为系统单芯片(system on chip，SOC)、系统级封装(system in package，SiP)、嵌入式计算机(computer on module, COM)及通讯装置 20。综上所述，双极正交预编码可消除噪声及干扰等负面影响，其中噪声可为加成性白高斯噪声，干扰可为小区间干扰、载波间干扰及/或多用户干扰，使相异子载波上的信号对噪声比及/或信号对噪声及干扰比的差异会被控制在一小范围内，进而使数据码元的位错误率不会被上述负面效应所影响。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种传送多个数据码元的方法，用于一无线通讯系统中一传送端，该方法包含有 根据一双极正交预编码，将该多个数据码元编码为多个预编码码元；使用多输入多输出及正交频分多工来处理该多个预编码码元，以产生多个传输码元；以及根据该多输入多输出及该正交频分多工的运作，通过多个发射天线，传送该多个传输码元。
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据该双极正交预编码，将该多个数据码元编码为该多个预编码码元的步骤包含有P使用一双极正交多项式矩阵，T(Z) = Z1^"以将该多个数据码元编码为该多个预编广0,码码元；其中该双极正交多项式矩阵T (Z)为具有一维度MXM的一正交矩阵，以及i;，0<r<P 为具有该维度MXM的矩阵，其中矩阵中所有元素具有相同大小，r为一整数，以及P为该双极正交多项式矩阵T(Z)的一阶数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中使用该双极正交多项式矩阵以将该多个数据码元编码为该多个预编码码元的步骤包含有将该双极正交多项式矩阵与该多个数据码元折积以获得该多个预编码码元。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该多输入多输出包含有一空时编码。
5.根据权利要求4所述的方法，其中使用该多输入多输出及该正交频分多工来处理该多个预编码码元，以产生该多个传输码元的步骤包含有使用该空时编码以将该多个预编码码元编码为多个空时编码码元； 根据该多输入多输出及该正交频分多工的该运作，于时域配置该多个空时编码码元于多个正交频分多工码元中；以及使用该正交频分多工以将该多个正交频分多工码元转换为该多个传输码元。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该空时编码是一Alamouti编码，以及该多个正交频分多工码元是于该时域上连续。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该多输入多输出包含有一空频编码。
8.根据权利要求7所述的方法，其中使用该多输入多输出及该正交频分多工来处理该多个预编码码元，以产生该多个传输码元的步骤包含有使用该空频编码以将该多个预编码码元编码为多个空频编码码元； 根据该多输入多输出及该正交频分多工的该运作，于频域配置该多个空频编码码元于多个正交频分多工子载波中；以及使用该正交频分多工以将该多个正交频分多工子载波转换为该多个传输码元。
9.根据权利要求8所述的方法，其中该空频编码是一Alamouti编码，以及该多个正交频分多工子载波是于该频域上连续。
全文摘要
一种传送多个数据码元的方法，用于一无线通讯系统中一传送端，该方法包含有根据一双极正交预编码，将该多个数据码元编码为多个预编码码元；使用多输入多输出及正交频分多工来处理该多个预编码码元，以产生多个传输码元；以及根据该多输入多输出及该正交频分多工的运作，通过多个发射天线，传送该多个传输码元。
文档编号H04L27/26GK102447664SQ201110308530
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者任宇智, 冯世迈, 苏炫荣, 钟元晖 申请人:宏达国际电子股份有限公司