多输入多输出信道表现的预测方法
【专利摘要】本发明提供用以预测MIMO信道中的MIMO接收器表现的方法。该方法利用具有相似表现的迭代接收器来估计MIMO或MLD解码器的表现。针对各串流，根据本发明的迭代MIMO有效信号噪声比技术将各MIMO信道的表现映射为一组有效信号噪声比。这组有效信号噪声比随后可被用于提供链路适配反馈，以协助传送器根据传播信道特性选择最适当的传输格式。或者，此信息可被用以根据信道状况改变接收器采用的处理方式，因而得以在信号状况良好时降低接收器的耗电量。
【专利说明】多输入多输出信道表现的预测方法
【技术领域】
[0001]本发明与无线通讯系统相关,尤其相关于预测多输入多输出(multiple inputsmultiple outputs, ΜΙΜΟ)信道中的MIMO接收器的表现，特别是预测以最大似然检测(maximum likelihood detection, MLD)接收器作为MIMO接收器时的表现。本发明提供的技术能达到良好的预测准确性，且复杂度不会太高。本发明提出的MIMO信道MLD表现预测技术可被用以产生链路适配(link adaptation)方案所需要的反馈信息。或者，该表现预测技术可被用于协助接收器根据传播信道特性调整其处理程序。
【背景技术】
[0002]多输入多输出(multiple inputs multiple outputs, ΜΙΜΟ)处理被广泛应用于多种无线通讯系统。采用MIMO技术的目的是希望提供给使用者更高的数据传输量，同时增进系统频谱效率。借由令传送器(通常是基站或蜂窝式系统中的node-B基站)同时传输多个信息流给使用者，MIMO处理能增加数据传输量和频谱效率。接收器端可使用多种技术来撷取传送器提供的信息，例如普遍使用的线性最小均方误差(linear minimum mean squareerror, LMMSE)技术。LMMSE接收器在复杂度相当低的条件下提供了良好的预测表现。另一方面，使用表现接近于最大似然检测(maximum likelihood detection, MLD)接收器的接收方案，能最大化采用MMO处理的无线通讯系统的效率。然而，若考虑MMO信道，要以LMMSE预测MLD接收器(或是表现接近于MLD接收器的接收器)的表现是非常困难的。
[0003]链级(link-level)表现预测通常被应用在两个领域:系统层级的模拟以及为链路适配(link adaptation)产生信道质量量测的反馈信息。以预编码(pre-coding)为基础的MMO技术在无线通讯标准中包含:W1-Fi(可参考IEEE802.16m-2011, Amendment toIEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Part16:Air Interfacefor Broadband Wireless Access Systems-Advanced Air Interface) >3GPP WCDMA(可参 考 3GPP TS25.211, Physical Channels and Mapping of Transport Channelsonto Physical Channels (FDD) (Release7), V7.10.0),以及 3GPP LTE (可参考 3GPPTS36.211, Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channelsand Modulation (Release8), V8.9.0)。这些技术都需要求接收器将预测的链级表现以信道质量指示(channel quality indicator, CQI)的形式反馈至传送器(详情可参考3GPPTS36.213, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layerprocedures (Release8), V8.8.0)。随后,传送器会根据CQI信息来配合传播状况调整其传输格式。此类链路适应机制的整体目标为选择效率最佳的传输格式，并期望提高接收器正确撷取信息的几率。传输格式的效率通常是以其频谱效率表示，但其他指示(例如耗电效率)也可能被纳入考虑。CQI信息通常包含传送器所能使用的调制/编码方案的信息，以期达到一目标接收器检测表现。接收器表现可通过多种指示呈现，例如比特错误率(biterror rate, BER)、区块错误率(block error rate, BLER)及传输量。
[0004]本发明提出的链级表现预测技术的目标为通过一组信号噪声比预测MLD接收器在特定MMO信道中的表现。MMO系统中的每个串流各自有不同的信号噪声比，亦即接收器在加成性白高斯噪声(additive white Gaussian noise, AWGN)信道所能达到的信号噪声比。这些信号噪声比(亦称为有效信号噪声比)可用以估计采用映射功能的接收器在特定MMO信道中的比特错误率及/或区块错误率；该映射功能是根据AWGN信道表现来决定。这些映射功能专属于接收器用以撷取传送信息的技术，其产生方式可为通过链级模拟，或是配合传送器采用的调制及编码方案的特性而产生。借由找出至少一种能达到目标表现的传输格式，接收器能利用有效信号噪声比来产生反馈CQI。正交分频多工(orthogonalfrequency division multiplexing, OFDM)无线通讯系统(例如 3GPPLTE 系统)中不同的副载波的信号噪声比可各不相同。这些信号噪声比通常会被合并为单一信号噪声比，以代表跨越整个传送信号频宽的接收器表现。
[0005]本发明所欲解决的问题可说是预测特定MMO信道中的接收器表现。当接收器是采用LMMSE均衡器时，此预测相对简单。预测MLD接收器于MMO信道中的表现则较为复杂。就通过不同串流传送多个符号的联合解码(joint decoding)而言,实在难以提出一个简单的指示来准确预测所有传送串流的解码表现。此外，实务上还另有限制预测技术的运算复杂度的需求，以期配合存在严格成本及电力限制的接收器。用以配合产生支援链路适配所需的CQI值时，预测技术亦须能针对传送器所支援的各种传输格式皆达到良好的正确性。易言之，不同的传输格式通常会采用不同的调制方案或是不同的错误校正码率，然而无论采用何种传输格式皆须维持一定的表现预测正确性。
[0006]现有已有数种针对MMO信道决定映射功能(用以产生有效信号噪声比)的现有技术。这些现有技术通常是将针对单一传送天线系统设计的方案延伸至MIMO信道方案(例如 2007 年 3 月 R.Yaniv 等人于 ffiEE C802.16e_05/141rl 发表的「CINR Measurementusing the EESM method」，以及 2007 年 5 月 K.Sayana 等人发表的「Link PerformancePrediction based on Mean Mutual Information per Bit (MMIB) of the LLR Channel」)。不幸的是，这些技术存在许多限制。首先，由于这些方法假设所有串流是使用相同的符号分布(constellation),因此无法被广泛套用(可参考2007年4月H。Liu等人于Proc.Vehicular Technology Conference 所发表的「EESM Based Link Error Prediction forAdaptive MIM0-0FDM System」，以及2008年K.Sayana等人于Proc.GL0BEC0M发表的「ShortTerm Link Performance Modeling for ML Receivers with Mutual Information per BitMetrics」)。这些技术不适用于针对不同串流施以不同调制方案的系统。此外，由于这些技术缺乏完整的理论基础，实务上通常需要使用根据链级表现模拟产生的复杂查找表。
[0007]比特平均交互信息(meanmutual information per bit, MMIB)方案和接收区块信息率(received block information rate, RBIR)方案都需要复杂的特征向量(eigenvector)分解，以估计MIMO信道中的MLD接收器表现，但仅达到有限的表现正确性。此外，在用以预测MMO信道中的MLD接收器表现时，指数有效信号噪声比映射(exponential effective SNR mapping EESM)方法的正确性很低。针对 MIMO 信道，EESM和丽IB技术都假设MMO串流为联合编码，因此以单一指示来表示不同串流的MLD表现预测结果。显然，当不同的串流的产生为独立编码时，这些技术都不适用。再者，现有也曾有针对MMO信道的RBIR延伸方案(可参考2010年J.Zhang等人于Proc.1EEE InternationalConference on Communication 发表的「Link Evaluation for MIM0-0FDM System withML Detection」)。这个方法同样是受限于针对不同串流使用相同调制方案的组态，因此对多种应用来说都不适当。举例而言，3GPP LTE标准支援针对不同串流使用不同的调制方案，RBIR延伸方案因此不能用于为符合3GPP LTE标准的蜂窝式通讯系统产生CQI。此外，虽然RBIR延伸方案具有良好的预测正确性，但由于需要计算出精准的平均交互信息(与信道及符号分布方式皆相关)，其运算复杂度非常高。
[0008]另一方面，由于这些现有技术通常假设通讯系统为频域多工，在预测时会采用各信道的频域平均值。在频率多样性有限的传播信道中，这些方案的正确性很低。
【发明内容】
[0009]本发明提供的技术是用以预测MMO信道中的MMO接收器表现。本发明提供的技术可在有限的复杂度条件下达到良好的正确性。本发明提供的方法首先找出一有效信号噪声比，以代表AWGN信道中的信号噪声比。此有效信号噪声比能产生等同于MMO信道中的解调表现。本发明提供的方法适用于在多个MIMO传送串流中使用不同调制方案的系统，并且未对错误校正编码进行任何假设。预测出的接收器表现可被用以产生链路适配反馈，或是配合传播链路特性来调整接收器。
[0010]本发明的实施例提供的方法是用以预测MIMO信道中的MIMO接收器表现。MIMO解码器(尤指MLD解码器)的表现是根据表现相似的迭代(iterative)接收器架构而产生。迭代MMO有效信号噪声比(iterative MIMO effective SNR, IMES)技术被用以将各MMO信道的表现映射为对应于多个串流的一组有效信号噪声比。这组有效信号噪声比随后可被用于提供链路适配反馈，以协助传送器根据传播信道特性选择最适当的传输格式。或者，此信息可被用以根据信道状况改变接收器采用的处理方式，因而得以，举例而言，在信号状况良好时降低接收器的耗电量。
[0011]于一实施例中，MIMO接收器为一 MLD接收器。然而，本发明提供的技术可应用于其他并非采用MLD方案的MIMO接收器架构。
[0012]本发明提出的MES方案是以一迭代接收器作为模型来预测MMO信道中的MMO接收器。此迭代接收器模型于一均衡单元与一软性解映射(soft-demapping)单元间迭代处理输入信号。均衡器的输出端针对各MMO串流产生的最终信号噪声比随后可被用以调整MMO接收器表现。
[0013]该均衡单元利用对于传播信道的估计和对于噪声协方差矩阵的估计来处理输入信号，并减少传播链路造成的影响。均衡后信号随后被传递至该软性解映射单元。该软性解映射单元根据传送器所用的调制符号分布来估计传送器送出的信息比特。借由利用在这两个处理阶段间传递的已知信息，多次迭代增进了这两个单元所产生的估计结果的质量。一般而言，均衡器会提供每个MMO串流的输出信号噪声比的估计值给软性解映射单元。随后，软性解映射单元会相对应地产生符号的平均/变异估计值，作为均衡单元的输入。
[0014]在最终迭代结束后，MES方案会估计出均衡器的输出端的信号噪声比，但不会实际处理输入信号。根据MES方案，一均衡器信号噪声比预测单元利用与传播信道、噪声协方差矩阵、传送符号分布之间的变异相关的知识计算均衡器的输出端的信号噪声比。这些信号噪声比随后被一软性解映射变异预测单元用来更新这些符号分布的变异估计。这两个单元之间随后进行多次迭代，以产生一组最终有效信号噪声比。[0015]于一实施例中，有效信号噪声比被用于产生传送器进行下行链路调度和选择传输格式时所需要的链路适配反馈。此反馈的形式通常是CQI值，并且被据以自预先决定的表格中选择调制方案及编码率。本发明亦提出一有效的搜寻方案，用以减少产生CQI信息的复杂度。此方案利用CQI表格的特性，以限制在针对多个MMO串流搜寻所有调制方案组合时需要计算的有效信号噪声比数量。
[0016]于另一实施例中，借由根据有效信号噪声比选择解调器，接收器可配合链路特性被调整。接收器可具有多重解调架构，而各架构具有不同的运算表现和预测正确性。针对特定的MMO信道，可比较其有效信号噪声比，以选出能提供目标预测表现且运算复杂度最低的解调架构。如此一来，便可在信号状况良好的情况降低接收器的运算复杂度，进而减少耗电量。
[0017]当传输程序是通过多个MMO信道的传播链路进行，借由结合MES方案与现有技术(例如MMIB、RBIR或EESM)，本发明提出的技术可产生单一组有效信号噪声比来代表整个传播链路的MLD表现。上述情况有可能发生在采用分频多工时。首先，可针对不同部分的信号频宽计算多组有效信号噪声比，随后再利用已知的映射技术(例如MMIB、RBIR或EESM)将这些不同的数值合并为单一值，以代表整个信号频宽的表现。 [0018]借由考量对应于预编码及实体信道的组合的多个串流所通过的有效MIMO信道，IMES方法可用于多种不同的MMO技术的链路表现预测，例如空间-时间编码、波束成形(beam-forming)、空间多工信道线性预编码。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明，其中:
[0020]图1绘示一典型MMO系统的简易功能方块图。
[0021]图2呈现了 MMO MLD表现预测的简易功能方块图。
[0022]图3为采用迭代原理的MMO接收器的方块图。
[0023]图4呈现了等效MMO有效信号噪声比映射的方块图。
[0024]图5为在MES演算法中将β系数最佳化的范例。
[0025]图6呈现了根据LMMSE均衡器的信号噪声比运算式得出的信号噪声比估计值，以及利用本发明的MES方案得出的信号噪声比估计值。
[0026]图7所呈现的简化后方块图是用以说明如何应用本发明提出的技术产生反馈信
肩、O
[0027]图8为3GPP LTE标准定义的CQI表格。
[0028]图9是绘示CQI演算法搜寻树的一流程图。
[0029]图10为根据MES预测出的表现调整接收器的一实施例。
[0030]图中元件标号说明:
[0031]110:传送器120⑴-120 (Ntx):传送天线
[0032]130:ΜΜ0 传播信道 140 (I) - 140 (Nj:接收天线
[0033]150:接收器160:信道预测单元
[0034]170:表现预测单元180、1020、1030:解调单元[0035]190:解码单元210:MLD单元
[0036]220:LLR产生单元310:MM0均衡单元
[0037]320:软性解映射单元410:均衡器SNR预测单元
[0038]420:软性解映射变异预测单元
[0039]710:表现预测及反馈产生单元
[0040]720:调制及编码方案适配单元
[0041]910~934:流程步骤
[0042]1010:选择单元
【具体实施方式】
[0043]本发明的实施例中提供的技术是用以预测MIMO信道中的MMO接收器(尤指MLD接收器)的表现。这些技术提供了良好的预测正确性且复杂度有限。本发明提供的MMO链路预测方法是基于各串流的MLD比特错误率，并且包含针对各MMO串流计算一有效信号噪声比。每一个别信号噪声比值是对应于接收器于AWGN信道中会达到的相同信号噪声比。须说明的是，本发明提出的技术的应用并不限于使用MLD接收器的状况。这些技术适用于任何接收器，只要该接收器的解调表现接近于完整的MLD方案的表现。因此，本发明提出的技术亦适用于其他并非根据MLD方案设计的MMO接收器架构。以下说明主要以MLD接收器为例。
[0044]图1绘示一典型MMO系统的简易功能方块图，其中包含传送器110和接收器150。传送器Iio和接收器150各自包含多个天线120(1) - 120 (Ntx)和140(1) - 140 (Nrx)，这些天线分别通过MIMO传播信道130沟通。该传播信道的模型可为一个大小为NnXNtx的矩阵H，其中的各个元素对应于该多个传送天线及该多个接收天线间的不同链路。为了协助接收器150估计传播信道，传送器110通常会传送参考符号。信道预测单元160可利用这些已知的参考符号来估计传播信道矩阵H。在没有参考符号的情况下，信道预测单元160则可利用盲预测技术。此外，信道预测单元160也会估计接收到的噪声协方差矩阵。
[0045]随后，表现预测单元170根据信道预测单元160估计出的传播信道矩阵H和噪声协方差矩阵来预测解调单元180的表现。解调单元180负责撷取出传送器110提供的信息，亦即针对传送器110送出的编码后信息比特提供估计值。接着，前向纠错码(forwarderror code, FEC)解码单元190利用这些估计值来撷取使用者信息。这些编码后信息比特的估计值可以对数概似比(log-likelihood ratio, LLR)的形式被提供至解码单元190。
[0046]图2呈现了解调单元180的运作方式。解调单元180的模型可包含一 MLD单元210，用以将估计值提供给LLR产生单元220。表现预测单元170的目标在于预测MLD单元210的输出端的表现。
[0047]由于本发明提出的表现预测方法独立处理不同的串流，因此可应用于针对不同MIMO串流分别编码/解码的系统，也可应用于对不同串流施以联合编码/解码的系统。值得注意的是，任何线性信道预编码(例如空间-时间编码、用于空间多工的线性预编码、波束成形)都可被轻易纳入一等效整体MIMO信道中。
[0048]输入信号的模型可被表示为:
[0049]Y=HX+V，(式一)[0050]其中向量:
【权利要求】
1.一种预测一多输入多输出接收器的表现的方法，该多输入多输出接收器接收多个多输入多输出串流，该方法包含: 以一迭代方式于一均衡器模型与一软性解映射单元模型间交换信息，以产生与该多个多输入多输出串流相关的一组信号噪声比。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该交换信息的步骤包含: 提供该均衡器模型的一输出信号噪声比的多个估计值至该软性解映射单元模型；以及自该软性解映射单元模型提供多个传送信号的一后验变异的多个估计值至该均衡器模型，其中该多个传送信号是以该多个多输入多输出串流的形式被接收。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该均衡器模型为一不偏估白化匹配滤波器。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该多输入多输出接收器进一步接收针对多个多输入多输出信道产生的多组信号噪声比；该方法包含: 将该多组信号噪声比中对应于一多输入多输出串流的该多个信号噪声比结合为一单一值，以代表跨越该多个多输入多输出信道的表现。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该结合步骤是以一比特平均交互信息方案进行。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该表现被用于调整该多输入多输出接收器的一信息撷取程序。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该表现被用于产生一反馈信息以用来选择一传送器米用的一传输格式。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,该多个多输入多输出串流是对应于一表格中定义的多个传输格式，该反馈信息的形式为该表格中的一组索引值，产生该反馈信息的步骤包含: 跨越该多个多输入多输出串流，针对该多个传输格式的多个种组合计算多组信号噪声比。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该多个传输格式中的每一个传输格式的一特性对应于一调制阶数与一传输量，该多个传输格式的该表格中的多个索引值被编排为使得一较高调制阶数对应于一较高传输量。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，产生该反馈信息的步骤包含: 测试该表格中的多组索引值，且该表格的至少该特性被用于减少一需测试的组合数量。
11.如权利要求1?9中任一项所述的方法,其特征在于,该多输入多输出接收器为一最大似然检测接收器。
【文档编号】H04L25/03GK103685090SQ201310351722
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2012年9月10日
【发明者】阿贝德卡得·美得斯, 西罗·瓦兰登 申请人:晨星半导体股份有限公司