专利名称：使用压缩感测建构频谱图的方法及其相关通信装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于ー无线通信系统的方法及其通信 装置，尤其涉及ー种使用压缩感测来建构频谱图的方法及其通信装置。
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 Rel-8)标准和/或第三代合作伙伴计划第九版本(3GPP Rel-9)标准，以满足使用者日益増加的需求。长期演进系统被视为提供高数据传输率、低潜伏时间、分组最佳化以及改善系统容量和覆盖范围的一种新无线接ロ及无线网络架构，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(EvolvedUniversal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN),其一方面与用户端进行通信，另一方面与处理非接入层(Non Access Stratum, NAS)控制的核心网络进行通信,而核心网络包含服务网关(serving gateway)及移动管理单兀(Mobility Management Entity,MME)等实体。先进长期演进(LTE-advanced，LTE-A)系统为长期演进系统的进阶版本，其包含有载波集成(carrier aggregation)、协调多点传送/接收(coordinated multipointtransmission/reception, CoMP)以及多输入多输出(multi-input multi-output, ΜΙΜΟ)等先进技木，以延展带宽、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用户端及演进式基站(eNB)能相互通信，用户端及演进式基站(eNB)必须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。除了以上所述先进技术，提高接收信号质量的最有效方法是缩短无线通信系统中传送端及接收端间的距离。在无线通信系统内布建多层次小区(cell)的异质网络(heterogeneous network)概念因此被提出，以缩短传送端及接收端间的距离。举例来说，异质网络包含有三种小区及一中继站(relay node),根据小区的大小，由大至小分别为大型小区(macrocell)、小型小区(picocell)及微型小区(femtocell),其分别由一大型小区基站(base station)、小型小区基站及微型小区基站所管理。相异于仅包含有大型小区的传统网络，异质网络不仅包含有大型小区，每个大型小区内。亦包含有至少ー小型小区、至少ー微型小区及至少一中继站，用来改善异质网络中用户端的输出量。在此情形下，位于一大型小区的涵盖范围中ー用户端，也可能同时位于小型小区或微型小区的涵盖范围中。如果用户端距离大型小区的大型小区基站较远，用户端可与小型小区基站或微型小区基站进行通信，以在使用较低发射功率的情形下，接入如互联网(Internet)、广播电视(TV broadcasting)等服务。即使用户端不在小型小区或微型小区的涵盖范围中，在用户端与该中继站间的通道质量优于用户端与该大型小区基站间的通道质量的情形下，用户端也可通过的中继站来与大型小区基站进行通信。也就是说，中继站可视为用户端及大型小区基站间的桥梁，用来转发传送于用户端及大型小区基站间的信号。换句话说，用户端及大型小区基站在进行通信时，不需要增加发射功率。因此，通过使用小型小区基站、微型小区基站或中继站，可降低用户端及大型小区基站的功率消耗。进ー步地，由于用户端与小型小区基站、微型小区基站或中继站间的距离较短，用户端所传送及接收信号的质量可获得提升，进而提高用户端的输出量。然而，即使异质网络可降低用户端及大型小区基站的功率消耗，在小型小区基站、微型小区基站及中继站可能在相同时间及重叠带宽内传送及接收信号的情形下，大型小区中的干扰亦同时跟着増加。因此，必须减轻或避免干扰，以有效 地实现异质网络所帯来的效益。举例来说,小区的基站可根据小区中功率强度(power intensity)(如信号強度)的地理分布来配置资源给用户端，以最小化用户端所遭受的干扰。也就是说，基站应该具有一频谱图(spectrum map),其可显示小区中功率强度的地理分布,使基站可根据频谱图来配置资源给用户端。然而，基站需根据多个用户端所传送的測量报告来建构频谱图。如果要提高频谱图的精确度，则需使用占用资源较多的測量报告，产生较多的冗余(overhead)。另ー方面，如果用户端先对测量报告执行低采样(undersampling)以降低冗余，再传送至基站，即只有部分的测量报告被传送至基站，则根据奈奎斯特定理(Nyquist Theorem),基站会无法完整地还原测量报告，即信息被过度地压缩或低采样，使该信息无法在不失真的情形下被还原。也就是说，測量报告的部分信息会遗失，使频谱图产生失真，降低频谱图的精确度。此外，当用户端的数量不足和/或用户端的位置不够均匀时，測量报告也可被视为经过低采样。换句话说，频谱图的高精确度及測量报告的低冗余难以同时被达成，进而难以有效地减轻及避免干扰。因此，如何在使用低冗余的情形下，建构高精确度的频谱图是重要的课题。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供ー种方法及其通信装置，用于使用压缩感测来建构频谱图，以解决上述问题。本发明公开一种建构至少一频带(frequency band)的至少一频谱图(spectrummap)的方法，用于ー无线通信系统的ー网络端，该方法包含有接收由该无线通信系统中多个移动装置所传送的功率信息；使用相关于该多个移动装置的多个位置的一測量矩阵，用来处理该功率信息以获得采样的功率信息，其中该测量矩阵的行(column)数大于该測量矩阵的列(row)数；产生满足约束等距性(restricted isometry property,RIP)的一修正矩阵，用来处理该測量矩阵，以及根据该修正矩阵及该测量矩阵，获得满足该约束等距性的一修正的測量矩阵；使用LI范数(L1 norm)及该修正的測量矩阵，以根据该采样的功率信息获得估计的功率信息；以及根据该估计的功率信息，建构该至少ー频带的该至少ー频谱图。
图I为本发明实施例ー无线通信系统的示意图。
图2为本发明实施例一通信装置的示意图。图3为本发明实施例一流程的示意图。图4为本发明实施例一频带的一等高线图的示意图。图5为本发明实施例多个频带的多个等高线图的示意图。
主要元件符号说明10无线通信系统20通信装置200处理装置210存储单元214程序代码220通信接ロ单元30流程300、302、304、306、308、310、步骤31240频谱图FBl FBN频带MCELl MCEL2大型小区PCELl PCEL2小型小区FCELl FCEL2微型小区MBSl MBS2大型小区基站PBSl PBS2小型小区基站FBSl FBS2微型小区基站UEl UE3用户端
具体实施例方式请參考图1，图I为本发明实施例ー无线通信系统10的示意图，其简略地由ニ个大型小区(macrocells)MCELl MCEL2所组成。无线通信系统10较佳地可为采用宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access,WCDMA)的通用移动电信系统(UniversalMobile Telecommunications System, UMTS)。或者，无线通信系统10可为采用正交频分复用(orthogonal frequency-division multiplexing, 0FDM)和/或正交频分多重接入(orthogonal frequency-division multiple access, 0FDMA)的长期演进(Long TermEvolution, LTE)系统及先进长期演进(LTE-Advanced，LTE-A)系统。大型小区MCELl MCEL2分别由大型小区基站(base station)MBSl MBS2所管理。进ー步地，大型小区MCEL2 包含有用户端(user equipments, UEs)UEl UE3、微型小区(frmtocells)FCELl FCEL2的微型小区基站FBSl FBS2及小型小区(picocells) PCELl PCEL2的小型小区基站PBSl PBS2。此外，其他用户端仅以黑色方块表示而加以不标示，以简化图示。因此，无线通信系统10可被视为包含有多层次小区的异质网络(heterogeneous network)。一般而言，在一大型小区中，小型小区、微型小区及中继站会被布建于热点(hotspot)、办公室、社区等地点，用来补强大型小区的涵盖范围，以提供较佳质量的服务给用户端以及降低大型小区基站及用户端的功率消耗。当大型小区中ー用户端位于小型小区、微型小区及中继站的涵盖范围中时，用户端将不会与大型小区的大型小区基站进行通信，而会与小型小区的小型小区基站或微型小区的微型小区基站进行通信，以存取服务。需注意的是，以上所述的小区、基站及用户端用于简单说明无线通信系统10的架构。实际上，大型小区基站MBSl MBS2可为通用移动电信系统中通用陆地全球无线接入网络(Universal Terrestrial Radio Access Network, UTRAN)的基站(Node-Bs,NBs)，或者为长期演进系统或先进长期演进系统中演 进式通用陆地全球无线接入网络(Evolved-UTRAN, E-UTRAN)的演进式基站(evolved NBs, eNBs),不限于此。小型小区基站PBSl PBS2及微型小区基站FBSl FBS2可为涵盖范围较小的基站(NBs)或演进式基站(eNBs)，或者为新布建的基站，其具有部分或完整基站(NBs)或演进式基站(eNBs)的功能。用户端可为移动电话、笔记型计算机、平板计算机、电子书及可携式计算机系统等装置。此夕卜，根据传输方向，可将基站(如大型小区基地、小型小区基地或微型小区基站)及用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)，用户端为传送端而站台为接收端；对于ー下链路(downlink, DL),站台为传送端而用户端为接收端。请參考图2，图2为本发明实施例一通信装置20的示意图。通信装置20可为图I中的用户端或基站，包含ー处理装置200、一存储单元210以及一通信接ロ单元220。处理装置200可为ー微处理器或一特定应用集成电路(application-specific integratedcircuit, ASIC)。存储单元210可为任ー数据存储装置，用来存储ー程序代码214，并通过处理装置200读取及执行程序代码214。举例来说，存储单元210可为用户识别模块(subscriber identity module, SIM)、只读式存储器(read-only memory, ROM)、随机存取存储器(random-access memory, RAM)、光盘只读存储器(CD-R0M/DVD-R0M)、磁带(magnetictape)、硬盘(hard disk)及光学数据存储装置(optical data storagedevice)等,而不限于此。通信接ロ単元220可为ー无线收发器，其根据处理装置200的处理结果，用来传送及接收无线信号。请參考图3，图3为本发明实施例一流程30的流程图。流程30用于图I的大型小区基站MBS2中，用于使用压缩感测(compressed sensing)来估计至少一频带的功率信息(如功率强度(power intensity)),以建构至少ー频谱图。流程30可被编译成程序代码214，其包含以下步骤步骤300:开始。步骤302 :接收由该无线通信系统中多个用户端所传送的该功率信息。步骤304:使用相关于该多个用户端的多个位置的一測量矩阵，用来处理该功率信息以获得采样的功率信息，其中该测量矩阵的行(column)数大于该測量矩阵的列(row)数。步骤306 :产生满足约束等距性(restricted isometry property, RIP)的一修正矩阵，用来处理该測量矩阵，以及根据该修正矩阵及该测量矩阵，获得满足该约束等距性的一修正的測量矩阵。步骤308 :使用LI范数(L1 norm)及该修正的測量矩阵，以根据该采样的功率信息获得估计的功率信息。步骤310 :根据该估计的功率信息，建构该至少ー频带的该至少ー频谱图。
步骤312:结束。根据流程30，在大型小区基站MBS2接收由无线通信系统中多个用户端所传送的功率信息后，大型小区基站MBS2会使用相关于多个用户端的多个位置的測量矩阵，用来处理功率信息以获得采样的功率信息，其中測量矩阵的行数大于测量矩阵的列数。此外，大型小区基站MBS2会产生满足约束等距性的修正矩阵，用来处理测量矩阵，以根据修正矩阵及測量矩阵，获得满足约束等距性的修正的測量矩阵。接着，大型小区基站MBS2使用LI范数及修正的測量矩阵，以根据该采样的功率信息获得估计的功率信息，以及根据估计的功率信息，建构至少一频带的至少ー频谱图。由于多个用户端 的位置系随机以及多个用户端的数量可能不足，大型小区基站MBS2所接收的功率信息可视为低采样(undersampled)，使至少ー频谱图产生失真。然而，利用约束等距性(即压缩感测)可大幅降低失真，提高至少ー频谱图的精确度。进ー步地，在使用LI范数的情形下，可以较低的复杂度来实现流程30。因此，可同时实现高精确度及低冗余。需注意的是，流程30的精神在于基站接收由多个用户端所传送的功率信息(如经由测量而得的功率信息)后，使用LI范数及满足约束等距性的修正的測量矩阵来估计实际的功率信息，实现流程30的方法系未有所限。举例来说，大型小区基站MBS2根据y = Mx产生采样的功率信息，其中y系采样的功率信息的向量，其具有维度mX I ;M系測量矩阵，其具有维度mXn及n>m;X系至少ー频带上的功率信息(如经由测量而得的功率信息)的向量，其具有维度nXl，其中向量X的元素(elements)由多个用户端所传送。也就是说，每个用户端会传送ー些元素，大型小区基站MBS2于收集多个用户端所传送的元素后，产生向量X，其中每个用户端传送的元素至达大型小区基站MBS2的时间点可有些微不同。较佳地，n >>m。在接收功率信息后，大型小区基站MBS2根据下式获得估计的功率信息，γ = Gz, wherein x = Gz, G = MG,z = arg minlzL, s . t. γ = GzX = G￡,(式 I)其中石是满足约束等距性的修正的測量矩阵，其具有维度mXn;G是修正矩阵，其具有独立且同分布(independent and identically distributed, i. i. d)高斯(Gaussian)元素以及具有维度nXn 是估计的功率信息的向量,其具有维度ηΧ I ; 及ζ是虚拟向量(dummy vectors),其具有维度ηΧ I ;以及| | | | i是该LI范数。由于测量矩阵M不一定满足约束等距性，大型小区基站MBS2将测量矩阵M乘上修正矩阵G，以使修正的測量矩阵石满足约束等距性。因此，大型小区基站MBS2可获得近乎无失真的虚拟向量 ,据此获得近乎无失真的估计的功率信息*。此外，由于可使用低复杂度的算法来计算LI范数，大型小区基站MBS2仅需消耗低复杂度即可获得虚拟向量 。简单来说，大型小区基站MBS2可在近乎无失真(即实际功率信息与估计的功率信息id旬的差异系极小)及低复杂度(即较少的计算)的情形下获得估计的功率信息ih，需注意的是，可使用任一形式的示意图来绘示或展示一频带的频谱图，例如使用一直方图(histogram)或一等高线图(contour map),不限于此。举例来说,请參考图4,其为本发明实施例一频带的一等高线图40的示意图。等高线图40用来说明由大型小区基站MBS2所获得的频谱图。详细来说，等高线图40中的每一条等高线表示估计的功率信息的一強度。高密度的等高线表示功率強度的变化幅度较大，高密度的等高线表示功率強度的变化幅度较小。举例来说，由于用户端UEl UE2位于功率强度较低(如低使用度或低干扰)的等高线上，大型小区基站MBS2可配置较多的无线资源(如资源区块(resource blocks))给用户端UEl UE2。相反地，由于用户端UE3位于功率强度较高(如高使用度或高干扰)的等高线上，大型小区基站MBS2可配置较少的无线资源给用户端UE3。因此，大型小区基站MBS2可根据等高线图40来有效地配置无线资源给用户端。需注意的是，建构矩阵G的方法有很多种，举例来说，大型小区基站MBS2可产生独立且同分布高斯元素来建构矩阵G，或者根据ー特定的准则(例如较佳的效能)来建构矩阵G，不限于此，只要矩阵G由独立且同分布高斯元素所构成即可。此外，用户端可根据ー指示(indication)产生功率信息。举例来说，该指示用来指示至少ー频带给用户端，使用户端可在该至少一频带上获得或測量功率信息。进ー步地，该指示也可用来指示功率信息所需包含的内容或用户端该于何时(如在哪些时间点)传送功率信息。举例 来说，功率信息可为用户端所测量的功率強度或其他与信号強度相关的信息。进ー步地，用户端可直接传送所测量的原始功率信息，或者用户端先量化(quantize)所测量的原始功率信息后，再传送量化的功率信息，以减少传送功率信息所需的无线资源。此外，该指示可用来指示传送功率信息所需的无线资源。另ー方面，大型小区基站MBS2可通过ー广播通道(如广播通道(broadcast channel, BCH))、一数据通道(如实体下链路共享通道(physical DL sharedchannel,F1DSCH))或一控制通道(如实体下链路控制通道(physical DL control channel,PDCCH))来传送该指示至用户端，不限于此。至少ー频谱图所根据的至少ー频带可为配置给用户端的所有频带、配置给用户端的该所有频带中的部分频带或未配置于用户端的频带。如果用户端在一时间点仅测量及回报所有频带中部分频带的功率信息，大型小区基站MBS2可指示用户端于其他时间点測量及回报所有频带中其他频带的功率信息。也就是说，根据本发明，大型小区基站MBS2可在不同时间点建立多个频带的多个频谱图。请參考图5，其为本发明实施例多个频带的多个等高线图的示意图。多个等高线图分别用来说明频带FBl FBN的多个频谱图。进一歩地，建构多个频谱图所需的功率信息可由用户端于同一时间点(但可允许有些微不同)传送至大型小区基站MBS2，即每个用户端在该时间点传送N个元素的功率信息，大型小区基站MBS2可收集所收到的功率信息来产生一大的向量(即向量X具有多个元素)，以建构频带FBl FBN的多个频谱图。或者，建构多个频谱图所需的功率信息可由用户端于N个时间点分别传送至大型小区基站MBS2，即每个用户端在每ー时间点仅传送I元素的功率信息，其对应于ー频带，大型小区基站MBS2可在N个时间点后收集到足以产生N个向量(即N个向量X，其中每个向量X具有少量元素)的功率信息，以建构频带FBl FBN的多个频谱图。换句话说，单一向量X可包含有对应于一或多个频带的功率信息，以通过流程30 (如式I)做进ー步处理。因此，大型小区基站MBS2可根据多个等高线图来弾性地配置频带FBl FBN的无线资源(如资源区块(resourceblocks))给用户端。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。硬件可为模拟微计算机电路、数字微计算机电路、混合式微计算机电路、微计算机芯片或娃芯片。电子系统可为系统单芯片(system on chip, S0C)、系统级封装(system in package, SiP)、嵌入式计算机(computer on module, COM)及通信装置 20。
综上所述，本发明提出ー种方法，用于使用压缩感测以建构ー或多个频谱图。本发明不仅通过使用LI范数来降低建构频谱图所需的复杂度，亦使用压缩感测(即约束等距性)来提高频谱图的精确度。以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要 求书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
1.一种建构至少一频带(frequency band)的至少一频谱图(spectrum map)的方法，用于ー无线通信系统的ー网络端，该方法包含有 接收由该无线通信系统中多个移动装置所传送的功率信息； 使用相关于该多个移动装置的多个位置的一測量矩阵，用来处理该功率信息以获得采样的功率信息，其中该测量矩阵的行(column)数大于该測量矩阵的列(row)数； 产生满足约束等距性(restricted isometry property,RIP)的一修正矩阵,用来处理该测量矩阵，以及根据该修正矩阵及该测量矩阵，获得满足该约束等距性的一修正的測量矩阵； 使用LI范数(L1 norm)及该修正的測量矩阵，以根据该采样的功率信息获得估计的功率信息；以及 根据该估计的功率信息，建构该至少ー频带的该至少ー频谱图。
2.如权利要求I所述的方法,其中该网络端根据y= Mx产生该采样的功率信息，其中Y是该采样的功率信息的一向量，其具有ー维度mX I ；M是该测量矩阵，其具有ー维度mXn及η > m ;x是该功率信息的一向量,其具有ー维度nX I,其中该向量x的元素(elements)由该多个移动装置所传送；以及该网络端根据下式获得该估计的功率信息， Y = Gz, wherein x = Gz, G = MG,z = arg IninIIzII1, s.t. γ = Gz X = Gz, 其中石是满足该约束等距性的该修正的測量矩阵，其具有该维度mXn;G是该修正矩阵，其具有独立且同分布(independent and identically distributed, i. i. d)高斯(Gaussian)元素以及具有ー维度nXn 是该估计的功率信息的一向量，其具有该维度nX I 及ζ是虚拟向量(dummy vectors),其具有该维度nX I ;以及| | | |丨是该LI范数。
3.如权利要求2所述的方法，其中该网络端产生该独立且同分布高斯元素，用于建构该修正矩阵G。
4.如权利要求I所述的方法，其中该多个移动装置根据一指示(indicarion)产生该功率信息，该指示由该网络端所产生及传送至该多个移动装置。
5.如权利要求4所述的方法，其中该指示用来指示该至少一频带。
6.如权利要求4所述的方法，其中该多个移动装置根据该指示传送该功率信息至该网络端。
7.如权利要求6所述的方法，其中该指示用来指示资源，以及该资源由该多个移动装置使用于传送该功率信息。
8.如权利要求6所述的方法,其中该指示用来指示至少ー时间点(timeinstant),以及该多个移动装置于该至少ー时间点传送该功率信息。
9.如权利要求4所述的方法，其中该网络端通过ー广播通道(broadcastingchannel)、一数据通道(data channel)或一控制通道(control channel)传送该指示至该多个移动装置。
10.如权利要求I所述的方法，其中该至少一频带被配置给该多个移动装置的所有频带、配置给该多个移动装置的该所有频带中的部分频带或未配置于该多个移动装置的频带。
11.如权利要求I所述的方法，其中该功率信息包含有功率强度(powerintensity)。
12.如权利要求I所述的方法，其中该功率信息是该多个移动装置所测量的原始功率信息，或者该功率信息是该多个移动装置从该原始功率信息所获得的量化的(quantized)功率信息。
全文摘要
使用压缩感测建构频谱图的方法及其相关通信装置。该方法包含有接收由一无线通信系统中多个移动装置所传送的功率信息；使用相关于该多个移动装置的多个位置的一测量矩阵，用来处理该功率信息以获得采样的功率信息，其中该测量矩阵的行数大于该测量矩阵的列数；产生满足约束等距性的一修正矩阵，用来处理该测量矩阵，以根据该修正矩阵及该测量矩阵，获得满足该约束等距性的一修正的测量矩阵；使用L1范数及该修正的测量矩阵，以及根据该采样的功率信息获得估计的功率信息；以及根据该估计的功率信息，建构该至少一频带的该至少一频谱图。
文档编号H04W24/00GK102684797SQ20111043637
公开日2012年9月19日 申请日期2011年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者施颂音, 朱峰森, 陈光祯 申请人:宏达国际电子股份有限公司