CN101437008B - 多输入输出多载波系统的接收机及其天线选择装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种多重输入输出(MIMO)的多载波系统的接收机及其接收天线选择装置与方法，可有效地选取具较佳信号检测效能的接收天线组合，提升系统效能。该选择装置包含信道估测单元及天线选择单元。前者用以产生各MIMO信道在各子载波的对应信道矩阵，后者则依据该对应信道矩阵，产生各种可能的接收天线组合在各子载波的一传输容量参数，并依据该传输容量参数，选取可达到整体的最佳传输容量的接收天线组合。

Description

多输入输出多载波系统的接收机及其天线选择装置与方法

技术领域

本发明是有关于通讯系统，尤指一种多重输入输出的多载波系统的接收机及其接收天线选择装置与方法。

背景技术

在现今的通讯系统中，为了达到更高的传输速率及更广的传输范围，常运用多重输入输出(Multiple Input Multiple Output，简称MIMO)的技术，亦即使用多根发射天线及接收天线，以允许同时传送多个彼此独立的信号流(signal stream)。虽然MIMO技术可增加系统效能，但使用多根接收天线会使得系统的接收机的耗功增加。因此，如何在所有接收天线中有效地选择信号检测效能较佳的天线，对于减少耗功来说是非常重要的。当同一时间只传送一个信号流时，可选择信号能量最强的几根接收天线为接收信号源，以进行信号检测。但是，当多个信号流一起传送时，由于信号流彼此间会互相干扰，若依接收信号的强度来选择天线，并未能产生明显的效果。

就多载波(multi-carrier)系统而言，例如正交分频多工(orthogolalfrequency division multiplexing，简称OFDM)系统，由于其同时在多个子载波(sub-carrier)传送信号，因而其在利用MIMO技术传送多重信号流时，信号流彼此间的干扰情形会更加复杂，若直接选取信号能量最强的几根接收天线来进行信号检测，效果更不明显。

发明内容

有鉴于此，本发明目的之一，在于提供一种多载波系统的接收天线选择装置及其选择方法，以有效地选取具较佳信号检测效能的接收天线组合，提升系统效能。

本发明目的之一，在于提供一种多载波系统的接收天线选择装置及其选择方法，其可在多载波系统采用调间插(tone-interleaved)方式传送前导信号(preamble signal)时，有效率地选取具较佳信号检测效能的接收天线组合，以提升系统效能。

本发明目的之一，在于提供一种多重输入输出的多载波系统的接收机，其可利用特殊的接收天线选择机制，有效地选取具较佳信号检测效能的接收天线组合，以提升系统效能。

在本发明的一个实施例中，揭露一种多载波系统的接收天线选择方法。该多载波系统具有多个发射天线、多个接收天线及多个子载波，这些子载波包含多个被参考子载波。该选择方法包含下列步骤：对于这些发射天线分别与多个接收天线组合的每一个所形成的多个信道，产生各信道在各被参考子载波的对应信道矩阵(channel matrix)，其中各接收天线组合包含至少一个接收天线；依据该对应信道矩阵，产生各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数(capacity parameter)，其中该传输容量参数是对应于该接收天线组合在该被参考子载波的传输容量；以及依据各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数，从这些接收天线组合中选取接收天线组合。

在本发明的另一实施例中，揭露一种多载波系统的接收天线选择装置。该多载波系统具有多个发射天线、多个接收天线及多个子载波，这些子载波包含多个被参考子载波。该选择装置包含：信道估测单元，耦接至这些接收天线，用以产生多个信道的每一信道在各被参考子载波的对应信道矩阵，其中这些信道是由这些发射天线分别与多个接收天线组合的每一个所形成，各接收天线组合包含至少一个接收天线；以及天线选择单元，耦接至该信道估测单元与这些接收天线，用以依据该对应信道矩阵，产生各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数，并依据该传输容量参数，选取这些接收天线组合其中之一，以启动该选取组合中的各接收天线。

附图说明

第1图是依据本发明的一个实施例，绘示多载波系统的架构图。

第2A图是显示两个发射天线以调间差方式传送前导信号的一例。

第2B图是显示在第2A图的传送方式下，每个接收天线所接收的前导信号。

第3A图是显示三个发射天线以调间差方式传送前导信号的一例。

第3B图是显示在第3A图的传送方式下，每个接收天线所接收的前导信号。

第4图是本发明的多载波系统的接收天线选择方法的一实施例的流程图。

附图标记说明

1：多载波系统            11：发射机

111：发射天线            12：接收机

121：接收模块            1211：接收天线

1212：OFDM单元           122：接收天线选择装置

1221：通道估测单元       1222：天线选择单元

123：计算电路            124：信道均衡器

125：信号侦测电路

21、22、31、32、33：前导序列期间

具体实施方式

在以下所述的实施例中，多载波系统是以OFDM系统为例。惟本发明所属技术领域中具有通常知识者，当能将本发明的技术特征推广至其他多载波系统，所以本发明的范围当不限于OFDM系统。

第1图是依据本发明的一个实施例，绘示多载波系统的架构图。图中，多载波系统1是MIMO-OFDM系统，其发射机11具有Nt个发射天线111，接收机12具有Nr个接收模块121，每个接收模块121代表接收路径，其包含接收天线1211及OFDM单元1212。多载波系统1于传收资料前，发射机11会先传送特定的前导信号，各个接收天线1211在收到该前导信号后，经由OFDM单元1212处理(包含从射频至基频的解调、类比至数位的转换、OFDM解码等等)后，再送至接收天线选择装置122。接收天线选择装置122会依据各OFDM单元1212处理后的前导信号，选取Nr个接收模块121的其中Na个，用于接收发射机11后续所传送的资料，并将其他未被选取的接收模块121关闭，以达到省电效果。另一方面，在接收天线选择装置122选定Na个接收模块121后，计算电路123会进行信道均衡器124系数的计算。信道均衡器124则待系数决定后，进行所接收资料的等化动作，再送至信号检测电路125进行检测。

由于接收天线选择装置122是从Nr个接收模块121中选取Na个，因而可考虑的选择方式共有C_Na ^Nr种，其中每一种各代表接收天线组合。对于任一接收天线组合S而言，其与Nt个发射天线111间会形成MIMO信道(因此共可形成C_Na ^Nr个MIMO信道)。若多载波系统1具有n个子载波，则该MIMO信道在第k个子载波(k＝0-n-1)所对应的信道矩阵为

式(1-1)

式(1-1)中，各个矩阵元素(matrix element)是分别代表各个发射天线111与接收天线组合S的每一接收天线1211间在第k个子载波的信道响应。例如，h_S1，Nt即代表接收天线组合S的第一个接收天线1211与第Nt个发射天线111间在第k个子载波的信道响应。

基于式(1-1)的信道矩阵，该MIMO信道在第k个子载波的最佳的传输容量(capacity)为

            C(k)＝log det(I+γH_S′(k)H_S(k))    式(1-2)

其中，I为单位矩阵(identity matrix)，γ为接收端的讯杂比(SNR)，H_S′(k)为H_S(k)的共轭转置(Hermitian)矩阵。式(1-2)是本发明所属技术领域具有通常知识者所熟知，此处不多做说明。关于进一步的说明，请参阅S.Sanayeiand A.Nosratinia，“Antenna selection in MIMO systems，”IEEECommunications Magazine，pp.68-73，Oct.20004。

为使多载波系统1达到最好的传收效果，应选取可达到最佳传输容量的接收天线组合。式(1-2)所示是MIMO信道(及其对应的接收天线组合)在单一子载波所具有的最佳传输容量，而由于多载波系统1是利用n个子载波同时在传收资料，因此在选取接收天线组合时，不能仅考虑其中任何单一的子载波。所以，接收天线选择装置122是考虑所有接收天线组合在n个子载波中的多个被参考子载波所分别具有的传输容量，以选取可达到整体的最佳传输容量的接收天线组合。在实施例中，接收天线选择装置122是考虑所有n个子载波，亦即这些被参考子载波即为该n个子载波。在另一实施例中，接收天线选择装置122是考虑部分的子载波(即这些被参考子载波为该n个子载波的一子集合)，以选取最佳的接收天线组合。例如，由于邻近的子载波具有相近的信道响应及传输容量，所以每m个(m＞1)相邻的子载波可只考虑其中之一，以减少运算量。如m＝2时，可只考虑奇数或偶数的子载波；m＝3时，可只考虑第0，3，6...个子载波或第l，4，7...个子载波或第2，5，8...个子载波。m的最大容许值可依据信道特性而有所调整。

细言的，接收天线选择装置122包含信道估测单元1221与天线选择单元1222。信道估测单元1221分别耦接至Nr个OFDM单元1212，并依据OFDM单元1212处理后的前导信号，产生各个MIMO信道在各被参考子载波的对应信道矩阵，如式(1-1)所示。天线选择单元1222耦接至信道估测单元1221与Nr个接收模块121。天线选择单元1222中的计算逻辑可依据信道估测单元1221所产生的信道矩阵，产生各MIMO信道(及其对应的接收天线组合)在各被参考子载波的传输容量参数。此处的传输容量参数是对应于该MIMO信道在该被参考子载波的传输容量(例如，式(1-2)所示的最佳传输容量)，可用以代表该MIMO信道在该被参考子载波的传输容量高低。假设该MIMO信道的对应接收天线组合为S，该被参考子载波为第k个子载波，则可依据式(1-2)，产生下列各种形式的传输容量参数：(1)直接以式(1-2)中的行列式det(I+γH_S′(k)H_S(k))作为传输容量参数，但是所需运算量较大。(2)在接收端讯杂比γ较大的时候，可忽略杂讯的影响，因而可以简化的行列式det(H_S′(k)H_S(k))来作为传输容量参数，以节省运算量。(3)当发射天线111的个数Nt与接收天线组合S的接收天线l211的个数Na相同时，则可以更简化的行列式det(H_S(k))作为传输容量参数，以大幅减少所需的运算量。值得注意的是，只要传输容量参数可用以代表MIMO信道在被参考子载波的传输容量高低，其形式并无限制。

进一步，天线选择单元1222中的选择逻辑即依据各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数，从C_Na ^Nr个接收天线组合中选取第一接收天线组合，并启动该第一接收天线组合的各接收天线1211及其所在的接收模块121。在实施例中，天线选择单元1222中的选择逻辑是依据各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数的和选取第一接收天线组合。例如，第一接收天线组合为各被参考子载波的传输容量参数的和为最大者。在第一较佳实施例中，天线选择单元1222中的选择逻辑是依据各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数的倒数的和，选取第一接收天线组合。例如，第一接收天线组合为各被参考子载波的传输容量参数的倒数的和为最小者。在第一较佳实施例中，可将信道响应较差的子载波对于整体影响的权重放大。如此，对于信道编码率(channel coding rate)较大，也就是编码保护能力较差的情形，会有明显的效能改进。

在第二较佳实施例中，若多载波系统1的Nt个发射天线111以调间插方式，于n个子载波传送包含多个前导序列的前导信号，则信道估测单元1221是于接收天线1211收到各子载波的第一个前导序列时，开始产生各MIMO信道在各被参考子载波的对应信道矩阵，亦即开始进行接收天线1211的选择。并且，在该对应信道矩阵中，对应于各MIMO信道的接收天线组合中的各接收天线1211的矩阵元素，是依据该接收天线1211在该被参考子载波或邻近该被参考子载波的其他子载波所接收的第一个前导序列而产生。在此第二较佳实施例中，每一前导序列是为承载训练序列(training sequence)的OFDM符码(symbol)，而调间插的传送方式是表示，在同一时间，不同的发射天线111都在不同的子载波上传送前导序列。因此，接收机12于接收前导信号时，可依据子载波的位置来区别来自不同发射天线111的前导序列。另外，计算电路123会在天线选择单元1222启动第一接收天线组合的各接收天线1211后，进行信道均衡器124的系数的计算。由于在收到第一个前导序列时，即提早开始进行接收天线的选择，因此在收完所有前导序列前，计算电路123就可完成计算系数的动作。由于前导序列后面通常紧接着就是资料，而藉由在前导序列结束前即设定好系数，信道均衡器124便可及时进行资料的等化动作，接着信号检测电路125亦可及时进行资料的检测，而不会造成额外的检测延迟，如此可提升系统效能。

以下分别以两个与三个发射天线111的情形，来进一步说明第二较佳实施例。第2A图是显示两个发射天线111(以Txl与Tx2代表)以调间差方式传送前导信号的一例。其中，该前导信号包含序列_1与序列_2，其分别代表只传在偶数与奇数子载波的前导序列。另一方面，每个接收天线1211所接收的前导信号则如第2B图所示，其中，在第一个前导序列期间21，每个接收天线1211是接收到Txl在偶数子载波所传的前导序列及Tx2在奇数子载波所传的前导序列；而在第二个前导序列期间22，每个接收天线1211则接收到Tx1在奇数子载波所传的前导序列及Tx2在偶数子载波所传的前导序列。如前文所述，由于邻近的子载波具有相近的信道响应及传输容量，所以在选择接收天线组合时，可只考虑奇数或偶数的子载波。因此，在两个发射天线111的情形，若以只考虑偶数的子载波(亦即以偶数子载波为被参考子载波)为例，则当信道估测单元1221要依据所收到各子载波的第一个前导序列，来产生各MIMO信道在偶数子载波的对应信道矩阵时，对应于该MIMO信道的接收天线组合的各接收天线1211的矩阵元素，是依据该接收天线1211在该偶数子载波或邻近该偶数子载波的奇数子载波所接收的第一个前导序列而产生。亦即，式(1-1)的信道矩阵可表示为

       式(1-3)

式(1-3)中，ySm，1(2k)为接收天线组合S的第m个(m＝1-Na)接收天线1211在第2k个子载波的信道响应，且该信道响应是经过第m个接收天线1211在第2k个子载波接收的第一个前导序列(即序列_1)的补偿；ySm，2(2k+1)则为第m个接收天线1211在第2k+1个子载波的信道响应，且该信道响应是经过第m个接收天线1211在第2k+1个子载波接收的第一个前导序列(即序列_2)的补偿。

第3A图是显示三个发射天线11l(以Txl、Tx2及Tx3代表)以调间差方式传送前导信号的一例。其中，序列_l、序列_2及序列_3分别代表只传在第3k个、第3k+1个及第3k+2个子载波的前导序列。如第3A图所示，在同一个前导序列期间31、32或33，Txl、Tx2及Tx3分别传送不同的前导序列。另一方面，对每个接收天线1211而言，其所接收的信号则如第3B图所示。在此例中，同样可利用第一个前导序列期间31，各子载波所接收的前导序列，来产生各MIMO信道在各被参考子载波的对应信道矩阵，其中被参考子载波可为第3k个、第3k+1个或第3k+2个子载波，此处是以第3k个子载波为例。因此，式(1-1)的信道矩阵可表示为

$H_S\left(3k\right)=\left[\begin{array}{ccc}{y}_{S_1,1}\left(3k\right)& y_{S_1,2}(3k+1)& y_{S_1,3}(3k+2)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ y_{S_{\mathrm{Na}},1}\left(3k\right)& y_{S_{n_a},2}(3k+1)& y_{S_{n_a},3}(3k+2)\end{array}\right]$ 式(1-4)

式(1-4)中，ySm，1(3k)为接收天线组合S的第m个(m＝1-Na)接收天线1211在第3k个子载波的信道响应，且该信道响应是经过第m个接收天线1211在第3k个子载波接收的第一个前导序列(即序列_1)的补偿；ySm，2(3k+1)则为第m个接收天线1211在第3k+1个子载波的信道响应，且该信道响应是经过第m个接收天线1211在第3k+1个子载波接收的第一个前导序列(即序列_2)的补偿；ySm，3(3k+1)则为第m个接收天线1211在第3k+2个子载波的信道响应，且该信道响应是经过第m个接收天线1211在第3k+2个子载波接收的第一个前导序列(即序列_3)的补偿。

第4图是本发明的多载波系统的接收天线选择方法的实施例的流程图。该多载波系统具有多个发射天线、多个接收天线及多个子载波，这些子载波包含多个被参考子载波。如第4图所示，此流程包含下列步骤：

步骤41：对于这些发射天线分别与多个接收天线组合的每一个所形成的多个MIMO信道，产生各MIMO信道在各被参考子载波的一对应信道矩阵；

步骤42：依据该对应信道矩阵，产生各接收天线组合在各被参考子载波的一传输容量参数；以及

步骤43：依据各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数，从这些接收天线组合中选取第一接收天线组合。

步骤41中，各接收天线组合包含至少两该接收天线。步骤42中，该传输容量参数是用以代表该接收天线组合在该被参考子载波的传输容量高低，其形式并无限制。

步骤43中，是依据各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数的和，选取第一接收天线组合。例如，第一接收天线组合为各被参考子载波的传输容量参数的和为最大者。在较佳实施例中，步骤43是依据各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数的倒数的和，选取第一接收天线组合。例如，第一接收天线组合为各被参考子载波的传输容量参数的倒数的和为最小者。

在实施例中，这些被参考子载波即为所有这些子载波。在另一实施例中，这些被参考子载波为这些子载波的子集合。例如，这些被参考子载波是这些子载波中，每多个相邻子载波其中之一。

在较佳实施例中，当这些发射天线以调间插方式于这些子载波传送多个前导序列时，步骤41至43是于这些接收天线收到各子载波的第一个前导序列时开始执行。其中，在步骤41所产生的对应信道矩阵中，对应于该MIMO信道的接收天线组合的各接收天线的矩阵元素，是依据该接收天线在该被参考子载波或邻近该被参考子载波的其他子载波所接收的该第一个前导序列而产生。

以上所述是利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围。大凡熟知此类技艺人士皆能明了，适当而作些微的改变及调整，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.一种多载波系统的接收天线选择方法，该多载波系统具有多个发射天线、多个接收天线及多个子载波，该选择方法包含下列步骤：

选取这些子载波的一部份或全部以作为被参考子载波；

对于这些发射天线分别与多个接收天线组合的每一个所形成的多个信道，产生各信道在各被参考子载波的对应信道矩阵，其中各接收天线组合包含至少两个该接收天线；

依据该对应信道矩阵，产生各接收天线组合在各被参考子载波的一传输容量参数；以及

依据各接收天线组合在各被参考子载波的该传输容量参数，从这些接收天线组合中选取一第一接收天线组合。

2.如权利要求1所述的选择方法，其中该传输容量参数是依据行列式det(H′H)产生，其中H为该信道在该被参考子载波的该对应信道矩阵，H′为H的一共轭转置矩阵。

3.如权利要求2所述的选择方法，其中该第一接收天线组合是依据各接收天线组合在各被参考子载波的该传输容量参数的和而选取。

4.如权利要求3所述的选择方法，其中该第一接收天线组合是各被参考子载波的该传输容量参数的和为最大者。

5.如权利要求2所述的选择方法，其中该第一接收天线组合是依据各接收天线组合在各被参考子载波的该传输容量参数的倒数的和而选取。

6.如权利要求5所述的选择方法，其中该第一接收天线组合是各被参考子载波的该传输容量参数的倒数的和为最小者。

7.如权利要求1所述的选择方法，其中当这些发射天线个数与该接收天线组合的接收天线个数相同时，该传输容量参数是依据一行列式det(H)产生，其中H为该信道在该被参考子载波的该对应信道矩阵。

8.如权利要求1所述的选择方法，其中这些被参考子载波是这些子载波中，每多个相邻子载波其中之一。

9.如权利要求1所述的选择方法，其中当这些发射天线以调间插方式于这些子载波传送多个前导序列时，该选择方法是于这些接收天线收到各子载波的第一个前导序列时开始执行。

10.如权利要求9所述的选择方法，其中于各该信道在各被参考子载波的对应信道矩阵中，对应于各该信道的接收天线组合的各接收天线的矩阵元素，是依据该接收天线在该被参考子载波或邻近该被参考子载波的其他子载波所接收的该第一个前导序列而产生。

11.如权利要求1所述的选择方法，其中该多载波系统是正交分频多工系统。

12.一种多载波系统的接收天线选择装置，该多载波系统具有多个发射天线、多个接收天线及多个子载波，该选择装置包含：

信道估测单元，耦接至这些接收天线，用以选取这些子载波的一部份或全部以作为被参考子载波，并产生多个信道的每一信道在各被参考子载波的对应信道矩阵，其中这些信道是由这些发射天线分别与多个接收天线组合的每一个所形成，各接收天线组合包含至少两个该接收天线；以及

天线选择单元，耦接至该信道估测单元与这些接收天线，该天线选择单元包含：

计算逻辑，用以依据该对应信道矩阵，产生各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数；以及

选择逻辑，依据该传输容量参数，选取这些接收天线组合中的第一接收天线组合。

13.如权利要求12所述的选择装置，其中该计算逻辑是依据行列式det(H′H)产生该传输容量参数，其中H为该信道在该被参考子载波的该对应信道矩阵，H′为H的共轭转置矩阵。

14.如权利要求13所述的选择装置，其中该选择逻辑是依据各接收天线组合在各被参考子载波的该传输容量参数的和，选取该第一接收天线组合。

15.如权利要求14所述的选择装置，其中该第一接收天线组合是各被参考子载波的该传输容量参数的和为最大者。

16.如权利要求13所述的选择装置，其中该选择逻辑是依据各接收天线组合在各被参考子载波的该传输容量参数的倒数的和，选取该第一接收天线组合。

17.如权利要求16所述的选择装置，其中该第一接收天线组合是各被参考子载波的该传输容量参数的倒数的和为最小者。

18.如权利要求12所述的选择装置，其中当这些发射天线个数与该接收天线组合的接收天线个数相同时，该计算逻辑是依据行列式det(H)产生该传输容量参数，其中H为该信道在该被参考子载波的该对应信道矩阵。

19.如权利要求12所述的选择装置，其中这些被参考子载波是这些子载波中，每多个相邻子载波其中之一。

20.如权利要求12所述的选择装置，其中当这些发射天线以调间插方式于这些子载波传送多个前导序列时，该信道估测单元是于这些接收天线收到各子载波的第一个前导序列时，开始产生该对应信道矩阵。

21.如权利要求20所述的选择装置，其中于各该信道在各被参考子载波的对应信道矩阵中，对应于各该信道的接收天线组合的各接收天线的矩阵元素，是依据该接收天线在该被参考子载波或邻近该被参考子载波的其他子载波所接收的该第一个前导序列而产生。

22.如权利要求12所述的选择装置，其中该多载波系统是一正交分频多工系统。

23.一种多重输入输出的多载波系统的接收机，该多载波系统具有多个发射天线及多个子载波，该接收机包含：

多个接收天线；

信道估测单元，耦接至这些接收天线，用以选取这些子载波的一部份或全部以作为被参考子载波，并产生多个信道的每一信道在各被参考子载波的对应信道矩阵，其中这些信道是由这些发射天线分别与多个接收天线组合的每一个所形成，各接收天线组合包含至少两个该接收天线；以及

天线选择单元，耦接至该信道估测单元与这些接收天线，用以依据该对应信道矩阵，产生各接收天线组合在各被参考子载波的传输容量参数，并依据该传输容量参数，选取这些接收天线组合中的第一接收天线组合。

24.如权利要求23所述的接收机，其中当这些发射天线以一调间插方式于这些子载波传送多个前导序列时，该信道估测单元是于收到各子载波的第一个前导序列时，开始产生该对应信道矩阵。

25.如权利要求24所述的接收机，更包含：

信道均衡器；以及

计算电路，耦接至该信道估测单元，用以在该第一接收天线组合的各接收天线启动后，进行该信道均衡器系数的计算；

其中，该计算电路是于该信道估测单元所接收的这些前导序列结束前，完成该信道均衡器系数的计算。