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TW201306511A - 多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統與其方法 - Google Patents

多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統與其方法 Download PDF

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TW201306511A
TW201306511A TW100126652A TW100126652A TW201306511A TW 201306511 A TW201306511 A TW 201306511A TW 100126652 A TW100126652 A TW 100126652A TW 100126652 A TW100126652 A TW 100126652A TW 201306511 A TW201306511 A TW 201306511A
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Chao-Kai Wen
Jung-Chieh Chen
Jing-Yu Chen
Jiun-Yo Lai
Pang-An Ting
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Abstract

多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統包括：信號來源節點；信號目的節點；複數中繼節點，無線耦接於該信號來源節點與該信號目的節點。該些中繼節點將複數信號雜訊比資訊與複數天線個數資訊回傳給該信號來源節點，該信號來源節點指定該些中繼節點之複數對應傳輸功率並傳送給該些中繼節點。

Description

多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統與其方法
本揭露是有關於一種無線通訊系統與其方法。
長距離無線通訊可能會因為受到阻礙，導致信號品質下降。如果在信號來源端(source terminal,ST)與信號目的端(destination terminal,DT)之間放置中繼端(relay terminal,RT)，則可有助於長距離無線通訊。通常，中繼端為低成本與低功率消耗。有時，中繼端亦可稱為跳躍(hop)。
為提高系統頻譜效率(spectral efficiency)與通訊總容量(capacity)，現已提出將中繼端結合多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)技術。其中，多跳躍(multiple-hop)多輸入多輸出放大前送(amplify-and-forward,AF)中繼技術因其架構簡易且易於實施而受到較多關注。
本揭露實施例係有關於一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站(multi-hop MIMO amplify-and-forward relay)之無線通訊系統與其方法，其產生預編碼矩陣(precoding matrix)，以得到具廣義性(generality)及/或正確性的無線通訊系統容量(system capacity)。
本揭露實施例係有關於一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統與其方法，其在維持目標資料率的情況下，能讓系統達到低傳輸功率消耗。
本揭露實施例係有關於一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統與其方法，其從眾多無線信號鍊路(link path)中擇一，以提高無線通訊系統容量。
本揭露實施例係有關於一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統與其方法，其在固定傳輸功率消耗的情況下，讓系統達到佳無線通訊傳輸容量。
根據本揭露之一示範性實施例，提出一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統包括：信號來源節點；信號目的節點；複數中繼節點，無線耦接於該信號來源節點與該信號目的節點。該些中繼節點將複數信號雜訊比資訊與複數天線個數資訊回傳給該信號來源節點，該信號來源節點指定該些中繼節點之複數對應傳輸功率並傳送給該些中繼節點。
根據本揭露之另一示範性實施例，提出一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊方法，應用於一無線通訊系統中。無線通訊系統包括一信號來源節點、一信號目的節點與複數中繼節點，該些中繼節點無線耦接於該信號來源節點與該信號目的節點。該無線通訊方法包括：該些中繼節點將複數信號雜訊比資訊與複數天線個數資訊回傳給該信號來源節點；以及該信號來源節點指定該些中繼節點之複數對應傳輸功率並傳送給該些中繼節點。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
現請參考第1圖，其顯示根據本揭露實施例之無線通訊系統示意圖。如第1圖所示，無線通訊系統100包括：信號來源端(或可稱為信號來源節點)ST、信號目的端(或可稱為信號目的節點)DT與複數個中繼端(或可稱為中繼節點)RT。信號來源端ST、信號目的端DT與該些中繼端RT皆可稱為節點(node)。故而，信號來源端ST亦可稱為節點1；該些中繼端RT亦可稱為節點2~L(L為大於或等於2的正整數)；以及信號目的端DT亦可稱為節點L+1。該些中繼端RT間無線耦接於信號來源端ST與信號目的端DT。節點1~節點L+1配置有各自的天線個數(antenna numbers)為N l ,l=1,...,L+1，其值為大於或等於1的正整數。
於第1圖中，H代表節點與節點間的通道，其以矩陣表示。比如，H 1代表節點1(ST)與節點2(RT)間的通道，其餘可依此類推。另外，G 1~G L分別代表節點1~節點L的預編碼矩陣(precoding matrix)。
由節點1(ST)所發出的信號x 1可用向量表示為：
x 1=G 1 s　(1)
其中，s代表原始來源信號，則是節點1的預編碼矩陣。
由第l個節點所接收的信號y l 可表示為：
y l =H l -1 x l -1+z l ,l=2,...,L+1　(2)
其中，代表第l個節點與第(l-1)節點間的MIMO通道矩陣；是具有零均值(zero mean)與共變異數矩陣(Covariance matrix)的複數白高斯雜訊向量，其中是N l 維度的單位矩陣(Identity matrix)；是第(l-1)節點所送出的信號向量。通道矩陣H l 其矩陣元素是假設統計上獨立且具有相同的零均值與變異數為的複數高斯分佈(i.i.d,independent identical distribution)，ρ l 是第l個節點與第(l-1)節點間信號雜訊比(signal to noise ratio,SNR)。
第l個節點將所接收到的信號乘上預編碼矩陣，並往前送。由第l個節點所送出的信號x l 可表示為：
x l =G l y l ,l=2,...,L.　(3)
為方便表示，可定義出Φ l :1 H l G l …H1G1。
將上式(1)~(3)重新整理後，由節點L+1(DT)所接收到的信號可表示為：
y=Hs+z　(4)
其中，
H=H L G L …H1G1=Φ L : 1　(5)
透過奇異值分解(singular value decomposition，SVD)原理所設計出來的線性預編碼矩陣可以使多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統達到系統的通道容量，底下將解釋SVD式預編碼(SVD-based precoding)方法。
對通道H l 進行SVD後，H l 可表示為：
其中，與都是單式矩陣(unitary matrix)。則是對角矩陣(diagonal matrix)，其第k個對角元素為。由於矩陣U l 與V l 是對通道H l 進行SVD後所得，故而，在底下亦可將矩陣U l 與V l 稱為通道代表矩陣。
為達到無線通訊系統容量，預編碼矩陣可表示如下：
G1=V1Σ g 1　(8)
其中，矩陣與矩陣都是對角矩陣。
本揭露實施例具有4種態樣，底下將分別解釋之。
態樣1：調整無線通訊系統容量
為調整無線通訊系統容量，比如但不受限於，調整無線通訊系統容量為最大，矩陣之對角元素為相等且正比於各節點傳輸功率。矩陣也是如此。所以，對於ST與RT而言，矩陣與矩陣之對角元素可表示如下：
其中，K是資料流的數量，K小於或等於N 1~N L +1之最小值。
故而，於態樣1中，調整無線通訊系統容量之方式如下：將通道代表矩陣V l 回傳至前一節點，比如，透過上述之描述，以對通道H l 進行SVD以得到通道代表矩陣V l ；假設給定各節點的傳輸功率為P l ，利用上述描述來計算各節點的對角矩陣；以及利用上述公式(8)與(9)，根據V l 與來得到各節點的預編碼矩陣G l ，以調整無線通訊系統容量，比如但不受限於，調整無線通訊系統容量為最大。
於態樣1之調整無線通訊系統容量中，各節點的傳輸功率可以相同或是不同，此外，更可利用底下態樣2的方式來決定各節點的傳輸功率。
態樣2：功率分配(power allocation)
底下，將說明在維持目的資料量之情況下，降低系統功率消耗，這是一個解最佳化問題。在解此最佳化問題的過程中可以發現，各節點的傳輸功率P l 有關於各節點之信號雜訊比(SNR)以及天線個數。所以，於本揭露實施例之態樣2中，功率分配之步驟如下：將所有節點的信號雜訊比與天線個數回傳至節點1(ST)；節點1(ST)解最佳化問題並計算出各節點的傳輸功率P l ，比如但不受限於，解此最佳化問題可利用幾何規劃(Geometric Programming,GP)方式化簡問題，來計算出各節點的傳輸功率P l ；節點1(ST)將所計算出的節點傳輸功率P l 往前送至各節點；以及，中繼節點根據節點1(ST)所計算出的節點功傳輸率P l 來更新其預編碼矩陣。於態樣2中，更新預編碼矩陣之做法比如但不受限於，可利用態樣1的方式來更新預編碼矩陣。
亦即，於本揭露實施例的態樣2中，可根據所有節點的信號雜訊比與天線個數來決定所需的功率分配。
為更加清楚說明本揭露實施例的態樣1與態樣2，現請參考第2圖。第2圖顯示根據本揭露實施例之態樣1與態樣2之信號流程(signal flow)圖。節點L+1(DT)將其通道代表矩陣V L ，本身SNR資訊ρ L + 1與本身的天線個數資訊N L +1往前送至節點L。相似地，節點L(RT)將其通道代表矩陣V L -1，本身SNR資訊與所收集的SNR資訊{ρ L ,ρ L +1}，以及，本身天線個數資訊與所收集的天線個數資訊{N L ,N L +1}往前送至節點L-1。依此，節點2(RT)將其本身矩陣V 1，本身SNR資訊與所收集的SNR資訊{ρ 2 ,...,ρ L +1}，以及，本身天線個數資訊與所收集的天線個數資訊{N 2,...,N L +1}往前送至節點1(ST)。
根據矩陣V L 、SNR資訊{ρ L ,ρ L +1}，以及天線個數資訊{N L ,N L +1}，節點L產生預編碼矩陣G L。相似地，節點1~L-1分別產生預編碼矩陣G 1~G L-1。
如上述態樣2的描述，節點1(ST)計算出各節點的傳輸功率{P2,...,P L }，並將節點傳輸功率{P2,...,P L }送至節點2。如上述態樣1的描述，節點1(ST)可更新其預編碼矩陣G 1。
相似地，節點2接收到由節點1所送出的節點傳輸功率{P2,...,P L }，節點2從中擷取出本身所需的傳輸功率P 2 ，而將後續節點的傳輸功率{P3,...,P L }送至節點3。相似地，如上述態樣1的描述，節點2(RT)可更新其預編碼矩陣G 2。依此類推，節點2~節點L接收到由前一節點所送出的節點傳輸功率，節點2~節點L從中擷取出本身所需的傳輸功率，而將後續節點的傳輸功率往後送至下一節點，並更新本身預編碼矩陣。
現請參考第3圖，顯示根據本揭露實施例之態樣1與態樣2之流程圖。於步驟310中，選擇(中繼)節點以建立連線。選擇中繼節點的方式可如底下本揭露實施例之態樣3所述，或者是可預先選擇要用哪些中繼節點。
於步驟320中，回傳所有節點的SNR資訊與天線個數資訊至ST，其方式可如第2圖所示。更甚者，可將下一節點的矩陣V 1 傳給前一節點，如第2圖所示。
於步驟330中，各節點產生其本身的預編碼矩陣(G 1,...,G L )，其細節可如上述般。
於步驟340中，根據所接收到的SNR資訊與天線個數資訊，信號來源節點ST分析系統容量，其細節可如上述態樣1之描述般。分析系統容量後，信號來源節點ST可計算出各節點的傳輸功率。
於步驟350中，將節點傳輸功率{P2,...,P L }往前送至中繼節點(RT)，其細節可如第2圖所示般。
態樣3：通訊鍊路選擇
於多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統中，可以選擇不同的中繼站當作傳送來源訊號傳送的橋梁，以將信號傳達到目的端，這些選出來的中繼站與來源端和目的端就行成一種通訊鍊路。故而，多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統可能包括多條通訊鍊路。如第4圖所示，假設由ST送出信號，此信號之可能中繼傳輸的鍊路有多條。雖然第4圖中顯示出3條鍊路P1~P3，此為舉例說明，但習知此技者當知本揭露實施例並不受限於此。在本揭露實施例的態樣3中，可從這些鍊路中擇一，以得到不同之無線通訊系統容量，比如但不受限於，得到無線通訊系統容量為最大。
鍊路選擇之步驟如下：將各鍊路所有節點的SNR與天線個數回傳至節點1(ST)；評估各鍊路所對應之無線通訊系統容量；以及，從這些通訊鍊路中選擇一條通訊鍊路來傳送無線通訊信號，所選擇的鍊路使得，比如但不受限於，無線通訊系統容量為最大。
於態樣3中，在評估各鍊路所對應之無線通訊系統容量時，比如但不受限於，可利用態樣1之方式來進行評估。如上述般，於態樣1中，可調整無線通訊系統容量，比如但不受限於，調整無線通訊系統容量為最大，故其細節於此不重述。
態樣4：調整無線通訊系統傳送資料量
在本揭露實施例之態樣4中，於節點傳輸功率受限或者是固定的情況下，調整無線通訊系統傳送資料量，比如但不受限於，調整無線通訊系統傳送資料量為最大，這是一個最佳化問題。
調整無線通訊系統傳送資料量之步驟如下：將所有節點的SNR與天線個數回傳至節點1(ST)；以及，節點1(ST)去解最佳化問題，計算各信號流所對應之傳送資料量。在本揭露實施例中，比如但不受限於，此最佳化問題可利用幾何規劃來簡化問題並計算得到各信號流所對應之傳送資料量。更甚者，比如但不受限於，使得無線通訊系統傳送資料量(其為該些無線通訊系統之各信號流之傳送資料量總和)為最大。
於態樣4中，在得到/計算/評估各信號流所對之無線通訊系統傳送資料量時，比如但不受限於，可利用態樣1之方式來進行評估，故其細節於此不重述。
故而，由上述說明中可得知，在本揭露實施例中，於態樣1中，回傳通道代表矩陣給前一節點來得到預編碼矩陣，以調整無線通訊系統容量(比如但不受限於，調整無線通訊系統容量為最大)。更甚者，於態樣2~態樣4中，將所有節點的SNR與天線個數回傳至信號來源節點，可在維持目標資料量的情況下來降低傳輸功率，以及/或，可選擇具有最大無線通訊系統容量之通訊鍊路來傳輸無線信號，以及/或，在固定傳輸功率的情況下來使得無線通訊系統容量最大。
綜上所述，雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．無線通訊系統
ST．．．信號來源端
DT．．．信號目的端
RT．．．中繼端
310~350．．．步驟
P1~P3．．．通訊鍊路
第1圖顯示根據本揭露實施例之無線通訊系統示意圖。
第2圖顯示根據本揭露實施例之態樣1與態樣2之信號流程圖。
第3圖顯示根據本揭露實施例之態樣1與態樣2之流程圖。
第4圖顯示根據本揭露實施例之無線通訊系統中之多條信號通訊鍊路之示意圖。
ST．．．信號來源端
DT．．．信號目的端
RT．．．中繼端

Claims (16)

  1. 一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊系統，包括：一信號來源節點；一信號目的節點；以及複數中繼節點，耦接於該信號來源節點與該信號目的節點；其中，該些中繼節點將複數信號雜訊比資訊與複數天線個數資訊回傳給該信號來源節點，該信號來源節點指定該些中繼節點之複數對應傳輸功率並傳送給該些中繼節點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊系統，其中，該信號來源節點與該些中繼節點根據該信號來源節點所指定的該些節點功率來更新複數相對應預編碼矩陣。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之無線通訊系統，其中，該些中繼節點將該些信號雜訊比資訊與該些天線個數資訊往前傳送。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之無線通訊系統，其中，該些中繼節點將一本身通道代表矩陣往前傳送。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之無線通訊系統，其中，該些中繼節點從所接收的該些節點傳輸功率從中擷取出一相對應傳輸功率，並將該些節點傳輸功率往後傳送。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之無線通訊系統，其中，該信號來源節點、該些中繼節點與該信號目的節點更新該些預編碼矩陣，以調整該無線通訊系統之一系統傳送資料量。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之無線通訊系統，其中，該信號來源節點評估至少一信號傳輸通訊鍊路所對應之至少一可能系統傳送資料量；以及該信號來源節點從該些信號傳輸通訊鍊路中擇一來傳送一無線通訊信號，以調整該無線通訊系統之該系統傳送資料量。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之無線通訊系統，其中，於該些節點傳輸功率受限或者是固定的情況下，該信號來源節點計算各信號流所對應之一傳送資料量，以調整該無線通訊系統之該系統傳送資料量。
  9. 一種多跳躍式多輸入多輸出放大前送中繼站的無線通訊方法，應用於一無線通訊系統中，該無線通訊系統包括一信號來源節點、一信號目的節點與複數中繼節點，該些中繼節點耦接於該信號來源節點與該信號目的節點，該無線通訊方法包括：該些中繼節點將複數信號雜訊比資訊與複數天線個數資訊回傳給該信號來源節點；以及該信號來源節點指定該些中繼節點之複數對應傳輸功率並傳送給該些中繼節點。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之無線通訊方法，其中，該信號來源節點與該些中繼節點根據該信號來源節點所指定的該些節點功率來更新複數相對應預編碼矩陣。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之無線通訊方法，其中，該些中繼節點將該些信號雜訊比資訊與該些天線個數資訊往前傳送。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之無線通訊方法，其中，該些中繼節點將一本身通道代表矩陣往前傳送。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之無線通訊方法，其中，該些中繼節點從所接收的該些節點傳輸功率從中擷取出一相對應傳輸功率，並將該些節點傳輸功率往後傳送。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之無線通訊方法，其中，該信號來源節點、該些中繼節點與該信號目的節點更新該些預編碼矩陣，以調整該無線通訊系統之一系統傳送資料量。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之無線通訊方法，其中，該信號來源節點評估至少一信號傳輸通訊鍊路所對應之至少一可能系統傳送資料量；以及該信號來源節點從該些信號傳輸通訊鍊路中擇一來傳送一無線通訊信號，以調整該無線通訊系統之該系統傳送資料量。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之無線通訊方法，其中，於該些節點傳輸功率受限或者是固定的情況下，該信號來源節點計算各信號流所對應之一系統傳送資料量，以調整該無線通訊系統之該系統傳送資料量。
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