TWI634755B

TWI634755B - 解調方法及接收裝置

Info

Publication number: TWI634755B
Application number: TW106104325A
Authority: TW
Inventors: 張仲堯; 黃偉傑; 楊易洵
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-09-01
Also published as: TW201830879A; US20180234160A1

Abstract

本案揭示一種解調方法。解調方法包含取得接收信號；判斷多用戶干擾量是否小於臨限值；當多用戶干擾量小於臨限值時，對接收信號進行第一信號估測運算，其中第一信號估測運算僅對接收信號中單一層空間資料進行信號估測運算；以及當多用戶干擾量大於臨限值時，對接收信號進行第二信號估測運算，其中第二信號估測運算對接收信號中多層空間資料進行信號估測運算。

Description

解調方法及接收裝置

本案相關於一種解調方法及接收裝置，特別是相關於一種低運算複雜度的解調方法及接收裝置。

在無線通訊系統中，使用者對於高資料傳輸率的需求日漸攀升，多傳多收（MIMO）技術下的波束形成（Beamforming）技術可在不增加頻寬的前提下大幅增加系統吞吐量，因而受到矚目。波束形成技術結合天線技術與數位信號處理可增強特定方向的信號強度，消除其它方向的干擾，並可同時同頻地傳送複數層空間資料，而該複數層空間資料可只傳給單一用戶，亦可分散地傳給多用戶。然而，在分散地傳給多用戶的情況下，任一用戶無從得知是否還有其他用戶的存在。因此，接收機必須進行最大似然估測（Maximum Likelihood Detection，MLD）運算。最大似然估測運算係以窮舉的方式來估測出最有可能的傳送信號。然而，為了窮舉波束形成下多個使用戶的所有可能性，最大似然法測器將需要大量除法器，使得運算複雜度過大。

因此，如何降低運算複雜度成為業界所努力的目標之一。

因此，本案之主要目的即在於提供一種可降低運算複雜度的解調方法及接收裝置，以改善習知技術的缺點。

本案揭露一種解調方法，應用於一接收裝置。解調方法包含下述步驟：取得一接收信號，其中接收信號對應於一傳送裝置利用波束形成技術所產生的信號；判斷多用戶干擾量是否小於臨限值；當多用戶干擾量小於臨限值時，對接收信號進行第一信號估測運算，其中第一信號估測運算僅對接收信號中單一層空間資料進行信號估測運算；以及當多用戶干擾量大於臨限值時，對接收信號進行第二信號估測運算，其中第二信號估測運算對接收信號中多層空間資料進行信號估測運算；其中，多用戶干擾量相關於至少一干擾信號的信號能量，干擾信號包含該傳送裝置傳送至除了該接收裝置以外至少一用戶的信號。

本案另揭露一種接收裝置。接收裝置取得一接收信號並包含有判斷單元、第一信號估測器以及第二信號估測器。判斷單元判斷多用戶干擾量是否小於臨限值。第一信號估測器對該接收信號進行第一信號估測運算，其中第一信號估測運算僅對接收信號中單一層空間資料進行信號估測運算。第二信號估測器對接收信號進行第二信號估測運算，其中第二信號估測運算對接收信號中多層空間資料進行信號估測運算。當多用戶干擾量小於臨限值時，第一信號估測器對接收信號進行第一信號估測運算，當多用戶干擾量大於臨限值時，第二信號估測器對接收信號進行第二信號估測運算。接收信號對應於傳送裝置利用波束形成技術所產生的信號。多用戶干擾量相關於至少一干擾信號的信號能量，干擾信號包含傳送裝置傳送至除了接收裝置以外之至少一用戶的信號。

第1圖為根據本案一實施例所繪示之一接收裝置的示意圖。接收裝置10為無線通訊系統中的接收端，其可為一長程演進系統 (Long-Term Evolution，LTE) 中的一使用者設備（User Equipment，UE），或是一無線區域網路（Wireless Local-Area Network，WLAN）中的一無線通訊站（Station）。接收裝置10接收來自一傳送裝置（未繪示於第1圖）的所產生的一信號 S，傳送裝置可為LTE系統中的一演進節點B（Evolved Node B，eNB），或是WLAN系統中的另一無線通訊站，其中傳送裝置可包含複數個傳送天線，另外，信號 S可為傳送裝置利用正交頻率多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調變技術及/或波束形成（Beamforming）技術所產生的信號。

傳送裝置所傳送的信號 S可包含複數層（Layer）的空間資料（Spatial Data），其可針對接收裝置10以及除了接收裝置10以外其他接收端/用戶。換句話說，複數層空間資料包含傳送裝置欲傳送給接收裝置10的空間資料以及傳送裝置欲傳送給其他接收端/用戶的空間資料。一般來說，接收裝置應利用針對多層空間資料的信號估測運算（如最大似然估測（Maximum Likelihood Detection，MLD）運算），對接收裝置所接收（對應於信號 S）的接收信號進行信號估測，然而，針對多層空間資料的信號估測的運算複雜度、運算功率以及其所連帶的電路面積相當大。因此，為了降低接收裝置10的運算複雜度以及運算功率，接收裝置10可先判斷傳送裝置與其他接收端/用戶之間的一多用戶干擾量大小，若多用戶干擾量過小時，接收裝置10可逕行忽視信號 S中傳送裝置欲傳送給其他接收端/用戶的空間資料，而利用僅針對單一層空間資料的信號估測運算（如迫零等化（Zero-Forcing Equalization）或最大比例合成（Maximum Ratio Combining，MRC）運算）對接收裝置10所接收的接收信號進行信號估測，進而降低接收裝置10的運算複雜度、運算功率以及其所連帶的電路面積。

具體來說，如第1圖所示，接收裝置10包含判斷單元100、第一信號估測器102、第二信號估測器104、解碼器106、通道估測器108、天線模組110及前端（Front End）模組112。天線模組110可包含複數個接收天線，用來接收大氣中對應於信號 S的一信號 Y _MC。

前端模組112用來對信號 Y _MC’進行前端信號處理，即將信號 Y _MC’降至基頻並轉換成數位信號，並對對應於信號 Y _MC’的基頻數位信號進行轉頻運算，如對對應於信號 Y _MC’的該基頻數位信號進行離散傅立葉轉換（Discrete Fourier Transform，DFT），以產生寬頻信號 Y _MC，其中寬頻信號 Y _MC為多載波（Multicarrier）信號，其信號能量分佈於複數個子載波（Subcarrier）。

通道估測器108耦接於前端模組112，用來根據寬頻信號 Y _MC計算接收裝置10與傳送裝置之間且對應於第k個子載波的通道矩陣 H。

第一信號估測器102用來對寬頻信號 Y _MC中對應於第k個子載波的接收信號 Y進行第一信號估測運算，第一信號估測運算僅對接收信號 Y中單一層空間資料進行信號估測，舉例來說，第一信號估測器102可一迫零等化器或為一MRC估測器，而第一信號估測運算可為一迫零等化運算或一MRC運算。

第二信號估測器104用來對接收信號 Y進行一第二信號估測運算，第二信號估測運算為對接收信號 Y中複數層空間資料進行信號估測，舉例來說，第二信號估測器104可為一最大似然估測器，而第二信號估測運算可為一MLD運算。需注意的是，相比於第一信號估測運算，第二信號估測運算的運算複雜度、運算功率以及其所連帶的電路面積較大。

另外，判斷單元100耦接於通道估測器108，用來根據通道矩陣 H，計算一多用戶干擾量MUI，並判斷多用戶干擾量MUI的大小。當多用戶干擾量MUI大於一臨限值Th時（代表接收裝置10無法忽略信號 S中傳送裝置欲傳送給其他接收端/用戶的空間資料），接收裝置10無可避免地需利用第二信號估測器104對接收信號 Y進行信號估測。另一方面，當多用戶干擾量MUI小於臨限值Th時（代表接收裝置10可忽視信號 S中傳送裝置欲傳送給其他接收端/用戶的空間資料），接收裝置10可利用具有較低運算複雜度及運算功率的第一信號估測器102來對接收信號 Y進行信號估測，藉此降低接收裝置10的運算複雜度及運算功率。

關於前述接收裝置10的運作，可進一步歸納成為一判斷流程20。參考第2圖，第2圖為根據本案一實施例所繪示之判斷流程20的示意圖，判斷流程20由接收裝置10執行，如第2圖所示，判斷流程20包含以下步驟:

步驟200：開始。

步驟202：取得接收信號 Y。

步驟204：計算接收裝置10與傳送裝置之間的通道矩陣 H。

步驟206：根據通道矩陣 H，計算多用戶干擾量MUI。

步驟208：判斷多用戶干擾量MUI是否小於臨限值Th？若是，執行步驟210；若否，執行步驟212。

步驟210：對接收信號 Y進行第一信號估測運算。

步驟212：對接收信號 Y進行第二信號估測運算。

步驟214：結束。

於判斷流程20中，步驟202可由天線模組110及前端模組112來執行，步驟204可由通道估測器108來執行，步驟206可由判斷單元100來執行，步驟210可由第一信號估測器102來執行，步驟212可由第二信號估測器104來執行。

詳細來說，於步驟202中，接收裝置10可利用天線模組110接收大氣中對應於信號 S的信號 Y _MC’，並利用前端模組112產生寬頻信號 Y _MC，接收裝置10即可取得寬頻信號 Y _MC中第k個子載波的接收信號 Y。

於步驟204中，通道估測器108可自寬頻信號 Y _MC中萃取出位於部份子載波上的參考信號（Reference Signal），並針對對應於參考信號的子載波進行通道估測，再以內插或外插的方式來計算對應於資料信號（Data Signal）的通道響應，以取得（對應於第k個子載波的）通道矩陣 H，其中，通道矩陣 H的維度為N _R×N _T， N _R代表天線模組110中接收天線的個數，且N _T代表傳送裝置中傳送天線的個數。

於步驟204中，判斷單元100根據通道矩陣 H計算多用戶干擾量MUI。於一實施例中，判斷單元100可計算多用戶干擾量MUI為通道矩陣 H中對應於干擾信號的干擾通道能量。詳細來說，於一實施例中，在N _R＝N _T＞2的情況下，接收信號 Y可表示為公式1，其中 W代表雜訊， x _I包含傳送裝置欲傳送給其他接收端/用戶的空間資料中的複數個干擾信號， H _I代表對應於干擾信號 x _I的干擾通道矩陣，x _D代表傳送裝置欲傳送給接收裝置10的空間資料中的有用信號（Desired Signal）， h _D代表對應於有用信號x _D的通道，在此情形下，判斷單元100可計算以作為多用戶干擾量的衡量標準，其中為干擾通道矩陣 H _I的一弗氏範數（Frobenius Norm），其代表對應於干擾通道矩陣 H _I的干擾通道能量。另外，在N _R＝N _T＝2的情況下，接收信號 Y可表示為公式2，其中x _I包含傳送裝置欲傳送給其他接收端/用戶的空間資料中的一干擾信號， h _I代表對應於干擾信號 x _I的干擾通道，在此情形下，判斷單元100可計算多用戶干擾量MUI為，其代表對應於干擾通道 h _I的干擾通道能量。（公式1）（公式2）

於步驟208中，判斷單元100判斷多用戶干擾量MUI是否小於臨限值Th，並可根據判斷結果產生控制信號c。當判斷單元100判斷多用戶干擾量MUI小於臨限值Th時，判斷單元100可產生控制信號c控制（接收裝置10中的）一多工器MUX，使得接收信號 Y被傳遞至第一信號估測器102。反之，當判斷單元100判斷多用戶干擾量MUI大於臨限值Th時，判斷單元100可產生控制信號c控制多工器MUX，使得接收信號 Y被傳遞至第二信號估測器104。

此外，多用戶干擾量MUI不限於為通道矩陣中對應於干擾信號的干擾通道能量。於另一實施例中，判斷單元可計算多用戶干擾量為對應於干擾信號本身的信號雜訊比（Signal-to-Noise Ratio），即以對應於干擾信號的信號雜訊比作為多用戶干擾量的衡量標準，接收裝置即可判斷干擾雜訊比是否小於臨限值，進而決定對接收信號進行第一信號估測運算或第二信號估測運算，亦屬於本案的範疇。在一些實施例中，干擾信號本身的信號雜訊比亦可稱作干擾雜訊比（Interference-to-Noise Ratio）。

於步驟210中，第一信號估測器102對接收信號 Y進行第一信號估測運算。因第一信號估測運算僅對接收信號 Y中單一層空間資料進行信號估測，因此第一信號估測運算可為一線性運算（Linear Operation），而第一信號估測器102可為一線性估測器（Linear Detector）。於一實施例中，第一信號估測器102可對接收信號 Y進行MRC運算，其可計算一合成結果 r為 r ＝ h _D ^H Y，並根據合成結果 r進行信號解調（Demodulation），其中 h _D ^H 為對應於有用信號x _D之通道 h _D的共軛轉置（Conjugate Transpose）。

於步驟212中，第二信號估測器104對接收信號 Y進行第二信號估測運算。於一實施例中，第二信號估測器104可對接收信號 Y進行MLD運算，詳細來說，第二信號估測器104可取得通道矩陣 H，並對通道矩陣 H進行QR分解，以取得對應於通道矩陣 H的一酉矩陣（Unitary Matrix） Q及一上三角矩陣（Upper Triangular Matrix） R，使得 H＝ QR。第二信號估測器104可將接收信號 Y乘以酉矩陣 Q的共軛轉置，以取得轉換後的一接收信號 Z，而轉換後的接收信號 Z可表示為 Z＝ Q ^Ｈ Y＝ Q ^Ｈ ( HX+ W)＝ Q ^Ｈ ( QR X+ W)＝ RX+ W’，其中 W’＝ Q ^Ｈ W為轉換後的雜訊。第二信號估測器104可根據轉換後的接收信號 Z以及上三角矩陣 R，計算對應於第i個位元的一對數概似比為，其中代表傳送裝置根據一調變方式而產生的一調變信號， bi代表第i個位元， G1代表當該位元 bi＝1時，由所有可能的調變信號所成的集合， G0代表當該位元 bi＝0時，由所有可能的調變信號所成的集合，另外，代表在的情況下的最小值，代表在的情況下的最小值。另外，第二信號估測器104取得對數概似比後，可將每個位元的對數概似比傳遞至解碼器106，解碼器106可根據每個位元的對數概似比，進行一解碼運算，其中該解碼運算可為一渦輪解碼（Turbo Decoding）運算，而解碼器106可為一渦輪解碼器（Turbo Decoder）。

另外，第二信號估測器104在計算及時需要大量的除法運算，為了降低運算複雜度，於一實施例中，第二信號估測器104可先計算以及，再計算|R ₀₀| ²乘以以及|R ₀₀| ²乘以，以降低運算複雜度，其中 R ₀₀代表上三角矩陣 R中第(0,0)個元素（Entry），即上三角矩陣 R中最左上方（top-left）的元素。詳細來說，當N _R＝N _T＝2時，可等效於公式3，因公式3中的必大於零，因此在固定的情況下，的最小值必發生於當滿足公式4時（其中Γ(∙)代表一量化運算），因此第二信號估測器104在計算（或公式4）時需涉及M ²次除法運算（其中M為調變階數（Modulation Order）），其運算複雜度相當大；相較之下，第二信號估測器104可先計算，其中可等效於公式5，同理，的最小值必發生於當滿足公式6時，因公式6不涉及除法運算，故避開了計算公式4時所需的M ²次除法運算，進而降低計算複雜度及計算功率。（公式3）（公式4）（公式5）（公式6）

除此之外，在接收裝置10開始執行判斷流程20之前，接收裝置10可先判斷（傳送裝置所傳送的）信號 S中欲傳送給接收裝置10的空間資料的層數是否大於1，若接收裝置10判斷信號 S中包含2層（或以上）的空間資料為傳送裝置欲傳送給接收裝置10的空間資料，接收裝置10應直接對接收信號 Y進行第二信號估測運算，而不需執行判斷流程20。另外，在接收裝置10開始執行判斷流程20之前，接收裝置10可先判斷（前端模組112所收到的）信號 Y _MC’是否為波束形成技術所產生的信號，若是，接收裝置10才開始執行判斷流程20。其中，接收裝置10可根據前置信號（Preamble）進行前述（判斷流程20之前的）判斷步驟。

綜上所述，本案的接收裝置可先判斷傳送裝置與其他接收端/用戶之間的一多用戶干擾量大小，若多用戶干擾量過小時，接收裝置可逕行忽視欲傳送給其他接收端/用戶的空間資料，而利用僅針對單一層空間資料的信號估測運算，藉此降低運算複雜度。以上所述僅為本案之較佳實施例，凡依本案申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本案之涵蓋範圍。

<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 10 </td><td> 接收裝置 </td></tr><tr><td> 100 </td><td> 判斷單元 </td></tr><tr><td> 102、104 </td><td> 信號估測器 </td></tr><tr><td> 106 </td><td> 解碼器 </td></tr><tr><td> 108 </td><td> 通道估測器 </td></tr><tr><td> 110 </td><td> 天線模組 </td></tr><tr><td> 112 </td><td> 前端模組 </td></tr><tr><td> 20 </td><td> 判斷流程 </td></tr><tr><td> 200～214 </td><td> 步驟 </td></tr><tr><td> c </td><td> 控制信號 </td></tr><tr><td><b>H</b></td><td> 通道矩陣 </td></tr><tr><td> MUX </td><td> 多工器 </td></tr><tr><td><b>Y</b><sub>MC</sub>、<b>Y</b><sub>MC</sub>’ 、<b>Y</b></td><td> 信號 </td></tr></TBODY></TABLE>

第1圖為根據本案一實施例所繪示之一接收裝置的示意圖。第2圖為根據本案一實施例所繪示之一判斷流程的示意圖。

Claims

一種解調方法，應用於一接收裝置，該解調方法包含有：取得一接收信號，其中該接收信號對應於一傳送裝置利用一波束形成(Beaforming)技術所產生的一信號；根據該接收裝置與該傳送裝置之間的一通道矩陣，計算一多用戶干擾量；判斷該多用戶干擾量(Multiuser Interference)是否小於一臨限值；當該多用戶干擾量小於該臨限值時，對該接收信號進行一第一信號估測運算，其中該第一信號估測運算僅對該接收信號中單一層(Layer)空間資料(Spatial Data)進行信號估測運算；以及當該多用戶干擾量大於該臨限值時，對該接收信號進行一第二信號估測運算，其中該第二信號估測運算對該接收信號中複數層空間資料進行信號估測運算；其中，該多用戶干擾量相關於至少一干擾信號的信號能量，該至少一干擾信號包含該傳送裝置傳送至除了該接收裝置以外至少一用戶的信號。
如請求項1所述的解調方法，其中根據該接收裝置與該傳送裝置之間的該通道矩陣計算該多用戶干擾量的步驟包含有：計算該通道矩陣；以及根據該通道矩陣，計算該多用戶干擾量。
如請求項2所述的解調方法，其中根據該通道矩陣，計算該多用戶干擾量的步驟包含有：計算該多用戶干擾量為該通道矩陣中對應於該至少一干擾信號的至少一干擾通道能量。
如請求項2所述的解調方法，其中根據該通道矩陣，計算該多用戶干擾量的步驟包含有：計算該多用戶干擾量為該至少一干擾信號的信號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio)。
如請求項1所述的解調方法，其中該第一信號估測運算為一迫零等化(Zero-Forcing Equalization)運算或一最大比例合成(Maximum Ratio Combining)運算，以及該第二信號估測運算為一最大似然估測(Maximum Likelihood Detection)運算。
一種接收裝置，該接收裝置取得一接收信號，該接收裝置包含有：一判斷單元，用來根據該接收裝置與該傳送裝置之間的一通道矩陣計算一多用戶干擾量，並判斷該多用戶干擾量是否小於一臨限值；一第一信號估測器，用來對該接收信號進行一第一信號估測運算，其中該第一信號估測運算僅對該接收信號中單一層(Layer)空間資料(Spatial Data)進行信號估測運算；以及一第二信號估測器，用來對該接收信號進行一第二信號估測運算，其中該第二信號估測運算對該接收信號中複數層空間資料進行信號估測運算；其中，當該多用戶干擾量小於該臨限值時，該第一信號估測器對該接收信號進行該第一信號估測運算，當該多用戶干擾量大於該臨限值時，該第二信號估測器對該接收信號進行該第二信號估測運算；其中，該接收信號對應於一傳送裝置利用一波束形成(Beaforming)技術所產生的一信號；其中，該多用戶干擾量相關於至少一干擾信號的信號能量，該至少一干擾信號包含該傳送裝置傳送至除了該接收裝置以外至少一用戶的信號。
如請求項6所述的接收裝置，另包含：一通道估測器(Channel Estimator)，用來計算該接收裝置與該傳送裝置之間的該通道矩陣。
如請求項7所述的接收裝置，其中該判斷單元計算該多用戶干擾量為該通道矩陣中對應於該至少一干擾信號的至少一干擾通道能量。
如請求項6所述的接收裝置，其中該判斷單元計算該多用戶干擾量為該至少一干擾信號的信號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio)。
如請求項6所述的接收裝置，其中該第一信號估測運算為一迫零等化(Zero-Forcing Equalization)運算或一最大比例合成(Maximum Ratio Combining)運算；以及該第二信號估測運算為一最大似然估測(Maximum Likelihood Detection)運算。