專利名稱：用于無線通信系統中波束形成的系統和方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統，尤其涉及一種傳輸波束形成的無線通信系統和方法。
背景技術：
隨著移動通信的蓬勃發展，通信服務的需求量日益增長，如何有效改進帶寬使用 效益與通信質量已成為通信系統的重要課題。在無線通信系統中，依照接收器和發送器的 天線數目可分為單入單出(SIS0)系統、單入多出(SIM0)系統、多入單出(MIS0)系統和多 入多出(MIM0)系統。在SISO系統中，傳輸器包含一個天線以傳輸RF信號，而所述信號被 接收器中的單個或多個大線接收。當接收器包含一個以上天線時，接收器將會選擇其中一 者以接收輸入信號。在SMO系統中，接收器包含兩個以上天線以及兩個以上無線信道。在 MMO系統中，傳輸器和接收器各自包含兩個以上天線和對應的無線信道。傳輸器利用空間 和時間編碼功能以并行處理數據，且以多個天線根據多個數據串流而傳輸多個數據信號。 接收器通過多個無線信道接收傳輸的多個數據信號后，利用空間和時間解碼功能重新獲取 這些數據串流。據此，MIMO系統提供了比單入和/或單出的系統更高的傳輸容量和通信性 能。 然而，信號在多個無線信道傳遞時會有頻道干擾和衰落(fading)等問題。衰落現 象是指無線信號在經過一段很短的時間或者距離后會產生振幅、相位、時間延遲等變化，其 可以使用小尺度傳播模型(small-scaled propagation model)來分析和模擬信號在多重 路徑下的衰減效應。接收器在信號經過不同的鏈路狀況(link condition)，例如多重路徑 或是都普勒效應后，個別的無線信道會得到相異的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)， 而所述信噪比定義了信號能量與噪聲能量之間的比值。當SNR值過低時，表示無線信道可 能無法支持較高的數據傳輸率或因此增加了位錯誤率。當SNR值過高時，可能產生硬件資 源的浪費。因此，有必要提出一種傳輸波束形成的無線通信系統和方法，使得信號在不同的 鏈路狀況下經過不同的無線信道后能得到優化的信噪比。

發明內容
本發明揭示一種無線通信系統中波束形成的方法，其包含以下步驟通過傳輸器
傳輸信號包；通過接收器接收所述信號包，借以估計所述傳輸器與所述接收器之間的信道
狀態信息；針對所述信道狀態信息產生波束形成矩陣；結合所述波束形成矩陣和旋轉矩陣
以產生波束形成指導矩陣；以及將所述波束形成指導矩陣反饋到所述傳輸器。 本發明還揭示一種波束形成接收器，其包含頻道狀態評估器、矩陣產生器和指導
矩陣產生器。所述頻道狀態評估器用以估計無線信道的信道系數矩陣。所述矩陣產生器用
以產生旋轉矩陣。所述指導矩陣產生器根據所述信道系數矩陣和所述旋轉矩陣產生指導矩
陣，借以將所述指導矩陣反饋到傳輸器。 本發明另外揭示一種傳輸波束形成的無線通信系統，其包含傳輸器、無線信道和 接收器。所述傳輸器用以傳輸信號包。所述無線信道用以傳遞所述信號包。所述接收器用
3以接收所述信號包，其中所述接收器包含頻道狀態評估器、矩陣產生器和指導矩陣產生器。 所述頻道狀態評估器用以估計無線信道的信道系數矩陣。所述矩陣產生器用以產生旋轉矩 陣。所述指導矩陣產生器根據所述信道系數矩陣和所述旋轉矩陣產生指導矩陣，借以將所 述指導矩陣反饋到傳輸器。


圖1顯示結合本發明實施例的MM0收發器示意圖；
圖2A、2B顯示不同信道的噪聲值；以及 圖3是根據本發明實施例的無線通信系統中波束形成方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1顯示結合本發明實施例的MMO收發器的示意圖。在MMO系統中，為了補償 信號在傳遞過程中的功率衰退以及多路徑效應引起的信號失真，收發器可使用波束形成 (beamforming)技術來加強信號強度與抑制噪聲和同頻道干擾。參照圖l，所述MMO系統 10具有M個傳輸天線和R個接收天線，其中接收器102中的多個接收信號yi、 y2、 ... yK與 傳輸器101中的多個傳輸信號&、^、...％之間的關系可表示為
<formula>formula see original document page 4</formula>
在式(1)的各元素可表示為向量或矩陣，其中N表示白色高斯噪聲，Y表示多個接
收信號y2、... yK，其為RX l元向量，x表示多個傳輸信號Xl、 x2、... ％，其為MX l元向
量，而噪聲N為RX1元向量。H表示信道系數矩陣，其可為RXM矩陣，代表從傳輸端到接收 端的頻道響應。在本實施例中，所述接收器102可包含頻道狀態評估器103，通過測量無線 信道107來確定頻道狀態信息且產生信道系數矩陣H。在本實施例中，可通過分解電路104 將所述信道系數矩陣H執行奇異值分解，以產生波束形成矩陣V。所述分解電路104可使用 下列方程式分解所述信道系數矩陣H : <formula>formula see original document page 4</formula>
其中，U和V兩者是單式矩陣(unitary matrix) ， E是一主對角線之外的元素均為 0的對角矩陣，且V*是V的轉置共軛矩陣。 閉合回路MIMO系統在回授路徑中，從接收器將頻道狀態信息傳輸到傳輸器。所 述頻道狀態信息可采用波束形成技術，在所述接收器中增加信噪比準位來補償所述目前 的頻道條件。參照圖l，波束形成矩陣V在經過矩陣乘法器105后產生波束形成指導矩陣 (beamforming steering matrix) VK，并提供到所述傳輸器101以作為回授信息且借以改進 接收信號在不同的信道條件下的SNR值。所述矩陣乘法器105和分解電路104可作為指導 矩陣產生器的一范例。矩陣K的產生方式將在下文進一步描述。在產生新的波束形成指導 矩陣VK后，接收器102中的多個接收信號yi、y2、... yK與傳輸器101中的多個傳輸信號Xl、
x2、. . . XM之間的關系可表示為<formula>formula see original document page 4</formula>
合并式(2)和式(3)，可整理得式(4) <formula>formula see original document page 4</formula>
位于所述接收器102中的等化器將執行矩陣反轉(matrix inversion)而得到式<formula>formula see original document page 5</formula> 參照圖2A和2B，圖2A的橫坐標代表位于第一接收天線與第一傳輸天線之間的第 一信道的噪聲值a，而圖2B的縱坐標代表位于第一接收天線與第二傳輸天線之間的第二信 道的噪聲值b。在接收矩陣產生器106產生的矩陣K并將波束形成指導矩陣VK反饋到傳 輸器101后，可發現所述第一信道的噪聲值改變為acos 9 +bsin e ，而所述第二信道的噪聲 值改變為asin e +bC0S e 。也就是說，不同頻道的噪聲值可通過接收波束形成指導矩陣VK 的回授量而調整，因此不同頻道的接收信號的信噪比可被補償而達到優化。在本實施例中， 所述矩陣K的產生是基于優化信噪比和先前信噪比，以查表法(Look-Up Table)方式所產 生。在其它實施例中，所述旋轉矩陣K值是基于信道條件(例如E矩陣)、調制與編碼方案 (modulation and coding scheme)或等化器的信號而產生。 圖3是根據本發明實施例的無線通信系統中波束形成方法的流程圖。在步驟S30 中，傳輸器101傳輸信號包。在步驟S31中，接收器102接收所述信號包以估計信道狀態信 息。接著，在步驟S32中，將所述信道狀態信息根據式(2)執行奇異值分解，以產生波束形 成矩陣V。在步驟S33中計算并產生旋轉矩陣K，其中所述旋轉矩陣K是基于優化信噪比和 先前信噪比，以查表法(Look-Up Table)方式所產生。在其它實施例中，所述旋轉矩陣K是 基于信道條件(例如E矩陣)、調制與編碼方案(modulation and codingscheme)或等化器 的信號而產生。接著，在步驟S34中結合所述波束形成矩陣V和所述旋轉矩陣K以產生波 束形成指導矩陣VK。在步驟S35中，將所述波束形成指導矩陣VK反饋到所述傳輸器101， 使得不同頻道的接收信號的信噪比可被補償而達到優化。 上文已揭示本發明的技術內容和技術特點，然而所屬領域的技術人員仍可能基于 本發明的教示和揭示而作出種種不背離本發明精神的替換和修改。因此，本發明的保護范 圍應不限于實施例所揭示的內容，而是應包括各種不背離本發明的替換和修改，并由所附 權利要求書涵蓋。
權利要求
一種無線通信系統的波束形成方法，其特征在于其包含以下步驟接收信號包，借以估計傳輸器與接收器之間的信道狀態信息；針對所述信道狀態信息產生波束形成矩陣；結合所述波束形成矩陣和旋轉矩陣以產生波束形成指導矩陣；以及反饋所述波束形成指導矩陣。
2. 根據權利要求1所述的波束形成方法，其特征在于其中根據奇異值分解法產生所述 波束形成矩陣。
3. 根據權利要求1所述的波束形成方法，其特征在于其中基于優化信噪比和先前信噪 比而產生所述旋轉矩陣。
4. 根據權利要求1所述的波束形成方法，其特征在于其中所述旋轉矩陣是基于所述奇 異值分解法所產生的對角矩陣。
5. —種波束形成接收器，其特征在于其包含 頻道狀態評估器，其用以估計無線信道的信道系數矩陣； 矩陣產生器，其用以產生旋轉矩陣；以及指導矩陣產生器，其根據所述信道系數矩陣和所述旋轉矩陣而產生指導矩陣，借以將所述指導矩陣反饋到傳輸器。
6. 根據權利要求5所述的波束形成接收器，其特征在于其中所述指導矩陣產生器進 一步包含分解電路，所述分解電路將所述信道系數矩陣執行奇異值分解以產生波束形成矩 陣。
7. 根據權利要求5所述的波束形成接收器，其特征在于其中所述矩陣產生器基于優化 信噪比和先前信噪比而產生所述旋轉矩陣。
8. 根據權利要求5所述的波束形成接收器，其特征在于其中所述矩陣產生器基于所述 奇異值分解法所產生的對角矩陣而產生所述旋轉矩陣。
9. 一種無線通信系統，其特征在于其包含傳輸器，其用以傳輸信號包；以及 接收器，其用以接收所述信號包，所述接收器包含頻道狀態評估器，其用以估計信道系數矩陣； 矩陣產生器，其用以產生旋轉矩陣；以及指導矩陣產生器，其根據所述信道系數矩陣和所述旋轉矩陣而產生指導矩陣。
10. 根據權利要求9所述的無線通信系統，其特征在于其中所述接收器進一步包含分 解電路，所述分解電路將所述信道系數矩陣執行奇異值分解以產生波束形成矩陣。
11. 根據權利要求9所述的無線通信系統，其特征在于其中所述矩陣產生器基于優化 信噪比和先前信噪比而產生所述旋轉矩陣。
12. 根據權利要求9所述的無線通信系統，其特征在于其中所述矩陣產生器基于所述 奇異值分解法所產生的對角矩陣而產生所述旋轉矩陣。
13. 根據權利要求9所述的無線通信系統，其特征在于其中所述信道系數矩陣用以估 計無線信道。
全文摘要
本發明涉及傳輸波束形成的無線通信系統、波束形成接收器及其方法。所述波束形成方法包含以下步驟通過傳輸器傳輸信號包；通過接收器接收所述信號包，以估計所述傳輸器與所述接收器之間的信道狀態信息；針對所述信道狀態信息產生波束形成矩陣；結合所述波束形成矩陣和旋轉矩陣以產生波束形成指導矩陣；以及將所述波束形成指導矩陣反饋到所述傳輸器。
文檔編號H04B1/707GK101789818SQ20091000981
公開日2010年7月28日 申請日期2009年1月23日 優先權日2009年1月23日
發明者吳承軒, 廖彥欽, 溫俊賢, 陳俊才 申請人:雷凌科技股份有限公司