JP2003209534A - アンテナアレー及び時空符号行列を用いる送信装置 - Google Patents

アンテナアレー及び時空符号行列を用いる送信装置

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JP2003209534A
JP2003209534A JP2002006023A JP2002006023A JP2003209534A JP 2003209534 A JP2003209534 A JP 2003209534A JP 2002006023 A JP2002006023 A JP 2002006023A JP 2002006023 A JP2002006023 A JP 2002006023A JP 2003209534 A JP2003209534 A JP 2003209534A
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JP
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space time
quasi
orthogonal space
time coding
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JP2002006023A
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Masaaki Fujii
正明 藤井
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンテナアレー及び時空符号行列を用いる送
信装置に関し、伝送効率の向上を図る。 【解決手段】 ユーザ信号U1をマッピング部1−1で
変調信号点(例えばQPSKの各信号点)にマッピング
し、該信号点に対して準直交時空符号化部1−2により
時空符号化を行う。準直交時空符号化部1−2では、完
全な直交時空符号化行列より行数が少ないが、ビーム合
成の効果を得ながらビーム分解特性を利用して直交性を
保つことができる準直交時空符号化行列を用いる。準直
交時空符号化部1−2の出力をビームステアリング部1
−3でビーム操舵処理し、合成部1−4でビーム多重
し、アンテナアレー1−5から送信する。非直交性によ
って生ずる信号成分が受信側で消去されるよう、低サイ
ドローブのマルチビームに該時空符号化出力を割り当て
て送信し、直交性が保たれるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はアンテナアレー及び
時空符号行列を用いる送信装置に関し、特に移動通信シ
ステムの下り回線の送信において、送信信号の時空符号
行列及びアンテナアレーを改善して伝送効率の向上を図
ったものである。
【0002】
【従来の技術】図6に本出願人による先の出願(特願平
13−201941号)に係る送信装置の構成例を示
す。同図は4素子のアンテナアレーを用い、4ビームの
マルチビームによりユーザ信号を送信する送信装置の構
成例を示している。
【0003】該送信装置は、使用するビーム数4と同じ
数の列ベクトルを有する時空符号化行列を用い、複数ユ
ーザ信号をまとめて時空符号化を行う。図示の構成例の
場合、8行4列の直交時空符号化行列を用いる。この直
交時空符号化行列を式(1)に示す。
【0004】
【数1】
【0005】なお、式(1)において上付添字“*”を
付した符号は複素共役をであることを示している。以下
の数式においても同様である。上記式(1)による直交
時空符号化行列については、V. Taro kh, H. Jafarkha
ni, and A. R. Calderbank,"Space-time block codes
from orthogonal designs," IEEE Trans. on Informati
on Theory, vol. 46, no. 6, pp. 1466-1467, July
1999.等の文献に詳述されている。
【0006】上記送信装置において、各ユーザ信号U1
をマッピング部6−1により変調信号点(例えばQPS
Kの各信号点)にマッピングし、マッピングした信号点
に対して直交時空符号化部6−2により時空符号化を行
う。今、ユーザ信号U1の時刻k,k+1,k+2,k
+3における信号が、s(k),s(k+1),s(k
+2),s(k+3)であるとすると、それらの信号を
それぞれ式(1)の時空符号化行列のs1 ,s2
3 ,s4 に割り当てる。
【0007】これらの送信信号系列に対し、ビームステ
アリング部6−3によりビーム操舵処理を行い、合成部
6−4によりビーム多重し、アンテナアレー6−5の各
アンテナから送信する。
【0008】図7に上記従来の送信装置のマルチビーム
パターン例を示す。同図に示すように、各ビームは隣接
ビームのメインローブと互いに重なり合い、またメイン
ローブ同士は互いに分離しているビームでも、サイドロ
ーブの重なり合いにより、ビーム間干渉が生じる。
【0009】しかし、全ビームに亙って直交時空符号を
適用し、全てのビームから送信される信号を完全に直交
化させているので、該時空符号を復号する際にビーム間
干渉を除去することができる。また、基地局とユーザ端
末の間での到来パスの角度広がりが大きく、複数のビー
ムからの信号を受信するユーザ端末ではビームダイバー
シチ利得を得ることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】QPSKやQAMなど
のように複素信号点配置を持つ変調方式において、2本
を越えるアンテナ或いは2つを越えるビームに対する正
方行列の直交時空符号化行列が存在しないことが知られ
ている。従って上記式(1)に示すように、4本のアン
テナ或いは4つのビームに対しては、8タイムスロット
に亙る時系列符号が必要であり、伝送効率が低下すると
いう問題があった。
【0011】本発明は、直交時空符号化行列より行数が
少なく、完全な直交性を有してはいないが、ビーム合成
の効果を得ながら、かつビーム分離特性を利用して直交
性を保つことができる時空符号化行列(準直交時空符号
化行列)を用いて送信信号を送信し、伝送効率を向上さ
せることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明のアンテナアレー
及び時空符号行列を用いる送信装置は、(1)アンテナ
アレーによる送信マルチビームのビーム数と同数の列ベ
クトルを有する時空符号化行列を用い、ユーザ信号を時
空符号化して送信する送信装置であって、ユーザ信号を
準直交時空符号化行列の符号要素に割り当てる準直交時
空符号化手段と、低サイドローブのマルチビームアンテ
ナアレーとを備えたものである。
【0013】また、(2)前記準直交時空符号化手段は
準直交時空符号化行列として、正方行列の準直交時空符
号化行列を用いたものである。また、(3)前記準直交
時空符号化手段は準直交時空符号化行列として、隣接す
る送信マルチビームのみから受信される信号に対してビ
ーム干渉を除去し時空符号を復号化し得る時空符号化行
列を用いたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】図1に本発明の送信装置の原理的
な構成を示す。同図は4素子のアンテナアレーを用い、
4ビームのマルチビームによりユーザ信号を送信する送
信装置の構成例を示している。該送信装置において、各
ユーザ信号U1をマッピング部1−1により変調信号点
(例えばQPSKの各信号点)にマッピングし、マッピ
ングした信号点に対して準直交時空符号化部1−2によ
り時空符号化を行う。
【0015】準直交時空符号化部1−2では、直交時空
符号化行列より行数が少なく、完全な直交性を有しては
いないが、ビーム合成の効果を得ながら伝送効率を向上
させることができる準直交時空符号化行列を用いる。準
直交時空符号化行列で最も行数が少ない正方行列の準直
交時空符号化行列の例を以下の式(2)に示す。なお、
該準直交時空符号化行列については、H. Jafarkhani, "
A quasi-orthogonal space-time block code," IEEE T
rans. Commun., vol. 49, no. 1, pp. 1-4, January 20
01. 等に詳述されている。
【0016】
【数2】
【0017】上記式(2)に示す正方準直交時空符号化
行列は直交条件を満たさないため、非直交性によって生
ずる信号が受信側で出力されるが、該非直交性による出
力信号が受信側で消去されるよう、低サイドローブのマ
ルチビームに時空符号化出力を割り当てることにより、
直交性が保たれるようにすることができる。
【0018】準直交時空符号化部1−2から出力される
送信信号の符号系列に対し、ビームステアリング部1−
3によりビーム操舵処理を行い、合成部1−4によりビ
ーム多重する。各アンテナブランチ対応の合成部1−4
では、ビーム多重した信号をアンテナアレー1−5の各
アンテナから送信する。
【0019】アンテナアレー1−5によって送信される
マルチビームは、従来のようにサイドローブが大きくな
く、図2に示すような低サイドローブのマルチビームと
なるようにする。低サイドローブとなるようにするに
は、例えば、チェビシェフの重み係数を掛ける、或いは
アンテナアレー1−5の指向特性を改良する等の手段を
用いることにより、低サイドローブ化することができ
る。
【0020】前述の式(2)の時空符号化行列を用い、
各列の信号をそれぞれ各ビームに対応させると、各ビー
ム#1,ビーム#2,ビーム#3,ビーム#4から時刻
t1で信号s1 ,s2 ,s4 ,s3 が同時に送信され、
時刻t2で信号−s2 * ,s 1 * ,s3 * ,−s4 *
同時に送信され、以下同様にして4タイムスロットで4
ビームから各行の符号が送信される。従って4タイムス
ロットでのそれぞれの受信信号r1 ,r2 ,r3 ,r4
は、以下の式(3)によって表される。
【0021】
【数3】
【0022】式(3)において、rの各下付添字は各時
刻t1〜t4を表し、hi (i=1,2,3,4)はi
番目のビームからユーザ端末への応答(チャネル特性)
である。ユーザ端末において、該受信信号r1 ,r2
3 ,r4 と既知のパイロット信号とを利用して各ビー
ム毎の応答hi (i=1,2,3,4)を推定し、以下
の式(4)の演算により送信信号の復号信号を算出す
る。
【0023】
【数4】
【0024】上記式(4)の演算において、上記式
(3)のr1 ,r2 ,r3 ,r4 を代入することによ
り、式(4)は次式(5)のように表される。
【数5】
【0025】上記式(5)の各式において、右辺の第1
項は各ビームからの応答信号の最大比合成を表してい
る。直交時空符号を用いず、準直交時空符号を用いてい
るため、式(5)の右辺の第2項に示す非直交信号成分
が現れる。しかし、図2に示すビームパターンの例にお
いて、ユーザが例えばビームの放射角0度の方向に位置
していたとすると、低サイドローブのビームを用いるこ
とにより、ビーム#2とビーム#3からの信号のみを受
信し、ビーム#1とビーム#4からの送信信号を殆ど受
信しない。従って、ビーム#1とビーム#4からのチャ
ネルの応答信号は、それぞれ略h1 =h4 =0となり、
式(5)の右辺第2項が消去されることとなる。
【0026】また、ユーザが例えばビームの放射角−1
5度付近の方向に位置していたとすると、ビーム#1と
ビーム#2からの信号を受信し、ビーム#3とビーム#
4からの送信信号を殆ど受信しない。従って、ビーム#
3とビーム#4からのチャネルの応答信号は、それぞれ
略h3 =h4 =0となり、式(5)の右辺第2項が同様
に消去される。
【0027】また、ユーザが例えばビームの放射角+1
5度付近の方向に位置していたとすると、ビーム#3と
ビーム#4からの信号を受信し、ビーム#1とビーム#
2からの送信信号を殆ど受信しない。従って、ビーム#
1とビーム#2からのチャネルの応答信号は、それぞれ
略h1 =h2 =0となり、式(5)の右辺第2項が同様
に消去される。
【0028】即ち、ユーザが隣接する2つのビームのメ
インローブのみから送信信号を受信するようにマルチビ
ームが形成されていれば、各ビームからの応答信号の最
大比合成は以下の式(6)のようになり、2ビーム合成
の効果を得ながら直交性を保つことができることとな
る。
【0029】
【数6】
【0030】図3は、直交周波数分割多重・符号分割多
元接続方式(OFDM−CDMA)の送信装置に適用し
た本発明の構成例を示す。複数の各ユーザの送信信号U
1,U2は、マッピング部3−11,3−12により変
調信号点(例えばQPSKの各信号点)にマッピングさ
れ、該マッピングされた信号は、準直交時空符号化部3
−2により、同じ時空符号化行列を共用するユーザ信号
と共に時空符号化される。
【0031】このとき、時空符号化行列内のどの符号要
素にどのユーザ信号をどのような割合で割り当てるか
は、割り当て符号要素位置を各ユーザ端末に適宜通知す
る手段を備えることとすれば、任意に割り当て位置を決
定して良い。そして、図4に示すように、ユーザ送信デ
ータU1,U2,…,UNとは別に、パイロット信号系
列をビーム数だけ用意し、時空符号化された送信データ
U1,U2,…,UNの前に挿入する。
【0032】これらのパイロット信号系列と送信データ
系列は、それぞれビームステアリング部3−3によりビ
ーム操舵処理され、各アンテナブランチ対応の合成部3
−4内のビーム多重部3−41においてビーム多重され
る。ビーム多重された信号は、拡散部3−42において
ウォルシュ符号を用いて周波数領域で拡散される。
【0033】同様に時空符号化された他のユーザグルー
プの送信信号も別のウォルシュ符号を用いて拡散され、
それらのユーザ信号同士を多重部3−43で多重する。
これらの拡散され多重された送信信号をサブキャリア信
号とした直交周波数分割多重信号は、逆離散フーリエ変
換部3−44において時間領域の信号に変換され、アン
テナアレー3−5の各アンテナから送信される。
【0034】図5は本発明の送信装置から信号を受信す
る受信装置の構成例を示す。該受信装置において、高速
フーリエ変換部5−1は、アンテナから受信しベースバ
ンド信号に変換した受信信号を高速フーリエ変換処理に
より受信サブキャリア信号に変換する。
【0035】チャネル推定部5−2は、パイロット信号
部の受信信号と既知のパイロット信号とを用いて各受信
サブキャリア信号におけるそれぞれのビームのチャネル
特性を推定する。各サブキャリア毎の復号部5−3は、
各ビームのチャネル推定値を用いて各受信サブキャリア
信号を復号する。
【0036】逆拡散部5−4は、全てのサブキャリアの
復号部5−3で復号された信号をユーザ毎の逆拡散コー
ドを用いて逆拡散し、判定部5−5は該逆拡散信号から
受信信号を判定し、送信されたユーザ信号を復元する。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
送信アンテナアレー及び時空符号行列を用いる送信装置
において、ビーム合成の効果を得ながら直交性を保つこ
とができる準直交時空符号化行列に送信信号を割り当
て、低サイドローブのマルチビームを用いることによ
り、直交時空符号化行列より行数の少ない時空符号化行
列を用いて送信することができ、伝送効率、伝送速度を
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の送信装置の原理的な構成を示す図であ
る。
【図2】本発明の送信装置のマルチビームパターン例を
示す図である。
【図3】直交周波数分割多重・符号分割多元接続方式
(OFDM−CDMA)の送信装置に適用した本発明の
構成例を示す図である。
【図4】本発明の送信装置における送信フレームの構成
例を示す図である。
【図5】本発明の送信装置から信号を受信する受信装置
の構成例を示す図である。
【図6】従来の送信装置の構成例を示す図である。
【図7】従来の送信装置のマルチビームパターン例を示
す図である。
【符号の説明】
1−1 マッピング部 1−2 準直交時空符号化部 1−3 ビームステアリング部 1−4 合成部 1−5 アンテナアレー

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アンテナアレーによる送信マルチビーム
    のビーム数と同数の列ベクトルを有する時空符号化行列
    を用い、ユーザ信号を時空符号化して送信する送信装置
    において、 ユーザ信号を準直交時空符号化行列の符号要素に割り当
    てる準直交時空符号化手段と、低サイドローブのマルチ
    ビームアンテナアレーとを備えたことを特徴とするアン
    テナアレー及び時空符号行列を用いる送信装置。
  2. 【請求項2】 前記準直交時空符号化手段は準直交時空
    符号化行列として、正方行列の準直交時空符号化行列を
    用いたことを特徴とする請求項1に記載のアンテナアレ
    ー及び時空符号行列を用いる送信装置。
  3. 【請求項3】 前記準直交時空符号化手段は準直交時空
    符号化行列として、隣接する送信マルチビームのみから
    受信される信号に対してビーム干渉を除去し時空符号を
    復号化し得る時空符号化行列を用いたことを特徴とする
    請求項1又は2に記載のアンテナアレー及び時空符号行
    列を用いる送信装置。
JP2002006023A 2002-01-15 2002-01-15 アンテナアレー及び時空符号行列を用いる送信装置 Withdrawn JP2003209534A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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