JP2005137003A - 無線通信システムにおいて送信ダイバーシチ利得を高める方法及び無線送信機 - Google Patents

Abstract

【課題】方法とシステムは、無線通信システムで送信ダイバーシチ利得を高める。
【解決手段】本システムは、２^Ｎ個の送信アンテナを有する送信機（Ｎは１より大きい）と、１つ又は複数の受信アンテナを有する受信機とを含む。送信機は、互いに直列に接続されたＮ個のステージを含む。第１ステージは、シンボルレベル時空間送信ダイバーシチ符号器である。全部でＮステージの場合、次のＮ−１個のステージの各々はブロックレベル時空間送信ダイバーシチ符号器である。最終ステージは、２^Ｎ個のアンテナに接続される。送信機は、Ｘ_１とＸ_２の形式でシンボルの対を生成する。シンボル対は第１ステージによって符号化されて２^１×２^１出力行列Ｃを生成する。そして、最終出力行列が２^Ｎ行の送信シンボルを有するまで、各々の次のブロックレベルステージｎで、前のステージの２^ｎ−１×２^ｎ−１出力行列が２^ｎ×２^ｎ出力行列に符号化される。
【選択図】図２

Description

本発明は包括的には無線通信ネットワークに関し、より詳細には、このようなネットワークにおける適応送信ダイバーシチに関する。

送信ダイバーシチは、セルラ電話ネットワークのような第３世代無線通信システムを規定する主要な技術の１つである。このようなシステムでは、複数のアンテナを通じて信号を送信することにより、空間ダイバーシチが信号に導入される。空間ダイバーシチは、受信機において信号の複数の独立したコピーを提供することにより、チャネルフェージングの影響を低減する。送信ダイバーシチにより、すべてのコピーがチャネルにおいて同時にフェージングを受ける確率は非常に小さくなる。その結果、システムの性能が向上する。

送信ダイバーシチは、複数の空間的に分離されたアンテナとともに、種々の時間もしくは周波数変調技法、またはこれらの技法の組合せを用いることができる。

時空間送信ダイバーシチ（ＳＴＴＤ）は、オープンループ方式の送信ダイバーシチ技法である。ＳＴＴＤは、ワイドバンド符号分割多元接続（Ｗ−ＣＤＭＡ）標準として第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）により採用されている。オープンループとは、受信機から送信機へのチャネル条件に関するフィードバックがないことを意味する。

図１は、従来のＳＴＴＤシステム１００の基本構成を示している。システムは、２個の送信アンテナ１０３と、１個の受信アンテナ１０４を使用する。このようなシステムでは、送信機が、送信されるべきデータのストリームをシンボルＸ_１およびＸ_２の対１１０として生成する。各シンボル対は、送信機のシンボルレベルＳＴＴＤ符号器ブロック１０１に供給される。符号器１０１の出力行列１１１は次式の通りである。

ここで＊は複素共役を表す。図１に示されるように、送信シンボルは、行の左から右への順序で、上から下への順に、対応する異なる送信アンテナに供給される。すなわち、第１行の送信シンボルＸ_１およびＸ_２はすべて第１の送信アンテナに送られ、第２行の送信シンボルＸ_２ ^＊および−Ｘ_１ ^＊はすべて第２の送信アンテナに送られる。

無線チャネル１１５を通過した後、チャネルインパルス応答ｈ_１およびｈ_２１１８が、単一のアンテナ１０４を有する復号器１０２によって検出および測定される。

一般に、このタイプの変換は、２個の送信アンテナの場合にダイバーシチ利得が最大化される。ダイバーシチ利得は送信アンテナの個数に比例するので、より高いダイバーシチ利得を達成し、システムの性能を向上させるためには、より多数の送信アンテナが必要である。

これはダウンリンクチャネルに特に当てはまる。というのは、基地局は一般に多数の送信アンテナを含み得るからである。しかし、ＳＴＴＤ方式に対する３ＧＰＰ Ｗ−ＣＤＭＡ標準は、送信機を２個の送信アンテナに制限している。したがって、より多数のアンテナを有する３ＧＰＰのためのいかなる他の送信ダイバーシチ技法も、２個の送信アンテナを有するシステムとの下位互換性を達成しなければならない。

したがって、従来技術の２アンテナ３ＧＰＰ Ｗ−ＣＤＭＡシステムとの下位互換性を達成しながら、ＳＴＴＤ送信機に２個より多くの送信アンテナを提供することが望まれる。

無線通信システムにおいて送信ダイバーシチ利得を高める方法およびシステムを提供する。本システムは、２^Ｎ個の送信アンテナを有する送信機（ここでＮは１より大きい）と、１つまたは複数の受信アンテナを有する受信機とを含む。送信機は、互いに直列に接続されたＮ個のステージを含む。

第１ステージは、シンボルレベル時空間送信ダイバーシチ符号器である。

全部でＮステージの場合、次のＮ−１個のステージのそれぞれはブロックレベル時空間送信ダイバーシチ符号器である。最終ステージは、２^Ｎ個のアンテナに接続される。

送信機は、Ｘ_１およびＸ_２の形式でシンボルの対を生成する。シンボル対は第１ステージによって符号化されて２^１×２^１出力行列Ｃを生成する。

そして、最終出力行列が２^Ｎ行の送信シンボルを有するまで、それぞれの次のブロックレベルステージｎで、前のステージの２^ｎ−１×２^ｎ−１出力行列が２^ｎ×２^ｎ出力行列に符号化される。

最終出力行列の送信シンボルは、各行について左から右への順序で、上から下への順に、２^Ｎ個の送信アンテナのうちの対応する異なる送信アンテナに供給される。送信シンボルを送信する前に、送信重みが各送信シンボルに適用される。

図２に示すように、本発明は、２^Ｎ個の送信アンテナ２０４を有する送信機２００を提供する。ここで、Ｎは１より大きい整数値である。これは、２個のアンテナを有する（すなわちＮが１に等しい）従来技術のＳＴＴＤ送信機の拡張である。図２の例示的送信機の場合、Ｎは２に等しいため、４個の送信アンテナ２０４がある。

図１の従来技術のＳＴＴＤシステムと下位互換にするため、送信信号は、シンボル対のストリームとして生成される。各シンボル対を全体としてＸ１１０で表す。各シンボル対は、まず、シンボルレベルＳＴＴＤ符号器２１０によって、２個の行を有する行列Ｃ２１２として符号化される。

本発明によれば、１対の連続するシンボル対（Ｘ_１，Ｘ_２）および（Ｘ_３，Ｘ_４）が次式のような１対の行列Ｃ_１およびＣ_２に符号化される（２１０）。

次に、ブロックレベル符号器２２０によって、行列Ｃ_１およびＣ_２のそれぞれの対から、送信シンボルの４×４行列Ｔ２２１が４個のアンテナ２０４に対して生成される。すなわち、各行列Ｃは、ブロックレベルＳＴＴＤ符号化演算２２０に対する１つの要素として扱われる。

ブロックレベル符号化２２０の結果、行列Ｔ２２１は次式のようになる。

送信シンボルは、行列Ｔ２２１の各行の左から右への順序で、上から下への順に、対応する異なる送信アンテナ２０４に供給される。すなわち、送信シンボルＸ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４が第１のアンテナに送られ、送信シンボルＸ_２ ^＊、−Ｘ_１ ^＊、Ｘ_４ ^＊、−Ｘ_３ ^＊が第２のアンテナに送られ、等となる。

さらに図２に示されるように、システムの性能は、任意選択の重み２３０を各送信シンボルに適用することによってさらに向上させることができる。ｉ番目のアンテナにおける重みをＷ_ｉ（ｉ＝１，２，...，２^Ｎ）で表す。Ｗ_ｉの値はチャネル条件に基づく。

送信重みを決めるためのいくつかの技法が文献で扱われている。最も一般的に用いられている技法は、注水(water-filling)アルゴリズムおよび固有モードアルゴリズムである。Valaee等著「Resource Allocation for Video Streaming in Wireless Environment」（IEEE International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC 02), October 2002）を参照されたい。両方の技法とも、チャネル条件に基づいて送信重みを選択する。各受信アンテナにおいて最大の受信信号対雑音比が望まれる場合、固有モードアルゴリズムが有利である。

チャネル条件は、受信機で推定または測定して送信機にフィードバックすることができる。チャネル条件がフィードバックされる場合、システムはクローズドループ方式で動作し、これは従来のＳＴＴＤシステムとは異なる。しかし、各送信アンテナで同一の実数値重みが適用される場合、下位互換性が維持される。

図３に示されるように、このプロセスおよび構成は、シンボルレベルＳＴＴＤ符号器２１０の後に、直列に接続された（Ｎ−１）個のブロックレベルＳＴＴＤ符号化ブロック２２０を追加することによって、Ｎ＝２，...，ｎ，...，Ｎの場合、すなわち、４個、８個、１６個等の送信アンテナに一般化することができる。

それぞれの次のブロックレベルＳＴＴＤ演算の間に、前の符号化ステージの出力からの行列のそれぞれの対が、後続のブロックレベルＳＴＴＤ符号化における１つの入力要素として扱われる。結果として得られる２^Ｎ×２^Ｎ出力行列３００が、送信のための最終的な符号化行列である。最終行列３００の行の送信シンボルが、図示のように、上から下への順序で２^Ｎ個のアンテナに供給される。

なお、何個のブロックレベルＳＴＴＤブロックが追加されても、式（３）の符号化行列の最初の２行から取った送信シンボル対は、シンボルレベルＳＴＴＤ２１０の出力と同一であることが留意される。したがって、従来技術の２アンテナＳＴＴＤ送信機との下位互換性が達成される。

したがって、従来技術の受信機は、送信機によって使用された符号化ステージの個数を知ることを必要とせずに、受信信号を処理することができる。しかし、受信機が、単一のシンボルレベル符号化ステージに加えて、１つまたは複数のブロックレベル符号化ステージも使用されたことを知っていれば、それらの追加ステージによるダイバーシチ利得の増大によって、より良好な性能を提供することができる。

なお、ダイバーシチ利得は、受信機におけるアンテナの個数を増やすことによってさらに向上させることができることが留意されるべきである。

以上、本発明について、好ましい実施形態を例として説明したが、本発明の精神および範囲内で種々の他の適応形態および変更形態を実施できることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求項の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入るすべてのそのような変形形態および変更形態を包含することである。

２個の送信アンテナおよび１個の受信アンテナを有する従来技術のＳＴＴＤシステムのブロック図である。 本発明による２^Ｎ個の送信アンテナを有するＳＴＴＤ送信機のブロック図である。 直列に接続されたブロックレベルＳＴＴＤ符号器のブロック図である。

Claims (10)

1. Ｎが１より大きいとして、２^Ｎ個の送信アンテナを有する送信機と１個の受信アンテナを有する受信機とを備える無線通信システムにおいて送信ダイバーシチ利得を高める方法であって、
   前記送信機において、Ｘ_１とＸ_２の形式でシンボル対のストリームを生成すること、
   シンボルレベルステージにおいて各シンボル対を時空間送信ダイバーシチ符号化し、各対に対して２^１×２^１行列
   

   

   （ここで、＊は複素共役を表す）を生成すること、
   及び
   ブロックレベルにおける次のステージにおいて前の状態の２^１×２^１行列Ｃの各対を時空間送信ダイバーシチ符号化し、２^２×２^２出力行列
   

   

   を生成すること、
   前記出力行列Ｔの送信シンボルを、各行の左から右への順序で、上から下への順に、対応する異なる送信アンテナに供給すること
   を含む無線通信システムにおいて送信ダイバーシチ利得を高める方法。
2. 各送信シンボルに、送信シンボルを送信する前に送信重みを適用することをさらに含む請求項１記載の方法。
3. 前記送信重みはチャネル条件に基づく
   請求項２記載の方法。
4. 前記チャネル条件は前記送信機によって推定される
   請求項３記載の方法。
5. 前記送信シンボルの受信機で前記チャネル条件を測定すること、
   及び
   前記送信機に前記チャネル条件をフィードバックすることをさらに含む
   請求項３記載の方法。
6. 前記送信重みは同一である
   請求項２記載の方法。
7. 受信機が複数の受信アンテナを有する
   請求項１記載の方法。
8. 最終出力行列内の行の数が２^Ｎに等しくなるまで、前記ブロックレベルにおける次のステージｎにおいて前の状態ｎ−１の２^ｎ−１×２^ｎ−１行列の各対を繰り返し時空間送信ダイバーシチ符号化し、２^ｎ×２^ｎ出力行列
   

   

   を生成することをさらに含む
   請求項１記載の方法。
9. Ｎが１より大きいとして、２^Ｎ個の送信アンテナを有する無線送信機であって、
   Ｘ_１とＸ_２の形式でシンボル対のストリームを生成する手段と、
   シンボルレベルステージにおいて各シンボル対を符号化することにより２^１×２^１行列
   

   

   （ここで、＊は複素共役を表す）を生成するように構成された時空間送信ダイバーシチ符号器と、
   ブロックレベルにおける次のステージｎにおいて前の状態ｎ−１の２^ｎ−１×２^ｎ−１行列の各対を符号化することにより２^ｎ×２^ｎ出力行列を生成するように構成され、直列に接続された複数の時空間送信ダイバーシチ符号器と、
   前記複数の符号器の最終ステージの出力行列の送信シンボルを、各行の左から右への順序で、上から下への順に、２^Ｎ個の送信アンテナのうちの対応する異なる送信アンテナに供給する手段と
   を備える無線送信機。
10. Ｎが１より大きいとして、２^Ｎ個の送信アンテナと、
    シンボル対のストリームを生成する手段と、
    前記ストリーム中の各シンボル対から第１の出力行列を生成する１個のシンボルレベル時空間送信ダイバーシチ符号器と、
    ブロックレベル時空間送信ダイバーシチ符号器のうちの第１のブロックレベル時空間送信ダイバーシチ符号器が前記１個のシンボルレベル時空間送信ダイバーシチ符号器に接続され、各ブロックレベル時空間送信ダイバーシチ符号器が前の符号器の出力行列の対から後続の出力行列を生成し、最終符号器が２^Ｎ×２^Ｎ出力行列を生成する、互いに直列に接続されたＮ−１個のブロックレベル時空間送信ダイバーシチ符号器と、
    最終出力行列の送信シンボルを、Ｎ個の行のそれぞれの左から右への順序で、上から下への順に、前記２^Ｎ個の送信アンテナのうちの対応する異なる送信アンテナに供給する手段と
    を備える無線送信機。

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