JP2005176325A - Method for increasing transmit diversity gain in wireless communication system, and wireless communication system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an adaptive transmit diversity scheme using simple feedback for a wireless system. <P>SOLUTION: A wireless communication system includes a transmitter and a receiver. The transmitter includes multiple groups of transmit antennas. Input symbols are generated and then an orthogonal space-time block is encoded to produce a data stream for each group of transmit antennas. Each data stream is adaptively linear space encoded to produce an encoded signal for each transmit antenna of each group according to feedback information for the group. The receiver includes a single receive antenna, a module for measuring a phase of a channel impulse response for each transmit antenna. The feedback information is determined independently for each group of transmit antennas from the channel impulse responses. The feedback information for each group of transmit antennas is sent to the transmitter. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、包括的には無線通信ネットワークにおける送信ダイバシティ利得に関し、特に送信機において適応的にダイバシティ利得を最大化することに関する。   The present invention relates generally to transmit diversity gain in wireless communication networks, and more particularly to adaptively maximizing diversity gain at a transmitter.

次世代の無線通信システムでは、高品質の音声サービス、ならびに現在の無線システムの限界を遥かに超えるデータレートを有する広帯域データサービスを提供することが必要とされている。例えば、広帯域符号分割多元接続(WCDMA)システムの第3世代パートナーシッププロジェクト(3GPP)規格によって承認された高速ダウンリンクパケットアクセス(HSDPA)は、EDGE(enhanced data rate for GSM evolution、いわゆる2.5Gの通信規格)がサポートする最大384Kbpsに対し、ダウンリンクチャネルで最高10Mbps以上のデータレートを提供しようとするものである。3GPPについては、3GPP TR25.848 v4.0.0「3GPP technical report: Physical layer aspects of ultra high speed downlink packet access」(March 2001)およびETSI.GSM 05.05「Radio transmission and reception」(ETSI EN 300 910 V8.5.1, November 2000)を参照願いたい。   In next generation wireless communication systems, there is a need to provide high quality voice services as well as broadband data services having data rates that far exceed the limits of current wireless systems. For example, High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) approved by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard of the Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) system is called EDGE (enhanced data rate for GSM evolution, so-called 2.5G communication). The standard) supports a data rate of up to 10 Mbps or more on the downlink channel, up to 384 Kbps. For 3GPP, 3GPP TR25.848 v4.0.0 “3GPP technical report: Physical layer aspects of ultra high speed downlink packet access” (March 2001) and ETSI. See GSM 05.05 “Radio transmission and reception” (ETSI EN 300 910 V8.5.1, November 2000).

アンテナダイバシティによりデータレートを上げることができる。アンテナダイバシティは、受信機において送信信号の複数の複製を供給することによって、チャネルにおけるマルチパスフェージングの悪影響を効果的に抑制する。通常のエンドユーザデバイス(例えば、携帯電話やハンドヘルドコンピュータ)は、サイズとコストに制限があるため、ダウンリンク送信は、受信機ダイバシティよりも送信ダイバシティを優先させる。   Data rate can be increased by antenna diversity. Antenna diversity effectively suppresses the adverse effects of multipath fading on the channel by providing multiple copies of the transmitted signal at the receiver. Because typical end-user devices (eg, mobile phones and handheld computers) are limited in size and cost, downlink transmission gives priority to transmit diversity over receiver diversity.

最も一般的な送信ダイバシティ技法の1つは、時空間符号化である。Alamouti著「A simple transmit diversity technique for wireless communications」(IEEE J. Select. Area Commun., vol.16, pp.1451-1458, October 1998)、Tarokh等著「Space-time codes for high data rate wireless communication: performance criterion and code construction」(IEEE Trans. Info. Theory, vol.44, pp.744-765, March 1998)、Tarokh等著「Space-time block codes from orthogonal designs」(IEEE Trans. Info. Theory, vol.45, pp.1456-1467, July 1999)、およびXin等著「Space-time diversity systems based on linear constellation precoding」(IEEE Trans. Wireless Commun., vol.2, pp.294-309, March 2003)を参照願いたい。   One of the most common transmit diversity techniques is space-time coding. Alamouti “A simple transmit diversity technique for wireless communications” (IEEE J. Select. Area Commun., Vol.16, pp.1451-1458, October 1998), Tarokh et al. “Space-time codes for high data rate wireless communication : performance criterion and code construction "(IEEE Trans. Info. Theory, vol.44, pp.744-765, March 1998), Tarokh et al." Space-time block codes from orthogonal designs "(IEEE Trans. Info. Theory, vol.45, pp.1456-1467, July 1999) and “Space-time diversity systems based on linear constellation precoding” by Xin et al. (IEEE Trans. Wireless Commun., vol.2, pp.294-309, March 2003) Please refer to).

時空間符号化を用いた場合、データシンボルは、時間領域(送信間隔)と空間領域(送信アンテナアレイ)の両方で符号化される。厳密に2本の送信アンテナを有するシステムについては、Alamouti等が直交時空間ブロック符号(STBC)を記載している。全体のダイバシティ次数は、単純な代数演算により達成される。   When space-time coding is used, data symbols are coded in both the time domain (transmission interval) and the space domain (transmit antenna array). For systems with exactly two transmit antennas, Alamouti et al. Describe an orthogonal space-time block code (STBC). The overall diversity order is achieved by simple algebraic operations.

時空間トレリス符号化は、システムのダイバシティ利得と符号化利得の両方を最大化しようと努めることによって、複数のアンテナの全潜在能力を利用する。比較的高い符号化および復号化の複雑度という代償を払うことにより、より良い性能が達成される。   Space-time trellis coding takes advantage of the full potential of multiple antennas by trying to maximize both the diversity gain and coding gain of the system. Better performance is achieved at the cost of a relatively high encoding and decoding complexity.

上記の技法は、送信機にフェージングチャネルの知識がないという仮定の下で設計される。したがって、上記の技法は、開ループ送信ダイバシティを有するものとして分類することができる。   The above technique is designed under the assumption that the transmitter has no knowledge of the fading channel. Thus, the above technique can be classified as having open loop transmit diversity.

システムの性能は、受信機からのフィードバック情報からいくらかのチャネル情報が送信機において利用可能である場合に、さらに高めることができる。これらのシステムは、閉ループ送信ダイバシティを有するものとして分類される。フィードバック情報は、送信ダイバシティシステムにおいて、受信機における利得を最大化するために利用することができる。Jongren等著「Combining beamforming and orthogonal space-time block coding」(IEEE Trans. Info. Theory, vol.48, pp.611-627, March 2002)、Zhou等著「Optimal transmitter eigen-beamforming and space-time block coding based on channel mean feedback」(IEEE Trans. Signal Processing, vol.50, pp.2599-2613, October 2002)、Rohani等著「A comparison of base station transmit diversity methods for third generation cellular standards」(Proc. IEEE Veh. Techno. Conf. VTC '99 Spring, pp.351-355, May 1999)、Derryberry等著「Transmit diversity in 3G CDMA systems」(IEEE Commun. Mag., vol.40, pp.68-75, April 2002)、Lo著「Maximum ratio transmission」(IEEE Trans. Commun., vol.47, pp.1458-1461, October 1999)、Huawe著「STTD with adaptive transmitted power allocation」(TSGR1-02-0711, May, 2002)、およびHorng等著「Adaptive space-time transmit diversity for MIMO systems」(Proc. IEEE Veh. Techno. Conf. VTC '03 Spring, pp.1070-1073, April 2003)を参照願いたい。   System performance can be further enhanced if some channel information is available at the transmitter from feedback information from the receiver. These systems are classified as having closed loop transmit diversity. The feedback information can be used to maximize the gain at the receiver in a transmit diversity system. “Combining beamforming and orthogonal space-time block coding” by Jongren et al. (IEEE Trans. Info. Theory, vol.48, pp.611-627, March 2002), “Optimal transmitter eigen-beamforming and space-time block by Zhou et al.” coding based on channel mean feedback "(IEEE Trans. Signal Processing, vol.50, pp.2599-2613, October 2002), Rohani et al." A comparison of base station transmit diversity methods for third generation cellular standards "(Proc. IEEE Veh. Techno. Conf. VTC '99 Spring, pp.351-355, May 1999), "Transmit diversity in 3G CDMA systems" by Derryberry et al. (IEEE Commun. Mag., Vol.40, pp.68-75, April) 2002), Lo “Maximum ratio transmission” (IEEE Trans. Commun., Vol.47, pp.1458-1461, October 1999), Huawe “STTD with adaptive transmitted power allocation” (TSGR1-02-0711, May, 2002) and Horng et al., “Adaptive space-time transmit diversity for MIMO systems” (Proc. IEEE Veh. Techno. Conf. VTC '03 Spring, pp.1070-1073, April 2003). I want.

時空間ブロック符号化は、線形の最適なビーム形成と組み合わせることができる。線形符号化行列は、フェージングチャネルのフィードバック情報に基づいて最適化することができる。送信アダプティブアレー(TxAA)は、送信されたシンボルが空間領域のみで符号化されるもう1つの閉ループ送信ダイバシティシステムである。フェージングチャネルのベクトルが送信機に既知であるならば、性能の向上を達成することができる。空間符号化送信ダイバシティの概念は、最大比送信(MRT)として一般化することができる。   Space-time block coding can be combined with linear optimal beamforming. The linear coding matrix can be optimized based on fading channel feedback information. A transmit adaptive array (TxAA) is another closed-loop transmit diversity system in which transmitted symbols are encoded only in the spatial domain. If the fading channel vector is known to the transmitter, an improvement in performance can be achieved. The concept of spatially coded transmit diversity can be generalized as maximum ratio transmission (MRT).

上記の全ての閉ループシステムでは、フィードバック情報がM×Nの複素数値の行列である必要があり、ここで、MおよびNは、それぞれ送信機と受信機におけるアンテナの本数である。行列の要素は、チャネルインパルス応答(CIR)、またはCIRの統計値(例えば平均または共分散)のいずれかである。フィードバック行列は、2MN個の実数値スカラを含むため、受信機から送信機への逆方向リンクのフィードバック情報により相当な帯域幅が消費される。   In all the above closed loop systems, the feedback information needs to be an M × N complex-valued matrix, where M and N are the number of antennas at the transmitter and receiver, respectively. The elements of the matrix are either channel impulse response (CIR) or CIR statistics (eg, mean or covariance). Since the feedback matrix contains 2MN real-valued scalars, considerable bandwidth is consumed by the reverse link feedback information from the receiver to the transmitter.

この問題を克服するために、少ないフィードバック情報を用いる次善の方法が可能である。適応的時空間ブロック符号化(ASTTD)は、フィードバック情報としてのフェージングチャネルの電力比からなる実数値ベクトルを用いる。この場合、フィードバック情報は、各送信アンテナの電力を調整するために用いられる。この技法は、依然として多数のビットを消費する。   To overcome this problem, a suboptimal method with less feedback information is possible. Adaptive space-time block coding (ASTTD) uses a real-valued vector consisting of the power ratio of the fading channel as feedback information. In this case, the feedback information is used to adjust the power of each transmission antenna. This technique still consumes a large number of bits.

したがって、送信機に送り返すビット数を低減する一方で、送信ダイバシティ利得を最大化することが望ましい。   Therefore, it is desirable to maximize the transmit diversity gain while reducing the number of bits sent back to the transmitter.

本発明は、無線通信システム用の、単純なフィードバックを用いた適応的送信ダイバシティ方式を提供する。   The present invention provides an adaptive transmit diversity scheme with simple feedback for wireless communication systems.

本発明の目的は、従来の送信ダイバシティ方法よりも少ないフィードバック情報および少ない計算を用いて、より良いシステム性能を達成することである。   It is an object of the present invention to achieve better system performance with less feedback information and less computation than conventional transmit diversity methods.

送信機と受信機の両方における単純な線形演算を用いて、本方法は、送信機に2本のアンテナ(M=2)と受信機に1本のアンテナを有するシステムの場合に1ビットのフィードバック情報のみを必要とする。   Using simple linear operations at both the transmitter and receiver, the method provides 1-bit feedback for a system with two antennas (M = 2) at the transmitter and one antenna at the receiver. Only information is needed.

送信機により多くのアンテナがある場合(M>2)、フィードバックのビット数は、2(M−1)ビットとなる。これは依然として、ほとんどの従来の閉ループ送信ダイバシティ技法が必要とするビット数よりも著しく少ない。   When there are more antennas in the transmitter (M> 2), the number of feedback bits is 2 (M−1) bits. This is still significantly less than the number of bits required by most conventional closed loop transmit diversity techniques.

上記の象限位相制約法を直交時空間ブロック符号と組み合わせた場合、フィードバック情報の量をさらに少なくすることができる。3本または4本の送信アンテナを有するシステムの場合、フィードバックの量は、それぞれ、わずかに1ビットおよび2ビットとすることができる。   When the above quadrant phase constraint method is combined with an orthogonal space-time block code, the amount of feedback information can be further reduced. For systems with 3 or 4 transmit antennas, the amount of feedback can be only 1 and 2 bits, respectively.

本発明の方法の計算の複雑度は、同量のフィードバックを用いる最適量子化TxAA閉ループ技法と比べて遥かに低い。   The computational complexity of the method of the present invention is much lower compared to the optimal quantized TxAA closed loop technique using the same amount of feedback.

さらに、本方法は、フィードバックチャネルにおいて、より多くの情報を送信するいくつかの閉ループ送信ダイバシティ技法よりも性能が優れている。   Furthermore, the method outperforms some closed-loop transmit diversity techniques that transmit more information in the feedback channel.

図1は、本発明によるダイバシティシステム100のベースバンド表現を示す。本システムは、送信機10(例えば、基地局)にM本のアンテナ101と受信機20(例えば、携帯電話)に1本のアンテナ102を有する。   FIG. 1 shows a baseband representation of a diversity system 100 according to the present invention. The system includes M antennas 101 at a transmitter 10 (for example, a base station) and one antenna 102 at a receiver 20 (for example, a mobile phone).

時刻kにおいて、変調されたシンボルs103は、送信機において空間領域で、次式の空間符号化ベクトル111に従って線形符号化される(110)。 At time k, the modulated symbol s k 103 is linearly encoded in the spatial domain at the transmitter according to the spatial encoding vector 111 of the following equation (110).

Figure 2005176325
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符号化された送信データ112は、次式となり、x(k)は、m番目の送信アンテナ101において送信されるデータを示す。 The encoded transmission data 112 is expressed by the following equation, and x m (k) indicates data transmitted by the m-th transmission antenna 101.

Figure 2005176325
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本発明の適応的送信ダイバシティ方法では、送信機において、受信機における受信信号105の空間復号化130から求めたフィードバック情報121に従って、空間符号化ベクトルp111を求める(120)。 In the adaptive transmission diversity method of the present invention, the transmitter obtains the spatially encoded vector p k 111 according to the feedback information 121 obtained from the spatial decoding 130 of the received signal 105 at the receiver (120).

具体的には、フィードバック情報121は、フェージング送信チャネル115における受信信号対間の位相差に関連する。信号間の位相差を最小化して、受信機においてダイバシティ利得が最大化されるようにすることが望ましい。さらに、位相差を示すために必要なビット数を最小化することが望ましい。また、受信機20におけるフィードバック情報の生成に伴う計算量を減らすことが望ましい。   Specifically, the feedback information 121 relates to a phase difference between received signal pairs in the fading transmission channel 115. It is desirable to minimize the phase difference between the signals so that the diversity gain is maximized at the receiver. Furthermore, it is desirable to minimize the number of bits required to indicate the phase difference. It is also desirable to reduce the amount of calculation associated with the generation of feedback information in the receiver 20.

受信信号は、チャネルインパルス応答の対象となる全ての送信アンテナからの伝播信号に、1次元につき分散N/2を有する付加的な白色ガウス雑音(AWGN)104を加えた合計である。受信機において、受信信号Rのサンプルr113は、次式(1)により表すことができる。 Received signal, the propagation signals from all the transmit antennas to be the channel impulse response, is the sum obtained by adding the additive white Gaussian noise (AWGN) 104 having a dispersion N 0/2 per dimension. In the receiver, the sample r k 113 of the received signal R x can be expressed by the following equation (1).

Figure 2005176325
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ここで、Eは、全ての送信アンテナの送信エネルギーの合計であり、Mは、アンテナの本数であり、zは、付加雑音104である。各フェージングチャネルの時間関数であるチャネルインパルス応答(CIR)は、次のように表される。 Here, E s is the sum of the transmission energy of all of the transmitting antennas, M is the number of antennas, z k is the additive noise 104. A channel impulse response (CIR), which is a time function of each fading channel, is expressed as follows.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、h(k)は、m番目の送信アンテナと受信アンテナとの間のフェージングチャネルのCIRであり、(・)は、行列の転置を示す。 Here, h m (k) is the CIR of the fading channel between the m-th transmitting antenna and the receiving antenna, and (·) T indicates matrix transposition.

式(1)によって定義されるシステムモデルでは、出力SNRを最大化するのに最適な空間符号化ベクトルp(ハット)は、次式(2)のように表される。 In the system model defined by the equation (1), the optimal spatial encoding vector p (hat) k for maximizing the output SNR is expressed by the following equation (2).

Figure 2005176325
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ここで、(・)は、エルミート行列の演算子を示す。この方式は、送信アダプティブアレー(TxAA)と呼ばれる。しかし、最適な空間符号化ベクトルを形成するためには、2M個の実数スカラ値を含むCIRベクトルhを完全に理解することが必要である。よって、フィードバックチャネルに割り当てられる資源が限られている実際のシステムでTxAA方式を実施することは、非現実的である。 Here, (·) H represents a Hermitian matrix operator. This scheme is called a transmit adaptive array (TxAA). However, in order to form an optimal spatial coding vector, it is necessary to fully understand the CIR vector h k containing 2M real scalar values. Therefore, it is impractical to implement the TxAA scheme in an actual system where resources allocated to the feedback channel are limited.

フィードバック情報の量を減らすために、TxAAの最適量子化フィードバック方式を説明する。下式(3)のような徹底的な検索アルゴリズムから空間符号化ベクトルを得る。   In order to reduce the amount of feedback information, an optimal quantization feedback scheme for TxAA will be described. A spatially encoded vector is obtained from a thorough search algorithm such as the following equation (3).

Figure 2005176325
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ここで、Pは、全ての可能な量子化された空間符号化ベクトルのセットである。このセットは、bビットの量子化およびM本の送信アンテナを用いるシステムの場合に、2b(M−1)個の可能なベクトルを含む。最適量子化フィードバックベクトルp(ハット)を求めるために、受信機は、最適な符号化ベクトルを選択できるようになる以前に、全ての可能な2b(M−1)個の符号化ベクトルについて、p の値を徹底的に求めなければならない。 Where P is the set of all possible quantized spatial coding vectors. This set contains 2 b (M−1) possible vectors for systems using b-bit quantization and M transmit antennas. In order to determine the optimal quantized feedback vector p (hat) k , the receiver can determine for all possible 2 b (M−1) encoded vectors before it can select the optimal encoded vector. , p k h k h k H p k value must be thoroughly seek the H.

コスト関数の各計算は、約M回の複素乗算を伴う。したがって、フィードバック情報のみによって生じる計算の複雑度の総量は、およそO(2b(M−1)×M)であり、これは、送信アンテナの本数とともに指数関数的に増加し、アンテナの本数が3本以上である場合に極めて大きくなる。 Each calculation of the cost function involves approximately M 2 complex multiplications. Thus, the total amount of computational complexity caused by feedback information alone is approximately O (2 b (M−1) × M 2 ), which increases exponentially with the number of transmit antennas and the number of antennas. Becomes extremely large when the number is 3 or more.

システムの性能、フィードバック情報のサイズ、およびシステムの計算の複雑度のバランスをとるために、本発明による適応的送信ダイバシティ方法は、象限位相制約法を用いてフィードバック情報を求める。したがって、フィードバック量と計算の複雑度の両方を大幅に減らすことができる。   To balance system performance, feedback information size, and system computational complexity, the adaptive transmit diversity method according to the present invention uses a quadrant phase constraint method to determine feedback information. Therefore, both the feedback amount and the computational complexity can be greatly reduced.

方法の説明
本発明の適応的送信ダイバシティ方法を、まず、2本の送信アンテナと1本の受信アンテナを有する最も単純なシステムについて説明する。この単純な場合には、空間符号化110によって用いられる空間符号化ベクトル111を生成するために、厳密に1ビットのフィードバック情報が必要となる。2本よりも多いM本の送信アンテナを有するシステム用の一般的な方法では、空間符号化ベクトル111を求める(120)ために、2(M−1)ビットのフィードバック情報が必要である。
Method Description The adaptive transmit diversity method of the present invention will first be described for the simplest system having two transmit antennas and one receive antenna. In this simple case, exactly one bit of feedback information is required to generate the spatially encoded vector 111 used by the spatial encoding 110. In a general method for a system with more than two M transmit antennas, 2 (M−1) bits of feedback information are required to determine 120 the spatially encoded vector 111.

2本の送信アンテナを有するシステム
2本の送信アンテナを有するシステムの場合、本発明の空間符号化ベクトル111を、次式(4)のように定義する。
System with Two Transmitting Antennas In the case of a system with two transmitting antennas, the spatially encoded vector 111 of the present invention is defined as the following equation (4).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、b∈{0、1}は、受信機から送出される量子化バイナリフィードバック情報121である。1つのフィードバックビットb(0または1)は、次式(5)のように、CIR hにおける推定位相シフトに基づく。 Here, b k ε {0, 1} is the quantized binary feedback information 121 sent from the receiver. One feedback bit b k (0 or 1) is based on the estimated phase shift in CIR h k as shown in the following equation (5).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、h(k)は、時間関数であるチャネルインパルス応答であり、(・)は、複素共役を示し、演算R(・)は、オペランドの実部を返す。言い換えれば、一方のチャネルのCIRと他方のチャネルのCIRとの複素共役の積が正である場合に、ビットはゼロとなり、そうでない場合は1となり、よって、空間符号化ベクトルp111は、それぞれ[1、1]または[1、−1]のいずれかとなる。 Here, h m (k) is a channel impulse response which is a time function, (•) * indicates a complex conjugate, and operation R (•) returns the real part of the operand. In other words, if the product of the complex conjugate of the CIR of one channel and the CIR of the other channel is positive, the bit is zero, otherwise it is 1, and thus the spatially encoded vector p111 is [ 1, 1] or [1, -1].

式(3)の空間符号化ベクトルpの定義を用いると、送信信号ベクトル112は、x=[s、(−1)bk]となる。式(1)中のベクトルxを置き換えると、受信サンプルを次式(6)のように表すことができる。 Using the definition of the spatial encoding vector p k in Equation (3), the transmission signal vector 112 is x k = [s k , (−1) bk s k ]. By replacing the vector x k in equation (1), the received sample can be expressed as in the following equation (6).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

コヒーレント検出を用いる受信機では、受信サンプルr(k)に(p=h (k)+h (k)(−1)bkを掛けて、次式(7)の決定変数y(k)を形成する。 At the receiver using coherent detection, the received sample r (k) (p k h k) H = h 1 * (k) + h 2 * (k) (- 1) is multiplied by the bk, following formula (7) Form a decision variable y (k).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、vは、下式で表され、決定変数の雑音成分である。 Here, v k is expressed by the following equation and is a noise component of the decision variable.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

雑音成分vの分散は、次式(8)のように表される。 The variance of the noise component v k is expressed as the following equation (8).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

式(5)から、次式(9)が成り立つことが分かる。   From formula (5), it can be seen that the following formula (9) holds.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

よって、受信機における瞬間出力SNRγは、次式(10)、(11)のように書くことができる。   Therefore, the instantaneous output SNRγ at the receiver can be written as in the following equations (10) and (11).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、γ=E/Nは、ダイバシティなしのSNRである。従来のダイバシティ利得gおよびフィードバックダイバシティ利得gは、次式(12)、(13)のように定義することができる。 Here, γ 0 = E s / N 0 is the SNR without diversity. The conventional diversity gain g c and the feedback diversity gain g b can be defined as the following equations (12) and (13).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

従来のダイバシティ利得gは、直交時空間ブロック符号化(STBC)のダイバシティ利得と同じであるが、フィードバックダイバシティ利得gは、バイナリフィードバック情報121が貢献する追加のダイバシティ利得である。 The conventional diversity gain g c is the same as the orthogonal space-time block coding (STBC) diversity gain, but the feedback diversity gain g b is an additional diversity gain contributed by the binary feedback information 121.

上の式から、閉ループシステムにおいて、1ビットbのフィードバック情報121のみを用いることで、送信信号は、空間領域でしか符号化しないにもかかわらず、フィードバックダイバシティ利得も考慮する本発明の送信ダイバシティ方式の出力SNRは、常に、開ループシステムにおいて直交STBC利得のみを考慮した場合よりも良好であることが分かる。 From the above equation, in the closed-loop system, by using only the 1-bit bk feedback information 121, the transmission signal of the present invention also considers the feedback diversity gain even though the transmission signal is encoded only in the spatial domain. It can be seen that the output SNR of the scheme is always better than when only the orthogonal STBC gain is considered in an open loop system.

3本以上の送信アンテナを有するシステム
上述のプロセスは、2本の送信アンテナを有するシステム用のものである。送信機に3本以上のアンテナがある場合(M>2)、2(M−1)ビットのフィードバック情報を用いる修正された送信ダイバシティ方法を用いる。
System with 3 or more transmit antennas The process described above is for a system with 2 transmit antennas. If the transmitter has more than two antennas (M> 2), a modified transmit diversity method using 2 (M-1) bits of feedback information is used.

2本よりも多いM本の送信アンテナを有するシステムについて、本発明では、空間符号化ベクトル111を次式(14)のように定義する。   In the present invention, for a system having more than two M transmission antennas, the spatially encoded vector 111 is defined as in the following equation (14).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、i=−1であり、q(k)∈{0、1、2、3}は、m=2、3、・・・、Mの場合の受信機からのフィードバック情報である。表現の一貫性のために、任意のkについてq(k)=0とする。 Here, i 2 = −1, and q m (k) ∈ {0, 1, 2, 3} is feedback information from the receiver when m = 2, 3,. . For consistency of expression, let q 1 (k) = 0 for any k.

そのような定義により、各q(k)は、2ビットの情報を含み、空間符号化ベクトルpを形成するために用いられるフィードバック情報は、合計で2(M−1)ビットとなる。式(1)および(14)を組み合わせると、受信サンプルr(k)を次式(15)のように書くことができる。 Such definitions, each q m (k) includes 2 bits of information, feedback information used to form the space encoding vector p k becomes 2 (M-1) bits in total. Combining the equations (1) and (14), the received sample r (k) can be written as the following equation (15).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

デコーダ130において、受信サンプルr(k)に(pを掛けることによって、決定変数y(k)を得る。これは、次式(16)のように書くことができる。 In the decoder 130, the decision variable y (k) is obtained by multiplying the received sample r (k) by (p k h k ) H. This can be written as the following equation (16).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、v=(p・zは、分散|p・Nを有する雑音成分であり、従来のダイバシティ利得gおよびフィードバックダイバシティ利得gは、それぞれ次式(17)、(18)のように定義される。 Here, v k = (p k h k ) H · z k is a noise component having a variance | p k h k | 2 · N 0 , and the conventional diversity gain g c and the feedback diversity gain g b are They are defined as the following equations (17) and (18), respectively.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

上の式において、従来のダイバシティ利得gは、一定の値のMについて固定されているが、フィードバックダイバシティ利得は、q(k)に基づいてフィードバック情報を適切に選択することによって最大化される。 In the above equation, the conventional diversity gain g c is fixed for a constant value of M, but the feedback diversity gain is maximized by appropriately selecting feedback information based on q m (k). The

2(M−1)ビットの情報を用いて、gの全ての合計要素が正となるようにq(k)を選択することによって、gを最大化することができる。gの合計要素の1つは、次式(19)のように表すことができる。 Using 2 (M−1) bits of information, g b can be maximized by selecting q m (k) such that all the total elements of g b are positive. One of the total elements of g b can be expressed as the following equation (19).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、θ∈[0、2π)は、h(k)の位相である。 Here, θ m ε [0, 2π) is the phase of h m (k).

任意のm≠nに対して次式(20)の条件が満たされる場合、式(19)の項は、正となる。   When the condition of the following equation (20) is satisfied for an arbitrary m ≠ n, the term of the equation (19) is positive.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

つまり、2つの信号の位相差の絶対値は、90度未満である。   That is, the absolute value of the phase difference between the two signals is less than 90 degrees.

式(20)のこの最大化条件を満たすために、全ての受信信号について、m=1、2、・・・、Mに対する位相θ+{q(k)/2}・πが互いに90度以内となるようにq(k)を調整する。この方法を象限位相制約法と呼ぶ。 In order to satisfy this maximization condition of the equation (20), the phase θ m + {q m (k) / 2} · π with respect to m = 1, 2,... Q m (k) is adjusted to be within a degree. This method is called quadrant phase constraint method.

一般性を失うことなく、第1サブチャネルh(k)の信号の位相θを変更しないでおく。これを、基準信号の基準位相と呼ぶ。基準位相は、M本の送信アンテナのいずれか、または最高電力を有するCIRから任意に選択することができる。 Without losing generality, the phase θ 1 of the signal of the first subchannel h 1 (k) is not changed. This is called the reference phase of the reference signal. The reference phase can be arbitrarily selected from any of the M transmit antennas or the CIR with the highest power.

ここで、目標は、全ての信号間の位相差をπ/2未満にすること、あるいは全てのシフト位相を象限位相セクタ(すなわち90度のセクタ)に制約することである。   Here, the goal is to make the phase difference between all signals less than π / 2, or to constrain all shift phases to quadrant phase sectors (ie 90 degree sectors).

したがって、全ての他のサブチャネルの信号の位相θは、送信機において反時計回りに{q(k)/2}・π回転させ、位相差の絶対値が90度未満になるようにする必要がある。それにより、各q(k)を形成するために必要な情報は、2ビットのみとなる。 Therefore, the phase θ m of all other subchannel signals is rotated {q m (k) / 2} · π counterclockwise at the transmitter so that the absolute value of the phase difference is less than 90 degrees. There is a need to. Thereby, the information necessary to form each q m (k) is only 2 bits.

象限位相制約条件を満たすための一方法は、全ての位相を、基準位相と同じ座標象限に入れることである。図2に示すように、実数(Re)および虚数(Im)のデカルト座標系の4つの象限I〜IVにラベルを付ける。任意の角度φ∈[0、2π)の象限数は次式で表され、この式中の記号は、最も近い整数に切り上げることを示す。   One way to satisfy the quadrant phase constraint is to place all phases in the same coordinate quadrant as the reference phase. As shown in FIG. 2, the four quadrants I-IV of the Cartesian coordinate system of real number (Re) and imaginary number (Im) are labeled. The quadrant number of an arbitrary angle φ∈ [0, 2π) is expressed by the following equation, and the symbol in this equation indicates that the value is rounded up to the nearest integer.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

上記の解析を用いて、受信機において、任意の受信信号対の位相差に基づいてm=2、3、・・・、Mの場合のフィードバック情報q(k)を求める。 Using the above analysis, the receiver obtains feedback information q m (k) in the case of m = 2, 3,..., M based on the phase difference of an arbitrary received signal pair.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

図2の例200は、θを象限IIに、θを象限IVに有する。式(21)を用いて、q(k)=−2を得る。これは、θを時計回りにπラジアン(180°)だけ回転させることに相当し、この場合、回転させた位相θ−{q(k)/2}・πは、象限IIにある。 The example 200 of FIG. 2 has θ 1 in quadrant II and θ m in quadrant IV. Using equation (21), q m (k) = − 2 is obtained. This corresponds to rotating θ m clockwise by π radians (180 °), in which case the rotated phase θ m − {q m (k) / 2} · π is in quadrant II. .

別法として、図3に示すように、全ての位相を、基準位相を中心とする90度のセクタ300に入れる。全ての位相を基準位相に関して、θ(チルダ)=θ−θ+2lπとなるように正規化する。ここで、整数lは、正規化された位相θ(チルダ)が[0、2π)の範囲になるように選択される。正規化された位相θ(チルダ)は、反時計回りにq・(π/2)の角度だけ回転され、図3に示すように、回転された角度θ(チルダ)+q・(π/2)が座標系の[−π/4、π/4]の象限位相セクタにあるようにする。上記の説明から、フィードバック情報qを次のように計算することができる。 Alternatively, as shown in FIG. 3, all phases are placed in a 90 degree sector 300 centered on the reference phase. All phases are normalized so that θ (tilde) m = θ m −θ l + 2lπ with respect to the reference phase. Here, the integer l is selected such that the normalized phase θ (tilde) m is in the range of [0, 2π). The normalized phase θ (tilde) m is rotated counterclockwise by an angle of q m · (π / 2), and the rotated angle θ (tilde) m + q m · (( π / 2) is in the quadrant phase sector of [−π / 4, π / 4] of the coordinate system. From the above description, the feedback information q m can be calculated as follows.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、この式中の記号は、最も近い、より小さな整数を返すものである。一例を図3に示し、ここではθ(チルダ)=9π/8である。 Here, the symbols in this expression return the closest smaller integer. An example is shown in FIG. 3, where θ (tilde) m = 9π / 8.

=2であることを求めることができ、対応する回転された角度は、θ(チルダ)−q・(π/2)=π/8であり、これは、座標系の[−π/4、π/4]の象限位相セクタである。 q m = 2 and the corresponding rotated angle is θ (tilde) m −q m · (π / 2) = π / 8, which is the [− π / 4, π / 4] quadrant phase sector.

全ての正規化された位相に対して同じ操作を1つずつ行うことによって、回転された位相は、同じ象限位相セクタに制限され、ダイバシティ利得gの各合計要素の非負性を保証することができる。 By performing the same operations, one for every normalized phase rotation phase is limited to the same quadrant phase sector, to ensure the non-negative of each sum element of diversity gain g b it can.

この方法は、1つの送信アンテナグループのCIRの全ての回転された位相を、π/2の象限位相セクタに制約することによって得られるフィードバックダイバシティの非負性を実現する。したがって、これを象限位相制約法と呼ぶ。   This method achieves the non-negative nature of feedback diversity obtained by constraining all rotated phases of the CIR of one transmit antenna group to a π / 2 quadrant phase sector. Therefore, this is called a quadrant phase constraint method.

のフィードバック値は、送信アンテナ毎に別個に求められるため、従来技術の最適量子化法の指数関数的に増加する複雑度とは対照的に、本発明の方法の計算の複雑度は、送信アンテナの本数とともに線形増加する。 Since the feedback value of q m is determined separately for each transmit antenna, in contrast to the exponentially increasing complexity of the prior art optimal quantization method, the computational complexity of the method of the present invention is It increases linearly with the number of transmitting antennas.

象限位相制約法から計算されたフィードバック情報は、式(19)に記載した全ての要素が任意のm≠nの場合に正であることを保証し、このフィードバック情報が貢献する最大化されたフィードバックダイバシティ利得gは、次式(22)のように書くことができる。 The feedback information calculated from the quadrant phase constraint method ensures that all elements described in equation (19) are positive if any m ≠ n, and maximized feedback to which this feedback information contributes. diversity gain g b can be written as: (22).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

式(16)、(17)および(22)を組み合わせると、検出器の受信機における出力SNRγが、次式(23)、(24)のように得られる。   Combining equations (16), (17) and (22), the output SNRγ at the receiver of the detector is obtained as in the following equations (23) and (24).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、γ=E/Nは、ダイバシティなしのSNRであり、ダイバシティ利得gおよびgは、それぞれ式(17)および(22)で与えられる。 Here, γ 0 = E S / N 0 is SNR without diversity, and diversity gains g c and g b are given by equations (17) and (22), respectively.

複雑度の解析
上述のように、本発明による方法は、各送信アンテナのフィードバック情報を別個に求める。したがって、計算の複雑度は、送信アンテナの本数とともに線形増加するに過ぎない。しかし、最適量子化フィードバックTxAA方法の場合、計算の複雑度は、送信アンテナの本数とともに指数関数的に増加する。M=4本の送信アンテナを有し、空間符号化ベクトルpの各要素に2ビットの表現を用いるシステムの場合、pには、合計22×(4−1)=64個の可能な値がある。これは、最適量子化フィードバックを使用する受信機は、pの64個の可能なベクトル全てについてp を計算してからでなければ、フィードバック情報を送ることができないことを意味し、コスト関数p の各計算は、約4=16回の「複素」乗算を伴う。しかし、本発明の次善の方法は、全てのアンテナについてM−1=3回の計算しか必要とせず、各操作は、約2回の「実数」乗算を伴う。したがって、本発明の方法の計算の複雑度は、M=4本の送信アンテナを有するシステムの場合に、従来技術の最適量子化フィードバックTxAAのわずか(2×3)/(64×16×2)=0.3%である。より多くの送信アンテナを有するシステムの場合、本発明の方法により、計算の複雑度のさらに大きな節減を達成することができる。
Complexity Analysis As described above, the method according to the present invention determines feedback information for each transmit antenna separately. Thus, the computational complexity only increases linearly with the number of transmit antennas. However, for the optimal quantization feedback TxAA method, the computational complexity increases exponentially with the number of transmit antennas. Have M = 4 transmit antennas, for a system using a representation of two bits to each element of the space encoding vector p k, the p k, total 2 2 × (4-1) = 64 pieces of possible There is a value. This receiver using the optimum quantization feedback for all 64 possible vectors of p k unless after calculating the p k h k h k H p k H, may send feedback information means that it is not possible, the calculation of the cost function p k h k h k H p k H is accompanied by a "complex" multiplier of about 4 2 = 16 times. However, the sub-optimal method of the present invention requires only M-1 = 3 calculations for all antennas, and each operation involves about 2 “real” multiplications. Thus, the computational complexity of the method of the present invention is only (2 × 3) / (64 × 16 × 2) of the prior art optimum quantization feedback TxAA for a system with M = 4 transmit antennas. = 0.3%. For systems with more transmit antennas, the method of the present invention can achieve further savings in computational complexity.

直交STBCとグループの空間符号化の組み合わせ
上述の方法は、空間領域における符号化プロセスのみを伴う。フィードバックと計算の量をさらに減らすために、象限位相制約フィードバック方式を直交時空間ブロック符号化(STBC)と組み合わせる。この方法では、符号化プロセスにおいて時間領域も利用する。
Combination of Orthogonal STBC and Group Spatial Coding The method described above involves only the coding process in the spatial domain. To further reduce the amount of feedback and computation, the quadrant phase constrained feedback scheme is combined with orthogonal space-time block coding (STBC). This method also uses the time domain in the encoding process.

システムの構造を図4に示す。従来の手段によって入力シンボル401を生成し、変調する。シンボルは、直交STBCエンコーダ410に供給される。一般性を失うことなく、2つの連続するシンボル期間tおよびtにおいて、STBCエンコーダへの入力は、それぞれsおよびsであると仮定し、ここで、j=1、2の場合にs∈Sであり、Sは、変調シンボルセットである。 The structure of the system is shown in FIG. An input symbol 401 is generated and modulated by conventional means. The symbols are supplied to the orthogonal STBC encoder 410. Without loss of generality, the input to the STBC encoder is assumed to be s 1 and s 2 respectively in two consecutive symbol periods t 1 and t 2 , where j = 1, 2 s j εS, where S is a modulation symbol set.

変調シンボルのエネルギーは、E(|s)=Eである。STBCエンコーダにおいて、入力データシンボルsおよびsは、複数のデータストリーム(送信アンテナグループ毎に1つ)に復調される。STBCエンコーダ410のデータストリーム411は、次式(25)によって表される。 Energy modulation symbols, E is a (| 2 | s j) = E S. In the STBC encoder, the input data symbols s 1 and s 2 are demodulated into multiple data streams (one for each transmit antenna group). The data stream 411 of the STBC encoder 410 is expressed by the following equation (25).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、dは、STBCエンコーダのk番目の出力ストリームに対応し、dkjは、時刻tに送信され、(・)は、行列の転置を示す。 Here, d k corresponds to the k-th output stream of the STBC encoder, d kj is transmitted at time t j , and (·) T indicates matrix transposition.

M本の送信アンテナは、複数の送信アンテナグループ421〜422に分けられる。各グループは、STBCエンコーダ410によって生成されるデータストリームd、dのうちの1つに対応する。k番目のグループに含まれるアンテナの本数は、k=1、2の場合にM本であると仮定し、M+M=Mである。 The M transmission antennas are divided into a plurality of transmission antenna groups 421 to 422. Each group corresponds to one of the data streams d 1 , d 2 generated by the STBC encoder 410. The number of antennas included in the k-th group is assumed to be M k when k = 1 and 2, and M 1 + M 2 = M.

各送信アンテナグループについて、適応的線形空間エンコーダ431および432を各データストリーム411に適用する。空間エンコーダ431および432は、各グループのチャネルフィードバック情報440に従って、複数のデータストリーム411を送信アンテナグループにマッピングする。   For each transmit antenna group, adaptive linear spatial encoders 431 and 432 are applied to each data stream 411. Spatial encoders 431 and 432 map multiple data streams 411 to transmit antenna groups according to each group's channel feedback information 440.

k番目のグループの空間符号化ベクトルを、制約をp +p =1として、k=1、2に対して、次式(26)のように定義する。 The spatial encoding vector of the k-th group is defined as in the following equation (26) with respect to k = 1, 2, with the constraints being p 1 p 1 H + p 2 p 2 H = 1.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

すると、k番目のアンテナグループによって送信される符号化信号433は、k=1、2に対して、次式(27)のような行列形式で表すことができる。   Then, the encoded signal 433 transmitted by the k-th antenna group can be expressed in a matrix form as in the following equation (27) for k = 1 and 2.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

の1列目のシンボルは、シンボル期間tに送信され、2列目のシンボルは、tに送信される。 The symbols in the first column of X i are transmitted in the symbol period t 1 , and the symbols in the second column are transmitted in t 2 .

チャネルにおいて、受信信号461は、時変マルチパスフェージングとAWGN462の両方によって汚染されている。   In the channel, the received signal 461 is contaminated by both time-varying multipath fading and AWGN462.

受信機450は、時空間デコーダ451と、チャネル推定モジュール452と、各送信アンテナグループのフィードバック情報440を生成するフィードバック計算ユニット453とを含む。受信機450が受信する信号Rx461は、全ての送信アンテナからの伝播信号に雑音462を加えた合計である。受信信号は、次式(28)によって表すことができる。   Receiver 450 includes a space-time decoder 451, a channel estimation module 452, and a feedback calculation unit 453 that generates feedback information 440 for each transmit antenna group. The signal Rx 461 received by the receiver 450 is the sum of the propagation signals from all the transmission antennas plus the noise 462. The received signal can be expressed by the following equation (28).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、r=[r、r、z=[z、zは、それぞれ受信ベクトルおよびAWGN雑音ベクトルであり、rおよびzは、時刻tに対応し、h∈CMk×1は、k=1、2に対して、次式(29)のように定義されるチャネルインパルス応答(CIR)である。 Here, r = [r 1 , r 2 ] T , z = [z 1 , z 2 ] T are a reception vector and an AWGN noise vector, respectively, and r k and z k correspond to time t k , h k εC Mk × 1 is a channel impulse response (CIR) defined as in the following equation (29) for k = 1,2.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

要素hk、mは、m=1、2、…、Mの場合に、グループkのm番目の送信アンテナと受信アンテナの間のCIRである。 Elements h k, m are CIRs between the m th transmit antenna and receive antenna of group k when m = 1, 2,..., M k .

式(1)および(5)を組み合わせると、ダイバシティシステムの入力−出力の関係を次式(30)のように書き換えることができる。   By combining equations (1) and (5), the input-output relationship of the diversity system can be rewritten as the following equation (30).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、(・)は、複素共役を示し、s=[sは、信号ベクトルであり、チャネル行列Hは、次式(31)のように定義される。 Here, (·) * indicates a complex conjugate, s = [s 1 s 2 ] T is a signal vector, and the channel matrix H is defined as in the following equation (31).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

行列Hは、2×2の直交行列、すなわちHH=(|h+|h)・Iであり、Iは、2×2の単位行列である。式(11)および(13)から、決定ベクトルy=[y、yを、次式(32)のように求めることができる。 The matrix H is a 2 × 2 orthogonal matrix, that is, H H H = (| h 1 w 1 | 2 + | h 2 w 2 | 2 ) · I 2 , I 2 is a 2 × 2 unit matrix is there. From equations (11) and (13), a decision vector y = [y 1 , y 2 ] T can be obtained as in the following equation (32).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、v=Hzは、下式の共分散行列を有する雑音成分である。 Here, v = H H z is a noise component having the following covariance matrix.

Figure 2005176325
Figure 2005176325

式(14)において与えられる決定変数を用いて、受信機における信号対雑音比を、次式(33)のように計算することができる。   Using the decision variable given in equation (14), the signal-to-noise ratio at the receiver can be calculated as in equation (33).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、γ=E/Nは、ダイバシティなしのSNRである。式(15)から、SNRγは、空間符号化ベクトルp、pおよびCIRベクトルh、hの関数であることが分かる。 Here, γ 0 = E s / N 0 is the SNR without diversity. From equation (15), it can be seen that SNRγ is a function of the spatially encoded vectors p 1 and p 2 and the CIR vectors h 1 and h 2 .

フェージングチャネルの特性に基づいて適切な形のpを選択することによって、少量のフィードバック情報440のみを用いて受信機のSNRを高めることができる。 By selecting p k suitable form based on the characteristics of the fading channel, it is possible to improve the SNR of the receiver using only a small amount of feedback information 440.

本発明の方法では、グループの空間符号化ベクトルpの設計に象限位相制約フィードバック法を適用して、計算の複雑度とフィードバック量の両方を節減する。これらの詳細を以下で説明する。 In the method of the present invention, by applying the quadrant phase constraint feedback method to the design of the space encoding vector p k of the group, to save both complexity and the amount of feedback calculations. These details are described below.

空間符号化ベクトルの設計:一般的な場合
受信機において、最大SNRを達成するために、空間符号化ベクトルwおよびwの最適な設計基準は、次式(34)のようになる。
Design of Spatial Coding Vector: General Case In order to achieve the maximum SNR at the receiver, the optimal design criteria for spatial coding vectors w 1 and w 2 are as follows:

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、Wは、制約をp +p =1とする全ての可能な符号化ベクトル対のセットである。pおよびpの最適値は、Wの全ての要素の徹底的検索によって得ることができる。セットWのサイズは、送信アンテナの本数とともに指数関数的に大きくなるため、この最適な空間符号化ベクトルの設計方法は、多数の送信アンテナを有するシステムには適さない。 Where W is the set of all possible coding vector pairs with constraints p 1 p 1 H + p 2 p 2 H = 1. Optimal values for p 1 and p 2 can be obtained by exhaustive search of all elements of W. Since the size of the set W increases exponentially with the number of transmission antennas, this optimal spatial coding vector design method is not suitable for a system having a large number of transmission antennas.

計算の複雑度を低減するため、ならびにフィードバック情報の量を減らすために、フィードバック情報の計算および適応的空間符号化ベクトルの定式化に象限位相制約法を適用する。   In order to reduce the computational complexity and to reduce the amount of feedback information, the quadrant phase constraint method is applied to the calculation of feedback information and the formulation of adaptive spatial coding vectors.

M本の送信アンテナを有する一般的なシステムについて、Mが偶数である場合にM=M=M/2、Mが奇数である場合にM=(M+1)/2、M=(M−1)/2とする。空間符号化ベクトルpを、k=1、2に対して、次式(35)のように定義する。 For a typical system with M transmit antennas, M 1 = M 2 = M / 2 when M is an even number, M 1 = (M + 1) / 2 when M is an odd number, M 2 = ( M-1) / 2. The space encoding vector p k, with respect to k = 1, 2, defined by the following equation (35).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、i=−1は、虚部のシンボルであり、qk、m∈{0、1、2、3}は、m=2、3、・・・、M、かつk=1、2の場合にフィードバック情報であり、各qk、mは、2ビットの情報を含む。M本の送信アンテナを有するシステムの場合、本発明の方法に必要なフィードバックビットの総数は、2M−4である。表現を簡便にするために、q1、1=q2、1=0とする。 Here, i 2 = −1 is an imaginary part symbol, q k, m ∈ {0, 1, 2, 3} is m = 2, 3,..., M k , and k = 1. 2 is feedback information, and each q k, m includes 2-bit information. For a system with M transmit antennas, the total number of feedback bits required for the method of the present invention is 2M-4. In order to simplify the expression, q1,1 = q2,1 = 0.

象限位相制約法を適用すると、フィードバック情報qk、mを次式(36)のように計算することができる。 When the quadrant phase constraint method is applied, the feedback information q k, m can be calculated as in the following equation (36).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、上式中の記号は、最も近い、より小さな整数を返すものであり、θ(チルダ)k、mは、次式(37)である。 Here, the symbol in the above equation returns the closest smaller integer, and θ (tilde) k, m is the following equation (37).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

整数lは、θ(チルダ)k、mが[0、2π)の範囲になるように選択される。 The integer l is selected such that θ (tilde) k, m is in the range [0, 2π).

本明細書で説明する適応的ダイバシティアルゴリズムでは、M本の送信アンテナを有するシステムの場合に、空間符号化ベクトルを形成するために、2M−4ビットのフィードバック情報が必要である。次に、M=4本またはM=3本の送信アンテナを有するシステムの場合に、フィードバック情報の量をさらに減らすことができることを示す。これは、次世代通信システムに実用的な利益をもたらす。   The adaptive diversity algorithm described herein requires 2M-4 bits of feedback information to form a spatially encoded vector for a system with M transmit antennas. Next, it is shown that the amount of feedback information can be further reduced in the case of a system having M = 4 or M = 3 transmission antennas. This brings practical benefits to next generation communication systems.

空間符号化ベクトルの設計:特殊な場合
M≦4本の送信アンテナを有するシステムの場合、各グループが有する送信アンテナは、多くて2本である。2本の送信アンテナを有するグループの場合、本発明の次善の設計基準は、1ビットのフィードバック情報のみで満たすことができる。
Design of Spatial Coding Vector: Special Case In the case of a system having M ≦ 4 transmission antennas, each group has at most two transmission antennas. For a group with two transmit antennas, the sub-optimal design criteria of the present invention can be met with only 1-bit feedback information.

M=4本の送信アンテナを有するシステムの場合、各アンテナグループのアンテナ本数は、M=M=2である。空間符号化ベクトルを、k=1、2に対して、次式(38)のように定義する。 In the case of a system having M = 4 transmission antennas, the number of antennas in each antenna group is M 1 = M 2 = 2. The spatially encoded vector is defined as in the following equation (38) for k = 1 and 2.

Figure 2005176325
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ここで、b∈{0、1}は、k番目のアンテナグループのフィードバック情報である。フィードバック情報は、次式(39)によって定義することができる。 Here, b k ε {0, 1} is feedback information of the kth antenna group. The feedback information can be defined by the following equation (39).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

受信機におけるSNRは、次式(40)によって表される。   The SNR at the receiver is expressed by the following equation (40).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

従来のダイバシティ利得g4、cおよびフィードバックダイバシティ利得g4、bは、次式(41)、(42)のように定義される。 The conventional diversity gain g4 , c and the feedback diversity gain g4 , b are defined as in the following equations (41) and (42).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

同様に、M=3本のアンテナを有するシステムの場合、グループM=2およびM=1が得られる。2番目のグループには、アンテナが1つしかないため、p=1/√3が得られる。 Similarly, for a system with M = 3 antennas, groups M 1 = 2 and M 2 = 1 are obtained. Since the second group has only one antenna, p 2 = 1 / √3 is obtained.

2本の送信アンテナを有する1番目のグループの場合、空間符号化ベクトルpを適用する。この符号化方式では、受信機のSNRを、式(15)から次式(43)のように計算することができる。 For the first group with two transmit antennas, the spatial encoding vector p 1 is applied. In this encoding method, the SNR of the receiver can be calculated from the equation (15) as the following equation (43).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

従来のダイバシティ利得g3、cおよびフィードバックダイバシティ利得g3、bは、次式(44)、(45)によって与えられる。 The conventional diversity gain g3 , c and the feedback diversity gain g3 , b are given by the following equations (44) and (45).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

システムに送信アンテナが2本しかない場合、w=w=1/√2が得られ、この方式は、上述の直交時空間ブロック符号化に還元される。 If the system has only two transmit antennas, w 1 = w 2 = 1 / √2 is obtained, and this scheme is reduced to the orthogonal space-time block coding described above.

本発明の方法を用いれば、M=3本およびM=4本の送信アンテナを有するシステムに必要なフィードバック情報は、それぞれ1ビットおよび2ビットのみになる。   Using the method of the present invention, the feedback information required for a system having M = 3 and M = 4 transmit antennas is only 1 bit and 2 bits, respectively.

性能限界
受信機20における出力信号105の統計学的な特性に基づいて、本発明のダイバシティ方式の理論的な性能限界を次式(46)、(47)のように表すことができる。
Performance Limit Based on the statistical characteristics of the output signal 105 in the receiver 20, the theoretical performance limit of the diversity system of the present invention can be expressed as the following equations (46) and (47).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

ここで、P(E)およびP(E)の偏差は、明確にするために省略する。式(46)および(47)で与えられる理論的な性能限界を用いると、本発明のダイバシティ方式の実際のエラー確率P(E)は、次式(48)を満たす。 Here, the deviation of P U (E) and P L (E) is omitted for the sake of clarity. Using the theoretical performance limits given by equations (46) and (47), the actual error probability P (E) of the diversity scheme of the present invention satisfies the following equation (48).

Figure 2005176325
Figure 2005176325

式(46)〜式(48)は、本発明による方法を理論的に評価し、これらの式は、無線通信システムを設計するための指針として用いることができる。   Equations (46)-(48) theoretically evaluate the method according to the present invention, and these equations can be used as guidelines for designing a wireless communication system.

従来のフルレートSTBCならびに直交STBCに基づく閉ループ技法は、厳密に2本の送信アンテナを有するシステムにしか実施できないことに留意すべきである。   It should be noted that closed loop techniques based on conventional full rate STBC as well as orthogonal STBC can only be implemented in systems with exactly two transmit antennas.

対照的に、本発明による送信ダイバシティ方法は、任意数の送信アンテナを有するシステムに用いることができる。これは、複数の送信アンテナと1本の受信アンテナを用いたダウンリンクで高いデータスループットを保証するために、より高いダイバシティ次数が必要である次世代の無線通信システムの高速ダウンリンクデータ送信に非常に有用である。   In contrast, the transmit diversity method according to the present invention can be used for systems with any number of transmit antennas. This is very useful for high-speed downlink data transmission in next-generation wireless communication systems that require higher diversity orders to guarantee high data throughput in the downlink using multiple transmit antennas and one receive antenna. Useful for.

発明の効果
本発明による方法は、従来の直交STBCより最大2dB性能が優れている。2ビットのフィードバック情報を用いるバージョンの性能は、1ビットのフィードバック情報を用いるバージョンよりも約0.4dB良くなっている。
EFFECT OF THE INVENTION The method according to the present invention is superior in performance up to 2 dB over conventional orthogonal STBC. The performance of the version using 2-bit feedback information is about 0.4 dB better than the version using 1-bit feedback information.

従来技術のフルレートSTTDおよびASTTDシステムは、多くて2本の送信アンテナを有するシステムで実施することができる。対照的に、本発明の送信ダイバシティ方法は、任意数の送信アンテナを有するシステムに用いることができる。さらに、本方法の性能は、送信アンテナの本数の増加とともに実質的に線形的に向上する。   Prior art full rate STTD and ASTTD systems can be implemented in systems having at most two transmit antennas. In contrast, the transmit diversity method of the present invention can be used for systems with any number of transmit antennas. Furthermore, the performance of the method improves substantially linearly with increasing number of transmit antennas.

本発明の方法は、従来技術の最適量子化法と比べて非常に計算効率が良い。本発明の方法は、4本の送信アンテナを有するシステムの場合に、従来技術の最適量子化フィードバックTxAAの0.3%の計算労力しか必要としない。この計算の節減は、通常は、電池式の携帯電話である受信機において顕著である。   The method of the present invention is very computationally efficient compared to prior art optimal quantization methods. The method of the present invention requires only 0.3% computational effort of a prior art optimal quantization feedback TxAA for a system with four transmit antennas. This computational saving is noticeable in receivers, which are typically battery powered mobile phones.

本発明を好ましい実施形態の例として説明してきたが、本発明の精神および範囲内で様々な他の適応および修正を行うことができることを理解すべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に入る変形および修正を全て網羅することである。   Although the invention has been described by way of examples of preferred embodiments, it is to be understood that various other adaptations and modifications can be made within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the purpose of the appended claims is to cover all variations and modifications that fall within the true spirit and scope of the invention.

本発明によるダイバシティ利得を有するシステムのブロック図である。1 is a block diagram of a system with diversity gain according to the present invention. FIG. 本発明による象限位相制約を示す座標系の4象限の図である。4 is a quadrant diagram of a coordinate system showing quadrant phase constraints according to the present invention. FIG. 本発明による、基準信号の位相が座標系のx軸上にある正規化された座標系の図である。FIG. 4 is a diagram of a normalized coordinate system in which the phase of the reference signal is on the x-axis of the coordinate system according to the present invention. 本発明による、直交時空間ブロック符号と象限位相制約を組み合わせたシステムのブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of a system combining orthogonal space-time block codes and quadrant phase constraints in accordance with the present invention.

Claims (7)

複数の送信アンテナを有する送信機と、1本の受信アンテナを有する受信機とを含む無線通信システムにおいて送信ダイバシティ利得を高める方法であって、
前記複数の送信アンテナを複数の送信アンテナグループに分割することと、
前記受信機において、各送信アンテナのチャネルインパルス応答の位相を測定することと、
前記チャネルインパルス応答から、各送信アンテナグループのフィードバック情報を別個に求めることと、
各送信アンテナグループの前記フィードバック情報を前記送信機へ送ることと、
各送信アンテナグループのデータストリームを生成するために、前記送信機において入力シンボルを直交時空間ブロック符号化することと、
各グループの各送信アンテナに対して符号化信号を生成するために、前記グループの前記フィードバック情報に従って各データストリームを適応的に線形空間符号化することと
を含む無線通信システムにおいて送信ダイバシティ利得を高める方法。
A method for increasing transmit diversity gain in a wireless communication system including a transmitter having a plurality of transmit antennas and a receiver having a single receive antenna,
Dividing the plurality of transmit antennas into a plurality of transmit antenna groups;
Measuring the phase of the channel impulse response of each transmit antenna at the receiver;
Separately obtaining feedback information for each transmit antenna group from the channel impulse response;
Sending the feedback information of each transmit antenna group to the transmitter;
Orthogonal space-time block coding of input symbols at the transmitter to generate a data stream for each transmit antenna group;
Increasing a transmit diversity gain in a wireless communication system comprising: adaptively linearly spatially encoding each data stream according to the feedback information of the group to generate a coded signal for each transmit antenna of each group Method.
前記求めることは、
前記チャネルインパルス応答のうちの1つを基準チャネルインパルス応答として選択することと、
正規化された位相が基準位相の象限位相セクタにあるように、前記基準チャネルインパルス応答の位相に従って前記測定した位相を正規化することと
をさらに含む請求項1に記載の方法。
Said seeking is
Selecting one of the channel impulse responses as a reference channel impulse response;
The method of claim 1, further comprising: normalizing the measured phase according to the phase of the reference channel impulse response such that the normalized phase is in a quadrant phase sector of the reference phase.
前記基準チャネルインパルス応答は、最高電力を有する請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the reference channel impulse response has a highest power. 前記象限位相セクタは、90度の範囲にわたる請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the quadrant phase sector spans a range of 90 degrees. 前記正規化は、前記位相を回転させ、前記フィードバック情報は、回転量を符号化する請求項2に記載の方法。   The method according to claim 2, wherein the normalization rotates the phase, and the feedback information encodes a rotation amount. 4本の送信アンテナがあり、各グループは、2本の送信アンテナを有し、フィードバック情報は、各グループに対して1ビットである請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein there are four transmit antennas, each group has two transmit antennas, and the feedback information is one bit for each group. 複数の送信アンテナグループと、
入力シンボルを生成する手段と、
各送信アンテナグループのデータストリームを生成するように構成される直交時空間ブロックエンコーダと、
各グループのフィードバック情報に従って、該グループの前記データストリームから該グループの各送信アンテナに対する符号化信号を生成するように構成される適応的線形空間エンコーダと
を有する送信機と、
1本の受信アンテナと、
各送信アンテナのチャネルインパルス応答の位相を測定する手段と、
前記チャネルインパルス応答から、各送信アンテナグループの前記フィードバック情報を別個に求める手段と、
各送信アンテナグループの前記フィードバック情報を前記送信機へ送る手段と
を有する受信機と
を備える無線通信システム。
Multiple transmit antenna groups;
Means for generating input symbols;
An orthogonal space-time block encoder configured to generate a data stream for each transmit antenna group;
A transmitter having an adaptive linear spatial encoder configured to generate a coded signal for each transmit antenna of the group from the data stream of the group according to feedback information of the group;
One receiving antenna,
Means for measuring the phase of the channel impulse response of each transmit antenna;
Means for separately obtaining the feedback information of each transmit antenna group from the channel impulse response;
A wireless communication system comprising: a receiver having means for sending the feedback information of each transmitting antenna group to the transmitter.
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