JP2005328312A - チャネル推定装置、チャネル推定方法及び無線受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＩＭＯ方式及びマルチキャリア方式の無線受信機にてチャネル推定を高精度に行なうチャネル推定装置を得ること。
【解決手段】 チャネル推定装置は、マルチキャリア方式で変調され複数の送信アンテナから送信された互いに直交する複数のパイロット信号を、複数の受信アンテナで受信する無線受信機に使用される。本装置は、単位時間スロット当たり及び単位サブキャリア当たりのチャネル推定値を求める推定手段４０２と、ある時間スロットを含む複数の時間スロット及びあるサブキャリアを含む複数のサブキャリアにわたってチャネル推定値を平均化し、平均化されたチャネル推定値を求める平均化手段４０４，４０６とを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般に多入力多出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ Ｏｕｔｐｕｔ）方式及びマルチキャリア方式の無線通信に関連し、特にそのような無線通信におけるチャネル推定装置、チャネル推定方法及び無線受信機に関連する。

この種の技術分野では、現在及び次世代以降の大容量高速情報通信を実現するための研究開発が進められている。中でも、通信容量を増やすＭＩＭＯ方式や、マルチパス伝搬環境下での干渉を抑制するマルチキャリア方式、特に、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式等が注目されている。

図１は、送信機１０２及び受信機１０４を含むＭＩＭＯ方式の通信システムの概要を示す。図示されるように、ＭＩＭＯ方式では、複数の送信アンテナ１０６−１〜Ｎから別々の信号が、同時に同一の周波数で送信される。これらの送信信号は複数の受信アンテナ１０８−１〜Ｎにて受信される。簡単のため、送信アンテナ数及び受信アンテナ数は共にＮ個とされているが、異なるアンテナ数であってもよい。

図２は、受信機１０４の概念図を示す。各受信アンテナで受信された受信信号ｙ_１〜ｙ_Ｎは、信号検出器２０２に入力される。また、受信信号ｙ_１〜ｙ_Ｎは、チャネル推定部２０４にも入力される。チャネル推定部２０４では、送信及び受信の双方の側で既知のパイロット信号を含む受信信号に基づいて、チャネルインパルス応答値（ＣＩＲ：ｃｈａｎｎｅｌ ｉｍｐｌｕｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）又はチャネル推定値を求めることで、チャネル推定が行なわれる。

図３は、チャネル推定部２０４の構成及び動作を説明するための概念図である。図示の例では、１つのフレームにパイロット信号が時間多重されている様子を示す。ここでは、（＋１，＋１，−１，−１）なる信号系列でパイロット信号が表現されており、これらの信号がフレーム中の４つの部分に含まれている。フレーム中、パイロット信号以外の部分はデータ信号等に相当する。図中の破線枠に示されるように、チャネル推定装置２０４では、フレームから抽出されたパイロット信号と、チャネル推定部２０４に保持されている信号とが乗算部３０１〜３０４にて乗算される。各乗算部からの乗算結果は加算部３０５にて加算され、加算後の出力は、チャネル推定値を示す量になる。

図２に戻って、信号検出部２０２は、各受信アンテナからの受信信号とチャネル推定部２０４からのチャネル推定値に基づいて、各送信アンテナから送信された信号を分離する。分離された信号は、更なる復調処理を行なうためにチャネルデコーダに与えられる。

なお、従来のチャネル推定については、例えば特許文献１に記載されている。
特開２００３−３３８７７９号公報

上述したＭＩＭＯ方式では、送信及び受信アンテナの各々の間にチャネル（伝搬路）が想定され、一般にそれらは異なるチャネル変動を有する。しかも、マルチキャリア方式を採用する場合は、サブキャリア毎にチャネル推定値を求める必要がある。従って、ＭＩＭＯ方式及びマルチキャリア方式が採用される場合には、非常に多くのチャネル推定値が正確に算出される必要がある。さもなくば、信号検出部において適切な信号分離を行なうことが困難になるからである。例えば、送信及び受信アンテナ数が共に２本であり、ＱＰＳＫ変調方式が使用され、８つのサブキャリアが使用されるとする。この場合に、送信アンテナ１つにつき可能な信号点は４種類あるので、受信側では１６通りの信号点の組合せを、8つのサブキャリア毎に調べる必要がある。

しかしながら図２及び図３に示されるような従来のチャネル推定方式では、チャネル推定精度は必ずしも充分ではなく、通信環境によっては、信号分離が適切に行なわれなくなることが懸念される。アンテナ数、サブキャリア数、多値変調における信号点数等が増えるにつれて、このような問題は益々深刻になる。

本発明は、上記問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、ＭＩＭＯ方式及びマルチキャリア方式を採用する無線受信機におけるチャネル推定を高精度に行なうことが可能なチャネル推定装置、チャネル推定方法及び無線受信機を提供することである。

本発明によるチャネル推定装置は、マルチキャリア方式で変調され複数の送信アンテナから送信された互いに直交する複数のパイロット信号を、複数の受信アンテナで受信する無線受信機に使用される。本装置は、単位時間スロット当たり及び単位サブキャリア当たりのチャネル推定値を求める推定手段と、ある時間スロットを含む複数の時間スロット及びあるサブキャリアを含む複数のサブキャリアにわたってチャネル推定値を平均化し、平均化されたチャネル推定値を求める平均化手段とを備える。

本発明によれば、チャネル推定値を平均化することで、チャネル推定を高精度に行なうことができる。

以下の実施例では、図１に示されるような送信機は、ＯＦＤＭ方式で変調されたパイロット信号を複数の送信アンテナから送信することが想定される。各パイロット信号は互いに直交する所定の信号系列によって表現される。

図４は、本発明の一実施例によるチャネル推定装置を含む受信機の概念図を示す。受信機は、チャネル推定部４０２と、平均化部４０４と、重み係数設定部４０６とを有し、図中破線枠内に示されるこれらの要素は、「チャネル推定装置」を形成する。これらの要素に加えて、受信機は、信号検出部４０８を有する。

チャネル推定部４０２は、各受信アンテナで受信された信号及びパイロット信号に基づいてチャネルインパルス応答値又はチャネル推定値を出力する。本実施例では、ＯＦＤＭ変調方式が使用されているので、サブキャリア毎にチャネル推定値が出力される。チャネル推定部４０２の構成及び動作は、図３に関して説明したものと同様である。但し、本実施例では、チャネル推定部４０２からの出力は、直接的に信号検出部４０８に入力されず、平均化部４０４に入力される。

平均化部４０４は、複数のチャネル推定値を重み付け平均化する。重み付けに使用される重み係数は、重み係数設定部４０６にて設定される。平均化部４０４及び重み係数設定部４０６の詳細については後述される。

信号検出部４０８は、各受信アンテナからの受信信号及び平均化されたチャネル推定値に基づいて、各送信アンテナから送信された信号を検出し、分離する。信号分離については、例えば、最小二乗誤差法（ＭＭＳＥ）、最尤判定法（ＭＬＤ）、ＱＲ分解方式の最尤判定法（ＱＲＭ−ＭＬＤ）等の手法を使用することが可能である。分離された送信信号は、更なる復調処理のためにチャネルデコーダに与えられる。

図５は、本実施例における動作を説明するための概念図を示す。説明される動作は、主に、「チャネル推定装置」を形成するチャネル推定部４０２、平均化部４０４及び重み係数設定部４０６により行なわれる。図示の例では、ある時間スロットｎ及びあるサブキャリアｋで指定されるフレーム又はブロックＢ_ｎｋに関する平均化されたチャネル推定値を求めるために、ブロックＢ_ｎｋとその周辺の８つのブロックに関する計９つのチャネル推定値が平均化される。図示の例では、送信及び受信アンテナ数が共に４であり、各送信アンテナから送信される互いに直交するパイロット信号は、例えば、次のような情報内容を有する：
送信アンテナ１：（１ １ １ １）
送信アンテナ２：（１ −１ １ −１）
送信アンテナ３：（１ −１ −１ １）
送信アンテナ４：（１ １ −１ −１）。
これら４種の信号内容は、送信信号に時間多重されて送信される。図示の例では、一例として、送信アンテナ４から送信された信号内容を表す。当然に、他のパイロット信号に関する同様な処理も行なわれるが、説明を簡単にするためそれらは省略されている。

各受信アンテナから受信された信号ｙ_１〜ｙ_Ｎは、図４のチャネル推定部４０２に入力され、１つのサブキャリア及び１つの時間スロットで特定されるフレーム又はブロック毎に、１つのチャネル推定値を出力する。図５に示される例では、９つのブロックＢ_{ｎ−１ｋ−１}〜Ｂ_{ｎ＋１ｋ＋１}の各々について、１つのチャネル推定値が求められる。尚、中央のブロックＢ_ｎｋの下の破線枠にはチャネル推定値を求めるための要素（４つの乗算部からの出力の和を求める各要素）が描かれているが、他のブロックに関する破線枠内の要素は簡明化のため省略されている。

各ブロックについて算出されたチャネル推定値は、それぞれ対応する乗算部の一方の入力に与えられ、その乗算部の他方の入力には対応する重み係数が与えられる。例えば、ブロックＢ_ｎｋに関するチャネル推定値は、乗算部５４２の一方の入力に与えられ、この乗算部の他方の入力には、重み係数（この例では、１．０）が与えられる。同じサブキャリアｋに関するチャネル推定値であって、時間スロットｎに隣接する時間スロットｎ−１，ｎ＋１に関するチャネル推定値も、乗算部５４１，５４３の一方の入力にそれぞれ与えられ、それらの他方の入力には重み係数α_{Ｔｉｍｅ，ｎ−１}，α_{Ｔｉｍｅ，ｎ＋１}が与えられる。各乗算部５４１，５４２，５４３からの出力は、加算部５４４に与えられ、加算部５４４の出力は、乗算部５４５の一方の入力に与えられる。乗算部５４５の他方の入力には重み係数（この例では、１．０）が与えられる。乗算部５４５の出力は、サブキャリアｋに関するチャネル推定値の３つの時間スロットにわたる重み付け平均値に関連付けることができる。

同様に、隣接する一方のサブキャリアｋ−１に関する３つの時間スロットにわたる重み付け加算値は乗算部５２５の一方の入力に与えられ、その乗算部５２５の他方の入力には重み係数α_{Ｆｒｅｑ，ｋ−１}が与えられる。乗算部５２５の出力は、サブキャリアｋ−１に関する３つの時間スロットにわたるチャネル推定値の平均値に関連付けることができる。隣接する他方のサブキャリアｋ＋１に関する３つの時間スロットにわたる重み付け加算値が乗算部５６５の一方の入力に与えられ、その乗算部５６５の他方の入力にも重み係数α_{Ｆｒｅｑ，ｋ＋１}が与えられる。乗算部５６５の出力は、サブキャリアｋ＋１に関する３つの時間スロットにわたるチャネル推定値の平均値に関連付けることができる。

各乗算部５２５，５４５，５６５からの出力は、加算部５８１にて加算される。加算部５８１の出力は、３つのサブキャリアｋ−１，ｋ，ｋ＋１及び３つの時間スロットｎ−１，ｎ，ｎ＋１にわたるチャネル推定値の重み付け平均値に関連付けることができる。チャネル推定値の重み付け加算及び重み付け平均化に関する演算は、主に図４の平均化部４０４にて行なわれる。最終的な加算部５８１からの平均化されたチャネル推定値は、信号検出部４０８に与えられる。平均化された高精度なチャネル推定値が得られるので、信号検出部４０８は、信号分離を高精度に行なうことができる。

各乗算部に与えられる重み係数は、図４の重み係数設定部４０６により設定される。図５にて、乗算部５２２，５４２，５６２に与えられる重み係数は１．０であるが、別の値が与えられることも可能である。設定される重み係数α_ｎ，ｋは、時間スロットｎ及びサブキャリアｋで指定されるブロックごとに全て異なる値に設定されることも可能であるが、記憶量を減らしたり、演算負担を軽減する等の観点から、複数のブロックについて同じ値を採用することも可能である。例えば、ある時間スロットｎに隣接する重み係数に関し、α_{ｎ―１，ｋ}＝α_{ｎ＋１，ｋ} とすることが考えられる（サブキャリア方向についても同様である）。

重み係数は、長期的に固定値を使用してもよいし、通信状況に応じて適応的に変更してもよい。後者の場合には、更に、重み係数を時間成分及び周波数成分に分け、時間方向及び周波数方向それぞれのチャネル変動に対処することも可能である。例えば、重み係数は、一例として、α_ｎ，ｋ＝α_{Ｆｒｅｑ，ｋ}×α_{Ｔｉｍｅ，ｎ} のように表現することが可能である。この場合は、周波数及び時間方向のチャネル変動の影響を別々に（独立的に）重み係数に反映することができる。或いは、重み係数の別の表現形式を採用することで、周波数及び時間方向のチャネル変動を互いに関連付けるようにすることも可能である。重み係数の時間成分α_{Ｔｉｍｅ，ｎ}は、例えば、最大ドップラ周波数に依存して設定されることが可能である。重み係数の周波数成分α_{Ｆｒｅｑ，ｋ}は、例えば、遅延スプレッドの推定値に依存して設定されることが可能である。

図５に示される例では、ブロックＢ_ｎｋに関するチャネル推定値を平均化するために、周辺の８つのブロックのチャネル推定値を利用したが、本発明はそのような態様に限定されない。平均化に使用されるチャネル推定値の数は、重み係数を適切に設定することで、任意に設定されることが可能である。例えば、低速の移動端末のような通常の使用環境では、周波数方向よりも時間方向のチャネル変動が小さいので、先に時間方向のチャネル推定値の平均化を優先させる又は平均数を多くすること等が考えられる。

図５に示されるように、上記の実施例では、時間方向の平均化を行なった後に周波数方向の平均化が行なわれている。しかし、周波数方向の平均化を行なった後に時間方向の平均化を行なうようにしてもよい。

図６は、一般的な重み係数の一覧表を示す。平均化に使用される時間スロット数は、Ｎ⁻ _Ｔｉｍｅ＋Ｎ^＋ _Ｔｉｍｅ＋１個である。平均化に使用されるサブキャリア数は、Ｎ⁻ _Ｆｒｅｑ＋Ｎ^＋ _Ｆｒｅｑ＋１個である。即ち、ブロックＢ_ｎｋ（その重み係数はα_００で示される）のチャネル推定値を平均化するために、（Ｎ⁻ _Ｔｉｍｅ＋Ｎ^＋ _Ｔｉｍｅ＋１）×（Ｎ⁻ _Ｆｒｅｑ＋Ｎ^＋ _Ｆｒｅｑ＋１）個のチャネル推定値が重み付け平均化される。これらの重み係数を用いた平均化は、次式に従って行なわれる。

ここで、ξ_ｋ’は、ある時間スロットｎ及びあるサブキャリアｋに関する平均化されたチャネル推定値を表し、ξ_ｋ（ｎ）は、ある時間スロットｎ及びあるサブキャリアｋに関する平均化されていないチャネル推定値を表す。図５に示される例では、Ｎ⁻ _Ｔｉｍｅ＝Ｎ^＋ _Ｔｉｍｅ＝１であり、Ｎ⁻ _Ｆｒｅｑ＝Ｎ^＋ _Ｆｒｅｑ＝１個である。

ところで、ブロックＢ_ｎｋのチャネル推定値の平均化に関し、サブキャリアが隔たっているほど平均値に寄与させる意義は小さくなるのが一般的である。平均化の対象からサブキャリアが隔たるほど周波数軸方向のチャネル変動が大きくなるからである。従って、重み係数もそのような事情を考慮して、サブキャリアが隔たるほど小さな値を有するように設定される。時間軸方向についても同様に、平均化の対象から、時間スロットが隔たるほど重み係数も小さく設定される。

図７は、チャネル推定部４０２の変形例を示す図である。この例では、パイロット信号が送信信号に時間多重される代わりに、それが送信信号に符号多重されている。この場合は、受信信号を逆拡散部７０２にて逆拡散することで、パイロット信号の内容（１，１，−１，−１）が抽出される。以後は同様な処理を行なうことで、チャネル推定値を示す量が算出される。

図８は、本発明の実施例による手法と従来手法とを比較するシミュレーション結果を示す。シミュレーションにて使用された主な条件は以下のとおりである：
送信及び受信アンテナ数Ｎ： ４本
変調方式： １６ＱＡＭ
ターボ符号化率Ｒ： ８／９
想定されるマルチパス数Ｌ： ６
最大ドップラ周波数ｆｄ： ２０Ｈｚ
遅延スプレッドσ： ０，２６μｓｅｃ
情報レート： １Ｇｂｐｓ
平均化に使用されるブロック数： Ｎ⁻ _Ｔｉｍｅ＝Ｎ^＋ _Ｔｉｍｅ＝Ｎ⁻ _Ｆｒｅｑ＝Ｎ^＋ _Ｆｒｅｑ＝１
重み係数：α_００＝１．０，α_{Ｔｉｍｅ，１}＝１．０，α_{Ｆｒｅｑ，１}＝０．２。
図中、横軸は、受信アンテナ当たりの、情報１ビット当たりの信号電力対雑音電力密度比（Ｅｂ／Ｎ_０）の平均を表す。縦軸は、平均ブロックエラーレート（ＢＬＥＲ）を表す。○印はカンニングによる理想的な推定結果を示し、推定の限界値を示す。●印は本発明の実施例による推定結果を示す。×印は従来方式による推定結果を示す。本発明の実施例及び従来方式による推定結果は、共に理想曲線にほぼ平行な曲線を描いている。しかしながら、本発明の実施例による推定結果は、従来方式に比べて約２ｄＢ程度改善されていることが分かる。

ＭＩＭＯ方式の通信システムの概念図を示す。 ＭＩＭＯ方式の受信機の概念図を示す。 チャネル推定部における動作を説明するための概念図である。 本発明の一実施例によるチャネル推定装置を含む受信機の概念図を示す。 本発明の一実施例における動作を説明するための概念図を示す。 重み係数の一覧表を示す図表である。 チャネル推定部の変形例を示す図である。 本発明の実施例による手法と従来手法とを比較するシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１０２ 送信機； １０４ 受信機； １０６−１〜Ｎ 送信アンテナ； １０８−１〜Ｎ 受信アンテナ；
２０２ 信号検出部； ２０４ チャネル推定部
３０１〜３０４ 乗算部； ３０５ 加算部；
４０２ チャネル推定部； ４０４ 平均化部； ４０６ 重み係数設定部； ４０８ 信号検出部；
７０２ 逆拡散部

Claims (8)

1. マルチキャリア方式で変調され複数の送信アンテナから送信された互いに直交する複数のパイロット信号を、複数の受信アンテナで受信する無線受信機に使用されるチャネル推定装置であって、
   単位時間スロット当たり及び単位サブキャリア当たりのチャネル推定値を求める推定手段と、
   ある時間スロットを含む複数の時間スロット及びあるサブキャリアを含む複数のサブキャリアにわたってチャネル推定値を平均化し、平均化されたチャネル推定値を求める平均化手段と
   を備えることを特徴とするチャネル推定装置。
2. 前記ある時間スロット及び前記あるサブキャリアに関するチャネル推定値の重み係数は、別の時間スロット又は別のサブキャリアに関するチャネル推定値の重み係数以上に設定される
   ことを特徴とする請求項１記載のチャネル推定装置。
3. 平均化に使用される各チャネル推定値に対する重み係数が、周波数方向のチャネル変動に応じて変化する周波数成分と、時間方向のチャネル変動に応じて変化する時間成分との積で表現される
   ことを特徴とする請求項１記載のチャネル推定装置。
4. 更に、平均化に使用される各チャネル推定値に対する重み係数を、周波数方向又は時間方向のチャネル変動に応じて調整する調整手段を備える
   ことを特徴とする請求項１記載のチャネル推定装置。
5. 互いに直交する前記複数のパイロット信号が、前記複数の送信アンテナから送信される信号に時間多重される
   ことを特徴とする請求項１記載のチャネル推定装置。
6. 互いに直交する前記複数のパイロット信号が、前記複数の送信アンテナから送信される信号に符号多重される
   ことを特徴とする請求項１記載のチャネル推定装置。
7. マルチキャリア方式で変調され複数の送信アンテナから送信された互いに直交する複数のパイロット信号を、複数の受信アンテナで受信する無線受信機であって、当該受信機に使用されるチャネル推定装置が、
   単位時間スロット当たり及び単位サブキャリア当たりのチャネル推定値を求める推定手段と、
   ある時間スロットを含む複数の時間スロット及びあるサブキャリアを含む複数のサブキャリアにわたってチャネル推定値を平均化し、平均化されたチャネル推定値を求める平均化手段と
   を備えることを特徴とする無線受信機。
8. マルチキャリア方式で変調された互いに直交する複数のパイロット信号を複数の送信アンテナから送信するステップと、
   送信されたパイロット信号を複数の受信アンテナで受信するステップと、
   受信した信号に基づいて、単位時間スロット当たり及び単位サブキャリア当たりのチャネル推定値を求めるステップと、
   ある時間スロットを含む複数の時間スロット及びあるサブキャリアを含む複数のサブキャリアにわたってチャネル推定値を平均化し、平均化されたチャネル推定値を求めるステップと
   を有することを特徴とするチャネル推定方法。

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