JP2005512458A

JP2005512458A - Ｃｏｆｄシステムのためのビットレベルのダイバーシチ合成

Info

Publication number: JP2005512458A
Application number: JP2003551939A
Authority: JP
Inventors: モニシャゴシ; クスウエメイオウヤン; ヨセフメーハン
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2005-04-28
Also published as: EP1459469A1; WO2003050993A1; KR20040075326A; AU2002348837A1; US7236548B2; US20030112902A1; CN1602599A

Abstract

シンボルレベルではなくビットレベルのダイバーシチ合成が無線通信受信機内で用いられる。チャネル推定及びビット・メトリックが、異なるアンテナ素子によって受信された信号に対して別々に計算される。ビット・メトリックは、受信シンボル内の全ビットと、前記チャネル推定によって修正されるようなコンスタレーションシンボル内の対応ビットとの間の累積最小二乗差を決定することによって計算される。別々に決定された前記ビット・メトリックは、次いで、復号のために組み合わされる。シングルアンテナシステムと、シンボルレベルのダイバーシチ合成を備えるマルチアンテナシステムとの両方を超えるパフォーマンスの改善が達成される。

Description

本発明は、広くは、無線通信に関し、より詳細には、無線通信の受信におけるアンテナダイバーシチ合成に関する。

現在入手可能な市販の無線通信装置は、概ね全て、受信のために単一のアンテナを利用する。IEEE(the Institute for Electrical and Electronic Engineers)の802.11aの規格及びESTI(European Telecommunications Standards Institute)のHiperLAN2(High Performance European Radio Local Area Network version 2)の規格などの現在提案されているワイヤレスローカルエリアネットワーク(WLAN)の規格は、無線システムにおける典型的なチャネルのフェージングの問題を克服するためにアンテナ切換及びダイバーシチ合成の技術を提案している。アンテナ切換技術は、通常、信号振幅の基準に基づいて様々なアンテナの中から信号を選択するのに対して、ダイバーシチ合成は、様々な重みづけをすることによって各アンテナからの信号を利用する。少なくとも理論的には、ダイバーシチ合成は切換システムより良好な結果をもたらす。

しかしながら、符号化直交周波数分割多重(COFDM)システムのためのビーム形成(beamforming)又はダイバーシチ合成のための現在公表されている提案は、全て、等化が復号プロセスに組み込まれるというCOFDM信号方式の最も重要な利点の１つを最大限に活用しきれないシンボルレベルにおいて動作するアルゴリズムを用いている。

それ故、当業界においては、符号化直交周波数分割多重受信機のためのビットレベルのダイバーシチ合成が必要とされている。

本発明の主たる目的は、従来技術の上記の不利な点に対処するため、無線通信受信機用に、シンボルレベルではなく、ビットレベルのダイバーシチ合成を用いる方法を提供することにある。チャネル推定及びビット・メトリック(bit metrics)は、異なるアンテナ素子によって受信された信号に対して別々に計算される。ビット・メトリックは、受信シンボル内の全ビットと、前記チャネル推定によって修正されるようなコンスタレーションシンボル(constellation symbols)内の対応ビットとの間の累積最小二乗差(least squares cumulative difference)を決定することによって計算される。別々に決定された前記ビット・メトリックは、次いで、復号のために組み合わされる。シングルアンテナシステムと、シンボルレベルのダイバーシチ合成を備えるマルチアンテナシステムとの両方を超えるパフォーマンスの改善が達成される。

上記は、当業者が以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解し得るように本発明の特徴及び技術的利点をかなり大雑把に概説している。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の付加的な特徴及び利点は以下に記載する。当業者が、本発明と同じ目的を果たすために他の構成を設計又は変更するための基礎として開示されている概念及び特定の実施例を容易に用い得ることは当業者にはわかるであろう。当業者はまた、このような同等の構成が、その最も広い形態の本発明の範囲及び本旨から外れないことに気づくであろう。

以下の本発明の詳細な説明に取り掛かる前に、この特許文献全体を通して用いられる或る単語及び語句の定義を示すことは好都合であり得る。「含む」及び「有する」という用語並びにそれらの派生語は、限定のない包含を意味し、「又は」という用語は、及び／又はの意味を含んでおり、「〜と関連する」及び「それと関連する」という語句並びにそれらの派生語は、〜を含むこと、〜内に含められること、〜と相互に接続すること、〜を収容すること、〜内に収容されること、〜に接続すること若しくは〜と接続すること、〜に結合すること若しくは〜と結合すること、〜と伝達可能であること、〜と協働すること、〜をインターリーブすること、〜を並置すること、〜に最も近いこと、〜に縛られること若しくは〜で縛られること、〜を持つこと、〜の特性を持つことなどを意味し、「制御器」という用語は、このような装置が、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの少なくとも２つの或る組み合わせで実施されるかにかかわらず、少なくとも１つの動作を制御するあらゆる装置、システム又はそれらの一部を意味する。あらゆる特定の制御器と関連する機能は、ローカルであろうとリモートであろうと、集中化又は分散され得ることに注意されたい。或る単語及び語句の定義は、この特許文献全体を通して規定される。通常当業者は、このような定義が、このように規定された単語及び語句の先の使用及び今後の使用の大多数ではないにしても、多くの例に当てはまることを理解するであろう。

本発明及び本発明の利点のより完全な理解のために、添付図面に関連して解釈される以下の記載の参照がなされる。ここで、同様な参照符号は同様な対象を示す。

下記の図１及び図３乃至６並びにこの特許文献において本発明の原理を記載するために用いられている様々な実施例は、説明用に示したものであり、如何なる形であれ本発明の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者は、本発明の原理があらゆる適当に構成された装置において実施され得ることを理解するであろう。

図１は、本発明の一実施例によるビットレベルのダイバーシチ合成を用いる無線通信システムを示している。無線通信システム１００は、無線伝送チャネル１０３によってつながれる送信機１０１及び受信機１０２を含む。信頼性の高い高速伝送を達成するためには、無線伝送チャネル１０３は、ほとんどフェージングのない安定したものであるべきである。IEEE 802.11a及びHiperLAN2ではこのようなチャネルがあるとみなされているが、実際には、無線通信チャネル１０３は、時間選択性、周波数選択性又は両方のレイリーフェージングを呈する可能性が非常に高い。このような条件下での高速伝送は、受信機側での信号処理の複雑さを増大させることなしに達成するのは非常に困難である。

例示的な実施例においては、送信機１０１は、スクランブルユニット１０５に直列に接続される送信されるべきデータビットを生成及び／又はバッファするユニット１０４と、（随意にパンクチャ(puncturing)を備える）畳み込み符号化器１０６と、ビット・インターリーブユニット１０７と、パイロット付加ユニット１０８と、逆高速フーリエ変換(IFFT)ユニット１０９と、ガードバンド付加ユニット１１０とを含む。

送信機１０１は、無線チャネル１０３においてガードバンド付加ユニット１１０の出力を送信する。受信機１０２は、随意に異なる周波数に同調させている多数のアンテナ素子（図示せず）を用いて、これらのアンテナ素子が同じ時間又は周波数においてフェージングを受けない状況において受信を改善する。

受信機１０２内では、異なるアンテナ素子において受信された信号に対して別々の処理パス１１１ａ及び１１１ｂが保持される。この例示的な実施例においては２つのパス（及び対応するアンテナ素子）しか図示されていないが、任意の整数個のアンテナ素子及び各々の処理パスが用いられ得る。

受信機１０２内の各信号処理パス１１１ａ及び１１１ｂは、ガードバンド除去ユニット１１３ａ、１１３ｂと直列に接続されるチャネル推定ユニット１１２ａ、１１２ｂと、受信された時間領域信号サンプルを周波数領域に変換する高速フーリエ変換(FFT)ユニット１１４ａ、１１４ｂと、パイロット除去ユニット１１５ａ、１１５ｂと、ビット・メトリック計算ユニット１１６ａ、１１６ｂと、チャネル重みづけユニット（Ｃ１及びＣ２）１１７ａ、１１７ｂとを含む。

信号処理パス１１１ａ、１１１ｂ内で、ビット・メトリック計算ユニット１１６ａ及び１１６ｂは、受信シンボルを用いて各ビットについて最大確率に基づいてビット・メトリックを計算することによって、ソフト・デコーディング(soft decoding)においてデインターリーブする前にシンボルのビットへのマッピングを行うために、ＣＯＦＤＭ規格の下でビット・インタリーブの特性を利用する。送信チャネルシンボルの雑音のあるフェージングを受けて受信されたものは、ビット・メトリック計算ユニット１１６ａ及び１１６ｂに通され、ビット・メトリック計算ユニット１１６ａ及び１１６ｂは、

を計算する。ここで、ｍは或るシンボルの中のビットｉのメトリックであり、ｙは受信シンボルであり、ｈは（チャネル推定に基づく）フェージング及び雑音のあるチャネルであり、ｘは元のシンボルコンスタレーションであり、ｃは「０」又は「１」である送信ビットを表わす。物理的にいえば、等式（１）は、チャネルにおけるコンスタレーションシンボルの投影(projection)と受信シンボルとの間の最短距離を決定する。

次いで、ビット・メトリック計算ユニット１１６ａ及び１１６ｂによって決定されたビットパターンは、ビット・デインターリーブユニット１１９及びビタビ復号器１２０に送られ、次いで、ユニット１２２によって記憶及び／又は利用され、ユニット１２３においてビット誤り率（BER）の計算のために用いられるデータビットの決定のためにデスクランブルユニット１２１に送られる前に、重みづけユニット１１７ａ及び１１７ｂによって重みづけされ、信号加算器１１８によって組み合わされる。

図２は、シンボルレベルのダイバーシチ合成を用いるありうる無線受信機の一部の比較図である。シンボルレベルのダイバーシチ合成システム２００では、異なるアンテナ素子によって受信された信号が、チャネル推定のためのユニット２０２ａ、２０２ｂと、ガードバンド除去のためのユニット２０３ａ、２０３ｂと、高速フーリエ変換のためのユニット２０４ａ、２０４ｂと、重みづけのためのユニット２０５ａ、２０５ｂとを含む別個の処理パス２０１ａ、２０１ｂによって処理される。しかしながら、信号加算器２０６は、パイロット除去２０７及びシンボルのビットへのマッピング２０８の前にシンボルレベルで処理信号を組み合わせる。

図３、４Ａ乃至４Ｄ及び５Ａ乃至５Ｄは、本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示している。（１）シングルアンテナシステム対ビットレベルのダイバーシチ合成を用いるデュアルアンテナシステム、及び（２）シンボルレベルではなくビットレベルのダイバーシチ合成を用いるデュアルアンテナシステム対ビットレベルのダイバーシチ合成を用いるデュアルアンテナシステムのパフォーマンスを比較する目的のためのシミュレーションが、各パケット中に4096ビットを備える250パケットにグループ化されたおおよそ百万データビットを利用して行われた。マルチパスチャネル特性は、所与のパケットの伝送中には変化しないが、異なるパケットは、場合によっては、異なるマルチパスチャネル特性を経験し得るとみなされた。パケットの伝送中のチャネルの振幅は図３に図示されている。

図４Ａ乃至４Ｄは、シングルアンテナシステムを利用する様々な変調技術対ビットレベルのダイバーシチ合成を備えるデュアルアンテナシステムを利用する様々な変調技術について信号対雑音比(SNR)の関数としてのビット誤り率(BER)の比較シミュレーション結果を示している。図４Ａは、レート1/2及びレート3/4のBPSK(binary phase shift key)変調の結果を図示しており、図４Ｂは、レート1/2及びレート3/4のQPSK(quadrature phase shift key)変調の結果を図示しており、図４Ｃは、レート1/2及びレート3/4の16-QAM(quadrature amplitude modulation with sixteen discrete levels)の結果を図示しており、図４Ｄは、レート2/3及びレート3/4の64-QAM(quadrature amplitude modulation with sixty-four discrete levels)の結果を図示している。

シミュレーション結果において、ビットレベルのダイバーシチ合成を備えるデュアルアンテナシステムは、シングルアンテナシステムより約４乃至６デシベル(dB)良好なかなりのパフォーマンス向上を呈している。シングルアンテナとビットレベルのダイバーシチ合成を備えるデュアルアンテナとの間のパフォーマンスの差は、信号対雑音比と共に増大する。なぜなら、より高い信号対雑音比においてはデュアルアンテナシステムによってより良好なチャネル推定が供給されるからである。

図５Ａ乃至５Ｄは、シンボルレベルのダイバーシチ合成を用いるデュアルアンテナシステムと、ビットレベルのダイバーシチ合成を用いるデュアルアンテナシステムとを利用する様々な変調技術に対するSNRの関数としてのBERの比較シミュレーション結果を表わしている。図５Ａは、レート1/2及びレート3/4のBPSK変調の結果を図示しており、図５Ｂは、レート1/2及びレート3/4のQPSK変調の結果を図示しており、図５Ｃは、レート1/2及びレート3/4の16-QAMの結果を図示しており、図５Ｄは、レート2/3及びレート3/4の64-QAM変調の結果を図示している。ビットレベルのダイバーシチ合成システムは、シンボルレベルのダイバーシチ合成システムより約2乃至5dB良好な著しく良好なパフォーマンスを持つ。

図６は、本発明の一実施例によるビットレベルのダイバーシチ合成のプロセスのハイレベルフローチャート(high level flow chart)である。プロセス６００は、信号がｎ個のアンテナ素子において受信されるのに伴って始まる（ステップ６０１）。ここで、ｎは任意の正の非零の整数である。各アンテナ素子の受信信号は、チャネル推定、ガードバンド除去、フーリエ変換及びパイロット除去のために別々に、並行して処理される（ステップ６０２ａ乃至６０２ｎ）。次いで、特定のシンボル内の全ビットについて、受信チャネルのビットと、チャネル推定をよる修正後の各コンスタレーションシンボルのビットとの間の最小二乗差を決定することによって各ストリームに対して別々にビット・メトリックが計算される（ステップ６０３ａ乃至６０３ｎ）。次いで、ビット又はシンボルは、随意に重みづけされ（ステップ６０４ａ乃至６０４ｎ）、組み合わされ、デインタリーブされ、復号される（ステップ６０５）。次いで、このプロセスは、追加の無線信号が受信されるまで遊休状態になる(ステップ６０６)。

本発明においては、単一の無線受信段内の組み合わされた等化及び復号と共にビットレベルのダイバーシチ合成を用いることによって、ＣＯＦＤＭシステムの固有のインターリーブ及び符号化の特性が考慮に入れられ、活用される。ソフト・ビタビデコーディングのためのチャネル推定及びビット・メトリックの計算は、異なるチャネル特性を経験する各アンテナ素子に対して別々に行われる。次いで、別々のビット・メトリックは、ビタビ復号器に送られる前に組み合わされ、シングルアンテナシステムとシンボルレベルのダイバーシチ合成を利用するデュアルアンテナシステムとの両方を超えるパフォーマンスの改善をもたらす。

本発明は十分に機能しうるシステムに関連して記載されているが、本発明の機構の少なくとも一部は、様々な形態の命令を含む機械使用可能媒体の形態で分散され得ること、及び本発明は、実際に分散を行なうために利用される信号を載せる媒体の特定のタイプに関係なく等しく適用されることは当業者にはわかるであろうことに留意することは重要である。機械使用可能媒体の例は、読み出し専用メモリ(ROMs)又は電気的消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ(EEPROMs)などの不揮発性のハードコードされたタイプの媒体と、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ及びコンパクトディスク読み出し専用メモリ(CD-ROMs)又はデジタル多用途ディスク(DVDs)などの記録可能なタイプの媒体と、デジタル及びアナログの通信リンクなどの伝送タイプの媒体とを含む。

本発明は詳細に記載されているが、当業者には、その最も広い形態の本発明の範囲及び本旨から外れないで本明細書に開示されている本発明の様々な変化、置き換え、変形、拡張、微妙な差異、段階的変化、より劣る形態、変更、修正、改善及びノックオフがなされ得ることはわかるであろう。

本発明の一実施例によるビットレベルのダイバーシチ合成を用いる無線通信システムを示す。シンボルレベルのダイバーシチ合成を用いるありうる無線受信機の一部の比較図である。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例による無線受信機内のビットレベルのダイバーシチ合成に対するシミュレーション入力及び比較結果を図示する。本発明の一実施例によるビットレベルのダイバーシチ合成のプロセスのハイレベルフローチャートである。

Claims

無線信号を受信するのに用いられる複数のアンテナ素子の各々のための別々のチャネル推定ユニット及び別々のビット・メトリック計算ユニットと、
前記別々のビット・メトリック計算ユニットの出力を組み合わせる信号結合器と、
前記信号結合器の出力を受け取り、該出力に基づいて動作する復号器とを有し、各ビット・メトリック計算ユニットが、対応チャネル推定に基づいて対応アンテナ素子からの各受信シンボルのビットを決定する無線受信機。
前記ビット・メトリック計算ユニットが、前記対応アンテナ素子についてチャネル内の投影コンスタレーションシンボルと各受信シンボルとの間の最短距離を決定することを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
前記ビット・メトリック計算ユニットが、受信シンボル内の全ビットについて、該受信シンボル内のビットと、前記対応チャネル推定によって修正されたコンスタレーションシンボル内の対応ビットとの間の累積最小二乗差を決定することを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
前記ビット・メトリック計算ユニットが、前記累積最小二乗差に基づいて各受信シンボル内のビットを論理１又は論理０に選択的に設定することを特徴とする請求項３に記載の無線受信機。
受信される前記無線信号が、符号化直交周波数分割多重によって変調されることを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
送信機と、
前記送信機からの無線信号が伝送されるチャネルと、
前記チャネルから前記無線信号を受信する受信機とを有する無線通信システムであって、前記受信機が、
−無線信号を受信するのに用いられる複数のアンテナ素子の各々のための別々のチャネル推定ユニット及び別々のビット・メトリック計算ユニットと、
−前記別々のビット・メトリック計算ユニットの出力を組み合わせる信号結合器と、
−前記信号結合器の出力を受け取り、該出力に基づいて動作する復号器とを有し、各ビット・メトリック計算ユニットが、対応チャネル推定に基づいて対応アンテナ素子からの各受信シンボルのビットを決定する無線通信システム。
前記ビット・メトリック計算ユニットが、前記対応アンテナ素子についてチャネル内の投影コンスタレーションシンボルと各受信シンボルとの間の最短距離を決定することを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
前記ビット・メトリック計算ユニットが、受信シンボル内の全ビットについて、該受信シンボル内のビットと、前記対応チャネル推定によって修正されたコンスタレーションシンボル内の対応ビットとの間の累積最小二乗差を決定することを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
前記ビット・メトリック計算ユニットが、前記累積最小二乗差に基づいて各受信シンボル内のビットを論理１又は論理０に選択的に設定することを特徴とする請求項８に記載の無線通信システム。
前記無線信号が、符号化直交周波数分割多重によって変調されることを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
無線信号を受信する方法であって、
前記無線信号を受信するのに用いられる複数のアンテナ素子の各々のために別々にチャネル推定を推定するステップ及び別々にビット・メトリックを計算するステップと、
前記別々のビット・メトリック計算ステップの出力を組み合わせるステップと、組み合わされた前記出力を復号するステップとを有し、各ビット・メトリック計算ステップが、対応チャネル推定に基づいて対応アンテナ素子からの各受信シンボルのビットを決定する方法。
前記ビット・メトリック計算ステップが、前記対応アンテナ素子についてチャネル内の投影コンスタレーションシンボルと各受信シンボルとの間の最短距離を決定するステップを更に有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記ビット・メトリック計算ステップが、受信シンボル内の全ビットについて、該受信シンボル内のビットと、前記対応チャネル推定によって修正されたコンスタレーションシンボル内の対応ビットとの間の累積最小二乗差を決定するステップを更に有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記ビット・メトリック計算ステップが、前記累積最小二乗差に基づいて各受信シンボル内のビットを論理１又は論理０に選択的に設定するステップを更に有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
受信された前記無線信号を符号化直交周波数分割多重を用いて復調するステップを更に有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
無線信号を受信するのに用いられる複数のアンテナ素子の各々に対して別々のビット・メトリックを有し、各ビット・メトリックが、対応アンテナ素子からの各受信シンボルのビットからこのアンテナ素子に対する対応チャネル推定に基づいて導き出されることを特徴とする部分的に処理された無線信号。
前記ビット・メトリックが、前記対応アンテナ素子のチャネル内の投影コンスタレーションシンボルと各受信シンボルとの間の最短距離から決定されることを特徴とする請求項１６に記載の部分的に処理された無線信号。
前記ビット・メトリックが、受信シンボル内の全ビットについての、該受信シンボル内のビットと、前記対応チャネル推定によって修正されたコンスタレーションシンボル内の対応ビットとの間の累積最小二乗差から決定されることを特徴とする請求項１６に記載の部分的に処理された無線信号。
前記ビット・メトリックが、前記累積最小二乗差に基づいて論理１又は論理０に選択的に設定される各受信シンボル内のビットを有することを特徴とする請求項１８に記載の部分的に処理された無線信号。
前記ビット・メトリックが符号化直交周波数分割多重によって変調される無線信号に対応することを特徴とする請求項１６に記載の部分的に処理された無線信号。