JP2006013680A - マルチキャリアｍｉｍｏシステム、送信機および受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】受信側の処理遅延量を短縮可能なマルチキャリアＭＩＭＯシステムを得ることを目的とする。
【解決手段】送信機が、チャネル毎に、信号系列を所定数のサブストリームに分割するdivider部（１）と、サブストリーム毎に符号化および変調を施した信号を各サブキャリアに割り当てるサブキャリア配置部（７）と、サブキャリア信号を時間信号に変換するIFFT部（５）と、を備え、受信機が、複数の受信アンテナにて受信した時間信号を個別にサブキャリア信号に変換し、当該サブキャリア信号をサブストリームに分割するFFT部（１２）と、サブストリーム単位にレプリカ信号を用いてBLAST方式による復号アルゴリズムを実行するMulling+Canceling部（１３）と、を備え、前記復号アルゴリズムによる復号結果に対して誤り訂正を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の異なる信号系列を同時に伝送するＳＤＭ方式を採用するマルチキャリアＭＩＭＯシステム、当該システムを構成する送信機および受信機に関するものであり、特に、信号分離にBLASTを用いるマルチキャリアＭＩＭＯシステムに関するものである。

以下、従来のＭＩＭＯシステムについて説明する。たとえば、広帯域信号を移動体環境において送受信する場合、周波数選択性フェージングの克服が必要となる。周波数選択性フェージングへの対応技術の一つとして、マルチキャリア通信、特に、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）が、各種無線システムに採用されている。

一方、さらなる伝送容量の増大のために、複数アンテナを用いて２つ以上の信号を同時に伝送するＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）システムが注目を集めている。ＭＩＭＯシステムは、ＳＤＭ（Space Division Multiplexing)方式とＳＴＣ（Space Time Coding）方式に分けることができる。

ＳＤＭ方式では、複数の異なる信号系列が同時に伝送されるため、受信側で各信号系列を分離する処理が必要となる。ここでは、信号分離にBLAST（Bell Laboratories layered space-time）を用いるシステムを想定する。BLASTは、信号系列の順序付け逐次復号を行う方式であり、特定の信号系列を復調し、その結果を受信信号から減算するため、初めの段階で復調に失敗すると、その後の受信信号に誤りが伝搬することになる。そのため、下記非特許文献１では、各系列の推定時に誤り訂正ブロックを通し、誤りを軽減してからキャンセリングを行っている。

電子情報通信学会 2004年全国大会B-5-31「ＬＤＰＣ符号化MIMO BLAST通信方式に関する一検討」

従来のＭＩＭＯシステムにおけるＳＤＭ方式においては、一般的に、誤り訂正方式としてブロック符号が用いられている。そして、送信側では、送信系列を一定のブロックに分割し、その中で誤りを均質化するためのインターリーブ処理などが施され、一方、受信側では、ブロック単位でデインターリーブ処理，誤り訂正が行われる。しかしながら、この受信側の処理は、BLASTのように繰り返し動作が何度も行われる場合には復調処理時間の増大を招く、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数サブキャリアを用いて同時に信号系列を伝送する場合であっても、処理遅延量の短縮と効果的な伝送特性を実現可能なＭＩＭＯシステムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるマルチキャリアＭＩＭＯシステムは、複数アンテナを用いて、送信機と受信機の間で複数チャネルの信号系列を同時に伝送するマルチキャリアＭＩＭＯシステムであって、前記送信機が、信号系列を所定数のサブストリームに分割する機能を、チャネル単位に有する分割手段（後述する実施の形態のdivider部１に相当）と、分割されたサブストリーム単位に、誤り訂正符号化、インターリーブ、変調を実行する機能を、チャネル単位に有する符号化／変調手段（符号化部２，インターリーブ部３，変調部４に相当）と、各サブストリームの変調信号を所定の規則で各サブキャリアに割り当てる信号割り当て手段（サブキャリア配置部７，３１に相当）と、前記サブキャリア信号を時間信号に変換し、所定の送信処理を施した時間信号を複数の送信アンテナから送信する周波数／時間変換手段（IFFT部５，GI付加部６に相当）と、を備え、前記受信機が、複数の受信アンテナにて受信した時間信号を個別にサブキャリア信号に変換し、当該受信アンテナ単位に、前記サブキャリア信号を前記サブストリームに分割する時間／周波数変換手段（FFT部１２に相当）と、前記サブストリーム単位に、所定の処理により得られるレプリカ信号を用いてBLAST（Bell Laboratories layered space-time）方式による復号アルゴリズムを実行するBLAST手段（Mulling+Canceling部１３に相当）と、前記サブストリーム単位に、前記復号アルゴリズムによる復号結果に対してデインターリーブ、誤り訂正を行う復号手段（デインターリーブ部１４，復号部１５に相当）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、たとえば、送信機側が、送信信号を複数のサブストリームに分割し、サブストリーム毎に、誤り訂正符号化、インターリーブ、および受信機側のFFT出力順に基づくサブキャリア割り当て、を行い、受信機側が、FFT出力順に所定数のサブキャリア信号をサブストリームとして取り出し、サブストリーム単位にデインターリーブおよび誤り訂正を行うこととした。

この発明によれば、受信機側におけるFFT出力をサブストリーム単位に分割する処理が簡略化され、受信処理遅延を抑圧することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるマルチキャリアＭＩＭＯシステム、送信機および受信機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる送信機の実施の形態１の構成を示す図であり、ＣＨ＃１の入力信号系列Ｓ１を複数のサブストリームＳ２に分けるdivider部１と、サブストリーム単位で誤り訂正用符号化を行う符号化部（Encode）２と、サブストリーム単位で符号化されたデータＳ３に対してインターリーブ処理を行うインターリーブ（Interleave）部３と、インターリーブ後の信号Ｓ４を変調する変調部（Mod）４と，変調信号Ｓ５を特定の規則にしたがってサブキャリアに配置するサブキャリア配置部７と、サブキャリア上に配置された変調信号にIFFTを適用し、OFDM時間信号Ｓ６を生成するIFFT部５と、OFDM時間信号Ｓ６にガードインターバル（GI）を付加するGI付加部６と、GIが付加された時間信号Ｓ７を送信するアンテナ８と、を備えている。なお、他のチャネル（ＣＨ＃２，ＣＨ＃３）においても同様の構成を備えている。

また、図２は、本発明にかかる受信機の実施の形態１の構成を示す図であり、アンテナ１０と、受信信号Ｓ１１からGIを除去し、FFTウインドウサイズの信号Ｓ１２を切り出すGI除去部１１と、FFTにより周波数信号に変換するFFT部１２と、各アンテナからのサブストリーム受信信号Ｓ１３とレプリカ信号Ｓ１９に基づいて、フェージングの影響を除去するためのヌリング（Nulling）および干渉を除去するためのキャンセリング（Canceling）を行い（BLAST復号アルゴリズムの実行）、特定チャネルのメトリック情報Ｓ１５を抽出するNulling+Canceling部１３と、メトリック情報Ｓ１５のインターリーブを解除するデインターリーブ（De-Interleave）部１４と、インターリーブが解除されたメトリック情報Ｓ１６に誤り訂正を適用し、各チャネルのサブストリーム信号系列Ｓ１７を出力する復号部（Decode）１５と、サブストリーム信号系列Ｓ１７を再符号化し（Ｓ１８）、さらにインターリーブ処理を行い、レプリカ信号Ｓ１９を生成する符号化部（Encode）１６およびインターリーブ部（Interleave）１７と、各サブストリーム信号系列をまとめて、各チャネルの受信信号系列を出力するP/S部１８と、を備えている。ここでは、たとえば、各チャネルを２つのサブストリームに分割する。

ここで、上記のように構成される送信機および受信機、すなわち、マルチキャリアＭＩＭＯシステムの実施の形態１の動作を説明する。ＳＤＭ方式では、複数の信号系列が同時に伝送される。

まず、送信機側では、divider部１が、ＣＨ＃１の信号系列Ｓ１を複数のサブストリームＳ２に分割する。つぎに、符号化部２が、分割された各サブストリームＳ２をサブストリーム単位で符号化し、さらに、符号化後のデータＳ３に対して、インターリーブ部３によるインターリーブ処理、変調部４による変調処理が実行される。つぎに、サブキャリア配置部７が、変調信号Ｓ５を各サブキャリアに割り振る。この時、受信側の処理遅延量が小さくなるように、各サブストリームの変調信号にサブキャリア割り当てが行われる。

図３は、基数２の周波数間引きFFTを用いた場合の入出力順を示す図である。ここでは、時間信号をｘ（ｎ）とし、FFTにｘ（０），ｘ（１），ｘ（２），ｘ（３），…，ｘ（６３）と入力した場合、出力ｙ（ｋ）は、ｙ（０），ｙ（３２），ｙ（１６），ｙ（４８），…，ｙ（６３）の順で出力される。ｋはサブキャリア番号である。したがって、送信側が、受信機側のFFT出力順に基づいて、各サブストリームの変調信号にサブキャリア割り当てを行うことにより、受信機側の遅延量を削減することができる。実施の形態１では、FFT出力順に基づいて、規定されたサブストリーム数にサブキャリアを分割する。図１，２の例では、出力順に前半分（０〜６２）と後半分（１〜６３）にサブキャリアをグルーピングし、各サブストリームの変調信号にサブキャリア割り当てを行う。

つぎに、IFFT部５では、サブキャリア上の信号を時間信号に変換し、さらにGI付加部６がその時間信号にGIを付加した後、GI付加後の信号がアンテナ８から送信される。なお、上記送信機側の処理は、各チャネル（ＣＨ＃１，ＣＨ＃２，ＣＨ＃３）で並行して独立に行われる。

一方、受信機側では、GI除去部１１が、アンテナ１０を介して受け取った受信信号に対して同期処理を実行し、GIを除去し、FFTウインドウサイズの信号Ｓ１２を抽出する。つぎに、FFT部１２が、信号Ｓ１２に対してFFT処理を行い、サブキャリア上の受信信号Ｓ１３，Ｓ１４を求める。受信信号Ｓ１３，Ｓ１４は、送信機側のサブキャリア配置部７におけるサブキャリア配置に対応するものであり、本実施の形態では、FFT出力の前半分（０〜６）と後半分（１〜６３）に分割される。分割されたサブキャリア上のデータは、各サブストリームに対応するものである。なお、受信機側におけるここまでの処理は、各チャネル（ＣＨ＃１，ＣＨ＃２，ＣＨ＃３）で並行して独立に行われる。

つぎに、各サブストリームに対応するNulling+Canceling部１３では、サブストリーム単位に、BLASTの復号アルゴリズムに従ってレプリカ信号Ｓ１９のキャンセリングを行い、特定チャネルのメトリック情報Ｓ１５を生成する。つぎに、各デインターリーブ部１４では、得られたメトリック情報Ｓ１５のインターリーブを解除し、さらに、各復号部１５では、誤り訂正処理を適用してサブストリームの信号系列Ｓ１７を得る。

なお、符号化部１６が、サブストリーム信号系列Ｓ１７を再符号化し、さらに、インターリーブ部１７が、インターリーブを適用することによって、上記レプリカ信号Ｓ１９を生成する。

最後に、P/S部１８では、各サブストリーム信号系列Ｓ１７をまとめた信号を、各チャネルに対応する最終的な受信機出力として出力する。なお、伝送性能は落ちるが、ヌリング（Nulling）のみを用いて（Cancelingを用いずに）信号検出を行うことも可能である。

以上のように、本実施の形態においては、ＳＤＭ方式を用いるＭＩＭＯシステムにおいて、送信機側が、送信信号を複数のサブストリームに分割し、サブストリーム毎に、誤り訂正符号化、インターリーブ、および受信機側のFFT出力順に基づくサブキャリア割り当て、を行い、受信機側が、FFT出力順に所定数のサブキャリア信号をサブストリームとして取り出し、サブストリーム単位にデインターリーブおよび誤り訂正を行うこととした。これにより、受信機側における、FFT出力をサブストリーム単位に分割する処理が簡略化されるため、受信処理遅延を抑圧することが可能となる。

なお、本実施の形態では、時間信号→周波数信号の変換を、FFTを用いて説明したが、この回路は、時間信号→周波数信号の変換機能を有する変換回路（DFT（Discrete Fourier Transform），DCT（Discrete Cosine Transform）など）であればよく、上記以外の回路を用いることとしてもよい。

実施の形態２．
図４は、本発明にかかる受信機の実施の形態２の構成を示す図であり、各チャネルのFFT出力Ｓ１３，Ｓ１４における伝送路推定に用いられる既知信号部分を用いて伝送路解析を行い、その解析結果に基づいて各サブストリームの信号検出順（オーダリング）を決定する伝送路解析／オーダリング決定部２１を備える。Ｓ２１は決定した順序でヌリングを行うために必要な伝送路情報（伝送路解析結果）およびオーダリング情報である。なお、前述した実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。以下、本実施の形態では、前述した実施の形態１と異なる処理についてのみ説明する。

ここで、実施の形態２の動作について説明する。なお、送信機の動作については前述した実施の形態１と同様である。

通常、受信信号には送受信アンテナ間の伝送路情報を求めるために既知信号が挿入されている。各伝送路解析／オーダリング決定部２１では、それぞれサブキャリア上の受信信号Ｓ１３，Ｓ１４における既知信号を利用して、サブストリーム毎に、各サブキャリアの伝送路解析を行い、オーダリングを決定する。オーダリングとは、同時送信される複数チャネルの信号検出順序を意味する。

同一サブストリームに割り当てられる全てのサブキャリアは、同一のオーダリングとする必要がある。オーダリングの決定には、様々なアルゴリズムが考えられるが、たとえば、チャネル毎のサブキャリア間平均Ｓ／Ｎを基準として、Ｓ／Ｎの高い順に信号検出を行うアルゴリズムなどが挙げられる。各Nulling+Canceling部１３では、それぞれ伝送路情報およびオーダリング情報Ｓ２１に基づいてヌリングおよびキャンセリングを行う。以降の動作は、実施の形態１と同様である。

以上のように、本実施の形態においては、伝送路の解析結果を利用して最適な順番にオーダリングを決定することとした。これにより、受信機では最適な順番でBLAST処理が行えるため、伝送特性の向上が可能となる。

実施の形態３．
図５は、本発明にかかる送信機の実施の形態３の構成を示す図であり、フィードバック回線を通じて受信機から通知されるオーダリング情報Ｓ３１に基づいて、各サブストリームを各送信アンテナに割り振るサブキャリア配置部３１を備えている。なお、前述した実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

また、図６は、本発明にかかる受信機の実施の形態３の構成を示す図であり、各チャネルのFFT出力Ｓ１３，Ｓ１４における伝送路推定に用いられる既知信号部分を用いて伝送路解析を行う伝送路解析部４１と、伝送路情報Ｓ４１に基づいてBLASTとして最適なオーダリングを決定するオーダリング決定部４２と、送信機側にフィードバックするオーダリング情報Ｓ４２を保持するメモリ４３と、を備えている。なお、前述した実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

ここで、実施の形態３の動作について説明する。マルチキャリア通信システムでは、受信信号の最適なオーダリングがサブキャリアによって異なる。前述の実施の形態２では、サブストリーム単位で同一のオーダリングを使用して信号検出を行っていたが、本実施の形態では、最適なオーダリングを受信機から送信機にフィードバックさせることにより、各サブストリームを最適な送信アンテナに割り当てる。

すなわち、送信機側では、サブストリーム毎に用意されたサブキャリア配置部３１が、それぞれオーダリング情報Ｓ３１に基づいて、各サブストリームの変調信号を規定のサブキャリアに割り当てる。このとき、割り当てられるサブキャリアは、実施の形態１と同様に、受信機におけるFFT部の出力順に割り当てられる。ただし、割り当てる送信アンテナについては、同一チャネルのサブストリームが必ずしも同一の送信アンテナとはならず、オーダリング情報Ｓ３１に基づいて、最適な送信アンテナが割り当てられる。たとえば、上位レイヤから各チャネルの重要度（Ｑｏｓなど）が与えられている場合には、その情報にしたがって割り当てる。ここでは、一例として、オーダリングで最も復調後の信頼度が高いと判定された送信アンテナに、重要度の高いチャネルのサブストリームを割り当てる。

一方、受信機では、各伝送路解析部４１が、送信機から送られる既知信号部分を利用し、伝送路解析を行い、それぞれ伝送路情報Ｓ４１を出力する。そして、各オーダリング決定部４２では、伝送路情報Ｓ４１に基づいて、各サブキャリアの最適なオーダリングを決定する。このとき、オーダリング情報Ｓ４２は、その後のデータ受信のためにメモリ４３に保存され、同一の情報Ｓ４２がフィードバック回線を通して送信機に通知される。また、各Nulling+Canceling部１３では、データ部分の受信時、メモリ４３に保存されたオーダリングに従って各サブストリームが配置されているため、伝送路情報Ｓ４１およびオーダリング情報Ｓ４２に基づいて、受信信号に対して最適順でヌリング（Nulling）およびキャンセリング（Canceling）を行う。

以上のように、本実施の形態においては、受信機からサブキャリア毎の最適オーダリング情報を送信機にフィードバックすることとした。これにより、各サブストリームを最適な送信アンテナを用いて構成できる。結果として、受信機では最適な順番でBLAST処理が行えるため、伝送特性を向上させることができる。加えて、通信チャネルの品質をオーダリング順で評価できるため、送信機が、情報の重要度に応じて送信アンテナを割り当てることができ、重要な情報を信頼性の高い通信チャネルを用いて伝送できる。

以上のように、本発明にかかるマルチキャリアＭＩＭＯシステムは、複数の異なる信号系列を同時に伝送するＳＤＭ方式を採用する無線通信システムとして有用であり、特に、信号分離にBLASTを用いる場合の無線通信システム、当該システムを構成する送信機および受信機に適している。

本発明にかかる送信機の実施の形態１の構成を示す図である。 本発明にかかる受信機の実施の形態１の構成を示す図である。 FFTの入出力例を示す図である。 本発明にかかる受信機の実施の形態２の構成を示す図である。 本発明にかかる送信機の実施の形態３の構成を示す図である。 本発明にかかる受信機の実施の形態３の構成を示す図である。

符号の説明

１ divider部
２ 符号化部（Encode）
３ インターリーブ（Interleave）部
４ 変調部（Mod）
５ IFFT部
６ GI付加部６
７ サブキャリア配置部
８，１０ アンテナ
１１ GI除去部
１２ FFT部
１３ Nulling+Canceling部
１４ デインターリーブ（De-Interleave）部
１５ 復号部（Decode）
１６ 符号化部（Encode）
１７ インターリーブ部（Interleave）
１８ P/S部
２１ 伝送路解析／オーダリング決定部
３１ サブキャリア配置部
４１ 伝送路解析部
４２ オーダリング決定部
４３ メモリ

Claims (7)

1. 複数アンテナを用いて、送信機と受信機の間で複数チャネルの信号系列を同時に伝送するマルチキャリアＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）システムにおいて、
   前記送信機が、
   信号系列を所定数のサブストリームに分割する機能を、チャネル単位に有する分割手段と、
   分割されたサブストリーム単位に、誤り訂正符号化、インターリーブ、変調を実行する機能を、チャネル単位に有する符号化／変調手段と、
   各サブストリームの変調信号を所定の規則で各サブキャリアに割り当てる信号割り当て手段と、
   前記サブキャリア信号を時間信号に変換し、所定の送信処理を施した時間信号を複数の送信アンテナから送信する周波数／時間変換手段と、
   を備え、
   前記受信機が、
   複数の受信アンテナにて受信した時間信号を個別にサブキャリア信号に変換し、当該受信アンテナ単位に、前記サブキャリア信号を前記サブストリームに分割する時間／周波数変換手段と、
   前記サブストリーム単位に、所定の処理により得られるレプリカ信号を用いてBLAST（Bell Laboratories layered space-time）方式による復号アルゴリズムを実行するBLAST手段と、
   前記サブストリーム単位に、前記復号アルゴリズムによる復号結果に対してデインターリーブ、誤り訂正を行う復号手段と、
   を備えることを特徴とするマルチキャリアＭＩＭＯシステム。
2. 前記送信機側の信号割り当て手段は、各サブストリームの変調信号を、前記受信機側の時間／周波数変換手段の出力順に基づいて各サブキャリアに配置し、
   前記受信機側の時間／周波数変換手段は、出力順に所定数のサブキャリア信号をサブストリームとして取り出すことを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリアＭＩＭＯシステム。
3. 前記復号手段にて誤り訂正後の信号に対して、送信機側と同様の符号化、インターリーブを行うことによりレプリカ信号を生成する請求項１または２に記載のマルチキャリアＭＩＭＯシステム。
4. 前記サブストリーム単位に、前記時間／周波数変換手段にて変換後のサブキャリア信号に含まれる既知信号に基づいて各サブキャリアの伝送路情報を生成し、さらに、当該伝送路情報に基づいて信号検出順を示すオーダリング情報を生成する伝送路／オーダリング決定手段、
   を備え、
   前記BLAST手段は、前記伝送路情報およびオーダリング情報に基づいて信号検出を行うことを特徴とする請求項１、２または３に記載のマルチキャリアＭＩＭＯシステム。
5. 前記伝送路／オーダリング決定手段は、前記オーダリング情報を送信機側にフィードバックし、
   前記信号割り当て手段は、受信機側からサブストリーム毎にフィードバックされるオーダリング情報に基づいて、各サブストリームが規定の送信アンテナに割り当てられるように、各サブストリームの変調信号を前記受信機側の時間／周波数変換手段の出力順に配置することを特徴とする請求項４に記載のマルチキャリアＭＩＭＯシステム。
6. 複数アンテナを用いて複数チャネルの信号系列を同時に伝送するマルチキャリアＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）システムを構成する送信機において、
   信号系列を所定数のサブストリームに分割する機能を、チャネル単位に有する分割手段と、
   分割されたサブストリーム単位に、誤り訂正符号化、インターリーブ、変調を実行する機能を、チャネル単位に有する符号化／変調手段と、
   各サブストリームの変調信号を、受信機側における所定の時間／周波数変換回路の出力順に基づいて各サブキャリアに割り当てる信号割り当て手段と、
   前記サブキャリア信号を時間信号に変換し、所定の送信処理を施した時間信号を複数の送信アンテナから送信する周波数／時間変換手段と、
   を備えることを特徴とする送信機。
7. 複数アンテナを用いて複数チャネルの信号系列を同時に伝送するマルチキャリアＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）システムを構成する受信機において、
   複数の受信アンテナにて受信した時間信号を個別にサブキャリア信号に変換し、さらに、当該変換処理の出力順に所定数のサブキャリア信号をサブストリームとして取り出すことにより、当該サブキャリア信号をサブストリームに分割する時間／周波数変換手段と、
   前記サブストリーム単位に、所定の処理により得られるレプリカ信号を用いてBLAST（Bell Laboratories layered space-time）方式による復号アルゴリズムを実行するBLAST手段と、
   前記サブストリーム単位に、前記復号アルゴリズムによる復号結果に対してデインターリーブ、誤り訂正を行う復号手段と、
   を備えることを特徴とする受信機。

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