JP2006514520A - 静的なｍｉｍｏチャネルのためのデータ符号化 - Google Patents

Abstract

【解決手段】複数の送信アンテナを適用する送信機に使用されるチャネルスクランブラは、信号を入力するための少なくとも２つの信号入力と、時間変化するスクランブリング行列を各入力信号に適用し、スクランブルされた信号を生成するプロセッサとを備える。スクランブルされた各信号をアンテナに出力する出力ステージが備えられる。スクランブリング行列は、好適には、チャネルブロックの各シンボル期間について異なる。

Description

本発明は、複数の送信アンテナ、特に単一の送信機に接続している複数の送信アンテナからの信号を受信機が受信する通信システムにおける符号化のための装置、方法、及びコンピュータプログラムコードに関する。

複数の送信アンテナを持つ送信機が適用される通信リンクでは、異なる送信アンテナから受信された信号が互いに干渉するので、特有の問題が発生する。これは、いわゆるマルチストリーム間干渉（ＭＳＩ：multi-stream interference）という結果になり、解読の困難さをもたらす。しかしながら、潜在的な利点は、そのような通信リンクの大いに増大したスループット（すなわち、高いビットレート）である。この種のＭＩＭＯ（Multiple-input Multiple-output）通信リンクでは、（行列チャネルへの）「入力」は、送信機の複数の送信アンテナによって与えられ、（行列チャネルからの）「出力」は、複数の受信アンテナによって与えられる。従って、各受信アンテナは、解読されねばならない全ての送信機の送信アンテナからの信号の結合を受信する。

典型的な無線ネットワークは、複数の移動端末（ＭＴ：mobile terminals）を備えている。これらはそれぞれこのネットワークのアクセスポイント（ＡＰ）又は基地局と無線で通信する。アクセスポイントはまた、例えば固定型のイーサネット（登録商標）タイプのネットワークのような別のネットワークへのリンクも同様に持ちうる中央コントローラ（ＣＣ：central controller）とも通信する。最近まで、特に無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）及びその他の移動通信環境でみうけられるようなマルチパス伝播による有害な効果を緩和するために、システムの設計においてかなりの努力がなされた。しかしながら、G.J. FoschiniとM.J. Gansとによって著された“On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas”、Wireless Personal Communications vol.6、No.3、pp.311-335、1998年（非特許文献１）では、送信機と受信機との両方において複数アンテナアーキテクチャを用いること（いわゆるmultiple-input multiple-output（ＭＩＭＯ）アーキテクチャ）によって、大幅に増大したチャネル容量が可能であることが示された。注目は、広帯域チャネル用の空間−時間符号化技術（ＯＦＤＭにおける空間−周波数符号化）の採用にも注がれる。一般に、そのような符号化の最尤検出のためのチャネル状態情報（ＣＳＩ：channel state information）は、トレーニング系列を用いて取得され、結果として得られるＣＳＩ推定が、その後、Viterbiデコーダに供給される。

図１は、一般的なＭＩＭＯ通信システム１００を示す。情報ソース１０１は、時間１において情報シンボルｓ（１）を空間−時間エンコーダ１０２に提供する。空間−時間エンコーダ１０２は、このシンボルを、Ｎ個の符号シンボルｃ_１（１）、ｃ_２（１）・・・ｃ_Ｎ（１）として符号化する。これらはそれぞれ送信アンテナ１０４の1つから同時に送信される。複数のＭ個の受信アンテナ１０６は、それぞれ信号ｒ_１（１）・・・ｒ_Ｍ（１）を受信する。それらは受信機１０８に入力される。受信機１０８は、符号化され送信されたシンボルの推定値

を出力１１０上に提供する。送信アンテナと受信アンテナとの間には、複数のチャネルが存在する。例えば、全てのチャネルは、２つの送信アンテナと、２つの受信アンテナとを持っている。

第３世代移動電話ネットワークは、移動局と基地局との間の無線インタフェースを介した通信のためにＣＤＭＡ（符号分割多元接続）拡散スペクトル信号を用いる。この３Ｇネットワークは、International Mobile Telecommunications ＩＭＴ−２０００規格（ｗｗｗ．ｉｔｕｉｎｔ）に含まれている。３Ｇネットワークの無線アクセス部分は、ＵＴＲＡＮ(Universal Terrestrial Radio Access Network)と称され、ＵＴＲＡＮアクセスネットワークを備えたネットワークは、ＵＭＴＳ(Universal Mobile Telecommunications System)ネットワークとして知られている。ＵＭＴＳシステムは、第３世代パートナシッププロジェクト（３ＧＰＰ，３ＧＰＰ２）によって作成された規格であり、そのための技術仕様は、ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇで見つけることができる。第４世代移動電話ネットワークは、まだ定義されていないが、ＭＩＭＯベースの技術を使用するかもしれない。

実際のデータ通信システムでは、チャネル内のマルチパスは、シンボル間干渉（ＩＳＩ）を引き起こす。これはしばしば等化と順方向誤り訂正符号化との組み合わせを用いて補正される。例えば、線形等化器は、受信したデータを、チャネルインパルス応答の逆特性を用いて効果的に畳み込み、ＩＳＩが実質的に除去されたデータ推定値を生成する。最適な等化器は、例えば、Viterbiアルゴリズムを用いて、最尤（ＭＬ：maximum likelihood）系列推定、又は最大事後確率推定（ＭＡＰ：maximum a priori estimation）を適用する。

従来のＭＩＭＯシステムは、チャネルエンコーダ、チャネルインタリーバ、及び空間−時間デコーダを使用する。受信機は通常、空間−時間デコーダ、チャネルデインタリーバ、及びチャネルデコーダを備えている。チャネルは時々、受信機において信号を分離することが困難になっている。これは、例えば、チャネル行列の列成分がほとんど一次従属に従っている場合におきる。この問題は、もしもチャネルが時間と共にも変化するのであれば、受信機における時間ダイバーシティを与えるので、緩和されるであろう。

しかしながら、チャネル符号化されたブロックの間、チャネルが実質的に一定、すなわち時間と共にほとんど変化しないか、全く変化しないのであれば、時間ダイバーシティは達成されない。もしも、前のパラグラフに記載したように、この実質的に一定なチャネルが「ｂａｄ」であれば、符号化は、利点の多くを与えないであろう。
G.J. Foschini、M.J. Gans著、"On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas"、Wireless Personal Communications、Vol.6、No.3、pp.311-335、1998年 Y. Xin, Z. Wang、G. Giannakis著、"Space-time constellation-rotating codes maximising diversity and coding gains"、Globecom 2001、Vol.1、pp.455-459、2001年

本発明の第１の局面に従うと、複数の送信アンテナを用いた送信機において使用されるチャネルスクランブラが提供される。このスクランブラは、信号を入力するための少なくとも２つの信号入力と、各信号に対して時間変化を適用し、スクランブルされた信号を生成するプロセッサと、スクランブルされた各信号をアンテナに出力するための出力ステージとを備えている。この時間変化は、好適には、時間変化するスクランブリング行列を各信号に適用することによって達成される。

この時間変化する行列は、人工的に減衰し、時間変化する効果的なチャネルを効果的に作成する。このチャネルは、時間的に一定なチャネルに代わるものである。これは、受信機によって「見られる」チャネルが時間と共に変わり、時々オリジナルよりも良くなり、時々オリジナルよりも悪くなることを意味する。これらの変化は、強い信号が弱い信号を助け、誤り確率を減少させるチャネルデコーダの復号処理を助ける。送信機において、チャネルの知識は何ら必要ない。

好適には擬似ランダム行列でありうるスクランブリング行列は、信号のチャネルブロックの長さにわたって時間と共に変化する。スクランブリング行列は、１つのシンボル期間に対して固定されており、後に続く各シンボル期間に対して変化する。

スクランブリング行列は好適には、回転行列であり、Ｑ_ｋ＝Ｐ^ｋの形態をとる。ここでＰは回転行列であり、ｋはシンボル期間を示す時間のインデックスである。これは、１から、ブロック内のシンボル間隔の数まで変わりうる。Ｐは好適にはユニタリ行列である。

本発明はまた、上述したチャネルスクランブラと、少なくとも２つの送信アンテナとを含み、スクランブルされた信号を送信するための送信機を提供する。

本発明の第２の局面に従うと、少なくとも１つの受信アンテナを有する受信機と、複数の送信アンテナを有する送信機とを適用する通信システムにおいてデータを符号化する方法が提供される。この方法は、前記送信アンテナから送信する信号を準備することと、前記準備した信号に、時間変化するチャネルスクランブリング行列を適用し、時間スクランブルされた信号を生成することと、このスクランブルされた信号を、前記送信アンテナから送信することとを備えている。

本発明の好適な実施例を、唯一の例と添付図面とを参照して説明する。

図２は、送信機２０１と受信機２０２とを持つＭＩＭＯ通信システム２００を示している。送信機２０１は、チャネルエンコーダ２０３、チャネルインタリーバ２０４、及び空間−時間エンコーダ２０５を通常の様式で含んでいる。２つのアンテナ２０６，２０７からは、チャネル２０８を経由して、受信機２０１に搭載されたアンテナ２０９，２１０へとデータが送信される。この受信機は、空間−時間デコーダ２１１、チャネルデインタリーバ２１２、及びチャネルデコーダ２１３を含んでいる。

狭帯域チャネルでは、受信信号と送信信号との間の入力出力関係は、通常は以下の通り記述することができる。

ここで

は受信された信号、

はチャネル、

は送信された信号、

は雑音信号、ｋは時間のインデックスを示す。

図２に示す例では、送信機はチャネルスクランブラ２１４をも含んでいる。これは、空間−時間エンコーダ２０５によって符号化された後で、かつアンテナ２０６，２０７によってチャネル２０８に送信される前のデータに作用する。このチャンネルスクランブラは、送信された信号に時間変化要素を導入し、図２の配置に対する入力−出力関係は

の通りとなる。ここで、ｋ，Ｈ，ｒ_ｋ，ｘ_ｋ，及びｖ_ｋは上に定義した通りであり、

は、チャネルスクランブラ２１４である。

チャネルスクランブラＱ_ｋの導入は、新たな等価チャネル

を効率的に生成する。これは、たとえチャネルＨが時間的に変動しない場合であっても、時間変化する。従って、チャネルＨが、受信機において信号を分離することが困難であることを意味する「ｂａｄ」の状態であれば、新たな擬似ランダムチャネル

の提供は、チャネルデコーダにおける復号処理を助ける。この技術は、説明した狭帯域チャネルと同様に、広帯域チャネルに対しても適用可能であることが認められるであろう。

チャンネルスクランブラＱ_ｋを生成するには幾つかの可能な方法がある。１つの簡単な方法は、各シンボルに対して一度適用された回転行列Ｐを用いることである。これはチャンネルスクランブラ

を生成する。ここで、Ｎ_ｓｙｍは、ブロック内におけるシンボル数である。もしもＰがユニタリ行列であれば、Ｐ_ｋもまた全てのｋについてユニタリである。例えば、この行列Ｐは、Y. Xin、Z. Wang、G. Giannakisによって著された“Space-time constellation-rotating codes maximising diversity and coding gains”、Globecom 2001、Vol.1、pp.455-459、2001年（非特許文献２）に記載された線形事前符号化と同じ方法で設計されうる。この方法の目的は、最大ダイバーシティを達成するために全てのアンテナにわたってデータシンボルを拡散することである。しかしながら、そのアプリケーションでは、いつも同じ行列Ｐ、すなわち

が適用される。従って、このチャネルの擬似ランダムスクランブル処理は実行されない。チャネルスクランブラ２１４の動作の例を以下に記載する。

で記載されるチャネル行列を持つＭＩＭＯシステムについて考慮されたい。

送信された異なるシンボルを、受信機がどのように受信するのかを表すこの行列の列成分は極めて近似している。２つの列成分間で規格化された相関係数は、

である。これは、受信機において信号を分離することが非常に困難であることを意味する。

ここで、行列

によって与えられ上述のチャネルスクランブラが、送信前のデータに適用されると仮定する。

この等価チャネルは

であり、これらの値を持つ実際のチャネルと同じ効果を持つ。

もしも角度がφ＝２π×０．３８で与えられると、等価チャネル行列は

となる。ここで、

の相関係数を持つ。従って、送信機においてスクランブリング行列を使用することで、列成分間の相関を下げることが可能となる。

このチャネルは送信機において知られていないので、このスクランブリングが実際に相関を増加させてしまう場合も十分考えられる。しかしながら、次のシンボル間隔において、スクランブリング行列ＰはＰ^２に変化し、相関は再び異なるものとなろう。異なるスクランブリング行列は、その後、次に続く各シンボルに使用される。

従って、より良い入力信号をチャネルデコーダ２１３に提供し、復号処理を改善させるようなチャネル状態に変化するシンボル区間がいくつか存在するであろう。ほとんどのチャンネルにとって、スクランブリング行列を用いて符号化されたデータと、スクランブリング行列を用いずに符号化されたデータとの間に差はないであろう。しかしながら、時間的に一定な「ｂａｄ」チャネル、すなわち列成分間の高い相関を伴うチャネルにとって、スクランブリング行列は大きな効果をもたらすであろう。

このデータは、受信機によって通常用いられる方法で復号される。受信機２０２は、チャネルスクランブラ２１４によって適用されたスクランブリング行列Ｑ_ｋを知るであろう。もしもチャネルＨが受信機で既知であるならば（通常の場合）、受信機が実効的なチャネル

を決定し、データを復号することは簡単なことである。

記述したシステムは、ほとんどの環境において性能を改善するが、例えば室内やオフィス内のような準静的な環境においては特に有効である。また、例えば無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）のように、送信機と受信機とが長い時間期間にわたって互いに相対的に移動しないようなシステムにとって特に有効である。この複雑さは非常に少ない。なぜなら、送信機及び受信機において、シンボル間隔毎に、１つの追加行列乗算が含まれているだけだからである。更に、上述するように、チャネル推定器の動作は、チャネルスクランブル処理によって影響を受けず、システム複雑さの全体的なインパクトを最小にする。

図３は、チャネルスクランブル処理を用いたシステムのシミュレーション結果を示す。このシステムは図２に示すタイプのものであり、ＢＬＡＳＴ（the Bell Laboratories Layered Space-Time Architecture）と、拘束長５及び７のレート１／２畳み込み符号と、１０，０００ビットのブロック長とを用いた空間多重通信方式を用いており、２つの送信アンテナと、２つの受信アンテナとを持っている。受信機は、４回の繰り返しを行う繰り返し復号法を用いる。ここでは、畳み込み復号器からの外部値が、事後確率（ＡＰＰ：posteriori probability）空間−時間デコーダに戻される。ビット誤り率は、スクランブリングが使用されない場合３０２に比べて、スクランブリングが使用される場合３０１の方が低くなることが見られよう。

上述した実施例の変形は、本発明の範囲内に入っていることが認められよう。例えば、チャネルスクランブラは、２つの送信アンテナと２つの受信アンテナとを持つシステムに関して記載されたが、任意の数のアンテナ及びチャネルタップを持つシステムへ適用されるであろう。同様に、チャンネルスクランブラは、広帯域又は狭帯域に関わらず、複数のアンテナを持つ任意のアプリケーションに使用されうる。

図１は、知られているＭＩＭＯ空間−時間符号化通信システムを示す。 図２は、チャネルスクランブラを含むＭＩＭＯ通信システムを示す。 図３は、チャネルスクランブル処理を組み込んだシステムのシミュレーションの結果を示す。

Claims (19)

1. 複数の送信アンテナを用いる送信機に使用されるチャネルスクランブラであって、
   信号を入力するための少なくとも２つの信号入力と、
   時間に伴う変化を各信号に適用し、スクランブルされた信号を生成するプロセッサと、
   スクランブルされた各信号をアンテナに出力する出力ステージとを備える。
2. 請求項１に記載のチャネルスクランブラにおいて、前記プロセッサは、時間変化するスクランブリング行列を各信号に適用することによって時間変化が各信号に適用されるように配置されている。
3. 請求項２に記載のチャネルスクランブラにおいて、前記スクランブリング行列は、各入力信号のチャネルブロックの長さにわたって時間と共に変化する。
4. 請求項２又は３に記載のチャネルスクランブラにおいて、前記スクランブリング行列は、１つのシンボル期間に対して固定式であり、次に続く各シンボル期間に対して変化する。
5. 請求項４に記載のチャネルスクランブラにおいて、前記スクランブリング行列は、回転行列である。
6. 請求項５に記載のチャネルスクランブラにおいて、前記スクランブリング行列はＱ_ｋ＝Ｐ^ｋの形態をとり、Ｐは回転行列、ｋはシンボル期間を示す時間のインデックスである。
7. 請求項６に記載のチャネルスクランブラにおいて、ｋは１から、ブロック内のシンボル間隔の数まで変化する。
8. 請求項６又は７に記載のチャネルスクランブラにおいて、Ｐはユニタリ行列である。
9. 請求項２又は３又は４に記載のチャネルスクランブラにおいて、前記スクランブリング行列は擬似ランダム行列である。
10. 請求項１乃至９のうち何れか１項のチャネルスクランブラと、前記スクランブルされた信号を送信する少なくとも２つの送信アンテナとを含む送信機。
11. 少なくとも１つの受信アンテナを持つ受信機と、複数の送信アンテナを持つ送信機とを適用した通信システムにおいてデータを符号化する方法であって、
    前記送信アンテナから送信する信号を準備することと、
    時間変化するチャネルスクランブリング行列を前記準備された信号に適用し、時間スクランブルされた信号を生成することと、
    前記スクランブルされた信号を前記送信アンテナから送信することとを備える。
12. 請求項１１に記載の方法において、前記スクランブリング行列は、各入力信号のチャネルブロックの長さにわたって時間と共に変化する。
13. 請求項１１又は１２に記載の方法において、前記スクランブリング行列は、１つのシンボル期間に対して固定式であり、次に続く各シンボル期間に対して変化する。
14. 請求項１３に記載の方法において、前記スクランブリング行列は回転行列である。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記スクランブリング行列はＱ_ｋ＝Ｐ^ｋの形態をとり、Ｐは回転行列、ｋはシンボル期間を示す時間のインデックスである。
16. 請求項１５に記載の方法において、ｋは１から、ブロック内のシンボル間隔の数まで変化する。
17. 請求項１５又は１６に記載の方法において、Ｐはユニタリ行列である。
18. 請求項１１又は１２又は１３に記載の方法において、前記スクランブリング行列は擬似ランダム行列である。
19. 請求項１１乃至１８のうち何れか１項に記載の方法において、前記スクランブルされた信号を送信することを更に備える。

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