JP2007282242A - Ｕｗｂパルス型マルチアンテナシステム用の時空間符号化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目標は、MIMOのようなシステムで知られている符号の符号化利得よりも大きい符号化利得を有する、UWBパルス信号を用いるMIMOシステム用の実数時空間符号を提案することである。さらに、本発明の目標は、各フレーム内で、アンテナ間でバランスのとれたエネルギー分布を有する時空間符号を提供することである。
【解決手段】本発明は、3つまたは4つの放射素子を含むUWB送信システム用の時空間符号化方法に関する。本発明はまた、この時空間符号化を使用するPPM変調コンステレーションまたはPPM-PAM複合変調コンステレーションに属する複数のデータシンボルを送信する方法にも関する。
【選択図】図4

Description

本発明は、超広帯域すなわちUWB電気通信の分野、および時空間符号化すなわちSTCを用いたマルチアンテナシステムの分野の両方に関する。

ワイヤレスマルチアンテナ電気通信システムは、先行技術でよく知られている。これらのシステムは、送信および/または受信に複数のアンテナを使用し、かつ使用される構成のタイプに従って、MIMO(多入力多出力)、MISO(多入力1出力)、またはSIMO(1入力多出力)と呼ばれる。以下では、同じMIMOという語を、上記のMIMOおよびMISOの代替形態を指すために使用する。送信および/または受信の際に空間ダイバーシティを使用することにより、これらのシステムが、従来のシングルアンテナシステム(すなわちSISO(Single Input Single Output))よりも明らかに優れたチャネル容量をもたらすことが可能になる。この空間ダイバーシティは一般に、時空間符号化による時間ダイバーシティによって補完される。そのような符号化では、複数のアンテナ上で、かつ複数の送信時間で送信されるべきデータシンボルが符号化される。時空間符号化を用いる主要な2つのカテゴリのMIMOシステム、つまり、時空間トレリス符号化システムすなわちSTTC、および時空間ブロック符号化システムすなわちSTBCが知られている。トレリス符号化システムでは、時空間符号器は、現在の状態および符号化されるべきデータシンボルに従って、P個の送信シンボルをP本のアンテナに提供する有限状態機械とみなすことができる。受信後の復号化は、多次元ビタビアルゴリズムによって行われるが、そのアルゴリズムの複雑さは、状態数に従って指数関数的に増大する。ブロック符号化システムでは、送信されるべきデータシンボルのブロックが、送信シンボルの行列に符号化され、その行列の一方の次元はアンテナ数に対応し、他方の次元は連続する送信時間に対応する。

図1は、STBC符号化を用いたMIMO送信システム100を図式的に示す。データシンボルブロックS=(a₁,...,a_b)、たとえば、bビットの、より一般にはb個のM-aryシンボルの2進ワードが、以下の時空間行列に符号化される。

ただし、符号の係数c_t,p、t=1,...,T、p=1,...,Pは、通例として、データシンボルに依存する複素係数であり、Pは送信の際に使用されるアンテナ数であり、Tは符号の時間拡張、すなわち、チャネルの使用またはPCU(Per Channel Use)の回数を示す整数である。

データシンボルのすべてのベクトルSについて時空間符号語Cをマップする関数fは、符号化関数と呼ばれる。関数fが線形の場合、時空間符号は線形であるという。係数c_t,pが実数の場合、時空間符号は実数であるという。
図1では、参照番号110は、時空間符号を示す。チャネルtを使用するたびに、符号器は、マルチプレクサ120に行列Cのt番目の行ベクトルを提供する。マルチプレクサは、変調器130₁,...,130_Pに、行ベクトルの係数を送出し、変調信号は、アンテナ140₁,...,140_Pによって送信される。

時空間符号は、そのレートを、すなわち1チャネル使用ごとに(PCU)送信するデータシンボル数を特徴とする。その符号は、シングルアンテナ使用(SISO)の相対レートよりもP倍高い場合、フルレートであるという。
また、時空間符号は、そのダイバーシティも特徴とし、それは、行列Cの階数として定義することができる。2つのベクトルS₁およびS₂に対応するどの2つの符号語C₁およびC₂についても、行列C₁-C₂が最大階数である場合は、最大のダイバーシティが存在することになる。

最後に、時空間符号は、その符号化利得を特徴とし、それは、異なる符号語間の最小距離を意味する。時空間符号は、以下のように定義することができる。

あるいは、線形符号では等価的に、以下のようになる。

ただし、det(C)は、Cの行列式を意味し、C^Hは、Cの共役転置行列である。データシンボル送信エネルギーのために、符号化利得は制限される。時空間符号は、その符号化利得が高いほど、フェージングへの耐性が増すことになる。

通例として、符号化利得は設定されないが、データ変調の次数とともに減少し、スペクトル効率はその次数に依存する。場合によっては、スペクトル効率が高まると、符号化利得は、ゼロになるのではなく、非ゼロの漸近値になる傾向がある。そのような符号は、非ゼロの行列式をもつという。
最後に、このシステムによって送信される平均エネルギーは、アンテナと送信時間の間で一様に分布するようにする。

完全符号とは、最大のダイバーシティをもち、非ゼロの行列式を用い、エネルギーが前述のように分布する、フルレート符号である。
2、3、4、または6本の送信アンテナを用いるMIMOシステム用の完全時空間符号の例が、IEEE Transactions on Information Theoryでの発表のために提出され、ウェブサイトwww.comelec.enst.fr/~belfioreで入手可能な、「Perfect space-time block codes」と題する、Frederique Oggier等の論文で提案された。
したがって、3本の送信アンテナを用いるMIMOシステム用の完全時空間符号が、以下の行列によって提供される。

ここで、

ただし、a_i、i=1,...,9は、データシンボルである。
任意の数の送信アンテナのための、完全時空間符号の代替形態が、2005年12月6日にIEEE Transactions on Information Theoryで公開された、「Perfect space-time codes with minimum and non-minimum delay for any number of antennas」と題する、Petros Eliaの論文で提案されている。

別の電気通信分野が現在、大きな研究対象である。それは、特に今後のワイヤレスパーソナルネットワーク(WPAN)の開発にとって期待される、UWB電気通信システムに関するものである。これらのシステムは、超広帯域信号を用いてベースバンド上で直接動作するという特徴を有する。一般に、UWB信号は、2002年2月14日のFCCの規制で規定され、2005年3月に改訂されたスペクトルマスクに準拠する信号であり、すなわち基本的には、スペクトル帯域3.1〜10.6GHz内の、-10dBに対して少なくとも500MHzの帯域幅を有する信号である。実際には、2つのタイプのUWB信号、すなわち、マルチバンドOFDM信号(MB-OFDM)およびUWBパルス型信号が存在する。以下では、後者についてのみ論じる。

UWBパルス信号は、フレーム内に分布した、一般に数100ピコ秒程度の、非常に短いパルスによって形成される。多重アクセス干渉(MAI(Multiple Access Interference))を低減するために、各ユーザに異なる時間ホッピング符号(TH(Time Hopping))が割り当てられる。ユーザkに対して生成された、またはユーザkに向けた信号はその場合、以下の形で書くことができる。

ただし、wは基本パルスの形、T_Cはチップ持続時間、T_Sは基本区間の持続時間、ここで、N_S=N_CT_C、ただし、N_Cは区間内のチップ数であり、かつフレーム全体は持続時間T_f=N_ST_Sを有し、ただし、N_Sはフレーム内の区間数である。基本パルスの持続時間は、チップ持続時間未満、すなわち、T_w≦T_Cとなるように選ばれる。シーケンスc_k(n)、n=0,...,N_S-1は、ユーザkの時間ホッピング符号を定義する。時間ホッピングシーケンスは、異なるユーザの時間ホッピングシーケンスに属するパルス間の衝突数を、最小化するように選ばれる。

図2Aは、ユーザkに関連するTH-UWB信号を示す。ユーザkから来る、またはユーザk向けの所与のデータシンボルを送信するために、TH-UWB信号は一般に、位置変調(PPM(Pulse Position Modulation))を使用して変調され、すなわち、以下の変調信号が得られる。

ただし、εは、チップ持続時間T_Cよりもかなり短い変調遅延(ディザ)であり、d_k∈{0,...,M-1}は、そのシンボルのM-ary PPM位置である。

あるいは、データシンボルは、振幅変調(PAM)を用いて送信することもできる。この場合には、変調信号は以下のように書くことができる。

ただし、a^(k)=2m'-1-M'、ここで、m'=1,...,M'、は、PAM変調のM'-aryシンボルである。たとえば、BPSK変調(M'=2)を使用することが可能である。

PPMおよびPAM変調はまた、組み合わせて複合M.M'-ary変調にすることもできる。その変調信号はその場合、以下の一般形を有する。

この変調のアルファベットは、基数M.M'であり、図3に示されている。M個の時間位置のそれぞれに対して、M'個の変調振幅があり得る。アルファベットのシンボル(d,a)は、シーケンスa_m、m=0,...,M-1、ここで、a_m=δ(m-d)a、で表すことができ、ただし、dはPPM変調の位置であり、aはPAM変調の振幅であり、δ(.)はディラック分布である。

時間ホッピング符号を用いて互いに異なるユーザを分離する代わりに、直交符号、たとえばDS-CDMAなどでのアダマール符号によって、それらを分離することも可能である。次に、DS-UWB(直接拡散UWB)について論じる。この場合には、(5)に対応する非変調信号の表現について、次式を有する。

ただし、

は、ユーザkの拡散シーケンスである。式(9)は、典型的なDS-CDMA信号の表現に類似していることに留意されたい。しかし、チップがフレーム全体を占有せずに、期間T_S内に分布することにより、それとは異なる。図2Bは、ユーザkに関連するDS-UWB信号を示す。

上記のように、データシンボルは、PPM変調、PAM変調、または複合PPM-PAM変調を用いて送信することができる。TH-UWB信号(7)に対応するDS-UWB振幅変調信号は、以下の同じ表記法を使用して、表現することができる。

最後に、多重アクセスを互いに異なるユーザに提供するために、時間ホッピング符号とスペクトル拡散符号を組み合わせることが知られている。したがって、以下の一般形をもつUWBパルス信号TH-DS-UWBを得る。

図2Cは、ユーザkに関連するTH-DS-UWB信号を示す。この信号は、複合M.M'-ary PPM-PAM変調によって変調することができる。その場合、以下の変調信号を得る。

先行技術から、MIMOシステムにおいてUWB信号を使用することが知られている。この場合には、各アンテナは、データシンボルまたはそのようなシンボルのブロック(STBC)に従って変調されたUWB信号を送信する。

狭帯域信号またはDS-CDMA用に最初に開発された時空間符号化技法は、UWBパルス信号に適用するのが困難である。実際、前述の完全符号など、既知の時空間符号は一般に、複素係数を用い、したがって、位相情報を有する。しかし、UWBパルス信号の帯域ほど広い帯域をもつ信号中の、この位相情報を復元するのは極めて困難である。パルスの非常に狭い時間をサポートすることは、位置変調(PPM)または振幅変調(PAM)にはるかに適している。

UWB信号の時空間符号化が、IEEE Transactions on Communications、2005年9月、での発表のために提出され、www.tsi.enst.frで入手可能な、「Space-Time coding for multiuser Ultra-Wideband communications」と題するChadi Abou-Rjeily等の論文で提案された。

前述の制約によれば、提案の時空間符号化は、実数をとる。したがって、送信において3本のアンテナを用いる構成では、以下のように書くことができる。

ここで、

、ただし、値θ₀,θ₁,θ₂は、あらかじめ定義されており、かつS=(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉)は、データシンボルベクトルPAM、すなわちa_i∈{-M'+1,...,M'-1}である。

この同じ論文は、この時空間符号を、PPM-PAMアルファベットに属するデータシンボルのブロックの符号化に一般化することを提案している。3アンテナ送信構成では、この符号は、以下のサイズ3M×3の行列によって表現することができる。

各データシンボルa_i=(a_i,0,...,a_i,M-1)はこの場合、a_i,m=a_iδ(m-d_i)を用いるPPM-PAMアルファベットの要素を表すベクトルであり、ただし、a_iは、PAMアルファベットの要素で、d_iは、PPMアルファベットの要素である。符号Cによって符号化されるデータシンボルのブロックはまさしく、S=(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉)である。

より具体的には、データシンボルSのブロックは、以下に示す表現によるUWB信号の生成に取って代わられる。表記を簡単にするために、シングルユーザ使用(したがって、kによる添え字なし、拡散シーケンスなし)について検討する。
アンテナ1は、第1のフレームT_fの持続時間だけ、以下の信号を送信する。

その信号は、符号(14)の最初のM行の第1の列ベクトルに対応する。
アンテナ2は同時に、第1のフレームT_fの持続時間だけ、以下の信号を送信する。

その信号は、その符号の最初のM行の第2の列ベクトルに対応する。
最後に、アンテナ3は同時に、第1のフレームT_fの持続時間だけ、以下の信号を送信する。

その信号は、その符号の最初のM行の第3の列ベクトルに対応する。
次に、アンテナ1は、第2のフレームの持続時間だけ、そのフレームの先頭を再び時間起点として、送信する。

その信号は、その符号の第2のM行の第1の列ベクトルに対応する。
アンテナ2は同時に、第2のフレームの持続時間だけ、以下の信号を送信する。

その信号は、その符号の第2のM行の第2の列ベクトルに対応する。
最後に、アンテナ3は同時に、第2のフレームの持続時間だけ、以下の信号を送信する。

その信号は、その符号の第2のM行の第3の列ベクトルに対応する。
同様に、第3のフレームの持続時間については、3本のアンテナによって送信される信号は、それぞれ以下によって与えられる。

それぞれ、その符号の最後のM行の第1、第2、および第3の列ベクトルに対応する。

上記で定義された時空間符号は、ダイバーシティに関して非常に良好な性能を有する。しかし、その符号化利得は、(4)で定義された完全符号の符号化利得よりも低い。さらに、行列(14)中に現れるスカラー項

は、各フレーム内で、アンテナ間のエネルギーの不均衡を生み出す。
Frederique Oggier等、「Perfect space-time block codes」、IEEE Transactions on Information Theory Petros Elia、「Perfect space-time codes with minimum and non-minimum delay for any number of antennas」、IEEE Transactions on Information Theory、2005年12月6日 Chadi Abou-Rjeily等、「Space-Time coding for multiuser Ultra-Wideband communications」、IEEE Transactions on Communications、2005年9月

本発明の目標は、MIMOのようなシステムで知られている符号、特に(14)で定義される符号の符号化利得よりも大きい符号化利得を有する、UWBパルス信号を用いるMIMOシステム用の実数時空間符号を提案することである。さらに、本発明の目標は、各フレーム内で、アンテナ間でバランスのとれたエネルギー分布を有する時空間符号を提供することである。

本発明は、3つの放射素子を含むUWBシステム用の時空間符号化方法であって、3つの、または5つ以上の複数の時間位置を有する、PPM変調コンステレーションまたはPPM-PAM複合変調コンステレーションに属する9つのデータシンボルのブロック(S=(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉))が、9つのベクトル

に符号化され、ベクトルの成分は、前記システムの放射素子に対する、かつ所与の送信区間(T_f)に対するUWBパルス信号を変調するものであり、各ベクトルは、前記データシンボルのうちの3つの別個の線形結合から得られ、成分の置換は、前記UWBパルス信号を変調する前に、前記ベクトル

のサブセットに適用される時空間符号化方法で定義される。

本発明はまた、上記の方法を実施するための時空間符号化装置にも関する。その装置は、3つの基本モジュールであって、各モジュールは、3つのデータシンボルを受け取るのに適しており、各データシンボル(a_i)は、M=3またはM≧5であるM個の成分から構成され、各成分は、M'≧1であるM'個の値をとることができ、各基本モジュールは、少なくとも1つの線形結合モジュールを含み、各線形結合モジュールは、3つの中間ベクトルの同じ階数の3つのそれぞれの成分を生成するように、前記3つのシンボルの同じ階数の成分の、3つの別個の線形結合を行うのに適している基本モジュールと、複数の置換モジュールであって、各置換モジュールは、前記中間ベクトルの成分に対する置換を行うのに適している置換モジュールと、前記9つのベクトルを一群の3×3の連続する時間で提供するために、前記中間ベクトルの成分または置換モジュールによって置換されるこれらのベクトルの成分を受け取る逆多重化手段とを含む。

本発明はまた、4つの放射素子を含むUWB送信システム用の時空間符号化方法であって、3つの、5つの、または7つ以上の複数の時間位置を有する、PPM変調コンステレーションまたはPPM-PAM複合変調コンステレーションに属する16個のデータシンボルのブロック(S=(a₁,...,a₁₆))が、16個のベクトル

に符号化され、ベクトルの成分は、前記システムの放射素子に対する、かつ所与の送信区間(T_f)に対するUWBパルス信号を変調するものであり、各ベクトルは、前記データシンボルのうちの4つの別個の線形結合から得られ、成分の置換は、前記UWBパルス信号を変調する前に、前記ベクトル

のサブセットに適用される時空間符号化方法で定義される。

本発明は最後に、前述の方法を実施するための時空間符号化装置に関する。その装置は、4つの基本モジュールであって、各基本モジュールは、4つのデータシンボルを受け取るのに適しており、各データシンボル(a_i)は、M=3またはM=5またはM≧7であるM個の成分から構成され、各成分は、M'≧1であるM'個の値をとることができ、各基本モジュールは、少なくとも1つの線形結合モジュールを含み、各線形結合モジュールは、4つの中間ベクトルの同じ階数の4つのそれぞれの成分を生成するように、前記4つのシンボルの同じ階数の成分の、4つの別個の線形結合を行うのに適している基本モジュールと、複数の置換モジュールであって、各置換モジュールは、前記中間ベクトルの成分に対する置換を行うのに適している置換モジュールと、前記9つのベクトルを一群の4×4の連続する時間で提供するために、前記中間ベクトルの成分または前記置換モジュールによって置換されるこれらのベクトルの成分を受け取る逆多重化手段とを含む。

他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の説明を読めば、明らかになるであろう。

本発明の基本的概念は、前述のようにUWBパルス信号の使用と非互換である複素数値が、完全符号(4)中に現れることなく、かつ、スカラー値

が、アンテナ間のエネルギーのアンバランスな分布の起源となる符号(13)および(14)中に現れることなく、時空間符号を作成することである。

提案される時空間符号は、UWBパルス信号を使用する3本または4本の送信アンテナを用いるMIMOシステムに適用され、そこではデータシンボルは、PPM変調の基数Mに対するいくつかの制限を伴うPPM-PAM変調を使用して変調される。このタイプの変調は特に、同じ制限の条件では、PPM変調だけを含むことが、当業者には明らかである。3本の送信アンテナを用いるケースおよび4本の送信アンテナを用いるケースについて検討する。
3アンテナシステムでは、提案される符号は、以下のサイズ3M×3の行列によって示すことができる。

ここで、表現(13)の場合と同じ表記法規約を用いている。ベクトルa_i=(a_i,0,...,a_i,M-1)、i=1,...,9は、データシンボルであり、Ωは、サイズM×Mの置換行列である。たとえば、Ωは、以下の単純な循環シフトである。

ただし、I_M-1×M-1は、サイズM-1の単位行列であり、0_1×M-1は、サイズM-1のゼロ行ベクトルであり、0_M-1×1は、サイズM-1のゼロ列ベクトルである。

上記で認められるように、行列Cは、実数であり、アンテナによる非対称の重みは有さない。たとえば、(25)で与えられるΩの表現について、以下のように、より明示的に書くことができる。

(26)により、行列Ωによる乗算の影響は、第2のM行および最後のM行の第1の列ベクトルに対する置換、ならびに行列Cの最後のM行の第2の列ベクトルに対する置換を含むことがわかっている。第1のフレーム(Cの最初のM行)中、PPM位置の時系列順は、3本のアンテナについて同一であり、一方、第2のフレーム(Cの第2のM行)および第3のフレーム(Cの最後のM行)では、シンボルa₇,a₈,a₉に対するPPM位置、およびシンボルa₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉に対するPPM位置は、シンボルa₁,a₂,a₃のPPM位置に関する置換が行われる。上記の例では、置換は、単純な循環シフトである。言い換えれば、この特定のケースでは、第2のフレーム中では、シンボルa₇,a₈,a₉のPPM-PAMコンステレーションが、及び第3のフレーム中では、(図3に示されているように)シンボルa₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉のPPM-PAMコンステレーションが、右に1桁の循環回転を受けるかのように、すべてが行われる。

一般に、行列Ωは、M次の置換行列である。3つの連続するフレーム中で3本のアンテナによって生成されるUWB信号を与える表現(15)〜(23)は次に、正規化因子1/7に関係なく、次の表現(27)〜(35)で置き換えられる。
第1のフレームは以下のようになる。

第2のフレームは以下のようになる。

第3のフレームは以下のようになる。

ただし、σは、セット{0,1,...,M-1}の置換である。

提案される符号の行列Ωはやはり、その要素のうちのいずれかまたは2つ以上の要素の正負符号の変更に関連する(循環または非循環)置換行列とすることができる。(25)で与えられる例の場合には、行列

ここで、χ_i=±1、はまた、本発明による符号Cにおいて使用することもできる。正負符号反転に関連する置換は、PPM-PAMコンステレーション(図3参照)において、PPM位置の混合を実行することに等しく、この反転に関する位置に対するPAMコンステレーションのゼロ振幅軸に関する対称が成し遂げられることに留意されたい。

さらに、時空間符号の行列(24)の行および/または列のどんな置換も、送信区間および/またはアンテナに対する単純な置換を実行することに等しく、またその結果、本発明の意味での時空間符号が得られる。
さらに、想定される符号の形に関わらず、シンボルa_iの添え字に対するどんな置換も、やはり本発明の意味での時空間符号であることに留意することも重要である。そのような置換は、ブロックS中の単純な時間再構成と等価であるからである。
行列(24)の係数u,v,wは、

で定義された。しかし、これらの係数に比例する値は、符号の性能が同一となる。符号化利得を損なうという犠牲を払って、この比例制約から逃れることが可能である。しかし、重要なことに、係数u,v,w間の比は非有理数であり、すなわち、u,v,w∈R-Qである。比例から±10%逸脱した場合でも、言い換えれば、

、ここで、

、の場合でも、時空間符号の性能は著しく損なわれないことを示すことが可能であった。この許容範囲により特に、たとえば8ビットバイトの量子化係数を扱うことが可能になる。

想定される符号の形に関わらず、その符号は実数である。その符号によりまた、3つのチャネル使用で3本のアンテナを介して9つのデータシンボルを送信することも可能になり、したがって、その符号はフルレートである。その符号はまた、M=3またはM≧5かつ∀M'≧1の場合に最大ダイバーシティを有することを示すこともできる。最後に、その符号化利得は、表現(13)および(14)で定義される符号の利得よりも高い。

図4は、本発明による時空間符号化を使用する送信システムの一例を示す。
システム400は、ブロックS=(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉)でデータシンボルを受け取る。ただし、a_iは、PPM-PAMコンステレーションのシンボルである。あるいは、データシンボルは、まずPPM-PAMコンステレーションにおいてマッピングが行われるという条件で、別のM.M'-aryコンステレーションから来てもよい。もちろん、データシンボルは、情報源符号化、畳込みタイプ通信路符号化、ブロックでの、または直列もしくは並列でのターボ符号化、およびインターリービングなど、当業者によく知られた1つまたは複数の演算から得てもよい。

データシンボルブロックは、時空間符号器410中で符号化演算が行われる。より具体的には、モジュール410は、(24)による、または前述の代替形態による行列Cの係数を計算する。第1のフレームに対して、Cの最初のM行から構成される3つの列ベクトル

が、次に第2のフレームに対して、Cの次のM行から構成される3つの列ベクトル

が、最後に第3のフレームに対して、Cの最後のM行から構成される3つの列ベクトル

が、それぞれUWB変調器420、425、427に送信される。上の添え字はこの場合、フレームを示し、下の添え字は、放射素子430、435、または437を表す。UWB変調器420は、ベクトル

に基づいて、対応する変調UWBパルス信号を生成する。同様に、UWB変調器425および427はそれぞれ、ベクトル

および

に基づいて、対応する変調UWBパルス信号を生成する。

たとえば、図に示されている時空間符号化行列(24)を使用する場合、UWB変調器420は、連続して信号(27)、(30)、および(33)を提供し、一方、UWB変調器425は、連続して信号(28)、(31)、および(34)を提供し、UWB変調器427は、連続して信号(29)、(32)、および(35)を提供する。一般に、変調をサポートするために使用されるUWBパルス信号は、TH-UWB、DS-UWB、またはTH-DS-UWBタイプとすることができる。こうして変調されたUWBパルス信号は次に、放射素子430、435、および437に送出される。これらの放射素子は、たとえば、電気光学変調器に関連する、赤外領域で動作する、UWBアンテナまたはレーザダイオードまたはLEDとすることができる。提案される送信システムはその場合、ワイヤレス光電気通信の分野で使用することができる。

図5は、図4の時空間符号器410の有利な一実施形態を示す。その符号器は、3つの入力および3つの出力をもつ基本モジュール510、515、517、置換モジュール520、ならびに9つの入力および3つの出力をもつデマルチプレクサ530を使用する。各基本モジュール510、515、517は、図6に示されている構造を有する。この基本モジュールは、3つのシリアルパラレル変換器610、3つのパラレルシリアル変換器630、およびM個の線形結合モジュール620を含む。一実施形態によれば、これらのモジュール620はそれぞれ、以下の線形演算を行う。
X=ux+vy+wz
Y=wx+uy+vz ・・・(37)
Z=vx+wy+uz
ただし、それらの値はすべて、スカラーであり、x,y,zは、入力値であり、X,Y,Zは、出力値である。

モジュール620は、ワイヤード乗算器および加算器から構成することができ、あるいはマイクロシーケンス演算を用いて作り出すこともできる。
シリアルパラレル変換器610は、一連のM個の連続するPAMシンボルを、サイズMのベクトルに変換する。逆に、パラレルシリアル変換器630は、サイズMのベクトル(PPM-PAMシンボル)を、一連のM個の連続するPAMシンボルに変換する。

図5の置換モジュール520は、図7に示されている構造を有する。各置換モジュールは、入力および出力を有する。シリアルパラレル変換器は、一連のM個のPAM入力シンボルを、PPM-PAMシンボルを表す、M個のシンボルから構成されるワードに変換する。逆に、出力では、モジュール720中でワードのシンボルが置換された後、パラレルシリアル変換器は、そのワードを、一連のM個の連続するPAMシンボルに変換する。

図5のデマルチプレクサ530は、基本モジュール510、515、517から来る時空間符号のPPM-PAMシンボル(より具体的には、対応するPAMシンボル)を、場合によってはモジュール520中での置換後に、受け取り(したがって、置換後にシンボル

が得られる)、それらを必要な送信時間においてUWB変調器に送出する。これを行うために、デマルチプレクサ530は、第2および第3のフレーム中で送信されるべきシンボルの成分を遅延させるために、FIFOバッファを含むことができる。

行列Ω中に正負符号反転が存在する場合、それらは、当該成分に関して、モジュール515および517中で係数u,v,wの正負符号を変更することによって考慮に入れることができる。より具体的には、正負符号の変更は、モジュール515および517の線形結合モジュール620中で行われることになる。

図5〜7に示されている実施形態は、異なるモジュール間の、特にモジュール515、517、および520間ならびにモジュール520および530間の、PPM-PAMシンボルの成分のシリアライゼーションを使用する。しかし、所望の並列度に従って、多くのアーキテクチャの実施形態を想定することができることが、当業者には明らかである。たとえば、異なるモジュール間の交換は、シンボル単位で行うことができ、その場合、シリアルパラレルおよびパラレルシリアル変換器は、すべてまたは一部を抑制することができる。また、入力を多重化し、成分のレートの3倍のレートで出力を逆多重化することによって、基本モジュール中で単一の線形結合モジュール620を使用することも可能である。

4本の送信アンテナを用いるMIMOシステムでの時空間符号化の場合について、以下で検討する。提案される時空間符号は、以下のサイズ4M×4の行列で定義される。

ここで、

、であり、その添え字は、送信フレームを示す。ベクトルa_i=(a_i,0,...,a_i,M-1)、i=1,...,16は、データシンボルであり、SおよびΩは、サイズM×Mの置換行列である。

上記の3本の送信アンテナを用いる時空間符号について検討された代替形態が、すなわち行列Ω中の係数の正負符号反転、C中の行および列の置換、ならびにデータシンボル添え字a_iの置換が適用される。さらに、上記の値u_q,v_q,w_q,t_qに比例する係数、または符号性能の実質的な損傷のない±10%の誤差をもつこれらの値にほぼ比例する係数を選択することも可能である。

検討された符号の形に関わらず、その符号は実数である。その符号によりまた、16個のデータシンボルが、4つのチャネル使用で4本のアンテナを介して送信されることも可能になり、したがって、その符号はフルレートである。その符号はまた、M=3、M=5、またはM≧7かつ∀M'≧1の場合に最大ダイバーシティを有することを示すこともできる。最後に、その符号化利得は、先行技術で知られている符号化利得よりも高い。

図8は、本発明による4本のアンテナを用いた時空間符号化を使用する送信システムの一例を示す。
システム800は、16個のシンボルからなるブロックSで、データシンボルを受け取る。データシンボルブロックは、時空間符号器810中で符号化演算が行われる。より具体的には、モジュール810は、(38)による、または上記で検討された代替形態による行列Cの係数を計算する。第1のフレームに対して、Cの最初のM行から構成される4つの列ベクトル

が、次に第2のフレームに対して、Cの次のM行から構成される4つの列ベクトル

が、次に第3のフレームに対して、Cの次のM行から構成される4つの列ベクトル

が、最後に第4のフレームに対して、Cの最後のM行から構成される4つの列ベクトル

が、それぞれUWB変調器820、823、825、827に送信される。上の添え字はこの場合、フレームを示し、下の添え字は、放射素子830、833、835、または837を表す。

UWB変調器820は、ベクトル

に基づいて、対応する変調UWBパルス信号を生成する。同様に、UWB変調器823、825、および827はそれぞれ、ベクトル

、および

に基づいて、対応する変調UWBパルス信号を生成する。変調をサポートするために使用されるUWBパルス信号はまた、TH-UWB、DS-UWB、またはTH-DS-UWBタイプとすることもできる。こうして変調されたUWBパルス信号は次に、放射素子830、833、835、および837に送出される。

図9は、図8の時空間符号器810の有利な一実施形態を示す。その符号器は、4つの入力および4つの出力をもつ基本モジュール910、913、915、917、置換モジュール920、ならびに16個の入力および4つの出力をもつデマルチプレクサ930を使用する。各基本モジュール910、913、915、917は、図10に示されている構造を有する。この基本モジュールは、4つのシリアルパラレル変換器1010、4つのパラレルシリアル変換器1030、およびM個の線形結合モジュール1020を含む。一実施形態によれば、これらのモジュール1020はそれぞれ、以下の線形演算を行う。
A=u₀a+v₀b+w₀c+t₀d
B=u₁a+v₁b+w₁c+t₁d
C=u₂a+v₂b+w₂c+t₂d ・・・(39)
D=u₃a+v₃b+w₃c+t₃d
ただし、それらの値はすべてスカラーであり、a,b,c,dは入力値であり、A,B,C,Dは出力値である。

上記のように、モジュール1020は、ワイヤード乗算器および加算器から構成することができ、あるいはマイクロシーケンス演算を用いて作り出すこともできる。
シリアルパラレル変換器1010は、一連のM個の連続するPAMシンボルを、サイズMのベクトルに変換する。逆に、パラレルシリアル変換器1030は、サイズMのベクトル(PPM-PAMシンボル)を、一連のM個の連続するPAMシンボルに変換する。
図9の置換モジュール920は、図5に示されている構造を有し、したがって、さらに詳しくは説明しない。

図9のデマルチプレクサ930は、基本モジュール910、913、915、917から来る時空間符号のPPM-PAMシンボル(より具体的には、対応するPAMシンボル)を、場合によってはモジュール920での置換後に、受け取り(シンボル

を得る)、それらを必要な送信時間においてUWB変調器に送出する。これを行うために、デマルチプレクサ930は、第2、第3、および第4のフレーム中で送信されるべきシンボルの成分を遅延させるために、FIFOバッファを含むことができる。

行列Ω中に正負符号反転が存在する場合、それらは、当該成分に関して、モジュール913、915、および917中で係数u_k,v_k,w_k,t_kの正負符号を変更することによって考慮することができる。より具体的には、正負符号の変更は、後者の線形結合モジュール1020中で行われることになる。
もちろん、この場合にも、所望の並列度に応じて、シリアルパラレルおよびパラレルシリアル変換器は、すべてまたは一部を抑制することができる。また、入力での成分の多重化および1020の出力での逆多重化を、前記成分のレートの4倍のレートで行うことによって、各基本モジュールごとに単一の線形結合モジュールを使用することも可能である。

図4または図8に示されているシステムによって送信されるUWB信号は、マルチアンテナ受信機によって従来方式で処理することができる。受信機は、たとえば当業者に知られている球内復号器を使用する、レイク相関段階と、それに続く決定段階を、たとえば含むことができる。

先行技術より知られているSTBC符号化を用いるMIMO送信システムを示す図である。 TH-UWB信号の形を示す図である。 DS-UWB信号の形を示す図である。 TH-DS-UWB信号の形を示す図である。 PPM-PAM変調コンステレーションの一例を示す図である。 本発明による第1の時空間符号化を使用するMIMO送信システムを示す図である。 本発明の一実施形態による第1の時空間符号器の構造を示す図である。 図5の時空間符号器を作り出すのに有用な基本モジュールの構造を示す図である。 図5の時空間符号器を作り出すのに有用な置換モジュールの構造を示す図である。 本発明による第2の時空間符号化を使用するMIMO送信システムを示す図である。 本発明の一実施形態による第2の時空間符号器の構造を示す図である。 図9の時空間符号器を作り出すのに有用な基本モジュールの構造を示す図である。

符号の説明

100 MIMO送信システム
110 時空間符号
120 マルチプレクサ
130₁、130_P 変調器
140₁、140_P アンテナ
400 システム
410 時空間符号器
420、425、427 UWB変調器
430、435、437 放射素子
510、515、517 基本モジュール
520 置換モジュール
530 デマルチプレクサ
610 シリアルパラレル変換器
620 線形結合モジュール
630 パラレルシリアル変換器
710 シリアルパラレル変換手段
720 モジュール
730 パラレルシリアル変換手段
800 システム
810 時空間符号器
820、823、825、827 UWB変調器
830、833、835、837 放射素子
910、913、915、917 基本モジュール
920 置換モジュール
930 デマルチプレクサ
1010 シリアルパラレル変換器
1020 線形結合モジュール
1030 パラレルシリアル変換器

Claims (18)

1. 3つの放射素子を含むUWB送信システム用の時空間符号化方法であって、
   3つの、または5つ以上の複数の時間位置を有する、PPM変調コンステレーションまたはPPM-PAM複合変調コンステレーションに属する9つのデータシンボルのブロック(S=(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉))が、9つのベクトル
   

   

   に符号化され、
   ベクトルの成分は、前記システムの放射素子に対する、かつ所与の送信区間(T_f)に対するUWBパルス信号を変調するものであり、各ベクトルは、前記データシンボルのうちの3つの別個の線形結合から得られ、前記成分の置換は、前記UWBパルス信号を変調する前に、前記ベクトル
   

   

   のサブセットに適用されることを特徴とする時空間符号化方法。
2. 前記置換が行われた前記ベクトルが、前記UWBパルス信号を変調する前に、その成分のうちの1つまたは複数の正負符号反転が行われることを特徴とする請求項1に記載の時空間符号化方法。
3. 前記ベクトルが、サイズ3M×3の行列
   

   

   のM×1のブロック成分で定義され、隣り合う行および/または列の置換を伴い、
   a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉は、前記データシンボルであり、Mは、PPM変調の次数であり、Ωは、その係数(χ_i)のうちの1つまたは複数の正負符号反転が行われていることもあれば行われていないこともある前記ベクトルの成分のM×M置換行列であり、係数u,v,wは、それらのそれぞれの比が非有理数であるようなものであることを特徴とする請求項1に記載の時空間符号化方法。
4. 前記係数u,v,wが、それぞれの値
   

   

   、ただし、
   

   

   、の約±10%に比例することを特徴とする請求項3に記載の時空間符号化方法。
5. 3つの、または5つ以上の複数の時間位置を有する、PPM変調コンステレーションまたはPPM-PAM複合変調コンステレーションに属する複数のデータシンボルを送信する方法であって、
   前記データシンボルは、前記9つのベクトルに対する請求項1から4の一項に記載の時空間符号化によって符号化され、
   これらの9つのベクトルのそれぞれの成分は、9つの変調UWBパルス信号を得るためにUWBパルス信号を構成するパルスの位置、または位置および振幅、を変調し、前記9つの信号は、3つの連続する送信区間中で前記3つの放射素子によってそれぞれ送信されることを特徴とする方法。
6. 4つの放射素子を含むUWB送信システム用の時空間符号化方法であって、
   3つの、5つの、または7つ以上の複数の時間位置を有する、PPM変調コンステレーションまたはPPM-PAM複合変調コンステレーションに属する16個のデータシンボルのブロック(S=(a₁,...,a₁₆))が、16個のベクトル
   

   

   に符号化され、
   ベクトルの成分は、前記システムの放射素子に対する、かつ所与の送信区間(T_f)に対するUWBパルス信号を変調するものであり、各ベクトルは、前記データシンボルのうちの4つの別個の線形結合から得られ、前記成分の置換は、前記UWBパルス信号を変調する前に、前記ベクトル
   

   

   のサブセットに適用されることを特徴とする時空間符号化方法。
7. 前記置換が行われた前記ベクトルが、前記UWBパルス信号を変調する前に、前記成分のうちの1つまたは複数の反転が行われることを特徴とする請求項6に記載の時空間符号化方法。
8. 前記ベクトルが、サイズ4M×4の行列
   

   

   、ただし、
   

   

   、のM×1のブロック成分で定義され、隣り合う行および/または列の置換を伴い、
   a₁,...,a₁₆は、前記データシンボルであり、Mは、前記PPM変調の次数であり、Ωは、係数(χ_i)のうちの1つまたは複数の正負符号反転が行われていることもあれば行われていないこともある、前記ベクトルの成分のM×M置換行列であり、係数u_q,v_q,w_q,t_qは、それぞれの値
   

   

   、ここで、
   

   

   、の約±10%に比例することを特徴とする請求項6に記載の時空間符号化方法。
9. 3つの、5つの、または7つ以上の複数の時間位置を有する、PPM変調コンステレーションまたはPPM-PAM複合変調コンステレーションに属する複数のデータシンボルを送信する方法であって、
   前記データシンボルは、前記16個のベクトルを得るために請求項6から8の一項に記載の時空間符号化によって符号化され、
   これらの16個の各ベクトルの成分は、16個の変調UWBパルス信号を得るために、UWBパルス信号を構成するパルスの位置、または位置および振幅、を変調し、前記16個の信号は、4つの連続する送信区間中で前記4つの放射素子によってそれぞれ送信されることを特徴とする方法。
10. 前記放射素子が、UWBアンテナであることを特徴とする請求項5または9に記載の送信方法。
11. 前記放射素子が、レーザダイオードまたはエレクトロルミネセンスダイオードであることを特徴とする請求項5または9に記載の送信方法。
12. 前記パルス信号が、TH-UWB信号であることを特徴とする請求項5、9、10、または11の一項に記載の方法。
13. 前記パルス信号が、DS-UWB信号であることを特徴とする請求項5、9、10、または11の一項に記載の方法。
14. 前記パルス信号が、TH-DS-UWB信号であることを特徴とする請求項5、9、10、または11の一項に記載の方法。
15. 請求項1から4の一項に記載の方法を実施するための時空間符号化装置であって、
    3つの基本モジュール(510、515、517)であって、各モジュールは、3つのデータシンボルを受け取るのに適しており、各データシンボル(a_i)は、M=3またはM≧5であるM個の成分から構成され、各成分は、M'≧1であるM'個の値をとることができ、各基本モジュールは、少なくとも1つの線形結合モジュール(620)を含み、各線形結合モジュールは、3つの中間ベクトルの同じ階数の3つのそれぞれの成分を生成するように、前記3つのシンボルの同じ階数の成分の、3つの別個の線形結合を行うのに適している基本モジュールと、
    複数の置換モジュール(520)であって、各置換モジュールは、前記中間ベクトルの成分に対する置換を行うのに適している置換モジュールと、
    前記9つのベクトルを一群の3×3の連続する時間で提供するために、前記中間ベクトルの成分または前記置換モジュール(520)によって置換されるこれらのベクトルの成分を受け取る逆多重化手段(530)と
    を含むことを特徴とする時空間符号化装置。
16. 請求項5から9の一項に記載の方法を実施するための時空間符号化装置であって、
    4つの基本モジュール(910、913、915、917)であって、各基本モジュールは、4つのデータシンボルを受け取るのに適しており、各データシンボル(a_i)は、M=3またはM=5またはM≧7であるM個の成分から構成され、各成分は、M'≧1であるM'個の値をとることができ、各基本モジュールは、少なくとも1つの線形結合モジュール(1020)を含み、各線形結合モジュールは、4つの中間ベクトルの同じ階数の4つのそれぞれの成分を生成するように、前記4つのシンボルの同じ階数の成分の、4つの別個の線形結合を行うのに適している基本モジュールと、
    複数の置換モジュール(920)であって、各置換モジュールは、前記中間ベクトルの成分に対する置換を行うのに適している置換モジュールと、
    前記9つのベクトルを一群の4×4の連続する時間で提供するために、前記中間ベクトルの成分または前記置換モジュール(920)によって置換されるこれらのベクトルの成分を受け取る逆多重化手段(930)と
    を含むことを特徴とする時空間符号化装置。
17. 各基本モジュールおよび各置換モジュールが、入力において、一連のM個の成分を前記M個の成分から構成されるM個のシンボルのワードに変換するためのシリアルパラレル変換手段(610、710、1010)と、
    出力において、逆演算を行うためのパラレルシリアル変換手段(630、730、1030)と
    を備えることを特徴とする請求項15または16に記載の符号化装置。
18. 各置換モジュールが、
    少なくとも1つの中間ベクトルを記憶するためのバッファと、
    前記バッファの読取りおよび書込みアドレスを混合するための手段と
    を含むことを特徴とする請求項15または16に記載の符号化装置。

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