JP2007534184A - 多入力／多出力無線通信システムにおいてシンボルの入力ストリームを送信する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

データシンボルのストリームは、結合スイッチ・デマルチプレクサに提供される。結合スイッチ・デマルチプレクサは、Ｌ＜Ｍである場合、アンテナのＭ個のサブグループのうちのサブセットＬをアクティブとして選択する。そして、デマルチプレクサは、データストリームをＬ個のサブストリームに分割し、それらはアンテナのＬ個のサブグループに供給される。送信前、Ｌ個のサブストリームの各々は、サブストリームを送信するために使用される関連チャネルに対する所定の性能を達成しながら、最大データレートまで適応的に変調され且つ符号化される。各符号化サブストリームに時空間送信ダイバーシティ符号化が適用されることにより、Ｌ個のサブグループの各々の各アンテナに対して１つの、複数の出力ストリームが生成される。スイッチによる選択は、出力ストリームの受信機によってフィードバックされるチャネル状態に基づく。

Description

本発明は、包括的には無線通信に関し、特に、可変レート符号化及びサブグループ選択を伴う多入力／多出力無線通信システムに関する。

第３世代（３Ｇ）無線符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）システム等の無線通信システムでは、固定帯域幅チャネルで複数のユーザに対して複数のサービス及び複数のデータレートを同時にサポートすることが望まれる。複数の変調符号化方式（ＭＣＳ）が知られている。一方式では、適応変調符号化（ＡＭＣ）を使用して、送信の前にユーザデータシンボルを変調し符号化する。

フェージングチャネル環境において無線通信システムの容量を増大させるために、送信ダイバーシティが広く採用される。３Ｇシステムでは、開ループソリューションは、送信用の２つのアンテナと受信用の１つのアンテナとを使用する。こうしたシステムでは、送信データは２シンボル毎に時空間送信ダイバーシティ（ＳＴＴＤ）符号器によってさらに符号化されることにより、各アンテナに対して２つの、４つの符号化シンボルが生成される。各アンテナは、ダイバーシティ利得を達成するようにチャネルを通して異なるシンボルストリームを送信する。

固定チャネル帯域幅でリアルタイムマルチメディアサービスをサポートするために、ＷＣＤＭＡシステムにおける高速ダウンリンクパケットアクセス（ＨＳＤＰＡ）等、無線通信システムにおける高データレート送信のために、多入力／多出力（ＭＩＭＯ）システムが開発された。ＭＩＭＯシステムでは、システムの容量を増大させるために、送信機及び受信機によって複数のアンテナが使用される。

一般に、システム容量は、ダイバーシティの次元、すなわちアンテナの数が増大するに従って向上する。非常に高速な送信の場合、目標性能を達成するために多数のアンテナが必要な場合がある。この問題に対する１つの解決法は、現ＳＴＴＤシステムをＭＩＭＯ構成にまで拡張する、ということである。こうしたシステムでは、ＭＩＭＯ構成を使用することによりシステム容量が向上する一方で、音声サービス等の低データレート送信に対して現ＳＴＴＤシステムを使用するために、現ＳＴＴＤシステムとの互換性が残されている必要がある。

本発明は、多入力／多出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムのための送信機を提供する。本発明は、３ＧＰＰ規格に対するＷ−ＣＤＭＡシステム及び３ＧＰＰ２規格に対するＣＤＭＡ２０００システム等、３Ｇ無線通信システムにおいて広く採用される、時空間送信ダイバーシティ（ＳＴＴＤ）と互換性がある。

本発明は、アンテナシステムの各サブグループに対して適応変調符号化（ＡＭＣ）を適用することにより、異なるチャネル状態を必要なサービス性能に適合させ、最大システム容量を達成する。より詳細には、本発明は、既存のＳＴＴＤ方式との互換性を維持しながら、ＭＩＭＯシステムのための高データレート送信に適している。本発明を、高速データレート送信とともに、音声サービス等のより低速なレートの送信に使用して、１つのセル内のアクティブユーザの総数を増加させることができる。

好ましい実施形態では、チャネル状態に応じて、利用可能なアンテナサブグループのサブセットを選択し使用する。

図１は、本発明による多入力／多出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムのための送信機１００を示す。送信機１００は、複数（Ｍ）の適応変調符号（ＡＭＣ）ブロック１２０に結合されたデマルチプレクサ１１０を有する。各ＡＭＣブロックの出力は、時空間送信ダイバーシティ（ＳＴＴＤ）符号器１３０に結合される。ＳＴＴＤ符号器の出力は、Ｎ個のアンテナ１４０に結合され、各符号器はアンテナのサブグループ、たとえば２つから成るグループに結合される。

システム１００はまた、図示しない受信機からチャネル状態１６０を受け取るレート選択器１５０も有する。チャネル状態には、各送信チャネルの受信信号対雑音比（ＳＮＲ）が含まれてもよい。チャネル状態１６０を定期的に更新してもよく、又は必要に応じて更新してもよい。チャネル状態をレート選択１５０に使用することができる。

システム１００の動作中、データシンボルＸのストリーム１０１はまずＭ個のサブストリーム１１１に逆多重化１１０される。ここで、Ｍはアンテナ１４０の総数Ｎの半分である。Ｍ個のサブストリームは、Ｍ個のＡＭＣ１２０によってＭ個のデータレートで符号化される。

Ｍ個のデータレートは、図示しない受信機からのチャネル状態フィードバック１６０によって確定される。したがって、各ＡＭＣは、関連するチャネルに対する所定のサービス性能を達成するように、サブストリームを最大データレートで符号化する。本質的に、サービス性能は、誤り率の測度、たとえばビット誤り率（ＢＥＲ）、フレーム誤り率（ＦＥＲ）又はＳＮＲである。

ＡＭＣ１２０は、各サブストリームに対する情報レート及び容量を規定する、変調、たとえばＱＰＳＫ、８−ＰＳＫ、１６−ＱＡＭ等と、さまざまな符号化レートでの畳み込み符号化及びターボ符号化等のチャネル符号化との事前に規定された組合せを使用する。ここで、チャネル状態がよくなるということは、こうしたチャネル状態下で所定のサービス性能とともにより高いデータレートが達成可能となることを意味する。

各サブストリーム１１１に対し、対応するＡＭＣブロック１２０は、図１に示すように、情報シンボルＸ_ｉ１及びＸ_ｉ２（ｉ＝１、２、…、Ｍ）を出力し、それらはＳＴＴＤ符号器ブロック１３０に供給される。ＳＴＴＤ１３０は、入力情報シンボルを符号化し、その出力は、

によって与えられる。ここで、＊は複素共役である。式（１）におけるＳＴＴＤ出力行列の各行は、特定の送信アンテナ１４０に対する出力を表す。各サブストリーム１１１に対して２つの送信アンテナがあり、したがって、合計Ｎ＝２Ｍ個のアンテナ１４０がある。

各サブストリーム１１１に対して異なるデータレートを適応的に割り当てるために、受信機は、各送信アンテナからの受信信号に対してチャネル推定又はＳＮＲ推定を実行し、これをチャネル状態１６０として送信機に報告し返す必要がある。

フィードバック情報における誤りを低減するために、フィードバック情報を送信のために符号化し変調してもよい。チャネル状態フィードバックを、受信機から定期的に更新してもよい。一般に、チャネル状態に厳密に従うためには、更新頻度は高い方が有利であり、それによってより高いシステム容量が達成される。フィードバック情報量を妥当なサイズで維持するために、変調及びチャネル符号化の組合せの数は可能な限り少ない。

アンテナのサブグループの選択
しかしながら、一般的ないくつかのチャネル状態下では、図２に示すようにサブグループ選択１７０に頼ることが有利である。サブグループ選択により、アンテナのＭ個のサブグループのうちのＬ個のサブグループ（Ｌ＜Ｍ）のみが使用される。使用されないアンテナのサブグループを「非アクティブ」と呼び、使用されるアンテナのサブグループを「アクティブ」と呼ぶ。

こうしたチャネル状態の一例の場合は、送信機が、送信された出力ストリームの特定の受信機２００において確定されるアンテナの特定のサブグループの信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）が、そのサブグループのデータストリームに対する最低レートの変調符号化方式（ＭＣＳ）３００のビット誤り率（ＢＥＲ）要件さえも満たすのに不十分である、と判断する。アンテナのサブグループ全体を除外することにより、この非アクティブサブグループによって生成される干渉が除去される。したがって、サブグループの数ＬがＭを下回る場合、残りのアクティブなサブグループに対してより高いデータレートを選択することができる。こうした場合、いずれのサブグループが非アクティブであるかに基づき、送信機は、選択されたサブグループに基づいて残りのＬ個のサブグループに対して適当なＭＣＳ３００を事前に確定する。

すべてのサブグループが、アクティブである間にＢＥＲ要件を満たすことができる場合であっても、サブグループのうちのいくつかを除外することにより、サブグループ間干渉が低減されるため、総データレートをさらに向上させることができる。すべてのアンテナから放射される総電力が制約されるシステムの場合、いくつかのサブグループを除外することにより、総電力のより多くの部分がより高いＳＩＮＲでアクティブなサブグループに割り当てられることも確実になる。この解決法がない場合、受信機２００からのフィードバックに基づいて各サブグループに対してＭＣＳ３００を確定するために使用される目標ＢＥＦに、達成できない可能性がある。

受信機はまた、すべてのサブグループに対してＭＣＳ選択を共同で又は独立して実行し、これを送信機にフィードバックしてもよい。

極めて不都合なチャネル状態下では、サブグループのすべてが非アクティブとなる可能性がある。驚くべきことに、これもまた、システムの全体的な性能を向上させることができる。これは、サブグループのすべてに対するチャネル状態が特定の受信機に対する最低ＢＥＲ要件を満たすことができない場合に発生する可能性がある。こうした不都合な状態の下での送信には２つの問題がある。第１に、特定の受信機にデータがまったく配信されず、そのため、貴重な帯域幅が不必要に浪費される。第２に、こうした状態下での送信は、システムの他の受信機に対して不必要な干渉をもたらすのみである。このため、特定の受信機に対してサブグループのいずれも選択しないことにより、残りの受信機に対するシステムの全容量が増大する。

したがって、図２に示す送信機では、スイッチ１７１〜１７９により、最低ＳＩＮＲ要件を満たすサブグループのみが送信に対してアクティブであるように選択される１７０。他のグループは、除外され送信に対して非アクティブである。

この選択は、データストリーム１０１の複数のコピーをスイッチ１７０に対して並列に供給することにより行うことができる。各アンテナサブグループに対して１つのコピーがある。アクティブなサブグループに対応するデータストリームのコピーのサブセットのみがデマルチプレクサを通過する。スイッチ・デマルチプレクサ１７０は、さらなる処理のためにアクティブであるようにＬ個のサブストリーム１１１のセット（Ｌ＜Ｍ）を選択することが有利である。Ｍ個のサブストリームの他の選択除外されたコピーのすべてが非アクティブであり、それらのサブストリームに対してそれ以上処理は行われない。すなわち、Ｌ個のサブストリーム１１１のセットは、Ｍ個のサブストリームのいずれも含まない可能性があるか又はいくつかを含む可能性がある。

適応変調符号化
図３に示すように、図２の各ＭＣＳブロック３００は、符号化３１０、インタリーブ３２０及びシンボルマッピング３３０の３つのブロックを有する。これらの３つのブロックによって実行される動作は、サブグループに対して選択されるＭＣＳによって決まる。

さらに、この方式で使用するために符号再使用が追加された。符号再使用では、ストリームを送信するサブグループのすべて又は一部によって同じ直交可変拡散率（ＯＶＳＦ）符号が使用される。後述するスクランブル符号（複数可）があるために、符号間干渉が拡散利得に等しい率だけ低減されることが確実になる。ＯＶＳＦ符号のさまざまなサブグループへの割り当てを、符号間干渉をさらに低減するように最適化してもよい。

スクランブル符号
図４に示すように、各データストリーム、たとえばＸ１２Ｘ１１及び−Ｘ１２^＊Ｘ１１^＊に対してスクランブル処理４００が適用される。各サブグループに対して、ＳＴＴＤ符号化１３０の後、サブグループはさらにＮ個のデータサブストリーム４１１に逆多重化４１０される。ここで、Ｎは、送信に使用される直交可変拡散率（ＯＶＳＦ）符号（ＯＣ）４２０の数である。各ＯＣ４２０が、Ｎ個の逆多重化ストリーム４１１のうちの１つに乗算される４２０。拡散ストリームが加算される４２６。これに続き、スクランブル符号（ＳＣ）４３０が乗算される４２５。

すべてのサブグループに対して同じスクランブル符号を使用することにより、システムの複雑性を低減することができる。スクランブル符号によって、受信機におけるサブグループ間干渉が低減する。

本発明の精神及び範囲内で他のさまざまな適合形態及び変更形態を実施してもよい、ということが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内にあるすべてのこうした変形形態及び変更形態を網羅することである。

本発明による多入力／多出力無線通信システムにおける送信機のブロック図である。 アンテナサブグループ選択を伴う本発明による多入力／多出力無線通信システムにおける送信機のブロック図である。 本発明による変調符号化方式ブロックのブロック図である。 本発明による拡散スクランブルブロックのブロック図である。

Claims (8)

1. 送信アンテナのＭ個のサブグループを含む多入力／多出力無線通信システムにおいてシンボルの入力ストリームを送信する方法であって、
   Ｌ＜Ｍである場合に、前記アンテナのＭ個のサブグループのうちのＬ個のサブグループを選択すること、
   Ｌ個の選択されたアンテナのサブグループの各々に対して１つのサブストリームがあり、前記入力ストリームをＬ個のサブストリームに逆多重化すること、
   前記サブストリームを送信するために使用される関連チャネルに対して所定の性能を達成しながら、前記Ｌ個のサブストリームの各々を最大データレートまで適応的に変調し且つ符号化すること、
   及び
   前記アンテナのＬ個のサブグループの各々の各アンテナに対して各セットに１つの出力ストリームがあり、前記Ｌ個の符号化サブストリームの各々を出力ストリームのセットに時空間送信ダイバーシティ符号化すること
   を含む、送信アンテナのＭ個のサブグループを含む多入力／多出力無線通信システムにおいてシンボルの入力ストリームを送信する方法。
2. 受信機からチャネル状態をフィードバックすること、
   及び
   前記チャネル状態に従って前記逆多重化することによって生成される前記Ｌ個のサブストリームを選択することをさらに含む
   請求項１記載の方法。
3. 前記チャネル状態は、前記受信機において受信される前記出力ストリームの信号対干渉雑音比を測定する
   請求項２記載の方法。
4. 前記適応的に変調し且つ符号化することは、前記サブストリームの数Ｌによって決まる
   請求項１記載の方法。
5. Ｌは、複数の受信機を含む前記システムの全容量を増大させるためにゼロである
   請求項１記載の方法。
6. 前記適応的に変調し且つ符号化することは、
   各サブストリームを符号化すること、
   各符号化サブストリームをインタリーブすること、
   及び
   各インタリーブされたサブストリームをシンボルマッピングすることをさらに含む
   請求項１記載の方法。
7. 各出力ストリームを複数の逆多重化出力ストリームに逆多重化すること、
   前記複数の逆多重化出力ストリームの各々に直交可変拡散率を乗算すること、
   乗算の後に、各出力ストリームに対して前記逆多重化出力ストリームを加算することにより、各出力ストリームに対応する合計出力ストリームにすること、
   及び
   前記各合計出力ストリームにスクランブル符号を乗算すること
   をさらに含む、請求項１に記載のシンボルの入力ストリームを送信する方法。
8. 送信アンテナのＭ個のサブグループを含む多入力／多出力無線通信システムにおいてシンボルの入力ストリームを送信するシステムであって、
   Ｌ＜Ｍである場合に、前記アンテナのＭ個のサブグループのうちのＬ個のサブグループを選択するように構成されるスイッチと、
   アンテナのＬ個のサブグループの各々に対して１つのサブストリームがあり、前記入力ストリームをＬ個のサブストリームに分割するように構成されるデマルチプレクサと、
   前記サブストリームを送信するために使用される関連チャネルに対して所定の性能を達成しながら、前記Ｌ個のサブストリームの各々を最大データレートまで適応的に変調し且つ符号化する手段と、
   前記アンテナのＬ個のサブグループの各々の各アンテナに対して各セットに１つの出力ストリームがあり、前記Ｌ個の符号化サブストリームの各々を出力ストリームのセットに時空間送信ダイバーシティ符号化する手段と
   を備える、送信アンテナのＭ個のサブグループを含む多入力／多出力無線通信システムにおいてシンボルの入力ストリームを送信するシステム。

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