JP2008028750A - 通信システム及び通信方法並びに送信機及び受信機 - Google Patents

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Abstract

【課題】MIMO通信等において、同時刻に送信されるビット間の相関情報の喪失による受信特性の劣化を抑制できるようにする。
【解決手段】複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせ(b1,b2)を1グループとして送信データストリームをグループ化し、当該グループ(ビット組み合わせ)単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なうようにする。
【選択図】図1

Description

本発明は、通信システム及び通信方法並びに送信機及び受信機に関し、例えば、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)方式による無線通信技術に用いて好適な技術に関する。
近年、周波数帯域を有効利用して大容量(高速)のデータ通信を可能とする技術として、MIMOが注目されている。MIMOは、送受信双方に複数アンテナを用いて、即ち、複数アンテナを有する送信機及び複数アンテナを有する受信機を用いて、送信機の複数アンテナから独立したデータストリームを送信し、受信機の各受信アンテナで受信される信号から、伝播路上で混ざり合った複数の送信信号(データストリーム)を、伝播路(チャネル)推定値を用いて個々に分離することで、周波数帯域の拡大を必要とすることなく伝送レートを向上させる技術である。
図13はMIMO通信方式を採用した送信機(MIMO送信機)の一例を示すブロック図で、この図13に示す送信機は、その要部に着目すると、例えば、誤り訂正符号化部101、ビット毎の第1レートマッチング部102、メモリ(再送用データ保存部)103、ビット毎の第2レートマッチング部104、シンボル毎のグループ化部105、アンテナ分離部106、送信アンテナ(図示省略)毎の変調部107とをそなえて構成されている。
そして、かかる構成を有する送信機において、送信データは、誤り訂正符号化部101にて誤り訂正符号化され、第1レートマッチング部102にて、メモリ103の所定の領域に収まるデータ量となるように、パンクチャ(間引き)処理やレペテション(ビット繰り返し)処理等のデータ量調整(レートマッチング)処理をビット単位で施された上で、HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)等の再送制御に備えてメモリ103に記憶される。なお、再送制御を行なわないシステム等、当該メモリ103は不要な場合もある。
メモリ103から読み出されたデータ(再送データを含む)は、さらに第2レートマッチング部104にて、所定の送信フレーム内に収容可能なデータ量となるように、上記と同様のレートマッチング処理をビット単位で施された後、グループ化部105にて、変調方式(QPSKや16QAM等)に応じてマッピングされるべきシンボル毎にグループ化されて、アンテナ分離部106を通じて各変調部107に入力される。
変調部107では、それぞれ、入力データを所定の変調方式で変調して対応する送信アンテナ(送信アンテナ#1,#2)へ出力する。これにより、変調データは、それぞれ、送信アンテナ#1,#2から受信機(図示省略)に向けて空間へ放射される。
つまり、図13に示す送信機では、送信直前にシンボルをアンテナ分離部106にて各送信アンテナ#1,#2に振り分けている。
この場合、前記のレペテション処理、再送制御における繰り返しビットや再送ビットと同時刻に送信されるビットとの組み合わせに制限(決まり)がないため、例えば図15に模式的に示すように、繰り返しビットあるいは再送ビット(b1)は、時刻T1と時刻T2とで、異なるビット(b2,b3)との組み合わせで各送信アンテナ#1,#2から同時刻に送信されることになる。つまり、図15では、繰り返しビットあるいは再送ビットb1は、時刻T1ではビットb2と同時に送信され、その後の時刻T2では異なるビットb3と同時にされる。なお、bi(i=1,2,…)は1か−1の値をとる。
このことは、送信ストリーム毎に伝送レートを制御するMIMO方式の送信機の場合、即ち、例えば図14に示すように、既述の誤り訂正符号化部101、ビット毎の第1レートマッチング部102、メモリ(再送用データ保存部)103、ビット毎の第2レートマッチング部104、シンボル毎のグループ化部105及び送信アンテナ#1,#2毎の変調部107を有して成る送信ブロックを送信ストリーム毎に設けて、当該送信ブロック毎に独立して、送信アンテナの伝搬品質(例えば、CQI値等の受信機からのフィードバック信号)に基づき伝送レートを制御する場合でも同じである。つまり、図13に示す送信機と同様に、レペテション処理、再送制御における繰り返しビットや再送ビットの組み合わせに制限(決まり)がないため、図15に示すごとく、繰り返しビットあるいは再送ビット(b1)は、時刻T1と時刻T2とで、異なるビット(b2,b3)との組み合わせで各送信アンテナ#1,#2から同時刻に送信されることになる。
このように、繰り返しビットや再送ビットと同時刻に送信されるビットが時刻によって異なるビットとの組み合わせで送信される場合、受信機では、上述のごとく同時刻に送信された信号をビット毎に分離した上で、レペテション合成処理や再送合成処理を行なう。
例えば図16に模式的に示すように、送信アンテナ#1と受信アンテナとの間の伝搬係数をα、送信アンテナ#2と受信アンテナとの間の伝搬係数をβとし、時刻T1において、送信アンテナ#1からはビットb1が、送信アンテナ#2からはビットb2がそれぞれ送信されたとすると、受信アンテナでは、α×b1+β×b2が受信信号として受信されることになる。そして、その後の時刻T2において、送信アンテナ#1からはビットb3が、送信アンテナ#2からは繰り返し(あるいは再送)ビットb1がそれぞれ送信されたとすると、前記受信アンテナでは、α×b3+β×b1が受信信号として受信されることになる。
この場合、受信機では、図17に示すように、時刻T1で受信された受信信号α×b1+β×b2からビットb1を分離、抽出し、時刻T2で受信された受信信号α×b3+β×b1からビットb1を分離、抽出して、合成処理を行なうことになる。
なお、後記特許文献1及び2には、単一の送信アンテナを具備する送信機において、シンボル単位でインターリーブ、レペテション等を行なう技術が開示されている。これらの特許文献1及び2の技術は、いずれも、任意の符号化率の畳込み符号を、どんな多値変調方式で伝送しても軟判定ビタビ復号ができるようにして、誤り率を下げることを目的とした技術である。
そのために、特許文献1及び2の技術では、送信側において、入力情報系列を、畳込み符号器で畳込み符号化した後、多値変調のシンボルに構成し、サブシンボルインタリーバにより、サブシンボル単位でインターリーブを行ない、直交変調して送信する。受信側では、受信したデータを同期検波し、サブシンボルデインタリーバにより、振幅データとともにサブシンボル単位でデインターリーブする。そして、軟判定ビタビ復号器で、符号語のビット数とサブシンボルのビット数の最小公倍数を処理単位ビット数として、複数符号語に対応する状態遷移をまとめて、サブシンボルの振幅情報を使って軟判定ビタビ復号する。これにより、畳込み符号の符号化率と多値変調のシンボルの最適な組み合わせを選択して軟判定ビタビ復号ができ、伝送誤り率を極限まで低くすることが可能となる。
特開平6−252971号公報 特開2004−289353号公報
しかしながら、図17により上述したごとく異なる時刻に受信された受信信号からそれぞれビットb1を分離、抽出して合成しようとすると、当該分離によりビット間の相関情報が消失してしまい、受信特性を劣化させてしまう。
即ち、図18に示すように、時刻T1で送信された信号がビットb1とb2の組み合わせからなり、時刻T2で送信された信号がビットb1とb3の組み合わせからなり、各ビットが1か−1の値をとり、伝搬係数α=β=1で、受信信号b1+b2が0となり、雑音が無いと過程した場合、時刻T1に送信された信号としては(b1,b2)=(1,1)、(−1,−1)の組み合わせはとることは無く、(b1,b2)=(−1,1)と(b1,b2)=(1,−1)の確率がそれぞれ0.5となる。
したがって、この信号からビットb1を抽出した場合、1となる確率も−1となる確率も同じ0.5となり、組み合わせに関する情報(ビット間の相関情報)は消失してしまい、ビットb1の分離、抽出を誤ってしまう。時刻T2に送信された信号(b1,b3)についても同様である。その結果、ビットb1の合成を正しく行なうことができず、受信特性が劣化するのである。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、上記のようなビット間の相関情報の喪失による受信特性の劣化を抑制できるようにすることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明では、下記の通信システム及び通信方法並びに送信機及び受信機を用いることを特徴としている。即ち、
(1)本発明の通信システムは、複数の送信アンテナと、前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化する同時送信ビットグループ化手段と、該同時送信ビットグループ化手段によりグループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信処理手段とを具備する送信機と、該送信機の前記送信アンテナから送信された信号を受信するための複数の受信アンテナと、該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求める尤度算出手段と、該尤度算出手段で求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なう受信処理手段とを具備する受信機とをそなえて構成されたことを特徴としている。
(2)また、本発明の通信方法は、複数の送信アンテナを有する送信機と、複数の受信アンテナを有する受信機とをそなえた通信システムにおいて、該送信機が、前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化し、そのグループ化したビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行ない、該受信機が、該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求め、求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なうことを特徴としている。
(3)さらに、本発明の送信機は、複数の送信アンテナと、前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化する同時送信ビットグループ化手段と、該同時送信ビットグループ化手段によりグループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信処理手段とをそなえたことを特徴としている。
(4)ここで、該同時送信ビットグループ化手段は、前記送信データストリームの複数ビットで1シンボルを送信する際の当該シンボル内の信頼度の高低に応じたビット集合を前記グループとしてグループ化するように構成されていてもよい。
(5)また、本発明の受信機は、複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化した上で、当該グループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信機から送信された信号を受信する受信機であって、前記信号を受信するための複数の受信アンテナと、該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求める尤度算出手段と、該尤度算出手段で求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なう受信処理手段とをそなえたことを特徴としている。
上記本発明によれば、少なくとも下記のいずれかの効果ないし利点が得られる。
(1)送信側において、レートマッチングのためのビット繰り返しや、再送時に同時送信するビットの組み合わせ(グループ)を、それ以前に既に同時送信したビットの組み合わせと同じにすることができるので、受信側で、そのグループ単位で受信処理(尤度合成)を行なうことで、同時送信するビットの組み合わせを任意とし個々のビットを抽出して合成する場合のビット間の相関情報の消失を回避することができる。したがって、受信特性の劣化を防止することが可能となる。
(2)また、送信データストリームの複数ビットで1シンボルを送信する際の当該シンボル内の信頼度の高低に応じたビット集合を前記グループとしてグループ化すれば、ビット加算処理を用いてグループ別に独立して尤度算出を行なうことができるので、受信側での尤度算出のための演算量を削減することができ、処理の高速化を図ることが可能である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下に示す実施形態に限定されず、当業者であれば本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
〔A〕概要説明
ビット間の相関情報の消失という既述の課題を解決するためには、レペテション(ビット繰り返し)又は再送時に同時送信するビットの組み合わせ(グループ)を、それ以前に既に同時送信したビットの組み合わせと同じにして、受信側では、この単位で合成を行なえば良い。例えば図1に模式的に示すように、時刻T1に同時送信したビットの組み合わせ(グループ)が(b1,b2)であれば、その後のビットb1についてのレペテション又は再送時(時刻T2)に同時送信すべきビットの組み合わせも同じ組み合わせ(b1,b2)とし、受信側では当該組み合わせ(グループ)単位で合成を行なえば良いのである。なお、同時送信するビット数が3ビット以上の場合も同様であり、ビットbi(i=1,2,3,…)は1か−1(あるいは、1か0)の値をとる。
以下、このような送信時刻単位のグループ化送信及び合成処理を実現するMIMO送信機及びMIMO受信機の例について説明する。
〔B〕一実施形態の説明
(B1)送信機の説明
図2は本発明の一実施形態に係るMIMO送信機の要部の構成を示すブロック図で、この図1に示すMIMO送信機(以下、単に「送信機」ともいう)は、例えば、誤り訂正符号化部11、グループ化部12、第1レートマッチング部13、メモリ(再送用データ保存部)14、第2レートマッチング部15、アンテナ分離部16及び複数の送信アンテナ毎の変調部17をそなえて構成されている。なお、本例において、送信アンテナは送信アンテナ#1〜#N(Nは2以上の整数)と仮定し、図1では2本の送信アンテナ#1,#2の存在のみを図示している。
ここで、誤り訂正符号化部11は、送信すべきデータ(送信ストリーム)をターボ符号や畳み込み符号などに誤り訂正符号化するものであり、グループ化部(同時送信ビットグループ化手段)12は、この誤り訂正符号化部11からの符号化ビット列を、送信すべき送信アンテナ#j(j=1〜N)別に振り分けた上で、同時刻に送信すべきデータビット数n(>2)単位でグループ分けするもので、例えば、入力符号化ビット列を1:nシリアル/パラレル(S/P)変換したnパラレルのデータビットが1グループとなる。なお、同時送信すべきデータビットのグループ化は、以降の実施形態においても、同様のS/P変換により実現することができる。
第1レートマッチング部13は、上記グループ化部12からの符号化ビット列に対してパンクチャやレペテション等のレートマッチング処理を施すことにより当該符号化ビット列をメモリ14の所定のメモリ領域に収まるデータ量となるようにデータ量調整するものであるが、本例では、前記nパラレルデータに対して同じビット数のパンクチャ又はレペテションを平等に施すことにより、前記グループ単位でレートマッチング処理を実施するようになっている。
メモリ14は、HARQ等に基づく再送に備えて、上記レートマッチング後の符号ビット列(nパラレルデータ)を前記所定のメモリ領域に記憶するものである。したがって、当該メモリ14には、符号化ビット列が前記グループ単位で(nパラレルデータとして)記憶されることになり、その読み出しも再送時の読み出しを含めて当該グループ単位で行なわれるようになっている。
第2レートマッチング部15は、上記メモリ14から読み出された符号化ビット列に対してパンクチャやレペテション等のレートマッチング処理を施すことにより所定の送信フレームフォーマット内に収容可能なデータ量に調整するもので、この場合も、第1レートマッチング部13と同様に、前記nパラレルデータに対して同じビット数のパンクチャ又はレペテションを平等に施すことにより、前記グループ単位でレートマッチング処理を実施するようになっている。
なお、符号化ビット列をインターリーブする場合(例えば、上記第2レートマッチング部15によるレートマッチング後)には、当該インターリーブも前記グループ単位で行なうことになる。
アンテナ分離部16は、上記の第2レートマッチング部15によるレートマッチング処理後の送信ビット列(nパラレルデータ)を所定の変調部17へ分離して振り分けるもので、例えば図1の例(n=2)の場合、時刻T1では2パラレルデータの一方(ビットb1)は送信アンテナ#1に対応する変調部17へ、他方のパラレルデータ(ビットb2)は送信アンテナ#2に対応する変調部17へ入力するようになっている。ただし、同じグループのビット列が同時刻に送信されれば良いので、振り分け方法(どの送信アンテナ#jから送信すべきか)は任意である。つまり、同時刻に送信されるビットはそれぞれ異なる送信アンテナ#jから送信されても、一部又は全部が同じ送信アンテナ#jから送信されてもよい。
変調部17は、それぞれ、上記アンテナ分離部17から入力される送信ビット列を所定の変調方式(例えば、QPSKや16QAM等の多値変調方式)で変調するもので、変調後の送信ビット列はD/A変換や無線周波数(RF)信号への周波数変換(アップコンバート)等の所要の無線送信処理を施されて、最終的に、対応する送信アンテナ#jから空間に向けて放射される。
つまり、上記の各レートマッチング部13,15,メモリ14,アンテナ分離部16及び各変調部17から成るブロックは、グループ化部12によりグループ化されたビット組み合わせ単位で、レートマッチング(レペテション)や再送処理、場合によってはインターリーブ処理を含む送信処理を行なう送信処理手段としての機能を果たしていることになる。
以上のような構成により、本例のMIMO送信機では、送信すべきデータが、誤り訂正符号化部11にて、ターボ符号、畳み込み符号などの誤り訂正符号化された後、グループ化部12にて、同時刻に送信すべきビットの組み合わせにグループ化される。以降、当該ビットグループを単位として、第1及び第2レートマッチング部13,15でのレートマッチング(インターリーブする場合には当該インターリーブ)やメモリ14に対する再送用のデータ保存及び読み出しがそれぞれ行なわれる。
そして、第2レートマッチング部15にて送信フレームフォーマットに適するようレートマッチングされた符号化ビット列は、アンテナ分離部16にて規定の送信アンテナ#jに対応する変調器17に振り分けられて、QPSKや16QAMによる変調を施されたのち、送信アンテナ#jから前記グループ単位で同時送信される。
以上により、図1により前述したレペテションや再送時の同じビット組み合わせでの同時送信が実現される。なお、上記の例では、同時刻に送信するビットを全て1つのグループとしたが、複数のグループとすることもできる。その場合も、上記と同様に、グループ単位でレートマッチング等を行なえばよい。
(B2)送信機の変形例の説明
次に、図3は送信ストリームが複数存在し、送信ストリーム毎に伝送レートを制御する場合のMIMO送信機の要部の構成を示すブロック図で、この図3に示すMIMO送信機は、例えば、送信ストリーム毎に、誤り訂正符号化部11及び第1レートマッチング部13Aをそなえるとともに、グループ化部12A,メモリ(再送用データ保存部)14,第2レートマッチング部15,アンテナ分離部16及び送信アンテナ#j毎の変調部17をそなえて構成されている。
ここで、誤り訂正符号化部11は、それぞれ、送信すべきデータ(送信ストリーム)の伝送レートに応じた長さ(トランスポートブロックサイズ)のデータ列に対してターボ符号や畳み込み符号などに誤り訂正符号化するものである。なお、本例では、誤り訂正符号化部11を送信ストリーム毎に設けているが、各送信ストリームに共通としてもよい。
第1レートマッチング部13Aは、それぞれ、対応する誤り訂正符号化部11からの符号化ビット列に対してパンクチャやレペテション等のレートマッチング処理をビット単位で施すことにより当該符号化ビット列をメモリ14の所定のメモリ領域に収まるデータ量となるようにデータ量調整するもので、本例では、各送信ストリームの伝送レートが適当な比率となるようにレートマッチング処理を行なうようになっている。
グループ化部(同時送信ビットグループ化手段)12Aは、上記レートマッチング後の各送信ストリームの符号化ビット列を、送信すべき送信アンテナ#j(j=1〜N)別に振り分けた上で、同時刻に送信すべきデータビット数n単位でグループ分けするもので、例えば、各送信ストリーム全体の入力符号化ビット列を1:nシリアル/パラレル変換したnパラレルのデータビットが1グループとなる。
メモリ14は、本例においても、HARQ等に基づく再送に備えて、上記グループ化後の符号ビット列(nパラレルデータ)を前記所定のメモリ領域に上記グループ単位で(nパラレルデータとして)記憶するもので、その読み出しも再送時の読み出しを含めて当該グループ単位で行なわれるようになっている。
第2レートマッチング部15は、上記メモリ14から前記グループ単位に読み出された符号化ビット列に対してパンクチャやレペテション等のレートマッチング処理を当該グループ単位で施すことにより所定の送信フレームフォーマット内に収容可能なデータ量に調整するもので、前記nパラレルデータに対して同じビット数のパンクチャ又はレペテションを平等に施すことにより、前記グループ単位のレートマッチング処理を実施するようになっている。
なお、符号化ビット列をインターリーブする場合(例えば、上記第2レートマッチング部15によるレートマッチング後)は、当該インターリーブも前記グループ単位で行なうことになる。
アンテナ分離部16は、上記の第2レートマッチング部15によるレートマッチング処理後の送信ビット列(nパラレルデータ)を所定の変調部17へ分離して振り分けるもので、例えば図4の例(n=3)の場合、時刻T1では3パラレルデータの一部(送信ストリーム#1のビットb1)は送信アンテナ#1に対応する変調部17へ、残りのパラレルデータ(送信ストリーム#2のビットb2,b3)は送信アンテナ#2に対応する変調部17へ入力するようになっている。ただし、本例においても、同じグループのビット列が同時刻に送信されれば良いので、振り分け方法(どの送信アンテナ#jから送信すべきか)は任意である。つまり、同時刻に送信されるビットはそれぞれ異なる送信アンテナ#jから送信されても、一部又は全部が同じ送信アンテナ#jから送信されてもよい。
変調部17は、それぞれ、既述のものと同一若しくは同様のものである。
つまり、本例では、上記のメモリ14,レートマッチング部15,アンテナ分離部16及び各変調部17から成るブロックは、グループ化部12Aによりグループ化されたビット組み合わせ単位で、レートマッチング(レペテション)や再送処理、場合によってはインターリーブ処理を含む送信処理を行なう送信処理手段としての機能を果たしていることになる。
なお、上記の各送信ストリームは、送信アンテナ#jの伝搬品質(例えば、CQI値等の受信機からのフィードバック信号)に基づき、トランスポートブロックサイズや第1レートマッチング部13Aでのレートマッチング処理、グループ化部12Aでのグループ化処理、第2レートマッチング部15でのレートマッチング処理が図示しない制御部によって制御されることで、それぞれの伝送レートが独立して制御できるようになっている。
以上のような構成により、本例のMIMO送信機では、送信すべきデータが、送信ストリーム別に、誤り訂正符号化部11にて、ターボ符号、畳み込み符号などの誤り訂正符号化され、第1レートマッチング部13Aにて、各送信ストリームの伝送レートを適当な比率にするレートマッチング処理(パンクチャ又はレペテション)がそれぞれ個別に行なわれた後、グループ化部12Aにて、各送信アンテナ#jから同時刻に送信すべきビットの組み合わせ(ビットグループ)が決定される。
例えば図4の例の場合であれば、ビットb1,b2,b3の組が1グループとして決定され、以降の処理は当該グループ単位で行なわれる。即ち、当該グループを単位として、メモリ14に対する再送用のデータ保存及び読み出しや、第2レートマッチング部15でのレートマッチング(インターリーブする場合には当該インターリーブ)がそれぞれ行なわれる。
そして、第2レートマッチング部15にて送信フレームフォーマットに適するよう前記グループ単位でレートマッチングされた符号化ビット列は、アンテナ分離部16にて規定の送信アンテナ#jに対応する変調器17に振り分けられて、QPSKや16QAMによる変調を施されたのち、送信アンテナ#jから前記グループ単位で同時送信される。
以上により、図4に示すようなレペテションや再送時の同じビット組み合わせでの同時送信が実現される。なお、本例においても、同時刻に送信するビットを全て1つのグループとしたが、複数のグループとすることもできる。その場合も、上記と同様に、グループ単位でレートマッチング等を行なえばよい。
(B3)受信機の説明
上記項目(B1)及び(B2)にて上述したように、送信機にて、同時刻に送信するビットをグループ化した場合、受信側(MIMO受信機)では当該グループ(ビット組み合わせ)毎の確率〔または、対数(log)尤度〕を求め、レペテション合成や再送合成を、このグループ毎の確率の積(または、対数尤度の和)で行なうことにより、従来の課題、即ち、ビット間の相関情報の喪失による受信特性の劣化を抑制することが可能となる。
図5は本実施形態におけるMIMO受信機の要部の構成を示すブロック図で、この図5に示すMIMO受信機(以下、単に「受信機」ともいう)は、例えば、複数の受信アンテナ21と、チャネル推定部22と、復調部23と、第1デレートマッチング部24と、再送合成部25と、第2デレートマッチング部26と、誤り訂正復号部27とをそなえて構成されている。
ここで、受信アンテナ21は、図2又は図3により上述した送信機から送信された信号を受信するものであり、チャネル推定部22は、受信アンテナ21でそれぞれ受信された信号と、送信機との間で既知の信号であるパイロット信号のレプリカとの相関を演算することにより、送信機との間の伝搬路(チャネル)環境を推定する(つまり、チャネル推定値を求める)ものである。なお、本例において、受信した信号のベースバンド信号への変換(ダウンコンバート)やディジタル信号への変換などを含む所要の無線受信処理については省略している(以下、同じ)。
復調部23は、上記チャネル推定部22により得られるチャネル推定値に基づいて、受信信号〔データ(トランスポート)チャネル〕についての補償(チャネル等化)を行ない、送信機側での変調方式(QPSKや16QAM等)に対応した復調方式で復調を行なうもので、本例では、前記グループ毎の尤度(確率)を算出する尤度算出部(尤度算出手段)231(図6参照)としての機能も具備している。
第1デレートマッチング部24は、上記復調部23による復調データについて、送信機1側の前記第2レートマッチング部15でのレートマッチング処理とは逆の処理に相当する処理(レペテション又はパンクチャ)を施してデータ量調整を行なうもので、前記レペテションの場合には、前記グループ毎の確率を乗算(又は対数尤度を加算)するようになっている。
再送合成部25は、HARQ等に基づく前記送信機への再送要求に対して当該送信機から再送されてきた信号について、既に受信され保持している信号との合成(再送合成)を行なうもので、その際、前記グループ毎の尤度を加算するようになっている。
第2デレートマッチング部26は、上記再送合成部25の出力信号について、送信機側の前記第1レートマッチング部13(又は13A)でのレートマッチング処理とは逆の処理に相当する処理(レペテション又はパンクチャ)を施してデータ量調整を行なうもので、この場合も、レペテションの場合には、前記グループ毎の確率を乗算(又は対数尤度を加算)するようになっている。
つまり、上記の各デレートマッチング部24,26及び再送合成部25から成るブロックは、尤度算出部231で求められた尤度を合成(確率乗算又は対数尤度加算)することにより前記グループ単位でのレペテション合成や再送合成(場合によってはデインターリーブ)を含む受信処理を行なう受信処理手段としての機能を果たしている。
そして、誤り訂正復号部27は、上記第2デレートマッチング部26によるデータ量調整後の受信信号について、送信機側の誤り訂正符号化部11での符号化方式に対応した復号方式での誤り訂正復号を行なって、送信機の送信データを復元するものである。
以下、上述のごとく構成された本例の受信機の動作について、図6及び図7を併用して説明する。
まず、送信機から既述のようにしてグループ化されて各送信アンテナ18(#j)(図6参照)から送信された信号は、受信機の受信アンテナ21で受信され、前記所要の無線受信処理を経た後、チャネル推定部22に入力され、当該チャネル推定部22にて、前記チャネル推定値が求められ、当該チャネル推定値に基づいて、復調部23にてチャネル等化、復調処理が施される。その際、図6に示すように、尤度算出部231により、前記グループ毎の尤度(確率)が算出される。即ち、例えば、n(=2)ビットを送信機から同時に送信したとすると、ビットの組み合わせは2n=22=4、つまり、(1,1),(1,−1),(−1,1),(−1,−1)の4通りになるので、ある時刻に対するビットの組み合わせの確率をそれぞれq00,q01,q10,q11(以下、区別しない場合は単に「q」と表記する)、また別の時刻の確率をそれぞれr00,r01,r10,r11(同様に、区別しない場合は単に「r」と表記する)として求める。
その後、復調データは、第1デレートマッチング部24にて、パンクチャ又はレペテションを施されてデータ量調整されるが、レペテションを行なう際に、図7に模式的に示すように、前記異なる時刻の確率q00,q01,q10,q11及び確率r00,r01,r10,r11を合成する。即ち、合成確率として、それぞれの確率の積q0000,q0101,q1010,q1111を求める。
上記第1デレートマッチング部24によるデータ量調整後のデータは、次に、再送要求に対する再送データであれば、再送合成部25にて、受信済みのデータと再送合成される。その際も、図7の例と同様に、2n通りの合成確率qrが求められる。なお、受信データが再送データでなければ、当該再送合成は施されず、第2デレートマッチング部26へ出力される。
さらに、上記再送合成部25の出力は、第2デレートマッチング部26にて、パンクチャ又はレペテションを施されてデータ量調整されるが、ここでも、レペテションの際には、図7の例と同様に、2n通りの合成確率qrが求められる。
そして、当該データ量調整後の受信データは、誤り訂正復号部27にて誤り訂正復号されて、送信機が送信した送信データが復元される。
なお、上記の例では、尤度算出部231にてグループ毎の確率を算出し、その合成を行なっているが、例えば図8に模式的に示すように、尤度算出部231にて、ある時刻に対するビットの組み合わせ〔(1,1),(1、−1),(−1,1),(−1,−1)〕の対数尤度をそれぞれlq00,lq01,lq10,lq11(以下、区別しない場合は単に「lq」と表記する)、また別の時刻の対数尤度をそれぞれlr00,lr01,lr10,lr11として、第1及び第2デレートマッチング部24及び26でのレペテションあるいは再送合成部25での再送合成の際に、これらの異なる受信時刻の対数尤度lq,lrを加算(lq+lr)するようにしても、図7の例と同等の結果を得ることができる。
以上のように、本実施形態の受信機では、同時送信されたnビットのビットグループを単位としてレペテションまたは再送合成する際に、異なる受信時刻のnビットからなる受信信号について、それぞれのビット組み合わせをとる確率又は対数尤度を求め、それらの乗算又は加算で尤度合成を行なうので、ビット間の相関情報の喪失による受信特性の劣化を抑制することが可能となる。
例えば図12にMIMO通信方式のスループット特性を上述した実施形態と従来技術とを比較して示す。この図12において、実線51が従来通りビット単位でレートマッチングを行なった場合の特性、実線52が同時送信ビット単位でレートマッチングを行ない受信側ではビット毎に処理(分離、復調)した場合の特性、実線53が同時送信ビット単位でレートマッチングを行ない受信側もグループ単位で処理(尤度合成、復調)した場合の特性をそれぞれ示している。なお、シミュレーション条件は、送信アンテナ数=2、受信アンテナ数=1(つまり、2×1MIMO)、符号化レート=1/6、変調方式=16QAM、最大再送回数=3、フェージング1パスfdTfrm(最大ドップラ周波数×1フレーム時間)=0.16、1フレームあたりの情報ビット数=650である。
この図12から理解されるように、送信機において項目(B1)又は(B2)で述べたグループ化を行ない、受信機において項目(B3)で述べた受信処理(尤度合成、復調)を行なうことにより(実線53参照)、従来技術(実線51参照)に比して20〜30%のスループット特性改善効果を得ることができる。
〔C〕第1変形例の説明
項目(B1)及び(B2)で述べたように同時送信するビットをグループ化する場合、前記グループ化部12又は12Aでは、各送信アンテナ#jのシンボル内の信頼度の高低に応じたビットの集合を単位とすることができる。
例えば、図9の(2)に示すように、16QAM(つまり、4ビットで1シンボルを送信する場合)で2本の送信アンテナ18(#1,#2)でMIMO送信し、2本の受信アンテナ21でMIMO受信する(つまり、2×2MIMO通信する)場合、図9の(1)に示すように、16QAM(1シンボルを3ビットで送信する場合)のIチャネル及びQチャネルの最下位ビット(LSB)よりも最上位ビット(MSB)の方が信頼度が高いので、前記グループ分けとして、同図9の(3)に示すように、グループ#1を各送信アンテナ18のIチャネル及びQチャネルのMSBからなる4ビット(I-ch_MSB_ANT#1,Q-ch_MSB_ANT#1,I-ch_MSB_ANT#2,Q-ch_MSB_ANT#2)とし、同図9の(4)に示すように、前記グループ#1と同時刻に送信する別のグループ#2を各送信アンテナ18のIチャネル及びQチャネルのLSBからなる4ビット(I-ch_LSB_ANT#1,Q-ch_LSB_ANT#1,I-ch_LSB_ANT#2,Q-ch_LSB_ANT#2)とすることができる。
このようなグループ分けを行なうと、MSBのグループ#1とLSBのグループ#2とで独立した尤度算出を行なうことが可能となるので、尤度算出部231で求めるべき尤度の数、つまりは尤度算出の演算量を削減することができ、処理の高速化を図ることができる。
即ち、16QAMで2×2MIMO通信する場合、グループ#1の4ビット(I-ch_MSB_ANT#1,Q-ch_MSB_ANT#1,I-ch_MSB_ANT#2,Q-ch_MSB_ANT#2)をそれぞれIM1,QM1,IM2,QM2と表記し、グループ#2の4ビット(I-ch_LSB_ANT#1,Q-ch_LSB_ANT#1,I-ch_LSB_ANT#2,Q-ch_LSB_ANT#2)をそれぞれQM2,IL1,QL1,IL2,QL2と表記することとすると、図10に示すように、本来、尤度算出は、合計8ビット、つまり、28(=256)通りの各ビットが0又は1をとるデータパターンの確率P(IM1,QM1,IM2,QM2,IL1,QL1,IL2,QL2)を算出する必要がある(符号41参照)。
しかし、上記グループ#1及び#2のグループ分けにより、グループ#1の確率P(IM1,QM1,IM2,QM2)は、下記の式(1)により、LSBについての個々のビット(IL1,QL1,IL2,QL2)を同じMSBのデータパターン毎に加算することで算出でき(符号42参照)、グループ#2についての確率P(IM1,QM1,IM2,QM2)は、下記の式(2)により、MSB(IM1,QM1,IM2,QM2)の個々のビットを同じLSBのデータパターン毎に加算することで算出することができる(符号43参照)。
Figure 2008028750
このようにして、ビット加算処理を用いてグループ#1,#2毎に独立して尤度(確率P)算出を行ない、それぞれを対数尤度に変換して(図10の符号44,45参照)加算することで、グループ分けしないで尤度算出を行なう場合に比して、演算量を削減することができるのである。
〔D〕第2変形例の説明
MIMO通信方式において、伝搬路の状態を知ることが可能であれば、固有モード使うことで、送信ストリーム間の相関を無くすことが可能なことが知られている。即ち、伝搬行列Hが既知であれば、ユニタリ行列U,Vを用いて、下記式(3)により、伝搬行列Hを対角行列Dとする変換(変数変換)が可能である。
D=U†HV …(3)
したがって、送信側で各送信ストリームをユニタリ行列Vで予め変換して送信し、受信側でユニタリ行列Uの共役転置行列U†で変換することで、対角行列Dとなり、送信ストリーム間の相関を無くすことができる(つまり、受信側では各ストリームの信号分離が容易になる)。
この性質を利用して、前記グループ化部12又は12Aでは、一部の送信ストリームは固有モードを使って相関を無くし、それ以外の送信ストリーム間の一部又は全部を既述のようにしてグループ化することができる。
例えば図11に示すように、4本の送信アンテナ18を有するMIMO送信機と、4本の受信アンテナ21を有するMIMO受信機とを有するシステム(4×4MIMOシステム)の場合、送信機では、各送信ストリーム#1,#2,#3,#4に対して送信側ユニタリ変換部19にてユニタリ行列Vを乗算することによりユニタリ変換を行なった上で送信を行ない、受信機では、その送信データが伝搬路を伝搬することにより伝搬行列Hが生じられた形の受信信号について受信側ユニタリ変換部28にてユニタリ行列Uの共役転置行列U†を乗算することにより、送信ストリーム#1,#2と送信ストリーム#3,#4との間の相関を無くすことができる。
そこで、送信機(グループ化部12又は12A)では、送信ストリーム#1及び#2の組と、送信ストリーム#3及び#4の組にそれぞれグループ化〔つまり、4送信(多値変調)シンボルの一部の2送信シンボルを無相関のシンボルグループとする〕した上で、当該グループ単位で前記項目(B1)及び(B2)で述べたようにレペテション又は再送時の同時送信を行ない、受信機では、項目(B3)にて述べたようにして受信(尤度算出及び合成)する。即ち、送信ストリーム#1及び#2の組について、尤度算出部231−1にて尤度(確率又は対数尤度)を計算して、組み合わせ尤度(乗算又は加算)を求めるとともに、送信ストリーム#3及び#4の組について、尤度算出部231−2にて尤度(確率又は対数尤度)を計算して、組み合わせ尤度(乗算又は加算)を求める。
このように、MIMO固有モードを利用して、相関の無い送信ストリームを作り出すことで、相関の無い送信ストリーム同士独立して尤度算出を行なうことが可能となるので、尤度算出の演算量を削減して、処理の高速化を図ることが可能となる。
なお、MIMO固有モードで、すべての送信ストリーム間の相関を完全に無くした上で、各送信ストリームの多値変調シンボル内のビットをグループ化する(例えば図9及び図10により前述したMSB及びLSBによるグループ化も適用できる)ようにしてもよい。
〔E〕付記
(付記1)
複数の送信アンテナと、前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化する同時送信ビットグループ化手段と、該同時送信ビットグループ化手段によりグループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信処理手段とを具備する送信機と、
該送信機の前記送信アンテナから送信された信号を受信するための複数の受信アンテナと、該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求める尤度算出手段と、該尤度算出手段で求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なう受信処理手段とを具備する受信機とをそなえて構成されたことを特徴とする、通信システム。
(付記2)
複数の送信アンテナを有する送信機と、複数の受信アンテナを有する受信機とをそなえた通信システムにおいて、
該送信機が、
前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化し、
そのグループ化したビット組み合わせ単位で、レートマッチングのためのビット繰り返し処理、再送処理及びインターリーブ処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行ない、
該受信機が、
該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求め、
求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なうことを特徴とする、通信方法。
(付記3)
複数の送信アンテナと、
前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化する同時送信ビットグループ化手段と、
該同時送信ビットグループ化手段によりグループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信処理手段とをそなえたことを特徴とする、送信機。
(付記4)
該同時送信ビットグループ化手段が、
前記送信データストリームを同時刻に送信すべきビット数にシリアル/パラレル変換することにより前記グループ化を行なうように構成されたことを特徴とする、付記3記載の送信機。
(付記5)
該同時送信ビットグループ化手段が、
伝送レートを独立して制御される、複数の前記送信データストリームについて前記グループ化を行なうように構成されたことを特徴とする、付記3記載の送信機。
(付記6)
該同時送信ビットグループ化手段が、
前記送信データストリームの複数ビットで1シンボルを送信する際の当該シンボル内の信頼度の高低に応じたビット集合を前記グループとしてグループ化するように構成されたことを特徴とする、付記3記載の送信機。
(付記7)
該同時送信ビットグループ化手段が、
複数の前記送信ストリームの少なくとも一部の送信ストリーム間の相関を予め無相関に変数変換して送信を行なう際に、残りの送信ストリームのデータビットの一部又は全部を前記グループとしてグループ化するように構成されたことを特徴とする、付記3記載の送信機。
(付記8)
複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化した上で、当該グループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信機から送信された信号を受信する受信機であって、
前記信号を受信するための複数の受信アンテナと、
該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求める尤度算出手段と、
該尤度算出手段で求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なう受信処理手段とをそなえたことを特徴とする、受信機。
以上詳述したように、本発明によれば、同時送信するビットの組み合わせ(グループ)を、それ以前に既に同時送信したビットの組み合わせと同じにし、受信側で、そのグループ単位で受信処理(尤度合成)を行なうことで、ビット間の相関情報の消失を回避して受信特性の劣化を防止することができるので、無線通信技術分野に極めて有用と考えられる。
本発明の概要を説明すべく異なる時刻に同時送信するビット組み合わせの例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るMIMO送信機の要部の構成を示すブロック図である。 図2に示すMIMO送信機の変形例を示すブロック図である。 図2に示すMIMO送信機の動作を説明すべく異なる時刻に同時送信するビット組み合わせの例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るるMIMO受信機の要部の構成を示すブロック図である。 図5に示すMIMO受信機の動作(尤度算出処理)を説明すべく2×2MIMO通信システムを模式的に示す図である。 図5に示すMIMO受信機の尤度算出処理を説明するための図である。 図5に示すMIMO受信機の尤度算出処理の変形例を説明するための図である。 本発明の第1変形例に係るMIMO送信機でのビットグループ分けを説明するための図である。 第1変形例に係るMIMO受信機での尤度算出処理を説明するための図である。 本発明の第2変形例に係るMIMO通信システム(MIMO送信機及びMIMO受信機)の構成を示すブロック図である。 MIMO通信方式のスループット特性を本発明の実施形態と従来技術とを比較して示す図である。 MIMO通信方式を採用した送信機(MIMO送信機)の一例を示すブロック図である。 MIMO通信方式を採用した送信機(MIMO送信機)の他の構成を示すブロック図である。 図13又は図14に示す送信機の動作を説明すべく異なる時刻に同時送信するビット組み合わせの例を示す模式図である。 図15に示す同時送信ビットの受信処理を説明すべく送信アンテナと受信アンテナとの間の伝搬係数を併せて示す模式図である。 図16に示す伝搬係数を前提とした受信処理(レペテション又は再送の合成処理)を説明するための模式図である。 図17に示す受信処理による課題を説明するための模式図である。
符号の説明
11 誤り訂正符号化部
12,12A グループ化部
13,13A 第1レートマッチング部
14 メモリ(再送用データ保存部)
15 第2レートマッチング部
16 アンテナ分離部
17 変調部
18 送信アンテナ
19 送信側ユニタリ変換部19
21 受信アンテナ
22 チャネル推定部
23 復調部
231,231−1,231−2 尤度算出部
24 第1デレートマッチング部
25 再送合成部
26 第2デレートマッチング部
27 誤り訂正復号部
28 受信側ユニタリ変換部

Claims (5)

  1. 複数の送信アンテナと、前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化する同時送信ビットグループ化手段と、該同時送信ビットグループ化手段によりグループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信処理手段とを具備する送信機と、
    該送信機の前記送信アンテナから送信された信号を受信するための複数の受信アンテナと、該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求める尤度算出手段と、該尤度算出手段で求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なう受信処理手段とを具備する受信機とをそなえて構成されたことを特徴とする、通信システム。
  2. 複数の送信アンテナを有する送信機と、複数の受信アンテナを有する受信機とをそなえた通信システムにおいて、
    該送信機が、
    前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化し、
    そのグループ化したビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行ない、
    該受信機が、
    該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求め、
    求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なうことを特徴とする、通信方法。
  3. 複数の送信アンテナと、
    前記複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化する同時送信ビットグループ化手段と、
    該同時送信ビットグループ化手段によりグループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信処理手段とをそなえたことを特徴とする、送信機。
  4. 該同時送信ビットグループ化手段が、
    前記送信データストリームの複数ビットで1シンボルを送信する際の当該シンボル内の信頼度の高低に応じたビット集合を前記グループとしてグループ化するように構成されたことを特徴とする、請求項3記載の送信機。
  5. 複数の送信アンテナの一部又は全部から同時刻に送信すべきデータビットの組み合わせを1グループとして送信データストリームをグループ化した上で、当該グループ化されたビット組み合わせ単位で、ビット繰り返し処理及び再送処理の少なくともいずれかを含む送信処理を行なう送信機から送信された信号を受信する受信機であって、
    前記信号を受信するための複数の受信アンテナと、
    該受信アンテナで受信された受信信号について前記グループ毎の尤度を求める尤度算出手段と、
    該尤度算出手段で求められた尤度を合成することにより前記グループ単位でのビット繰り返し合成処理及び再送合成処理の少なくともいずれかを含む受信処理を行なう受信処理手段とをそなえたことを特徴とする、受信機。
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