JP2008147932A

JP2008147932A - 受信信号の干渉信号を除去する復号装置及び復号方法

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Publication number: JP2008147932A
Application number: JP2006331984A
Authority: JP
Inventors: Yasuta Azuma; 康太東; Yuhei Nagao; 勇平長尾; Masayuki Kurosaki; 正行黒崎; Hiroshi Ochi; 博尾知
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】受信機側にて、チャネル係数行列の直交成分を利用することで、特許文献１の低演算量の順序付け遂次復号を行う復号装置を提供する。
【解決手段】本発明は、復号演算で用いるパラメータの生成のためにチャネル係数行列を複素転置変換する複素転置変換装置と、復号演算で用いるパラメータを算出する第１複素行列乗算装置と、受信信号ベクトルと複素転置変換装置から得られる複素行列との複素数乗算する第２複素行列乗算装置と、復号演算に用いるパラメータを選ぶ第１選択装置と、第２複素行列乗算装置の乗算結果と第１選択装置で選ばれたパラメータを利用して干渉成分が除去された復号の演算を行う復号用演算装置と、復号用演算装置の出力である干渉成分が除去された信号の出力順序を制御する第２選択装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、送信機側でＳＤＭ（Space Division Multiplexing）とＳＴＢＣ（Space -Time Block Coding）を組み合わせたＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）無線通信システムにおける、受信機側の受信信号の干渉信号を除去する復号装置及び復号方法に関する。

近年、無線通信の大容量化に伴いＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）技術の研究が盛んに行われている。特に広帯域伝送方式として周波数利用効率に優れているＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を組み合わせたＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ技術は，次世代無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ｎでも採用されており、100Mbps以上の伝送レートを達成できるものとして注目されている。本発明は、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ技術を応用した送信アンテナ数4本、受信アンテナ数2本で、最大600Mbpsを達成するＧＬＳＴ（Group Layered Space-Time）−ＭＩＭＯ無線ＬＡＮシステムに着目する。このようなＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムでは複数の受信アンテナのデータから送信データを復号するＧＬＳＴデコーダ（干渉キャンセラ；復号装置）の性能が、システム全体の性能に影響を与える。

ＭＩＭＯ伝送技術には、高速伝送を目的とするＳＤＭ（Space Division Multiplexing）伝送方式や、高信頼度性の向上を目的とするＳＴＢＣ（Space -Time Block Coding）がある。ＳＤＭは各送信アンテナから同一時刻、同一周波数帯域で異なる信号を送信するため、受信機側では各送信アンテナからの信号が干渉したものとなる。そこで、受信機側では干渉信号を除去する復号装置が必要となる。ＳＴＢＣは、マルチパスフェージング環境において、多数の送信アンテナから適切に符号化された信号を送信し、受信信号に対して最大比合成を行うことで送信ダイバーシチを達成し、高信頼度伝送を図る方式である。

非特許文献１によれば、前述のＳＤＭ伝送方式と、ＳＴＢＣの一つである二つの複素信号に対して直交性を持たせるＳＴＯＢＣ（Space -Time Orthogonal Block Coding）を組み合わせたＭＩＭＯ伝送技術が提案されている。前述のＭＩＭＯ伝送技術において、４本の送信アンテナと２本の受信アンテナを用いることで、周波数利用効率の向上による高速伝送と、送信ダイバーシチによる高信頼度伝送とを同時に達成することができる。非特許文献１では、具体的な復号方法として、ＺＦ（Zero Forcing）基準やＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）基準を元に、伝送路が与える干渉信号成分をチャネル推定装置から得られるチャネル係数行列を利用して重み行列を求め、受信信号ベクトルとの乗算を行い、干渉信号を除去する。しかし、復号過程において、逆行列演算を行う必要があり、送信アンテナ数Ｎ_ＴＸ本のＭＩＭＯ無線通信システムでは、重み行列を導出する際Ｏ（Ｎ_ＴＸ ^３）の演算量が必要となる。

このように、復号方法の演算量増大に伴う復号装置の回路規模が増大するという問題がある。ここで、本明細書における演算量は、簡単のため乗算の回数を表すものと定義する。この問題点を改善した復号方法として、チャネル係数行列の直交成分を利用することで、ＺＦ基準及びＭＭＳＥ基準の重み行列を用いた順序付け遂次復号がある（特許文献１）。これにより重み行列の逆行列演算を必要としない復号が行え、更に復号過程における順序付け及び遂次的な復号を簡単化することができ、Ｏ（Ｎ_ＴＸ ^２）の演算量で受信信号の干渉信号を除去する。

しかし、特許文献１では、復号装置内の設計に関して詳しい構成は述べられていない。また、復号装置には複素行列乗算等、多数の乗算装置が含まれるため、実装する上で回路規模の縮小化を考慮する必要がある。
G. D. Golden, C. J. Foschini, R. A. Valenzuela and P. W. Wolniansky, "Detection algorithm and initial laboratory results using V-BLAST space-time communication architecture", Electronics Letters 7th January 1999 Vol. 35 No. 1 特開２００６−２６２４２８号公報

本発明は、受信機側にて、チャネル係数行列の直交成分を利用することで、特許文献１の低演算量の順序付け遂次復号を行う復号装置を提供することを目的としている。

また、本発明は、前述の復号装置の実装に向けて、演算回路を減らすことで、回路規模の縮小化を図ることを目的としている。

本発明の復号装置は、送信機側でＳＤＭ（Space Division Multiplexing）とＳＴＢＣ（Space-Time Block Coding）を組み合わせたＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）無線通信システムの受信機側の受信信号に含まれるチャネルの受信信号の干渉信号を除去する。そして、本発明は、復号演算で用いるパラメータの生成のためにチャネル係数行列を複素転置変換する複素転置変換装置と、復号演算で用いるパラメータを算出する第１複素行列乗算装置と、受信信号ベクトルと複素転置変換装置から得られる複素行列との複素数乗算する第２複素行列乗算装置と、復号演算に用いるパラメータを選ぶ第１選択装置と、第２複素行列乗算装置の乗算結果と第１選択装置で選ばれたパラメータを利用して干渉成分が除去された復号の演算を行う復号用演算装置と、復号用演算装置の出力である干渉成分が除去された信号の出力順序を制御する第２選択装置と、を備えることを特徴としている。

複素転置変換装置は、チャネル推定装置から得られるチャネル係数行列を複素転置変換する。第１複素行列乗算装置により算出されたパラメータを保持するメモリを備え、このメモリから出力されるパラメータの比較を行い、その比較結果の出力を行う比較装置を備える。この比較装置の比較結果に基づき、第１選択装置は復号用演算装置における演算に必要なパラメータの選択を行ない、かつ、第２選択装置は復号された信号の出力順序を制御するための選択を行う。

また、本発明の復号方法は、送信機側でＳＤＭ（Space Division Multiplexing）とＳＴＢＣ（Space-Time Block Coding）を組み合わせたＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）無線通信システムの受信機側の受信信号に含まれるチャネルの受信信号の干渉信号を除去する。そして、本発明は、復号演算で用いるパラメータの生成のためにチャネル係数行列を複素転置変換し、復号演算で用いるパラメータを算出し、受信信号ベクトルと前記複素転置変換から得られる複素行列との複素数乗算し、復号演算に用いるパラメータを選択し、受信信号ベクトルと複素行列との複素数乗算の結果と選択されたパラメータを利用して干渉成分が除去された復号の演算を行い、復号演算出力である干渉成分が除去された信号の出力順序を制御することを特徴としている。

本発明によれば、復号演算に必要なパラメータの選択且つ演算処理回路の共通化を図ることで、回路規模の縮小化が考慮された設計となっている。これにより回路規模の縮小化を考慮し、且つ特許文献１の低演算量の復号方法に準拠した装置が構成できる。

以下、数式と図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳しく説明する。

図１は、本発明を具体化する受信機の復号装置の構成を示す図である。図２は、本発明の回路規模の比較対象として示す比較図である。図３は、図１に示した受信機の復号装置を含むＭＩＭＯ無線通信システムの符号化、復号化装置の構成を示す図である。

最初に、図３を参照して、送信アンテナ数４本、受信アンテナ数２本として、ＭＩＭＯ無線通信システムについて説明する。本発明である復号装置を含むＭＩＭＯ無線通信システムの送信機側では、非特許文献１のＳＤＭ伝送方式とＳＴＢＣ伝送方式を組み合わせた伝送システムを適用する。

送信機側で生成される信号ｘ₁、ｘ₂、ｘ₃、ｘ₄は、それぞれ送信データをＢＰＳＫ変調やＱＡＭ変調等の変調後の信号を表している。［ｘ₁、ｘ₂］、［ｘ₃、ｘ₄］は、それぞれ２個のＳ／Ｐ（シリアル／パラレル）変換装置に入力されて、

を、ＳＴＢＣ装置に入力する。ＳＴＢＣ装置により符号化された符号化信号ベクトルSは、以下の式（１）によって表される。ここで上付きのTは転置を、*は複素共役を示す。

この符号化信号ベクトルSは、送信機側の４本のアンテナＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄから送信されて、受信機側の２本のアンテナ１、２により受信される。そして各アンテナの時刻t及び時刻t+1にて受信した信号を、受信信号ベクトルＲとする。送受信アンテナ間のチャネルの影響を受けた受信信号ベクトルＲを式（２）で定義する。ここでＨはチャネル係数行列、各チャネル係数の下付きの左側が送信アンテナ番号、右側が受信アンテナ番号を示す。またｎは雑音成分、上付きのtは時間軸のインデックスを示す。

次に、図１を参照して、復号装置の構成及び動作について説明する。本来チャネル推定装置で得られるチャネル係数行列は、式（２）に示すチャネル係数行列Ｈに雑音成分が付加したものとなるが、ここでは簡単のため、式（２）に示すチャネル係数行列Ｈと等しいと仮定する。

図１に示す復号装置は、復号演算で用いるパラメータの生成のためにチャネル係数行列を複素転置変換する複素転置変換装置１０１、復号演算で用いるパラメータを算出する第１複素行列乗算装置１０２、そのパラメータを格納するメモリ１０３、受信信号ベクトルと複素転置変換装置１０１から得られる複素行列との複素数乗算する第２複素行列乗算装置１０４、比較装置１０５、復号演算に用いるパラメータ群を選ぶ第１選択装置１０６、第２複素行列乗算装置１０４の乗算結果と第１選択装置１０６で選ばれたパラメータ群を利用して干渉キャンセルを行う復号用演算装置１０７、復号用演算装置１０７の出力である干渉成分が除去された信号の出力順序を制御する第２選択装置１０８を備える。

第１複素行列乗算装置１０２は、チャネル推定装置より得られるチャネル係数行列と、このチャネル係数行列の複素転置変換した行列の複素行列乗算を行い、α、β、γ、δ及びεを算出して、メモリ１０３に格納する。α及びβの物理的な意味として送受信アンテナ間の干渉成分であるチャネルの電力を示している。具体的に述べると、αは送信アンテナＡ、Ｂと受信アンテナ１、２の間、βは送信アンテナＣ、Ｄと受信アンテナ１、２の間のチャネルの電力を示している。また、γ、δ及びεは復号演算に必要なパラメータである。

第２複素行列乗算装置１０４は、受信信号ベクトルＲと、チャネル係数行列の複素転置行列の複素行列乗算を行い、後述の復号演算で必要なベクトルＹを演算して、第１選択装置１０６に出力する。

比較装置１０５は、復号の順序付けのためにαとβの大小関係の比較を行い、第１及び第２選択装置に比較結果を出力する。αとβの大小関係を比較する意味は、干渉成分の小さいチャネルを通過した２つの送信信号（［ｘ₁、ｘ₂］または［ｘ₃、ｘ₄］）を最初に復号し、その後残りの送信信号（［ｘ₁、ｘ₂］を最初に復号した場合は［ｘ₃、ｘ₄］、［ｘ₃、ｘ₄］を最初に復号した場合は［ｘ₁、ｘ₂］）を復号するという、復号の順序付けを決めるためにある。ここで、最初に復号した信号を第１復号信号、残りの送信信号を復号した信号を第２復号信号と称する。比較装置１０５から出力される比較結果は、例としてα＜βの場合は１、α≧βの場合は０など、２値で表せる値を出力する。

第１選択装置１０６は、メモリ１０３に格納された値、第２複素行列乗算装置１０４の演算結果及び比較装置１０５の比較結果を入力とし、比較装置１０５の比較結果から、復号演算で用いるためのパラメータを選択する。選択基準は、αとβの大小関係であり、この大小関係により復号の順序付けが決まる。

復号用演算装置１０７は、前述の第１選択装置にて選択したパラメータを利用して、第１復号信号を得るための復号演算を行う。さらに、この演算結果に対して、各変調方式に応じたコンスタレーションを決定する硬判定復号処理を行って、硬判定復号信号を得る。そして、前述の選択したパラメータの一部と、硬判定復号処理から得られる硬判定復号信号を利用して、第２復号信号を得るための復号演算を行う。

第２選択装置１０８は、比較装置１０５が出力した比較結果、復号用演算装置１０７から得られる第１及び第２復号信号を入力とし、選択基準は、上記のαとβの大小関係に基づいて、復号した信号の出力順番を選択する。α＜βの場合は第１復号信号［ｘ₁、ｘ₂］、第２復号信号［ｘ₃、ｘ₄］の順序で復号されるので、第２選択装置１０８の出力順序は［ｘ₁、ｘ₂］→［ｘ₃、ｘ₄］のままで良い。しかし、α≧βの場合は第１復号信号［ｘ₃、ｘ₄］、第２復号信号［ｘ₁、ｘ₂］の順序で復号されるので、第２選択装置１０８にて出力順序を［ｘ₁、ｘ₂］→［ｘ₃、ｘ₄］の順序に入れ替える必要がある。第２選択装置１０８はそのための装置である。

比較例として示す図２の復号装置は、複素転置変換装置２０１、第１複素行列乗算装置２０２、メモリ２０３、第２複素行列乗算装置２０４、比較装置２０５、第１復号用演算装置２０６、第２復号用演算装置２０７、選択装置２０８を備える。複素転置変換装置２０１から比較装置２０５は、前述の図１の複素転置変換装置１０１から比較装置１０５と同様の機能を持つ。

第１復号用演算装置２０６及び第２復号用演算装置２０７は、αとβの比較基準に応じた復号演算を各々で行うために備え、図１の復号用演算装置１０７と同様の機能を持つ。そして、αとβの比較結果をイネーブル信号とし、制御することで復号信号を算出する。選択装置２０８は、αとβの比較結果から出力順序の制御を行うために備え、前述の図１の第２選択装置１０８と同様の機能を持つ。

図２の復号装置は、復号演算に必要なパラメータを全て利用して、復号信号を算出するため、復号用演算装置が２個必要となる。しかし、本発明を具体化する図１の復号装置は、復号演算に必要なパラメータの選択且つ演算処理回路の共通化を図るために、復号用演算装置が１個で構成できる。故に、本発明の復号装置の回路構成は、回路規模の縮小化が考慮された設計となっている。

図４は、図１に示す復号装置をさらに具体化した復号装置の構成を示す図である。以下、図４を参照して、本発明の復号装置の処理手順及び各装置の説明を行う。

処理手順１として、チャネル係数行列の複素転置変換を行う。この処理部は図４の複素転置変換装置４０１に相当する。

処理手順２として、式（３）の複素行列乗算を行う。ここで上付きのＨは複素転置変換を示す。この処理部は図４の第１複素行列乗算装置４０２に相当する。チャネル係数行列とその複素転置変換行列の複素行列乗算は、以下の通りである。

前述の式（３）のα、β、γ及びδはそれぞれ式（４）〜式（７）で定義される。

ここで簡単のため、εを式（８）で定義する。

処理手順３として、前述の式（３）、（８）で求めたα、β、γ、δ及びεを、図４のメモリ４０３に格納する。

処理手順４として、受信信号ベクトルＲとチャネル係数行列を利用して、式（９）の複素行列乗算を行う。この処理部は図４の第２複素行列乗算装置４０４に相当する。

処理手順５として、復号の順序付けのためにαとβの比較を行い、比較結果を出力する。この処理部は図４の比較装置４０５に相当する。

処理手順６として、メモリ４０３に格納された値、第２複素行列乗算装置４０４の演算結果及び比較装置４０５の比較結果を利用して、下記のパラメータを選択する。選択基準及び選択するパラメータを式（10）で定義する。この処理部は図４の第１選択装置４０６に相当する。

処理手順７として、上記のパラメータを利用して、第１復号信号を求めるために、式（11）の演算を行う。この処理部は図４の第１復号用演算装置４０７に相当する。

処理手順８として、前述の式（11）から得られる、第１復号信号を、式（12）に基づき硬判定復号処理を行う。この処理部は図４の硬判定復号装置４０８に相当する。

処理手順９として、前述の第１選択装置４０６で選択したパラメータと、硬判定復号装置４０８の硬判定復号処理から得られる硬判定復号信号を利用して、第２復号信号を求めるために、式（13）の演算を行う。この処理部は図４の第２復号用演算装置４０９に相当する。

処理手順１０として、比較装置４０５から得られる比較結果、第１復号用演算装置４０７から得られる第１復号信号及び第２復号用演算装置４０９から得られる第２復号信号を利用して、復号信号の出力順番を選択する。選択基準及び出力順番は式（14）で定義する。この処理部は図４の第２選択装置４１０に相当する。

本発明の復号装置の構成図である。本発明の回路規模の比較対象として示す比較図である。本発明を実施するための最良の形態を示すために、送信アンテナ数４本、受信アンテナ数２本のＭＩＭＯ無線通信システムの構成を表す図である。図１の復号装置をさらに具体化した構成図である。

符号の説明

１０１複素転置変換装置
１０２第１複素行列乗算装置
１０３メモリ
１０４第２複素行列乗算装置
１０５比較装置
１０６第１選択装置
１０７復号用演算装置
１０８第２選択装置
２０１複素転置変換装置
２０２第１複素行列乗算装置
２０３メモリ
２０４第２複素行列乗算装置
２０５比較装置
２０６第１復号用演算装置
２０７第２復号用演算装置
２０８選択装置
４０１複素転置変換装置
４０２第１複素行列乗算装置
４０３メモリ
４０４第２複素行列乗算装置
４０５比較装置
４０６第１選択装置
４０７第１復号用演算装置
４０８硬判定復号装置
４０９第２復号用演算装置
４１０第２選択装置

Claims

送信機側でＳＤＭ（Space Division Multiplexing）とＳＴＢＣ（Space-Time Block Coding）を組み合わせたＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）無線通信システムの受信機側の受信信号に含まれるチャネルの受信信号の干渉信号を除去する復号装置において、
復号演算で用いるパラメータの生成のためにチャネル係数行列を複素転置変換する複素転置変換装置と、
復号演算で用いるパラメータを算出する第１複素行列乗算装置と、
受信信号ベクトルと前記複素転置変換装置から得られる複素行列との複素数乗算する第２複素行列乗算装置と、
復号演算に用いるパラメータを選ぶ第１選択装置と、
第２複素行列乗算装置の乗算結果と第１選択装置で選ばれたパラメータを利用して干渉成分が除去された復号の演算を行う復号用演算装置と、
前記復号用演算装置の出力である干渉成分が除去された信号の出力順序を制御する第２選択装置と、
を備えることから成る復号装置。
前記複素転置変換装置は、チャネル推定装置から得られるチャネル係数行列を複素転置変換する請求項１に記載の復号装置。
前記第１複素行列乗算装置により算出されたパラメータを保持するメモリを備えた請求項１に記載の復号装置。
前記メモリから出力されるパラメータの比較を行い、その比較結果の出力を行う比較装置を備えた請求項３に記載の復号装置。
前記比較装置の比較結果に基づき、前記第１選択装置は前記復号用演算装置における演算に必要なパラメータの選択を行ない、かつ、前記第２選択装置は復号された信号の出力順序を制御するための選択を行う請求項４に記載の復号装置。
送信機側でＳＤＭ（Space Division Multiplexing）とＳＴＢＣ（Space-Time Block Coding）を組み合わせたＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）無線通信システムの受信機側の受信信号に含まれるチャネルの受信信号の干渉信号を除去する復号方法において、
復号演算で用いるパラメータの生成のためにチャネル係数行列を複素転置変換し、
復号演算で用いるパラメータを算出し、
受信信号ベクトルと前記複素転置変換から得られる複素行列との複素数乗算し、
復号演算に用いるパラメータを選択し、
受信信号ベクトルと複素行列との前記複素数乗算の結果と選択されたパラメータを利用して干渉成分が除去された復号の演算を行い、
復号演算出力である干渉成分が除去された信号の出力順序を制御する、
ことから成る復号方法。