JP2008503955A - コンスタレーション部分集合マッピングを備える、データ・ストリームの変調 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つのデータ・ストリーム(p₁..p_n)を符号化する方法において、少なくとも２つのデータ・ストリーム(p₁..p_n)のそれぞれのビット系列を、変調コンスタレーションの少なくとも２つの部分集合（I,II,I_a,I_b,II_a,II_b）のうちの１つの一部であるシンボルに所定の順序でマッピングする。少なくとも２つの部分集合（I,II,I_a,I_b,II_a,II_b）のうちの１つは、先行するデータ・ストリーム(p₁..p_n)のビット系列の符号化に既に用いられたシンボルを考慮する符号化規則によって判定される。

Description

本発明は、少なくとも２つのデータ・ストリームを符号化する方法に関し、前述の符号化方法を用いた送信器に関する。本発明は、少なくとも２つのデータ・ストリームを復号化する方法に更に関する。更に、本発明は、前述の送信器及び／又は受信器を備える電気通信システムに関する。前述の送信器又は受信器は、例えば、移動体ネットワークにおける基地局、又は携帯電話機若しくは携帯情報端末（PDA）であり得る。あるいは、前述の送信器及び／又は受信器は、パソコンに内蔵し得るものであるか、又は、ネットワーク・インタフェース・カード（NIC）（（ポータブル）パソコンに挿入し得る）であり得る。

前述の方法は、米国特許出願公報第2003/0043929号明細書によって公知である。送信器及び受信器（それぞれが、信号の送信及び受信のために複数のアンテナを有している）を備える電気通信システムが示されている。上記文献によれば、送信信号の前処理によって送信を最適化することが可能である。前述の方法は、アンテナ相関を表す代表的な相関行列を生成する工程を有する。アンテナ相関は受信器にて判定することが可能であり、送信器にフィードバックすることが可能である。しかし、フィードバックによってシステムの複雑度が増加し、これは不要なものである。

したがって、本発明の目的は、フィードバックを要することなく受信器に同時に送信することが可能な少なくとも２つのデータ・ストリームを符号化する方法を提供することである。本発明によれば、この目的は、少なくとも２つのデータ・ストリームが、先行するデータ・ストリームのビット系列の符号化に既に用いられたシンボルを考慮する符号化規則によって少なくとも２つの部分集合のうちの１つが判定される、変調コンスタレーションの少なくとも２つの部分集合の１つの一部であるシンボルに、規定された順序で少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれのビット系列をマッピングすることによって符号化される、少なくとも２つのデータ・ストリームを符号化する方法を用いることによって実現することが可能である。

本発明は、送信器から受信器にデータ・ストリームが伝搬する通信チャネルが減衰及び位相回転において異なるという洞察に基づいている。通信チャネルの減衰における差によって、異なる信号対雑音比を有する送信データ・ストリームが受信される。更に、最低の信号対雑音比を有するストリームによって全体のシステム特性がかなり決まってくる。この問題は、最悪のＳＮＲを有するチャネルを介して送信するデータを少なくし、最善のチャネルを介して送信するデータ量を最大にすることによって手当てすることが可能である。しかし、このことは、受信器から送信器へのフィードバックをなお必要とし、これは明らかに不必要である。本発明によれば、変調手法（（１）データ・ストリームが規定の順序に符号化され、（２）少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれのビット系列が、変調コンスタレーションの部分集合（先行して符号化されたビット系列のシンボルを入力として用いる特定の（符号化）規則によって判定される）を用いて符号化される）を用いることによって前述の目標を達成することが可能である。これによって、データ・ストリームの復調の信頼度の向上が可能になる。部分集合を用いることによって、データ・ストリームのマッピング解除（すなわち、送信されたシンボルの判定）を行ううえでの選択の自由度が低減されるからである。

少なくとも２つのデータ・ストリームを復号化する方法の実施例では、上記方法は、
符号化された少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれを復号化する順序を判定する工程と、
少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれのシンボルを少なくとも２つの変調コンスタレーション部分集合のうちの１つを用いてもう一度ビットにマッピング解除することによって復号化順序における少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれを復号化する工程であって、既にマッピング解除された先行するデータ・ストリームのシンボルを考慮する復号化規則によって判定される工程とを備える。復号化規則を用いれば、受信器は、少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれを符号化するのに用いられた部分集合を解明することができる。各部分集合が備えるシンボルは変調コンスタレーション自体が備えるシンボルよりも少ないので、受信器の選択自由度は、ストリームの復調中に低減される（復調によって、ストリームの信頼度は向上する）。

少なくとも２つのデータ・ストリームを復号化する方法の別の実施例では、復号化の順序は、少なくとも２つの信号のそれぞれの信号対雑音比によって判定される。このようにして、信頼度が最も高い信号がまず復号化されることを確実にすることが可能である。

本発明のこれら及びその他の局面は、添付図面によって更に明らかにする。

以下の関係は、MIMOシステムの伝送モデルを表す。

r=H.x+n (1)
ここで、Hは要素h_ijを有するチャネル伝達行列、xは送信データ・ストリームを表す。xはサイズNtx×1のベクトルである。Ntxは送信データ・ストリームの数を表し、nは雑音ベクトルを表し、rは受信データ・ストリームを表す。rはサイズNrx×1のベクトルであり、ここで、Nrxは受信データ・ストリームの数を表す。

ディジタル伝送システムでは、ビットがシンボルXi（i=1 … Ntx）にマッピングされる。本発明によれば、マッピング処理は、データ・ストリームのそれぞれのマッピングが他の残りのデータ・ストリームに影響を及ぼすように行われる。本発明によれば、これは、ストリームのそれぞれの符号化のために変調コンスタレーションの部分集合を用いることによって達成することが可能である。基本的には、ストリームのうちの１つの復号化のための部分集合の選択は、先行ストリームの符号化に選択されたシンボルによって判定される。本発明によれば、部分集合は、送信器及び受信器によって知られている所定の規則組によって選択される。更に、送信可能なデータ・ストリームは特定の順序で符号化される。本発明は、３つ以上のシンボルを用いた何れかの変調コンスタレーション（QAMやM次PSKなど）を用いることによって行うことが可能である。本発明の原理を、非限定的ないくつかの例によって例証する。

図１は、２ビットのビット系列00、01、10、11を符号化するための、4シンボル{s₁,s₂,s₃,s₄}を備えるQPSK変調コンスタレーションを示す。上記例によれば、２つのストリームを符号化しなければならない。第１のストリームをまず符号化するものとする。第１のビット対が部分集合I=｛s₂,s₄｝の一部であるとすれば、第２のストリームは部分集合II=｛s₁,s₃｝を用いることによって符号化することが可能である。部分集合２は2つのシンボルしか備えていないので、第２のストリームについて1度に１つのビット（すなわち、0又は1）しか符号化することが可能でない。しかし、第１ストリームのビットが部分集合IIの一部である場合、第２のストリームのビットは部分集合Iからのシンボルによって符号化するべきである。別の規則（例えば、第１のストリームのビットが部分集合Iの一部の場合、第２のストリームのビットも同じ部分集合によって符号化するべきであるという規則）を考え出すことも同様に可能である。あるいは、第１のストリームのビットが第２の部分集合の一部である場合、又、第２の部分集合を前述のこの部分集合によって符号化すべきである。各ケースでは、最大3ビット（すなわち、第１のストリーム上の2ビット及び第２のストリーム上の1ビット）を送信することが可能である。

図２は、１６QAM変調に適した、より複雑な変調コンスタレーションを示す。図１のように、コンスタレーションは２つの一次部分集合（I=｛s₁,s₃,s₆,s₈,s₉,s₁₁,s₁₄,s₁₆｝及びII=｛s₂,s₄,s₅,s₇,s₁₀,s₁₂,s₁₃,s₁₅｝）に分割することが可能である。この場合も又、第１のストリームは、4ビットのビット系列を符号化するために変調コンスタレーションの何れかのシンボルを選択することが可能である。選択されたシンボルが一次部分集合Iの一部であるとすれば、第２のストリームからのビットは一次部分集合IIによって符号化すべきである。一次部分集合IIは８つのシンボルを備える。したがって、第２のストリームについて、シンボル毎に３つのビットしか符号化することが可能でない。しかし、第１のストリームのビットが、第２の一次部分集合の一部であるシンボルによって符号化される場合、第２のストリームのビットも、第１の一次部分集合のシンボルを用いて符号化される。前述の通り、第２のストリームが、第１のストリームと同じ一次部分集合によって符号化される規則を考え出すことも可能である。一般に、それぞれのストリームのシンボル間の符号化距離を最大に維持することを勧める。符号化手法を3つ以上のビット・ストリームの符号化に容易に拡張することが可能であることが分かる。３つのストリームを符号化する符号化手法の例を以下に表す。第１の２つのストリームを符号化するために、変調コンスタレーションはこの場合も又、前述の通り、２つの一次部分集合I及びIIに分割される。第１のストリームは、４つのビットを符号化するために、変調コンスタレーションの何れかのシンボルを選択することが可能である。選択されるシンボルは、第１の一次部分集合Iの一部又は第２の一次部分集合IIの一部である。例によれば、第１のストリームの選択シンボルを備える一次部分集合を用いることによって第２のストリームが符号化されるものとする。第２のストリームは、一次部分集合に備えられたシンボルの何れかを自由に選択できる。各部分集合は8つのシンボルしか備えていないので、第２のストリームは、シンボル毎に最大3ビットを符号化することが可能である。第３のストリームを符号化するためには、一次部分集合の更なる分割が必要である。第１の一次部分集合Iは二次部分集合（Ia=｛s₁,s₃,s₉,s₁₁｝及びIb=｛s₆,s₈,s₁₄,s₁₆｝）に分割され（図３を参照のこと）、第２の一次部分集合IIは二次部分集合（IIa=｛s₂,s₄,s₅,s₇｝及びIIb=｛s₁₀,s₁₂,s₁₃,s₁₅｝）に更に分割される（図４を参照のこと）。第３のストリームを復号化するための第２の部分集合は、第１のストリーム及び第２のストリームの符号化に選択されたシンボルによって判定される。あるいは、より具体的には、前述のシンボルを備える二次部分集合I_a、I_b、II_a、II_bである。第３のストリームを符号化するための以下の規則組を考え出すことが可能である。

1)I_aからのシンボルをストリーム１及びストリーム２が送信する場合、ストリーム３はI_aを用いる。

2)I_aからのシンボルをストリーム１が送信し、I_bからのシンボルをストリーム２が送信する場合、ストリーム３はI_bを用いる。

3)I_bからのシンボルをストリーム１が送信し、I_aからのシンボルをストリーム２が送信する場合、ストリーム３はI_aを用いる。

4)II_aからのシンボルをストリーム１及びストリーム２が送信する場合、ストリーム３はII_aを用いる。

5)II_aからのシンボルをストリーム１が送信し、II_bからのシンボルをストリーム２が送信する場合、ストリーム３はII_bを用いる。

6)II_bからのシンボルをストリーム１が送信し、II_aからのシンボルをストリーム２が送信する場合、ストリーム３はII_aを用いる。

第３のストリームによって２つのビットしか送信することが可能でないように各二次部分集合が４つのシンボルを備えることは明らかである。ストリーム全ての合計では、これによって、９つのビットがもたらされることになる。他の規則組も考え出すことが可能であることも当業者には明らかである。更に、変調コンスタレーションの他の部分集合を選択することが可能である。例えば、二次部分集合IIa及びIIbはこの場合、シンボル｛s₂,s₄,s₅,s₇｝及び｛s₁₀,s₁₂,s₁₃,s₁₅｝それぞれを備える（図４を参照のこと）。しかし、別の構成では、第２の部分集合IIa及びIIbは、シンボル｛s₂,s₄,s₁₀,s₁₂｝及び｛s₅,s₇,s₁₃,s₁₅｝それぞれを備え得る。これによって、部分集合IIa及びIIbのシンボル間の距離（符号化距離）が増加することになり、それによって、受信器でのシンボルの検出の信頼度が向上し得る。

ストリームの復調の場合、一次的に重要な点は、受信ストリームの信号対雑音比が分かっているということである。信号対雑音比は、用いられる復調原理に部分的に依拠する。例えば、更なる信号処理が何ら用いられず、受信器で、最大尤度検出手法が用いられる場合、信号対雑音比は、

によって表される。

この式ではNrxは受信器の数を表し、h_ijはチャネル行列の係数である。しかし、線形等化器を用いてストリームを復調する場合、等化器の出力での信号対雑音比は適宜変動し、チャネル行列H及び等化器係数から計算することが可能である。例えば、ゼロフォーシング等化器の場合、係数f_ijを備える等化器行列Fは、チャネル行列Hから、
F=H⁻¹ (3)
によって導き出すことが可能である。

受信信号rを等化した後、以下の信号がもたらされる。

F.r.=F.H.x+F.n=x+z (4)
ここで、zは等化雑音信号nを表す。等化器の出力での各ストリームの信号対雑音比は、

によって表す。

この式では、P_Tは送信電力であり、Aはチャネル減衰であり、N₀は雑音信号の電力を表す。受信される信号エネルギが最大のチャネルを決定するうえで、A、P_T又はN₀の値が分かっている必要はない。しかし、伝搬チャネルが分かっていることは必要である。これは基本的には、行列Hが分かっていることを意味する。

最高の信号対雑音比を有するストリームが最初に復調される。更に、受信器は、送信された変調コンスタレーション・シンボルを検出しなければならない。このシンボルを前提とすれば、受信器は、二番目に最良のSNRを有するストリームのシンボルを検出するうえで考えられる選択肢組を減らすことが可能である。この第２のストリームのシンボルが検出されると、残りのストリーム組をなお更に減らすことが可能である。これによって、劣悪な信号対雑音比を受信ストリームが有している状態でもシンボルを容易に検出することが可能になる。ＱＰＳＫコンスタレーション（例えば、図１に示すもの）を用いて変調された２ビット・ストリームが送信されたものとする。ストリーム1がシンボルs₁を用いて変調され、ストリーム２が以下の規則（すなわち、第１のストリームを変調するためにシンボルs₁を用いる場合、シンボルs₁又はs₃の何れかを用いて第２のストリームを変調する）に従って変調されたものとする。上記例によれば、シンボルs₃は、第２のストリームのビット系列を変調するよう選ばれる。更に、第２のストリームは、２つのうちで最高の信号対雑音比を有しているとみなされるので、送信器はこれを最初に復調する。明らかに、受信器には、第２のストリームによって送信されたBPSQコンスタレーションのシンボルのうちのどれであるかが分からない。よって、受信器は、シンボル{s₁,s₂,s₃,s₄}のうちのどれが送信されたかを判定しなければならない。第２のストリームについてシンボルs₃の検出が適切であるとすれば、この場合、シンボルs_１又はs₃の何れかが第１のストリームにおいて送信されたはずであることに自動的になる。この場合、考えられる選択肢組が４つから２つに減らされる。

図５は、本発明によってビット系列seq₁を符号化するよう形成された送信器の実施例を示す。送信する対象のビットを、チャネル符号器１０によってまず符号化し、いくつかの並列ストリームp₁..p_nに、分散させる（多重化する）。各ストリームは、変調器M₁乃至M_nまで結合される。変調器は、変調コンスタレーション（例えば、１６QAM）のシンボルにビットをマッピングする。各変調器M₁乃至M_nは、先行する変調器M₁乃至M_nの結果によって判定される変調コンスタレーションの部分集合を用いてシンボルにビットをマッピングするよう形成される。本発明によれば、ストリームは一定の順序で符号化されなければならないが、その順序は自由に決めることが可能である。しかし、受信器は当然、符号器において用いる順序が分かっていなければならない。M₁が第１のストリームを変調するものとすれば、変調コンスタレーションの（部分集合の）何れかのシンボルを自由に選ぶことができる。各変調器M₁乃至M_nは、フロントエンド１４に結合される。フロントエンド１４は、シンボルをRF信号に変換し、アンテナ１６を介してこれを、対応する受信器に送信する。

図６は、本発明によって変調されたRF信号組を受信し、復調する対応受信器の例を示す。これらのRF信号は、チャネル伝達行列Hを計算するチャネル推定器２４まで結合される一連のストリームp’₁..p’_nを得るようにフロントエンド２２に結合されたアンテナ２０によって受信される。チャネル推定が分かると、信号対雑音比を要素２６において例えば、式４によって計算することが可能である。前述の信号対雑音比によって、最初に復調されるストリームが決められる。この目的で、受信器は、復調器D₁..D_nまでストリームp’₁..p’_nを結合するいくつかのセレクタSEL₁…SEL_nを備える。復調の順序は、受信信号の信号対雑音比によって判定される（すなわち、最高の信号対雑音比を有する信号p’₁..p’_nがまず復調され、次いで、2番目に最高の信号対雑音比を有する信号p’₁..p’_nが復調される等である。最初に復調されるシンボルによって、次のストリームの復調方法が決まってくる。その後、検出シンボルは、チャネル復号器３０に転送される。明らかに、復調器は、個々の受信信号p'1..p'nそれぞれを復調するのに用いられた可能性がある部分集合が分かっていなければならない。

白色ガウス雑音が通信チャネルに付加されている（これは、受信器でのシンボルの正確な検出を妨げ得る）場合、受信信号の最も近くに来る適切な組のシンボルが、最も可能性がある送信シンボルとして選ばれるべきである。しかし、第１のストリームが受信器で誤って復調される場合、間違った部分集合を受信器が推定するので、後続ストリームも誤って復調される可能性が存在し得る。しかし、復調の信頼度を受信器で容易に測定することが可能であるため、部分集合を用いる代わりに、コンスタレーションのシンボル全てにわたるサーチに、正しいシンボルのサーチを拡張することが可能である。符号化手法によって、制限された量のみのシンボル・コンスタレーションが可能である。コンスタレーションの制限によって、考えられるコンスタレーション間の距離が増加し、検出の信頼度が向上する。更に、シンボルの信頼度は例えば、最も近いコンスタレーション点までの受信信号の距離によって評価することが可能である。復号化中にこの信頼度情報を考慮することが可能である。

なお、上記実施例は本発明を限定するよりも例証するものであり、特許請求の範囲記載の範囲から逸脱することなく別の多くの実施例を当業者が企図することができるであろう。上記実施例に示す信号処理は全て、アナログ領域及びディジタル領域において行うことが可能である。本発明は、2×2のシステムに適用可能であるのみならず、M×Nのシステムに用いることもできる。「comprising」という語は、特許請求の範囲記載の構成要素又は工程以外の構成要素又は工程が存在することを排除するものでない。構成要素に語「a」又は「an」が先行していることは、前述の構成要素が複数存在することを排除するものでない。単に特定の方策が互いに別々の従属請求項に記載されていることは、こうした方策の組み合わせを利用することができないことを示すものでない。

QPSK変調コンスタレーションを示す図である。 １６QAM変調コンスタレーション及びその２つの一次部分集合を示す図である。 １６QAM変調コンスタレーションの第１の一次部分集合、及びそれに対応する２つの二次部分集合を示す図である。 １６QAM変調コンスタレーションの第２の一次部分集合、及びそれに対応する２つの二次部分集合を示す図である。 本発明による、ビット系列を符号化するよう形成された送信器の実施例を示す図である。 本発明によって符号化された信号を受信する受信器の実施例を示す図である。

Claims (8)

1. 少なくとも２つのデータ・ストリームを、変調コンスタレーションの少なくとも２つの部分集合のうちの１つの一部であるシンボルに所定の順序で前記少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれのビット系列をマッピングすることによって符号化する方法であって、前記少なくとも２つの部分集合のうちの１つが、先行するデータ・ストリームのビット系列の符号化に既に用いられたシンボルを考慮する符号化規則によって判定されることを特徴とする方法。
2. 送信器であって、請求項１記載の方法によって変調された少なくとも２つのデータ・ストリームを同時に送信するよう形成されたことを特徴とする送信器。
3. 請求項１記載の方法によって符号化された少なくとも２つのデータ・ストリームを復号化する方法であって、
   前記少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれを復号化する復号化順序を判定する工程と、
   前記少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれのシンボルを少なくとも２つの変調コンスタレーション部分集合のうちの１つを用いてもう一度ビットにマッピング解除することによって前記復号化順序において前記少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれを復号化する工程であって、前記少なくとも２つの部分集合のうちの１つが、既にマッピング解除された先行するデータ・ストリームのシンボルに関する復号化規則によって判定される工程とを備えることを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の方法であって、前記復号化順序が、前記少なくとも２つのデータ・ストリームのそれぞれの信号対雑音比によって判定されることを特徴とする方法。
5. 請求項４記載の方法であって、最高の信号対雑音比を有する、前記少なくとも２つのデータ・ストリームのうちの第１のものが最初に復号化されることを特徴とする方法。
6. 同時に送信された少なくとも２つの信号を受信するよう形成された受信器であって、前記同時に送信された少なくとも２つの受信信号が、請求項３、４又は５に記載の方法によって復調されることを特徴とする受信器。
7. 電気通信システムであって、請求項２記載の送信器を備えることを特徴とする電気通信システム。
8. 請求項７記載の電気通信システムであって、請求項７記載の受信器を更に備えること
   を特徴とする電気通信システム。

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