JP2008503971A - 最大ダイバーシチ最大符号率を有する偶数個の送信アンテナのための時空間ブロック符号装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、偶数個の送信アンテナを使用し、時空間ブロック符号化方式を使用する移動通信システムに関する。本発明に係る偶数個の送信アンテナを使用する送信機は、プリ符号化行列を利用して入力されるシンボル列をプリ符号化するプリ符号化器を有する。前記プリ符号化行列は、単一行列を穿孔することにより形成される行列である。前記プリ符号化器からのシンボル列を所定の符号化行列を利用して時空間符号化する時空間符号化器を含む。
Description
本発明は、無線通信システムの送信アンテナダイバーシチ装置及び方法に関し、特に、偶数個の送信アンテナのための時空間ブロック符号化装置及び方法に関する。
一般に、移動通信システムに存在する無線チャネル環境は、有線チャネル環境とは異なり、多重経路干渉(multipath interference)、シャドーイング(shadowing)、電波減衰、時変雑音及びフェージング(fading)などのような様々な要因により、やむをえずエラーが発生して情報の損失が生じる。
前記情報損失は、実際の送信信号に激しい歪みを発生させて、前記移動通信システムの全体性能を低下させる要因として作用する。一般に、このような情報の損失を減少させるために、チャネルの性格に応じて多様なエラー制御技法を利用してシステムの信頼度を高めるが、このようなエラー制御技法のうち、最も基本的な方法は、エラー訂正符号を使用することである。
また、無線通信システムにおいて、多重経路フェージングを緩和させるために、ダイバーシチ技術を使用するが、例えば、時間ダイバーシチ、周波数ダイバーシチ、アンテナダイバーシチなどがある。
前記アンテナダイバーシチ方式は、多重アンテナを使用する方式であって、前記アンテナダイバーシチ方式は、受信アンテナを複数使用する受信アンテナダイバーシチ方式、送信アンテナを複数使用する送信アンテナダイバーシチ方式、及び複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを使用する多重入力多重出力(MIMO:Multiple Input Multiple Output)方式に分類される。
ここで、前記MIMO方式は、一種の時空間符号化(STC:Space−Time Coding)方式であり、前記時空間符号化方式は、予め設定された符号化方式により符号化された信号を複数の送信アンテナを使用して送信することによって、時間領域での符号化方式を空間領域に拡張して、より低いエラー率を達成する方式である。
一方、前記アンテナダイバーシチ方式を效率的に適用するために提案された方式の1つである時空間ブロック符号化(STBC:Space Time Block Coding)方式は、「Vahid Tarokh」などにより提案されており(Vahid Tarokh,「Space time block coding from orthogonal design,」IEEE Trans.on Info.,Theory,Vol.45,pp.1456−1467,July 1999)、前記時空間ブロック符号化方式は、S.M.Alaoutiが提案した送信アンテナダイバーシチ方式(「A simple transmitter diversity scheme for wireless communication,」IEEE Journal on Selected Area in Communication,Vol.16,pp.1451−1458,Oct.1998)を2個以上の送信アンテナに適用できるように拡張した方式である。
図1は、従来の技術に係る時空間ブロック符号化方式を使用する移動通信システムにおける送信機の構成を示している。これは、Tarokhにより提案されたもので、同図に示すように、変調器100、直列/並列変換器102、時空間ブロック符号化器104、及び4個の送信アンテナ106、108、110、112で構成される。
図1に示すように、まず、変調器100は、入力される情報データ(または符号化データ)を予め設定された変調方式で変調して、変調シンボルを出力する。ここで、前記予め設定された変調方式は、BPSK(Binary Phase Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、PAM(Pulse Amplitude Modulation)、PSK(Phase Shift Keying)などのような変調方式のうち、いずれかの方式になり得る。
直列/並列変換器102は、前記変調器100からの直列データを並列データに変換して、時空間ブロック符号化器104に出力する。ここで、前記変調器100から出力される直列変調シンボルをs1s2s3s4と仮定する。前記時空間ブロック符号化器104は、前記直列/並列変換器102から入力された4個のシンボルを時空間ブロック符号化(STBC)して、8個の組み合わせを生成し、前記8個の組み合わせを順に4個の送信アンテナを介して送信する。前記8個の組み合わせを生成するための符号化行列は、下記の式1の通りである。
ここで、G4は、4個の送信アンテナを介して送信されるシンボルの符号化行列を示し、s1,s2,s3,s4は、送信しようとする4個の入力シンボルを示す。前記符号化行列で列(column)の数は、送信アンテナの数に対応し、行(row)の数は、前記4個のシンボルを送信するのに必要な時間を示す。すなわち、4個のシンボルが8個の時間区間の間、4個のアンテナを介して送信されることが分かる。
すなわち、第1番目の時間区間では、第1送信アンテナ106を介してs1が送信され、第2送信アンテナ108を介してs2が送信され、第3送信アンテナ110を介してs3が送信され、第4送信アンテナ112を介してs4が送信される。このような方式で、第8番目の時間区間では、第1送信アンテナ106を介して−s4 *が送信され、第2送信アンテナ108を介して−s3 *が送信され、第3送信アンテナ110を介してs2 *が送信され、第4送信アンテナ112を介してs1 *が送信される。すなわち、前記時空間ブロック符号化器104は、i番目のアンテナに前記符号化行列のi番目の列のシンボルを順に伝達する。
以上説明したように、前記時空間ブロック符号化器104は、入力される4個のシンボルに反転(negative)と共役(conjugate)を適用して8個のシンボル列を生成し、前記8個のシンボル列を8個の時間区間の間、4個のアンテナ106、108、110、112を介して送信する。ここで、それぞれのアンテナに出力されるシンボルシーケンス、すなわち符号化行列の列は、互いに直交性を有するため、ダイバーシチ次数分のダイバーシチ利得を獲得することができる。
図2は、従来の技術に係る時空間ブロック符号化方式を使用する移動通信システムにおける受信機の構成を示している。特に、前記図2は、図1の送信機の構造に対応する受信機の構造を示している。
同図に示すように、前記受信機は、複数の受信アンテナ200〜202、チャネル推定器204、信号結合器206、検出器208、並列/直列変換器210、及び復調器212で構成される。
同図に示すように、まず、図1の送信機から4個の送信アンテナを介して送信された信号は、第1受信アンテナ200〜第P受信アンテナ202それぞれを介して受信される。前記第1受信アンテナ200〜第P受信アンテナ202それぞれは、受信された信号をチャネル推定器204及び信号結合器206に出力する。
前記チャネル推定器204は、前記第1受信アンテナ200〜第P受信アンテナ202それぞれを介して受信された信号を入力して、チャネル利得を示すチャネル係数を推定して、検出器208及び前記信号結合器206に出力する。すなわち、前記チャネル推定器204は、前記送信機の送信アンテナ106、108、110、112から前記受信アンテナ200〜202へのチャネル利得を示すチャネル係数を推定する。
前記信号結合器206は、前記第1受信アンテナ200〜第P受信アンテナ202それぞれを介して受信された信号と、前記チャネル推定器204から出力されるチャネル係数とを所定の規則に応じて結合して、受信シンボルを出力する。
前記検出器208は、前記信号結合器206からの前記受信シンボルに前記チャネル推定器204からの前記チャネル係数を乗算して推定シンボルを生成し、前記推定シンボルを持って、前記送信機から送信可能な全てのシンボルに対する決定統計量を計算した後、臨界値検出を介して前記送信機が送信したシンボルを検出して出力する。
並列/直列変換器210は、前記検出器208からの並列データを直列データに変換して出力する。復調器212は、前記並列/直列変換器210からのシンボルを予め設定された復調方式で復調して、本来の情報データビットに復元する。
上述のAlamoutiの時空間ブロック符号化技術は、2個の送信アンテナを介して複素シンボルを送信しても、送信率を損失せず、送信アンテナの数と同じ、すなわち最大のダイバーシチ次数を得ることができるという利点がある。
一方、前記Alamoutiの時空間ブロック符号化技術を拡張したTarokhの方式は、先の図1と図2で説明した通り、相互間に直交的な列を有する行列形態の時空間ブロック符号を使用して、最大ダイバーシチ次数を得る。しかしながら、前記Tarokh方式は、4個の複素シンボルを8個の時間区間の間に送信するため、送信率が1/2に減少する。また、1つのブロック(4個のシンボル)を完全に送信するのに8個の時間区間が必要なため、高速のフェージングの場合、ブロック内でのチャネルの変化により受信性能が劣化するという問題がある。すなわち、4個以上のアンテナを使用して複素シンボルを送信する場合、N個のシンボルを送信するために、2N個の時間区間が必要なため、遅延時間が長くなり、送信率が低下するという問題がある。
一方、3個以上の送信アンテナを介して複素信号を送信する多重アンテナシステムにおいて、最大送信率を有する方式を設計するために、Giannakisグループが複素フィールドでの星座回転(constellation rotation)を介して4個の送信アンテナで最大ダイバーシチ最大送信率(FDFR:full diversity full rate)のSTBCを提案したことがある。
すると、ここで、Giannakisグループが提案した時空間ブロック符号化方式について説明する。
図3は、従来の技術に係るGiannakisが提案した時空間ブロック符号化方式を使用する移動通信システムにおける送信機の構成を示している。同図に示すように、前記送信機は、変調器300、プリ符号化器302、時空間マッピング器304、及び複数の送信アンテナ306、308、310、312で構成される。
同図に示すように、まず、変調器300は、入力される情報データ(または符号化データ)を予め設定された変調方式で変調して、変調シンボルを出力する。ここで、前記予め設定された変調方式は、BPSK、QPSK、QAM、PAM、PSK方式などのような変調方式のうちのいずれかの方式になり得る。
前記プリ符号化器302は、前記変調器300からのNt個の変調シンボル(d1、d2、d3、d4)を信号空間上で信号の回転が発生するように符号化して、Nt個のシンボルを出力する。説明の便宜上、送信アンテナの数が4個である場合について説明する。ここで、前記変調器300から出力される4個の変調シンボルで構成されるシンボル列をdと仮定する。前記プリ符号化器302は、前記変調シンボル列dを下記の式2のような演算動作を介して、複素ベクトルrを生成する。
Giannakisグループでは、前記プリ符号化行列として、単一行列であるVandermonde行列を使用している。また、前記プリ符号化行列において、αiは、下記の式3のように表現される。
上述のように、Giannakisグループが提案した時空間符号化方式は、4個の送信アンテナを使用する場合のみならず、4個を超過する個数の送信アンテナに拡張容易な方式である。前記時空間マッピング器304は、前記プリ符号化器302からのシンボルを下記の式4のように時空間ブロック符号化して出力する。
前記式4においてSは、4個の送信アンテナ306、308、310、312を介して送信されるシンボルの符号化行列を示す。前記符号化行列で列の数は、送信アンテナの数に対応し、行の数は、前記4個のシンボルを送信するのに必要な時間に対応する。すなわち、4個のシンボルが4個の時間区間の間、4個のアンテナを介して送信されることが分かる。
すなわち、第1番目の時間区間では、第1送信アンテナ306を介してr1信号を送信し、前記第1送信アンテナ306を除いた残りの送信アンテナ308、310、312では如何なる信号も送信しない。第2番目の時間区間では、第2送信アンテナ308を介してr2を送信し、前記第2送信アンテナ308を除いた残りの送信アンテナ306、310、312では、如何なる信号も送信しない。第3番目の時間区間では、第3送信アンテナ310を介してr3を送信し、前記第3アンテナ310を除いた残りの送信アンテナ306、308、312では、如何なる信号も送信しない。第4番目の時間区間では、第4送信アンテナ312を介してr4を送信し、前記第4送信アンテナ312を除いた残りの送信アンテナ306、308、310では、如何なる信号も送信しない。
このように、4個のシンボルが4個の時間区間の間、無線チャネルを介して受信機(図示せず)に受信されると、前記受信機は、ML(Maximum Likelihood)復号化方式で前記変調シンボル列dを復元する。
また、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームは、2003年にGiannakisグループが提案した時空間ブロック符号化方式に比べて、符号化利得に優れたプリ符号化器及び連接符号を提案した。Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームは、Giannakisグループが提案した対角行列(diagonal matrix)の代わりに、S.M.Alamoutiが提案した時空間ブロック符号を連接して使用することによって、符号化利得を向上させている。説明の便宜上、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームが提案した時空間ブロック符号をAlamouti FDFR STBC(Alamouti Full Diversity Full Rate Space Time Block Codes)と称する。
以下、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームが提案した時空間ブロック符号化方式について説明する。
図4は、従来の技術に係るTaejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームが提案した4個の送信アンテナを使用し、時空間ブロック符号化方式を使用する移動通信システムにおける送信機の構成を示している。同図に示すように、前記送信機は、プリ符号化器400、マッピング器402、遅延器404、2個のAlamouti符号化器406、408、及び4個の送信アンテナ410、412、414、416で構成される。
同図に示すように、まず、プリ符号化器400は、入力される4個の変調シンボルを信号空間上で信号の回転が発生するように符号化して出力する。ここで、前記プリ符号化器400に入力される前記4個の変調シンボルをd1,d2,d3,d4と仮定し、前記4個の変調シンボルで構成されるシンボル列をdと仮定する。前記プリ符号化器400は、前記変調シンボル列dを下記の式5のような演算動作を介して複素ベクトルrを生成する。
ここで、αi=exp(j2π(i+1/4)/4),(i=0,1,2,3)である。
前記マッピング器402は、前記プリ符号化器400からの4個のシンボルを2個ずつグループ化して、2個の成分で構成された2個のベクトル[r1,r2],[r3,r4]を出力する。ここで、前記第1番目のベクトル[r1,r2]Tは、Alamouti符号化器406に入力され、第2番目のベクトル[r3,r4]Tは、遅延器404に入力される。
前記遅延器404は、前記第2番目のベクトル[r3,r4]Tを一時間区間の間、バッファリングした後、Alamouti符号化器408に出力する。すなわち、前記マッピング器402の第1番目のベクトル[r1,r2]Tは、第1番目の時間にAlamouti符号化器406に入力され、第2番目のベクトル[r3,r4]Tは、第2番目の時間にAlamouti符号化器408に入力される。ここで、Alamouti符号化器とは、S.M.Alamoutiが提案した時空間ブロック符号化方式を使用する符号化器のことを意味する。
前記Alamouti符号化器406は、前記マッピング器402からの[r1,r2]Tを第1番目及び第2番目の時間区間で第1送信アンテナ410及び第2送信アンテナ412を介して送信されるように符号化する。そして、前記Alamouti符号化器408は、前記遅延器404からの[r3,r4]Tを第3番目及び第4番目の時間区間で第3送信アンテナ414及び第4送信アンテナ416を介して送信されるように符号化する。すなわち、前記マッピング器402から出力される4個のシンボルを多重アンテナを介して送信するための符号化行列は、下記の式6のように表現される。
前記式6の符号化行列が前記式4で説明した符号化行列と異なる点は、対角行列形態ではなくAlamouti方式で具現されるということにある。すなわち、AlamoutiのSTBC方式を使用することで、符号化利得を増加させている。
しかしながら、上述のAlamouti FDFR STBCも、送信機でプリ符号化をするために、プリ符号化器(Precoder)端の全ての構成成分と入力ベクトルとの間の計算が必要なため、符号化の複雑度が高い。例えば、送信アンテナが4個であるとき、プリ符号化器の成分に0が含まれていないため、16個の項に対して全て演算を行わなければならない。また、受信機も、送信機が送信した信号dを復号化するために、最大尤度復号(maximum likelihood decoding:ML復号)を行わなければならないため、かなり多い計算量が求められる。
したがって、最大ダイバーシチ利得及び最大送信率を有し、かつ、複雑度及び演算量を最小にすることができる時空間ブロック符号化方式に対する研究が必要なのが実情である。
そこで、本発明の目的は、多重アンテナを使用する移動通信システムにおいて、最大ダイバーシチ利得及び最大送信率を有する時空間ブロック符号化装置及び方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、多重アンテナを使用する移動通信システムにおいて、符号化及び復号化複雑度を最小にする時空間ブロック符号化装置及び方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、多重アンテナを使用する移動通信システムにおいて、最大ダイバーシチ利得及び最大送信率を支援し、符号化及び復号化の複雑度の低い時空間ブロック符号化装置及び方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、偶数個の送信アンテナを使用する移動通信システムにおいて、最大ダイバーシチ利得及び最大送信率を支援し、符号化及び復号化の複雑度の低い時空間ブロック符号化装置及び方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、多重アンテナを使用する移動通信システムにおいて、偶数個の送信アンテナのための時空間ブロック符号化装置及び方法を提供することにある。
上記の目的を達成すべく、本発明の一側面によれば、偶数個Ntの送信アンテナを備える送信機装置は、単一行列(unitary matrix)を所定の規則により穿孔したプリ符号化行列を利用して、入力されるシンボル列をプリ符号化するプリ符号化器と、前記プリ符号化器からのシンボル列を、所定の符号化行列を利用して時空間符号化する時空間符号化器とを備えることを特徴とする。
本発明の他の側面によれば、偶数個Ntの送信アンテナを使用し、時空間符号化方式を使用する移動通信システムにおける受信機の受信方法は、チャネル応答行列Hとプリ符号化行列θとを乗算した行列の
を算出する過程と、少なくとも1つの受信アンテナを介して受信された信号と前記エルミート行列とを乗算して、Ntサイズのベクトルを算出し、前記ベクトルを2個に分離する過程と、前記分離された2個のベクトルをそれぞれ所定の方式で復号化して、送信機が送信したシンボルを推定する過程とを含むことを特徴とする。
本発明のさらに他の側面によれば、送信データをプリ符号化した後、時空間符号化するシステムにおける、プリ符号化行列を生成するための方法は、単一行列を生成する過程と、前記生成された単一行列から列の半を穿孔する過程と、前記穿孔された行列の行を順に2個ずつグループ化し、前記グループ化された2個の行のうち、何れか1つをシフトして、前記プリ符号化行列を生成する過程とを含むことを特徴とする。
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。本発明の説明において、関連した公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不明にするおそれがあると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
以下、本発明は、多重アンテナを使用する移動通信システムにおいて、最大ダイバーシチ利得及び最大送信率を支援し、符号化及び復号化の複雑度の低い時空間ブロック符号化装置及び方法を提案する。
特に、本発明で提案する時空間ブロック符号化方式は、偶数個の送信アンテナのためのものであって、送信機の構造は、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームで提案した4個の送信アンテナを使用し、時空間ブロック符号化方式を使用する送信機の構造と似ている。すなわち、本発明は、送信アンテナの数を2N(N>1)個に拡張できるAlamouti FDFR STBCを提案する。
図5は、本発明の実施形態に係る2N(N>1)個の送信アンテナを使用し、時空間ブロック符号化方式を使用するMIMO移動通信システムにおける送信機の構成を示している。
同図に示すように、本発明に係る送信機は、プリ符号化器500、マッピング器502、複数の時間遅延器504〜506、複数のAlamouti符号化器508、510、512、及び2N(N>1)個の送信アンテナ514、516、518、520、522、524を備えて構成される。
同図に示すように、一般に、情報データは、符号器(Encoder)を介して符号化し、変調器を介して変調される。まず、プリ符号化器500は、入力されるNt個のシンボル
を信号空間上で信号の回転が発生するように符号化して、Nt個のシンボルで構成されたベクトル
を出力する。特に、前記プリ符号化器500は、入力されるシンボルを、本発明で新しく提案するプリ符号化行列に符号化して、複素ベクトル(complex vector)rを生成する。本発明で新しく提案するプリ符号化行列については、後に具体的に説明するので、ここではその詳細な説明を省略する。
マッピング器502は、前記プリ符号化器500からのNt個のシンボルを2個ずつグループ化して、2個の成分で構成されたNt/2個のベクトル
を出力する。ここで、前記1番目のベクトル
は、Alamouti符号化器508に入力され、残りのベクトルは、対応する遅延器に入力される。
1番目の遅延器504は、2番目のベクトル
を1個の時間区間の間、バッファリングした後、Alamouti符号化器510に出力する。2番目の遅延器(図示せず)は、3番目のベクトル
を2個の時間区間の間、バッファリングした後、3番目のAlamouti符号化器(図示せず)に出力する。同様に、Nt/2−1番目の遅延器506は、Nt/2番目のベクトル
をNt/2−1個の時間区間の間、バッファリングした後、出力する。ここで、Alamouti符号化器とは、S.M.Alamoutiが提案した時空間ブロック符号化方式を使用する符号化器を示す。
前記Alamouti符号化器508は、前記マッピング器502からの
を1番目及び2番目の時間区間で第1送信アンテナ514及び第2送信アンテナ516を介して送信されるように符号化して出力する。そして、前記Alamouti符号化器510は、前記遅延器504からの
を3番目及び4番目の時間区間で第3送信アンテナ518及び第4送信アンテナ520を介して送信されるように符号化して出力する。同様に、前記Alamouti符号化器512は、前記遅延器506からの
をNt−1番目及びNt番目の時間区間で第Nt−1送信アンテナ522及び第Nt送信アンテナ524を介して送信されるように符号化して出力する。以後、前記Alamouti符号化器508〜512から出力される複数のアンテナ信号は、それぞれ対応するRF処理器に入力される。すると、RF処理器は、入力されるデータをアナログ信号に変換し、前記アナログ信号を送信可能に、RF(Radio Frequency)変調して、対応するアンテナを介して送信する。
すなわち、送信アンテナの数をNtと仮定するとき、前記プリ符号化器500の出力信号rを多重アンテナを介して送信するための符号化行列は、下記の式18の通りに表すことができる。
ここで、行列Sのi番目の行(row)は、i番目の時間区間に送信されることを意味し、j番目の列(column)は、j番目のアンテナを介して送信されることを意味する。すなわち、1番目の時間区間では、第1送信アンテナ514と第2送信アンテナ516を介してr1とr2をそれぞれ送信する。2番目の時間区間では、第1送信アンテナ514と第2送信アンテナ516を介して−r2 *とr1 *をそれぞれ送信する。同様に、Nt−1番目の時間区間では、第Nt−1送信アンテナ522と第Nt送信アンテナ524を介して
を送信し、最後にNt番目の時間区間では、第Nt−1送信アンテナ522と第Nt送信アンテナ524を介して
を送信する。
すると、ここで、前記図5のプリ符号化器500の動作を詳細に説明すると、以下の通りである。
図6は、本発明の実施形態に係るプリ符号化器500に備えられるプリ符号化行列の生成装置の詳細構成を示す。
同図に示すように、本発明に係るプリ符号化行列の生成装置は、行列生成器600、穿孔機602、及びシフト器604を備えて構成される。
同図に示すように、まず前記行列生成器600は、送信アンテナの数に応じるVandermonde行列を生成して出力する。例えば、送信アンテナの数がNtであるとき、Nt×NtサイズのVandermonde行列を発生する。
穿孔機602は、前記行列生成器600からのNt×NtサイズのVandermonde行列に対して、Nt/2個の列を穿孔(puncturing)して出力する。ここで、前記穿孔機602の穿孔動作は、前記Vandermonde行列の該当列の成分を0に置き換える動作を示す。
シフト器604は、前記穿孔機602からの前記穿孔されるVandermonde行列から偶数番号目の行をシフトして、穿孔されない成分を穿孔された成分の位置に移動して出力する。ここで、前記シフト器604が偶数番目の行をシフトする場合を一例として説明したが、奇数番目の行をシフトしても同じ効果を有する。また、行を2個ずつグループ化して、2つの行のうち、何れか1つをシフトしても同じ効果を有することはもちろんである。
上述のように、本発明に係るプリ符号化行列は、Nt×Ntサイズの行列に対して
(Nt×Nt)/2個の成分が穿孔されるため、符号化及び復号化の複雑度(演算量)を顕著に減らすことができる。一方、上述の実施形態では、プリ符号化行列を生成する場合を一例に挙げて説明するが、図6の方式で予め生成されたプリ符号化行列をメモリに保存しておき、プリ符号化器500が必要なとき毎にプリ符号化行列を読み出してプリ符号化動作を行うことができる。
(Nt×Nt)/2個の成分が穿孔されるため、符号化及び復号化の複雑度(演算量)を顕著に減らすことができる。一方、上述の実施形態では、プリ符号化行列を生成する場合を一例に挙げて説明するが、図6の方式で予め生成されたプリ符号化行列をメモリに保存しておき、プリ符号化器500が必要なとき毎にプリ符号化行列を読み出してプリ符号化動作を行うことができる。
ここで、前記プリ符号化行列の生成装置の動作を整理すると、以下の通りである。
(1)Vandermonde行列の生成
下記の式21のようなNt×NtVandermonde行列を生成する。ここで、Ntは、上述のように、送信アンテナの数を示す。
ここで、αi=exp(j2π(i+1/4)/Nt),(i=0,1,2,...,Nt−1)である。
(2)Vandermonde行列の穿孔
前記生成されたNt×NtサイズのVandermonde行列において、Nt×(Nt/2)部分を穿孔する。ここで、穿孔動作は、前記Vandermonde行列の該当列の成分を0に置き換える動作を示すもので、穿孔後の行列は、下記の式22の通りである。
(3)穿孔された行列の偶数番号目の行のシフト
前記穿孔されたNt×Ntサイズの前記Vandermonde行列から偶数番目の行をシフトして、最終プリ符号化行列を生成する。ここで、前記シフト動作は、偶数番目の行の穿孔されない成分を穿孔された成分の位置に移動する動作を示すものであって、シフト後の行列は、下記の式23の通りである。
ここで、前記αiは、
に設定しても性能の変化がない。また、偶数番目の行をシフトする場合を説明しているが、奇数番目の行をシフトしても良い。
以上、説明したように、送信アンテナの数がNtである場合、前記プリ符号化器500の動作は、下記の式25の通りである。
ここで、
は、プリ符号化器500に入力されるシンボル列を示し、
は、前記プリ符号化器500から出力されるシンボル列を示す。
上記の通りに設計したプリ符号化行列θは、符号化利得を最大化するために、成分値を最適化しなければならない。これは、数学的知識またはシミュレーションを介して可能である。
本発明の実施形態では、最大符号利得を得ることができる
をシミュレーションを介して求めており、その結果を説明すると、以下の通りである。
まず、4個のアンテナを使用するAlamouti FDFR SFBCシステムでは、下記の式29のようなプリ符号化行列を使用することができる。
次に、6個のアンテナを使用するAlamouti FDFR SFBCシステムでは、下記の式30のようなプリ符号化行列を使用することができる。
一方、8個以上のアンテナを使用するAlamouti FDFR SFBCシステムでは、下記の式31のようなプリ符号化行列を使用することができる。
ここで、αi=exp(j2π(i+1/4)/Nt),(i=0,1,2,...,Nt/2−1)である。
すると、ここで、図5のような送信機の動作を説明する。
図7は、本発明の実施の形態に係る2N(N>1)個の送信アンテナを使用し、時空間ブロック符号化方式を使用するMIMO移動通信システムにおける送信機の送信手順を示している。
同図に示すように、まず、送信機は、ステップ700において、送信しようとするデータ列d([d1,d2,d3,d4])を受け取る。ここで、前記データ列は、符号化と変調を介して生成された複素シンボル列になり得る。以後、前記送信機は、ステップ702において前記受け取るデータ列を、予め設定されたプリ符号化行列θを利用して符号化して、プリ符号化シンボル列
を生成する。ここで、前記プリ符号化行列θは、上述のように、Vandermonde行列の半を穿孔し、所定の行をシフトして求められた行列であって、前記プリ符号化行列は、行列の半が穿孔されたため、符号化及び復号化の複雑度を顕著に減らすことができる。
前記プリ符号化シンボル列rを生成した後、前記送信機は、ステップ704において前記シンボル列rを構成するシンボルを2個ずつグループ化して、時空間マッピングを行う。すなわち、Nt個の信号を2個の成分で構成されたNt/2個のベクトルを生成する。
このように、Nt/2個のベクトルを生成した後、前記送信機は、ステップ706において時間インデックスiを「0」に初期化する。そして、前記送信機は、ステップ708において前記時間インデックスiが前記Nt(送信アンテナの数)より小さいか否かを判断する。万一、前記時間インデックスiが前記Ntより小さいと、前記送信機は、ステップ710に進んで、前記プリ符号化シンボル列rからi番目のシンボルとi+1番目のシンボルで構成されたベクトルを受け取る。
そして、前記送信機は、ステップ712において、前記受け取ったベクトルに対してi/2個の時間区間分の時間遅延を行う。したがって、最初入力される1番目のシンボルと2番目のシンボルは、時間遅延なしで直ちに2個のアンテナを介して送信される。しかしながら、2番目から入力されるシンボルに対しては、時間遅延を行った後、該当アンテナを介して送信される。
上記の通りに受け取った2個のシンボルに対して時間遅延を行った後、前記送信機は、ステップ714において前記受け取るベクトル(2個のシンボル)をAlamoutiが提案した時空間ブロック符号化方式により符号化して、2個の送信アンテナを介して送信する。具体的に、時空間ブロック符号化を介して生成された複数のアンテナ信号は、各々RF変調されて対応するアンテナを介して送信される。
前記2個のシンボルを送信した後、前記送信機は、ステップ716に進んで、前記時間インデックスiを2個増加させた後、前記ステップ708に戻って、以下のステップを再び行う。
一方、前記ステップ708において、前記時間インデックスiが前記Ntより大きいか又は同じであると判断されると、前記送信機は、送信しようとするデータを全て送信したものと判断し、本アルゴリズムを終了する。
すると、以下では、前記図5の送信機に対応する受信機について説明する。
図8は、本発明の実施形態に係る時空間ブロック符号化方式を使用する移動通信システムにおける受信機の構成を示している。特に、図8の受信機は、前記図5の送信機に対応する構造を示している。
同図に示すように、本発明に係る受信機は、P個の受信アンテナ800、802、804、チャネル推定器806、
信号結合器810、及び2個の信号決定器812、814を備えて構成される。本発明の実施形態では、送信機の送信アンテナの数と受信機の受信アンテナの数が異なる場合を仮定したが、前記送信機の送信アンテナ等の数と受信機の受信アンテナの数は、同一の数であっても良い、
図8に示すように、まず、送信機の送信アンテナ514〜524を介して送信された信号は、第1受信アンテナ800〜第P受信アンテナ804それぞれを介して受信される。一般に、前記第1受信アンテナ800〜第P受信アンテナ804を介して受信された信号それぞれは、RF(Radio Frequency)処理器を経てベースバンド信号に変換される。そして、このように変換されたベースバンド信号は、前記チャネル推定器806及び前記信号結合器810に提供される。
前記チャネル推定器806は、前記第1受信アンテナ800〜第P受信アンテナ804を介して受信された信号をもって、チャネル利得を表すチャネル係数を推定する。前記推定されたチャネル係数は、前記
に提供される。前記
は、前記チャネル推定器806からのチャネル係数をもってチャネル応答行列Hを構成し、前記行列Hと予め知っている
とを乗算した行列の
を算出して出力する。
前記信号結合器810は、前記第1受信アンテナ800〜第P受信アンテナ804を介して受信された信号と前記
からの前記エルミート行列とを乗算して、受信シンボル列を出力する。このとき、前記受信シンボル列において1番目の信号からNt/2番目の信号までは、前記第1信号決定器812に出力し、Nt/2+1番目の信号からNt番目の信号までは、前記第2信号決定器814に出力する。
前記信号決定器812は、前記信号結合器810からのNt/2サイズを有するベクトルに対して、例えば、最大尤度復号を行って送信機が送信したシンボルを推定し、前記推定されたシンボル
を出力する。前記信号決定器814は、前記信号結合器810からのNt/2サイズを有するベクトルに対して、例えば、最大尤度復号を行って、送信機が送信したシンボルを推定し、前記推定されたシンボル
を出力する。前記信号決定器812、814の動作は、下記の式49に表されている。以後、前記推定されたシンボルは、復調器により復調され、復号器を介して本来の情報データに復元される。
このように、本発明は、Nt/2サイズの最大尤度復号を行うため、既存のNtサイズの最大尤度復号に比べて計算量を顕著に減らすことができる。
ここで、上述の受信機の動作を数学的に整理すると、次の通りである。
例えば、受信アンテナが1個であるとき、受信信号は、下記の式41のように表現することができる。
ここで、
である。すなわち、前記yは、Nt個の時間区間の間に受信された信号
の信号とそれらの共役で構成されたベクトルである。したがって、送信機から送信した信号
を推定するために、前記受信ベクトルyに
を乗算する演算を行う。これを式で表せば、下記の式46の通りである。
ここで、A行列は、(Nt/2)×(Nt/2)サイズの行列である。
一方、前記式46から受信信号ベクトルyと
とを乗算して得られたベクトルを2個に分離して、すなわち
に分離して、2個のNt/2サイズを有するベクトルそれぞれに対して、最大尤度復号を行うことができることが分かる。
送信機が送信した信号を決定する方法は、下記の式49の通りである。
すなわち、偶数個Ntの送信アンテナを使用するAlamouti FDFR STBCの復号は、Nt/2個の元素を有するベクトルに対するML復号を介して行われることができる。
すると、ここで、前記図8のような受信機の動作を説明する。
図9は、本発明の実施形態に係る2N(N>1)個の送信アンテナを使用し、時空間ブロック符号化方式を使用するMIMO移動通信システムにおける受信機の受信手順を示している。
同図に示すように、まず、受信機は、ステップ900において、複数のアンテナを介して受信される信号をもって送信機と受信機との間のチャネル利得を表すチャネル係数を算出する。
以後、前記受信機は、ステップ902において前記推定されたチャネル係数をもってチャネル応答行列Hを生成し、前記チャネル応答行列と
とを乗算した行列の
を算出する。
そして、前記受信機は、ステップ904において、前記
と受信信号yとを乗算して、Nt個の元素で構成されるベクトルを生成する。以後、前記受信機は、ステップ906において前記ベクトルを2個に分離し、2個のベクトルそれぞれに対してML復号を行って、送信機が送信したシンボルを決定する。このように決定されたシンボルは、復調及び復号を経て本来の情報データに復元される。
ここで、従来の技術で説明された時空間ブロック符号化方式と本発明の時空間ブロック符号化方式の復号化の複雑度を比較すると、次の通りである。
まず、2mの複素信号を使用する場合を仮定すると、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームで提案したアンテナが4個のプリ符号化器の場合、(2m)4の復号化の複雑度を有する。しかしながら、本発明で提案するプリ符号化器の場合、2×(2m)2の復号化の複雑度を有するため、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームで提案したプリ符号化器の復号化の複雑度に比べて、復号化の複雑度が顕著に減少することが分かる。
一例として、前記送信機で変調方式として16QAM方式を使用すると仮定すると、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームで提案したプリ符号化器の復号化の複雑度は、Cold=(24)4=216であり、本発明で提案するプリ符号化器の復号化の複雑度は、Cnew=2(24)2=29である。したがって、Cnew/Cold=0.0078の関係を有するので、演算量面で顕著に減少することが分かる。
結果的に、本発明で提案する時空間ブロック符号化方式は、Taejin Jung,Kyungwhoon Cheun研究チームで提案した時空間ブロック符号化方式の性能とほぼ同一であり、かつ、演算量及び複雑度が最小化することが分かる。
上述のように、本発明は、効率的な時空間符号化及び復号化アルゴリズムを提示して、信頼度の高い通信システムを構築できるという利点がある。特に、既存のプリ符号化器を使用するFDFR時空間ブロック符号に比べて、本発明で提示する時空間ブロック符号は、優れた性能を保障し、かつ、復号の複雑度が顕著に減少するという長所を有する。
一方、本発明の詳細な説明では、具体的な実施形態に関し説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変形が可能であることはもちろんである。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されず、後述する特許請求の範囲だけでなく、該特許請求の範囲と均等なものにより決められなければならない。
500 プリ符号化器
502 マッピング器
504、506 時間遅延器
508、510、512 Alamouti符号化器
514、516、518、520、522、524 送信アンテナ
502 マッピング器
504、506 時間遅延器
508、510、512 Alamouti符号化器
514、516、518、520、522、524 送信アンテナ
Claims (43)
- 偶数個Ntの送信アンテナを備える送信機装置において、
単一行列(unitary matrix)を穿孔したプリ符号化行列を利用して、入力されるシンボル列をプリ符号化するプリ符号化器と、
前記プリ符号化器からのシンボル列を、符号化行列を利用して時空間符号化する時空間符号化器と
を備えることを特徴とする装置。 - 前記時空間符号化器は、
前記プリ符号化器からのシンボル列を2個ずつグループ化して、複数のベクトルを発生するマッピング器と、
前記マッピング器からの前記複数のベクトル各々をAlamouti符号化して、対応する2個のアンテナを介して送信する複数の符号化器と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記プリ符号化行列は、Nt×NtのVandermonde行列からNt/2個の列を穿孔し、前記穿孔された行列に対して行を順に2個ずつグループ化し、前記グループ化された2個の行のうち、何れか1つをシフトした行列であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 送信データを符号化するための符号器と、
前記符号器からの符号シンボルを変調して、前記プリ符号化器に提供する変調器と、
前記時空間符号化器から出力される複数のアンテナ信号を各々RF(Radio Frequency)変調して、対応するアンテナに出力するRF変調部と
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 送信データをプリ符号化した後、時空間符号化するシステムにおける、プリ符号化行列を生成するための装置において、
単一行列を生成する行列生成器と、
前記生成された単一行列から列の半を穿孔する穿孔機と、
前記穿孔された行列の行を順に2個ずつグループ化し、前記グループ化された2個の行のうち、何れか1つをシフトして、前記プリ符号化行列を生成するシフト器と
を備えることを特徴とする装置。 - 前記単一行列は、「Vandermonde」行列であることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記信号結合器からの2個のベクトルをそれぞれ所定方式で復号化して、送信機が送信したシンボルを推定する信号決定器をさらに備えることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記所定の復号方式は、最大尤度復号(Maximum Likehood decoding)であることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記プリ符号化行列は、Nt×NtのVandermonde行列からNt/2個の列を穿孔し、前記穿孔された行列に対して行を順に2個ずつグループ化し、前記グループ化された2個の行のうち、何れか1つをシフトした行列であることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのアンテナを介して受信された信号をベースバンド信号に変換して、チャネル推定器と前記信号結合器に提供するためのRF処理器と、
前記RF処理器からの信号を利用して、前記チャネル応答行列Hを算出するためのチャネル推定器と、
前記信号決定器からの推定シンボルを復調するための復調器と、
前記復調器からの復調シンボルを復号するための復号器と
をさらに備えることを特徴とする請求項16に記載の装置。 - 偶数個Ntの送信アンテナを使用する送信機の送信方法において、
単一行列を穿孔したプリ符号化行列を利用して、入力されるシンボル列をプリ符号化する過程と、
前記プリ符号化されたシンボル列を、符号化行列を利用して時空間符号化する過程と
を含むことを特徴とする方法。 - 前記時空間符号化過程は、
前記プリ符号化されたシンボル列を2個ずつグループ化して、複数のベクトルを生成する過程と、
前記複数のベクトル各々をAlamouti符号化して、対応する2個のアンテナを介して送信する過程と
を含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - 前記複数のベクトルのうち、i(=1,2,3...,Nt/2)番目のベクトルは、Alamouti符号化されて、2i−1番目の時間区間と2i番目の時間区間で対応する2個のアンテナを介して送信されることを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 前記プリ符号化行列は、Nt×NtのVandermonde行列からNt/2個の列を穿孔し、前記穿孔された行列に対して行を順に2個ずつグループ化し、前記グループ化された2個の行のうち、何れか1つをシフトした行列であることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 送信データを符号化して、符号シンボルを生成する過程と、
前記符号シンボルを変調して、前記プリ符号化の入力として提供する過程と、
前記時空間符号化を介して生成される複数のアンテナ信号を各々RF変調して、対応するアンテナを介して送信する過程と
をさらに含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - 送信データをプリ符号化した後、時空間符号化するシステムにおける、プリ符号化行列を生成するための方法において、
単一行列を生成する過程と、
前記生成された単一行列から列の半を穿孔する過程と、
前記穿孔された行列の行を順に2個ずつグループ化し、前記グループ化された2個の行のうち、何れか1つをシフトして、前記プリ符号化行列を生成する過程と
を含むことを特徴とする方法。 - 前記単一行列は、「Vandermonde」行列であることを特徴とする請求項32に記載の方法。
- 前記所定の方式は、最大尤度復号であることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記プリ符号化行列は、Nt×NtのVandermonde行列からNt/2個の列を穿孔し、前記穿孔された行列に対して行を順に2個ずつグループ化し、前記グループ化された2個の行のうち、何れか1つをシフトした行列であることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのアンテナを介して受信された信号を利用して、前記チャネル応答行列Hを算出する過程と、
前記推定されたシンボルを復調して、復調シンボルを生成する過程と、
前記復調シンボルを復号して、本来の情報データに復元する過程と
をさらに含むことを特徴とする請求項37に記載の方法。
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