JP2008511237A

JP2008511237A - 広帯域ｏｆｄｍ通信システムのチャネル推定方法および装置

Info

Publication number: JP2008511237A
Application number: JP2007529106A
Authority: JP
Inventors: イフェン、ザン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2008-04-10
Also published as: US20090041134A1; US8023593B2; CN101048992A; KR20070041636A; WO2006021939A2; EP1787443A2; WO2006021939A3

Abstract

本発明によるシステムおよび方法は、粗いチャネル推定（４０）および細かいチャネル推定（６６）を決定するチャネル推定の方法、システム、および装置を提供する。粗いチャネル推定（４０）は、受信機に送信されたチャネル推定シーケンスに基づいて決定され、次いでヘッダ・シンボルを検出するために使用されうる。ヘッダ・シンボルは、次いで細かいチャネル推定（６６）を決定するために粗いチャネル推定（４０）と組み合わされうる追加のチャネル推定を計算するために使用されてもよい。

Description

本発明は一般に、無線通信システムに関し、具体的には、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ―Orthogonal Frequency Division Multiplexed―）無線通信システムにおけるチャネル推定に関する。

情報通信に関連する技術は、過去数十年にわたって急速な発展を遂げている。例えば、この２０年間で、無線通信技術は、当初斬新な品目と見なされる製品を提供することから移動体通信の基本的な手段となる製品を提供することへと推移してきた。おそらく、これらの無線技術の中で最も有力であったのは携帯電話のシステムと製品であった。携帯電話技術は、既存の有線通信システムに移動体の拡張性をもたらすべく登場し、従来の回線交換無線パスを使用した場所を選ばない受信可能範囲をユーザーに提供した。しかし、最近になって、無線通信技術は通信のほとんどすべての領域において有線接続に取って代わるようになった。無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ―Wireless Local Area Network―）は、家庭とオフィスの両方において、従来の有線ネットワークの代替手段として急速に人気が高まりつつある。

今日のＷＬＡＮシステムの多くは、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａまたは８０２．１１ｇ規格などの、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に従って動作する。これらの規格は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を使用する信号の伝送を規定する。ＯＦＤＭシステムにおいて、信号は各々が異なる周波数で伝送される複数の狭帯域チャネルに分割される。最近になって、ＯＦＤＭは、超広帯域（ＵＷＢ―Ultra Wide Band―）システムのアクセス方法論として提案されるようになった。例えば、マルチバンドのＯＦＤＭは、例えば約５００ＭＨｚという非常に広い帯域にわたり、例えば最大４８０Ｍｂ／ｓという低電力の高データ転送速度でデータを拡散するＵＷＢシステムにおける使用が提案されてきた。さらに広帯域のスペクトルの使用とさらなる低電力というこの組合せは、速度を向上させ、他の無線スペクトルの干渉を軽減する。

他の無線通信システムと同様に、ＵＷＢシステムには特定の技術的な難題に対処する必要がある。そのような難題の１つは、チャネル推定を含んでいる。チャネル推定は、一般に、無線チャネルが送信信号に与える影響を推定するためのデジタル受信機により使用される技術を示しているので、受信機は同時に、送信されたデータを回復するためのプロセスの一部として、それらの影響を補償することができる。

以下で詳細に説明されるように、例示的なＵＷＢシステムは、各フレームで送信されるプリアンブルの一部として、チャネル推定シーケンスを含んでいる。ＵＷＢシステムにおいてチャネル推定を実行する１つの方法は、受信されたバージョンのチャネル推定シーケンスに関連付けられている周波数応答特性を決定して、２つのそのような周波数応答特性の平均を現在のチャネル推定として使用することである。しかし、この技法は、結果として約１．７ｄＢの実装損失をもたらし、全体的なシステム・パフォーマンスに悪影響を及ぼすことになる。しかし、チャネル推定シーケンスにさらに複雑なチャネル推定技法を使用することは、ＵＷＢシステムの非常に高いデータ速度（および、複雑な計算を実行するために高レベルの処理能力の必要性を結果すること）を考慮すれば、実行可能な解決策を提供することにはならない。

したがって、従来の技法の問題を生じることなく満足なパフォーマンスをもたらす、ＵＷＢ送受信機のチャネル推定を実行する技法および装置を提供することが望ましいと考えられる。

本発明によるシステムおよび方法は、粗いチャネル推定および細かいチャネル推定を決定するチャネル推定の方法、システム、および装置を提供することにより、この必要性およびその他の必要性に対処する。粗いチャネル推定は、受信機に送信されたチャネル推定シーケンスに基づいて決定され、次いでヘッダ・シンボルを検出するために使用されうる。ヘッダ・シンボルは、細かいチャネル推定を決定するために粗いチャネル推定と組み合わされうる追加のチャネル推定を計算するために使用されてもよい。

本発明の１つの例示的な実施形態によれば、無線通信の方法は、データのフレームを受信するステップであって、フレームはプリアンブル部分、ヘッダ部分、およびデータ部分を含むステップと、フレームのプリアンブル部分で受信されたチャネル推定シンボルを使用して粗いチャネル推定を決定するステップと、受信されたヘッダ・シンボルを生成するために粗いチャネル推定を使用してデータのフレームのヘッダ部分を処理するステップと、粗いチャネル推定およびヘッダ・シンボルに基づいて細かいチャネル推定を決定するステップと、細かいチャネル推定を使用してフレームのデータ部分を等化するステップとを含む。

本発明のもう１つの例示的な実施形態によれば、送受信機は、データのフレームを受信する受信機であって、フレームはプリアンブル部分、ヘッダ部分、およびデータ部分を含む受信機と、フレームのプリアンブル部分で受信されたチャネル推定シンボルを使用して粗いチャネル推定を決定し、受信されたヘッダ・シンボルを生成するために粗いチャネル推定を使用してデータのフレームのヘッダ部分を処理し、粗いチャネル推定および受信されたヘッダ・シンボルに基づいて細かいチャネル推定を決定するプロセッサと、細かいチャネル推定を使用してフレームのデータ部分を等化する等化器とを含む。

付属の図面は、本発明の例示的な実施形態を説明する。

本発明の以降の詳細な説明は、付属の図面を参照する。異なる図面における同じ参照番号は、同一または類似した要素を示す。また、以降の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

この説明の状況を一部示すために、最初に、例示的なＷＬＡＮシステムが図１に関して説明される。しかし、本発明がＷＬＡＮシステムにおける実装に限定されないことを、当業者は理解するであろう。その中で、有線ネットワーク１０（例えばイーサネット・ネットワーク）は、ファイル・サーバ１２と、そこに接続されたワークステーション１４とを有する。通常の有線ネットワークは多数の固定されたワークステーション１４にサービスを提供するが、図１では簡略化のために１つしか示されていないことを、当業者は理解するであろう。有線ネットワーク１０はまた、ルータ１８を介してＷＬＡＮ１６に接続されている。ルータ１８は、ＷＬＡＮ１６のアクセスポイント（ＡＰ）を有線ネットワークと相互接続するが、アクセスポイントは有線ネットワークを通じて、例えばファイル・サーバ１２と通信することができる。図１の例示的なＷＬＡＮシステムにおいて、３つのセル２０、２２、２３（場合によっては基本サービスセット（ＢＳＳ―Basic Service Set―）または基本サービスエレア（ＢＳＡ―Basic Service Area―）と呼ばれる）がそれぞれのＡＰと共に各々示されているが、ここでもまた当業者は、これよりも多数または少数のセルがＷＬＡＮ１６に提供されてもよいことを理解するであろう。各セル内で、それぞれＡＰは、無線接続を介して多数の無線局（Ｗ）にサービスを提供する。無線局Ｗは、例えばパーソナル・コンピュータ、携帯情報端末、カメラ、携帯電話、またはＵＷＢ接続を介してシステムと通信することのできる任意の他のデバイスであってもよいことに留意されたい。

本発明による例示的な実施形態によれば、ＡＰおよびそれぞれの無線局Ｗとの間の信号の送信は例えば２００３年１１月のＩＥＥＥＰ８０２．１５−０３／２６８ｒ２に従って、ＯＦＤＭ信号を使用して実行される。この特定の規格仕様が本発明と併せて使用されうるＯＦＤＭ物理層の例として単に使用されること、およびその他の無線規格またはフォーマットがそれと共に採用されてもよいことを、当業者は理解するであろう。本発明の例示的な実施形態による装置および方法は、そのようなＯＦＤＭ信号を受信し、それにチャネル推定を実行する技法を提供する。

本発明の例示的な実施形態によるデータ送信の例示的なフォーマットは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示される。図２（ａ）において、一般にプリアンブル３０、ヘッダ３２、および可変長ペイロード（データ）・セクション３４を含むＯＦＤＭフレーム・フォーマットが示される。これらのさまざまなフィールドに関する詳細は、前述のＩＥＥＥ規格の提案に見出される。図２（ｂ）は、プリアンブルセクション３０を詳細に示す。その中で、チャネル推定シーケンス３６は、６つのＯＦＤＭシンボルＣ₀〜Ｃ₅を含むことが分かる。３つのチャネルホッピングシーケンス（つまり、同じ論理チャネルによる副搬送波の周期的変化）はこの例示的なＵＷＢシステムにおいて使用される。したがって、特定のフレームを送信するために採用される、特定の副搬送波に応じて、データのある所定のフレームに対して、６つのチャネル推定シンボルのうちの２つ（例えばＣ₀とＣ₃、Ｃ₁とＣ₄、またはＣ₂とＣ₅）がチャネル推定の実行に使用可能である。これらのチャネル推定シンボルは、事前に定義済みであり、受信機によって先見的に知られている。したがって、前述のように、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるフォーマットを有するデータの受信フレームでチャネル推定を実行する１つの技法は、チャネル推定シーケンスシンボルの適切な組の受信に関連付けられている周波数応答特性を決定し、それらの周波数応答特性に平均化を実行してチャネル推定を決定することである。チャネル推定を実行するための平均化の使用の例については、その開示を本願に引用して援用する米国特許番号５，４３２，８１６号に見出される。しかし、また前述のように、本技法の単独での使用は、結果として約１．７ｄＢの実装損失をもたらすことができる。

したがって、本発明の例示的な実施形態によれば、チャネル推定は、図３の流れ図と併せてこれ以降説明されるもう１つの技法を使用して実行されうる。その中で、ＯＦＤＭフレームは最初に、例えばプリアンブル３０、ヘッダ３２、およびペイロード・データ３４など、そのコンポーネント部分に解析される。この仕様のため、パケットおよびフレーム同期の説明は特に関連せず、したがって、図２（ｂ）に示されるプリアンブル３０のこれらの部分に関連付けられている処理については、これ以上説明されない。適切なチャネル推定シンボルの組の受信バージョンと、このチャネル推定シンボルの組の格納されている既知の値との比較に基づいてチャネル歪みを決定するために、プリアンブル３０の残りは、例えば最小二乗技法を使用して、前述のようにブロック４０において処理される。代替として、ブロック４０においてチャネル推定を実行するために、その他の技法（例えば、最小平均二乗（ＬＭＳ―Least Mean Square―）平均化、最大尤度など）が使用されてもよい。プリアンブル３０のチャネル推定シーケンス部分の受信を分析するために使用される特定の技法にはかかわりなく、ブロック４０は結果として、この特定のＯＦＤＭフレームの「粗いチャネル推定」として本明細書に示されるチャネル推定機能４０の出力をもたらす。次いで粗いチャネル推定は、ヘッダ・シンボルを復号するため、およびこれ以降で説明されるように細かいチャネル推定を生成するために使用される。

ヘッダ・セクション３２は、最初にブロック４２〜４６において処理される。その中で、巡回プレフィックス（ＣＰ―Cyclic Prefix―）除去機能４２において、ＯＦＤＭ信号に関連付けられているＣＰが除去される。次に、例えば周波数オフセットなどに関連付けられている位相歪みが、相回転機能４４によって補償される。次に、ヘッダ・セクション３２は、ブロック４８において粗いチャネル推定で乗算されうるように、高速フーリエ変換（ＦＦＴ―Fast Fourier Transform―）機能４６によって周波数領域に変換される。ＦＦＴ４６の周波数領域出力は、また、以下で説明されるように、別の乗算器５０に供給される。ヘッダ・セクション３２が乗算器５０によってチャネル効果を補償されると、その中に含まれる情報はブロック５２においてインターリーブ解除され、例えばヴィテルビ復号器５４を使用して復号／復調される。例えばデータセクション３４が送信される速度などに関する結果の情報は、受信されたフレームのさらなる処理に使用するため、メディア・アクセス制御（ＭＡＣ―Media Access Control―）層に転送される。

本発明の例示的な実施形態によるチャネル推定に関して、ヘッダ・セクション３２は次いで、それぞれブロック５８、６０、６２、および６４によって、再符号化され、再インターリーブされ、変調され、その副搬送波にマップされて戻される。このことは、その中に含まれる情報が粗いチャネル推定によってチャネル効果を補償されているとしても、ヘッダ・セクション３２をその送信フォーマットに戻す効果がある。ブロック５８〜６４によって実行される機能はすべて送信機の機能であり、したがって、ヘッダ・セクション３２の復号化バージョンをヘッダ・セクション３２の送信バージョンに変換して戻すことに関連付けられたハードウェアおよび／またはソフトウェアは単に、送受信機の送信機チェーンから再使用されてもよい、すなわちチャネル推定目的でこのプロセスを実行するために新しいハードウェア／ソフトウェアを追加する必要はないことに留意されたい。搬送波マッピング機能６４の出力は、ＦＦＴ４６の出力と乗算されるように乗算器５０に入力される。図２（ａ）を参照すると、ＦＦＴ４６からの結果の周波数領域情報出力は、６つの周波数領域シンボル（ビット・フィールドごとに１つ）を含み、そのうちの任意の２つは、ホッピング・シーケンス内で３つの副搬送波のいずれがこの特定のフレームを送信するために使用されているかに応じて、乗算器５０での乗算に使用可能になる。したがって、乗算器５０は、粗いチャネル推定を使用するために補償されたヘッダ・セクション３２の送信バージョンと、チャネル効果を補償されないヘッダ・セクション３２の受信バージョンとの数学的比較を実行する。したがって、ヘッダ・セクション３２に関連付けられている値が正しく検出されたと仮定すると、乗算器５０の出力は、次いで平均化機能６６において粗いチャネル推定を改善して細かいチャネル推定を生成するために使用される２つの追加のチャネル推定を提供する。

チャネル推定の計算に関連付けられている雑音の項の影響は、さらに多数のシンボルにわたって平均化されることにより減少されるので、チャネル推定シーケンスの２つのシンボルのチャネル推定と、ヘッダ・セクション３２からの２つの追加のシンボルのチャネル推定を平均化することは、粗いチャネル推定に対して細かいチャネル推定の精度を向上させる。この向上は、送信チェーンから既存ハードウェア／ソフトウェアを再使用することにより、複雑さをほとんど増すことなく、チャネル推定に関連付けられている実装損失を約１．７ｄＢから約１ｄＢ未満に減少させると推定される。次いで、細かいチャネル推定は、例えば、送信中に経験したチャネル効果をデータセクション３４に補償するために、等化器６８に供給されてもよい。

前述のように、細かいチャネル推定を計算するためのヘッダ・セクション３２の使用は、ヘッダ・セクション３２が受信機により正しく検出されるという前提に基づいている。図２（ａ）に示されるように、ヘッダ・セクション３２は、例えば帯域拡張（これはデータセクション３４を送信するためにどのモードが使用されるかを識別する）などに関する情報と、例えば５５、８０、１１０、１６０、２００、３２０、４８０Ｍｂ／ｓのうちの１つなど、データセクション３４が送信されている速度を含む。送信速度はまた、本発明の例示的な実施形態によるＵＷＢシステムにおいて、例えば、変調および符号化速度などの、データセクション３４に関連付けられているその他の送信基準にも影響を与える。ヘッダ・セクション３２で搬送される情報の特性を考慮すれば、この情報の正しい受信なくしては、受信機はデータセクション３４を復号化することはできない。したがって、ヘッダ・セクション３２で送信される情報が受信機にたとえ先見的に知られていないとしても、本発明の例示的な実施形態は、ヘッダ・セクション３２内のシンボルを使用してチャネル推定を実行する目的で、ヘッダ・セクション３２の正しい受信を仮定することにより、ヘッダ・シンボルを既知の情報として処理する。たとえ正しい受信ではなかったとしても、システムは、いずれにしてもこのフレームのデータセクション３４を復号化することができず、例えば再送信などの是正処置を行う必要があるため、この仮定はパフォーマンスに悪影響を及ぼすことはない。

図４は本発明の例示的な実施形態による無線通信の方法を示す流れ図である。その中で、ステップ１００において、プリアンブル部分、ヘッダ部分、およびデータ部分を含むデータのフレームが受信される。粗いチャネル推定は、ステップ１０２において、フレームのプリアンブル部分で受信されたチャネル推定シンボルを使用して決定される。次いで、ステップ１０３において、ヘッダ部分は、そこに受信されたシンボルを粗いチャネル推定を使用して決定するように処理される。細かいチャネル推定は、ステップ１０４において、粗いチャネル推定およびヘッダ・シンボルを使用して決定される。次に、フレームのデータ部分は、ステップ１０５において、検出されたデータ・シンボルを出力するために細かいチャネル推定を使用して等化されうる。

前述の例示的な実施形態は、チャネル推定を改善するためにフレームのヘッダ・セクションを使用することに関するが、本発明はそのように限定されることはない。むしろ、チャネル推定は、ヘッダ・シンボルに加えて（またはその代わりに）データ・シンボルを使用してチャネル推定を実行するように拡張されうる。物理的には、本発明による送受信機は、受信機チェーン、送信機チェーン、および受信機チェーンと送信機チェーンとに関連付けられているデータを処理するプロセッサを含むことができる。

前述の例示的な実施形態は、本発明のあらゆる点において、限定的ではなく、例示的であることが意図されている。したがって、本発明は、当業者によって本明細書に含まれている説明から導かれうる詳細な実装において数多くの変形を行うことができる。そのような変形および変更はすべて、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および精神に従うものと見なされる。本願の説明に使用されているいかなる要素、行為または指示も、明示的に記述されない限り、本発明に決定的または不可欠であると解釈されるべきではない。また、本明細書に使用されているように、冠詞「ａ」は１つまたは複数の項目を含むことが意図されている。

本発明が実装されうるＷＬＡＮシステムを示す図である。本発明の例示的な実施形態と併せて使用されうる例示的なＯＦＤＭフレーム・フォーマットを示す図である。図２（ａ）のＯＦＤＭフレーム・フォーマットのプリアンブル部分を詳細に示す図である。本発明の例示的な実施形態による送受信機のチャネル推定を説明するプロセス図である。本発明の例示的な実施形態によるチャネル推定を実行する方法を説明する流れ図である。

Claims

データのフレームを受信するステップであって、前記フレームはプリアンブル部分、ヘッダ部分、およびデータ部分を含むステップと、前記フレームの前記プリアンブル部分で受信されたチャネル推定シンボルを使用して粗いチャネル推定を決定するステップと、受信されたヘッダ・シンボルを生成するために前記粗いチャネル推定を使用してデータの前記フレームの前記ヘッダ部分を処理するステップと、前記粗いチャネル推定および前記受信されたヘッダ・シンボルに基づいて細かいチャネル推定を決定するステップと、前記細かいチャネル推定を使用して前記フレームの前記データ部分を等化するステップと、を備える無線通信方法。
データの前記フレームは直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号の一部である請求項１に記載の方法。
前記粗いチャネル推定を決定する前記ステップは、前記粗いチャネル推定を決定するために少なくとも１つのチャネル推定シンボルに関連付けられている受信された値を前記少なくとも１つのチャネル推定シンボルの格納されている値と比較するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
受信されたヘッダ・シンボルを生成するため、前記粗いチャネル推定を使用してデータの前記フレームの前記ヘッダ部分を処理する前記ステップは、前記ヘッダ部分から巡回プレフィックスを除去するステップと、前記ヘッダ部分に相回転を適用するステップと、周波数領域ヘッダ・シンボルを生成するために前記ヘッダ部分を周波数領域に変換するステップと、チャネル補償された周波数領域ヘッダ・シンボルを生成するために前記粗いチャネル推定を前記周波数領域ヘッダ・シンボルに適用するステップとをさらに備える請求項１に記載の方法。
前記粗いチャネル推定および前記ヘッダ・シンボルに基づいて前記細かいチャネル推定を決定する前記ステップは、前記チャネル補償された周波数領域ヘッダ・シンボルを送信フォーマットに再符号化するステップと、少なくとも１つのチャネル推定を生成するために前記再符号化され、チャネル補償された周波数領域ヘッダ・シンボルを前記周波数領域ヘッダ・シンボルと比較するステップと、前記細かいチャネル推定を生成するために前記少なくとも１つのチャネル推定と前記粗いチャネル推定を平均化するステップとをさらに備える請求項４に記載の方法。
受信されたデータ・シンボルを生成するために前記粗いチャネル推定を使用してデータの前記フレームの前記データ部分を処理するステップと、前記粗いチャネル推定、前記受信されたヘッダ・シンボルおよび前記受信されたデータ・シンボルに基づいて前記細かいチャネル推定を決定するステップとをさらに備える請求項１に記載の方法。
前記プリアンブル部分は６つの周波数領域チャネル推定シンボルを含み、前記ヘッダ部分は６つの周波数領域シンボルを含む請求項１に記載の方法。
データのフレームを受信する受信機であって、前記フレームはプリアンブル部分、ヘッダ部分、およびデータ部分を含む受信機と、前記フレームの前記プリアンブル部分で受信されたチャネル推定シンボルを使用して粗いチャネル推定を決定し、受信されたヘッダ・シンボルを生成するために前記粗いチャネル推定を使用してデータの前記フレームの前記ヘッダ部分を処理し、前記粗いチャネル推定および前記受信されたヘッダ・シンボルに基づいて細かいチャネル推定を決定するプロセッサと、前記細かいチャネル推定を使用して前記フレームの前記データ部分を等化する等化器とを備える送受信機。
データの前記フレームは直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号の一部である請求項８に記載の送受信機。
前記プロセッサは、前記粗いチャネル推定を決定するために少なくとも１つのチャネル推定シンボルに関連付けられている受信された値を前記少なくとも１つのチャネル推定シンボルの格納されている値と比較することにより前記粗いチャネル推定を決定する請求項８に記載の送受信機。
前記プロセッサは、前記ヘッダ部分から巡回プレフィックスを除去し、前記ヘッダ部分に相回転を適用し、周波数領域ヘッダ・シンボルを生成するために前記ヘッダ部分を周波数領域に変換し、チャネル補償された周波数領域ヘッダ・シンボルを生成するために前記粗いチャネル推定を前記周波数領域ヘッダ・シンボルに適用することにより、受信されたヘッダ・シンボルを生成するために前記粗いチャネル推定を使用してデータの前記フレームの前記ヘッダ部分を処理する請求項８に記載の送受信機。
前記チャネル補償された周波数領域ヘッダ・シンボルを送信フォーマットに再符号化し、少なくとも１つのチャネル推定を生成するために前記再符号化され、チャネル補償された周波数領域ヘッダ・シンボルを前記周波数領域ヘッダ・シンボルと比較し、前記細かいチャネル推定を生成するために前記少なくとも１つのチャネル推定と前記粗いチャネル推定を平均化することにより、前記細かいチャネル推定の決定に使用される送信機をさらに備える請求項１１に記載の送受信機。
前記プロセッサはまた、受信されたデータ・シンボルを生成するために前記粗いチャネル推定を使用してデータの前記フレームの前記データ部分を処理し、前記粗いチャネル推定、前記受信されたヘッダ・シンボルおよび前記受信されたデータ・シンボルに基づいて前記細かいチャネル推定を決定する請求項８に記載の送受信機。
前記プリアンブル部分は６つの周波数領域チャネル推定シンボルを含み、前記ヘッダ部分は６つの周波数領域シンボルを含む請求項８に記載の送受信機。