JP2008518499A - Mimoシステムを動作するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
MIMOシステムは、複数の符号化データストリームを送信する送信局(10)と、符号化データストリームを受信及びデコードする受信局(12)とを有する。受信局の性能は、受信した符号化データストリームがデコードされるオーダに依存する。デコードオーダに関する情報は送信局で決定され、受信局に伝達される。
Description
本発明は、MIMO(Multiple Input Multiple Output)システムに関し、MIMOシステムを動作する方法に関する。
一般的に、MIMOシステムでは、送信機で複数のアンテナを使用して送信された複数のデータストリームは、受信機で複数のアンテナにより受信されることを対象とする。典型的には、複数のデータストリームのデコードは、送信アンテナと受信アンテナとのそれぞれの対の間での異なる伝達関数の存在により容易になる。
Zhang RuiによるEE492M Final Project Report“MIMO Capacity and Performance Comparison between D−Blast and V−Blast” (http://www.stanford.edu/〜engp9824/Websites/EE492M%20Final%20Project%20Report.pdfで入手可能)は、送信機と受信機との双方での多素子アレイ(MEA:multi−element array)を使用した無線通信システムが高錯乱環境で高スペクトル効率を実現できることを記載している。チャネル情報が送信機で利用できないという仮定では、送信機での符号構成は、情報理論により見込まれる高スペクトル効率のかなりの部分を実現すると考えられている。“Layered Space−Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment when using Multi−Element Antennas”, Bell Lab Tech. J., pp.41−59, Autumn 1996でG.J.Foschiniにより提案されている2つの既知の符号化方式は、D−BLAST及びV−BLASTとして知られている。双方の方式では、全情報レートは、等しいレートで並列の1次元サブストリームに分割される。並列の1次元サブストリームは、別々に符号化されて、送信用に変調される。D−BLAST送信とV−BLAST送信との決定的な違いは、V−BLASTでは、各サブストリームが送信用に固定のアンテナに割り当てられるが、D−BLASTでは、各サブストリーム信号がストリームホッピングローテータ(stream hopping rotator)により割り当てられた周期的な時間ホッピングパターンを用いて全アンテナで送信されるという点にある。D−BLASTは、各サブストリーム信号の複数のアンテナ送信による空間ダイバーシチを利用するため、V−BLASTより高いアウテージ能力(outage capacity)を提供する。アウテージ能力は、チャネルがランダムに変動するが、コードワードの期間に固定であるときに関係する。概略で、アウテージ能力は、任意の信頼のある送信が予め指定されたパーセントのチャネルの実現に対して可能であるものより下のレートとして理解され得る。
受信機でのD−BLAST及びV−BLASTのデコード処理は決定的な違いを有する。V−BLASTでは、受信データストリーム毎に最適なデコードのオーダを見つけることが可能であるが、D−BLASTでは、受信機でのデコードのオーダは送信機のストリームローテータにより決定されている。このことを除いて、D−BLASTとV−BLASTとの双方のデコード処理は類似している。各サブストリームは、(最小平均2乗誤差(MMSE:Minimum Mean Square Error)又はゼロフォーシング(ZF:zero forcing)アルゴリズムを使用して)独立してデコードされ、次のサブストリームをデコードする干渉を低減するために受信信号から控除される。V−BLASTでは、各サブストリームは、固定のデコードオーダのみを有する。従って、V−BLASTでの実現可能なアウテージ能力は、最低の平均信号対干渉及び雑音比(SINR:Signal to Interference and Noise Ratio)を有するサブストリームにより制限される。これに対して、D−BLASTの各サブストリームは、全ての可能なデコードオーダを有し得る等しい部分のデータを有する。このことは、各サブストリームをデコードする際にSINRを平均化する効果を有し、その結果、V−BLASTより高いアウテージ能力が実現され得る。D−BLASTでのサブストリーム毎のデコードのオーダは送信機のストリームローテータにより決定されるため、ZF検出の更なる改善が必要である場合に、最適なデコードのオーダは、送信機にフィードバックされる必要がある。
“Asymptotical Analysis of the Outage Capacity of Rate−Tailored BLAST”, Hao Zhang and Tommy Guess, IEEE Global Communications Conference, Dec 1−5, 2003, San Francisco, CAは、V−BLAST及びH−BLASTと呼ばれるBLASTの他の変形と、RT−BLAST(Rate Tailored BLAST)とを比較している。H−BLASTに対するRT−BLASTの1つの利点は、最適なオーダを実行する必要がないため、低い計算上の複雑性を備えた受信機にあると言われている。更に、RT−BLASTとH−BLASTとの間の2つの主な相違点は、送信アンテナのサブチャネルレートが必ずしも相互に等しい必要がないという点(実際にこれらのレートはRT−BLASTの場合に最適化される)と、Kレイヤからのデコードオーダが受信機で固定されているという点(このことは、レイヤをデコードする最適なオーダを決定するオーバーヘッドを有するH−BLASTに比べてRT−BLASTが低い複雑性を有することを意味する)とに、この文献は言及している。RT−BLAST及びH−BLASTの双方は、全てのサブチャネルで、送信アンテナ毎に1つの1次元符号を利用する。
典型的には、チャネル状態(例えば、チャネル伝達関数、並びに受信アンテナでの雑音及び干渉レベル)は、受信機で既知であることが仮定されるが、このことは送信機の場合には当てはまらないことがある。
チャネル状態情報が送信機で利用可能でないという仮定では、データストリームを各アンテナにマッピングし、各アンテナからの信号の特性が(例えば電力及びデータレートに関して)類似になるように構成することが適切である。データストリームはまた、全てのアンテナで順に循環することがある。
送信機で限られたチャネル状態情報(例えば各チャネル伝達関数の大きさ)を利用可能にすることにより、各アンテナからの信号の特性はそれに従って調整され得る。例えば、特定の送信アンテナからのチャネル伝達関数が低い利得を示す場合、電力と変調と符号化方式とのうち1つ以上が性能を最適化するように調整され得る。1つの最適化基準は、所定の全送信電力について実現されるデータレートを最大化することでもよい。このような方式の一例は、PARC(Per−Antenna Rate Control)として知られている。更なる一般化はS−PARC(Selective PARC)として知られている。S−PARCでは、1つ以上の送信アンテナからの出力が無効になってもよい。典型的には、無効のアンテナは、低レートのデータストリームをサポートできるもののみである。
詳細なチャネル状態情報が送信機で利用可能である場合、一種の空間多重化が使用可能である。空間多重化では、各データストリームから得られた信号の重み付きコピーを各送信アンテナに供給することにより、複数の空間送信ストリームが作られる。送信機の重みは、(1)チャネル伝達関数と、(2)各受信アンテナでの雑音レベルと、(3)受信機で使用されると仮定される処理とを考慮に入れて導かれ得る。例えば、受信ストリームは、各受信アンテナからの線形結合から形成され得る。空間送信ストリーム毎に異なるデータレートも選択され得る。1つの選択肢は、直交の空間送信ストリームを作るように送信機及び受信機の重みを選択することである。他の選択肢は、送信信号と受信信号との間の平均2乗誤差を最小化する重みを選択することである。
線形技術の代替として、SIC(successive interference cancellation)のような非線形技術が実施されてもよい。これは、送信データストリーム間での干渉の影響を低減することを対象とする。典型的には、1つのデータストリームがデコードされるために選択され(しばしば最高の信号対雑音比(SNR:Signal to Nose ratio)又は信号対干渉比(SIR:Signal to Interference Ratio)を有するもの)、関連のチャネル伝達関数と共に、結果の情報がそのデータストリームに対応する受信波形の推定を行うために使用される。これらの波形は、各アンテナにより受信された信号から控除され得る。次に他のデータストリームがデコードされ、全てのデータがデコードされるまで手順が繰り返される。全くデコード誤りが生じない(又は非常に小さいデコード誤りが生じる)ことを仮定すると、この種類の方式は効果的である。従って、前の反復で行われたデコード誤りを訂正する目的で、この手順は反復的でもよい。代替として、受信波形のソフト判定が控除されてもよく、このことは誤りの伝搬効果を低減する。
一般的には、送信機でのフォーマットは、受信機で仮定される処理に依存する。例えば、SICの場合には、各データストリームをデコードするオーダが既知である場合、又は少なくともオーダを選択する受信機のアルゴリズムが既知である場合、送信機は性能をより良く最適化することができる。従って、デコードオーダは事前に合意されてもよく、SIRに基づいてもよい。一般的に、受信機は、全ての選択肢をテストすることにより、最適なデコードオーダを決定し得る。
一般的な場合には、受信機での最善のデコードオーダを決定する問題は、コードワード(又はコードワードの一部)がデコードされるオーダを決定することと等価であると考えられ得る。
或る場合には(例えばSICでは)、受信機が最適なデコードオーダを見つけることは、複雑な計算タスクになり得る。このような場合に、計算タスクは高い消費電力を引き起こし、このことは移動局にとって短い電池寿命をもたらす。
本発明の目的は、MIMO受信機でのデコードオーダを最適化することである。
本発明の一態様によれば、複数の符号化データストリームを送信する手段を有する第1の装置と、符号化データストリームを受信する手段及びデコードする手段を有する第2の装置とを有するMIMOシステムが提供され、第2の装置の性能は、受信した符号化データストリームがデコードされるオーダに依存し、第1の装置において、デコードオーダに関する情報を決定する手段と、決定された情報を第2の装置に送信する手段とを更に有し、第2の装置において、送信装置から受信したデコードオーダに関する情報に応じてデコードオーダを選択する手段を更に有する。
本発明の第2の態様によれば、MIMOシステムを動作する方法が提供され、第1の装置が複数の符号化データストリームを送信し、第2の装置が符号化データストリームを受信及びデコードし、第2の装置の性能は、受信した符号化データストリームがデコードされるオーダに依存することを有し、第1の装置がデコードオーダに関する情報を決定し、この情報を第2の装置に伝達し、第2の装置がデコードオーダに関する情報を受信することに応じてデコードオーダを選択することを更に有する。
送信局がデコードオーダを決定してデコードオーダを受信局に通信することにより、受信機の消費電力が低減され、電池寿命を伸ばす。
デコードオーダに関する情報は、命令的でもよく、デコードオーダを決定することに関与してもよい。
本発明の第3の態様によれば、MIMOシステムでデータを送信する装置が提供され、複数の符号化データストリームを受信装置に送信する手段と、データストリームのデコードオーダに関する情報を決定する手段と、決定された情報を受信装置に送信する手段とを有する。
本発明の第4の態様によれば、MIMOシステムで送信装置から受信する装置が提供され、複数の符号化データストリームを受信する手段と、複数の符号化データストリームをデコードするデコード手段であり、デコード手段の性能は符号化データストリームがデコードされるオーダに依存するデコード手段と、送信装置から受信したデコードオーダに関する情報に応じてデコードオーダを選択する手段とを有する。
添付図面を参照して、一例として本発明について説明する。
図面では、対応する特徴を特定するために同じ参照符号が使用される。
図1を参照すると、図示のシステムは、4つの送信アンテナTxA1〜TxA4を有する送信局10と、相互に空間的に離れた4つの受信アンテナRxA1〜RxA4を有する受信局12とを有する。各送信アンテナTxA1〜TxA4は、S1〜S4と示される異なる各データストリームを送信する。異なる各データストリームは、受信アンテナRxA1〜RxA4により受信される。便宜上で、受信信号のバージョンはSijと示される。ただし、“i”は送信局のアンテナであり、“j”は受信局のアンテナである。4つのアンテナRxA1〜RxA4でのS1の受信バージョンは、それぞれS11、S12、S13、S14である。同様に、S2の受信バージョンは、S21、S22、S23、S24であり、S3の受信バージョンは、S31、S32、S33、S34であり、S4の受信バージョンは、S41、S42、S43、S44である。従って、図1では、各受信アンテナにより受信される信号の合計は次のようになる。
アンテナRxA1=S11+S21+S31+S41
アンテナRxA2=S12+S22+S32+S42
アンテナRxA3=S13+S23+S33+S43
アンテナRxA4=S14+S24+S34+S44
典型的には、受信局12は、各受信アンテナRxA1〜RxA4の受信バージョンと送信信号とを関連付ける(すなわち、S11、S12、S13、S14とS1とを関連付け、S21、S22、S23、S24とS2とを関連付け、S31、S32、S33、S34とS3とを関連付け、S41、S42、S43、S44とS4とを関連付ける)チャネル伝達関数を決定する手段を有する。このことにより、受信局12は、各データストリームを代数的に回復することが可能になる。この理由は、例えばフラットフェージングの場合には、4つの連立方程式が存在し、4つの未知のものが存在するからである。簡単には、或る方法では、1つのデータストリームの最善の推定が得られ、シンボルが再構成される。次に、SIC技術を使用することにより、このシンボルによる寄与が受信された信号から控除される。このことは、残りのシンボルの推定の信号対雑音比を改善し、次の最善のSNRでの推定を使用してこの処理が繰り返される。全てのシンボルが回復されるまでこの周期が繰り返される。
アンテナRxA1=S11+S21+S31+S41
アンテナRxA2=S12+S22+S32+S42
アンテナRxA3=S13+S23+S33+S43
アンテナRxA4=S14+S24+S34+S44
典型的には、受信局12は、各受信アンテナRxA1〜RxA4の受信バージョンと送信信号とを関連付ける(すなわち、S11、S12、S13、S14とS1とを関連付け、S21、S22、S23、S24とS2とを関連付け、S31、S32、S33、S34とS3とを関連付け、S41、S42、S43、S44とS4とを関連付ける)チャネル伝達関数を決定する手段を有する。このことにより、受信局12は、各データストリームを代数的に回復することが可能になる。この理由は、例えばフラットフェージングの場合には、4つの連立方程式が存在し、4つの未知のものが存在するからである。簡単には、或る方法では、1つのデータストリームの最善の推定が得られ、シンボルが再構成される。次に、SIC技術を使用することにより、このシンボルによる寄与が受信された信号から控除される。このことは、残りのシンボルの推定の信号対雑音比を改善し、次の最善のSNRでの推定を使用してこの処理が繰り返される。全てのシンボルが回復されるまでこの周期が繰り返される。
等しい数の送信アンテナと受信アンテナとが図示されているが、これは必須の要件ではない。この理由は、送信アンテナの数は、連立方程式での未知数を規定するからである。しかし、これらの連立方程式を解くために、最小で等しい数の受信アンテナが存在しなければならないが、移動体環境では、伝搬問題のため何らかが使用不可能になる場合に備えて、更に多くの受信アンテナを有することに利点がある。
信号をデコードするときに、関与する計算量を低減して、これによって受信機での電力を節約するために、好ましいデコードオーダを認識することが有利である。本発明による方法は、送信局がチャネル状態情報(CSI:channel state information)に基づいて(例えばコードワードの誤り率に関して)最善の性能を提供するようにデータストリームがデコードされるオーダを決定することに関する。本発明の一実施例では、CSIは受信局で決定され、送信局に中継される。代替実施例では、時分割双方向(TDD:Time Division Duplex)モードで動作するトランシーバを有し、アップリンク送信とダウンリンク送信との間で高速のターンアラウンドを有する送信局は、少なくとも基本的には、受信した信号によりチャネルを測定してもよく、次の送信に有効であるとしてチャネル測定を扱う。
図2を参照すると、送信局10は、マルチプレクサ16の入力に結合されたデータソース14を有する。マルチプレクサ16からの出力信号経路の数は、送信アンテナTxA1〜TxA4の数(この場合には4)に対応する。各信号経路での各ビットレートの信号ストリームは、コーダC1〜C4で誤り訂正用に符号化され、各変調器M1〜M4で同じ周波数キャリアに変調され、各シンボルレートの信号を生成する。これらの信号は各送信アンテナTxA1〜TxA4に適用される。
プロセッサ18は、コーダC1〜C4及び変調器M1〜M4を有する送信局10の動作を制御する。一例として、プロセッサ18は、各無線チャネルの品質に応じて各変調器でのシンボル毎のビット数を調整してもよい。例えば、良好なチャネルは高いオーダの変調を有してもよく、反対に不十分なチャネルは低いオーダの変調を有してもよい。更に、プロセッサ18は、受信局でのデコードオーダを決定することに関与してもよい。このことについて以下に詳細に説明する。
受信局12は、4つの受信アンテナRxA1〜RxA4を有し、4つの受信アンテナRxA1〜RxA4のそれぞれは、復調器DM1〜DM4及びデコーダDC1〜DC4のそれぞれの直列接続構成に結合される。プロセッサ20は複数の入力を有しており、複数の入力のうち4つが、それぞれデコーダDC1〜DC4の出力に接続されている。プロセッサ20は、信号を分離し、SICを使用してデコードの決定を行うように機能する。これらの機能を実行する際に、各送信チャネルの状態に関する情報と、送信局により示されたデコードオーダとが考慮される。
チャネル状態推定器30は、各無線チャネルに影響を与える基準(例えば信号強度測定値)を監視し、周期的にチャネル情報記憶装置32に保持された情報を更新する。チャネル状態は、ダウンリンクで送信局により送信されるトレーニングデータ又はコードワード(同期コードワード等)を使用して推定されてもよい。チャネル情報記憶装置32の出力34はプロセッサ20に結合される。
プロセッサ20は、それぞれ4つの出力35〜38を有しており、送信局10のマルチプレクサ16の出力で4つのデータストリームのそれぞれの推定を提供する。これらの推定は、データ出力44を有するデマルチプレクサ42のそれぞれの入力に供給される。
無線チャネルの品質に関する情報(例えば伝達関数及び無線経路毎のSIR)は、チャネル情報記憶装置32により変調器/復調器(DEMOD)46に供給される。変調器/復調器(DEMOD)46では、キャリアに変調され、トランシーバ48の送信部により送信局10に送信される。
チャネル状態情報は、トランシーバ50の受信部により受信されて復調される。トランシーバ50の出力は、プロセッサ18の入力に適用される。プロセッサ18は、予め格納されたソフトウェアに従って受信データを計算し、受信局12でデコードオーダを決定する段52に出力を供給する。この情報はトランシーバ48により受信され、DEMOD46で復調され、 “デコードオーダ”信号としてプロセッサ20に供給される。プロセッサ20は、デコードのオーダを決定するときにこの信号を使用する。デコードオーダ信号は、反対に何らかのローカルで決定された要素に従うデコードの好ましいオーダを示唆するものとして、プロセッサ20により使用される。
トランシーバ48により受信された情報は、デコードオーダ又は一式の可能なデコードオーダを決定することに役立てるために受信局により使用される部分的な情報を有してもよい(例えば、各ステップでデコードに考慮されるべき可能なコードワードの10のサブセットを指定する)。
チャネル状態情報が存在しない場合、プロセッサ18は、全てのチャネルを同じものとして扱う。
図3に示すOFDMシステムの実施例では、各データストリームは、各アンテナから複数のサブキャリアで送信される。OFDMシステムのサブキャリアの数は、非常に大きくてもよく、典型的には2の累乗(例えば64(26),128(27)...1024(210))である。図示のシステムは、複数の送信ユニット101、102〜10nを有する。ただし、nは図2を参照して説明した形式の整数であるが、データソース14がそれぞれ各送信ユニット101、102〜10nのマルチプレクサに接続された出力を有するマルチプレクサ54に接続されるという相違を有する。動作中に、各送信ユニット101、102〜10nはデータストリームを生成するが、異なるサブキャリアで生成する。送信ユニットの対応する番号の出力が、同じ送信アンテナTxA1〜TxA4に結合される。
同様に、対応する複数の受信ユニット121〜12nが存在する。ただし、nはアンテナRxA1〜RxA4にそれぞれ結合された対応の入力を有する図2を参照して説明した形式の整数である。
本発明の非限定的な実施例では、コードワードは時間とサブキャリアとの双方に分散されてもよい。
この明細書及び特許請求の範囲では、単数の要素は、このような要素の複数の存在を除外しない。更に、“有する”という用語は、記載のもの以外の他の要素又はステップの存在を除外しない。請求項において括弧の参照符号を有することは、理解を助けることを目的とするものであり、限定を目的とするものではない。
この開示を読むことにより、他の変更が当業者に明らかになる。このような変更は、MIMOシステム及びその構成部分の設計、製造及び使用で既に知られている他の特徴を有してもよく、既に記載した特徴の代わりに又はそれに加えて使用されてもよい。
Claims (16)
- 複数の符号化データストリームを送信する手段を有する第1の装置と、前記符号化データストリームを受信する手段及びデコードする手段を有する第2の装置とを有するMIMOシステムであって、
前記第2の装置の性能は、前記受信した符号化データストリームがデコードされるオーダに依存し、
前記第1の装置において、デコードオーダに関する情報を決定する手段と、前記決定された情報を前記第2の装置に送信する手段とを更に有し、
前記第2の装置において、送信装置から受信した前記デコードオーダに関する情報に応じてデコードオーダを選択する手段を更に有するシステム。 - 前記第2の装置は、チャネル情報を前記第1の装置に伝達するように適合された送信機を有し、
前記第1の装置において、前記デコードオーダに関する情報を決定する手段は、前記第2の装置により送信された前記チャネル情報に応じることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記決定された情報は、部分的な情報であり、
デコードオーダを選択する手段は、デコードオーダ又は一式の可能なデコードオーダを決定するために、前記部分的な情報を使用するように適合されることを特徴とする請求項1又は2に記載のシステム。 - MIMOシステムを動作する方法であって、
第1の装置が複数の符号化データストリームを送信し、
第2の装置が前記符号化データストリームを受信及びデコードし、
前記第2の装置の性能は、前記受信した符号化データストリームがデコードされるオーダに依存することを有し、
前記第1の装置がデコードオーダに関する情報を決定し、前記情報を前記第2の装置に伝達し、
前記第2の装置が前記デコードオーダに関する情報を受信することに応じてデコードオーダを選択することを更に有する方法。 - 前記第2の装置がチャネル情報を前記第1の装置に伝達し、
前記第1の装置が前記チャネル情報に基づいて前記デコードオーダに関する情報を決定することを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記決定された情報は、部分的な情報であり、
前記第2の装置は、前記部分的な情報を使用して、デコードオーダ又は一式の可能なデコードオーダを決定することを特徴とする請求項4又は5に記載の方法。 - MIMOシステムでデータを送信する装置であって、
複数の符号化データストリームを受信装置に送信する手段と、
前記データストリームのデコードオーダに関する情報を決定する手段と、
前記決定された情報を前記受信装置に送信する手段と
を有する装置。 - 前記決定された情報は、部分的な情報であることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 前記データストリームのデコードオーダに関する情報を決定する手段は、前記受信装置から受信したチャネル情報に応じることを特徴とする請求項7又は8に記載の装置。
- 前記送信する手段は、前記符号化データストリームをOFDM信号として送信するように適合される請求項7ないし9のうちいずれか1項に記載の装置。
- コードワードを時間とサブキャリアとの双方に分散するように適合される手段を有する請求項7ないし10のうちいずれか1項に記載の装置。
- MIMOシステムで送信装置から受信する装置であって、
複数の符号化データストリームを受信する手段と、
前記複数の符号化データストリームをデコードするデコード手段であり、前記デコード手段の性能は前記符号化データストリームがデコードされるオーダに依存するデコード手段と、
前記送信装置から受信したデコードオーダに関する情報に応じてデコードオーダを選択する手段と
を有する装置。 - 前記デコードオーダに関する情報は、部分的な情報であり、
前記デコードオーダを選択する手段は、デコードオーダ又は一式の可能なデコードオーダを決定するために、前記部分的な情報を使用するように適合されることを特徴とする請求項12に記載の装置。 - チャネル情報を前記第1の装置に伝達するように適合された送信機を特徴とする請求項12又は13に記載の装置。
- コードワードをデコードする手段と、
前記コードワードによる受信信号を推定する手段と、
全受信信号から前記コードワードによる前記受信信号を再構成及び控除する連続干渉取消手段と
を特徴とする請求項12ないし14のうちいずれか1項に記載の装置。 - 複数のサブキャリアでOFDM信号として前記符号化データストリームを受信するように適合された請求項12ないし15のうちいずれか1項に記載の装置。
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