JP2008521321A - チャネル状態情報により支援された多入力多出力（ｍｉｍｏ）システムにおけるロバスト無線マルチメディア伝送 - Google Patents

Abstract

特異値分解（SVD）に基づくチャネル状態情報に支援されたMIMO伝送（204）（304）がデコード処理を簡単にするシステム及び方法が提供される。本発明は、ロバスト無線マルチメディア通信のためのジョイント・ソース・チャネル・コーディング・システム及び方法である。SVDが降順にチャネルエネルギーを再分配するという事実を使用して、FGS（Fine-Grained-Scalability）（208）の下位レイヤは、最高の信号対雑音比（SNR）のパスにマッピングされて良好な保護を得るが、他の上位レイヤは、あまり重要でないレイヤがSVD分解チャネルの低いSNRのパスにマッピングされるように、他のパスにマッピングされる。MDC（multiple description code）（207）もまた、少なくとも１つの符号化ストリームが高いSNRのために大きい保護を提供されるように使用される。本発明は、何らかのMIMO型無線マルチメディア通信システムに関する。

Description

本発明は、MIMO型無線マルチメディア通信システムに関する。

無線ネットワークでのマルチメディア伝送は、市場の需要の増加により更に普及してきている。現在の無線通信プロトコルの構成部は、特定の伝送形式のニーズに特に注意することなく、独立して開発されている。物理レイヤ、MACレイヤ及びソースコーディングの全てが独立に開発されている。各レイヤは可能な最大限まで最適化されている。ジョイント・ソース・チャネル・コーディング（joint source and channel coding）でシステムを最適化し、システム設計に過度の複雑性を追加することなくシステムの効率を増加させる可能性を有する見込みが確認されている。ジョイント・チャネル・ソース・コーディングのより良い方法を見つけることに多くの研究が向けられている。J. P. Meehan及びM. van der Schaarの“A Concept for Combined MPEG-4 FGS and Hierarchical Modulation for Wireless Video Transmission”, Philips Research USA-TN-2001-044, 2001は、FGS（fine grained scalability）ビデオコーディングと適応変調とを結合することにより、単一アンテナシステムについて１つのこのような手法を記載している。この文献の内容の全体が参照として取り込まれる。

現在、MIMOシステムでのマルチメディアについて利用可能な対策は以下のように実施される。FGS又はMDC（multiple description code）符号化システムがMIMOシステムで伝送される場合、全てのストリームは同じ送信電力を受ける。従って、FGSでは、不可欠な下位レイヤは低いコンステレーション（constellation）で送信される必要があるが、他の上位レイヤは高いコンステレーションの変調で送信され得る。これらは、異なるアンテナを使用して送信される。MDCは、異なるソース符号化ストリームについて異なる変調を必要としない。伝送用にMIMOを使用する場合、異なるストリームは異なるアンテナで送信可能である。しかし、少なくとも１つのストリームは、内容がデコード可能になるように正確に受信されなければならない。この手法は、MIMOシステムでの空間ダイバーシチのみを利用する。チャネル条件が非常に悪く、何らかの送信及び受信アンテナの対でのSNRが信頼のある伝送を供給するのに低すぎることが生じ得る。FGSでは、下位レイヤが正確に受信されない場合、マルチメディアコンテンツは再生不可能である。MDCでは、ストリームが誤りなしに受信されない場合、デコードは実現不可能である。

本発明のシステム及び方法は、多入力多出力（MIMO：Multiple In and Multiple Out）無線通信システムでチャネル状態情報（CSI：Channel State Information）を使用したジョイント・チャネル・ソース・コーディング方式を提供する。ソースコーディングは、FGSでもよく、MDC（multiple description code）でもよい。

好ましい実施例では、CSIに基づいて、チャネルの送信エネルギーの分配は異なるストリームで異なる。MIMOシステムについて検討する。何らかの操作手段により、アンテナの対1で送信される信号は全体エネルギーの80%を割り当てられ、他のアンテナの対の信号は全体エネルギーの残り（すなわち20%）を割り当てられる。この手法は、アンテナの対を区別し、送信時の現在のチャネル条件に従って実現される。このことは、アンテナの対1がシステムで最高のSNRを割り当てられることを意味する。対に割り当てられた高いSNRは、エネルギーがアンテナの対に均等に分配されたシステムより、伝送を信頼性の高いものにする。このように、FGSソースコーディングでは、下位レイヤは現在のチャネル条件に従って割り当てられた最高のエネルギーを有するアンテナの対で送信され得る。その結果、下位レイヤはMIMOチャネルで最高の可能なSNRを享受し、他の上位レイヤは下位レイヤほど重要でないため、低いSNRで送信され得る。

MDCソースコーディングでは、１つのストリームは高いSNRチャネルで送信され、他のものは或る程度低いSNRチャネルで送信される。１つのストリームが確実に受信される限り、マルチメディアストリームはデコード可能である。FGSの上位レイヤの追加又はMDCの多くのストリームの追加は、ビデオの品質を増加させるに過ぎない。

以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、限定ではなく一例として、特定のアーキテクチャ、インタフェース、技術等のような特定の詳細が示されている。しかし、本発明は、これらの特定の詳細から逸脱した他の実施例でも実施され得ることが、当業者に明らかである。

本発明のシステム及び方法は、チャネル状態情報（CSI：channel state information）を利用することにより、無線ネットワーク内で更にロバストなマルチメディア伝送を提供する。本発明のCSI支援の伝送は、無線マルチメディア伝送システムを最適化するソースコーディング方式と結合される。従って、本発明のシステム及び方法は、異なるビデオストリームに異なる保護プライオリティを提供するため、スケーラブルビデオ／オーディオ伝送に良く適している。

以下の部分では、MIMOシステムでの最初のCSI支援の伝送について説明する。次に、本発明のシステム及び方法がシステムの異なるアンテナに異なるマルチメディアストリームをマッピングする方法について説明する。

好ましい実施例では、MIMOシステムでのCSI支援の伝送は、以下のように実現可能である。受信機102からの何らかの測定及びフィードバックを使用して、MIMOチャネルHは送信機側101で利用可能になり得る。多数のフィードバック方法が可能である。好ましいフィードバック方法は最も簡単なものである。チャネルは受信機側で推定され、チャネル係数が通常のデジタル信号として送信機に返信される。RFキャリブレーションをチャネルに一致させるように、フィードバック方式にいくつかの問題が存在するが、これらの問題は当業者に周知の方法で対処可能である。ここで行われる唯一の仮定は、準定常且つ可逆（reciprocal）である。

この好ましい実施例では、以下のように特異値分解（SVD：Singular Value Decomposition）を用いて推定チャネル行列H_nを分解することが好都合である。
H_n=U_nD_nV_n’ (1)
ただし、
(a)U_n及びV_nは、それぞれR×M及びM×Lの次元のユニタリー複合行列（すなわち、U_nU_n’=I等）である。
(b)D_nは、H_nの非負の特異値を降順に有するM×Mの次元の実対角行列である（実際にはH_nH_n’又はH_n’H_nの固有値の２乗根である）。
(c)添え字nは、チャネル推定H_nの雑音性質の残りである。
受信信号は以下のように表現され得る。
Y=HX+N=U_nD_nV_n’X+N (2)
ただし、Nはゼロ平均及び分散σ²を有する白色ガウス雑音である。

チャネルはSVD分解され、信号はチャネルからの分解行列のみで乗算される。マッピングは、物理チャネルではなく、実際に“論理”チャネルである。この理由は、前置／後置等化（SVDからの行列）の後に、信号は異なるDn値で論理チャネルにマッピングされるからである。

この好ましい実施例では、受信機はチャネルを推定し、受信機はSVD分解を実行する。次に、受信機はU_n及びD_n行列を格納し、V_n行列を送信機にフィードバックし、チャネルがこの期間中に変化しないことを仮定して、次のパケットのデータと乗算する。代替実施例では、送信機はSVDを実行し、SVDの後にU_n行列を受信機にフィードバックする。

U_n105及びV_n106は送信機側で既知であるため、送信の前に信号はV_n106と乗算（前置等化）可能であり、受信機側102で、受信信号はU_n’104と乗算可能である。式(2)は以下のようになる。
U_n’Y=U_n’HV_nX+N=U_n’U_nD_nV_n’V_nX+U_n’V_nN=D_nX+N (3)
D_nは対角行列であるため、異なるストリームは容易に分離可能である。D_nにおいて、全ての特異値は降順に配置されるため、Xの最初のストリーム（信号）はチャネルの最大の利得を割り当てられる。従って、このストリームは所定のチャネルで最高のSNRを有する。

次に、全ての実施例で、異なるソースコーディングストリームがアンテナにマッピングされる。前記の説明から、最大の特異の√λ₁108を備えたパスがチャネルで最大のSNRを保持し、従ってFGS符号の下位レイヤがこれにマッピングされ得ることがわかる。上位レイヤは他のパスにマッピングされ、より重要なレイヤが最大の特異値のパスにマッピングされ得る。このように、より重要なレイヤはチャネルの高いSNRでより良く保護される。MDCストリームでは、何のストリームが何の特異値のパスにマッピングされるかは実際に重要ではない。この理由は、MDCは均等に重要であり、MDCストリームのいずれか１つを受信することが、マルチメディアソースの正確なデコードを生じ得るからである。しかし、少なくとも１つのMDCストリームは正確に受信されなければならない。ストリームでの均等でないSNRの分布と本発明の方法とを考えると、１つのMDCストリームは、常により良いチャネル条件で送信可能であり、このことは正確に送信される機会を増加させる。

次に図２を参照すると、本発明の手順のフロー200が図示されている。ステップ201において、チャネル状態情報（CSI：Channel State Information）が決定される。受信機では、ステップ202において、MIMOチャネルHについて行列H_nが推定される。ステップ203において、推定されたMIMOチャネルH_nが受信機から送信機にフィードバックされ、ステップ204において、特異値分解（SVD：Singular Value Decomposition）を使用して分解される。ステップ205において、分解された信号はソースコーディングストリームに分離され、ステップ206-208においてアンテナにマッピングされる。

次に図３を参照すると、本発明に従って変更された典型的な無線装置300が図示されている。装置は送信機101と受信機102とを有し、これらの双方が複数のアンテナ303に動作可能に結合されている（唯一のものが図示されている）。装置は、受信機102と送信機101との間に動作可能に結合されたフィードバック回路301を組み込み、受信機102から送信機101への何らかの測定及びフィードバックを使用して、受信したMIMOチャネルHをフィードバックする。分解回路302は、MIMOチャネルHについて推定された行列H_nを分解し、SVD回路304を有するマッピング回路303は、分解された信号を複数の異なるソースコーディングストリームに前置等化及び分離し、送信機101による送信のためにストリームをアンテナ303にマッピングする。この装置は、分解及びマッピングに関する行列（例えばU_n、V_n及びD_n行列）を格納するメモリ305を更に有する。

本発明のシステム及び方法は、無線ホームネットワーク、無線LANで送信されるマルチメディアストリーム、及びIEEE802.11nを使用した無線マルチメディア伝送用のMIMOシステムのように、MIMOシステムを備えた如何なる無線マルチメディア伝送でも使用可能である。また、CSI支援のMIMOシステムのみでは、前置等化のため、受信機側で必要なデコーダは従来のZF（zero-forced）又はMMSE MIMOデコーダよりかなり簡単になる。本発明のシステム及び方法の唯一のオーバーヘッドは、受信機から送信機へのチャネル状態情報のフィードバックである。

本発明の好ましい実施例について図示及び説明したが、様々な変更及び変形が行われてもよく、本発明の範囲を逸脱することなく、均等物が要素に代用されてもよいことが当業者にわかる。例えば、絶対時間基準が、測定モード（Measurement Mode）と何らか組み合わせて、測定要求フレーム（Measurement Request Frame）の外層、又は測定要求エレメント（Measurement Request Element）の個々の基本要求の内層に供給される。更に、フレーム及びエレメントのフォーマット変更のように、特定の状態に適合するように多数の変更が行われてもよく、本発明の教示は、その中心の範囲を逸脱することなく、均等であるように適合可能である。従って、本発明は、本発明を実施するために検討されたベストモードとして開示された特定の実施例に限定されず、本発明は、特許請求の範囲内にある全ての実施例を有することを意図する。

本発明に従った無線装置によるCSI支援のMIMO伝送 本発明のフローチャート 本発明の実施例によるアドホック無線ネットワークの無線装置の概略ブロック図

Claims (26)

1. 無線ネットワークの多入力多出力MIMOシステムにおけるチャネル状態情報に支援されたマルチメディア伝送方法であって：
   受信機からのMIMOシステムチャネルHを送信機で利用可能にするステップと；
   前記MIMOチャネルHについて推定行列H_nを分解するステップと；
   前記分解された信号を前置等化するステップと；
   前記前置等化された信号を複数の異なるソースコーディングストリームに分離するステップと；
   前記複数の異なるソースコーディングストリームのそれぞれを送信のためにアンテナにマッピングするステップと；
   を有する方法。
2. 前記利用可能にするステップは、前記MIMOチャネルを前記送信機で利用可能にするために、前記受信機からの何らかの測定及びフィードバックを使用することを更に有する請求項１に記載の方法。
3. 前記分解するステップは、特異値分解（SVD）を用いて前記推定チャネル行列H_nを分解することを更に有する請求項１に記載の方法。
4. 前記SVDにより分解するステップは、
   H_n=U_nD_nV_n’
   ただし、
   (a)U_n及びV_nは、それぞれR×M及びM×Lの次元のユニタリー複合行列（すなわち、U_nU_n’=I等）であり、
   (b)D_nは、H_nの非負の特異値を降順に有するM×Mの次元の実対角行列である（実際にはH_nH_n’又はH_n’H_nの固有値の２乗根である）、
   のようにH_nを分解し、
   受信信号Yは、送信信号Xに関して以下のように表現可能であり、
   Y=HX+N=U_nD_nV_n’X+N
   ただし、Nはゼロ平均及び分散σ²を有する白色ガウス雑音である請求項３に記載の方法。
5. 前記SVDにより分解するステップは、
   i.前記送信機又は前記受信機の一方により前記SVDを実行するステップと；
   ii.前記SVDを実行するステップが前記送信機により行われたときに、前記送信機は前記受信機に前記U_n行列を送信するステップと；
   iii.前記SVDを実行するステップが前記受信機により行われたときに、前記受信機は、
   (a)前記U_n及びD_n行列を格納するステップと；
   (b)前記V_n行列を前記送信機にフィードバックするステップと；
   を更に有する請求項４に記載の方法。
6. 前記前置等化するステップは：
   U_n及びV_nが前記送信機で既知であるため、V_nと乗算（前置等化）するステップと；
   前記受信機側で前記受信信号をU_n’と乗算するステップと；
   を更に有し、
   U_n’Y=U_n’HV_nX+N=U_n’U_nD_nV_n’V_nX+U_n’V_nN=D_nX+N
   である請求項５に記載の方法。
7. 前記分離するステップは、複数の異なるソースコーディングストリームに前記信号Xを分離するために、前記対角行列D_nを使用するステップを更に有する請求項４に記載の方法。
8. D_nにおいて、全ての特異値は降順に配置され、
   Xの第１のストリーム（信号）は、前記MIMOチャネルで最大の利得を割り当てられ、これにより、前記第１のストリームが所定のチャネルで最高のSNRを有する請求項７に記載の方法。
9. 前記異なるソースコーディングは、FGS（fine grained scalability）とMDC（multiple description code）とを有するグループから選択された少なくとも１つのソースコーディングである請求項１に記載の方法。
10. 前記複数の異なるソースコーディングストリームは、下位レイヤと少なくとも１つの上位レイヤとを有する請求項９に記載の方法。
11. 前記異なるソースコーディングのうち少なくとも１つはFGSであり、前記マッピングは：
    最大の信号対雑音比（SNR）を有する前記複数の異なるソースコーディングストリームのストリームに前記下位レイヤをマッピングするサブステップと；
    最大のSNRを有するストリーム以外の前記複数の異なるソースコーディングストリームに前記少なくとも１つの上位レイヤをマッピングするサブステップと；
    を有する請求項１０に記載の方法。
12. 無線ネットワークにおけるチャネル状態情報に支援された伝送用の多入力多出力（MIMO）システムであって：
    複数のアンテナと；
    前記複数のアンテナに動作可能に結合され、それぞれMIMOチャネルHを送信及び受信する送信機及び受信機と；
    前記受信したMIMOチャネルを前記受信機から前記送信機にフィードバックするフィードバック回路と；
    前記フィードバック回路に動作可能に結合され、前記フィードバックされたMIMOチャネルHの推定行列H_nを分解する分解回路と；
    前記分解された信号を複数の異なるソースコーディングストリームに前置等化及び分離し、前記送信機による送信のために前記複数のアンテナに前記ストリームをマッピングするマッピング回路と；
    を有するMIMOシステム。
13. 前記フィードバック回路は、前記MIMOチャネルを前記送信機で利用可能にするために、少なくとも１つの所定の測定と、前記受信機からの前記受信したMIMOチャネルとを使用するように更に構成される請求項１２に記載のMIMOシステム。
14. 前記分解回路は、前記推定チャネル行列H_nを分解する特異値分解（SVD）回路を有するように更に構成される請求項１２に記載のMIMOシステム。
15. 前記SVDは、
    H_n=U_nD_nV_n’
    ただし、
    (a)U_n及びV_nは、それぞれR×M及びM×Lの次元のユニタリー複合行列（すなわち、U_nU_n’=I等）であり、
    (b)D_nは、H_nの非負の特異値を降順に有するM×Mの次元の実対角行列である（実際にはH_nH_n’又はH_n’H_nの固有値の２乗根である）、
    のようにH_nを分解し、
    受信信号Yは、送信信号Xに関して以下のように表現可能であり、
    Y=HX+N=U_nD_nV_n’X+N
    ただし、Nはゼロ平均及び分散σ²を有する白色ガウス雑音である請求項１４に記載のMIMOシステム。
16. 前記システムはメモリを更に有し；
    前記分解回路は、
    i.前記送信機及び受信機のうち少なくとも１つにより起動され；
    ii.前記送信機及び前記受信機のうち少なくとも１つによる後の使用のために、前記送信機及び前記受信機のうち少なくとも１つによりそれぞれ前記U_n、V_n及びD_nを前記メモリに格納するように更に構成される請求項１５に記載のMIMOシステム。
17. 前記マッピング回路は：
    U_n及びV_nが前記送信機で既知であるため、V_nと前置等化し；
    前記受信機側で前記受信信号をU_n’と乗算するように更に構成され；
    U_n’Y=U_n’HV_nX+N=U_n’U_nD_nV_n’V_nX+U_n’V_nN=D_nX+N
    である請求項１６に記載のMIMOシステム。
18. 前記マッピング回路は、前記信号Xを複数の異なるソースコーディングストリームに分離するために前記対角行列D_nを使用するように更に構成される請求項１６に記載のMIMOシステム。
19. D_nにおいて、全ての特異値は降順に配置され、
    Xの第１のストリーム（信号）は、前記MIMOチャネルで最大の利得を割り当てられ、これにより、前記第１のストリームが所定のチャネルで最高のSNRを有する請求項１８に記載のMIMOシステム。
20. 前記異なるソースコーディングは、FGS（fine grained scalability）とMDC（multiple description code）とを有するグループから選択された少なくとも１つのソースコーディングである請求項１２に記載のMIMOシステム。
21. 前記複数の異なるソースコーディングストリームは、下位レイヤと少なくとも１つの上位レイヤとを有する請求項２０に記載のMIMOシステム。
22. 前記異なるソースコーディングのうち少なくとも１つはFGSであり、前記マッピング回路は：
    最大の信号対雑音比（SNR）を有する前記複数の異なるソースコーディングストリームのストリームに前記下位レイヤをマッピングし；
    最大のSNRを有するストリーム以外の前記複数の異なるソースコーディングストリームに前記少なくとも１つの上位レイヤをマッピングするように更に構成される請求項２１に記載のMIMOシステム。
23. 無線ネットワークにおけるチャネル状態情報（CSI）に支援された伝送用の装置であって：
    受信機により受信されたMIMOチャネル信号Hのチャネル行列H_nを推定し、これから分解信号を提供する分解回路と；
    前記分解信号を複数の異なるソースコーディングストリームに前置等化及び分離し、送信機による送信のために複数のアンテナに前記ストリームをマッピングするためにCSIを使用するマッピング回路と；
    を有する装置。
24. 前記分解回路は、
    H_n=U_nD_nV_n’
    ただし、
    (a)U_n及びV_nは、それぞれR×M及びM×Lの次元のユニタリー複合行列（すなわち、U_nU_n’=I等）であり、
    (b)D_nは、H_nの非負の特異値を降順に有するM×Mの次元の実対角行列である（実際にはH_nH_n’又はH_n’H_nの固有値の２乗根である）、
    のようにH_nを分解し、
    受信信号Yは、送信信号Xに関して以下のように表現可能であり、
    Y=HX+N=U_nD_nV_n’X+N
    ただし、Nはゼロ平均及び分散σ²を有する白色ガウス雑音である請求項２３に記載の装置。
25. 前記装置はメモリを更に有し；
    前記分解回路は、
    i.前記送信機及び受信機のうち少なくとも１つにより起動され；
    ii.前記送信機及び前記受信機のうち少なくとも１つによる後の使用のために、前記送信機及び前記受信機のうち少なくとも１つによりそれぞれ前記U_n、V_n及びD_nを前記メモリに格納するように更に構成される請求項２４に記載の装置。
26. 前記マッピング回路は：
    U_n及びV_nが前記送信機で既知であるため、V_nと乗算することにより前置等化し；
    前記受信機側で前記受信信号をU_n’と乗算するように更に構成され；
    U_n’Y=U_n’HV_nX+N=U_n’U_nD_nV_n’V_nX+U_n’V_nN=D_nX+N
    である請求項２５に記載の装置。

Images