JP2008526116A - 通信システムにおける多元アンテナ相関を軽減するための方法及び装置 - Google Patents

通信システムにおける多元アンテナ相関を軽減するための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

開示の実施例は多元アンテナ送信機によっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送するための方法及びシステムを提供する。一つの形態では、多元アンテナ送信機によっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送する方法は第一の数のシンボル・ストリームを第二の数のシンボル・ストリームに変換すること(第一の数は第二の数より小さいか、等しい)及び第二の数のアンテナを持つ送信機によって第二の数のシンボル・ストリームを伝送することを含む。
【選択図】 図1A

Description

本発明が一般に無線通信システムに関係し、特に無線通信システムにおいて相互関係の影響を軽減するための技術に関係する。
MIMOシステムはデータ伝送のために多元(N)送信アンテナ及び多元(N)受信アンテナを使用する。N送信アンテナとN受信アンテナによって形成されたMIMOチャネルはNの独立チャネルに分解され、それはまた空間チャネルと呼ばれる。Nの各独立チャネルは次元(dimension)が対応する。多元送信及び受信アンテナによって造られた追加次元(dimensionalities)が利用されれば、MIMOシステムは性能が改善される(例えば、高処理能力及び/または高信頼性)。
多元キャリアMIMOシステムはデータ伝送のために多元キャリアを使用する。これらの多元キャリアは直交周波数分割多重方式(OFDM)または他のいくつかの構成によって提供される。OFDMは全体システムの帯域をいくつかの(N)直交部分帯域に効率的に分割し、それはまたトーン、周波数ビン、及び周波数サブチャネルと云われる。OFDMでは、各部分帯域(subband)はデータが変調されるそれぞれのキャリアと関連する。OFDMを利用するMIMOシステム(即ち、MIMO-OFDMシステム)について、各N部分帯域に関するMIMOチャネルはNの独立チャネルに分解され、全体でNの独立チャネルとなる。
無線通信システムでは、伝送されるべきデータはシンボルのストリ−ムを形成するために初期処理される(例えば、符号化及び変調される)。そして、シンボル・ストリームは無線チャネル上における伝送にさらに適したRF変調信号を生成するために無線周波数(RF)に高変換(upconverted)される。MIMOシステムについて、最大NのRF信号がNの送信アンテナから並行して生成され、且つ伝送される。N伝送信号はいくつかの伝播路を経由してN受信アンテナに到達し、そして異なるフェージング及びマルチパスの影響によって異なるチャネルの影響を受ける。さらに、MIMO-OFDMシステムについて、各伝送信号のN部分帯域もまた異なるチャネルの影響を受ける。従って、N伝送信号はN部分帯域の全域にわたって変化する異なる複素チャネル利得及び受信信号対雑音比(SNR)と関連する。
通信システムは音声、パケット・データ、等々といった様々な通信サービスを提供するために広く配置される。これらのシステムは利用可能なシステム資源を共有することによって同時に多数のユーザーとの通信に対応が可能な時間、周波数、及び/または符号分割多元接続システムである。そのような多元接続システムの例は符号分割多元接続(CDMA)システム、多元キャリアCDMA(MC-CDMA)、広帯域CDMA(W-CDMA)、高速下り回線パケット接続(HSDPA)、時分割多元接続(TDMA)システム、周波数分割多元接続(FDMA)システム、及び直交周波数分割多元接続(OFDMA)システムを含む。
従って多元アンテナ無線通信システムにおいて相互関係の影響を緩和する必要性が当技術分野にある。
開示した実施例は多元アンテナ送信機によっていくつかの変調シンボルのストリームを伝送するための方法及びシステムを提供する。一つの形態では、多元アンテナ送信機によっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送するための方法は第一の数のシンボル・ストリームを第二の数のシンボル・ストリーム(第一の数は第二の数より小さいか等しい)に変換し、且つ第二の数のアンテナを持つ送信機によって第二の数のシンボル・ストリームを伝送する行為を含む。
本発明の特徴および特性は同様な参照符号が全体にわたり対応して同一である図面と関連して取られる以下に始まる詳細な説明からさらに明らかになるであろう。
用語「典型的な(exemplary)」は「例(example)、事例(instance)、または例証(illustration)として役立つ」ことを意味するものとしてここでは使用される。「典型的な」としてここに記述された実施例は他の実施例に対して好ましい、或いは有利であると必ずしも解釈されるものではない。
一実施例では、MIMOシステムにおいて、いくつかのシンボル・ストリームは多元アンテナ送信機によって伝送され、そして多元アンテナ受信機によって受信される。MIMOシステムのモデルは:
(s)=(s)(s)+(s) (s∈S) 式(1)
として表される。但し、
(s) はN送信アンテナから伝送されるNシンボルまたはデータ・ストリームについてN入力を持つ{N×1}「伝送」ベクトルである;
(s) はN受信アンテナ上で受信されるNシンボルまたはデータ・ストリームについてN入力を持つ{N×1}「受信」ベクトルである;
(s)は {N}×{N} チャネル応答行列である;
(s) は付加白色ガウス雑音(AWGN)のベクトルである;そして
sは時分割(sは時間インスタンスを表す)、周波数分割(sは周波数インスタンスを表す)、 時間-周波数分割(sは時間-周波数空間におけるインスタンスを表す)の多重化アルゴリズムに対応する。
ベクトル(s)はΛ =σ のゼロ平均且つ共分散行列を持つと仮定される。但し、は対角に沿って1、それ以外は全て0の単位行列であり、σは雑音の分散である。
チャネル応答行列(s)はsの全てのインスタンスについて最大階数を持つとは限らない。(s)の最大階数が「r」(それは送信機、受信機、あるいは両者によって決定される)であると仮定すると、r変調シンボル・ストリームはrアンテナによって伝送される。この場合には、(s)=[h(s) h(s)・・・hNt(s)]がsのあるインスタンスにおけるチャネル応答行列を表し、且つhが送信アンテナiに対応する{N×1} チャネル応答行列を表すとすると、s(例えば、時間、周波数、時間-周波数、または符号)のあるインスタンスにおける受信信号は:
Figure 2008526116
として定義されるであろう。
(s)の方向によって、シンボルのSNRは大幅に変化する。例えば、s のあるインスタンスにおいて伝送のために選ばれたrアンテナが2以上の高い相関のhsを持てば、対応するSNRはかなり低いであろう。一方、hsが直交に近ければ、SNRは高くなるであろう。従って、チャネル特性に応じて、あるパケット及び/またはシンボルは高いSNRとなり、一方、他は低いSNRとなる。さらに、パケットが多数のシンボルに及ぶならば、異なるシンボルは同じSNRに巡り会うことになる。
一実施例では、r変調シンボルを伝送するためにrアンテナを選択する(それは送信アンテナにおける相関効果によってSNRが悪くなる)代わりに、r変調シンボルがNアンテナによって伝送される。この場合には、r×1ベクトルx(s) は、例えば、次元N×rの直交ベクトル回転行列Θ(s)によって任意に回転させられる。即ち、次元{N×1}の新しい伝送ベクトルは:
Figure 2008526116
となるであろう。
Θ(s)の効果は各シンボルx(s) が受信される方向を任意化することである。従って、受信シンボルは、ベクトル型式において:
Figure 2008526116
となるであろう。
この場合には、アンテナ間の相互関係にかかわりなく、変調シンボルは任意の方向において受信される。
Figure 2008526116
方向におけるこの任意化は多元送信アンテナ間の厳しい相関作用を防ぐ。
図1はNアンテナにより変調シンボルのrストリームを伝送るための二つの実施例を示す。図1Aでは、第一の数、例えば、rのビット・ストリームがNアンテナによる伝送のために、例えば、送信機によって選択される。上で述べたように、この選択はチャネル応答行列(k) の階数(rank)(r) に基づいている。一実施例では、選択された変調シンボル・ストリームは符号器102及びマッパー104によって処理され、そしてNアンテナ108による伝送のためにベクトル回転器106を介してr変調シンボル・ストリームからNシンボル・ストリームに変換される。代りに、図1Bのように、送信機は符号器110及びマッパー112によって1以上のデータビット・ストリームを処理し、そして直並列変換器114を介して変調シンボル・ストリームをr変調シンボル・ストリームに変換する。一実施例では、r変調シンボル・ストリームはNアンテナ118による伝送のために、ベクトル回転器116を介して、Nシンボル・ストリームに変換される。
一実施例では、r変調シンボル・ストリームはベクトル回転行列Θ(それは位相変移操作に続く離散フーリエ変換(DFT)操作を含む)によってNシンボル・ストリームに変換される。図2はN-アンテナ送信機108、118による伝送のためにr変調シンボル・ストリーム{X,X,・・・,X}を変換するための一実施例を示す。一実施例では、r変調シンボル・ストリームは離散フーリエ変換(DFT)ユニット204へN入力を提供するために既知のパイロット、例えば、「0」入力の十分な数、例えば、N−rだけ増加される。一実施例では、離散フーリエ変換204は図3Aに示したようにN×Nユニタリ正方行列によって実施/表示され、下記で繰り返される:
Figure 2008526116
一実施例では、DFTユニット204のN出力は位相回転器206によって位相変移される。一実施例では、図3Bに示されたように、位相回転はN×Nユニタリ正方対角行列で実施/表示され、下記で繰り返される:
Figure 2008526116
但し、θs∈[−ππ] は一様分布確率変数である。確率変数θは「種(seed)」から生成され、それはベクトル回転行列Θ(s)を再構築する同様な確率変数を生成するために、実時間もしくは所定時間に、受信側に通信される。
一実施例では、ベクトル回転行列Θ(s)は:
Θ(s)=ΛD 式(7)
によって実施される。
但し、式5によって上で定義したように、DはユニタリN-点DFT行列であり、式6によって定義したように、ΛはN-点ユニタリ正方対角行列である。Θ(s) のこの選択は、例えば、送信アンテナの数(N)が2の累乗であるか、Nが少なくとも二つの素数に分解されるとき、受信側でその実施を促進し、効率的なFFT技術がΘ(s) を実施するために使用される。
開示の実施例は次の技術:符号分割多元接続(CDMA)システム、多数キャリアCDMA(MC-CDMA)、広帯域CDMA(W-CDMA)、高速下り回線パケット接続(HSDPA)、時分割多元接続(TDMA)システム、周波数分割多元接続(FDMA)システム、及び直交周波数分割多元接続(OFDMA)システムのいずれか、またはその組合せに適用される。
図4はMIMOシステム400、例えば、OFDMA環境における送信機システム410及び受信機システム450の実施例のブロック図を示す。送信機システム410において、一つまたは多数のデータ・ストリームはデータ源412によって提供され、送信(TX)データ・プロセッサ414によって符号化され、そして変調シンボルを提供するために変調器420によって変調される。各ストリームに関するデータ速度、符号化、及び変調は制御器430によって行われる制御によって決定される。そして、全てのストリームに関する変調シンボル及びパイロット・シンボルはNシンボル・ストリームを提供するために多重化され、且つさらに処理され、それらはNアンテナ424a〜424Tから伝送されるNRF変調信号を提供するためにN送信機(TMTR)422a〜422Tによってさらに処理される。
受信機システム450において、N伝送信号はNアンテナ452a〜452Rによって受信される。各受信機(RCVR)454は対応する受信シンボル・ストリームを提供するために関連のアンテナ452からの受信信号を処理する。そして、受信(RX)空間/データ・プロセッサ460は検出されたNシンボル・ストリームを提供するためにN受信機からのN受信信号を処理し、さらにストリームに関する復号データを取得するために検出された各シンボル・ストリームを処理する。
RX空間/データ・プロセッサ460はまたデータ伝送のために使用される各部分帯域について(例えば、パイロット・シンボルに基づいて)N送信アンテナとN受信アンテとの間でチャネル応答の推定を得る。チャネル応答推定は受信機において等化を行うために使用される。RX空間/データ・プロセッサ460はさらに検出されたシンボル・ストリームのSNRを推定する。制御器470はMIMOチャネル及び/または受信シンボル・ストリームに関するチャネル状態の情報(CSI)(例えば、シンボル・ストリームに関する受信SNRまたは伝送速度(rates))を提供する。そして、CSIはTXデータ・プロセッサ478によって処理され、変調器480によって変調され、送信機454a〜454Rによって調整され、そして送信機システム410に送り返される。
送信機システム410において、受信機システム450からの変調信号はアンテナ424によって受信され、受信機422によって調整され、復調器440によって復調され、受信機システムによって送られたCSIを復元するためにRXデータ・プロセッサ442によって処理される。そして、上に述べたように、CSIは、(1)伝送すべきシンボル・ストリームの数を決定する、(2)各シンボル・ストリームについて使用すべき伝送速度と符号化及び変調手法を決定する、(3)TXデータ・プロセッサ414及び変調器420に関する様々な制御を生成する、及び(4)シンボル・ストリームをDFT及び位相回転するために使用される。
制御器430及び470は送信機システム及び受信機システムにおける操作をそれぞれ指示する。メモリ・ユニット432及び472は制御器430及び470によって使用されるプログラム・コード及びデータを記憶する。
図5は送信機ユニット500のブロック図を示し、それは図1Aに対応して、図4における送信機システム410の送信機部分の実施例であるこの実施例では、TXデータ・プロセッサ414aはデマルチプレクサ510、N符号器512a〜512D、及びNチャネル・インタリーブ器514a〜514D(即ち、各ストリームについて一組の符号器及びチャネル・インタリーブ器)を具備する。デマルチプレクサ510はデータをNデータ・ストリームへ逆多重化する。但し、Nは1からNのいずれかの整数、例えば、階数「r」である。各データ・ストリームは符号器512及びチャネル・インタリーブ器514のそれぞれの装置によって符号化及びインタリーブされる。そして、N符号化データ・ストリームは変調器420aに提供される。
この実施例では、変調器420aはNシンボル・マッピング要素522a〜522D、ベクトル回転器524、及びN(OFDM)変調器を具備する。各OFDM変調器は逆高速フーリエ変換(IFFT)ユニット526及び巡回プレフィックス発生器528を具備する。N符号化データ・ストリームの各々はそれぞれの変調シンボル・ストリーム(それらは伝送シンボル・ストリームと呼ばれる)を提供するためにそれぞれのシンボル・マッピング要素522によってシンボル・マッピングされる。そして、ベクトル回転器524はDFT及び位相変移を行い、そしてNシンボル・ストリームをN OFDM変調器に提供する。
各OFDM変調器内で、各シンボル期間に、NサブキャリアのNシンボルはN標本を含む対応する時間領域「変換(transformed)」シンボルを取得するためにIFFTユニット526によって変換される。周波数選択性フェージングに対抗するために、巡回プレフィックス発生器528は対応するOFDMシンボルを取得するために各変換シンボルの一部を繰り返す。OFDMシンボル・ストリームは各送信アンテナについて形成され、そしてさらにRF変調信号を取得するために関連する送信機422によって処理される。N RF変調信号はN送信アンテナから並行して生成され、且つ伝送される。
ここに述べた信号通信伝送技術は様々な手段によって実施される。例えば、これらの技術はハードウェア、ソフトウェア、またはその組合せにおいて実施される。ハードウェア実施については、信号通信を処理(例えば、圧縮及び符号化)するために使われる処理装置は一以上の特定用途向け集積回路(ASIC)、ディジタル信号プロセッサ(DSP)、ディジタル信号処理デバイス(DSPD)、プログラマブル論理デバイス(PLD)、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ(FPGA)、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、ここに述べた機能を実行するように設計された他の電子ユニット、またはその組合せの中で実施される。信号通信を復号及び解凍するために使用される処理装置はまた一以上のASIC、DSP、等々によって実施される。
ソフトウェア実施については、信号通信伝送技術はここに述べた機能を実行するモジュール(例えば、手順、機能、等々)によって実施される。ソフトウェア・コードはメモリ・ユニット(例えば、図4におけるメモリ・ユニット432または472)に記憶され、そしてプロセッサ(例えば、制御器430または470)によって実行される。メモリ・ユニットはプロセッサ内、またはプロセッサの外部に実装される。
開示の実施例の先ほどの記述は当業者が本発明を行い、もしくは使用することを可能にするために提供される。これらの実施例に対する様々な修正は当業者にとって明白であり、そしてここに定義された一般的原理は発明の精神または範囲から逸脱することなく他の実施例に適用される。したがって、本発明はここに示された実施例に限定されることを意図するものではなく、ここに開示された原理及び新規な特徴と両立する最も広い範囲を与えられるべきである。
多元アンテナ送信機によって変調シンボル・ストリームを伝送する二つの実施例を示す。 多元アンテナ送信機によって変調シンボル・ストリームを伝送する二つの実施例を示す。 図1A及び1Bの多元アンテナ送信機による伝送のために変調シンボル・ストリームを変換する一実施例を示す。 ベクトル回転を実施する一実施例を示す。 ベクトル回転を実施する一実施例を示す。 送信機システム及び受信機システムのブロック図を示す。 図4の送信機内の送信機ユニットのブロック図を示す。

Claims (37)

  1. 無線通信ネットワークにおいて多元アンテナ送信機によっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送するための方法であって、
    第二の数より小さい第一の数の変調シンボル・ストリームを第二の数のシンボル・ストリームに変換すること、及び
    第二の数のアンテナを具備する送信機によって第二の数のシンボル・ストリームを伝送することを含む方法。
  2. 前記変換することはベクトル回転操作によって第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作することを含む、請求項1記載の方法。
  3. ベクトル回転操作はさらに離散フーリエ変換を含む、請求項2記載の方法。
  4. 前記操作することは、さらに第二の数に等しい次元のユニタリ正方行列で表される離散フーリエ変換を第三の数の既知パイロットだけ増加された第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作することを含む、請求項3記載の方法。
  5. 前記ユニタリ正方行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項4記載の方法。
  6. ベクトル回転操作はさらに離散フーリエ変換の第二の数の出力を位相変移させることを含む、請求項2記載の方法。
  7. 前記位相変移させることはさらにユニタリ正方対角行列による離散フーリエ変換の第二の数の出力に関して操作することを含む、請求項6記載の方法。
  8. 前記ユニタリ正方対角行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項4記載の方法。
  9. 無線通信ネットワークはOFDMA空中インタフェースを含む、請求項1記載の方法。
  10. 無線通信ネットワークにおいて多元アンテナ送信機によっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送するための装置であって、
    第二の数より小さい第一の数の変調シンボル・ストリームを第二の数のシンボル・ストリームに変換する手段、及び
    第二の数のアンテナを具備する送信機によって第二の数のシンボル・ストリームを伝送する手段を具備する装置。
  11. 変換するための前記手段はさらに第一の数の変調シンボル・ストリームをベクトル回転させる手段を具備する、請求項10記載の装置。
  12. ベクトル回転させる手段はさらに離散フーリエ変換を実行するための手段を具備する、請求項11記載の装置。
  13. 操作するための前記手段は、さらに第二の数に等しい次元のユニタリ正方行列によって表される離散フーリエ変換を第三の数の既知のパイロットだけ増加された第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作するための手段を具備する、請求項12記載の装置。
  14. 前記ユニタリ正方行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項13記載の装置。
  15. ベクトル回転するための手段はさらに離散フーリエ変換の第二の数の出力を位相変移させるための手段を具備する、請求項11記載の装置。
  16. 位相変移させるための前記手段はさらにユニタリ正方対角行列による離散フーリエ変換の第二の数の出力に関して操作する手段を具備する、請求項15記載の装置。
  17. 前記ユニタリ正方対角行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項16記載の装置。
  18. 無線通信ネットワークはOFDMA空中インタフェースを含む、請求項10記載の装置。
  19. 無線通信ネットワークにおいて多元アンテナ送信機によっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送するための方法を実施する手段を具体化するコンピュータ可読媒体であって、その方法は、
    第二の数より小さい第一の数の変調シンボル・ストリームを第二の数のシンボル・ストリームに変換すること、及び
    第二の数のアンテナを具備する送信機によって第二の数のシンボル・ストリームを伝送することを含むコンピュータ可読媒体。
  20. 前記変換することはベクトル回転操作によって第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作することを含む、請求項19記載の媒体。
  21. ベクトル回転操作はさらに離散フーリエ変換を含む、請求項20記載の媒体。
  22. 前記操作することは、さらに第二の数に等しい次元のユニタリ正方行列によって表される離散フーリエ変換を第三の数の既知のパイロットだけ増加された第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作することを含む、請求項21記載の媒体。
  23. 前記ユニタリ正方行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項22記載の媒体。
  24. ベクトル回転操作はさらに離散フーリエ変換の第二の数の出力を位相変移させることを含む、請求項20記載の媒体。
  25. 位相変移させることはさらにユニタリ正方対角行列による離散フーリエ変換の第二の数の出力に関して操作することを含む、請求項24記載の媒体。
  26. 前記ユニタリ正方行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項22記載の媒体。
  27. 無線通信ネットワークはさらにOFDMA空中インタフェースを含む、請求項19記載の媒体。
  28. 無線通信ネットワークにおいて多元アンテナによっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送するための送信機ユニットであって、
    第二の数より小さい第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作し、そして第二の数のシンボル・ストリームを生成する変換ユニット、及び
    第二の数のアンテナによって伝送するために第二の数のシンボル・ストリームに関して操作する位相回転器ユニットを具備する送信機ユニット。
  29. 変換ユニットはさらに離散フーリエ変換ユニットを含む、請求項28記載の送信機ユニット。
  30. 無線通信ネットワークにおいて多元アンテナによっていくつかの変調シンボル・ストリームを伝送するための方法を実施するためにプログラムされた少なくとも一つのプロセッサであって、その方法は、
    第二の数より小さい第一の数の変調シンボル・ストリームを第二の数のシンボル・ストリームに変換すること、及び
    第二の数のアンテナを具備する送信機によって第二の数のシンボル・ストリームを伝送することを含むプロセッサ。
  31. 前記変換することはベクトル回転操作によって第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作することを含む、請求項30記載のプロセッサ。
  32. ベクトル回転操作はさらに離散フーリエ変換を含む、請求項31記載のプロセッサ。
  33. 前記操作することは、さらに第二の数に等しい次元のユニタリ正方行列によって表される離散フーリエ変換を第三の数の既知のパイロットだけ増加された第一の数の変調シンボル・ストリームに関して操作することを含む、請求項32記載のプロセッサ。
  34. 前記ユニタリ正方行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項33記載のプロセッサ。
  35. ベクトル回転操作はさらに離散フーリエ変換の第二の数の出力を位相変移させることを含む、請求項31記載のプロセッサ。
  36. 前記位相変移させることはさらにユニタリ正方対角行列による離散フーリエ変換の第二の数の出力に関して操作することを含む、請求項31記載のプロセッサ。
  37. 前記ユニタリ正方対角行列は、
    Figure 2008526116
    によって定義される、請求項36記載のプロセッサ。
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