JP2009050001A - マルチアンテナパルス方式通信システムのための時空間符号化/復号化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】マルチ−アンテナUWBシステムのための簡単で強固な時空間符号化/復号化方法を提案する。
【解決手段】本発明は、UWBパルス方式送信/受信システムのための時空間符号化方法に関係する。“P=2,4,または8”個の送信アンテナに与えられる時空間符号は、変調アルファベットの拡張なしで、2つのPPM情報シンボルを符号化すると共に、符号化されたシンボルを用いてUWBパルス信号の位置を変調することを可能にする。時空間符号は、最大ダイバシティを有する実数であると共に、それは最大速度を有する。更に、本発明は、このように送信された情報シンボルを推定することが可能である時空間復号化方法に関係する。
【選択図】図3
【解決手段】本発明は、UWBパルス方式送信/受信システムのための時空間符号化方法に関係する。“P=2,4,または8”個の送信アンテナに与えられる時空間符号は、変調アルファベットの拡張なしで、2つのPPM情報シンボルを符号化すると共に、符号化されたシンボルを用いてUWBパルス信号の位置を変調することを可能にする。時空間符号は、最大ダイバシティを有する実数であると共に、それは最大速度を有する。更に、本発明は、このように送信された情報シンボルを推定することが可能である時空間復号化方法に関係する。
【選択図】図3
Description
本発明は、超広帯域(Ultra Wide Band:UWB)電気通信の分野、及びマルチアンテナ時空間符号化(STC)システムの分野に関係する。
マルチアンテナ方式の無線電気通信システムは、最新技術において良く知られている。これらのシステムは、複数の放射及び/または受信アンテナを使用すると共に、採用された構成タイプに応じて、MIMO(Multiple Input Multiple Output)、MISO(Multiple Input Single Output)、またはSIMO(Single Input Multiple Output)と呼ばれる。我々は、これ以降、上述の“MINO”及び“MISO”の変形をカバーするために、この用語“MIMO”を使用することになる。放射及び/または受信において空間ダイバシティ(diversity)を使用するによって、これらのシステムは、古典的な単一のアンテナ方式(SISO:Single Input Single Output)より、更にはるかに高い通信路容量を提供することが可能になる。この空間ダイバシティは、一般的に、時空間符号化を使用することにより、時間ダイバシティによって補完される。そのような符号化において、送信されるべき情報シンボルは、いくつかのアンテナに対して、そしていくつかの送信時点において符号化される。時空間符号化によるMIMOシステムの2つの主なカテゴリは、第一に、時空間トレリス符号化(Space Time Trellis Coding:STTC)システム、そして時空間ブロック符号化(Space Time Block Coding:STBC)システムとして知られている。トレリス符号化システムにおいて、時空間符号器は、現在の状態と符号化されるべき情報シンボルの関数として、“P”個のアンテナに“P”個の送信シンボルを供給する有限状態機械と見なされ得る。受信の際の復号化は、その複雑さが状態数の関数として指数的に増大する多次元ビタビアルゴリズムによって行われる。ブロック符号化システムにおいて、送信されるべき情報シンボルブロックは、行列の一方の次元がアンテナの数に対応し、行列の他方の次元が送信時点に対応する送信シンボル行列に符号化される。
図1は、STBC符号化を有するMIMO送信システム100を図示する。例えば“b”ビットの2進数のワード(binary word)、または、より一般的には“b”個のMアレイ(M-ary)シンボルである情報シンボルブロック“S=(σ1,σ2,...,σP)”は、以下の(1)式の時空間行列として符号化される。
ここで、符号の係数“ct,p(t=1,..,T、p=1,..,P)”は、一般的に、情報シンボルによって決まる複素数の係数であり、“P”は、放射に使用されるアンテナの数であり、“T”は、符号の時間拡張(time extension)を表す整数であり、すなわちチャンネル使用の数またはPCU(Per Channel Use)である。
あらゆる情報シンボルベクトル“S”に対応する時空間符号語“C”を生成する関数“f”は、符号化関数と呼ばれる。もし関数“f”が線形であるならば、時空間符号は線形であると言われている。もし係数“ct,p”が実数であるならば、時空間符号は実数であると言われている。
図1において、時空間符号器は、符号110によって表示される。チャンネル“t”の各使用時点において、エンコーダは、マルチプレクサ120に、行列“C”の“t”番目の行ベクトルを提供する。マルチプレクサは、行ベクトルの係数を、変調器1301,...,130Pに送信すると共に、変調された信号が、アンテナ1401,...,140Pによって送信される。
時空間符号は、そのレート、すなわちそれがPCU(per channel use)を送信する情報シンボルの数によって、特徴付けられる。符号は、もしそれが単一のアンテナ使用(SISO)に対するレートのP倍以上であるならば、フルレートであると言われている。
時空間符号は、更に、行列“C”の階数として定義され得るそのダイバシティによって、特徴付けられる。2つのベクトル“S1”及び“S2”に対応する2つの任意の符号語“C1”及び“C2”に関して、もし行列“C1−C2”が最大階数であるならば、最大ダイバシティが存在することになる。
最後に、時空間符号は、異なる符号語の間の最小距離を反映するその符号化利得によって特徴付けられる。それは、以下の(2)式のように定義され得る。
ここでは、線形符号に関して、同等に以下の(3)式のように定義され得る。
ここで、“det(C)”は、行列“C”の決定因子(determinant)のことを指し、“CH”は、行列“C”の共役転置行列(conjugate transpose matrix)である。情報シンボル当たりの与えられた伝送エネルギーに対する符号利得は、制限される。
時空間符号は、もしその符号化利得が高いならば、特にフェージング(fading)に対して抵抗力を有することになる。
2つの伝送アンテナを備えたMIMOシステムのための時空間符号の最初の例の内の1つは、“IEEE Journal on selected areas in communications, vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 1998”において公開された、“S.M. Alamouti”による“A transmit diversity technique for wireless communications”と題名が付けられた論文において提案された。“Alamouti”の符号は、以下の(4)式のように、“2×2”の時空間行列によって定義される。
ここで、
は、送信されるべき2つの情報シンボルであると共に、
は、それらのシンボルに対応する共役シンボルである。(4)式において見られ得るように、この符号は、チャンネルの2つの使用に対して、2つの情報シンボルを送信すると共に、従って、その速度は1シンボル/PCUである。
上記の論文において、QAM変調に属するシンボルのための符号であると初めに提示されたが、“Alamouti”の符号は、同様に、PAMもしくはPSK変調に属する情報シンボルに適用できる。しかしながら、それは、位置変調であるPPM(Pulse Position Modulation:パルス位置変調)に、容易に拡張することができない。“M”個の位置を有するPPM変調アルファベットに対するシンボルは、そこでパルスが放射される変調位置に対応する“1”に等しい1つの成分を除いてその全てが“0”である“M”個の成分のベクトルによって表され得る。(4)式のPPMシンボルの使用は、その場合に、サイズ“2M×2”を有する時空間符号行列をもたらす。
行列に現れる
の項は、アルファベットの中のPPMシンボルではない。それは、符号の変更によって影響を受けたパルスの伝送を包含する。すなわち、これは、PPM変調アルファベットの拡張に属するPPMシンボルを利用することに相当する。
更に一般的に、“IEEE Trans. on Information Theory, Vol. 45, No. 5, July 1999, pp. 1456-1567”に公開された、“Space-time block codes from orthogonal designs”と題名を付けられた論文における、時空間符号、特に“V. Tarokh”等によって定義される実数の直交符号内のPPMシンボルの使用は、PPM変調アルファベットの拡張をもたらす。
情報シンボルが実数であるとき、この論文において導入された実数の直交符号は、“Alamouti”の符号の一般化と考えられ得る。しかしながら、これらの符号は、“P=2,4,8”個の伝送アンテナのためだけに存在する。更に正確には、以下の(5)式のようになる。
ここで、“p=1,...,8”に対する“σp”は、実数の情報シンボル、例えばPAMシンボルである。“Alamouti”の符号に関しては、PPMシンボルを使用するための唯一の方法は、符号付きのパルスを導入することであり、それは、その要素が“±1”に等しい1つの成分を除いてその全てが“0”である“M”個の成分を有するベクトルであろう拡張されたPPMアルファベットを使用することに等しいということがわかる。
多数の研究が、現在、別の電気通信領域、すなわち、特に将来の無線パーソナルネットワーク(WPAN)の発展のために前途有望であるUWB電気通信システム領域で実行されつつある。これらのシステムは、それらが非常に広い帯域信号を有するベースバンドにおいて直接動作することができるという点で、特有である。UWB信号は、通常、2005年3月に改正されたFCCの2002年2月14日の規定において規定されたスペクトルのマスクに順応する信号を意味し、すなわち、本質的に3.1[GHz]から10.6[GHz]のスペクトル帯域における、少なくとも“−10[dB]”において500[MHz]の帯域幅を有する信号を意味する。実際には、マルチ帯域OFDM(MB−OFDM)信号、及びUWBパルス方式信号の2つのタイプのUWB信号が知られている。以下の記述では、UWBパルス方式信号についてだけ説明する。
UWBパルス信号は、一般的にフレーム内に分散された数百ピコ秒の等級の、とても短いパルスによって構成される。多重アクセス干渉(Multi-Access Interference:MAI)を減少させるために、明確な時間ホッピング(Time Hopping:TH)符号が、各ユーザに割り当てられる。ユーザ“k”に割り当てられた出力信号または信号は、その場合に、以下の(6)式のように書かれ得る。
ここで、“w”は基本パルスの形式であり、“Tc”はチップ期間であると共に、“Nc”が基本区間内のチップの数であるとすると、“Ts”は“Ts=NcTc”を有する基本区間(elementary interval)の持続期間であり、“Ns”がフレームにおける基本区間の数であるとすると、全体のフレームの持続期間は“Tf=NsTs”となる。基本パルスの持続期間は、チップ期間よりも短くなるように選択され、すなわち“Tw≦Tc”である。“n=0,..,Ns−1”に対するシーケンス“ck(n)”は、ユーザ“k”の時間ホッピング符号を定義する。時間ホッピングシーケンスは、異なるユーザの時間ホッピングシーケンスに属するパルスの間の衝突の回数を最小限にするように選択される。
図2Aは、ユーザ“k”に関連付けられた“TH−UWB”信号を示す。一般的に、“TH−UWB”信号は、与えられた情報シンボル、すなわち以下の(7)式に示される変調された信号を、ユーザ“k”から伝送するか、またはユーザ“k”に対して伝送するために、位置変調を用いて変調される。
ここで“ε”は、チップ期間より著しく短いディザー(dither)であると共に、“μk∈{0,..,M−1}”は、シンボルのMアレイ(M−ary)のPPM位置であり、この記述において、第1の位置は、ゼロ遅延を導入することと考えられている。
異なるユーザを時間ホッピング符号を用いて分離する代りに、例えばDS−CDMAにおけるアダマール(Hadamard)符号のような直交符号を用いてそれらを分離することが同様に可能である。次に、DS−UWB(Direct Spread UWB:直接拡散UWB)について言及する。この場合、(6)式に対応する変調されない信号に関して、以下の(8)式を獲得する。
ここで、
は、ユーザ“k”に関する拡散シーケンスである。(8)式が従来のDS−CDMA信号の式と類似している点に注意が必要である。しかしながら、それは、チップが全体のフレームを占有しないが、しかし周期“Ts”で分散されるという点で異なる。図2Bは、ユーザ“k”に関連付けられた“DS−UWB”信号を示す(図2Bの目盛り間隔と図2Aの目盛り間隔は同一)。
上述のように、情報シンボルは、PPM変調を用いて送信され得る。同じ表記法を使って、(7)式に示される“TH−UWB”信号に対応する位置に変調された“DS−UWB”信号は、以下の(9)式のように表されることができる。
最後に、時間ホッピング符号及びスペクトル拡散符号は、異なるユーザに対する多重アクセスを提供するために、結合され得るということが知られている。その場合に、その結果は、以下の(10)式に示される一般形を有するUWBパルス信号“TH−DS−UWB”となる。
図2Cは、ユーザ“k”に関連付けられた“TH−DS−UWB”信号を示す。この信号は、位置変調によって変調され得る(図2Cの目盛り間隔と図2Aの目盛り間隔は同一)。その場合に、その結果は、以下の(11)式に示される変調された信号となる。
最新技術において、UWB信号は、MIMOシステムにおいて使用され得るということが知られている。この場合に、各アンテナは、情報シンボルまたはそのようなシンボルのブロック(STBC)の関数として変調されたUWB信号を送信する。しかしながら、上述のことから分かるように、時空間符号におけるPPM情報シンボルの使用は、符号付きパルス、すなわち2つのPAM−M−PPM拡張変調アルファベットの使用を必要とする。位相反転を考慮することは、同様に、放射及び受信において、従来のインパルスシステムのために使用される無線部より、更に複雑な無線部構造(RF architecture)を必要とする。最後に、いくつかのUWBシステムは、符号付きパルスの伝送のための難しさによって、全く使用されることができないか、または符号付きパルスの伝送のための難しさだけで使用されることができない。例えば、光学のUWBシステムは、必然的にいかなる符号情報もなしで、光度の“TH−UWB”による信号だけを送信する。
"ABOU-RJEILY C"等、"A rate-1 2 * 2 space-time code without any constellation extension for TH-UWB communication systems with PPM" 2007 IEEE 65th VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE (IEEE CAT NO. 07CH37784) IEEE PISCATAWAY , NJ , USA, 2007年04月22日〜2007年04月25日 1683〜1687頁 "ABOU-RJEILY C"等、"A space-time coded MIMO TH-UWB transceiver with binary pulse position modulation" IEEE COMMUNICATIONS LETTERS IEEE USA, vol. 11, no. 6, 2007年06月, 522〜524頁
"ABOU-RJEILY C"等、"A rate-1 2 * 2 space-time code without any constellation extension for TH-UWB communication systems with PPM" 2007 IEEE 65th VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE (IEEE CAT NO. 07CH37784) IEEE PISCATAWAY , NJ , USA, 2007年04月22日〜2007年04月25日 1683〜1687頁 "ABOU-RJEILY C"等、"A space-time coded MIMO TH-UWB transceiver with binary pulse position modulation" IEEE COMMUNICATIONS LETTERS IEEE USA, vol. 11, no. 6, 2007年06月, 522〜524頁
本発明の目的は、マルチ−アンテナUWBシステムのための、特に簡単で強固な時空間符号化方法を提案することである。本発明に基づく符号化方法は、位置変調を使用する一方、変調アルファベットに対する拡張を必要としない。特に、それは、変調サポート信号が“TH−UWB”タイプであるとき、符号付きパルス伝送の使用を必要としないことを意味する。
本発明の第2の目的は、前述の方法に従って送信されたシンボルを推定する復号化方法を提案することである。
本発明は、複数“P”個(“P”=2、4、または8)の放射素子を備えるUWB送信システムのための時空間符号化方法であって、前記方法が、2つのPPM変調アルファベットに属する情報シンボル“S=(σ1,σ2,...,σP)”のブロックを、ベクトルの成分が前記システムの所定の放射素子及び所定の送信チャンネルの使用に関してUWBパルス信号の位置を変調することを目的とし、各成分がPPM変調位置に対応する一連のベクトルに符号化することを特徴とする方法によって定義される。
前記ベクトルは、“P=2”の場合、行列
の成分から、“P=4”の場合、行列
の成分から、“P=8”の場合、行列
の成分から、それぞれ獲得され、前記行列の各行は、送信チャンネルの1つの使用に対応し、前記行列の各列は、1つの放射素子に対応し、前記行列“C”は、その行及び/または列の並べ換えを除いて定義済みであり、“Ω”は、2つのPPM変調位置の並べ換えである。
第1の変形によれば、前記パルス信号は、“TH−UWB”信号である。
第2の変形によれば、前記パルス信号は、“DS−UWB”信号である。
第3の変形によれば、前記パルス信号は、“TH−DS−UWB”信号である。
本発明は、更に、複数“P”個(“P”=2、4、または8)の放射素子を備えるUWB送信システムであって、−2つのPPM変調アルファベットに属する情報シンボル“S=(σ1,σ2,...,σP)”のブロックを、各ベクトルが所定の送信チャンネルの使用及び所定の放射素子に関連付けられると共に、ベクトルの各成分がPPM変調位置に対応する一連のベクトルに符号化するための符号化手段(310)と、−各変調器が前記放射素子に関連付けられると共に、送信チャンネルの使用中に、前記放射素子及び前記チャンネルの使用と関連付けられたベクトルの成分を用いて、前記信号の位置を変調する、UWBパルス信号の位置を変調するための複数の変調器(3201,3202,..,320P)と、−前記関連付けられた変調器によって変調された信号を放射するように構成される各放射素子とを備え、前記ベクトルが、“P=2”の場合、行列
の成分から、“P=4”の場合、行列
の成分から、“P=8”の場合、行列
の成分から、それぞれ獲得され、前記行列の1つの行が、送信チャンネルの1つの使用に対応し、前記行列の1つの列が、1つの放射素子に対応し、前記行列“C”が、その行及び/または列の1つの並べ換えの中で定義済みであり、“Ω”が、2つのPPM変調位置の並べ換えであることを特徴とする送信システムに関連する。
第1の実施例によれば、前記放射素子は、UWBアンテナである。
第2の実施例によれば、前記放射素子は、レーザーダイオード、または発光ダイオードである。
本発明は、更に、上述の送信システムによって送信された情報シンボルを推定するように設計された、“Q”個のセンサを備えるUWB受信システムのための時空間符号化方法であって、−各受信チャンネルがセンサ、送信システムと受信システムとの間の伝送路、及び2つのPPM変調アルファベットの変調位置と関連している、“2QL”個の受信チャンネルに関連付けられた“2QL”個の決定変数を獲得する段階と、−ベクトル
を計算するための段階と、−ベクトル
を計算するための段階と、−各シンボルに関して、このシンボルの2つのPPM位置に適用できるベクトル
の成分を比較するための段階とを含み、前記獲得する段階が、サイズ“2QLP”のベクトル“Y”を提供するために、前記送信チャンネルの“P”回の連続する使用の間繰り返されると共に、前記ベクトル“Y”の成分は、前記“P”回の使用の間に獲得される“2QL”個の決定変数であり、上記「数22」に関して、“IP”は、サイズ“P×P”の単位行列であり、“H”は、送信チャンネルを代表する行列であり、“Γ”は、符号を代表する定数ベクトルであり、
は、クロネッカ積であり、上記「数23」に関して、
であり、“I2”は、サイズ“2×2”の単位行列であり、“h”は、
となる縮退チャンネルの行列であり、
は、“P=2”の場合、行列
であり、“P=4”の場合、行列
であり、“P=8”の場合、末尾に示す「付録」において与えられる行列であると共に、推定されたPPM位置は、最も大きな振幅成分に対応する位置であることを特徴とする方法に関連する。
最後に、本発明は、複数“Q”個のセンサと、各センサに接続されたレイク受信機とを備えるUWB受信システムであって、各レイク受信機は、複数“2L”個のフィンガを備え、各フィンガは、伝送路及び2つのPPM変調アルファベットの変調位置に対応すると共に、システムは、更に、−その成分が前記送信チャンネルの“P”回の連続する使用の間に前記レイク受信機のフィンガーが提供する“2QL”個の出力である、サイズ“2QLP”のベクトル“Y”を形成するためのシリアル−パラレル変換手段と、−最初にベクトル
を計算し、次にベクトル
を計算するための計算手段と、−各シンボルの2つのPPM位置に適用できるベクトル
の2つの成分を比較する手段とを備え、上記「数31」に関して、“IP”は、サイズ“P×P”の単位行列であり、“H”は、送信チャンネルを代表する行列であり、“Γ”は、符号を代表する定数ベクトルであり、
は、クロネッカ積であり、上記「数32」に関して、
であり、“I2”は、サイズ“2×2”の単位行列であり、“h”は、
となる縮退チャンネルの行列であり、
は、“P=2”の場合、行列
であり、“P=4”の場合、行列
であり、“P=8”の場合、末尾に示す「付録」において与えられる行列であると共に、推定されたPPM位置は、最も大きな振幅成分に対応する位置であることを特徴とする受信システムに関連する。
第1の実施例によれば、前記センサは、UWBアンテナである。
第2の実施例によれば、前記センサは、光検出器である。
本発明の他の特性、及び利点は、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例を読むことによって明瞭になるであろう。
本発明についての基礎的なアイデアは、情報シンボルの変調位置に作用する置換演算子(permutation operator)に起因する符号化ダイバシティを導入することである。
下記においては、“P=2,4,8個”の送信アンテナ、または、更に一般的には“P=2,4,8個”の放射素子を有するUWB送信システムを考察する。情報シンボルは、位置変調アルファベットに属する。前述のように、“M”はこのアルファベットの基数を意味する。
本発明に基づく送信装置によって使用される時空間符号は、以下の(12)式に示される行列によって定義される。
ここで、“σ1,σ2,...,σP”は、変調位置を定義する“1”に等しい1つの成分を除いてその成分が全て“0”である2次元の列ベクトルの形式で表される、送信されるべき情報シンボルである。すなわち“Ω”は、以下の(13)式に示される2×2の置換行列である。
言い換えると、“Ω”は、シンボルの2つのPPM位置を並べ換える演算子である。その結果、もし“σ”がPPM変調アルファベット中のシンボルである場合、“Ωσ”は、同様に、PPM変調アルファベット中のシンボルである。
(12)式に示す行列の次元が、“2P×P”であると共に、それらは、形式的に、置換演算子“Ω”により変更された符号に置き換えることによって、(5)式に示す実数の直交符号の行列から獲得されるということに注意が必要である。この演算子は、符号変更を使用せずに、すなわちPPM変調アルファベットへの拡張を必要とせずに、時空間ダイバシティを非常に有利に導入する。行列“C”の成分が、符号付きの値ではなく、単に“0”及び“1”であることが観察されることになる。この時空間符号は、超広帯域信号の変調に適当である。
行列“C”は、それらの行及び/または列の並べ換えを除いて定義済みである。行列“C”の行(この場合、行が2次元のベクトルの列を意味するために使用される)及び/または列に関するあらゆる並べ換えは、本発明に基づく時空間符号であり、行に関する並べ換えは、チャンネルの使用時点の並べ換えに相当すると共に、列に関する並べ換えは、送信アンテナの並べ換えに相当する。情報シンボル“σ1,σ2,...,σP”の順序は任意であり、それは“P”個のシンボルのブロックにおける対応する位置のことを指すとは限らない。すなわち、(12)式で示される行列におけるシンボル“σ1,σ2,...,σP”の並べ換えは、時空間符号の定義を変更しない。
更に、行列“C”のそれぞれは、それらの列のそれぞれに、同じ数の“1”を有すると共に、それは、異なるアンテナに対するエネルギーの有利で公平な分配に帰着する。
時空間符号“C”は、更に、“P”個の情報シンボルが“P”個のチャンネルの使用中に送信されるので、フルレートである。その符号化利得は、更に、従来技術における既知の符号化利得より高い。
(12)式に示される行列によって定義された時空間符号、及び(5)式に示される行列によって定義された時空間符号は、最大ダイバシティを有するということが示され得る。
定義付けによって、符号の全ての対の個別の行列「“C”,“C’”」に関して、もし“ΔC=C−C’”が最大階数(full rank)である場合、すなわちもし“ΔC”が以下の(14)式に示される関係を有する場合、その符号が最大ダイバシティを有するということが知られている。
ここで、“p=1,...,P”に関して、“ap=σp−σ'p”は最大階数(full rank)である。
説明によると、ベクトルapの2つの成分は、“0”であるか、もしくはそれらが異符号を有しているかのいずれかである。
行列“ΔC”は、以下の(15)式にように改良された形式で書かれることができる。
もしこれらの2つの列ベクトルが相互に線形である場合、行列“ΔC”は、最大階数ではなく、すなわち、もしこれらの列ベクトルが等ベクトルかまたは逆ベクトルである場合、それらの成分の値に注意する必要がある。この場合に、
なので、
の時かつその時に限り、容易に“a1”ベクトル及び“a2”ベクトルが必然的に“0”であること、すなわち“C=C’”であることを確かめることができる。
以下の説明においては、例えば“P=4”の場合の送信方法について説明するが、“P=2”及び“P=8”の場合も明らかに類似している。
ここでは、システムは(6)式において定義された“TH−UWB”信号を使用すると仮定する。時空間符号は、この信号を変調すると共に、連続する2つのチャンネルの使用を通じて送信される(PCU)。1番目の使用の間、“p=1,...,4”のアンテナがそれぞれ以下の(16)式に示す第1のフレームを送信する。
チャンネルの2番目の使用の間、“p=1,3”のアンテナがそれぞれ以下の(17)式に示す第2のフレームを送信する。
アンテナによって放出される第3のフレーム及び第4のフレームは、同じ原理に基づいて獲得される。
当業者は、“TH−UWB”信号の代わりに、(8)式に基づく“DS−UWB”信号を利用することによって、または更に(10)式に基づく“DS−TH−UWB”信号を利用することによっても、同様の式が獲得されるであろうことを認識することになる。
図3は、本発明に基づく時空間符号化方法を使用する送信システムの例を示す。
図3は、“P=4”の場合を示すが、“P=2”及び“P=8”の場合も同様である。
システム300は、ブロック“S=(σ1,σ2,...,σP)”毎に、情報シンボルを受信すると共に、ここで“σ1,σ2,...,σP”は、2つの位置を有するPPMコンスタレーション(constellation)のシンボルである。代わりに、情報シンボルは、別のバイナリコンスタレーション、例えばバイナリシンボルまたはBPSKシンボルが起源であり得るが、但し、それは、それらが最初に前記PPMコンスタレーションに割り当てられる場合に限られる。情報シンボルは、情報源符号化(source coding)、畳み込みタイプのチャンネル符号化(convolutional type channel coding)、ブロックあるいは更にシリアルまたはパラレルのターボ符号化、インタレーシング(interlacing)等のような当業者に良く知られている1つまたは複数の操作から獲得され得る。
符号化操作は、その場合に、時空間符号器310において、情報シンボルブロック“S=(σ1,σ2,...,σP)”に関して実行される。更に正確には、モジュール310は、“P=4”に関して(12)式を満足する行列“C”の係数を計算するか、あるいは、上述のように、その行及び/または列を並べ換えることによって、その変形を計算する。4つのPPMシンボルを代表する行列“C”の第1の行の4つの列ベクトルは、第1のフレームを生成するために、UWB変調器3201,3202,3203,3204にそれぞれ送信されると共に、次に、行列“C”の第2の行の4つの列ベクトルは、第2のフレームを生成するために、UWB変調器3201,3202,3203,3204にそれぞれ送信され、これは、第4のフレームが生成されるまで同様に実行される。
UWB変調器3201は、PPMシンボル“σ1、σ2、σ3、σ4”から、対応する変調されたUWBパルスを生成する。同様に、UWB変調器3202は、“Ωσ2、σ1、Ωσ4、σ3”ベクトルから、UWB変調器3203は、“Ωσ3、σ4、σ1、Ωσ2”ベクトルから、UWB変調器3204は、“Ωσ4、Ωσ3、σ2、σ1”ベクトルから、対応する変調されたUWBパルスを生成する。
この発明の枠組において、あまり有利ではないが、UWBパルス信号は、変調に関するサポートとして使用されると共に、代りに“DS−UWB”もしくは“TH−DS−UWB”タイプの信号であり得る。全ての場合において、このように変調されたUWBパルス信号は、その場合に放射素子3301〜3304に送信される。これらの放射素子は、UWBアンテナであり得るか、もしくは、例えば赤外線の領域において動作する、電気−光学変調器に接続されたレーザーダイオード、または発光ダイオードであり得る。その場合に、提案された送信システムは、無線光学電気通信(wireless optical telecommunication)の分野で使用され得る。
図3において示されたシステムによって送信されたUWB信号は、以下で提示された復号化方法に基づくマルチ−アンテナ受信機によって受信されて、処理され得る。
本発明に基づく復号化方法は、従来のスフィア(sphere)復号化アルゴリズムを用いるより更に簡単に、レイク(Rake)タイプのマルチ−アンテナ受信機によって受信されたUWB信号から放出された情報シンボルを簡単にかつ強固に推定するために使用され得る。
説明の残りにおいて、放射素子と受信機との間の送信チャンネルは、2つの変調位置の時間間隔(time separation)、すなわち“ε”より更に短いパルスレスポンスを有していると仮定する。この仮定は、実際には、統計上有意のマルチパス条件の下でこの制限を尊重するために、“ε”を十分に大きく選択をするように事前対策が講じられるとき、満足されることになる。その送信が光学的に実行されるとき、チャンネルの時間広がりは、一般的に取るに足らない。しかしながら、光の点滅の時間間隔が、“ε”より更に短いことがチェックされることになる。
前術の仮定によると、第1の変調位置において放出されると共に、第1の経路に沿って進んだUWB信号のパルスは、第2のパスに沿って進んだ同じ信号が提供するパルスと同期することはできず、すなわち、変調位置の間にマルチパス妨害は存在しないことになる。
同様に、ここでは、受信機は、マルチアンテナタイプであると共に、レイクタイプであると仮定する。更に正確には、各アンテナ1,...,Qは、各アンテナに接続されたレイク受信機に対して、各アンテナが受信した信号を出力する。各レイク受信機は、“2L”個のフィンガー、すなわち“L”個の伝送経路に適合すると共に、各伝送経路に対する2つの変調位置に適合した“2L”個のフィルタを備えている。“Q”個のアンテナに対するレイク受信機の“2QL”個のフィンガーからの出力は、受信機によって使用される決定変数である。これらの“2QL”個の決定変数は、“P”個の送信されたフレームに対応する“P”個の区間の間観測される。最終的に、全てのこれらの観察結果は、“P”個の区間の間に受信された信号の完全な一覧を表す、“2QL×P”のサイズを有する以下の(19)式に示す行列“X”により表され得る。
ここで、“C”は、(12)式で与えられるような、送信システムによって使用された時空間符号の“2P×P”の行列か、または行及び/または列の並べ換えによる同等のバージョンである。“N”は、“P”個の観測間隔の間に“2QL”個のフィンガーが提供する出力におけるノイズサンプルを表す、サイズ“2QL×P”を有する行列である。“H”は、サイズ“2QL×2P”を有する送信チャンネル(伝送路)行列である。ここでは、受信機は、コヒーレントであり、すなわち受信機は、例えば“P”個の送信アンテナを通して送信されたパイロットシンボルを用いて、チャンネル推定を実行することができると仮定する。一般的に、受信機は、従来のマルチ−アンテナチャンネルを推定することによって、チャンネル行列“H”を推定することができる。
(19)式は、以下の20(式)のベクトル形式において、同等に書かれることができる。
ここで、サイズ“P×R”を有する任意の行列“A”に関して、“vec(A)”は、行列“A”の列ベクトルを順々に垂直方向に連結させることによって獲得されるサイズ“PR”を有するベクトルであると共に、
は、クロネッカ積である。
ベクトル“vec(C)”は、ベクトル“σ1,σ2,...,σP”を垂直方向に連結させることによって獲得されるサイズ“2P”を有するベクトル“σ”の関数として、以下の(21)式のように表され得る。
ここで、“O2”、“I2”、及び“Ω”は、それぞれゼロ行列(null matrix)、単位行列(unit matrix)、置換行列(permutation matrix)である。
行列
は、“P=8”の場合には、行列“C”に関する(12)式から始まって、同様の方法で獲得される。例えば、“k=0,..,7”の場合に、行列
の(9k+1)番目の行ベクトルは、(I2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2)になると共に、最後から2番目は(O2 Ω O2 O2 O2 O2 O2 O2)になるということが分かる。行列
の行ベクトルのセットは、末尾に示す「付録」において与えられる。
任意の2つのPPMシンボル“σp”に関して、以下の(23)式を有することについて考察する。
ここで、
は、“Ω”を“−I2”により置き換えることによって獲得される行列であると共に、“Γ”は、サイズ“2P2”の固定のベクトルであり、すなわち情報シンボルから独立している。ベクトル“Γ”は、情報シンボル“σp”を
により置き換えると共に、シンボル“Ωσp”の位置をシンボル“l2”の位置と並べ換えることによって、時空間符号“C”の行列から獲得される。更に正確には、以下の(25)式のようになる。
ここでは、以下の(26)式に示す関係がある。
(20)式、(21)式、(24)式、及び(27)式を結合することによって、以下の28(式)を得る。
2つPPM位置の間のあらゆるマルチパス妨害がないことを考慮すると、チャンネル行列は、以下の(29)式のとおりに特徴付けられ得る。
ここで、“h”はサイズ“QL×P”を有する行列である。その場合に、(28)式は、以下の(30)式のようになる。
すなわち、(32)式のようになる。
(33)式及び(34)式の結果は、(12)式において定義された時空間符号の直交性が、受信機側で維持されることである。
時空間符号の復号化方法、すなわち決定変数のベクトル“Y”から放出された情報シンボルの推定は、以下の段階を含む。
決定変数のベクトル“Y”、及び受信機によって推定されたチャンネル(伝送路)行列“H”を使用して、以下の(35)式を計算する。
ここで“Γ=vec(C0)”は、定数であり、符号のみによって決まり、従って受信機に知られている。
最終的に、“p”番目の送信された情報シンボルである“σp”は、以下の(37)式の判定によって獲得される。
図4は、本発明の一実施例による受信装置を示す。この装置は、例えば図3に示された“P=4”の場合の前述の送信装置によって放射された情報シンボル“σ1,σ2,...,σP”を推定するために使用される。
装置は、複数“Q”個のアンテナ4101,4102,...,410Qを備えるか、または光学装置の場合には、複数個の光検出器を備える。
各アンテナ410qは、複数“2L”個のフィンガー430qlm(l=1,...,2L)を備えるレイク受信機420qに接続されていると共に、フィンガー430qlmは、“q=1,...,Q”に対応すると共に、伝送経路“l”と変調位置“m”に関連付けられる。“2QL”個のフィンガーの出力“yqlm”は、その成分が“y’(2l+m−1)+2qL=yqml”であるベクトル“y’”として、直列−並列変換器440に対して供給される。“P”個の送信区間の間に観察されるベクトル“y'1,...,y'P”は、直列−並列変換器440によって、サイズ“2QLP”を有するベクトル“Y”に連結される。
計算手段450は、まず初めに直列−並列変換器440のベクトル“Y”、及びチャンネル推定器455の換算行列(reduced matrix)“h”を受信する。更に、ベクトル“Γ”及び行列
の成分は、メモリ457に格納される。計算手段は、(35)式、そして(37)式の操作を実行し、すなわち
及び
として、
及び
を計算する。最終的に、
の“2P”個の成分は、それらから
を推定すると共に、そして
を推定するために、各“p=1,...,P”に関して
及び
を判定する比較器460に対して供給される。
100 MIMO送信システム
110 時空間符号器
120 マルチプレクサ
1301,...,130P 変調器
1401,...,140P アンテナ
300 送信システム(装置)
310 時空間符号器
3201,3202,3203,3204 UWB変調器
3301,3302,3303,3304 放射素子
4101,4102,...,410Q 複数“Q”個のアンテナ
420q レイク受信機
430qlm 複数“2L”個のフィンガー
440 直列−並列変換器
450 計算手段
455 チャンネル推定器
457 メモリ
460 比較器
110 時空間符号器
120 マルチプレクサ
1301,...,130P 変調器
1401,...,140P アンテナ
300 送信システム(装置)
310 時空間符号器
3201,3202,3203,3204 UWB変調器
3301,3302,3303,3304 放射素子
4101,4102,...,410Q 複数“Q”個のアンテナ
420q レイク受信機
430qlm 複数“2L”個のフィンガー
440 直列−並列変換器
450 計算手段
455 チャンネル推定器
457 メモリ
460 比較器
Claims (11)
- 複数“P”個(“P”=2、4、または8)の放射素子を備えるUWB送信システムのための時空間符号化方法であって、
前記方法が、2つのPPM変調アルファベットに属する情報シンボル“S=(σ1,σ2,...,σP)”のブロックを、ベクトルの成分が前記システムの所定の放射素子及び所定の送信チャンネルの使用に関してUWBパルス信号の位置を変調することを目的とし、各成分がPPM変調位置に対応する一連のベクトルに符号化すると共に、
前記ベクトルが、“P=2”の場合、行列
前記行列の各行が、送信チャンネルの1つの使用に対応し、
前記行列の各列が、1つの放射素子に対応し、
前記行列“C”が、その行及び/または列の並べ換えを除いて定義済みであり、
“Ω”が、2つのPPM変調位置の並べ換えである
ことを特徴とする方法。 - 前記パルス信号が、“TH−UWB”信号である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記パルス信号が、“DS−UWB”信号である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記パルス信号が、“TH−DS−UWB”信号である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 複数“P”個(“P”=2、4、または8)の放射素子を備えるUWB送信システムであって、
−2つのPPM変調アルファベットに属する情報シンボル“S=(σ1,σ2,...,σP)”のブロックを、各ベクトルが所定の送信チャンネルの使用及び所定の放射素子に関連付けられると共に、ベクトルの各成分がPPM変調位置に対応する一連のベクトルに符号化するための符号化手段(310)と、
−各変調器が前記放射素子に関連付けられると共に、送信チャンネルの使用中に、前記放射素子及び前記チャンネルの使用と関連付けられたベクトルの成分を用いて、前記信号の位置を変調する、UWBパルス信号の位置を変調するための複数の変調器(3201,3202,..,320P)と、
−前記関連付けられた変調器によって変調された信号を放射するように構成される各放射素子とを備え、
前記ベクトルが、“P=2”の場合、行列
前記行列の1つの行が、送信チャンネルの1つの使用に対応し、
前記行列の1つの列が、1つの放射素子に対応し、
前記行列“C”が、その行及び/または列の1つの並べ換えの中で定義済みであり、
“Ω”が、2つのPPM変調位置の並べ換えである
ことを特徴とする送信システム。 - 前記放射素子が、UWBアンテナである
ことを特徴とする請求項5に記載の送信システム。 - 前記放射素子が、レーザーダイオード、または発光ダイオードである
ことを特徴とする請求項5に記載の送信システム。 - 請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の送信システムによって送信された情報シンボルを推定するように設計された、“Q”個のセンサを備えるUWB受信システムのための時空間符号化方法であって、
−各受信チャンネルがセンサ、送信システムと受信システムとの間の伝送路、及び2つのPPM変調アルファベットの変調位置と関連している、“2QL”個の受信チャンネルに関連付けられた“2QL”個の決定変数を獲得する段階と、
−ベクトル
−ベクトル
−各シンボルに関して、このシンボルの2つのPPM位置に適用できるベクトル
前記獲得する段階が、サイズ“2QLP”のベクトル“Y”を提供するために、前記送信チャンネルの“P”回の連続する使用の間繰り返されると共に、前記ベクトル“Y”の成分は、前記“P”回の使用の間に獲得される“2QL”個の決定変数であり、
上記「数7」に関して、
“IP”は、サイズ“P×P”の単位行列であり、
“H”は、送信チャンネルを代表する行列であり、
“Γ”は、符号を代表する定数ベクトルであり、
上記「数8」に関して、
“I2”は、サイズ“2×2”の単位行列であり、
“h”は、
推定されたPPM位置は、最も大きな振幅成分に対応する位置である
ことを特徴とする方法。 - 複数“Q”個のセンサと、各センサに接続されたレイク受信機とを備えるUWB受信システムであって、
各レイク受信機は、複数“2L”個のフィンガを備え、
各フィンガは、伝送路及び2つのPPM変調アルファベットの変調位置に対応すると共に、
前記システムが、更に、
−その成分が前記送信チャンネルの“P”回の連続する使用の間に前記レイク受信機のフィンガーが提供する“2QL”個の出力である、サイズ“2QLP”のベクトル“Y”を形成するためのシリアル−パラレル変換手段と、
−最初にベクトル
−各シンボルの2つのPPM位置に適用できるベクトル
上記「数83」に関して、
“IP”は、サイズ“P×P”の単位行列であり、
“H”は、送信チャンネルを代表する行列であり、
“Γ”は、符号を代表する定数ベクトルであり、
上記「数84」に関して、
“I2”は、サイズ“2×2”の単位行列であり、
“h”は、
推定されたPPM位置は、最も大きな振幅成分に対応する位置である
ことを特徴とする受信システム。 - 前記センサが、UWBアンテナである
ことを特徴とする請求項9に記載の受信システム。 - 前記センサが、光検出器である
ことを特徴とする請求項9に記載の受信システム。
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