JP2009060615A

JP2009060615A - 無線通信装置

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Publication number: JP2009060615A
Application number: JP2008224004A
Authority: JP
Inventors: Magnus Stig Torsten Sandell; マグナス・スティグ・トーステン・サンデル
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2028-09-01
Also published as: GB2452319B; US8165231B2; JP4734387B2; EP2031814A2; EP2031814A3; GB0716998D0; GB2452319A; US20090060074A1

Abstract

【課題】ＯＦＤＭを採用する無線通信装置を提供する。
【解決手段】ＭＩＭＯ送信に備えての複数のサブキャリアのプリコーディングは利用可能情報からプリコーディング行列を得て行われる。サブキャリアによるデータストリームの数はＭＩＭＯ送信に採用される送信アンテナの数と同数であるとき２つのサブキャリアに対する個別の取得ユニタリプリコーディング行列から２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を求める。取得、補間プリコーディング行列は場合によっては個別のサブキャリアに適用される。補間プリコーディング行列を求めるステップは取得プリコーディング行列間の変換を表す全体回転行列を決定し、全体回転行列から２つのサブキャリア間の補間ステップに対するステップ変換を表す追加回転行列を決定し、補間プリコーディング行列を求めるため追加回転行列を再帰的に適用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信装置、特にＯＦＤＭを採用する、無線送信機及び受信機（トランシーバとして知られている組み合わせ装置）に関する。

プリコーディングを採用するシステムにおいて、送信機はリンク品質を高めるためにチャンネル情報を使用する。プリコーディングは送信を意図するサブキャリアに基づいてデータストリームに適用される。各サブキャリアは1以上のデータストリームを持つことができる。特に、サブキャリアはコード又は識別の任意の他の方法によって周波数、時間で定義できる。

ＯＦＤＭシステムでは、プリコーディング行列は各個別のサブキャリアに適用される。このプリコーディング行列は送信機によって（帰還又は推定された）チャンネル情報から計算されるか、受信局によって送信機に帰還されるかの何れかである。実際には、前者の解決は実質的情報量の帰還を含み、これに対して後者は送信機での大きな計算負荷に関係する。

故に、送信機に戻される又は送信機で計算される情報を低減することが望まれている。これに対する１つの方法はサブキャリアのサブセットに関する情報だけを取り扱い、補間により残りのサブキャリアに関する情報を得ることである。

情報がチャンネル情報に基づいて送信機によって計算される場合、これはチャンネル情報に基づいて、サブキャリアのサブセットに関する情報を決定し、それからサブキャリアの残りに関する情報を決定するため送信機で補間することを伴う。プリコーディング行列が受信局から送信機に帰還される他の場合には、プリコーディング行列はサブキャリアのサブセットのみのプリコーディング行列であり、送信機はそのとき補間によって他のサブキャリアに関する情報を再構成する。

ユニタリプリコーダにおける補間処理は複数の異なる方法で実行できる。これが達成できる最も適した方法の１つは“スティーフェルマニホールドに関する測地補間(geodesic interpolation on the Stiefel manifold)”であり、これは軌道を作るためのロボット工学に由来している(C. Belta, V. Kumar, “An SVD-based projection method for interpolation on SE(3)”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol 18, no 3, pp 334-345, June 2002: “Belta et al.”)。

これは後にユニタリプリコーダの補間に適用されていた(N. Khaled, R. Heath, G. Leus, B. Mondal, F. Petre, “Interpolation-based multi-mode precoding for MIMO-OFDM systems”, EUSIPCO 2005: “Khaled et al.”)。

他の技術は線形補間を可能にする変換を含む。これは一般的にユニタリ行列を生成することがないので，ユニタリ行列自体の線形補間は可能ではないことに留意すべきである。

Khaled et alの補間の性能は良好であると考えられるが、それは高い計算の複雑さをもたらす。本発明の態様は補間を行う複雑度の低い簡単な方法を提供する。Khaled et alと同等であるが、複雑性をかなり低減した方法を提供する。

本発明の態様は使用されるサブキャリアのサブセットに関するプリコーダ情報を受信し、それからユニタリプリコーダを補間するために低複雑度のアルゴリズムを実行する無線通信局を提供する。これはサブキャリア毎の実際のプリコーダ計算を避けるため、例えば、ＯＦＤＭ方式におけるサブキャリア間を補間するために使用できる。

本発明の第1態様はＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に使用される送信アンテナの数と同数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングする方法であって、前記サブキャリアの２つに対する個別の取得ユニタリプリコーディング行列から、前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を求めること、前記取得及び補間プリコーディング行列を、場合によっては、個別のサブキャリアに適用することを含み、前記補間プリコーダ行列を求めるステップは前記取得プリコーディング行列間の変換を表す全体回転行列を決定するステップと、前記全体回転行列から、前記２つのサブキャリア間の補間ステップに対するステップ変換を表す追加回転行列を決定するステップと、前記補間プリコーディング行列を求めるため前記追加回転行列を再帰的に適用するステップとを含む、方法でなる。

本発明の第2態様はＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に使用される送信アンテナの数より少ない数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングする方法であって、前記サブキャリアの２つに対して個別に取得した非正方行列のプリコーディング行列から前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を求めること、前記取得補間プリコーディング行列を場合によっては個別のサブキャリアで適用することを含み、前記補間プリコーダ行列を求めるステップは前記取得行列を正方行列のユニタリ行列に変換するステップと、前記変換行列間の変換を表す全体回転行列を決定するステップと、前記全体回転行列から、前記取得データストリーム間の補間段階に対する段階変換を表す追加回転行列を決定するステップと、前記追加回転行列を再帰的に適用するステップとを含む、方法でなる。

本発明の第3態様によると、ＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に使用される送信アンテナの数と同数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングするプリコーダであって、前記サブキャリアの２つに対する個別の取得ユニタリプリコーディング行列から、前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を求める補間手段と、前記取得及び補間プリコーディング行列を、場合によっては、個別のサブキャリアに適用するプリコーディング適用手段とを含み、前記補間手段は前記取得プリコーディング行列間の変換を表す全体回転行列を決定し、前記全体回転行列から、前記２つのサブキャリア間の補間ステップのためのステップ変換を表す追加回転行列を決定し、前記補間プリコーディング行列を求めるため前記追加回転行列を再帰的に適用することができる、プリコーダが提供される。

本発明の第4態様によると、ＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に採用される送信アンテナの数より少ない数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングするプリコーダであって、前記サブキャリアの２つに対する個別の取得した非正方行列のプリコーディング行列から前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を取得できる補間手段と、前記取得補間プリコーディング行列を、場合によっては、個別のサブキャリアで適用でき、前記取得行列を正方行列のユニタリ行列に変換するデータ変換手段を含むプリコーディング行列適用手段と、を具備し、前記補間手段は前記変換行列間の変換を表す全体回転行列を決定でき、それから前記全体回転行列から、前記取得データストリーム間の補間段階のためのステップ変換を表す追加回転行列を決定でき、更に前記追加回転行列を再帰的に適用できる、プリコーダが提供される。

ＭＩＭＯ送信機はそのように規定されたプリコーダを含み、複数の送信アンテナ、プリコーディングされたサブキャリアを複数の時間領域信号に変換する変換手段及び個々の送信アンテナを前記時間領域信号で駆動するアンテナ駆動手段を備えることができる。

本発明は本発明の方法のいずれかを実行するため、及び／又は本発明の任意の態様の装置として設定さえるように実行されるコンピュータプログラムによって設定されるコンピュータ装置によって実施できることは言うまでもない。

この場合、コンピュータプログラムは光学又は磁気記憶媒体のような任意の実用的手段によって、インタネットによって行われるダウンロードを介して受信される信号によって、スマートカード、フラッシュメモリ又は他の集積回路記憶手段によって、或いはＡＳＩＣのような特定用途ハードウエアを用いる構成によって導入できる。

本発明の特定の実施形態が一実施例として添付図を参照して説明する。

図１は送信装置１２および受信装置１４を含むＭＩＭＯデータ通信システム１０を示している。送信装置１２は（情報ビット又はシンボルを含む）データをチャンネル符号器及びインターリーバ１８に提供するデータソース１６を含む。この実施例でのチャンネル符号器及びインターリーバ１８の符号化部は再帰的組織畳み込み(ＲＳＣ)符号器（recursive systematic convolutional encoder)のような畳み込み符号器を含む。これは符号器への入力ビットよりも多くのビットが出力されるように動作する。通常、比率は二分の一又は三分の一である。インターリーバはデータフレーム内で同一のアンテナの限定された位置でビットが連続して送信されることによってエラーが増加しないように、又は送信中断によるエラーができるだけ回復できるように隣接ビットが分離されるようにビットをシンボルに交互配置する。チャンネル符号器及びインターリーバは複数のデータストリームＳに分配しデータストリームSをこの実施形態の主要点であるプリコーダ２２に提供する。プリコーダは各種構成の通信装置と関連して使用でき、この実施に限定されないことは言うまでもない。

プリコーダ２２は入力ストリームのシンボルを複数の送信アンテナを含む送信機アンテナアレイ２４からの同時送信のための複数のコードシンボルとして符号化する。

符号化送信信号は送信アンテナアレイ２４と受信装置１６の対応する受信アンテナアレイ２６との間に規定されるＭＩＭＯチャンネル２８を介して伝播する。受信機１６は一般的な従来の受信機と同一であり、アンテナアレイ２６で受信された信号を検出し、抽出できる復号器３０を含む。

復号器３０は空間ストリームを検出するため受信機によって認識されるチャンネルを使用する。

特定の実施形態の受信機１４は送信機１２を考慮して構成される。復号器３０の出力は各送信アンテナ２５に対して１つ、各々が特別の値を有する送信シンボルの確率に関する所謂軟又は尤度データを有する複数の信号ストリームを含む。このデータはチャンネル符号器及びインターリーバ１８の効果を逆にするチャンネルデインターリーバ及び復号器３２に与えられ、復号器３０によって得られる尤度データに基づいて畳み込みコードを展開する。この畳み込みデータはその後チャンネル復号器及びデインターリーバ３２のチャンネル復号部分に与えられる。この実施例では、チャンネル復号機能は畳み込みコードを復号できるビタビ復号器を構成する。

チャンネル復号器及びデインターリーバ３２は模範的データシンク３６で更に処理するために出力データを送出する。出力データは軟出力，尤度情報又は硬出力情報でもよい。

図２を参照してプリコーダ２２の動作を説明する。

図２に示されるように、プリコーダはＰデータストリーム(S₁− S_P)を受信する。各データストリームは個別の多重装置４０にてプリコーディング行列V₁ − V_Pによって多重化される。この後、このプリコーディングデータは複数の逆離散フーリエ変換装置(IDFT)４２の各々に移動する。それから、各IDFT４２からの並列出力は信号を対応するアンテナ２５で発生することを可能にする内蔵駆動アーチテクチャを持つ並直列変換器４４に送出される。

プリコーディング行列Ｖはこの実施例ではＭＩＭＯチャンネル２８を介して受信機から帰還される受信チャンネル情報に基づいてチャンネル情報補間装置５０によって展開される。チャンネル情報はこの発明の代替実施形態における送信機によって推定することができる。チャンネル情報補間装置５０はプリコーディングされるべき複数のデータストリームに対応する複数のプリコーディング行列を展開するため、有効チャンネル情報を利用する。

上述したようにチャンネル情報補間装置５０によって採用される方法は図３に示されるフロー図の支援により一例として説明する。この方法は２つのユニタリプリコーディング行列がＯＦＤＭの２つのサブキャリアで利用できると仮定して機能する。これは２つのシナリオの１つに対応する。

i) チャンネル及び／又はプリコーダについての情報はこれらのサブキャリアで利用できるだけであり、又は
ii) 中間サブキャリアに関するチャンネルについての情報は利用可能であるが、計算負荷を鑑み、全てのプリコーディング行列を明確に計算することは望まれていない。

本発明の本実施形態を採用する他の動機付けが確かにあるかもしれなく、読み手はこの実施形態の応用は上記考察に全く限定されないことは言うまでもない。

それ故に、中間のものを得るために２つのユニタリプリコーディング行列を補間することが望ましい。

そのとき、補間行列Pが見つけられる。これを実証するために、以下のような２つのケースが考えられる。ケース１では、送信アンテナの数はプリコーダ装置２２によって受信されるデータストリームの数に等しい。ケース２の場合、送信アンテナの数はデータストリームの数を超える。

ケース1: M=J

ケース2: M>J

ゼロ空間は、例えば、（G. Golub, C. van Loan, “Matrix computations”, Johns Hopkins University Press, 3^rd ed., 1996: “Golub et al.”に示されるような）単純なグラム・シュミット手法（simple Gram-Schmidt procedure）によって求めることができる。

故に、補間アルゴリズムは次のように要約できる。即ち、
Ｍ＝Ｊであれば（ステップＳ１−２）

これは前述の通りステップで図３に示されている。

行列のＮ乗根は他の方法でも計算でき、上記の固有値分解手法は一例に過ぎない。

上記説明において、２つのプリコーディング行列Ｖ_０及びＶ_Ｎはあらゆる不連続を取り除くため“事前処理”されていたと仮定する。プリコーディング行列は（複素数の）スケーリングに特有なだけであり、例えば、周期的遅延ダイバーシティからの位相傾斜が２つのプリコーダを大きく異ならせることができるので、それらをできるだけ揃えることが重要である。プリコーダは（同じ性能を有するという意味で）必ず幾つかの等価プリコーダが存在するので、できるだけ同じになるようにプリコーダＶ_０及びＶ_Ｎを事前処理することができる。これは補間が意味ある結果を生み出すことを保証する。これは（例えば、Khaled et alに説明されているように）周知の解決策をもつ周知の問題であるので、この技術の更なる検討は必要としない。

Khaled et alに示されている測地補間は実際には上記アルゴリズムに等しいことは留意されるべきである。

故に、説明した実施形態は複雑さを低減した高性能プリコーダ補間を可能にする。

本発明の実施形態が動作する原理は幾つかのケースではそれらはＭＩＭＯＯＦＤＭシステムで全てのサブキャリアに利用できないのでプリコーディング／ビームフォーミング行列を補間することが望まれる。これは帰還量が制限されるため又はそれら全てを計算するのがあまりにも複雑であるためのいずれかである。プリコーディング行列がユニタリである必要があれば、全ての補間行列がユニタリであることを保証することが難しいので補間は容易ではない。説明した特定の実施形態は他のより複雑な技術と同じ性能を提供しながらユニタリ行列の補間を低複雑方法で実施する。この方法は回転行列を求めること及びそれを再帰的に適用することを含む。これが個別の補間行列のコストのかかる計算を回避する。それは非正方行列のプリコーディング行列を補間する方法も提供する。そのケースは確認された文献には研究されていなかった。

補間プリコーダの性能のシミュレーション結果が図４に示されている。このシミュレーションのために、IEEE802.11nシステムが使用された。２つのアンテナを持つ送信機、及び２つのアンテナを持つ受信機が１６ＱＡＭ変調及び符号化率３／４のチャンネルコードで評価された。そのような評価された装置のプリコーダは、あるサブキャリアで、推定されたチャンネルから計算でき、上記技術を用いて補間できる。チャンネル推定値は完全に帰還されているものとした（量子化誤差又は遅延がなし）。図４から理解できるように、４及び８サブキャリア間ごとに補間してもわずかな劣化しか生じないのに対し、一方、１４サブキャリア間で補間を行うと約０．５ｄＢの劣化がある。これはユニタリプリコーダ間の補間が大きく性能を低減しないで複雑性及び／又は帰還を低減できることを示している。

上記実施形態は周波数領域で定義されたスペクトルでサブキャリアを参照して説明したが、他の方法でチャンネルに課せられるデータストリームの状況においてプリコーディングを実施することも妥当である。例えば、データストリームはデータ送信期間に関して時間領域でタイムスロットによって定義できる。あるいは、コード又は空間若しくはチャンネルに多重データストリームを配置することを可能にする他の方法が本発明の実施形態を実行する機会を生じさせる。

本発明の更なる特徴及び利点は上述の説明から明らかである。しかしながら、読み手は特定の記述内でなされていない説明はこれに添付された請求項によって規定される、保護範囲に限定されるとして読み取るべきであることは当然である。

本発明の特定の実施形態に従ったＭＩＭＯデータ通信システムの概略図を示す。図１に示されるシステムの送信機のプリコーダの概略図を示す。図２に示すプリコーダのチャンネル情報補間装置の動作を示すフロー図を示す。本発明の実施形態のシミュレーションの実験結果を示すグラフを示す。

Claims

ＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に使用される送信アンテナの数と同数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングする方法であって、前記サブキャリアの２つに対する個別の取得ユニタリプリコーディング行列から、前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を求めること、前記取得及び補間プリコーディング行列を、場合によっては、個別のサブキャリアに適用することを含み、前記補間プリコーディング行列を求めるステップは前記取得プリコーディング行列間の変換を表す全体回転行列を決定するステップと、前記全体回転行列から、前記２つのサブキャリア間の補間ステップに対するステップ変換を表す追加回転行列を決定するステップと、前記補間プリコーディング行列を求めるため前記追加回転行列を再帰的に適用するステップとを含む、方法。
ＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に使用される送信アンテナの数より少ない数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングする方法であって、前記サブキャリアの２つに対する個別の取得した非正方行列のプリコーディング行列から前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を求めること、前記取得補間プリコーディング行列を場合によっては個別のサブキャリアで適用することを含み、前記補間プリコーディング行列を求めるステップは前記取得行列を正方行列のユニタリ行列に変換するステップと、前記変換行列間の変換を表す全体回転行列を決定するステップと、前記全体回転行列から、前記取得データストリーム間の補間段階に対する段階変換を表す追加回転行列を決定するステップと、前記追加回転行列を再帰的に適用するステップとを含む、方法。
前記変換ステップはゼロ空間によって各非方形行列を拡張させることを含む、請求項２に従ったプリコーディング方法。
前記追加回転行列を決定するステップは前記全体回転行列の固有値分解を計算することを含む、請求項１乃至３のいずれか1項に従った方法。
前記プリコーディング方法を使用してＭＩＭＯ送信を受信している受信機からの帰還チャンネルから前記取得行列を取得するステップを含む、請求項１乃至４のいずれか1項に従った方法。
前記取得行列を取得する前記ステップは前記送信機で観察されるチャンネル情報から前記行列を推定することを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に従った方法。
前記取得行列と関連する前記サブキャリア間のサブキャリアに対する行列のための前記補間ステップは均一である、請求項１乃至６のいずれか1項に従った方法。
前記サブキャリアはスペクトルのサブキャリアにおいて前記スペクトルの周波数で定義される、請求項１乃至７のいずれか1項に従った方法。
前記サブキャリアはデータ送信期間のタイムスロットとして時間領域内に定義される、請求項１乃至７のいずれか１項に従った方法。
複数のサブキャリアを含むデータを送信する方法であって、先行請求項のいずれか１項の方法に従って前記サブキャリアをプリコーディングすること、前記プリコーディングサブキャリアを複数のタイムスロット領域信号に変換すること、及び個々の送信アンテナを前記タイム領域信号で駆動することを含む、方法。
ＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に使用される送信アンテナの数と同数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングするプリコーダであって、前記サブキャリアの２つに対する個別の取得ユニタリプリコーディング行列から、前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を求める補間手段と、前記取得及び補間プリコーディング行列を、場合によっては、個別のサブキャリアに適用するプリコーディング適用手段とを含み、前記補間手段は前記取得プリコーディング行列間の変換を表す全体回転行列を決定し、前記全体回転行列から、前記２つのサブキャリア間の補間ステップのためのステップ変換を表す追加回転行列を決定し、前記補間プリコーディング行列を求めるため前記追加回転行列を再帰的に適用することができる、プリコーダ。
ＭＩＭＯ送信に備えて前記ＭＩＭＯ送信に採用される送信アンテナの数より少ない数の１以上のデータストリームを有する複数のサブキャリアをプリコーディングするプリコーダであって、前記サブキャリアの２つに対する個別の取得した非正方行列のプリコーディング行列から前記２つのサブキャリアの中間のサブキャリアに対する補間プリコーディング行列を取得できる補間手段と、前記取得補間プリコーディング行列を、場合によっては、個別のサブキャリアで適用でき、前記取得行列を正方行列のユニタリ行列に変換するデータ変換手段を含むプリコーディング行列適用手段と、を具備し、前記補間手段は前記変換行列間の変換を表す全体回転行列を決定でき、それから前記全体回転行列から、前記取得データストリーム間の補間段階のためのステップ変換を表す追加回転行列を決定でき、更に前記追加回転行列を再帰的に適用できる、プリコーダ。
前記変換手段はゼロ空間で各非正方行列を拡張することによって正方行列に変換できる、請求項１２に従ったプリコーダ。
前記補間手段は前記全体回転行列の固有値分解を計算することによって前記追加回転行列を決定できる、請求項１１乃至１３のいずれか1項に従ったプリコーダ。
前記取得行列は前記プリコーダによってプリコーディングされたＭＩＭＯ送信を受信している受信機からの帰路チャンネルから使用時に取得される、請求項１１乃至１４のいずれか1項に従った方法。
前記取得行列は前記プリコーダを採用している送信機で観測されるチャンネル情報から推定される、請求項１１乃至１４のいずれか１項に従ったプリコーダ。
前記補間手段は均一補間ステップを規定する、請求項１１乃至１６のいずれか1項に従ったプリコーダ。
複数のデータストリームで定義されたデータを送信するＭＩＭＯ送信機であって、複数の送信アンテナと、前記送信アンテナの前記サブキャリアをプリコーディングできる請求項９乃至１５のいずれか１項に従ったプリコーダと、前記プリコーディングサブキャリアを複数のタイムスロット領域信号に変換する変換手段と、個々の送信アンテナを前記タイム領域信号で駆動するアンテナ駆動手段とを含む、ＭＩＭＯ送信機。