JP2009060616A

JP2009060616A - Ｍｉｍｏシステムに用いる低複雑度の信号検出方法及びその検出装置

Info

Publication number: JP2009060616A
Application number: JP2008225210A
Authority: JP
Inventors: Jinyin Xue; シュエジヌイヌ; Jun Tian; ティエヌジュヌ; Hiroyuki Hayashi; 宏行林; Shui Kai; シュイカイ
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2009-03-19
Also published as: CN101383797B; CN101383797A

Abstract

【課題】MIMOシステムに用いる低複雑度の信号検出方法及びその検出装置を提供する
【解決手段】チャネル推定の結果に応じて受信信号を検出し、受信信号のソフトビットメトリックを出力する無線通信システムの受信機に用いる信号検出装置であって、チャネル推定の結果に基づいて、受信信号を検出し、初期推定信号を取得するリニア検出部と、初期推定信号に基づいて、初期コンスタレーションセットから各送信シンボルについてのコンスタレーション候補サブセットを生成するコンスタレーション選択部と、コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補に応じて、各送信シンボルについてのソフトビットメトリックを計算するソフトビットメトリック計算部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、MIMOシステムにおける信号検出技術に関し、特に、MIMOシステムに用いる低複雑度の信号検出方法及びその検出装置に関する。

将来の無線通信システムに対する高容量要望を満たす方法として、MIMO（Multi Input Multi Output）システムが広く注目されている。

MIMOシステムにおいて、送信側は複数のアンテナによって信号送信を行い、受信側は複数のアンテナによって信号受信を行うようになっている。研究からわかるように、従来のシングルアンテナ伝送方法に比べ、MIMOシステムはチャネル容量を著しく高めることによって、情報伝送レートを向上させることができる。なお、MIMOシステムで採用された送信及び受信アンテナの本数が多くなればなるほど、それが提供できる情報伝送レートも高くなる。時間周波数リソースに比べ、空間のアンテナリソースがほぼ無限に利用可能なものであることから、MIMO技術は効果的に従来技術におけるボトルネックを突破し、次世代無線通信システムのコア技術の一つになる。

MIMOシステムでは、実現可能な伝送方法の一つとして、複数の異なるデータフロー（空間多重化又はVBLAST(Vertical Bell Labs Layered Space-Time)）を同時に並行伝送することである（「非特許文献1」）。このような場合、あらゆる伝送データフローは異なるチャネルパラメータを経て、受信アンテナにおいて多重受信される。

一方、ビットレートの増大に対する要望が益々高まるのに応じて、マルチキャリア伝送技術が現れた。マルチキャリア伝送技術は広帯域通信に用いるOFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）によって実現されるものである。OFDM変調技術では、利用可能な総バンド幅を複数の等間隔のバンドに分割する。適当なサイクリックプレフィックスを加えることで、各サブチャネルにフラットフェージングチャネル特性を持たせることができる。MIMO技術とOFDM技術とを結合させることで、周波数選択チャネルにおいてBLASTを採用することができるようになる。したがって、BLAST検出アルゴリズムに基づくMIMO-OFDMシステムは将来の移動無線システムの候補となる見通しである。

MIMOシステムにおける信号検出方法として、ゼロフォーシング検出法（ZF：Zero Forcing）、最小自乗平均誤差検出法（MMSE）、VBLAST検出法及び最尤検出法（MLD）など様々な検出方法がすでに提案されている。ZFとMMSEはリニア検出方法であり、複雑度が低いものの、性能が悪い。VBLASTはリニア検出と連続する信号干渉解消とを結合した方法であり、リニア検出方法よりも優れた性能を持っている。MLD検出法は、あらゆる送信可能なシンボルの組み合わせごとに得た受信信号と実際受信信号との間の距離を計算し、最小距離に対応する送信シンボルの組合せを最も可能な送信シンボルの組合せとして検出する。MLDはMMSE及びVBLASTに比べて優れた特性を備えるが、その計算複雑度がコンスタレーション数及び送信機アンテナの数につれて指数的に増加していく。この欠点を解消するために、次善の非リニア検出方法が多く提案されており、例えば、反復BLAST（「非特許文献2」）、球面復号（SD）（「非特許文献3」）及びQRM-MLD（「非特許文献4」）などの方法がある。これらの方法によれば、大幅に演算量を低減させることができる一方、非常に大きな性能上の損失を招いている。

一方、MIMO及びMIMO-OFDMシステムに用いる新たな検出方法は未だに研究中である。

大多数の実用化されている無線システムにおいて、チャネルコーディングを適用して更にシステムの性能を高めている。コーディングMIMOシステムでは、MLDが最も良いであるが、その複雑度が高い。BLAST及び球面復号のようなハード判定を行う非リニア検出器は、リニア検出器より性能がよい。ソフトビット出力情報検出器について、MMSE検出がVBLAST検出と比べると、より優れた性能を持ち、それはVBLAST検出が判定のフィードバック手順中の誤差伝達による影響を受けるためである。

米国特許第0052317 A1号Love David J. et al., Low-complexity hierarchical decoding for communications systems using multidimensional QAM signaling 米国特許第0227903 A1号Niu Huaning, et at., Method of soft bit metric calculation with direct matrix inversion MIMO detection 米国特許第0265465 A1号Hosur Srinath, et al., MIMO Decoding G.J.Foschini, "layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multielement antennas", Bell Labs Tech.J.pp.41-59,Autumn 1996 X.Li, H.Huang, G.Foschini, and R.A.Valenzuela, "Effects of Iterative Detection and Decoding on the Performance of BLAST", in Proc.IEEEGLOBECOM’00, pp.1061-1066,2000 E.Viterbo and J.Boutros, "A Universal Lattice Code Decoder for Fading Channels", IEEE Transactions on Information Theory, vol.45, no.5, pp.1639-1642, July 1999 H.Kawai, K.higuchi, N.Maeda, M.sawahashi, T.Ito, Y.Kakura, A.Ushirokawa, and H.Seki, "Likelihood function for QRM-MLD suitable for soft-decision turbo decoding and its performance for OFCDM MIMO multiplexing in multipath fading channel", IEICE Trans. Commun., vol.E88-B, no.1, pp.47-57, Jan.2004

上記問題に鑑み、MIMOシステムにおける、ソフトビット出力MMSE検出器とMLDとの間の妥協案が必要とされ、また、MLデコーダに近い性能を持ち、複雑度が低い他の検出器も求められている。コードゲインを徹底的に利用するために、無線チャネルにとってデコーダに対する適切なソフト情報計算方法が肝心なものである。

本発明は、ソフト出力MMSE検出器とML検出器との性能を改良し、小さな候補QAMコンスタレーションサブセットを選択することによって、LLR計算の計算複雑度を低減させる。

本発明の第一の側面によれば、本発明の信号検出方法は、受信機で受信した信号に基づいてチャネル推定を行い、当該チャネル推定の結果に応じて前記受信信号を検出し、前記受信信号のソフトビットメトリック（Soft bit metric）情報を出力する無線通信システムの受信機における信号検出方法であって、前記チャネル推定の結果に基づいて、リニア検出器を用いて前記受信信号を検出し、初期推定信号を取得するステップと、前記初期推定信号に基づいて、初期コンスタレーションセットから各送信シンボルについてのコンスタレーション候補サブセットを生成するステップと、前記コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補に応じて、各送信シンボルについてのソフトビットメトリックを計算するステップとを備える。

好ましくは、前記リニア検出器は、ゼロフォーシング検出器及び最小自乗平均誤差検出器を備える。

好ましくは、前記初期推定信号と、前記初期コンスタレーションセットにおけるコンスタレーション間の距離とに基づいて前記コンスタレーション候補を選択する。

好ましくは、前記コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補の数は、チャネル情報及びＳＮＲ値によって固定され、又は可変する。

好ましくは、最大事後確率又は簡略化された最大事後確率処理モジュールによって各送信シンボルのソフトビットメトリックを計算する。

本発明の第二の側面によれば、本発明の信号検出装置は、チャネル推定の結果に応じて受信信号を検出し、受信信号のソフトビットメトリックを出力する無線通信システムの受信機に用いる信号検出装置であって、前記チャネル推定の結果に基づいて、前記受信信号を検出し、初期推定信号を取得するリニア検出部と、前記初期推定信号に基づいて、初期コンスタレーションセットから各送信シンボルについてのコンスタレーション候補サブセットを生成するコンスタレーション選択部と、
前記コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補に応じて、各送信シンボルについてのソフトビットメトリックを計算するソフトビットメトリック計算部とを備える。

上記信号検出方法及び信号検出装置において、前記初期コンスタレーションセットはQAMコンスタレーションセットでもよいし、BPSKコンスタレーションセットでもよい。

上記信号検出方法及び信号検出装置はMIMO、MIMO-OFDM、WiMAX又はその他の無線通信システムに適用される。

また、本発明を、コンピュータで実行可能なコンピュータプログラムにより実現することができる。

また、上記コンピュータプログラムを記録媒体に記録し提供することができる。

従来技術に比べれば、本発明の信号検出方法及び信号検出装置は計算複雑度を低減させると同時に、リニア検出器よりも優れた性能を実現できる。

次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

次にMIMO通信システムを例に、図面を参照して本発明による信号検出方法及び検出器を説明する。ただし、本発明はMIMOシステムに限るものではなく、MIMO-OFDM、WiMAX、又はその他の無線通信システムにも適用されえるのは、当業者にとって明らかである。

MIMO通信システムにおいて、同時に並行して複数の異なるデータフローを伝送する際に、伝送された全てのデータフローは異なるチャネルパラメータを有する。Nt個の送信アンテナ及びNr個の受信アンテナを備えた典型的なMIMOシステムは以下のようにモデリングされる。

ただし、nはノイズベクトルであり、その分散はσ²である；s＝｛s1,s2,…sN1｝、y=｛y1,y2,…yN1｝は、それぞれ送信ベクトル及び受信ベクトルであり、HはNr×Nt次元のチャネル伝送特性行列である。

受信ベクトルｙが具体的に実現される確率は、以下のようなガウス分布から与えられる。

ただし、 ||・||はベクトルモジュラスである。

コーディング伝送について、検出器がソフトビット出力を提供しなければならない、即ち、信号を受信する場合における各送信ビットの事後確率（APP）を与えておく。それらは対数尤度比（LLR）として表すことができ、下式に示すようになる。

ただし、二つの「合計」はそれぞれp(y|s)が

における所望値を表し、b_i,jは送信アンテナiのj番目のビットを表し、

はb_i,j=±1の時のコンスタレーションセットである。

以上の構成により、計算複雑度がコンスタレーションの数及び送信アンテナの数につれて指数的に増加するものの、最尤度ビットメトリックの検出が行われる。

次に図面を参照して本発明によるMIMO検出器及びその検出方法を説明する。

図1はMIMO無線通信システムの受信機の構造を示すブロック図である。図１に示す受信機は、Nr個のRF部100と、Nr個のADC部101と、Nr個のFFT部102と、同期及びチャネル推定部103、MIMO検出器104と、チャネルデコーダ105を含む。

RF部100とADC部101はRF信号をベースバンド信号へ変換させる。該ベースバンド信号がFFT部102に入力され、FFT部102によって周波数域信号へ変換される。FFT部102により変換された受信信号ベクトルyがMIMO検出器104に入力され、送信シンボルを再構築させる。チャネルデコーダ105はMIMO検出器104で再構築された送信シンボルに対して処理を行い、初期ビット情報に回復させる。同期及びチャネル推定部103は複数のチャネルを同期させる。例えば受信信号におけるパイロット信号を基にしたり、その他の方法を採用したりチャネル推定を行い、現在のチャネル伝送特性行列Hを推定する。

図2において本発明によるMIMO検出器104の具体的な構造を更に示す。

図2に示すように、MIMO検出器104はリニア検出部200、コンスタレーション選択部201、ソフトビットメトリック計算部200を備える。

以下に図2を参照に、本発明による検出方法を説明する。

まず、リニア検出部200は同期及びチャネル推定部103で推定したチャネル伝送特性行列H及び受信ベクトルyに基づき、送信信号の推定を取得する。ここで、リニア検出部200はZF検出器でもよく、MMSE検出器でもよい。その二種類の検出器による推定結果はそれぞれ以下に示す。

ただし、式（4）はZF検出器による推定結果を、（5）はMMSE検出器による推定結果をそれぞれ表しており、

は推定信号ベクトルで、HHはHの共軛転置行列で、I_NはサイズがNである単位行列である。

次に、コンスタレーション選択部201は上記推定結果に基づいて、全部のQAMコンスタレーションではなく、各送信次元数が縮小したコンスタレーション候補サブセットを決定する。選択の基準は推定シンボル

からQAMコンスタレーションまでの距離である。i番目の送信アンテナについて、サイズがkであるコンスタレーション候補サブセットが以下のように示す。

ただし、s_ijはi番目の推定データ

におけるj番目のコンスタレーション候補であり、Cは変調符号におけるBPSK又はQAMコンスタレーションセットである。

コンスタレーション候補の数kは異なるアンテナに対して固定され又は可変するである。

図3は16QAMで変調された2×2MIMOシステムにおいて固定的なコンスタレーション候補点数がk1=k2=4の場合に対する選択手順を示している。

二本の受信アンテナデータのリニア推定は

であり、初期コンスタレーション図における位置が「×」で表す。初期コンスタレーション点は「○」で表す。推定符号ごとに、式（6）によって初期コンスタレーション図においてそれと距離が最も短いコンスタレーション点をサーチし、探し出した4つのコンスタレーション候補点が図において標記されている。図3に破線の円がサーチの最大半径を表している。

また、各受信アンテナのSNR比の差異に応じて自己適応コンスタレーション点の選択方法を採用し、異なるアンテナによって数の異なるコンスタレーション候補点数を選択してもよい。

自己適応選択方法では、異なるアンテナについてのコンスタレーション候補数kがチャネル情報及びSNR値に依存する。

図4は2×2MIMOシステムにおける自己適応選択方法のフォローチャートを示している。具体的に以下のように表す。

式（1）を参照して、2×2のMIMOシステム信号モデルは以下のように表れる。

ただし、

はそれぞれ送信信号ベクトル、受信信号ベクトル及びノイズベクトルを表すもので、

はチャネル伝送特性行列を表すものである。

まず各アンテナ分岐路の信号対干渉雑音比（SINR）γ_１、γ_２を計算する。

MMSE検出器を採用すると、推定信号は以下のように表れる。

ただし、

推定信号のSINRはそれぞれ、

ZF検出におけるSINR計算方法とMMSE検出のと同様である。

そして、γ_１／γ_２が所定閾値p（p>1）よりも大きいか否かを判断する。

γ_１／γ_２がpよりも大きい場合、第１アンテナ分岐路についての初期コンスタレーション候補数k1をΔだけ（Δは整数である）増加させ、第２アンテナ分岐路についての初期コンスタレーション候補数k2をΔだけ減少させ、その後、コンスタレーションを選択する。

γ_１／γ_２がp以下であると、次にγ_２／γ_１がpよりも大きいか否かを判断する。

γ_２／γ_１がpよりも大きい場合、第１アンテナ分岐路についての初期コンスタレーション候補数k1をΔだけ減少させ、第２アンテナ分岐路についての初期コンスタレーション候補数k2をΔだけ増加させ、その後、コンスタレーションを選択する。

γ_２／γ_１がp以下である場合、直ちにコンスタレーション選択を行う。

これにより、各アンテナ分岐路のサブセットのサイズkiがγ1、γ2及びΔによって決まる。

候補数のコンスタレーション候補を自己適応選択することにより、チャネル情報を利用する検出方法の性能を高めることができる。例として、2×2MIMOシステムにおいて、3×5の計算複雑度が4×4の計算複雑度よりも小さくなる。

図5はコンスタレーション候補を自己適応選択する手順を示す。

ただし、アンテナ1及び2についてのコンスタレーション候補数がそれぞれ3及び5（初期パラメータk1=k2=4,Δ=1）である。

なお、コンスタレーション候補の自己適応選択について、その他の選択基準もある。例えば、図4における方法と逆方向にkiを調整し、そして改良されたLLR計算式を利用する。

コンスタレーション選択部201によってコンスタレーション候補サブセットを選択された後、ソフトビット情報計算部202によりソフトビット情報を計算する。
b_i,jのLLRは、以下のように表す。

ただし、

はb_i,j=±1のときにおける送信アンテナiの選定コンスタレーションサブセットである。ビットのソフト情報の計算に関して、式（12）の通常の方法以外に、MaxLogMAPなど多くの簡易なアルゴリズムが挙げられる（「非特許文献4」）。

図6は本発明の検出方法により、コンスタレーション候補数が固定した場合においてリニアMMSE、最良なMLD検出方法との性能比較を示している。

図7は本発明の検出方法により、コンスタレーション候補を自己適応選択する場合においてMMSE、MLD検出方法との性能比較を示している。ただし、横座標が受信側のSNR比で、縦座標がビット誤り率で、コンスタレーション図が16QAM変調である。

上記結果から、本発明による検出方法は性能上にリニアMMSE検出方法よりも優れることが分かる。計算複雑度からいえば、リニア検出器（ZF又はMMSE）が最も簡単なもので、MLD検出がアンテナ数及びコンスタレーション点数の増加に従って指数的に増加し、その複雑度が大幅に増えていく。本発明における計算複雑度はリニア検出器より高いが、MLD検出方法に比べてはるかに低くい。

なお、本発明の範囲に、上記信号検出方法を実行させるためのコンピュータプログラム及び該プログラムが記録されたコンピュータで読み取り可能な記録媒体が更に含まれることである。ここで記録媒体として、コンピュータで読み取り可能なフロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、半導体メモリ、CD-ROM、DVD、光磁気ディスク（MO）及びその他の媒体が利用される。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。

MIMO無線通信システムの受信機の模式構造を示している。本発明によるMIMO検出器の模式構造を示している。 16QAMで変調された2×2MIMOシステムにおいて固定的なコンスタレーション候補数がk₁=k₂=4の場合に対する選択手順を示している。 2×2MIMOシステムにおいてコンスタレーション候補を自己適応選択するフォローチャートを示している。本発明によるコンスタレーション候補を自己適応選択する手順を示している。本発明の検出方法により、コンスタレーション候補数が固定した場合においてMMSE、MLD検出方法との性能比較を示している。本発明の検出方法により、コンスタレーション候補を自己適応選択する場合においてMMSE、MLD検出方法との性能比較を示している。

符号の説明

１００ＲＦ
１０１ＡＤＣ
１０２ＦＦＴ
１０３同期及びチャネル推定部
１０４ＭＩＭＯ検出器
１０５チャネルデコーダ
２００リニア検出部
２０１コンスタレーション選択部
２０２ソフトビットメトリック計算部

Claims

受信機で受信した信号に基づいてチャネル推定を行い、当該チャネル推定の結果に応じて前記受信信号を検出し、前記受信信号のソフトビットメトリック（Soft bit metric）情報を出力する無線通信システムの受信機における信号検出方法であって、
前記チャネル推定の結果に基づいて、リニア検出器を用いて前記受信信号を検出し、初期推定信号を取得するステップと、
前記初期推定信号に基づいて、初期コンスタレーションセットから各送信シンボルについてのコンスタレーション候補サブセットを生成するステップと、
前記コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補に応じて、各送信シンボルについてのソフトビットメトリックを計算するステップと、
を備えることを特徴とする信号検出方法。
前記リニア検出器は、ゼロフォーシング検出器及び最小自乗平均誤差検出器を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の信号検出方法。
前記初期推定信号と、前記初期コンスタレーションセットにおけるコンスタレーション間の距離とに基づいて前記コンスタレーション候補を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の信号検出方法。
前記コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補の数は、チャネル情報及びＳＮＲ値によって固定され、又は可変する
ことを特徴とする請求項１に記載の信号検出方法。
最大事後確率又は簡略化された最大事後確率処理モジュールによって各送信シンボルのソフトビットメトリックを計算する
ことを特徴とする請求項１に記載の信号検出方法。
チャネル推定の結果に応じて受信信号を検出し、受信信号のソフトビットメトリックを出力する無線通信システムの受信機に用いる信号検出装置であって、
前記チャネル推定の結果に基づいて、前記受信信号を検出し、初期推定信号を取得するリニア検出部と、
前記初期推定信号に基づいて、初期コンスタレーションセットから各送信シンボルについてのコンスタレーション候補サブセットを生成するコンスタレーション選択部と、
前記コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補に応じて、各送信シンボルについてのソフトビットメトリックを計算するソフトビットメトリック計算部と、
を備えることを特徴とする信号検出装置。
前記リニア検出部は、ゼロフォーシング検出器及び最小自乗平均誤差検出器を備える
ことを特徴とする請求項６に記載の信号検出装置。
前記コンスタレーション選択部は、前記初期推定信号と、前記初期コンスタレーションセットにおけるコンスタレーション間の距離とに基づいてコンスタレーション候補を選択する
ことを特徴とする請求項６に記載の信号検出装置。
前記コンスタレーション候補サブセットにおけるコンスタレーション候補の数は、チャネル情報及びＳＮＲ値によって固定され、又は可変する
ことを特徴とする請求項６に記載の信号検出装置。
前記ソフトビットメトリック計算部は、最大事後確率又は簡略化された最大事後確率処理モジュールによって各送信シンボルのソフトビットメトリックを計算する
ことを特徴とする請求項６に記載の信号検出装置。