JP2009518929A - サブバンド毎の受信器アンテナ選択を伴うマルチバンドｏｆｄｍシステムのためのシステム、装置、及び方法 - Google Patents

サブバンド毎の受信器アンテナ選択を伴うマルチバンドｏｆｄｍシステムのためのシステム、装置、及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、サブバンド毎の全てのサブキャリアに渡って平均化される最大信号対雑音比を観測する受信アンテナが、時空間符号化MB-OFDMシステムに対して選択される、エネルギに基づくアンテナ選択技術のためのシステム、装置、及び方法を提供する。システムの周波数選択特性のために、異なるサブバンドは、マルチパスチャネルからの異なるチャネル利得効果を有していてもよい。サブバンド毎のエネルギに基づくアンテナ選択が実行されることが可能であり、シミュレーションは、提供の技術が、シャドーイングを伴うMB-OFDM UWBチャネルに対して機能するだけでなく、シャドーイングを伴わないMB-OFDM UWBチャネルに対しても機能することを示す。

Description

本発明は、ＲＦチェーンの数及び複数のＲＦチェーンに関連する費用（コスト）を低減するマルチバンドＯＦＤＭシステムにおけるサブバンド毎の受信器アンテナ選択のためのシステム、装置、及び方法に関する。
次世代マルチバンドＯＦＤＭシステムにおいて、空間ダイバーシチ（diversity）は、複数の送受信アンテナ（ＭＩＭＯ）を使用することによって十分に分散させられたチャネル環境を利用し得るため、特に関心がもたれている。同時に空間ダイバーシチは、システム性能（パフォーマンス）における重要な改善をもたらし得る。高いデータレート及び低い復号化（デコーディング）の複雑性を維持しながらマルチバンドＯＦＤＭシステムの性能を改善させるため、二つの送信アンテナを使用するAlamouti（アラモウチ）コード（S. Alamouti氏による"ワイヤレス通信のための簡単な送信ダイバーシチ技術（A simple transmit diversity technique for wireless communications）"（IEEE J. Select. Areas Comm, vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 1998）参照）のように時空間符号化ＯＦＤＭシステムは最良の選択になる。複数のアンテナ技術を使用する性能における改善は、実現のために使用される複数のＲＦチェーンの必要性による増大する費用の固有の欠点に直面する。
複数のアンテナ技術の性能改善を維持する、この費用を低減する方法が必要とされる。
本発明のシステム、装置、及び方法は、選択されるアンテナの数、それ故に関連する費用を低減するアンテナ選択を実行するための技術をもたらす。
本発明の好ましい実施例は、マルチバンド直交周波数分割多重化MB-OFDMシステム（multi-band orthogonal frequency division multiplexing MB-OFDM system）の異なるサブバンドの間の空間ダイバーシチ及び固有周波数（inherent frequency）に基づく簡単な選択基準にある。
本発明によるアンテナ選択は、複数のアンテナシステムの利点のほとんどを保持すると共に、選択されるアンテナの数及び対応するＲＦチェーンを低減する。アンテナ選択技術は、時空間符号化ＯＦＤＭシステムの状況下で周波数選択チャネルのために使用され得る。通常、このような選択基準は、アンテナ対の間の多くのサブチャネルのためにかなり複雑になり得る。
好ましい実施例において、選択基準（セレクションメトリック（selection metric））は、各々のサブバンドにおける全てのキャリアに渡って平均化される最大ＳＮＲを観測することによってアンテナが選択されるエネルギに基づくアンテナ選択技術にある。
MB-OFDMシステムの周波数選択特性のために、異なるサブバンドが、マルチパスチャネルと異なるシャドーイング効果（shadowing effect）を有していてもよい。好ましい実施例の技術を使用すると、エネルギに基づくサブバンド毎のアンテナ選択が実行され、シミュレーション結果は、シャドーイングを伴うMB-OFDM UWBチャネルに対する機能だけでなく、シャドーイングを伴わないMB-OFDM UWBチャネルに対する機能も確認する。
以下の記載は説明を目的とするものであり、限定を目的とするものではないことが当業者に理解されるべきである。当業者は、本発明の範囲及び特許請求の範囲内で多くの変形例が存在することを理解する。知られている機能及び構造の不必要な詳細説明は、本発明を不明瞭にしないように現在の記載から省略されてもよい。
好ましい実施例において、MB-OFDMシステムは二つの受信器アンテナを利用する。好ましい実施例は、二つよりも多くの受信器アンテナの場合に容易に拡張され得る。送信器アンテナの数は、１よりも多くなるか、又は１に等しくなる。送信器アンテナの数が１に等しくなるとき、単一のアンテナ送信は実行される。送信器アンテナの数が２に等しくなるとき、時空間符号化送信は（例えば、Alamoutiコード（符号）を使用して）実行される。
従来技術のMB-OFDM UWBシステムは、バンドに渡って周波数ホッピング（frequency hopping）を実行するために時間周波数コード（time frequency code (TFC)）を使用する。TFCに対するホッピングパターンは、６ホップの期間を有する1,2,3,1,2,3になることが可能であり、各々のホップの継続時間は1OFDMシンボルになる。受信器におけるアンテナ選択の利点は、たった一つのＲＦチェーン、一つのアナログ・ディジタルコンバータ（ADC）、及び一つの高速フーリエ変換（FFT）といったその低い複雑性にある。本発明のシステム、装置、及び方法の更なる複雑性は、受信器のフロントエンドにおけるスイッチ４０１と、アンテナ選択のために使用される基準のいくつかの計算部４０３との包含にある（例えば、A. Gorokhov氏, M. Collados氏, D. Gore, A. Paulraj氏による "送受信ＭＩＭＯアンテナサブセット選択（Transmit/receive MIMO antenna subset selection）", Proc. IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP '04), pp. 13--16, vol. 2, May 2004; X. Shao氏, J. Yuan氏, P. Rapajic氏による "MIMO-OFDM空間多重化システムのためのアンテナ選択（Antenna selection for MIMO-OFDM spatial multiplexing system）", Proc. IEEE International Symposium on Information Theory, pp. 90, June 2003; 及びI. Bahccci氏, T. M. Duman氏, Y. Altunbasak氏による "時空間符号化OFDMシステムのためのＭＩＭＯアンテナ選択の性能（Performance of MIMO antenna selection for space-time coded OFDM systems）", Proc. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2004), vol. 2, pp. 987--992, Mar. 2004.参照）。
好ましい実施例において、サブバンド毎の全てのサブキャリアの電力（パワー）の総和は、選択基準として使用される。受信器における前選択（プレセレクト）フィルタ４０３は、設計された帯域幅に従って信号を取り込み、信号をLNA 402に伝える。一つの送信アンテナの場合、スイッチ４０１は、基準計算部４０５によって制御され、
Figure 2009518929
 のように機能させられる。ここで、
Figure 2009518929
 はサブキャリア
Figure 2009518929
 及び受信アンテナ
Figure 2009518929
 に関する推定チャネル係数（estimated channel coefficient）になる。
Alamoutiコードを使用する二つの送信アンテナの場合、スイッチ４０１は、基準計算部４０５によって制御され、
Figure 2009518929
 のように機能させられる。ここで、
Figure 2009518929
 は送信アンテナ
Figure 2009518929
 と受信アンテナ
Figure 2009518929
 との間のサブキャリア
Figure 2009518929
 に関する推定チャネル係数になる。
シミュレーション環境は、１キロバイトのパケットサイズ且つ１６ＱＡＭ変調の場合の、シャドーイングを伴う現在のMB-OFDM UWBチャネル(CM2)を使用する。ＰＥＲ曲線は図1A乃至Bに図示される。
チャネルがシャドーイングを有する場合、異なる受信アンテナは異なる受信電力を有するという事実のために、本発明の好ましい実施例が、ある一定の利得（ゲイン）を有することは明らかである。
シミュレーションは、シャドーイングを伴わない現在のMB-OFDM UWBチャネル(CM2)に対して実施されている。シャドーイング効果がない場合、図２に図示されているシミュレーション結果は、本発明のシステム、装置、及び方法がまだ、各々の受信アンテナの電力を追跡（トラッキング）することによって三つのサブバンドの間で電力利得を利用し得ることを示している。
図３は、二つのアンテナを備える好ましい実施例の送信器アーキテクチャ３００を示す（一つの送信アンテナ設計に対して、送信器アーキテクチャにおいてたった一つの分岐しか使用されるべきではない）。
好ましい実施例の受信器アーキテクチャ４００は、図４に図示されている。ここで、スイッチ４０１は、スイッチによってもたらされる性能損失が低減され得るようにＬＮＡユニット４０２の後ろに位置される。基準の計算部（４０５）は、（実線矢印で示されているように）ベースバンドからのチャネル推定（ＣＥ）の後に処理され得る。（破線矢印で示されているように）フロントエンドからのＬＮＡ（４０２）の直後に基準を計算することは、好ましくないが可能である。スイッチをＬＮＡの後に位置させることは、結果として雑音（ノイズ）指数のずっと少ない劣化しかもたらさないため、好ましい実施例である（例えば通常、1.5dBに対して0.2dB）。本目的を達成するための２ＬＮＡの使用は、かなりの利益に対して払うのに安価で済む。二つのＬＮＡの出力部の間でスイッチするための一つの有利な方法は、スイッチの代わりに受動結合器（パッシブコンバイナ）を使用し、選択されるべきアンテナに対応するＬＮＡのみを選択的に通電させることにある。他のＬＮＡは、完全に通電されたＬＮＡと比較して利得が最小限化になるように、完全にターンオフされるか、又は低バイアスモードにスイッチされることが可能である。本発明の当該システム３００乃至４００、装置３００乃至４００、及び方法は、既存のMB-OFDMシステムが、同じ送信レート及び低い受信器複雑性を維持する一方で、より大きな性能利得を達成することを可能にする。直接の用途のうちの一つは、次世代（ギガビット）マルチバンドMB-OFDM UWBシステムになる。
本発明の好ましい実施例が図示されると共に記載されているが、本明細書に記載のシステム、装置、及び方法が図示を目的とするものであり、様々な変形及び修正がなされてもよく、同等のものが、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の構成要素の代わりに使用されてもよいことは当業者によって理解されるであろう。更に、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の教示を特定の状況に適用するために多くの変形がなされてもよい。それ故に本発明が、本発明を実施するように意図されるベストモードとして開示される特定の実施例に限定されるものではないが、本発明が特許請求の範囲内の全ての実施例を含むことは意図される。
１キロバイトのパケットサイズ且つ１６ＱＡＭ変調の場合の、シャドーイングを伴うMB-OFDM UWBチャネル(CM2)のためのAlamouti符号化２アンテナ送信及び単一のアンテナ送信のＰＥＲ曲線を示す。 １キロバイトのパケットサイズ且つ１６ＱＡＭ変調の場合の、シャドーイングを伴わないMB-OFDM UWBチャネル(CM2)のためのAlamouti符号化２アンテナ送信及び単一のアンテナ送信のＰＥＲ曲線を示す。 二つのアンテナを備える送信器アーキテクチャを示す。 本発明により修正される受信器アーキテクチャを示す。

Claims (18)

  1. マルチバンド直交周波数分割多重化システムにおけるサブバンド毎の受信アンテナ選択のためのシステムであって、
    メッセージを送信するために少なくとも一つの送信アンテナに可動的に接続されると共に、周波数ホッピングを実行するために時間周波数コードパターンを使用する送信器と、
    少なくとも二つの前記受信アンテナ、及び前記時間周波数コードを使用して前記送信アンテナによって送信される前記メッセージを受信するための前記少なくとも二つの受信アンテナのうちの一つの前記アンテナを選択するために選択基準を使用するスイッチを有する受信器と、
    を有するシステムにおいて、前記サブバンド毎の全てのサブキャリアに渡って平均化される最大信号対雑音比を観測する前記受信アンテナが選択されるシステム。
  2. 前記受信器は、前記スイッチによってもたらされる性能損失を低減するために前選択フィルタと前記スイッチとの間で平均化される低雑音増幅器を更に有する請求項１に記載のシステム。
  3. 前記スイッチは、容量に基づく基準、性能に基づく基準、及びエネルギに基づく基準から構成されるグループからの前記選択基準を備える前記受信アンテナを選択する請求項２に記載のシステム。
  4. 前記選択基準は、前記サブバンド毎の前記サブキャリア電力の総和の関数であり、前記選択基準は、チャネル推定部の後ろ、及び前記低雑音増幅器のすぐ後ろから構成されるグループから選択される位置において処理される請求項２に記載のシステム。
  5. 一つの前記送信アンテナに対して、前記スイッチのための前記選択基準は、
    Figure 2009518929
     に従い、
    Figure 2009518929
     は前記サブキャリア
    Figure 2009518929
     及び前記受信アンテナ
    Figure 2009518929
     についての推定チャネル係数である請求項４に記載のシステム。
  6. 二つの前記送信アンテナ及びAlamoutiコードに対して、前記スイッチのための前記選択基準は、
    Figure 2009518929
     に従い、
    Figure 2009518929
     は前記送信アンテナ
    Figure 2009518929
     と前記受信アンテナ
    Figure 2009518929
     との間の前記サブキャリア
    Figure 2009518929
     についての推定チャネル係数である請求項４に記載のシステム。
  7. マルチバンド直交周波数分割多重化システムにおけるサブバンド毎の受信アンテナを選択するための方法であって、
    メッセージを送信すると共に、周波数ホッピングを実行するために時間周波数コードパターンを使用する少なくとも一つの送信アンテナをもたらすステップと、
    前記少なくとも一つの送信アンテナによってメッセージを送信するステップと、
    スイッチに可動的に接続される少なくとも二つの前記受信アンテナをもたらすステップと、
    前記送信アンテナによって送信される前記メッセージを受信するために、全てのサブキャリアに渡って平均化される最大信号対雑音比を観測する、もたらされた前記少なくとも二つの受信アンテナのうちの一つの前記受信アンテナを選択するために前記スイッチによって選択基準を使用するステップと、
    前記少なくとも一つの送信アンテナによって送信される前記メッセージを前記選択された受信アンテナによって受信するステップと
    を有する方法。
  8. 前記スイッチによってもたらされる性能損失を低減するために前記スイッチと前記少なくとも二つの受信アンテナの各々との間に低雑音増幅器を構成するステップと、
    チャネル推定部の後ろ、及び前記低雑音増幅器のすぐ後ろから構成されるグループから選択される位置における前記サブバンド毎のサブキャリア電力の総和の関数として前記選択基準を決定するステップと
    を更に有する請求項７に記載の方法。
  9. 前記選択基準は、容量に基づく基準、性能に基づく基準、及びエネルギに基づく基準から構成されるグループから選択される請求項８に記載の方法。
  10. 前記選択基準は、前記サブバンド毎のサブキャリア電力の総和の関数である請求項８に記載の方法。
  11. 一つの前記送信アンテナに対して、前記スイッチのための前記選択基準は、
    Figure 2009518929
     に従い、
    Figure 2009518929
     は前記サブキャリア
    Figure 2009518929
     及び前記受信アンテナ
    Figure 2009518929
     についての推定チャネル係数である請求項１０に記載の方法。
  12. 二つの前記送信アンテナ及びAlamoutiコードに対して、前記スイッチのための前記選択基準は、
    Figure 2009518929
     に従い、
    Figure 2009518929
     は前記送信アンテナ
    Figure 2009518929
     と前記受信アンテナ
    Figure 2009518929
     との間の前記サブキャリア
    Figure 2009518929
     についてのチャネル推定係数である請求項１０に記載の方法。
  13. マルチバンド直交周波数分割多重化チャネルにおけるサブバンド毎の受信アンテナ選択のための受信器であって、
    少なくとも二つの前記受信アンテナと、時間周波数コードを使用して送信アンテナによって送信されるメッセージを受信する前記少なくとも二つの受信アンテナのうちの一つのアンテナを選択するための選択基準を使用するスイッチとを有する受信器を有する受信器において、
    前記サブバンド毎の全てのサブキャリアに渡って平均化される最大信号対雑音比を観測する前記少なくとも二つの受信アンテナのうちの一つの前記受信アンテナが選択される受信器。
  14. 前記スイッチによってもたらされる性能損失を低減するために前記スイッチと前記少なくとも二つの受信アンテナの各々との間で平均化される低雑音増幅器を更に有する請求項１３に記載の受信器。
  15. 前記スイッチは、容量に基づく基準、性能に基づく基準、及びエネルギに基づく基準から構成されるグループから選択される前記選択基準を備える前記少なくとも二つの受信アンテナのうちの一つを選択する請求項１４に記載の受信器。
  16. 前記選択基準は、前記サブバンド毎の前記サブキャリア電力の総和の関数であり、前記選択基準は、チャネル推定部の後ろ、及び前記低雑音増幅器のすぐ後ろから構成されるグループから選択される位置において処理される請求項１５に記載の受信器。
  17. 一つの前記送信アンテナに対して、前記スイッチのための前記選択基準は、
    Figure 2009518929
     に従い、
    Figure 2009518929
     は前記サブキャリア
    Figure 2009518929
     及び前記受信アンテナ
    Figure 2009518929
     についての推定チャネル係数である請求項１６に記載の受信器。
  18. 二つの前記送信アンテナ及びAlamoutiコードに対して、前記スイッチのための前記選択基準は、
    Figure 2009518929
     に従い、
    Figure 2009518929
     は前記送信アンテナ
    Figure 2009518929
     と前記受信アンテナ
    Figure 2009518929
     との間の前記サブキャリア
    Figure 2009518929
     についての推定チャネル係数である請求項１６に記載の受信器。
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