JP2009527181A - 直交周波数分割多重化システムにおけるダイバーシティ利得を提供する先符号化方法、及びこれを用いる送信装置及び方法 - Google Patents

Abstract

直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおけるダイバーシティ利得を向上させるための先符号化方法、及びこれを用いる送信装置及び方法を提供する。送信方法は、入力された送信信号を並列信号に変換するステップと、所定の周波数オフセットを有する並列信号を先符号化するステップと、先符号化された信号の逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を遂行するステップと、ＩＤＦＴ信号を上方変換し、上方変換された信号を無線網に出力するステップと、を含む。このように、ＯＦＤＭシステムにおける周波数オフセットを有する送信信号の先符号化を遂行することにより、ダイバーシティ利得を高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線通信システムにおけるダイバーシティ利得を向上させるための装置及び方法に関し、特に、直交周波数分割多重化に基づく移動通信システムにおけるダイバーシティ利得を向上させるための先符号化方法、及びこれを用いる送信装置及び方法に関する。

一般的に、“無線通信システム”は、端末まで固定された有線ネットワークを接続して使用することができない場合のために開発されたシステムである。無線通信システムの代表的なシステムでは、移動通信システム、無線ローカルエリアネットワーク（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ：ＷＬＡＮ）、無線広帯域（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ：ＷｉＢｒｏ）、及び移動アドホック（Ｍｏｂｉｌｅ Ａｄ Ｈｏｃ）システムを挙げることができる。

一般的な無線通信とは異なり、移動通信は、ユーザーの移動性（Ｍｏｂｉｌｉｔｙ）を前提とする。移動通信の目的の１つは、ユーザーがいつでもどこでも携帯電話や無線ページャなどを使用して情報メディアを交換できるようにすることである。

典型的な移動通信システムは、セルラーシステムである。“セルラーシステム”は、サービス地域を複数のセルに分割し、セルごとに隣接したセルとは異なる周波数が割り当てられた１つの無線基地局（セルラー基地局）を設置することにより、同一の周波数を再使用することができるようにする。ここで、１つの無線基地局によるサービス地域を‘セル’と呼ぶ。このように、システムがセル単位で機能するため、セルラーシステムと呼ばれる。

現在の移動通信システムは、通信技術の急激な発展と共に、音声サービスだけを提供する初期の段階から高速で移動するユーザーにデータサービスを提供する段階にまで進化している。このように急速に発展している様々な形態の無線通信技術は、日常生活において、幅広く使用されている。第２世代の通信システムと知られている符号分割多重化接続（ＣＤＭＡ）通信技術の後、現在の通信技術は、ＩＭＴ−２０００と呼ばれる第３世代の無線通信技術を使用して、音声情報だけではなく、データ情報の高速送信を可能にする。また、高速のデータを送信するＷｉｂｒｏ又は次世代無線通信システムは、高速のパケットデータサービスを効率的に提供することを目指している。このような通信技術は、ユーザーに更に高い品質のサービスを提供するための方向に発展しており、効率的なシステム運用のための技術をオペレータに提供する方向に発展している。通信技術のうちの代表的な技術が多重搬送波を使用して通信を遂行するＯＦＤＭシステムである。

ＯＦＤＭシステムは、広帯域チャネルを複数の狭帯域チャネルに分割し、各チャネルに互いに直交する周波数を割り当て、異なるデータを直交周波数に乗せて送信することにより、高速のデータ送信に適合する。ＯＦＤＭシステムは、各サブキャリアのシンボル間隔をサブキャリアの数だけ増加させることができ、これにより、周波数選択性フェージングチャネルによるシンボル間干渉（Ｉｎｔｅｒ Ｓｙｍｂｏｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：以下、ＩＳＩと記す。）を効率的に減少させることができ、従って、受信器の構成を簡素化することができる。

ＯＦＤＭシステムがＩＳＩ及び多重経路によるフェージングを減少させることができるとしても、ダイバーシティ効果による利得は、期待することができない。それゆえ、ＯＦＤＭシステムは、ダイバーシティ利得を向上させるための技術が必要とされた。

従って、本発明の好適な実施形態の一態様は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおけるダイバーシティ利得を高めるための先符号化（ｐｒｅ−ｃｏｄｉｎｇ）方法を提供する。

本発明の好適な他の実施形態は、ＯＦＤＭシステムにおけるダイバーシティ利得を高めるための先符号化方法を使用する送信装置及び方法を提供する。

本発明の好適な実施形態の一態様によれば、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおけるダイバーシティ利得を提供する送信装置が提供される。かかる送信装置は、入力された送信信号を並列信号に変換する直列／並列（Ｓ／Ｐ）変換器と、所定の周波数オフセットを有する並列信号を先符号化する先符号化器と、前記先符号化された信号の逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を遂行する逆離散フーリエ変換器と、前記ＩＤＦＴ信号を上方変換し、該上方変換された信号を無線網に出力する無線周波数（ＲＦ）部と、を含む。

本発明の好適な実施形態の他の態様によれば、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおけるダイバーシティ利得を提供する送信方法が提供される。かかる送信方法は、入力された送信信号を並列信号に変換するステップと、所定の周波数オフセットを有する前記並列信号を先符号化するステップと、前記先符号化された信号の逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を遂行するステップと、前記ＩＤＦＴ信号を上方変換し、該上方変換された信号を無線網に出力するステップと、を含む。

本発明によれば、ＯＦＤＭシステムにおいて、周波数オフセットを有する送信信号の先符号化を遂行することにより、ダイバーシティ利得を高めることができるという長所がある。

本発明の詳細な構成及び要素のように、本発明の詳細な説明で定義される特徴は、本発明の実施形態の包括的な理解を助けるために提供される。従って、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、ここに説明された実施形態の様々な変更及び変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。また、明瞭性と簡潔性の観点から、当業者に良く知られている機能や構成に関する具体的な説明は、省略する。図面中、同一の構成要素及び部分には、可能な限り同一の符号及び番号を共通使用するものとする。

図１は、本発明の一実施形態による直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおける先符号化（Ｐｒｅ−ｃｏｄｉｎｇ）方法を使用する送信器１００の構成を示すブロック図である。

図１を参照すると、送信器１００は、入力ビットストリームを複数の並列ビットストリームに変換する直列／並列変換器（Ｓｅｒｉａｌ−ｔｏ−Ｐａｒａｌｌｅｌ（Ｓ／Ｐ） ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１１０と、Ｓ／Ｐ変換器１１０から出力される並列ビットストリームの先符号化を遂行し、先符号化されたビットストリームを並列送信シンボルとして出力する先符号化器１２０と、先符号化器１２０から出力される各並列送信シンボルの逆離散フーリエ変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：以下、ＩＤＦＴと記す。）を遂行するＩＤＦＴ部１３０と、ガードインターバル（Ｇｕｒａｄ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）のためにサイクリックプレフィックス（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ：以下、ＣＰと記す。）を挿入するサイクリックプレフィックス挿入部（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ Ｉｎｓｅｒｔｅｒ：以下、ＣＰＩと記す。）１４０と、ＣＰＩ１４０から出力される信号を対応するアンテナ（ＡＮＴ）を介して上方変換（ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒｔ）し、上方変換された信号を出力する無線周波数（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：以下、“ＲＦ”と記す。）部１５０と、を含む。

本発明は、周波数オフセットを、ダイバーシティ利得を提供する先符号化器１２０に適用することにより、送信信号のダイバーシティ利得を向上させる技術を提供する。先符号化器１２０は、次に説明される先符号化行列により実現できる。

先符号化器１２０は、ＯＦＤＭシステム又は多重送信アンテナシステムにおいて、ダイバーシティ利得を提供するために使用される。例えば、特別な属性を有するユニタリー行列ＭｘＭ（ＭｘＭ ｕｎｉｔａｒｙ Ｍａｔｒｉｘ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）の先符号化器１２０は、シンボルのセットであるシンボルベクトルを、先符号化行列を介して変換することにより、Ｍ個の異なるチャネルを介して各シンボルを送信する。Ｍ個の全てのチャネルが深刻なフェージングをうけない場合には、シンボルは、受信器で安定して復元できる。

先符号化器１２０は、無相関（ｎｏｎ−ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ）チャネルでＭ程度のダイバーシティ利得を提供する。一般的に、先符号化器に関する研究には、代数的数論（Ａｌｇｅｂｒａｉｃ ｎｕｍｂｅｒ ｔｈｅｏｒｙ）が使用されてきた。しかしながら、代数的数論を使用した従来の先符号化方法は、先符号化行列が大きいサイズＭを有するか、又はユニタリー行列でない場合には、実現できない。他方、ダイレクト（ｄｉｒｅｃｔ）離散フーリエ変換（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：以下、ＤＦＴと記す。）タイプ又はアダマール（Ｈａｄａｍａｒｄ）タイプの行列は、先符号化器１２０を容易に実現するが、フル（Ｆｕｌｌ）ダイバーシティ利得を保証しない。従って、本発明は、送信側で送信エネルギーを低減させ、ユニタリー行列を使用することができる先符号化器１２０の先符号化行列を提案する。本発明の先符号化行列は、ＤＦＴに基づいているために、Ｍが大きい場合にも速いアルゴリズムとして使用できる。

以下、本発明の先符号化器１２０について詳細に説明する。本発明は、先符号化過程の間に、周波数オフセットを適用するＤＦＴに基づく直交振幅変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：以下、ＱＡＭと記す。）信号コンスタレーション（Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）のための先符号化器１２０を提案する。周波数オフセットに基づいて送信信号のダイバーシティ利得を向上させるためには、先符号化行列のいずれの行（ｒｏｗ）もＱＡＭコンスタレーションの差信号により拡張されてはいけなく、先符号化器１２０は、このような条件を満足する。

先符号化行列を生成するために必要とされるパラメータを下記の＜表１＞に示す。

上述した＜表１＞において、“Ｓ”は、Ｍのサイズを有するシンボルベクトルのセットを示し、このシンボルベクトルの要素は、シンボルコンスタレーションで構成される。“Ｅ”は、Ｍのサイズを有するエラーベクトルのセットを示し、このエラーベクトルの要素は、Ｓの要素間の差信号を示す差ベクトルを示す。Ｓがｍのサイズを有する場合に、Ｅのサイズは、ｍのうちで２を選択する個数と同一である。“Ｐ”は、先符号化器１２０によりＥから生成されたＭのサイズを有する出力ベクトルのセットを示す。

ＭｘＭ先符号化行列を使用する先符号化器１２０は、ＥのエラーシンボルをＭ個のキャリアに拡散するのに使用され、その結果、Ｐの出力ベクトルは、Ｍ個のシンボル位置のうちのいずれの要素も“０”の値を有しない。

上述した＜表１＞におけるように、“Ｆ”が先符号化変換である場合に、上述した説明は、Ｅのある要素ｅがＦのＭ個の基本ベクトルの線形組合せでなければならない先符号化器１２０の設計基準と同等である。ｅがＭ個の基本ベクトルより少ない数のベクトルの線形組合せである場合に、先符号変換されたベクトルは、線形組合せで使用された基本ベクトルの数に対応する非ゼロ（Ｎｏｎ−ｚｅｒｏ）位置を有する。Ｆの基本ベクトルがｅの要素のためのコンスタレーションにより拡張されない場合には、上述した基準が達成される。

ＤＦＴカーネル（Ｋｅｒｎｅｌ）の基本ベクトルが２ｋｎπ／Ｍ（ここで、ｎ及びｋ＝０，１，２，．．．，Ｍ−１）の点により生成されると仮定すると、この点は、二位相偏移変調（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＢＰＳＫ）信号点間のエラー信号コンスタレーションにより拡張（Ｓｐａｎｎｅｄ）でき、直交位相偏移変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＱＰＳＫ）の信号点は、ｋπ（ｋ＝０，１，２，３）により拡張できる。このように、ＱＰＳＫにより拡張された信号点は、Ｍが２より大きいパワー（ｐｏｗｅｒ）であるＤＦＴで生成される。

本発明において、先符号化器１２０は、基本ベクトルｅがＱＡＭ信号のコンスタレーション分析を介してＢＰＳＫ及びＱＰＳＫ信号のセットに対して拡張されることを防止するための周波数オフセットを有する。

このために、上記基本ベクトルの信号点は、次の式（１）のように表現される。
（２ｋ＋１）ｎπ／Ｍ …（１）
ここで、ｎ＝０，１，．．．，（Ｍ−１）、ｋ＝１，２，．．．，Ｍである。

Ｍが２である場合に、上記基本ベクトルの信号点は、次の式（２）のように表現される。
ｋｎπ／４ …（２）
ここで、ｎ＝０，１、ｋ＝１，５である。

本発明において、Ｍが２である場合の先符号化器１２０のマトリックスは、次の式（３）のように表現され、

Ｍが２より大きい場合（すなわち、Ｍが３以上である場合）の先符号化器１２０のマトリックスは、次の式（４）のように表現される。

図２は、本発明の一実施形態によるＯＦＤＭシステムにおける等化器を含む受信器２００の構成を示すブロック図である。

図２を参照すると、受信器２００は、図１の送信アンテナに対応する複数の受信アンテナを介して受信される信号を下方変換（ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔ）するＲＦ部２１０と、ＲＦ部２１０から出力される信号からＣＰを除去するＣＰ除去部（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ Ｒｅｍｏｖｅｒ：ＣＰＲ）２２０と、ＣＰが除去された信号のＤＦＴを遂行するＤＦＴ部２３０と、ＤＦＴ信号から先符号化による歪曲（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を除去するための等化器（Ｅｑｕａｌｉｚｅｒ）２４０と、並列／直列（Ｐ／Ｓ）変換器２５０を含む。図２に示していないが、受信器２００は、最大尤度（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）、スフィアー検出器の可変、最小平均２乗誤差（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ：ＭＭＳＥ）、ゼロ−フォーシング（Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇ）、及び連続的な干渉フィルターを更に含むことができる。

先符号化されたベクトルは、多重送信アンテナで時空間的な送信行列の対角線要素であり、この場合には、アンテナの個数は、Ｍより小さくなければならない。

図３は、本発明の一実施形態によるＯＦＤＭシステムにおける送信器１００の動作を示すフローチャートである。

図３を参照すると、ステップ３００で、信号が入力されると、Ｓ／Ｐ変換器１１０は、ステップ３０２で、入力信号を並列信号に変換する。ステップ３０４で、先符号化器１２０は、周波数オフセットを有する並列信号を先符号化する。ステップ３０４の先符号化過程は、先符号化器１２０のサイズＭに従って、上記式（３）又は式（４）を用いて遂行される。ステップ３０６で、ＩＤＦＴ部１３０は、先符号化された信号のＩＤＦＴを遂行する。ステップ３０８で、ＣＰＩ１４０は、ＣＰをＩＤＦＴ信号に挿入し、ステップ３１０で、ＲＦ部１５０は、ＣＰが挿入された信号を上方変換し、上方変換された信号を、アンテナＡＮＴを介して無線網に送信する。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

本発明の一実施形態による直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおける先符号化方法を使用する送信器の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるＯＦＤＭシステムにおける等化器を含む受信器の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるＯＦＤＭシステムにおける送信器の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 送信器
１１０ 直列／並列（Ｓ／Ｐ）変換器
１２０ 先符号化器
１３０ 逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）部
１４０ サイクリックプレフィックス挿入部（ＣＰＩ）
１５０ 無線周波数（ＲＦ）部
２００ 受信器
２１０ ＲＦ部
２２０ ＣＰ除去部（ＣＰＲ）
２３０ 離散フーリエ変換（ＤＦＴ）部
２４０ 等化器
２５０ 並列／直列（Ｐ／Ｓ）変換器

Claims (14)

1. 直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおけるダイバーシティ利得を提供する送信装置であって、
   入力された送信信号を並列信号に変換する直列／並列変換器と、
   所定の周波数オフセットを有する前記並列信号を先符号化する先符号化器と、
   前記先符号化された信号の逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を遂行する逆離散フーリエ変換器と、
   前記ＩＤＦＴ信号を上方変換し、該上方変換された信号を無線網に出力する無線周波数（ＲＦ）部と、を備えることを特徴とする送信装置。
2. 前記周波数オフセットは、前記ＩＤＦＴ器のカーネルの基本ベクトルが拡張されないように設定されることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
3. 前記基本ベクトルのコンスタレーション上の信号点は、前記周波数オフセットに従って次の式のように表現されることを特徴とする請求項２に記載の送信装置。
   （２ｋ＋１）ｎπ／Ｍ
   ここで、ｎ＝０，１，．．．，（Ｍ−１）、ｋ＝１，２，．．．，Ｍであり、Ｍは、前記先符号化器のサイズを示す。
4. 前記先符号化器のサイズＭが２である場合に、前記基本ベクトルのコンスタレーション上の信号点は、次の式のように表現されることを特徴とする請求項３に記載の送信装置。
   ｋｎπ／４
   ここで、ｎ＝０，１、ｋ＝１，５である。
5. 前記先符号化器のサイズＭが２である場合に、前記先符号化器のマトリックスは、次の式のように表現されることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
   

   
6. 前記先符号化器のサイズＭが３以上である場合に、前記先符号化器のマトリックスは、次の式のように表現されることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
   

   
7. 前記送信信号は、直交振幅変調（ＱＡＭ）信号であることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
8. 直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおけるダイバーシティ利得を提供する送信方法であって、
   入力された送信信号を並列信号に変換するステップと、
   所定の周波数オフセットを有する前記並列信号を先符号化するステップと、
   前記先符号化された信号の逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を遂行するステップと、
   前記ＩＤＦＴ信号を上方変換し、該上方変換された信号を無線網に出力するステップと、を有することを特徴とする送信方法。
9. 前記周波数オフセットは、前記ＩＤＦＴのためのカーネルの基本ベクトルが拡張されないように設定されることを特徴とする請求項８に記載の送信方法。
10. 前記基本ベクトルのコンスタレーション上の信号点は、前記周波数オフセットに従って次の式のように表現されることを特徴とする請求項９に記載の送信方法。
    （２ｋ＋１）ｎπ／Ｍ
    ここで、ｎ＝０，１，．．．，（Ｍ−１）、ｋ＝１，２，．．．，Ｍであり、Ｍは、前記先符号化を遂行するための先符号化器のサイズを示す。
11. 前記先符号化器のサイズＭが２である場合に、前記基本ベクトルのコンスタレーション上の信号点は、次の式のように表現されることを特徴とする請求項１０に記載の送信方法。
    ｋｎπ／４
    ここで、ｎ＝０，１、ｋ＝１，５である。
12. 先符号化器のサイズＭが２である場合に、前記先符号化を遂行する先符号化器のマトリックスは、次の式のように表現されることを特徴とする請求項８に記載の送信方法。
    

    
13. 先符号化器のサイズＭが３以上である場合に、前記先符号化を遂行する先符号化器のマトリックスは、次の式のように表現されることを特徴とする請求項８に記載の送信方法。
    

    
14. 前記送信信号は、直交振幅変調（ＱＡＭ）信号であることを特徴とする請求項８に記載の送信方法。

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