JP2009540653A

JP2009540653A - 空間・時間・周波数符号化の方法および装置

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Publication number: JP2009540653A
Application number: JP2009513817A
Authority: JP
Inventors: ガンウ; キツォウ; ニマ; シャオボツァン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: KR101345351B1; WO2007141710A1; CN101467376A; EP2030358B1; JP5123295B2; KR20090016464A; EP2030358A1; CN101467376B; US20100232532A1; US8422580B2

Abstract

本発明は、無線通信システムで使用するための、空間・時間・周波数ダイバーシティ符号化に関する。本発明により提供される符号化方式によれば、まず、複数の入力成分のペアが、複数の直交成分のペアにそれぞれ変換される。それら複数の入力成分のペアの各々と、対応する直交成分のペアとは、直交行列を形成する。次に、第１および第２の行列のチャネル成分を、異なるアンテナを介して送信されるのに適したものとなすため、複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とが、チャネル成分として、第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングされる。異なるアンテナを介して送信される、冗長な入力成分のペアおよび対応の直交成分のペアが、時空間領域と空間周波数領域との両方において同時に、互いに直交の関係を有するので、二次元の時空間送信ダイバーシティゲインおよび空間周波数送信ダイバーシティゲインを、同時に実現することができる。

Description

本発明は、無線通信システムに関し、より詳細には、マルチキャリア無線通信システムで使用するための、空間・時間・周波数ダイバーシティ符号化の方法および装置に関するものである。

無線通信システムでは、チャネルのフェーディングおよび干渉を克服し、それにより加入者に高品質のデータサービスを提供することが重要である。近年、時空間ブロック符号化（ＳＴＢＣ）が、業界から高い注目を浴び、その単純かつ高効率の符号化および復号のため、３ＧＰＰＵＭＴＳによる送信方式の１つとして選ばれた。

ＳＴＢＣは、マルチパスフェーディングの生じる環境における魅力的な解決策として、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムに適用することができる。このシステムは、時空間ブロック符号化されたＯＦＤＭとして捉えられる。ブロックコードが、空間および時間領域に代えて、空間および周波数領域に亘って形成されると、これは空間周波数ブロック符号化されたＯＦＤＭとして捉えられる。

国際公開ＷＯ２００４／０７３２７５Ａ１号として２００４年８月２６日に公開された、「マルチキャリアシステムのための空間・時間・周波数ダイバーシティ（Ｓｐａｃｅ−Ｔｉｍｅ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒＭｕｌｔｉ−ｃａｒｒｉｅｒｓｙｓｔｅｍｓ）」と題された特許出願は、送信ダイバーシティを実現するために、複数のアンテナを用いる技術を開示したものである。この特許出願で提供された技術によれば、まず、予め規定された変換ルールを用いて、送信シンボルが複数の送信ストリームに変換され、周波数および時間単位の送信ストリーム成分が、各アンテナにおいて利用可能な複数のサブキャリアに割り当てられ、その後、それらの成分が送信される。この方式は、空間−時間−周波数の直交を実現する直交設計を採用し、かつ時空間符号化と空間周波数符号化とはこの方式内において独立しているので、この方法から得られる送信ダイバーシティゲインは、一次元の時空間ダイバーシティゲインまたは空間周波数ダイバーシティゲインである。

したがって、当該技術分野においては、送信ダイバーシティゲインをさらに改善する、新規な技術が必要とされている。

数ある中で、本発明の１つの目的は、送信ダイバーシティゲインを改善する符号化方法を提供することである。

この目的のため、本発明は、複数の入力成分のペアを、複数の直交成分のペアにそれぞれ変換する工程であって、それら複数の入力成分のペアの各々と、対応する直交成分のペアとが、直交行列を形成するようになす工程と、第１および第２の二次元の時間−周波数行列のチャネル成分を、異なるアンテナを介して送信されるのに適したものとなすため、複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とを、上記のチャネル成分として、上記の第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングする工程とを含む、空間・時間・周波数符号化方法を提供する。

数ある中で、本発明の別の１つの目的は、空間・時間・周波数符号化のための装置であって、複数の入力成分のペアを、複数の直交成分のペアにそれぞれ変換する変換ユニットであって、それら複数の入力成分のペアの各々と、対応する直交成分のペアとが、直交行列を形成するようになす変換ユニットと、第１および第２の二次元の時間−周波数行列のチャネル成分を、異なるアンテナを介して送信されるのに適したものとなすため、複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とを、上記のチャネル成分として、上記の第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングするマッピングユニットとを含む、装置を提供することである。

本発明により提供される方法および装置によれば、異なるアンテナを介して送信される、冗長な入力成分のペアおよび対応の直交成分のペアが、時空間領域と空間周波数領域との両方において同時に、互いに直交の関係を有するので、二次元の時空間送信ダイバーシティゲインおよび空間周波数送信ダイバーシティゲインを、同時に実現することができる。

本発明の上記およびその他の目的および特徴は、添付の図面と共に参酌される以下の詳細な説明から、より明らかとなる。図中において、同一の参照番号は、同一、類似または対応の特徴または機能を表している。

本発明により提供される符号化方式の基本的な思想は、チャネル成分を賢く割り当てることによって、２つのアンテナにより送信される２つの時間−周波数行列の間で、空間−時間の直交性と、空間−周波数の直交性とを実現し、それにより、二次元の時空間送信ダイバーシティゲインおよび空間周波数送信ダイバーシティゲインを、同時に実現するという思想である。一方、直交時空間符号化と、直交空間周波数符号化とは、従来型の時空間ブロック符号化と類似の構成を有するので、対応の受信機においては、受信されたチャネル成分を線形結合して送信シンボルを回復することが可能であり、非常にシンプルな復号処理がもたらされる。

図１は、本発明に係る符号化方法の１つの実施形態を示したフローチャートである。図２は、本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第１の実施形態を示している。図３は、本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第２の実施形態を示している。図４は、本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第３の実施形態を示している。本発明により提供される方法は、図１から図４と共に参酌される以下の詳細な説明から、より明らかとなる。

図１に示した方法のプロセスでは、まず、ステップＳ１０において、複数の入力成分のペアが、複数の直交成分のペアにそれぞれ変換される。上記の複数の入力成分のペアの各々と、対応する直交成分のペアとは、直交行列を形成する。続いて、ステップＳ２０において、複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とが、チャネル成分として、第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングされる。第１および第２の行列内のチャネル成分は、異なるアンテナを介して送信されることとなる。ステップＳ１０における成分の変換、およびステップＳ２０における行列へのマッピングは、図２から図４に示された実施形態を用いて説明される。

ステップＳ１０における成分の変換は、入力成分のペアに対して、時空間ブロック符号化の演算と類似した、否定演算および共役演算を実行することにより実現される。入力成分のペアが

であると仮定し、それらに時空間ブロック符号化を実行すると、対応する直交成分のペアは

である。ここで、

は、共役演算を意味する。第１および第２の入力成分のペアと、それらに対応する直交成分のペアとは、

という２つの行列をそれぞれ形成する。これらは、

との条件を満たす直交行列である。ここで、Ｉは単位行列であり、

は転置演算を意味する。

入力成分と直交成分との、時間−周波数行列へのマッピングは、ステップＳ２０において行われる。本発明で提供される符号化から得られる送信ダイバーシティは、時空間送信ダイバーシティおよび空間周波数送信ダイバーシティという、２つの要素を有する。これら時空間送信ダイバーシティおよび空間周波数送信ダイバーシティは、チャネル成分の賢い割当方法により、同時に実現される。

図２の第１および第２の時間−周波数行列は、それぞれ第１および第２のアンテナにより送信される。２つの行列中の行および列は、それぞれ時間単位量および周波数単位量を示す。図２に示すように、入力成分のペア

は第１の行列にマッピングされ、直交成分のペア

は第２の行列にマッピングされる。

ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３およびｂ_４がデータシンボルである場合、時間単位量および周波数単位量は、それぞれタイムスロットおよびサブキャリアである。データシンボルｂ_１、ｂ_２、ｂ_３およびｂ_４は、３つのサブキャリアおよび２つのタイムスロットに対応する、６個の時間−周波数セルを占有している。第１のアンテナを介して、タイムスロットｔ_１およびサブキャリアｆ_１ならびにｆ_２で送信される入力成分のペア

と、第２のアンテナを介して、タイムスロットｔ_１およびサブキャリアｆ_１ならびにｆ_２で送信される直交成分のペア

とは、空間周波数送信ダイバーシティを構成する。第１のアンテナを介して、タイムスロットｔ_１ならびにｔ_２およびサブキャリアｆ_１で送信される入力成分のペア

と、第２のアンテナを介して、タイムスロットｔ_１ならびにｔ_２およびサブキャリアｆ_１で送信される直交成分のペア

とは、時空間送信ダイバーシティを構成する。ここで、タイムスロットｔ_１およびサブキャリアｆ_１で送信されるシンボル

は、時空間送信ダイバーシティおよび空間周波数送信ダイバーシティについて再利用される。

以下、本発明により提供される符号化方法によって生成される送信ダイバーシティゲインを、関係する数学的表現の考察と共に説明する。３ＧＰＰやＷＬＡＮといったような従来の無線通信システムに対して一般性を失うことなく、隣接するタイムスロットまたはサブキャリアのチャネル応答が、時間変化しない特性を有すると仮定することは妥当である。無線チャネルが、非常に深くかつ低速のフェーディングを被る際には、入力成分のペアまたは直交成分のペアに対応する時間および周波数に亘って、チャネル応答は一定のままである。すなわち、

である。ここで、ｍはアンテナの数であり、ｉはタイムスロットの連続番号であり、ｊはサブキャリアの連続番号である。この実施形態では、ｍ＝２である。受信側では、受信されたチャネル成分が線形結合され、最尤推定法を用いて入力成分が回復される。

タイムスロットｔ_１およびサブキャリアｆ_１に対応する受信チャネル成分は、

と表すことができる。タイムスロットｔ_２およびサブキャリアｆ_１に対応する受信チャネル成分は、

と表すことができる。タイムスロットｔ_１およびサブキャリアｆ_２に対応する受信チャネル成分は、

と表すことができる。ｂ_１およびｂ_２は、以下の式に従って復号される。

最尤（ｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ；ＭＬ）推定は、単に以下のような推定を行うことである。

ここで、

は推定結果であり、

はＭＬ推定に使用されるシンボルである。

式（５）において、ｂ_１の信号エネルギーは

であり、ノイズパワースペクトル密度は

であるので、信号対雑音比は

である。ダイバーシティゲイン

は、本発明により提供される時空間送信ダイバーシティおよび空間周波数ダイバーシティより得られる、合計のダイバーシティゲインである。この合計のダイバーシティゲインが、従来型の時空間ブロック符号化または空間周波数ブロック符号化のダイバーシティゲインである

よりも高いことは、明らかである。したがって、この空間・時間・周波数符号化は、従来の方式よりも良好な性能を有する。

図３は、本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第２の実施形態を示している。このケースでは、データシンボルｂ_１、ｂ_２、ｂ_３およびｂ_４は、２つのサブキャリアおよび３つのタイムスロットに対応する、６個の時間−周波数セルを占有している。

図４は、本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第３の実施形態を示している。このケースでは、入力シンボルが、シンボルブロックに拡張されている。

図５および図６は、本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第４および第５の実施形態を示している。チャネル成分Ｐは、入力成分ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３およびｂ_４とは異なる属性を有する、特殊な入力成分である。たとえば、Ｐがパイロット信号を表すシンボルとされ、ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３およびｂ_４がデータを表すシンボルとされる。時空間ブロック符号化および空間周波数ブロック符号化は、入力成分をペア単位で処理することができるので、単一の入力成分が、時空間ブロック符号化および空間周波数ブロック符号化と協働して、ペアをなさない時間−周波数セルを満たしてもよい。

図２から図６に示したチャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの実施形態では、複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とが、チャネル成分として、第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングされる。それら３つの予め決められた時間−周波数セルは、２つの予め決められた時間単位量と２つの予め決められた周波数単位量とに対応する４つの時間−周波数セルのうちの、３つである。３つのセルのチャネル応答が時間により変化しない特性を有するという要件を満たしている場合には、２つの予め決められた時間単位量および／または２つの予め決められた周波数単位量は、隣接するものとはなり得ない。

本発明により提供される符号化方法は、直交周波数分割多重システムにも適用可能である。このケースでは、チャネル成分は、送信前の逆離散フーリエ変換を介して、周波数領域から時間領域へと変換される。受信側では、復号に先立って、離散フーリエ変換を用いて、受信されたチャネル成分が時間領域から周波数領域へと変換される。

図１から６に示したような上記の符号化方法は、ソフトウェアもしくはハードウェア、またはそれら両方の組合せの形式で実施することができる。

図７は、本発明に係る符号化装置の１つの実施形態を示したブロック図である。符号化装置３０は、変換ユニット３２と、マッピングユニット３４とを含んでいる。

変換ユニット３２は、複数の入力成分のペアを、直交成分の複数のペアにそれぞれ変換するように構成されている。複数の入力成分のペアの各々と、対応する直交成分のペアとは、直交行列を形成する。変換ユニット３２は、入力成分のペアに対して、複素共役演算および否定演算を実行する。入力成分のペアが

である。ここで、

という２つの行列をそれぞれ形成する。これらは、

は転置演算を意味する。

マッピングユニット３４は、複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とを、チャネル成分として、第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングするように構成されている。これにより、第１および第２の行列のチャネル成分は、異なるアンテナを介して送信されるのに適したものとされる。より具体的にいうと、マッピングユニット３４は、入力成分のペア

と、対応する直交成分のペア

および／または特殊なチャネル成分（たとえばパイロットシンボル）とを、予め決められた時間−周波数セルに割り当てて、図２から６に示したような２つの行列を取得する。２つの行列中のチャネル成分は、時空間送信ダイバーシティおよび空間周波数送信ダイバーシティを同時に実現するため、２つの異なるアンテナを介して送信される。

ここで説明した本発明の実施形態は、限定的な意味ではなく、説明の意味で捉えられることを意図したものである。当業者であれば、特許請求の範囲で規定された本発明の技術的範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対し、様々な修正を加えることができる。

本発明に係る符号化方法の１つの実施形態を示したフローチャート本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第１の実施形態を示した図本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第２の実施形態を示した図本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第３の実施形態を示した図本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第４の実施形態を示した図本発明に係る、チャネル成分の時間−周波数行列へのマッピングの第５の実施形態を示した図本発明に係る符号化装置の１つの実施形態を示したブロック図

Claims

（ａ）複数の入力成分のペアを、複数の直交成分のペアにそれぞれ変換する工程であって、前記複数の入力成分のペアの各々と、対応する直交成分のペアとが、直交行列を形成するようになす工程と、
（ｂ）第１および第２の二次元の時間−周波数行列のチャネル成分を、異なるアンテナを介して送信されるのに適したものとなすため、前記複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とを、前記チャネル成分として、前記第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングする工程と、
を含むことを特徴とする符号化方法。
前記工程（ｂ）において、前記３つの予め決められた時間−周波数セルが、２つの予め決められた時間単位量と２つの予め決められた周波数単位量とに対応する４つの時間−周波数セルのうちの、３つであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記入力成分のペアが

であり、対応する直交成分のペアが

であり、

は

の複素共役であるとき、２つの前記入力成分のペアと直交成分のペアとを、チャネル成分として、第１および第２の二次元の行列にマッピングすることにより得られる結果が

であり、該第１および第２の行列の行および列が、それぞれ時間単位量および周波数単位量を示すものであることを特徴とする請求項２記載の方法。
前記入力成分のペアが

であり、対応する直交成分のペアが

であり、

は

の複素共役であるとき、２つの前記入力成分のペアと直交成分のペアとを、チャネル成分として、第１および第２の二次元の行列にマッピングすることにより得られる結果が

であり、該第１および第２の行列の行および列が、それぞれ時間単位量および周波数単位量を示すものであることを特徴とする請求項２記載の方法。
前記入力成分のペアが

であり、対応する直交成分のペアが

であり、

は

の複素共役であるとき、前記入力成分のペアと、前記直交成分のペアと、特殊な入力成分Ｐとを、チャネル成分として、第１および第２の二次元の行列にマッピングすることにより得られる結果が

であり、該第１および第２の行列の行および列が、それぞれ時間単位量および周波数単位量を示すものであり、Ｐとｂ_ｉとは異なる属性を有するチャネル成分であることを特徴とする請求項２記載の方法。
前記入力成分が、複数のサブキャリアとシンボル間距離とに対応するシンボルブロックであるとき、１つのブロック内に含まれるシンボルの数が、１つの時間−周波数セル内に含まれるサブキャリアの数とシンボル間距離の数との積に等しいことを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載の方法。
前記入力成分がシンボルであるとき、前記時間−周波数セルが、サブキャリアおよびタイムスロットに対応することを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載の方法。
複数の入力成分のペアを、複数の直交成分のペアにそれぞれ変換する変換ユニットであって、前記複数の入力成分のペアの各々と、対応する直交成分のペアとが、直交行列を形成するようになす変換ユニットと、
第１および第２の二次元の時間−周波数行列のチャネル成分を、異なるアンテナを介して送信されるのに適したものとなすため、前記複数の入力成分のペアの各々、および対応する直交成分のペアにおける、第１の成分と、第２の成分と、第２の成分の冗長成分とを、前記チャネル成分として、前記第１および第２の二次元の時間−周波数行列内の、３つの予め決められた時間−周波数セルにマッピングするマッピングユニットと、
を含むことを特徴とする符号化装置。
前記３つの予め決められた時間−周波数セルが、２つの予め決められた時間単位量と２つの予め決められた周波数単位量とに対応する４つの時間−周波数セルのうちの、３つであることを特徴とする請求項８記載の装置。
前記入力成分のペアが

であり、対応する直交成分のペアが

であり、

は

の複素共役であるとき、２つの前記入力成分のペアと直交成分のペアとを、チャネル成分として、第１および第２の二次元の行列にマッピングすることにより得られる結果が

であり、該第１および第２の行列の行および列が、それぞれ時間単位量および周波数単位量を示すものであることを特徴とする請求項９記載の装置。
前記入力成分のペアが

であり、対応する直交成分のペアが

であり、

は

の複素共役であるとき、２つの前記入力成分のペアと直交成分のペアとを、チャネル成分として、第１および第２の二次元の行列にマッピングすることにより得られる結果が

であり、該第１および第２の行列の行および列が、それぞれ時間単位量および周波数単位量を示すものであることを特徴とする請求項９記載の装置。
前記入力成分のペアが

であり、対応する直交成分のペアが

であり、

は

の複素共役であるとき、前記入力成分のペアと、前記直交成分のペアと、特殊な入力成分Ｐとを、チャネル成分として、第１および第２の二次元の行列にマッピングすることにより得られる結果が

であり、前記第１および第２の行列の行および列が、それぞれ時間単位量および周波数単位量を示すものであり、Ｐとｂ_ｉとは異なる属性を有するチャネル成分であることを特徴とする請求項９記載の装置。