JP2010516147A - 高速高周波通信における改良された周波数／位相エラートラッキングに対するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

改良された残余周波数エラー及び位相ノイズ推定を達成する、高周波通信システムにおける使用に適したシングルキャリア変調スキームが提供される。送信器において、周期的直交一定振幅パイロット信号が、ブロック符号化されたデータストリームの複数のＳＣＢＴブロックの先頭（又は末端）に挿入される。受信器において、受信されたデータストリームの位相回転が、残余周波数エラーを除去し、位相ノイズを推定するために決定される。

Description

この出願は、２００７年１月１６日に出願された、以前に出願された同時係属中の米国仮出願、整理番号６０／８８５１３７の優先権を主張する。

本発明は、広くは、高速通信に関し、排他的ではないがより具体的には、高速高周波通信システムにおける周波数／位相エラートラッキングを提供するシステム及び方法に関する。

６０ＧＨｚのような高周波数における高速通信に対してＷＬＡＮに対して使用されるような従来のパケット構造を使用することは、残余周波数エラーの許容可能な推定値をもたらさない。これは、主に、従来のパケット構造がデータの先頭においてのみプリアンブルシーケンスを含むからである。このような構造の使用は、予測される周波数エラーが２００ｋＨｚ（４０ｐｐｍ）を超えないので、より低い周波数のシステム（例えば、５ＧＨｚ）に対して十分な性能をもたらす。しかしながら、同様の構造の使用は、より高い周波数のシステム（例えば、６０ＧＨｚ）に対して良好な性能をもたらさない。より高い周波数のシステムに対して良好な性能（すなわち、良好な周波数推定精度）を得るためには、非常に長いプリアンブルが、前記パケットの先頭において必要とされる。不幸なことに、これは、非常に非効率的なシステムに帰着する。

したがって、高周波通信システムにおける高い残余周波数エラー、位相ノイズ及びマルチパスをトラッキングし、補償することができるシステム及び方法に対する要望が存在する。

したがって、本発明は、上記問題を考慮して作成される。したがって、本発明は、改良された残余周波数エラー及び位相ノイズ推定を達成する高周波通信システムにおける使用に適したシングルキャリア変調スキームを提供する。１以上のＳＣＢＴブロックの先頭（又は末端）における周期的直交一定振幅（cyclically orthogonal constant amplitude）パイロット信号を使用することにより、パケットの先頭における長いプリアンブルの必要性が除外される。

一実施例において、シングルキャリアブロック送信（ＳＣＢＴ）変調スキームは、例えば、周波数エラー、位相エラー及び短いマルチパスのような残余エラーの推定及びトラッキングを改良するために１以上のＳＢＣＴブロックの先頭（又は末端）に挿入された既知の（例えば周期的直交一定振幅）パイロット信号の繰り返されるシーケンスを含む。

本発明のこれら及び他の目的、フィーチャ及び利点は、図面と併せて考慮される本発明の以下の詳細な説明の検討から明らかである。

データ送信器の一実施例の機能的ブロック図である。 一実施例による、可変レートで送信される短いプリアンブルを含むパケット構造を示す。 一実施例による、可変レートで送信される短いプリアンブルを含むパケット構造を示す。 異なる程度の位相トラッキングを使用するＡＷＧＮチャネルにおけるＢＰＳＫスキームに対するシミュレートされたＢＥＲ曲線の図である。 異なる程度の位相トラッキングを使用するマルチパスチャネルにおけるＢＰＳＫスキームに対するシミュレートされたＢＥＲ曲線の図である。

以下の考察において、多くの特定の細部が、本発明の詳細な理解を提供するために記載される。しかしながら、当業者は、本発明がこのような特定の細部無しで実施されることができることを理解するだろう。他の例では、周知の要素は、不要な細部で本発明をあいまいにしないために概略図又はブロック図形式で図示されている。

図１は、データ送信器１００の一実施例の機能的ブロック図である。当業者に理解されるように、図１に示される様々な機能は、ソフトウェア制御マイクロプロセッサ、配線論理回路又はこれらの組み合わせを使用して物理的に実施されることができる。また、機能ブロックが、説明目的で図１において分離されて図示されるが、これらは、物理的実施において組み合わされてもよい。

データ送信器１００は、チャネルエンコーダ１０６と、チャネルインタリーバ１０７と、シンボルマッパ１０９と、パイロット挿入器１１１と、データ挿入モジュール１１３と、ガードインターバル挿入器１１５と、アップサンプルフィルタ１１７と、デジタルアナログコンバータ１１９とを含む。

チャネルエンコーダ１０５は、符号化方法によって入力情報ビットシーケンスをチャネル符号化する。チャネルエンコーダ１０５は、ブロックエンコーダ、畳み込みエンコーダ、ターボエンコーダ又は連結コードを含むこれらの組み合わせであることができる。

チャネルインタリーバ１０７は、インタリーブ方法によって前記符号化されたデータをインタリーブする。図１には示されていないが、リピータ及びパンクチャラ（puncturer）を含むレートマッチャが、チャネルエンコーダ１０５とチャネルインタリーバ１０７との間に存在することができることは明らかである。

チャネルインタリーバ１０７から出力されるデータシンボルは、パイロット挿入器１１１に送信され、ここでパイロットシンボルが前記データシンボルの中に挿入される。パイロット挿入器１１１は、送信された信号の受信器検出を容易化するのに使用されることができるパイロットシンボルを生成する。前記パイロットシンボルのより詳細な記載は、図２を参照して下で更に論じられる。集合的に、前記データシンボル及び前記パイロットシンボルは、以下、単純にシンボルと称される。前記シンボルは、前記シンボルにプレフィックスを追加するためにガードインターバル挿入器１１５に送られる。前記信号は、次いで、アップサンプルフィルタ１１７と、デジタルアナログコンバータ１２１と、第１の送信アンテナ１２３を通して信号としてＳＢＣＴシンボルを送信する無線周波数（ＲＦ）送信器１２１とを通過する。

ガードインターバル挿入器１１５は、パイロット挿入器１１１から出力されたシンボル又は例えばトレーニングシーケンスからの他のデータシンボルを選択的に提供するマルチプレクサ又はスイッチ１１を含む。

図２Ａ及び２Ｂは、図１に示されるデータ送信器１００のような通信送信器のデータ通信に使用されることができるデータストリーム１００の構造の一実施例を示す。

初めに図２Ａを参照すると、データストリーム構造１００は、複数のＳＣＢＴブロック１０を含む。各ＳＣＢＴブロック１０は、ブロック１０の先頭に付加された長さN_CPのサイクリックプレフィックス（ＣＰ）１２をオプションとして含むことができる。

データストリーム構造１００の各ＳＣＢＴブロック１０は、ブロック１０の先頭１４（又は末端１６）に付加されたパイロットシーケンスを更に含む。前記パイロットシーケンスがＳＢＣＴブロック１０の先頭１４に付加される場合、これは、好ましくは、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）１２とペイロード部分１８との間に配置される（図２Ｂを参照）。

パイロットシーケンス１４は、本発明の重要なフィーチャであり、データ受信器による周波数エラー及び位相ノイズ推定を容易化するように設計された所定のシーケンスを有する。一部の実施例において、パイロットシーケンス１４は、マルチパスチャネルトラッキング（すなわち、短い遅延拡散）を容易化するように設計される。

図２Ｂに示されるように、パイロットシーケンス１４は、１４−１、１４−２、１４−３、１４−４とそれぞれラベリングされた複数の同一のサブシーケンスＰ１−Ｐ４からなり、パイロットシーケンス１４の各サブシーケンスＰ１−Ｐ４は、少なくとも１つのパイロットシンボルの周期的直交一定振幅シーケンスからなる。パイロットサブシーケンスは、時々ここで単純にパイロット"Ｐ"と称される。

パイロットシーケンス１４は、様々な形で生成されることができる。一例において、パイロットシーケンス１４は、以下の式によって生成されることができる。

ここでｒはＮと互いに素（prime to N）であり、αは位相オフセット係数である。Ｎは整数である。これは、長さＮ²のシーケンスを持つパイロット"Ｐ"に帰着する。パイロットシーケンス１４は、性能とオーバヘッドとの最適なトレードオフによって選択される。前記データストリームへのパイロットシーケンス１４の挿入が、改良された残余周波数エラー及び位相ノイズ推定を容易化するが、不所望にオーバヘッドにも寄与することは認識されるべきである。前記オーバヘッドを小さく保つことが望ましい。したがって、前記パイロットシーケンスは、好ましくは、前記データストリームのわずか５ないし１０％を有する。

一例として、Ｎ＝２に対して、４のシーケンス長Ｎ_pを持つパイロットシンボルが、（１ １ １ −１）として生成される。シーケンス長Ｎ_pは、所要の性能に大きく依存する。すなわち、高周波アプリケーション（例えば、６０ＧＨｚ）に対して、ＳＣＢＴブロック１０の長さの５−１０％が、満足な性能を得るのに必要とされる。例えば、２５６のブロック長を持つＳＢＣＴブロック１０に対して、パイロットシーケンス１４の長さは、好ましくは、前記ブロック長の５−１０％（例えば、１６サンプル）である。パイロットシーケンス１４は、好ましくは、繰り返されるシーケンスとして構成される。この例において、１６の長さを持つパイロットシーケンス１４は、長さ４の４つの繰り返しシーケンスとして構成されることができる。
｛１，１，１，−１｝，｛１，１，１，−１｝，｛１，１，１，−１｝，｛１，１，１，−１｝

一部の実施例において、全てより少ないＳＣＢＴブロック１０は、意図的にパイロットシーケンス１４を含むことができる。例えば、一部の実施例において、１つおきのＳＣＢＴブロック１０が、パイロットシーケンス１４を含みうる。他の実施例において、ＳＣＢＴブロック１０の半分又は４分の１がパイロットシーケンスを含みうる。以下に記載されるように、パイロットシーケンス１４を含むＳＣＢＴブロック１０の割合を増加することは、有益には、信号対雑音比を向上するように機能する。反対に、プリアンブルパイロット部分１４を含むＳＣＢＴブロック１０の数を減少することは、信号対雑音比を減少するように機能する。

ここで図２Ａ及び２Ｂのサイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２を参照すると、サイクリックプレフィックスの使用が周知である。例えば、ＯＦＤＭ送信スキームにおいて、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）は、マルチパスによって時間遅延された受信信号により引き起こされる起こりうる自己干渉を防止するために送信前にＯＦＤＭシンボルのヘッドに追加される。すなわち、１つのＯＦＤＭシンボルは、パケットデータ情報に逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を実行することにより得られるＯＦＤＭデータ及びＣＰからなる。ＣＰのサイズはＮ_CPチップであり、ＣＰ挿入に対して、Ｎ_CPチップ信号は、ＯＦＤＭデータの後ろから複製され、次いで、前記ＯＦＤＭデータの前に挿入される。したがって、前記ＯＦＤＭデータのサイズは、（Ｎ_Data−Ｎ_CP）チップである。Ｎ_CPは、自己干渉を引き起こす許容可能な時間遅延に依存して決定される。Ｎ_CPが大きい場合、より多くの受信信号が干渉なしで復調されることができるが、前記ＯＦＤＭデータのサイズは減少し、送信情報の可能な量の減少を引き起こす。しかしながら、Ｎ_CPが小さい場合、送信情報の可能な量は増加するが、深刻なマルチパスフェージング環境において生じる自己干渉の確率が増加し、受信品質の劣化を引き起こす。好ましくは、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２の長さは、チャネルの遅延拡散より大きい。

特定の実施例において、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２の長さＮ_CPは、受信器により適応的に選択されることができる。これは、１つの方法においては、最初にＮ_CPに対する大きなデフォルト値を選択することにより、生じることができる。多くの利点が、Ｎ_CPを適応的に選択することにより実現されることができる。例えば、Ｎ_CPを適応的に選択することにより、このシステムは、ほとんど又は全くマルチパスが存在しない場合に高い帯域幅効率を達成する。チャネルがＡＷＧＮである場合、又は受信器が時間領域イコライザを持つ場合に、ゼロ長Ｎ_CPが使用されることができる。Ｎ_CPの適応的選択を使用することにより実現されることができる他の利点は、システムがより多くのロバストデータモードで減少されたＮ_CP長を使用することを可能にし、より柔軟な受信器設計を可能にすることを含む。

パイロットシーケンス１６が図２Ａに示されるようにＳＣＢＴブロック１０の末端に付加される実施例において、有益には、挿入されたパイロットシーケンス１６は、ＳＣＢＴブロック１０の先頭において、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２に複製される。これは、当技術分野において周知であり、上に記載されたように、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２がデータ部分１６から生成される様式の結果として生じる。有益には、ＳＢＣＴブロック１０の先頭及び末端の両方における前記パイロットシーケンスの組み込みは、前記受信器における改良された信号対雑音比に帰着する。

受信器において、複数の技術が、上に記載された様式で少なくともパイロットシーケンス１４を含むように符号化されたデータストリームを復号することにより残余周波数エラーを推定するのに採用されることができる。例えば、いかなる時点においても、前記残余周波数エラーの結果としての位相回転は、以下の式を使用して推定されることができる。

ここでｎＴは、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２の後に続くＳＣＢＴブロック１０の先頭である。後のブロックの位相は、この場合、この推定されるエラーを補償するように逆回転されることができる。しかしながら、この技術は、前記周波数エラーがＳＣＢＴブロック１０の持続時間中に一定であると仮定するので、前記周波数エラーの完全な補正を提供しないと理解されるべきである。それでもなお、許容可能な性能を提供する。

実験結果
図３及び４は、上で論じられた受信器構成を使用する、周波数オフセットエラーの位相トラッキングを実行した及び実行していないシステムを評価するシミュレーション結果を示す。各シミュレーションは、以下のパラメータ値に基づく。ＡＷＧＮランダム指数関数的減衰チャネルが、７．５ｎｓ ｒｍｓ遅延拡散、１．４ＧＨｚのサンプリングレート、１２０ｋＨｚのオフセット周波数（＝６０ＧＨｚにおける２ｐｐｍエラー）、及び１２８のＳＣＢＴブロックのパケット長を持つ。これらのパラメータは、６０ＧＨｚにおける無線高速通信に必要とされるものに酷似している。

ここで図３を参照すると、ベースライン曲線３３は、前記受信器において周波数オフセットエラーを持たない仮定に基づく。このベースライン曲線３３に対して、ＢＥＲは、全体的にチャネルノイズに帰属可能である。第２の曲線３５は、送信スキームが、送信されるＳＢＣＴブロックの少なくとも一部に挿入された１６サンプルの長さを持つサイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２を組み込むＳＢＣＴ送信においてサイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２を使用する本発明に基づく。前記１６サンプルは、４つのシーケンスとして構成され、各シーケンスは、上に記載されたように４つのサンプルからなる。第２の曲線３５により示されるシミュレーション出力は、１２０ｋＨｚ周波数オフセットの位相トラッキングがサイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２を検出することにより前記受信器において実行されることを仮定する。図３において水平ラインとして示される第３の曲線３７は、位相トラッキングが前記受信器において全く実行されないことを仮定する。

ベースライン曲線３３に対して、ビットエラーレート（ＢＥＲ）が、典型的であるように、増大するＳＮＲとともに改良することが示されることが観察される。第２の曲線３５は、ＳＢＣＴ送信スキームにサイクリックプレフィックス（ＣＰ）部分１２を組み込むことにより理想的なベースライン曲線３３と比較可能な性能レベルを提供する。最終的に、第３の曲線３５は、前記受信器において位相トラッキングを全く実行しない結果を示す。この場合のＢＥＲは５０％である。

図４は、上に記載された前記パラメータに基づくシミュレーション結果を示すが、マルチパスをも考慮に入れる。マルチパスの包含が、図３に示されるものよりわずかに劣化した結果を持つ曲線３３（ベースライン）及び３５（パイロットシーケンストラッキング）に帰着することが観察される。

好適な実施例がここに開示されているが、本発明の概念及び範囲内に留まる多くの変形例が可能である。このような変形例は、ここで明細書、図面及び請求項の検討後に当業者に明らかになる。本発明は、したがって、添付の請求項の精神及び範囲内を除き限定されるべきでない。

Claims (23)

1. 高速高周波通信システムにおいて改良された周波数及び位相エラートラッキングを提供する方法において、
   ａ）元の情報ビットのデータストリームに対して符号化、インタリーブ及びシンボルマッピングを実行するステップと、
   ｂ）結果として生じるデータストリームをブロックに分割するステップと、
   ｃ）前記分割されたデータストリームの少なくとも２つのブロックにパイロットシーケンスを挿入するステップと、
   ｄ）前記分割されたデータストリームを変調及び送信するステップと、
   を有する方法。
2. 受信側により前記データストリームを受信するステップと、
   前記受信されたデータストリームを前記パイロットシーケンスのローカルコピーと関連付けることにより前記受信された分割されたデータストリームの位相回転を決定するステップと、
   周波数及び位相エラーを推定するステップと、
   前記推定された周波数及び位相エラーを使用して前記受信された分割されたデータストリームの周波数／位相エラーを補正するステップと、
   を更に有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記分割されたデータストリームがＳＢＣＴ分割データストリームである、請求項１に記載の方法。
4. 前記分割されたデータストリームを送信する前に前記分割されたデータストリームに送信冗長部を追加するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記送信冗長部が、サイクリックプレフィックスを有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記サイクリックプレフィックスの長さＮ_CPが受信器により適応的に選択される、請求項５に記載の方法。
7. 前記パイロットシーケンスの長さＮ_Pが、前記分割されたデータストリームの所定のブロックの長さの実質的に５％ないし１０％である、請求項１に記載の方法。
8. 前記パイロットシーケンスが、前記分割されたデータストリームの少なくとも２つのブロックの先頭に挿入される、請求項１に記載の方法。
9. 前記パイロットシーケンスが、前記分割されたデータストリームの少なくとも２つのブロックの末端に挿入される、請求項１に記載の方法。
10. 前記パイロットシーケンスが、周期的直交一定振幅シーケンスである、請求項１に記載の方法。
11. 前記周期的直交一定振幅シーケンスが、以下の式、
    

    

    によって生成され、ここでｒがＮと互いに素であり、αが位相オフセット係数であり、Ｎが整数である、請求項１０に記載の方法。
12. 元の情報ビットのデータストリームに対して符号化、インタリーブ及びシンボルマッピングする手段と、
    結果として生じるデータストリームをブロックに分割する手段と、
    前記分割されたデータストリームの少なくとも２つのブロックにパイロットシーケンスを挿入する手段と、
    前記分割されたデータストリームを変調及び送信する手段と、
    を有するデータ送信システム。
13. 受信側により前記分割されたデータストリームを受信する手段と、
    前記分割されたデータストリームの位相回転を決定する手段と、
    周波数及び位相エラーを推定する手段と、
    前記推定された周波数及び位相を使用して前記受信された分割されたデータストリームの周波数／位相を補正する手段と、
    を更に有する、請求項１２に記載のデータ送信システム。
14. 前記受信された分割されたデータストリームの位相回転を決定する手段が、前記受信されたデータストリームを前記パイロットシーケンスのローカルコピーと関連付ける手段を有する、請求項１３に記載のデータ送信システム。
15. 前記分割されたデータストリームがＳＢＣＴ分割データストリームである、請求項１２に記載のデータ送信システム。
16. 前記分割されたデータストリームを送信する前に送信冗長部を追加する手段を更に有する、請求項１２に記載のデータ送信システム。
17. 前記送信冗長部がサイクリックプレフィックスを有する、請求項１６に記載のデータ送信システム。
18. 前記サイクリックプレフィックスの長さＮ_CPが受信器により適応的に選択される、請求項１７に記載のデータ送信システム。
19. 前記パイロットシーケンスの長さＮ_Pが、前記分割されたデータストリームの所定のブロックの長さの実質的に５％ないし１０％である、請求項１２に記載のデータ送信システム。
20. 前記パイロットシーケンスが、前記分割されたデータストリームの少なくとも２つのブロックの先頭に挿入される、請求項１２に記載のデータ送信システム。
21. 前記パイロットシーケンスが、前記分割されたデータストリームの少なくとも２つのブロックの末端に挿入される、請求項１２に記載のデータ送信システム。
22. 前記パイロットシーケンスが、周期的直交一定振幅シーケンスである、請求項１２に記載のデータ送信システム。
23. 前記周期的直交一定振幅シーケンスが、以下の式、
    

    

    によって生成され、ここでｒがＮと互いに素であり、αが位相オフセット係数であり、Ｎが整数である、請求項２２に記載のデータ送信システム。

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