JP2011511487A - Ｍｉｍｏネットワークにおいてシンボルのブロックを送信するための方法 - Google Patents

Abstract

方法が、一組の送信アンテナを有する送信機および一組の受信アンテナを有する受信機を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいてシンボルのブロックを送信する。シンボルのブロックは、第１の符号を用いて符号化されて、第１のブロックが生成される。第１のブロックは送信され、受信される。第１のブロックの復号が正しくない場合、シンボルのブロックは、第１の符号を用いて符号化され、次に該第１の符号と異なる第２の符号を用いて符号化されて、第２のブロックが生成される。第２のブロックが送信され、受信され、第１のブロックと結合されて、シンボルのブロックが復元される。

Description

本発明は、包括的には、無線通信の分野に関し、より詳細には、多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいてハイブリッド自動再送要求（ＨＡＲＱ）を使用してデータを再送信することに関する。

ＭＩＭＯネットワーク
移動セルラー通信ネットワークでは、多入力多出力（ＭＩＭＯ）伝送技術を使用することが、より広く行き渡ってきている。第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）だけでなく、マイクロ波アクセスのためのワイマックス（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ふぉｒＭｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｃｃｅｓｓ：ＷｉＭＡＸ）フォーラムも、ＭＩＭＯを活用して伝送容量および信頼性を改善する標準仕様を公開している。

ＭＩＭＯネットワークは、空間多重化（ＳＭ）と一般に称する技法で、複数のアンテナを同時に使用してシンボルを送信および受信することにより、容量を増加させる。ＭＩＭＯ受信機は、高度な信号処理およびチャネルの特性を使用して、シンボルを検出し復号することができる。信頼性を改善するために、ＭＩＭＯネットワークは、時空間符号化（ＳＴＣ）と一般に呼ばれる技法で、複数のアンテナからシンボルのコピーを送信することができる。ＷｉＭＡＸがベースとしている、ＩＥＥＥ８０２．１６標準規格「パート１６：広帯域無線アクセスシステムのエアインターフェース」８０２．１６を参照願いたい。ＷｉＭＡＸは、ＳＭ技法およびＳＴＣ技法の双方を用いる。

ＭＩＭＯに加えて、標準規格は、ハイブリッド自動再送要求（ＨＡＲＱ）の仕様も定めている。従来の自動再送要求（ＡＲＱ）と同様に、メッセージの再送を求める受信機の要求は、誤って復号されていた。一方、ＨＡＲＱによると、メッセージの復号およびシンボルの復元に成功する確率を改善するために、オリジナルの破損したメッセージが保持され、再送メッセージと結合される。

ＭＩＭＯネットワークのもう１つの問題は、複数のアンテナでの送信および受信に起因した自己干渉である。自己干渉は、アンテナの数が増加するにつれて増大する。自己干渉を除去することも望まれている。

本発明の実施の形態は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいてハイブリッド自動再送要求（ＨＡＲＱ）を時空間符号化（ＳＴＣ）と組み合わせて、空間多重化されたＭＩＭＯ伝送の信頼性を向上させるための方法を提供する。

加えて、本発明の実施の形態は、より高次のＭＩＭＯ構成、例えば、４つ以上の送信アンテナおよび受信アンテナとともに使用できる時空間符号、および空間多重化（ＳＭ）であって、データストリーム間の自己干渉が除去される時空間符号および空間多重化（ＳＭ）も提供する。

本発明の実施の形態によるＭＩＭＯ送信機のブロック図である。 本発明の実施の形態によるＭＩＭＩネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態によるシンボルの２つのブロックのブロック図である。 ＭＩＭＯネットワークにおける従来のＨＡＲＱオペレーションのタイミング図である。 本発明の実施の形態によるＭＩＭＯネットワークにおけるＳＴＣを伴うＨＡＲＱのタイミング図である。 本発明の実施の形態によるＭＩＭＯネットワークにおけるＳＩＣＣを伴うＨＡＲＱのタイミング図である。

空間多重化を伴うＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ
送信機
図１は、２つの送信アンテナ１０６を有する多入力多出力（ＭＩＭＯ）−ＯＦＤＭ送信機３１０を示す。この送信機は、変調データシンボル（Ｓ_１，Ｓ_２）１１１を第１のブロックとして符号化するためのソース１０１を含む。符号化は、例えば、ターボ符号、畳み込み符号、低密度パリティチェック符号（ＬＤＰＣ）等のような前方エラー訂正符号（ＦＥＣ）である第１の符号を使用する。また、送信機は、デマルチプレクサ（ＤｅＭＵＸ）１０２および２つのＯＦＤＭチェーン１０３も備える。各ＯＦＤＭチェーンは、ＯＦＤＭ変調器を含む。ＯＦＤＭ変調器は、各入力シンボルＳ_１およびＳ_２に対して逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）１０４を実行し、次いで、ＲＦブロック１０５において時間領域信号をフィルタリングおよび増幅し、通過帯域搬送波周波数に変換する。

また、送信機は、符号化器３５０も備える。この符号化器は、ＨＡＲＱオペレーション中に使用され、最初の送信用にシンボルを符号化するのに使用されなかった追加の符号を使用して、再送シンボルを第２のブロックとして再符号化する。すなわち、符号化器３５０は、再送用にのみ使用可能であり、最初に送信されるシンボルは、符号化器３５０を迂回する（３５１）。

送信機３１０は、空間多重化（ＳＭ）を使用する。空間多重化では、変調シンボル１１１のシーケンスが２つのアンテナ１０６を介して送信される。すなわち、２つのシンボルＳ_１およびＳ_２について、シンボルＳ_１は第１のアンテナによって送信され、シンボルＳ_２は第２のアンテナによって同時に送信され、送信レートが２倍になるため、１つのチャネルしか必要とされない。一般に、この送信は、下式である。

受信機
受信機は、２つの送信アンテナ１０６によって送信されたシンボルの検出および復号を可能にしてシンボルを復元するために、通常、少なくとも送信機と同数のアンテナを有する必要がある。いくつかの受信機のタイプが知られている。

最適な受信機は、最尤検出器を含む。準最適な受信機は、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）およびゼロフォーシング（ＺＦ）を使用することができる。本発明の実施の形態は、多数のアンテナを有し、空間多重化（ＳＭ）およびハイブリッド自動再送要求（ＨＡＲＱ）が使用される送信機および受信機で使用することができる。

チャネル行列
図２Ａは、送信機３１０および受信機３２０を有するＭＩＭＯネットワークを示す。送信機は、複数の送信アンテナ２０１を有し、受信機は、複数の受信アンテナ２０２を有し、それらアンテナ間には無線チャネル２１０が存在する。先ず、ＳＭがＨＡＲＱと組み合わされる場合を説明する。ＯＦＤＭ副搬送波のそれぞれについてのＭＩＭＯチャネルを行列Ｈとして表す。行列Ｈは、下式である。

ここで、要素ｈ_ｉ，ｊは、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへのチャネル係数である。２つのアンテナにおける受信信号は、行列形式で下式として表すことができる。

これは、Ｒ＝ＨＳ＋ｎと等価である。ここで、ｎは加法性白色ガウス雑音ベクトルであり、Ｓは送信信号のベクトルである。

図２Ｂに示すように、目的のＨＡＲＱオペレーションについて、ベクトルＳは、個々の変調シンボルではなくシンボルのベクトルである。ブロックは、入力シンボルシーケンス１１１から導出された変調波の形式である。したがって、ベクトルＳは、連続的に送信される変調シンボルのブロック（またはパケット）全体を表すシンボルのベクトルである。

図２Ｂは、５０個のシンボルの２つのブロック２２１および２２２を示す。シンボルｓ_１およびｓ_５０が最初に送信され、次いで、ｓ_２が送信され、以下同様に送信される。その後、ブロック全体が復号されて、ブロックを再送する必要があるか否かが判断される。

下式のブロックの成分は、時間インデックスｋに依存する。

しかしながら、この説明を簡単にするために、時間インデックスの表記は省略する。下付き文字は、どのアンテナが送信で使用されるのかを示す。

各受信機アンテナにおける受信信号は、行列の式を下式に展開することによって表すことができる。

ＨＡＲＱ
図３は、従来のＨＡＲＱのオペレーションを示す。送信機３１０は、シンボルの第１のブロックＳ^（１）３０１を送信する。受信機３２０は、ベクトルＲに操作を行って、受信ブロックＳ^（１）３０２を検出する。受信ブロックＳ^（１）３０２は、受信機のメモリに記憶される。受信機は、チャネル行列Ｈも有する。チャネル行列Ｈは、ブロックＳを検出するのに使用される。受信機は、ＭＭＳＥまたはＺＦ等の復号方式を実施して、受信信号の推定値Ｓ（＾）
を復元することができる（ただし、Ｓ（＾）はＳの上に＾が付された推定値を意味する）。ブロックが正しく復号され、シンボルが復元された場合、それ以上の処理も再送も必要とされない。

受信信号の復号が正しくない場合、すなわち、推定値Ｓ（＾）がベクトルＳに等しくない場合、ＨＡＲＱオペレーションが開始する。受信機は、受信信号Ｒの第１のブロック３０２を記憶し、再送要求３０３を送信する。

送信機は、再送要求３０３に応答して、第１のブロックの正確な複製を第２のブロックＳ^（２）３０４として送信する。ここで、上付き文字は、第２の送信の試行を示す。すなわち、従来のＨＡＲＱでは、符号化器３５０はなく、どの再送も、最初の送信と同一である。

したがって、２つの連続した送信はＳ^（１）およびＳ^（２）であり、ここで、下式の関係がある。

受信機は、再送信号の受信後、受信信号Ｒ^（１）およびＲ^（２）の２つのコピーを有する。これらは、下式で表すことができる。

項ｒ_ｊ ^（ｉ）は、ｉ番目の送信に起因したｊ番目のアンテナにおける信号を表し、ｎ_ｊ ^（ｉ）は、ｉ番目の送信に関連付けられたｊ番目のアンテナにおける雑音である。ｎ_ｊ ^（ｉ）、｛ｊ＝１，２，ｉ＝１，２｝は、すべて分散σ^２を有する独立同一（ｉ、ｉ、ｄ）のガウス分布であることに留意すべきである。

復号３０６がシンボルを復元することに成功する確率を改善するために、受信信号のコピーが結合される。受信信号Ｒ^（１）およびＲ^（２）を結合する（３０５）１つの一般的な方法は、２つのベクトルを平均化して、下式を得ることである。

ＨＡＲＱは、複数回繰り返すことができ、平均化は、複数の再送ブロックを含むことに留意すべきである。

結合オペレーション３０５によって、雑音分散および雑音電力は、２分の１に削減され、復号３０６が改善されて、シンボルが正しく復元される。しかしながら、依然として、各アンテナにおける受信信号の干渉項が残っており、この干渉項は、Ｒ’を下式と表すことによって得ることができる。

自己干渉
項ｈ_１，２ｓ_２は、それぞれ送信アンテナ２からの受信アンテナ１における干渉項であり、項ｈ_２，１ｓ_１は、送信アンテナ１からの受信アンテナ２における干渉項である。

このタイプの干渉は、複数のアンテナからの複数のストリームの送信に起因するものであるため、通常、自己干渉と呼ばれる。したがって、２つの送信によって、雑音電力は削減されるが、自己干渉は除去されない。自己干渉は、アンテナの数が増加するにつれて増大することに留意すべきである。したがって、本発明の実施の形態は、自己干渉を除去するものであり、例えば、４つ以上といった多数のアンテナを有するＭＩＭＯ送受信機において重要である。

ＳＴＣを伴うＨＡＲＱ
自己干渉を除去するために、第１の符号とは異なる第２の符号を使用して再送を行う期間では、第１の符号とは異なる第２の符号で追加の符号化３５０を実行することにする。

１つの実施の形態として図４に示すように、第２の符号は、時空間符号（ＳＴＣ）である。１つのＳＴＣは、既知のアラモウチ（Ａｌａｍｏｕｔｉ）符号である。このアラモウチ符号は、下式の一般形を有する。

第１列のシンボルは、下付き文字によって示されるアンテナによって最初に送信され、その後、次の時間間隔において、それらシンボルの複素共役（^＊）およびアンテナを逆にしたものが続く。この場合、再送は、受信機が自己干渉を除去することを可能にする方法で符号化される。

第１のブロックの最初の送信４０１は、従来の下式である。

復号が失敗した場合、受信機は、受信信号Ｒ^（１）４０２を記憶し、再送４０３が要求される。送信機３１０は、次の符号化された一組の信号４０４を第２のブロックとして送信する。

この第２のブロックは、符号化器３５０による時空間符号化の結果得られたものである。したがって、再送に使用される符号化は、最初の送信に使用される符号化とは異なる。

受信機３２０では、行列Ｒ^{（１，２）}は、第１列が第１のブロックＳ^（１）の送信に起因し、第２列がブロックＳ^（２）の再送に起因する双方のアンテナにおける受信信号を表す。すなわち、下式である。

受信機におけるこれらの信号は、下式に従って結合４０５および復号４０６を行うことで得られる。Ｓ_１に対しては、下式に従う。

Ｓ_２は、下式に従う。

ここで、ｎ’_１、ｎ’_２は、下式で表される。

この結合方式によると、アンテナ間の自己干渉は、完全に除去され、シンボルを復元することができる。本質的には、受信機において、再送信号が再符号化され、やや複雑な結合を使用することで、自己干渉は除去される。

結合４０５の後、受信機は、シンボルＳの送信ブロックの復号４０６を試みる。結合された信号は、もはやあらゆる自己干渉を含んでいないため、正しい復号４０６およびシンボルの復元の確率が増大する。

追加の再送が可能であり、各再送は、符号化器３５０によって再符号化されることに留意すべきである。

ＳＩＣＣを伴うＨＡＲＱ
符号化器３５０で他の符号化を使用して、ＨＡＲＱ送信の自己干渉を除去することもできる。別の第２の符号は、図５に示すような自己干渉キャンセル符号（ｓｅｌｆ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｄｅ：ＳＩＣＣ）である。これは、ＨＡＲＱ再送のＳＴＣ符号化と類似しているが、実施するのがより単純であり、既知の一般化されたクラスの離散フーリエ変換行列であるアダマール行列に基づいている。

２×２のアンテナネットワークがあり、Ｓ＝［Ｓ_１ Ｓ_２］^Ｔを２つの送信アンテナから送信された信号（シンボルのブロック）５０１のベクトルとして表すものとする。信号Ｒ＝ＨＳ＋ｎ ５０２を受信し、復号に失敗した後、ＨＡＲＱプロセスが開始され、再送の要求５０３が送信機へ送信される。再送５０４は、下式の第２の符号に従って符号化される（３５０）。

ここで、第２のアンテナから送信される信号は、単に正負が反転されたものである。

受信機３２０では、２つの受信信号は、下式である。

Ｒ^{（１，２）}を展開すると、下式が得られる。

ＳＩＣＣの結合５０５は、受信行列（Ｒ^{（１，２）}）に２×２アダマール行列を乗算することから開始し、これによって、下式が与えられる。

このように、行列Ｒ^{（１，２）’}の信号成分は、２つの列を含む。この２つの列において、第１列は、信号Ｓ_１にのみ依存し、第２列は、信号Ｓ_２にのみ依存する。行列Ｒ^{（１，２）’}の第１列にベクトル［ｈ_１１ ^＊ ｈ_２１ ^＊］^Ｔを乗算し、行列Ｒ^{（１，２）’}の第２列にベクトル［ｈ_１２ ^＊ ｈ_２２ ^＊］^Ｔを乗算することによって、信号を結合することができる。これらによって、下式が与えられる。

ここで、ｎは下式である。

したがって、ＳＩＣＣを結合することによって、自己干渉が除去された信号が与えられ、したがって、正しい復号５０６が行われる確率は、従来のＳＭを伴うＨＡＲＱよりも改善される。

最初のＨＡＲＱ再送Ｓ^（２）の後、受信機が、信号Ｓ_１およびＳ_２の復号の際にエラーを依然として検出する場合、追加の再送を要求することができる。Ｓ^（ｊ）を受信機におけるｊ番目のＨＡＲＱ送信として表すと、下式が得られる。

ＳＩＣＣの同じ結合方式によって、各アンテナに到達した信号は、下式の繰り返しアダマール行列（ｒｅｐｅａｔｅｄ Ｈａｄａｍａｒｄ ｍａｔｒｉｘ）で処理される。

ここで、上付き文字は、第２のブロックを受信する場合を表し、下式となる。

ここで、ｎは、下式である。

ＭＩＭＯネットワークにおける大規模アンテナ構成の符号化
最初の送信時にＳＩＣＣ方式およびＳＴＣ方式を結合することによって、多数のアンテナを有する送受信機の自己干渉を除去する新しいＭＩＭＯ符号を達成することができる。以下では、４つの送信アンテナおよび４つの受信アンテナを仮定する。しかしながら、送信アンテナおよび受信アンテナの数は、以下で説明する行列をそれに応じて変更することにより、少なくすることもできるし、多くすることもできることが理解されるべきである。

シンボルのブロックの信号全体ではなく、変調シンボルごとに処理を行うものとする。すなわち、送信信号Ｓ＝［Ｓ_１ Ｓ_２ Ｓ_３ Ｓ_４］^Ｔは、上述したように各アンテナによって送信されたシンボルのブロックではなく、個々のシンボルのベクトルを表す。転置演算子はＴである。また、受信機は、例えば、４つの送信アンテナおよび４つの受信アンテナについてのチャネル行列Ｈとして、下式を有するものと仮定する。

各シンボルの送信中、ＳＴＣ符号化およびＳＩＣＣ符号化が使用されて、次の行列が得られる。

ここで、行列Ｓの各列は、各送信間隔で送信されるシンボルを表し、下付き文字は、アンテナのセットを表している。行列Ｓの最初の２つの列の構造は、アンテナ１および２によって送信されたシンボルＳ_１およびＳ_２に関する「アラモウチタイプ」の符号であると同時に、アンテナ３および４によって送信されたシンボルＳ_３およびＳ_４に関する第２のアラモウチタイプの符号と見ることができる。次の２つの列は、アラモウチ符号を繰り返す。一方、アンテナ３および４におけるシンボルは、上述したＳＩＣＣ符号のように正負を逆にしただけである。

符号化が、上述したようなブロック単位ではなく、個々のシンボル単位で行われる場合、送信機は、行列Ｓの４つの列をストリームのように送信する。すなわち、４つのすべての列は、送信機からのフィードバックが予想される前に連続的に送信される。本質的に、行列Ｓは、ＨＡＲＱプロトコルなしで使用される時空間符号を表す。

加えて、受信機は、ベクトルＳ＝［Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４］^Ｔの検出および復号を試みる前に、４つのすべての列が受信されるまで待機する。ここで、Ｔは転置演算子である。

行列Ｓの４つのすべての列が送信された後、受信信号は、下式である。

ここで、雑音ｎは、下式である。

下式のｒを設定した場合を考える。

この場合、各アンテナからのシンボルを結合したものは、第１のシンボルＳ_１については、下式と表すことができる。

第２のシンボルＳ_２については、下式と表すことができる。

第３のシンボルＳ_３については、下式と表すことができる。

第４のシンボルＳ_４については、下式と表すことができる。

結合することによって、自己干渉項を含まない４つのシンボルが与えられ、したがって、単純な検出方式を適用して、送信シンボルを推定することができる。

アダマール符号化およびアラモウチ符号化による４×４のＳＴＣ＋ＳＩＣＣの場合、下式となり、４つの送信アンテナおよび４つの受信アンテナである。

ダイバーシティ次数４＋４＋４＋４および多重化レート１を用いて、ＳＩＣＣ、２×２ＳＴＣを４つグループ化した場合、下式となる。

受信機では、受信信号は、下式である。

ここで、ｎは下式である。

これは、下式として復号される。

そして、Ｓ_１については、下式となる。

Ｓ_２については、下式となる。

Ｓ_３については、下式となる。

Ｓ_４については、下式となる。

Ｓ_５については、下式となる。

Ｓ_６については、下式となる。

Ｓ_７については、下式となる。

Ｓ_８については、下式となる。

本発明の精神および範囲内で他のさまざまな適合および変更を行えることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神および範囲内に入るこのようなすべての変形および変更をカバーすることが添付の特許請求の範囲の目的である。

Claims (11)

1. 一組の送信アンテナを有する送信機および一組の受信アンテナを有する受信機を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいてシンボルのブロックを送信するための方法であって、
   第１のブロックを生成するために、前記送信機において、第１の符号を用いて前記シンボルのブロックを符号化するステップと、
   前記第１のブロックを送信するステップと、
   前記受信機において、前記第１のブロックを受信するステップと、
   前記受信後に、前記第１のブロックを復号するとともに、該復号が正しくない場合、
   第２のブロックを生成するために、前記送信機において、前記シンボルのブロックを、前記第１の符号を用いて符号化し、次に該第１の符号と異なる第２の符号を用いて符号化するステップと、
   前記第２のブロックを送信するステップと、
   前記受信機において前記第２のブロックを受信するステップと、
   前記シンボルのブロックを復元するために、前記第１のブロックおよび前記第２のブロックを結合するステップと
   を実施するステップと
   を含む方法。
2. 前記第１の符号は、前方エラー訂正符号であり、前記第２の符号は、時空間符号（ＳＴＣ）である請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の符号は、前方エラー訂正符号であり、前記第２の符号は、自己干渉キャンセル符号（ＳＩＣＣ）である請求項１に記載の方法。
4. 前記送信するステップおよび前記受信するステップは、空間多重化を使用する請求項１に記載の方法。
5. 前記第２のブロックＳのための前記ＳＴＣは、
   

   

   であり、ここで、下付き文字は前記送信アンテナを示し、Ｓは列の順番で送信される前記シンボルを表し、^＊は複素共役を表す請求項２に記載の方法。
6. 前記受信機は、最尤検出器を備える請求項１に記載の方法。
7. 前記受信機は、最小平均二乗誤差およびゼロフォーシングを使用する請求項１に記載の方法。
8. 前記結合するステップは、自己干渉を除去する請求項１に記載の方法。
9. 前記結合するステップは、Ｓ_１に対しては、下式
   

   

   に従って得ることができ、Ｓ_２に対しては、下式
   

   

   に従って得ることができ、ここで、要素ｈ_ｉ，ｊは、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへのチャネル係数であり、ｎは加法性白色ガウス雑音ベクトルであり、下式
   

   

   のように表される請求項５に記載の方法。
10. 前記ＳＩＣＣは、アダマール行列に基づく請求項３に記載の方法。
11. 前記受信した第２のブロックのための前記アダマール行列は、
    

    

    であり、ここで、上付き文字は前記第２のブロックを受信する段階を表し、そして
    

    

    となり、ここで、下付き文字ｉは前記受信アンテナを表し、下付き文字ｊは前記送信アンテナを表し、Ｓは前記シンボルを示し、ｈはチャネル係数を表し、雑音は、
    

    

    のように表される請求項１０に記載の方法。

Images