JP2013506319A - 無線信号の受信方法、送信方法、受信ノード装置及び無線通信システム - Google Patents

無線信号の受信方法、送信方法、受信ノード装置及び無線通信システム Download PDF

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Abstract

複数のアンテナを各々が有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて複数のデータストリームの無線信号を受信する方法は、受信ノードにおいて、第1及び第2のノードから第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信し、受信したデータストリーム各々をデコードするように受信フィルタを受信ノードが起動し、第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を受信ノードが送信するステップを有し、受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおける受信ノードへの同時送信を行うために前記第1及び第2のデータストリームをプリコーディングすることを促す。

Description

本発明は一般に基地局及び移動局の間の無線通信に関連し、特にマルチインプットマルチアウトプット(MIMO)方式のアンテナを各々が有する複数の送信機及び複数の受信機の間で行われる通信に関連する。
従来の無線システムにおいては、3つの形態の内の何れかが一般に使用されている。図1を参照するに、250で示されている一形態において、送信機252は(例えば、アップリンクチャネル又はマルチアクセスチャネルにより)唯1つの受信機256にデータ254を送信している。図2を参照するに、260で示されている一形態において、受信機262は(例えば、ダウンリンクチャネル又はブロードキャストチャネルにより)唯1つの送信機264からデータ254を受信している。図3を参照するに、270で示されている一形態において、受信機272、274又は276の各々は(例えば、干渉チャネルにより)各自意図されている送信機278、280、282からデータ254を受信している。概して干渉チャネル(interference channel)は、たとえ同じ時間ΔT1及び共通の送信周波数ΔF1において複数の送信が行われたとしても、各々の受信機272、274又は276にとって干渉が生じない又は干渉がないように見えるように構成される。
複数のアンテナを使用する1対1の無線通信システムの場合(すなわち、マルチインプッットマルチアウトプット方式すなわちMIMO方式のシステムの場合)、唯1つの送信機と1つの受信機があり、それら各々が複数のアンテナ及び送受信回路を有する。閉ループMIMO方式の場合、送信機はチャネルに基づいてデータのプリコーディング方式(プリコーダ)を選択し、この方式は送信機においてチャネルの情報を必要とする。1対1の通信システムの場合、ストリームの最大数はmin(nTx，nRx)である。図1及び図2に示されている1対多の通信システムの場合、閉ループMIMO方式において、送信機は、様々な受信機間で仮称を最小化することを目的としながら複合チャネル(compound channel)に基づいてプリコーディング又はプリコーダを選択する。この方式は送信機においてチャネル情報を必要とし、min(nTx，nRx)の最大総ストリーム数をもたらし、ここでnTxは送信アンテナ数であり、nRxは受信アンテナ数である。
1対多のシステムである閉ループネットワークMIMO方式の場合、送信機はバックボーンネットワークを介して通信を行い、データ及び/又はチャネル状態情報(CSI)をやり取りする。MIMOネットワークの場合の最大総ストリーム数はmin(ΣnTx，ΣnRx)である。追加的なバックボーンシステムを用いて送信機又は受信機を接続することは、例えばダーティペーパープリコーディング(dirty pair precoding)等のような優れた送信プリコーディング方式を使用可能にする。そのような方式は利用可能な帯域幅をよりいっそう効率的に使用できるようにするが、送信機間で必要なデータ交換に付随して追加的なハードウェアコストがかかることに加えて、システムオーバーヘッドが付随的に増加してしまう。
利用可能な帯域幅をよりいっそう効率的に使用できるようにする別の方法は、所与のデータストリーム数に対して、より多くの送信及び/又は受信アンテナを設けることであるが、これはハードウェアのコストを上昇させてしまう。
従って利用可能なシステム帯域幅及び/又はシステムハードウェア及びその他のリソースの効率的な利用を促す無線システム構成及び方法が望まれている。
本発明の実施形態による受信方法は、
複数のアンテナを各々が有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて複数のデータストリームの無線信号を受信する方法であって、
受信ノードにおいて、第1及び第2のノードから第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信するステップと、
受信したデータストリーム各々をデコードするように受信フィルタを受信ノードが起動するステップと、
前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を前記受信ノードが送信するステップと
を有し、前記受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおける前記受信ノードへの同時送信を行うために前記第1及び第2のデータストリームをプリコーディングすることを促す、無線信号の受信方法である。
アップリンクチャネルに関する無線システム構成を概略的に示す図。 ダウンリンクチャネルに関する無線システム構成を概略的に示す図。 干渉チャネルに関する無線システム構成を概略的に示す図。 本発明の実施形態が使用されてもよいセルラ通信システムの概略を示すブロック図。 図4に示す基地局のブロック図。 図4に示す無線局のブロック図。 図4に示す中継局のブロック図。 図5に示す基地局のOFDM送信機の論理的な機能ブロック図。 図6に示す無線局のOFDM受信機の論理的な機能ブロック図。 図5に示す基地局から送信される周波数スペクトルの一例を示す図。 本発明の代替実施形態によるシングルキャリア周波数分割多重接続(SC-FDMA)方式の送信機を示す図。 本発明の代替実施形態によるシングルキャリア周波数分割多重接続(SC-FDMA)方式の送信機を示す図。 本発明の実施形態による干渉チャネル無線システムの概略図。 本発明の実施形態による干渉チャネル無線システムの概略図。 X-MIMO通信システムのブロック図。 ゼロフォーシング(ZF)線形前処理部及び後処理部が実現されている通信システムのブロック図。 ダウンリンク通信において一対の中継局を用いるシステム構成のブロック図。 アップリンク通信において一対の中継局を用いるシステム構成のブロック図。 干渉チャネル通信において一対の中継局を用いるシステム構成のブロック図。
＜概要＞
(1)本発明の一形態では、複数のアンテナを有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて複数のデータストリームの無線信号を受信する方法が提供される。本方法は、
受信ノードにおいて、第1及び第2のノードから第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信するステップと、
受信したデータストリーム各々をデコードする受信フィルタを受信ノードが起動するステップと、
前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を受信ノードが送信するステップと
を有し、前記受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおける前記受信ノードへの同時送信を行うための前記第1及び第2のデータストリームのプリコーディングを促す、方法である。
(2)受信フィルタを受信ノードが起動するステップが、
前記第1及び第2のデータストリーム各々に関連付けられた第1及び第2のパイロット信号を用いて、前記受信ノードがチャネル推定を実行するステップと、
前記第1及び第2のデータストリーム各々についてのチャネル推定値を、前記受信ノードに保存されている複数の所定のチャネル推定値と比較し、前記チャネル推定値各々について、該チャネル推定値と前記複数の所定のチャネル推定値との間で最も合致するものを判定するステップと、
前記第1及び第2のデータストリーム各々について、最も合致するチャネル推定値を示すチャネル推定値の識別子を送信するステップと
を有してもよい。
(3)受信フィルタを受信ノードが起動するステップにおいて、前記受信フィルタを使用する際にゼロフォーシングアルゴリズムを使用してもよい。
(4)受信フィルタを受信ノードが起動するステップにおいて、前記受信フィルタが前記受信フィルタを起動し、前記通信システムにおける他の受信ノードに送信されたデータストリームに関連する情報が無い場合に、受信したデータストリーム各々をデコードしてもよい。
(5)前記受信ノードは第1の受信ノードであり、当該方法は、
第2の受信ノードが、第1及び第2のノード各々から第3及び第4のデータストリームを受信するステップと、
受信したデータストリームの各々をデコードするように前記第2の受信ノードが受信フィルタを起動するステップと、
前記第2の受信ノードが、前記第3及び第4のデータストリーム各々について受信フィルタ情報を送信するステップと
を更に有し、前記受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおける前記第2の受信ノードへの同時送信を行うための前記第3及び第4のデータストリームのプリコーディングを促す。
(6)前記第1及び第2のデータストリームを受信する際に、複数のサブバンド周波数を含む共通の周波数バンド内でデータを受信してもよい。
(7)本発明の他の実施形態において、複数のアンテナを各々が有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて複数のデータストリームを送信する方法が提供される。本方法は、
前記無線通信システムにおける第1及び第2のノードが第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップと、
前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を前記受信ノードから受信するステップと、
共通の周波数バンド内で前記受信ノードに同時送信するために第1及び第2のデータストリーム各々をプリコーディングするステップと
を有する方法であってもよい。
(8)前記第1及び第2のノードが第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップにおいて、第1及び第2の送信ノードが前記第1及び第2のデータストリームをそれぞれ送信してもよい。
(9)前記プリコーディングするステップが、
前記第1の送信ノードにおいて前記第1のデータストリームに関連する第1のチャネル推定識別子を受信し、前記第1の送信ノードに保存されている対応する第1の所定のチャネル推定値を特定し、第1の所定のチャネル応答値を用いて前記第1のデータストリームのプリコーディングを実行するステップと、
前記第2の送信ノードにおいて前記第2のデータストリームに関連する第2のチャネル推定識別子を受信し、前記第2の送信ノードに保存されている対応する第2の所定のチャネル推定値を特定し、第2の所定のチャネル応答値を用いて前記第2のデータストリームのプリコーディングを実行するステップとを有していてもよい。
(10)前記第1のデータストリームのプリコーディングの実行及び前記第2のデータストリームのプリコーディングの実行の際に、前記他のデータストリームに関する情報がない場合に、第1及び第2のデータストリーム各々を独立にプリコーディングしてもよい。
(11)前記第1及び第2のノードが第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップが、第1及び第2の中継ノードが前記第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップを有してもよい。
(12)前記第1及び第2の中継ノードが前記第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップが、前記受信ノードへ中継するために、少なくとも1つの送信ノードが前記第1及び第2のデータストリームを前記第1及び第2の中継ノードへ送信するステップを有してもよい。
(13) 少なくとも1つの送信ノードが前記第1及び第2のデータストリームを前記第1及び第2の中継ノードへ送信するステップにおいて、前記第1の送信ノードが前記第1のデータストリームを前記第1の中継ノードへ送信し、前記第2の送信ノードが前記第2のデータストリームを前記第2の中継ノードへ送信してもよい。
(14)前記プリコーディングするステップにおいて、複数のサブバンド周波数を含む共通周波数バンドの中で同時送信を行うために第1及び第2のデータストリーム各々をプリコーディングしてもよい。
(15)本発明の他の実施形態において、複数のアンテナを各々が有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて、複数のデータストリームによる無線通信信号を受信する受信ノード装置が提供される。本装置は、
受信ノードにおいて、第1及び第2のノードから第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信する受信機と、
受信したデータストリーム各々をデコードする受信フィルタを起動するプロセッサと、
前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を送信する送信機と
を有し、前記受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおいて前記受信ノードへ前記第1及び第2のデータストリームを同時送信するためのプリコーディングを促す、装置である。
(16)前記プロセッサは、
前記第1及び第2のデータストリーム各々に関連するパイロット信号を用いてチャネル推定を実行するステップと、
前記第1及び第2のデータストリームに関するチャネル推定値と前記受信ノードに保存されている複数の所定のチャネル推定値とを比較し、チャネル推定値各々について前記複数の所定のチャネル推定値の中で該チャネル推定値に最も合致するものを判定するステップとを前記受信ノードに実行させ、
前記送信機は、前記第1及び第2のデータストリーム各々について最も合致するチャネル推定値を示すチャネル推定値識別子を送信してもよい。
(17)前記プロセッサは、ゼロフォーシングアルゴリズムを用いて前記受信フィルタを動作させてもよい。
(18)前記プロセッサは、前記通信システムにおける他の受信ノードに送信されるデータストリームに関連する情報が無い場合に前記受信フィルタを起動してもよい。
(19)前記受信機は、複数のサブバンド周波数を含む共通周波数バンドの中でデータを受信するように構築されている。
(20)本発明の他の実施形態において、複数のデータストリームを送信する無線通信システムが提供される。本システムは、
第1及び第2のデータストリーム各々を送信するように構築されている第1及び第2のノードと、
前記第1及び第2のデータストリームを受信するように構築されている受信ノードと
を有し、該受信ノードは、受信したデータストリーム各々をデコードする受信フィルタを起動し、前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を送信する。
本システムは少なくとも1つの送信ノードを有し、該少なくとも1つの送信ノードは、前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報それぞれを前記受信ノードから受信し、共通の周波数バンドにおいて前記受信ノードへ第1及び第2のデータストリームを同時に送信するようにプリコーディングする。
(21)前記第1及び第2のノード各々は中継ノードを含み、該中継ノードは、前記第1及び第2のデータストリームそれぞれを前記少なくとも1つの送信ノードから受信し、該データストリームを前記受信ノードへ中継する。
本発明の他の形態及び特徴は以下の本発明の特定の実施形態を添付図面を参照しながら参照することで当業者にとって更に明らかになるであろう。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
＜無線システムの概略＞
図面を参照するに、図4は、複数のセル12における無線通信を制御する基地局コントローラ(BSC)10を示し、セルは対応する基地局(BS)14により管理される。一実施形態において、セルの各々は複数のセクタ13又はゾーン(図示せず)に更に分割されてもよい。概して、基地局14の各々は、移動局(MS)及び/又は無線端末16と直交周波数分割多重(OFDM)方式で通信を行うことを支援し、その移動局及び/又は無線端末は対応する基地局14に関連するセルの中に存在する。
基地局14に対する移動局16の移動は、チャネル状態の大幅な変動をもたらす。図示されているように基地局14及び移動局16は通信の際に空間ダイバーシチを行うために複数のアンテナを有する。一実施形態において、中継局15は基地局14及び移動局16の間の通信を支援する。移動局16は、セル12、セクタ13、ゾーン(図示せず)、基地局14又は中継局15の内の任意のものから、セル12、セクタ13、ゾーン(図示せず)、基地局14又は中継局15の内の他のものへハンドオフすることができる。一実施形態において、基地局14は各自との間で及びバックホールネットワーク11を介して他のネットワーク(例えば、コアネットワーク、インターネット等であるが、何れも図示されていない)との間で互いに通信を行う。一実施形態において基地局コントローラ10は不要である。
＜基地局＞
図5を参照するに、基地局14の一例が示されている。基地局14は概して制御システム20、ベースバンドプロセッサ22、送信回路24、受信回路26、アンテナ28、29及びネットワークインタフェース30を含む。受信回路26は移動局16(図6に示されている)及び中継局15(図7に示されている)に備わっている1つ以上のリモート送信機から、情報を運ぶ無線周波数信号を受信する。低雑音増幅器及びフィルタ(図示せず)が、処理する信号を増幅すること及び処理する信号からブロードバンド干渉を除去することのために協同する。ダウンコンバージョン及びディジタル化回路(図示せず)は、フィルタリングされた受信信号を、中間周波数信号又はベースバンド周波数信号にダウンコンバートし、その後の信号は1つ以上のディジタルストリームにディジタル化される。
ベースバンドプロセッサ22はディジタル化されたストリームを処理し、受信信号により搬送されて来た情報又はデータビットを抽出する。この処理は典型的には復調、復号及び誤り訂正等の処理を含む。従ってベースバンドプロセッサ22は一般的には1つ以上のディジタル信号プロセッサ(DSP)又は特定用途向け集積回路(ASIC)により実現される。受信した情報は、ネットワークインタフェース30により無線ネットワークを介して送信される、或いは中継局15を経由せずに直接的に又は経由して基地局14が管理している他の移動局16へ送信される。
送信側においては、ベースバンドプロセッサ22は、制御システム20による制御の下で、音声、データ又は制御情報を表すディジタルデータをネットワークインタフェース30から受信し、そのデータを送信用にエンコードする。エンコードされたデータは送信回路24に出力され、所望の1つ以上の送信周波数を有する1つ以上のキャリア信号によって変調される。電力増幅器(図示せず)は、変調されたキャリア信号を送信に適したレベルまで増幅し、その変調されたキャリア信号をマッチング回路(図示せず)を経てアンテナ28に与える。変調及び処理の詳細については後述する。
＜移動局＞
図6を参照するに、移動局16の一例が示されている。基地局14と同様に、移動局16は、制御システム32、ベースバンドプロセッサ34、送信回路36、受信回路38、複数のアンテナ40及びユーザインタフェース回路42を含む。受信回路38は情報を運ぶ無線周波数信号を1つ以上の基地局14及び中継局15から受信する。低雑音増幅器及びフィルタ(図示せず)が、処理する信号を増幅すること及び処理する信号からブロードバンド干渉を除去することのために協同する。ダウンコンバージョン及びディジタル化回路(図示せず)は、フィルタリングされた受信信号を、中間周波数信号又はベースバンド周波数信号にダウンコンバートし、その後の信号は1つ以上のディジタルストリームにディジタル化される。
ベースバンドプロセッサ34はディジタル化されたストリームを処理し、受信信号により搬送されて来た情報又はデータビットを抽出する。この処理は典型的には復調、復号及び誤り訂正等の処理を含む。従ってベースバンドプロセッサ34は一般的には1つ以上のディジタル信号プロセッサ(DSP)又は特定用途向け集積回路(ASIC)により実現される。
送信側においては、ベースバンドプロセッサ34は、音声、データ又は制御情報を表すディジタルデータを制御システム32から受信し、それを送信用にエンコードする。エンコードされたデータは送信回路36に出力され、所望の1つ以上の送信周波数における1つ以上のキャリア信号を変調器により変調する。電力増幅器(図示せず)は、変調されたキャリア信号を送信に適したレベルまで増幅し、その変調されたキャリア信号をマッチング回路(図示せず)を経てアンテナ40、41に与える。当業者に利用可能な様々な変調方式及び処理が、中継局15を経由しない直接的な又は経由する移動局16及び基地局の間の信号伝送に使用される。
＜OFDM変調＞
OFDM変調の場合、送信帯域は複数の直交する搬送波(キャリア波)に分割される。各搬送波は送信されるディジタルでエータに従って変調される。OFDMは送信帯域を複数のキャリアに分割するので、キャリア当たりの帯域幅は減少し、キャリア当たりの変調時間は増加する。複数のキャリアが並列的に(同時に)送信されるので、所与の任意のキャリアにおけるディジタルデータ又はシンボルの伝送レートは、単一のキャリアしか使用されていなかった場合に比べて低い。
OFDM変調方式は、送信される情報について逆高速フーリエ変換(IFFT)を実行する。復調の場合、受信信号について高速フーリエ変換(FFT)を実行することで、送信された情報が復元される。実際には、IFFT及びFFTは、逆離散フーリエ変換(IDFT)及び離散フーリエ変換(DFT)を実行するディジタル信号処理によりそれぞれ行われる。従って、OFDM変調方式の特徴は、送信チャネル内の複数のバンドに対して、直交する複数の搬送波が生成されることである。変調された信号は、比較的低い伝送レートを有しかつ各自のバンド内に収まることが可能なディジタル信号である。個々の搬送波がディジタル信号によって直接的に変調されるのではない。そうではなく、全ての搬送波がIFFT処理によって一度に変調される。
動作の際、OFDMは基地局14から移動局16への少なくともダウンリンク通信に使用されることが好ましい。基地局14の各々には「n」個の送信アンテナ28(n≧1)が備わっており、移動局16の各々には「m」個の受信アンテナ(m≧1)が備わっている。留意すべきことに、個々のアンテナは適切なデュプレクサ又はスイッチを用いて受信及び送信に使用可能であり、単なる簡明化のためにそのように言及されている。
中継局15が使用される場合、好ましくはOFDMは基地局14から中継局へ及び中継局から移動局16へのダウンリンク通信に使用される。
＜中継局＞
図7を参照するに、中継局15の一例が示されている。基地局14及び移動局16と同様に、中継局15は、制御システム132、ベースバンドプロセッサ134、送信回路136、受信回路138、複数のアンテナ130、131及び中継回路142を含む。中継回路142は基地局14及び何れかの移動局16の間の通信を中継局15が支援できるようにする。受信回路138は情報を運ぶ無線周波数信号を1つ以上の基地局14及び移動局16から受信する。低雑音増幅器及びフィルタ(図示せず)が、処理する信号を増幅すること及び処理する信号からブロードバンド干渉を除去することのために協同する。ダウンコンバージョン及びディジタル化回路(図示せず)は、フィルタリングされた受信信号を、中間周波数信号又はベースバンド周波数信号にダウンコンバートし、その後の信号は1つ以上のディジタルストリームにディジタル化される。中継局15は例えばデコード及び転送や増幅及び転送等のような何らかの可能な何れかの転送方式を実行してもよい。
ベースバンドプロセッサ134はディジタルストリームを処理し、その信号により搬送されて来た情報又はデータビットを抽出する。この処理は典型的には復調、復号及び誤り訂正等の処理を含む。従ってベースバンドプロセッサ134は一般的には1つ以上のディジタル信号プロセッサ(DSP)又は特定用途向け集積回路(ASIC)により実現される。
送信側においては、ベースバンドプロセッサ134は、音声、データ又は制御情報を表すディジタルデータを制御システム132から受信し、それを送信用にエンコードする。エンコードされたデータは送信回路136に出力され、所望の1つ以上の送信周波数における1つ以上のキャリア信号を変調器により変調する。電力増幅器(図示せず)は、変調されたキャリア信号を送信に適したレベルまで増幅し、その変調されたキャリア信号をマッチング回路(図示せず)を経てアンテナ130、131に与える。上述したように、当業者に利用可能な様々な変調方式及び処理が、中継局15を経由しない直接的な又は経由する移動局16及び基地局の14間の信号伝送に使用される。
図8を参照しながらOFDM送信機の論理的なアーキテクチャを説明する。先ず、基地局コントローラ10は、中継局15による支援を受けながら又は受けずに直接的に様々な移動局16に送信するデータを、基地局14に送る。基地局14は、移動局16に関連付けられているチャネル品質インジケータ(CQI)を用いて、送信するデータをスケジューリングする(送信の計画又は予定を立てる)ことに加えて、スケジューリングされたデータを送信する際の適切な符号化方式及び変調方式を選択する。CQIは、移動局16から直接的に取得されてもよいし、或いは移動局16から提供された情報に基づいて基地局14により決定されてもよい。何れにせよ、各移動局16のCQIは、チャネル振幅(又はチャネル応答)がOFDM周波数バンドの中で変動している程度を表す関数である。一実施形態において、所定のチャネル応答が移動局16及び基地局15各々のメモリに保存され、移動局は、チャネル応答を決定し、決定したチャネル応答を所定のチャネル応答と比較して最もよく合致するものを判別する。そして、チャネル応答情報は、選択された所定のチャネル応答を示す識別子の形式で基地局14に提供され、これによりチャネル応答情報全体を基地局にフィードバックすることに付随する送信オーバーヘッドを回避又は節約する。
＜スケジュールデータを移動局に送信すること＞
図4-8を参照するに、スケジューリングされたデータ44はビットストリームであり、このデータストリームは、データスクランブリング論理部46を用いてそのデータに関するピーク対平均電力比を減らすようにスクランブルされる(並べ替えられる)。スクランブルデータに対する巡回冗長検査(CRC)が行われ、CRC付加論理部48によりスクランブルデータに付加される。次に、移動局16における復元及び誤り訂正を促すように、データに冗長性を効果的に付加するためにチャネルエンコーダ論理部50を用いてチャネル符号化が行われる。なお、特定の移動局16に対するチャネル符号化は、その特定の移動局に関連するCQIに基づいている。一実施形態において、チャネルエンコーダ50は既存のターボ符号化を行ってもよい。そして、符号化されたデータはレートマッチング論理部52により処理され、符号化によるデータ伸張を補償する。
ビットインタリーバ論理部54は、符号化されたデータに属するビットを組織的に(systematically)並べ替え、連続的なデータビットの欠落のおそれを最小化する。並べ替えられたデータビットは、マッピング論理部56により選択されたベースバンド変調方式に従って対応するシンボルに組織的にマッピングされる(対応付けられる)。好ましくは、直交振幅変調(QAM)又は直交位相シフトキー(QPSK)変調方式が使用される。変調の程度は、特定の移動局に関連付けられているCQIに基づいて選択される。周波数選択性フェージングに起因する周期的なデータ欠落に対する送信信号の耐性を更に高めるために、シンボルはシンボルインタリーバ論理部58を用いて組織的に並べ替えられる。
この段階において、ビット群は、振幅及び位相のコンステレーションにおける或る場所(ロケーション)を表すシンボルにマッピングされる(対応づけられる)。空間ダイバーシチが望まれる場合、シンボルの複数のブロックが時空間ブロック符号(STC)エンコーダ論理部60により更に処理され、送信される信号を、干渉に対して更に高い耐性を示すように及び移動局16において更に簡易にデコードできるように、STCエンコーダ論理部60がシンボルを修正する。STCエンコーダ論理部60は、到来するシンボルを処理し、基地局14の送信アンテナの数に対応する「n」個の出力を提供する。図8に示されている制御システム20及び/又はベースバンドプロセッサ22は、STCエンコーダを制御するようにマッピング制御信号を提供する。この段階において、「n」個の出力に関するシンボルは、送信されるデータを表現し、かつ移動局16により復元可能であると仮定する。
目下の例に関し、基地局(図4においては14)は2つのアンテナ28、29(n=2)を有し、STCエンコーダ論理部60は2つの出力シンボルストリームを提供するものと仮定する。出力されたシンボルストリームの各々は、対応する出力経路61、63に送られ、理解を容易にするために別個に図示されている。1つ以上のプロセッサが、単独で又は本願で説明される他のプロセッサとの組み合わせにより、そのようなディジタル信号処理を行うように使用されてもよいことを、当業者は認めるであろう。IFFTプロセッサ62は、シンボルについて逆フーリエ変換を行うように動作する。IFFTプロセッサ62の出力は時間領域のシンボルである。この時間領域シンボルは、フレームにグループ化され、それらにはプレフィックス挿入論理部64によりプレフィックスが関連付けられる。その結果のフレームは、ディジタル領域において中間周波数までアップコンバートされ、関連するディジタルアップコンバージョン(DUC)及びディジタルアナログ(D/A)変換回路66によりアナログ信号に変換される。各出力経路からの結果の(アナログ)信号は、RF回路68及びアンテナ28、29を介して所望のRF周波数に同時に変調され、増幅され、何れかの移動局16に送信される。
図10を参照するに、アンテナ28、29により送信される周波数スペクトルの一例が概略的に200として示されている。スペクトル200は複数の離間されたサブキャリアを含み、複数のデータキャリア202を含む。留意すべきことに、スペクトル200はサブキャリアの中に分散された複数のパイロット信号204も含んでいる。パイロット信号204は時間及び周波数双方向において予め定められているパターンを有し、そのパターンは意図されている移動局にとって既知である。OFDM送信の場合、パイロット信号は概してパイロットシンボルを含む。以下において説明する移動局16は、チャネル応答を算出する際に、パイロット信号を利用してチャネル推定を行う。
＜移動局における信号の受信＞
図9を参照するに、何れかの基地局(図4では14)から中継局(図4では15)を経ずに直接的に又は中継局(図4では15)を経て何れかの移動局16が、送信された信号を受信する様子が示されている。送信された信号が何れかの移動局16のアンテナ40、41の各々に到来すると、個々の信号は関連するRF回路70により復調及び増幅される。移動局16の受信回路38は受信アンテナ41、42各々に関連する2つの受信経路を含んでいるが、図示の簡明化のため、2つの受信経路の内の一方のみが図9(38)において詳細に説明及び図示されている。アナログディジタル(A/D)コンバータ及びダウンコンバージョン回路72は、ディジタル処理を行うためにアナログ信号をディジタル化及びダウンコンバートする。結果のディジタル信号は、受信信号レベルに基づいてRF回路70内の増幅器の利得を制御する自動利得制御回路(AGC)74により使用される。
先ず、ディジタル信号は粗同期論理部78を含む同期論理部76に提供され、粗同期論理部はいくつかのOFDMシンボルをバッファリング(蓄積)し、2つの連続するOFDMシンボル同士の自己相関(auto-correlation)を算出する。相関の結果による最大値に対応する結果の時間インデックスは微細同期サーチウィンドウを決定し、これは微細同期論理部80がヘッダに基づいて正確なフレーム開始位置を決定するために使用される。微細同期論理部80の出力は、フレーム調整論理部84によるフレームの捕捉を促す。以後のFFT処理が時間領域から周波数領域への正確な変換を実行できるように、適切なフレーム調整を行うことが重要である。微細同期アルゴリズムは、ヘッダにより搬送された受信パイロット信号と既知のパイロットデータのローカルコピーとの相関に基づく。フレーム調整が行われると、OFDMシンボルのプレフィックスがプレフィックス除去論理部86により除去され、結果のサンプルは周波数オフセット相関論理部88に与えられ、周波数オフセット相関論理部88は、送信機及び受信機における整合していないローカル発振器に起因するシステム周波数オフセットを補償する。好ましくは、同期論理部76は周波数オフセット及びクロック推定論理部82を有し、これはヘッダに基づいて送信信号に対する影響を推定することを促し、その推定結果を補償論理部88に提供し、OFDMシンボルを適切に処理できるようにする。
この段階において、時間領域のOFDMシンボルは、FFT処理論理部90による周波数領域への変換の準備が整う。結果の信号は、処理論理部92に与えられる一群の周波数領域シンボルである。処理論理部92は、スキャタ配置パイロット抽出論理部94を用いて分散しているパイロット信号を抽出し、抽出したパイロット信号に基づいてチャネル推定論理部96を用いてチャネル推定値を決定し、チャネル再構築論理部98を用いて全てのサブキャリアに対するチャネル応答を提供する。一実施形態において、チャネル推定はパイロット信号中の情報を用いて、基地局14及び移動局16間の通信チャネルに対する伝達関数を生成する。チャネル推定部96はチャネル応答を示す値の行列を提供する。図10に示されているように、パイロット信号204は本質的には複数のパイロットシンボルであり、これは時間及び周波数双方における既知のパターンでOFDMサブキャリアにおいてデータシンボルの中に分散しており、サブキャリア各々についてのチャネル応答の決定に使用される。図9に示されている移動局の例は、チャネルインパルス応答処理部122を含み、これは受信信号及び信号干渉ノイズ比(SINR)を用いて信号干渉ノイズ比(SINR)の推定を促す。この実施形態において、チャネル品質インジケータ(CQI)処理部120はチャネル品質の指標を提供し、これはCIR処理部122により判定されたSINRを含み、受信信号強度インジケータ(RSSI)を含んでもよい。
図9を引き続き参照するに、処理論理部は受信したパイロット信号204と所定の時点で所定のサブキャリアで予想されるパイロット信号とを比較し、パイロット信号が送信されたサブキャリアについてのチャネル応答を決定する。それらの結果は補間され、(全てでなかった場合)パイロット信号が提供されていない残りのサブキャリア全体に対するチャネル応答を推定する。実際のチャネル応答及び補間されたチャネル応答は全体のチャネル応答を推定するために使用され、それは(全部でなかった場合)OFDMチャネルのサブキャリアのほとんどに対するチャネル応答を含む。基地局14へのチャネル応答のフィードバックについては以下において詳細に説明する。
受信経路各々についてのチャネル応答から導出されるチャネル再構築情報及び周波数領域シンボルは、STCデコーダ100に与えられ、STCデコーダは双方の受信経路についてSTCデコード処理を行い、送信されたシンボルを復元する。個々の周波数領域シンボルを処理する際に、チャネル再構築情報は、送信チャネルの影響を除去するのに充分な等化情報をSTCデコーダ100に提供する。
復元されたシンボルは、送信機のシンボルインタリーバ論理部58に対応するシンボルデインタリーバ論理部102を用いて、元の順序に戻される。デインタリーブされたシンボルは、デマッピング論理部104を用いて、対応するビットストリームに対応付けられる又は復調される。ビットは、送信機のアーキテクチャにおけるビットインタリーバ論理部54に対応するビットデインタリーバ論理部106を用いてデインタリーブされる。デインタリーブされたビットは、レートデマッチング論理部108により処理され、チャネルデコーダ論理部110に与えられ、当初スクランブルされたデータ及びCRCチェックサムを復元する。従ってCRC論理部112は、CRCチェックサムを除去し、スクランブルされたデータを従来の方法で検査し、その結果をデスクランブルを行うデスクランブル論理部114に与え、デスクランブル論理部は既存の基地局デスクランブルコードを用いて当初送信されたデータ116を復元する。
図9を更に参照するに、データ116を復元する処理と並列して、CQI又は少なくともCQIを基地局14で求めるのに充分な情報が決定され、基地局14に送信される。上述したように、CQIは、キャリア対干渉比(CR)の関数であるだけでなく、OFDM周波数バンドの様々なサブキャリアにおいてチャネル応答が変動する程度の関数でもある。目下の実施形態の場合、情報を送信するのに使用されるOFDM周波数バンド内の各サブキャリアのチャネルゲインは、互いに比較され、チャネルゲインがOFDM周波数バンドにおいて変動する程度を判定する。変動の程度を測定する多数の技法が利用可能であるが、1つの技法は、データを送信するのに使用されるOFDM周波数バンド内の各サブキャリアに対して、チャネルゲインの標準偏差を計算することである。
一実施形態において、中継局は唯1つの無線機を用いて又は複数の無線機を用いて時分割方式で動作してもよい。
図8及び図9に示す実施形態において、移動局18は複数のアンテナ(28、29)を用いて送信を行い、移動局は複数のアンテナ(40、41)を用いて信号を受信し、これは一般にマルチインプットマルチアウトプット(MIMO)システムと呼ばれる。別の実施形態において、移動局16は1つのアンテナのみを有していてもよいし(マルチインプットシングルアウトプット(MISO)通信システム)、或いは基地局及び/又は移動局は信号を送受信するために2つより多い数のアンテナを使用してもよい。
図11を参照するに、本願の一実施形態によるシングルキャリア周波数分割多重接続(SC-FDMA)送信機220の一例が図11aに示されており、SC-FDMA受信機240が図11bに示され、シングルインシングルアウト(SISO)形式で示されている。SISOの場合、移動極は1つのアンテナで送信し、基地局及び/又は中継局は1つのアンテナで受信する。図11はLET(ロングタームエボリューション)方式のSC-FDMAによるアップリンクの場合に送信機及び受信機に必要な基本的な基本的な信号処理を示す。SC-FDMA方式は、3GPPロングタームエボリューション(LTE)ブロードバンド無線第4世代(4G)エアインタフェース等において使用されている。SC-FDMAは離散フーリエ変換部(DFT)222、サブキャリアマッピング部224、OFDM送信回路226及び送信アンテナ230を駆動するRF回路228を含む。SC-FDMA受信機240は送信された信号を受信するアンテナ242、信号を復調及び増幅するRF回路244、OFDMA受信回路246、サブキャリアマッピング部224、及び逆離散フーリエ変換部(IDFT)248を含む。SC-FDMAは、DFTプレコード化OFDMA方式と考えることができる、或いはシングルキャリア(SC)の多重接続方式と考えることもできる。SC-FDMA及びOFDMの全体的な通信処理においていくつかの類似点がある。OFDM及びSC-FDMAのこれらの共通点は、OFDMA送信回路226及びOFDMA受信回路246に示されており、この点については本願の技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。SC-FDMAは、変調シンボルのDFTプレコード化(DFT pre-cording)及び変調シンボルの対応するIDFTにおいてOFDMAと相違する。プレコーディングに起因して、SC-FDMAサブキャリアはOFDMAサブキャリアの場合のように独立には変調されない。その結果、SC-FDMA信号のPAPRはOFDMA信号のPAPRの場合よりも低い。PARPが低いことは、概して、送信電力効率の観点から移動端末にとって有利である。
図4-11は本願による実施形態に使用可能な通信システムの具体的な一例を示す。本願による実施形態はその具体的な形態とは異なるアーキテクチャの通信システムと共に実現可能であるが、本願において説明されている実施形態と矛盾しないよう動作することが理解されるべきである。
＜X-MIMO通信＞
本願において、X-MIMOという用語は、特定の受信機へのデータの送信が異なる送信機又は異なる中継局から行われる送信ノード及び受信ノード間のマルチインプットマルチアウトプット(MIMO)通信について使用される。
本願において説明されるX-MIMOの場合、1つより多いマルチアンテナ送信機及び1つより多いマルチアンテナ受信機は、送信機同士の間でデータのやりとり又はチャネル状態情報(CSI)のやりとりが無かった場合(すななわち、連携又は協同した送信でない場合)に通信を行う。また、受信機間でデータやCSIのやり取りが無い場合がある。しかしながら各送信機には、各々の受信機及び送信機によりMIMOチャネル情報が与えられ、干渉の大きさが最小化されるようにプリコーディング又はフィルタリングが実行される。
本願において説明されるX-MIMOの実施形態の場合、概して、各送信ノードはアンテナ各々についてのパイロット信号を送信し、各送信機のパイロット信号は直交している。各受信機は到来する全てのMIMOチャネルを推定し、特定の受信フィルタ情報を算出し、フィードバック情報を送信ノードに提供する(例えば、混合フィルタ(compound filter)及びMIMOチャネル識別子の形式で提供される)。送信ノードの各々は、受信ノードからの情報のフィードバックに基づいてプリコーディングフィルタを決定し、プリコードされたデータを、決定されたプリコーディングフィルタを用いて受信ノードに送信する。受信ノードの各々は、データに受信フィルタを適用し、フィルタリングされた受信信号を取得し、その信号を復調してデータを復元する。
X-MIMOの実施形態は、信号の部分空間が拡張され、利用可能な信号部分空間内で多数のデータストリームを収容できるように、各受信機に到来するデータストリーム間の干渉を抑制することで、スペクトル利用効率を改善する。
図12を参照するに、本発明の一実施形態において、通信システム300は2つの送信機302、304(Txノード)と4つの受信機306、308、310及び312(Rxノード)とを含み、各送信機はデータをいくつかの受信機に送信し、各受信機はいくつかの送信機からデータを受信する。各Txノード及び各Rxノードは複数のアンテナを有し、関連する送信及び受信回路を含む。図12aを参照するに、第1の送信が周波数帯域幅ΔF1において時間スロットΔT1で行われる。図12bを参照するに、第2の送信が周波数帯域幅ΔF2において時間スロットΔT2で行われる。帯域幅及びタイムスロット(ΔT1，ΔF1)における通信形態は、帯域幅及びタイムスロット(ΔT2，ΔF2)における形態と異なっていてもよく、別の時間及び別の周波数で送信される信号は独立していても独立していなくてもよい。例えば、帯域幅及びタイムスロット(ΔT1，ΔF1)が第1のサービスに関連するデータ(例えば、ビデオデータ)を含んでおり、帯域幅及びタイムスロット(ΔT2，ΔF2)が別の独立したサービスに関連するデータ(例えば、VoIPによる呼)を含んでいてもよい。あるいは、異なる時間及び帯域幅のスロットにおけるデータが同じサービスに関するものであってもよい。独立していない信号の別の例は、時空間符号化信号又は空間周波数符号化信号であってもよく、データストリームの複数個のコピーがデータ転送の信頼性を向上させるために送信されてもよい。
より具体的に言えば、図12に示されているシステム300において、6つのノードがあり、ΔT1のタイムスロット及びΔF1の帯域幅において、
Txノード302はデータをRxノード306、308に送信し、
Txノード304はデータをRxノード306、308、310、312に送信し、
Rxノード308はデータをTxノード302、304から受信し、
Rxノード306はデータをTxノード302、304から受信し、
Rxノード308はデータをTxノード302、304から受信し、
Rxノード312、310はデータをTxノード304からしか受信していない。
ΔT2のタイムスロット及びΔF2の帯域幅において、
Txノード302はデータをRxノード308、312に送信し、
Txノード304はデータをRxノード308、312に送信し、
Rxノード310はデータをRxノード306、308、312に送信し、
Rxノード308はデータをTxノード302、304及びRzノード310から受信し、
Rxノード306はデータをRxノード308、310に送信し、
Rxノード312はデータをTxノード302、304及びRxノード310から受信している。
ΔT1のタイムスロット及びΔF1の帯域幅におけるノード302、304の信号とΔT2のタイムスロット及びΔF2の帯域幅におけるノード302、304、310の信号とは独立していてもよいし独立していなくてもよい。
図13を参照するに、一例として、X-MIMO通信システム330は2つの送信機(332、334)及び2つの受信機(336、338)を有するマルチアンテナシステムにより実現され、送信機t(t=1，2)はそれぞれmt個のアンテナを備え、受信機r(r=1，2)はそれぞれmt個のアンテナを備え、送信機t及び受信機rの間のチャネルはチャネル行列Hrtにより表現され、Hrtはnr×mt型の行列である。
受信機r(r=1,2)による受信ベクトルyrは以下の数式で表現される。
y1=H11s1+H12s2+w1 (数式1)
y2=H21s1+H22s2+w2 (数式2)
この場合において、
stは送信機tから送信されるベクトルを表し、
wrは受信機rにおけるノイズベクトルであり、
yrは受信機rにおける受信ベクトルである。
送信機t1はb11データストリームを受信機r1に及びb21データストリームを受信機r2に送信し、送信機t2はb12データストリームを受信機r1に及びb22データストリームを受信機r2に送信する。送信機t1及びt2はb1cデータストリームを受信機r1に送信するように協同又は連携し、送信機t1及びt2はb2cデータストリームを受信機r2に送信するように協同又は連携する。6つのデータストリーム群は独立していてもよいし独立していなくてもよい。データストリームを変調又は復調するために、何らかの線形又は非線型の方式又はアルゴリズムが適用されてもよく、brt及びbrcは設計条件に基づいて選択されてよい。
＜ゼロフォーシングプリコーディング＞
図14を参照するに、一実施形態において、ゼロフォーシング(ZF)線形前処理及び後処理に基づくアルゴリズムが実行され、データストリームbrt及びbrcが互いに干渉しないようにする。簡明化のため、この実施形態の場合、n1=n2=m1=m2=mであることを仮定している(すなわち、各送信機tは2つのアンテナを有し、各受信機rは2つのアンテナを有する)。
図14に示される例の場合、次のように書くことができる。
s1=V11d11+ V12d12+ V1c_1d1c+ V2c_1d2c (数式3)
s2=V12d12+ V22d22+ V1c_2d1c+ V2c_2d2c (数式4)
この場合において、
stは送信機tから送信されるベクトルを表し、
drtはbrt次元のベクトル(r,t=1,2)であり、brt個のデータストリームを含み、
d1cはb1c次元のベクトル(r,t=1,2)であり、b1c個のデータストリームを含み、
drtはbrt次元のベクトル(r,t=1,2)であり、brt個のデータストリームを含み、
Vrtはm×brtの行列(r=1，2)であり、brt個のデータストリームを含み、
V1c_1及びV1c_2はm×b1cの行列であり、
V2c_1及びV2c_2はm×b2cの行列であり、
drtをデコードするために、受信ベクトルyrがフィルタUrtQrを経由し、
d1cをデコードするために、受信ベクトルy1がフィルタU1cQ1を経由し、
d2cをデコードするために、受信ベクトルy2がフィルタU2cQ2を経由する。
例えば、システムパラメータを選択するステップは以下の通りである。
＜＜ステップ1：整数brt(r,t=1,2)及びbrc(r=1，2)の選択＞＞
以下の制約が満たされるように、整数brt(r,t=1,2)及びbrc(r=1，2)を選択する。
b1c:b1c+b2c+b22+b21≦2m (数式5)
b2c:b1c+b2c+b11+b12≦2m (数式6)
b11:b11+b2c+b22+b21≦m (数式7)
b12:b12+b2c+b22+b21≦m (数式8)
b21:b21+b1c+b11+b12≦m (数式9)
b22:b22+b1c+b11+b12≦m (数式10)
b11+b21+b1c≦m (数式11)
b11+b21+b2c≦m (数式12)
b12+b22+b1c≦m (数式13)
b12+b22+b1c≦m (数式14)
b11+b12+b21+b22+b1c+b2c≦2m (数式15)
最初の4つの不等式(数式5-8)の各々はパラメータbrt、brc(r，t=1，2)の何れかに対応し、brt又はbrc(ｒ，t=1，2)がゼロであった場合、対応する不等式は一群の制約から除外される。システムの実施形態に基づいて別の制約が課せられてもよい。特定のアプリケーションにおいて、共通のメッセージに何らの関心も無かった場合、b1c及びb2cはゼロに設定されてもよい。
＜＜ステップ2：行列Q1及びQ2の選択＞＞
(b1c+b11+b12)×mの任意行列(arbitrary matrix)として行列Q1を選択し、
(b2c+b21+b22)×mの任意行列として行列Q2を選択する。
Q1及びQ2は選択された何らかの最適化基準に基づいて選択されてよい。
＜＜ステップ3＞＞
変調行列V11を、V11の列がQ2H21のヌル空間(null space)を張るように選択し、
変調行列V21を、V21の列がQ1H11のヌル空間を張るように選択し、
変調行列V12を、V12の列がQ2H22のヌル空間を張るように選択し、
変調行列V22を、V22の列がQ1H12のヌル空間を張るように選択し、
変調行列V1c_1及びV1c_2を、[(V1c_1)T，(V1c_2)T]Tの列が[(Q2H21)T，(Q2H22)T]Tのヌル空間を張るように選択し、
変調行列V2c_1及びV2c_2を、[(V2c_1)T，(V2c_2)T]Tの列が[(Q1H12)T，(Q1H11)T]Tのヌル空間を張るように選択する。
＜＜ステップ4＞＞
U11を、U11の列がQ1H12V12及びQ1[H11H12][(V1c_1)T，(V1c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U12を、U12の列がQ1H11V11及びQ1[H11H12][(V1c_1)T，(V1c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U1cを、U1cの列がQ1H11V11及びQ1H12V12の列と直交するように選択し、
U21を、U21の列がQ2H22V22及びQ2[H21H22][(V2c_1)T，(V2c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U22を、U22の列がQ2H21V21及びQ2[H21H22][(V2c_1)T，(V2c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U2cを、U2cの列がQ2H21V21及びQ2H22V22の列と直交するように選択する。
上記の数式5-15の制約は、そのような送信及び受信フィルタが設計できることを補償する。上記のステップは、データストリームの互いの干渉をゼロにすることに基づいている。他の実施形態において、最小二乗平均誤差(MMSE)、連続デコード(successive decoding)、ダーティペア符号化等のような代替的な線形又は非線型な方式が、上述したようなゼロフォーシングプリコーディングアルゴリズムの代わりに使用されてもよい。
＜周波数拡張を伴うゼロフォーシングプリコーディング＞
上記のゼロフォーシングプリコーディングアルゴリズムにおいては、各ノードがm個のアンテナを有し、m次元空間を提供することを仮定している。別の実施形態において、追加的な次元空間が時間及び周波数リソースを用いて提供される。一例として、空間次元が物理アンテナにより提供される上記の実施形態は、J個の周波数サブキャリアが使用される場合に拡張される。この実施形態において、各送信機t(t=1，2)にはmt個のアンテナが備わっており、各受信機r(r=1，2)にはnr個のアンテナが備わっている。サブバンドj(j=1,...,J)における送信機t及び受信機r間のチャネルはチャネル行列Hrt(j)により表現され、ここでHrt(j)はnr×mtの複素行列である。受信機r(r=1，2)による受信ベクトルyr(j)は次のように表現できる。
y1(j)=H11(j)s1(j)+H12(j)s2(j)+w1(j) (数式16)
y2(j)=H21(j)s1(j)+H22(j)s2(j)+w2(j) (数式17)
この場合において、
st(j)は周波数サブバンドjにおいて送信機tから送信されるベクトルを表し、
wr(j)は周波数サブバンドjにおける受信機rでのノイズベクトルであり、
yr(j)は周波数サブバンドjにおける受信機rでの受信ベクトルである。
Hrt、sr及びyrは次のように規定される。
Figure 2013506319
 再び上記の実施形態において、ゼロフォーシングプリコーディングが使用され、n1=n2=m1=m2=mであることが仮定されているとする。送信されるベクトルは次のように書ける。
s1=V11d11+ V12d12+ V1c_1d1c+ V2c_1d2c (数式18)
s2=V12d12+ V22d22+ V1c_2d1c+ V2c_2d2c (数式19)
この場合において、
drtはbrt次元のベクトル(r,t=1,2)であり、brt個のデータストリームを含み、
d1cはb1c次元のベクトル(r,t=1,2)であり、b1c個のデータストリームを含み、
d2cはb2c次元のベクトル(r,t=1,2)であり、b2c個のデータストリームを含み、
Vrtはm×brtの行列(r=1，2)であり、brt個のデータストリームを含み、
V1c_1及びV1c_2はJ×m×b1cの行列であり、
V2c_1及びV2c_2はJ×m×b2cの行列であり、
drtをデコードするために、受信ベクトルyrがフィルタUrtQrを経由し、
d1cをデコードするために、受信ベクトルy1がフィルタU1cQ1を経由し、
d2cをデコードするために、受信ベクトルy2がフィルタU2cQ2を経由する。
例えば、システムパラメータを選択するステップは以下の通りである。
＜＜ステップ1：整数brt(r,t=1,2)及びbrc(r=1，2)の選択＞＞
以下の制約が満たされるように、整数brt(r,t=1,2)及びbrc(r=1，2)を選択する。
b1c:b1c+b2c+b22+b21≦2J.m (数式20)
b2c:b1c+b2c+b11+b12≦2J.m (数式21)
b11:b11+b2c+b22+b21≦J.m (数式22)
b12:b12+b2c+b22+b21≦J.m (数式23)
b21:b21+b1c+b11+b12≦J.m (数式24)
b22:b22+b1c+b11+b12≦J.m (数式25)
b11+b21+b1c≦J.m (数式26)
b11+b21+b2c≦J.m (数式27)
b12+b22+b1c≦J.m (数式28)
b12+b22+b1c≦J.m (数式29)
b11+b12+b21+b22+b1c+b2c≦2J.m (数式30)
最初の4つの不等式(数式21-23)の各々はパラメータbrt、brc(r，t=1，2)の何れかに対応し、brt又はbrc(ｒ，t=1，2)がゼロであった場合、対応する不等式は一群の制約から除外される。システムの実施形態に基づいて別の制約が課せられてもよい。特定のアプリケーションにおいて、共通のメッセージに何らの関心も無かった場合、b1c及びb2cはゼロに設定されてもよい。
＜＜ステップ2：行列Q1及びQ2の選択＞＞
(b1c+b11+b12)×mの任意行列として行列Q1を選択し、
(b2c+b21+b22)×mの任意行列として行列Q2を選択する。
Q1及びQ2は選択された何らかの最適化基準に基づいて選択されてよい。
＜＜ステップ3＞＞
変調行列V11を、V11の列がQ2H21のヌル空間を張るように選択し、
変調行列V21を、V21の列がQ1H11のヌル空間を張るように選択し、
変調行列V12を、V12の列がQ2H22のヌル空間を張るように選択し、
変調行列V22を、V22の列がQ1H12のヌル空間を張るように選択し、
変調行列V1c_1及びV1c_2を、[(V1c_1)T，(V1c_2)T]Tの列が[(Q2H21)T，(Q2H22)T]Tのヌル空間を張るように選択し、
変調行列V2c_1及びV2c_2を、[(V2c_1)T，(V2c_2)T]Tの列が[(Q1H12)T，(Q1H11)T]Tのヌル空間を張るように選択する。
＜＜ステップ4＞＞
U11を、U11の列がQ1H12V12及びQ1[H11H12][(V1c_1)T，(V1c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U12を、U12の列がQ1H11V11及びQ1[H11H12][(V1c_1)T，(V1c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U1cを、U1cの列がQ1H11V11及びQ1H12V12の列と直交するように選択し、
U21を、U21の列がQ2H22V22及びQ2[H21H22][(V2c_1)T，(V2c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U22を、U22の列がQ2H21V21及びQ2[H21H22][(V2c_1)T，(V2c_2)T]Tの列と直交するように選択し、
U2cを、U2cの列がQ2H21V21及びQ2H22V22の列と直交するように選択する。
上記の数式20-30の制約は、そのような送信及び受信フィルタが設計できることを補償する。
＜具体例1：ダウンリンクにおいて複数の中継局がある場合＞
図15を参照するに、ダウンリンク通信において一対の中継局を使用するシステム構成の一例が、380として概略的に示されている。この例において、基地局は4つのアンテナを有する送信機382を有し、送信は2つの中継局384、386を介して2つの受信機388、390に対して行われる。送信機382は6つのデータストリームを送信する。データストリームb11及びb21は中継局384に送信され、データストリームb12及びb22は中継局386に送信され、データストリームb1cは中継局384、386の各々に送信され、データストリームb2cは中継局384、386の各々に送信される。中継局384はデータストリームb11、b12及びb1cを受信機388に転送する。中継局386はデータストリームb21、b22及びb2cを受信機388に転送する。そして受信機388は中継局384、386の双方からデータストリームb1cを受信し、受信機390は双方の中継局からデータストリームb2cを受信する。
＜具体例2：アップリンクにおいて複数の中継局がある場合＞
図16を参照するに、アップリンク通信において一対の中継局を使用するシステム構成の一例が、400として概略的に示されている。この例において、2つの送信機402、404があり、それらの各々は4つのアンテナを有し、送信は2つの中継局406、408を介して1つの受信機410に対して行われる。送信機402は3つのデータストリームb11、b12、b1cを送信する。データストリームb11及びb21は中継局406に送信され、データストリームb12及びb22は中継局408に送信され、データストリームb1cは中継局406、408の各々に送信され、データストリームb2cは中継局406、408の各々に送信される。中継局406はデータストリームb11、b12及びb1cを受信機410に転送する。中継局408はデータストリームb21、b22及びb2cを受信機410に転送する。そして受信機410は中継局406、408の双方からデータストリームb1cを受信する。
＜具体例3：干渉リンクにおいて複数の中継局がある場合＞
図17を参照するに、干渉チャネル(interference channel)ダウンリンクシステムが、420として概略的に示されている。システム420は2つの送信機422、424を有し、各々が4つのアンテナを有し、合計8つのアンテナを有する。2つの送信機は同じ基地局の中に設けられてもよいし、異なる基地局に設けられてもよい。システムは更に2つの中継局426、428を含み、各々はデータストリームを2つの受信機428、430に転送するための4つのアンテナを有し、2つの受信機の各々も4つのアンテナを有する。システム420において実施される2つの通信シグナリング方式を考察する。第1の方式の場合、中継局426、428に与えられる信号は相関を有し、第2の方式の場合、中継局426、428に与えられる信号は相関を有していない。
＜＜ケース1：第1の方式の場合：中継局における相関信号＞＞
時間的な期間Tを考察し、時間期間の第1部分[0，T/2]において、送信機422は、
受信機430宛のデータストリームb11を中継局426へ、
受信機430宛のデータストリームb12を中継局428へ、
受信機430宛のデータストリームb1cを中継局426及び428双方へ送信する一方、送信機424は同時に、
受信機432宛のデータストリームb21を中継局426へ、
受信機432宛のデータストリームb22を中継局428へ、
受信機432宛のデータストリームb2cを中継局426及び428双方へ送信する。
時間期間Tの第2部分(すなわち、［T/2，T］)において、中継局426、428の各々は、b11=b12=b21=b22=b1c=b2c=1としつつ上記のゼロフォーシングプリコーディングアルゴリズムを利用して、受信したデータストリームを受信機430、432各々へ同時に送信する。システム420の全体的な容量又はスループットは、従って、
C=3log(PT)
となる。ここで、PTは電力全体を表し、Cはチャネル容量全体を表す。中継局426、428各々に到来するデータストリームの数は、各中継局において出力されるデータストリームの数に等しい。
＜＜ケース2：第2の方式の場合：中継局における非相関信号＞＞
時間的な期間Tを考察し、時間期間の第1部分[0，2T/5]において、送信機422は、
受信機430宛の2つのデータストリームb11を中継局426へ、
受信機430宛の2つのデータストリームb12を中継局428へ送信する一方、送信機424は同時に、
受信機432宛の2つのデータストリームb21を中継局428へ、
受信機432宛の2つのデータストリームb22を中継局432へ送信する。
この例の場合、データストリームb1c及びb2cは送信されない。時間期間Tの第2部分(すなわち、［2T/5，T］)において、中継局426、428は、b11=b12=b21=b22=4、b1c=b2c=0及びJ=3(すなわち、3つの周波数サブバンドが想定されている)としつつ、データストリームを受信機430、432へ同時に送信する。このアルゴリズムの場合の全体的な容量は、
C=(16/5)log(PT)
となる。再び、PTは電力全体を表し、Cはチャネル容量全体を表し、中継局426、428各々に到来するデータストリームの数は、各中継局において出力されるデータストリームの数に等しい。
これに対して、従来の方式を使用する場合、時間的な期間の第1部分(すなわち、[0，T/3])において、送信機422は受信機430宛の4つのデータストリームを中継局426へ送信し、送信機424は受信機432宛の4つのデータストリームを中継局428へ送信する。時間的な期間の第2部分(すなわち、[T/3，2T/3])において、中継局426は4つのデータストリームを受信機430へ送信し、中継局428は4つのデータストリームを受信機432へ送信する。この場合の全体的な容量は、
C=(8/3)log(PT)
となる。PTは総電力を表す。これが従来方式における達成可能な最良のレートである。上記のゼロフォーシングプリコーディングアルゴリズムに基づく具体例3のケース1及びケース2は、この従来の方式の場合よりも良いスループットを達成できることは明らかである。
有利なことに、上記の例において、通信システムのパフォーマンスは全体的なスループット等の観点から改善され、それに応じて信頼性及びカバレッジにおける改善をもたらす。ゼロフォーシングプリコーディングは、既存のMIMO通信システムのパフォーマンスを改善するように適用され、任意の数の送信機及び受信機の場合に一般化されてもよい。図15(中継局を並列的に使用するアップリンク通信)、図16(中継局を並列的に使用するダウンリンク通信)及び図17(中継局を並列的に使用する干渉チャネル通信)に示されている実施形態は、無線通信システムにおいて実現されてもよく、任意の数の送信機、中継局及び受信機をサポート又は使用する場合に一般化されてよい。上記の方法及び構成は、例えばマルチホップ中継及び分散MIMOネットワーキング等のような他の多くの無線アプリケーションに適用されてよい。
上記の実施形態及び開示内容はゼロフォーシングプリコーディングを用いて実現されるが、他の線形若しくは非線形フィルタ又はプリコーディング技術が実現されてもよい。例えば、ダーティペアコーディング(dirty pair coding)、連続デコーディング、MMSEフィルタ等のようなその他の従来の方式が、システムの構成及び条件に依存して、ゼロフォーシングプリコーディングの代わりに実現されてもよい。
有利なことに、上記のX-MIMOの実施形態は、分散されたブロードバンド無線ネットワーキングにおけるいくつかの深刻な問題点に対する解決手段を提供する。例えば、送信機及び/又は受信機間のデータのやり取りが無かった場合に高い多重化ゲイン(multiplexing gain)を達成できることは、分散されたマルチユーザ通信を可能にする際の主要な障害の1つを克服する。更に、上記のマルチリレーの例は、中継ノードが複数のデータパスを共有しかつ個々のソース-宛先間のルーティングを支援できるようにする。
更に、開示されたX-MIMOの実施形態は、所望のスペクトル効率を達成するのに必要なアンテナ数の削減を促し、あるいは従来のMIMOアンテナ構成におけるスペクトル効率を向上させる。例えば、2つの受信機及び2つの送信機の通信システムにおいて、従来の受信機は多重化ゲインを4にすルために受信機各々に4つの受信アンテナを必要とする。本願において開示されたX-MIMOの実施形態の場合、受信機各々に3つの受信アンテナを備えることで、必要な送信電力や帯域幅を犠牲にすることなく、同じ多重化ゲイン4を達成できる。
本発明に関する具体的な実施形態が開示及び説明されてきたが、そのような実施形態は本発明の単なる例示に過ぎず、添付の特許請求の範囲を解釈する際に発明を限定するものではない。
＜関連出願＞
本願は西暦2009年9月24日付けで出願された米国仮特許出願第61/245,339号の恩恵を享受し、該出願の内容全体が本願のリファレンスに組み入れられる。
本願の基礎出願は西暦2009年9月24日付けで出願された米国仮特許出願第61/245,339号の37C.F.R.§1.53(c)(3)による仮出願ではない出願の一部継続出願であり、西暦2008年9月25日付で出願された米国仮特許出願第61/100,118号の恩恵を享受している。

Claims (21)

  1. 複数のアンテナを各々が有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて複数のデータストリームの無線信号を受信する方法であって、
    受信ノードにおいて、第1及び第2のノードから第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信するステップと、
    受信したデータストリーム各々をデコードするように受信フィルタを受信ノードが起動するステップと、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を前記受信ノードが送信するステップと
    を有し、前記受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおける前記受信ノードへの同時送信を行うために前記第1及び第2のデータストリームをプリコーディングすることを促す、無線信号の受信方法。
  2. 関受信フィルタを前記受信ノードが起動するステップが、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々に関連付けられたパイロット信号を用いて、前記受信ノードがチャネル推定を実行するステップと、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々についてのチャネル推定値を、前記受信ノードに保存されている複数の所定のチャネル推定値と比較し、前記チャネル推定値各々について、該チャネル推定値と前記複数の所定のチャネル推定値との間で最も合致するものを判定するステップと、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々について、最も合致するチャネル推定値を示すチャネル推定値の識別子を送信するステップと
    を有する、請求項1記載の受信方法。
  3. 前記受信フィルタを前記受信ノードが起動するステップにおいて、前記受信フィルタを使用する際にゼロフォーシングアルゴリズムを使用する、請求項1記載の受信方法。
  4. 前記受信フィルタを前記受信ノードが起動するステップにおいて、前記受信フィルタが前記受信フィルタを起動し、前記通信システムにおける他の受信ノードに送信されるデータストリームに関連する情報が無い場合に、受信したデータストリーム各々をデコードする、請求項1記載の受信方法。
  5. 前記受信ノードは第1の受信ノードであり、当該受信方法は、
    第2の受信ノードが、第1及び第2のノード各々から第3及び第4のデータストリームを受信するステップと、
    受信したデータストリームの各々をデコードするように前記第2の受信ノードが受信フィルタを起動するステップと、
    前記第2の受信ノードが、前記第3及び第4のデータストリーム各々について受信フィルタ情報を送信するステップと
    を更に有し、前記受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおける前記第2の受信ノードへの同時送信を行うための前記第3及び第4のデータストリームのプリコーディングを促す、請求項1記載の受信方法。
  6. 前記第1及び第2のデータストリームを受信する際に、複数のサブバンド周波数を含む共通の周波数バンド内でデータを受信する、請求項1記載の受信方法。
  7. 複数のアンテナを各々が有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて複数のデータストリームを送信する送信方法であって、
    前記無線通信システムにおける第1及び第2のノードが第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップと、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を前記受信ノードから受信するステップと、
    共通の周波数バンド内で前記受信ノードに同時送信するために第1及び第2のデータストリーム各々をプリコーディングするステップと
    を有する送信方法。
  8. 前記第1及び第2のノードが第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップにおいて、第1及び第2の送信ノードが前記第1及び第2のデータストリームをそれぞれ送信する、請求項7記載の送信方法。
  9. 前記プリコーディングするステップが、
    前記第1の送信ノードにおいて前記第1のデータストリームに関連する第1のチャネル推定識別子を受信し、前記第1の送信ノードに保存されている対応する第1の所定のチャネル推定値を特定し、第1の所定のチャネル応答値を用いて前記第1のデータストリームのプリコーディングを実行するステップと、
    前記第2の送信ノードにおいて前記第2のデータストリームに関連する第2のチャネル推定識別子を受信し、前記第2の送信ノードに保存されている対応する第2の所定のチャネル推定値を特定し、第2の所定のチャネル応答値を用いて前記第2のデータストリームのプリコーディングを実行するステップ
    とを有する、請求項8記載の送信方法。
  10. 前記第1のデータストリームのプリコーディングの実行及び前記第2のデータストリームのプリコーディングの実行の際に、前記他のデータストリームに関する情報がない場合に、第1及び第2のデータストリーム各々を独立にプリコーディングしてもよい、請求項9記載の送信方法。
  11. 前記第1及び第2のノードが第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップが、第1及び第2の中継ノードが前記第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップを有する、請求項7記載の送信方法。
  12. 前記第1及び第2の中継ノードが前記第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信ノードへ送信するステップが、前記受信ノードへ中継するために、少なくとも1つの送信ノードが前記第1及び第2のデータストリームを前記第1及び第2の中継ノードへ送信するステップを有する、請求項11記載の送信方法。
  13. 前記少なくとも1つの送信ノードが前記第1及び第2のデータストリームを前記第1及び第2の中継ノードへ送信するステップにおいて、前記第1の送信ノードが前記第1のデータストリームを前記第1の中継ノードへ送信し、前記第2の送信ノードが前記第2のデータストリームを前記第2の中継ノードへ送信する、請求項12記載の送信方法。
  14. 前記プリコーディングするステップにおいて、複数のサブバンド周波数を含む共通周波数バンドの中で同時送信を行うために第1及び第2のデータストリーム各々をプリコーディングする、請求項7記載の送信方法。
  15. 複数のアンテナを各々が有する複数のノードを含む無線通信システムにおいて、複数のデータストリームによる無線通信信号を受信する受信ノード装置であって、
    受信ノードにおいて、第1及び第2のノードから第1及び第2のデータストリームをそれぞれ受信する受信機と、
    受信したデータストリーム各々をデコードする受信フィルタを起動するプロセッサと、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を送信する送信機と
    を有し、前記受信フィルタ情報は、共通の周波数バンドにおいて前記受信ノードへ前記第1及び第2のデータストリームを同時送信するためのプリコーディングを促す、受信ノード装置。
  16. 前記プロセッサは、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々に関連するパイロット信号を用いてチャネル推定を実行するステップと、
    前記第1及び第2のデータストリームに関するチャネル推定値と前記受信ノードに保存されている複数の所定のチャネル推定値とを比較し、チャネル推定値各々について前記複数の所定のチャネル推定値の中で該チャネル推定値に最も合致するものを判定するステップとを前記受信ノードに実行させ、
    前記送信機は、前記第1及び第2のデータストリーム各々について最も合致するチャネル推定値を示すチャネル推定値識別子を送信する、請求項15記載の受信ノード装置。
  17. 前記プロセッサが、ゼロフォーシングアルゴリズムを用いて前記受信フィルタを動作させる、請求項15記載の受信ノード装置。
  18. 前記プロセッサは、前記通信システムにおける他の受信ノードに送信されるデータストリームに関連する情報が無い場合に前記受信フィルタを起動する、請求項15記載の受信ノード装置。
  19. 前記受信機は、複数のサブバンド周波数を含む共通周波数バンドの中でデータを受信するように構築されている、請求項15記載の受信ノード装置。
  20. 複数のデータストリームを送信する無線通信システムであって、
    第1及び第2のデータストリーム各々を送信するように構築されている第1及び第2のノードと、
    前記第1及び第2のデータストリームを受信するように構築されている受信ノードであって、受信したデータストリーム各々をデコードする受信フィルタを起動し、前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報を送信する、受信ノードと、
    前記第1及び第2のデータストリーム各々の受信フィルタ情報それぞれを前記受信ノードから受信し、共通の周波数バンドにおいて前記受信ノードへ第1及び第2のデータストリームを同時に送信するようにプリコーディングする少なくとも1つの送信ノードと
    を有する無線通信システム。
  21. 前記第1及び第2のノード各々は中継ノードを含み、該中継ノードは、前記第1及び第2のデータストリームそれぞれを前記少なくとも1つの送信ノードから受信し、該データストリームを前記受信ノードへ中継する、請求項20記載の無線通信システム。
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