JP2015037322A - 送信機および符号化する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線マシンツーマシンネットワーク等において、パイロットシンボルを用いることなく確実にデータを符号化、送信する方法を提供する。
【解決手段】送信されるパケットとして、１組１６個のデータＯＦＤＭシンボル３０１を含むデータシンボルは、時間単位で、４つのグループ３０２に分割され、各ノードには、グループごとに、時間の経過に伴って変更可能な１組４つのサブキャリア３０３が割り当てられる。各ノードでは、シンボルシーケンス３０１を拡散変調し、送信する。
【選択図】図３

Description

本発明は、包括的にはデジタル無線通信に関し、特に、パイロットシンボルを用いることなく無線ネットワークにおいて確実にデータを符号化することに関する。

無線通信は、互いに大きく異なる広範囲の用途を有する。マシンツーマシン（Ｍ２Ｍ：Machine to Machine）ネットワークにおける、大きな挑戦すべき問題（challenge）は、高い信頼性と低い待ち時間（latency（データ転送などを要求してからその結果が返送されるまでの遅延時間））である。Ｍ２Ｍネットワークの別の（他とは異なる）独特の特徴は、一般に非常に小さな量のデータを送信することである。

多くのＭ２Ｍネットワークは、ポイントツーマルチポイントネットワーク（point to multi-point network）、すなわち、スタートポロジ（star topology）を想定し、このトポロジでは、複数のノードが、保証された待ち時間で共有チャネルを用いて中央ノードと通信する。したがって、効率的なマルチアクセスが必要である。時分割多元アクセス（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）は、一般に用いられる１つの方法である。ＴＤＭＡネットワークでは、ノードは専用タイムスロットに割り当てられ、ノードからのデータは順次送信される。周波数分割多元アクセス（ＦＤＭＡ：Frequency Division Multiple Access）を用いることもできる。ＦＤＭＡネットワークでは、ノードは、割り当てられたキャリア上でデータを送信する。

図１に示されるように、直交周波数分割多元アクセス（ＯＦＤＭＡ：Orthogonal Frequency-Division Multiple Access）は、複数のノードが同時に送信することを可能にする。送信帯域幅１０５はＮ個の１組の非重複キャリア１０３に分割される。ＯＦＤＭＡネットワークでは、各ノードは１つ又は複数のサブキャリア１０４に割り当てられ、各ノードは割り当てられた当該サブキャリアでのみ送信を行う。受信機で受信される信号は、全ての送信ノードからの信号を含む。送信中、サブキャリアの割り当ては同じままである。したがって、ネットワークは、周波数選択的フェージング（fading）及び低信号対雑音比（ＳＮＲ：signal to noise ratio）を受けやすい。

図２に示されるように、コヒーレントな受信を促進するために、既知のパイロットシンボル（ＰＳ）１０７が、データシンボル（Ｄ_ｍ）１０２に先立って送信される。パイロットシンボルを用いて、チャネル応答を推定する。従来のＯＦＤＭＡネットワークでは、パイロットシンボルＰＳは、データシンボルＤ_ｍと同じサブキャリア１０３で送信される。

パイロットシンボルは、データを搬送せず、したがって、オーバーヘッドを構成する。パイロットシンボルの送信は、帯域幅全般の効率を低減させる。これはＭ２Ｍ通信の場合に大きく、その理由は、ノードが通常、非常に小さなサイズのデータパケットを送信し、多数のパイロットシンボルが送信される場合、Ｍ２Ｍ通信が極めて非効率になるためである。

特許文献１には、符号化領域拡散と多重化とを組み合わせたＯＦＤＭ符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ：Code Division Multiple Access）ネットワークが記載されている。そのＯＦＤＭ−ＣＤＭＡ方式では、拡散が周波数領域で実行される。すなわち、データはまず、周波数領域信号（ＯＦＤＭ信号）に変換され、次に、直交シーケンスを用いて拡散される。さらに、データの受信はコヒーレントであり、その結果、逆拡散を実行可能にする前に、受信機は、チャネルを等化しなければならない。パイロットを用いて、チャネルの推定及び等化を実行することができる。

特許文献２及び特許文献３は、ＣＤＭＡ信号とＯＦＤＭ信号とを組み合わせる方法を記載している。２つのストリームは独立して処理され、次に、互いにオーバーレイ（overlay）される。

特許文献４には、複数の受信機に信号を送信する方法が記載されている。各信号はまず、一意の拡散シーケンスを用いて拡散され、多重化される。受信機は、受信した信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を実行し、伝搬チャネル応答を補償する。次に、補償された信号は逆拡散されて、送信信号を復元する。

米国特許出願公開第２０１０／０２４６６４２号 米国特許第７，４７１，９３２号 米国特許第８，０２３，９０５号 米国特許出願公開第２００５／０１６３０８２号

本発明の実施形態は、送受信機（ノード）の無線ネットワークで通信されるデータを符号化する方法を提供する。符号化は、直交周波数分割多元アクセス（ＯＦＤＭＡ）を用い、従来技術における場合のようなパイロットシンボル又はパイロットトーンを送信することなく、高周波数ダイバーシティを達成する。各送信機はデータシンボルのみを送信する。データシンボルは、割り当てられた１組のサブキャリアで送信される。各送信機には、異なるデータシンボルグループ毎に１組の異なるサブキャリアが割り当てられる。送信されるデータは、１組の直交拡散シーケンスを用いてシンボルグループにわたって拡散する。各送信は１つ又は複数のシンボルグループを含む。

受信機は、受信した時間領域信号を周波数領域サブキャリアに変形する。受信機は、可能な全ての直交拡散シーケンスを用いてグループ内のサブキャリアを逆拡散し、次に、最大尤度（ＭＬ）デコーダー等のデコーダーを用いてデータを復号化する。受信機はまた、復号化されたデータシンボルを用いてチャネル応答を推定することもできる。

従来技術による符号化と本発明との主な違いは以下を含む。

従来技術では、拡散シーケンスブロックが各ノードに予め割り当てられる。複数のノードからのデータは、サブキャリアに多重化される前に、特定の割り当てられた拡散符号を用いて拡散される。各拡散チップシーケンスは、複数のサブキャリアにわたって分布する。

本発明の実施形態では、送信機による符号化は、同じ組の拡散シーケンスを用いてデータを拡散させる。しかしながら、ここでは、拡散の出力は、送信中の現在のデータブロックに依存し、従来技術におけるような予め割り当てられる何らかの拡散符号に依存しない。換言すれば、データシンボルのタイプごとに別個の拡散シーケンスがある。本発明におけるデータは、従来技術におけるような周波数領域ではなく、時間領域において拡散される。各サブキャリアは、本発明により所与の時間に１つのみのノードに割り当てられる。すなわち、サブキャリアは、従来技術におけるようなノードによって共有されない。

従来技術は一般に、パイロットシンボルを用いた。本発明による符号化は、パイロットシンボル又はパイロットトーンを用いず、異なる組のサブキャリアが単一のノードに割り当てられ、最大周波数ダイバーシティを可能にする。したがって、本発明の実施形態では、受信機は、チャネルについての知識はなく、受信信号を非コヒーレントに復号化する。各シンボルグループは独立して復号化される。実施形態はまた、位相及び振幅のスクランブルを用いて、ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ：Peak to Average Power Ratio）を低減することができる。

従来のＯＦＤＭＡベースの無線通信ネットワークにおける符号化のブロック図である。 従来のＯＦＤＭＡベースの無線通信ネットワークにおける符号化のブロック図である。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡデータを符号化するブロック図である。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡデータを符号化するブロック図である。 本発明の実施形態による送信機のブロック図である。 本発明の実施形態による受信機のブロック図である。

ＯＦＤＭＡ符号化
本発明の実施形態は、送受信機（ノード）の無線ネットワークで通信されるデータを符号化する方法を提供する。ネットワークはマシンツーマシン（Ｍ２Ｍ）ネットワークとすることができる。

図３及び図４は、本発明の実施形態による直交周波数分割多元アクセス（ＯＦＤＭＡ）データシンボルの符号化を示す。ＯＦＤＭＡは、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）のマルチユーザー版である。ＯＦＤＭＡでは、後述するように、マルチアクセスが、サブキャリアのサブセットを個々のノードに割り当てることによって達成される。

この例では、送信されるパケットは１組（１６個）のデータＯＦＤＭシンボル（Ｓ１，・・・，Ｓ１６）３０１を含む。データシンボルは時間単位で、例えば、４つのグループ３０２に分割され、各グループ内には、４つのＯＦＤＭシンボルが含まれる。グループが対称である必要がないことに留意されたい。

ノードには、グループごとに１組（４つ）のサブキャリア３０３が割り当てられる。それらの組は、１つ又は複数のサブキャリアを含むことができる。特定のグループへのサブキャリアの割り当ては、時間の経過に伴って変更することができる。所与のノードの割り当てられたサブキャリアは、使用可能な帯域幅全体にわたって均等に分布して、周波数ダイバーシティを提供することができる。

Ｍ＝２^ｍシンボルのグループの場合、データをｍビットブロックに分割する。グループの各組のサブキャリアは、ｍビットを送信する。ノードにｋ個のサブキャリアが割り当てられる場合、ノードは各グループ内でｋ×ｍビットのデータブロックを送信する。

符号化
拡散は、ｍビットデータブロックを２^ｍシンボルシーケンスに変換する。シーケンスのｍ個のシンボルを用いて、２^ｍシンボルについてサブキャリアを変調する。拡散は、ウォルシュ−アダマールシーケンス（Walsh-Hadamard sequence）、直交フーリエシーケンス（orthogonal Fourier sequence）、又はウェーブレットシーケンス（wavelet sequence）等の任意の組の直交シーケンス又は準直交シーケンス（quasi-orthogonal sequence）に従うことができる。

図４に示されるように、例えば、ｍ＝２の場合、各グループは４つのＯＦＤＭシンボルを有し、送信は４つのグループ、すなわち１６個のＯＦＤＭシンボルにわたって広がる。本実施の形態では、表１に与えられるウォルシュ−アダマール行列を拡散に用いることができる。拡散関数ｇ＝Ｄ（ｘ）は、情報ビットｘの線形マッピングである。例えば、データシンボル００は４つのチップシーケンス［＋１＋１＋１＋１］又は［＋＋＋＋］にマッピングされる。シンボルタイプごとに１つの固有の拡散シーケンスがある。

シンボル１０は［＋１−１＋１−１］にマッピングされ、ここで、１は、表中の＋に対応し、−１は−に対応する。次に、拡散後にチップシーケンスｇを用いて、シンボルグループに割り当てられた対応するサブキャリアを変調し、送信されるＯＦＤＭデータシンボルを生成する。

変調ブロック
図４は、ｍビットデータブロックＸ＝｛０１ １０ １１ ００ ０１｝４０１を示す。ビットはｌｏｇ_２（４）＝２ビットグループ４０１に分割される。ビットは、サブキャリアの組（ＳＣ_ｋ１，・・・，ＳＣ_ｋ５）４０４及びグループ（Ｓ^１，・・・，Ｓ^４）４０３にわたって符号化される。あらゆるビットグループは、表１に定義されるように４つのシンボルシーケンスに拡散される。各シーケンスは、５組のサブキャリアのうちの１組に対応し、対応するサブキャリア組において送信される。例えば、シンボルＳ^２は、ベクトル［＋１−１−１＋１＋１］を用いて変調される。各タイプのシンボルは、シンボルに基づいて異なる拡散シーケンスを用い、例えば、図４は４つのタイプのシンボルと、４つの別個の拡散シーケンスとを示す。

拡散は、ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）に影響を及ぼすことができる。例えば、Ｓ^１の変調ベクトルは［＋１＋１＋１＋１＋１］であり、非常に高いＰＡＰＲが生成される。送信機は、任意の位相回転及び／又は振幅乗算スクランブルベクトルを用いて各サブキャリアのシーケンスを変更し、図６を参照して後述するようにＰＡＰＲを低減することができる。

信号は、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を用いて時間領域シーケンスｐに変形される。時間領域シーケンスを処理して、循環プレフィックスを追加し、アナログ信号に変換し、次に、無線周波数信号（ＲＦ）に変換してから、送信することができる。

送信機
図５は、本発明の実施形態による送信機を示す。送信機は、上述したように符号化を実行する。入力信号、例えば、ｍビットデータブロックＸ５１０が拡散され（Ｄ（ｘ）５０１）、ｇ５１１が得られ、ｇ５１１はマッピングされ（ＭＰ（ｇ）５０２）、マッピング信号ｍ５１２が得られる。マッピングは、割り当てられたサブキャリアに従う。必要であれば、マッピングされた信号を、スクランブルシーケンス５２０を用いてスクランブルし（ＳＣ（ｍ）５０３）、信号ｆ５１３が得られ、信号ｆ５１３にＩＦＦＴ（ｆ）５０４が適用され、時間領域信号ｐ５１４が生成され、時間領域信号ｐ５１４は並列から直列（Ｐ／Ｓ）ｓ５１５に変換され（５０５）、次にアナログ無線周波数（ＲＦ）領域５０６に変換されてから、アンテナ５０７によって送信される。位相及び振幅のスクランブルφ５２０を任意選択的に適用して、ＰＡＰＲを低減することができる。

受信機
図６は、本発明の実施形態による受信機を示す。受信機は、最大尤度（ＭＬ）復号化を実行する。チャネル推定のためにパイロットシンボルが送信されないため、復号化は非コヒーレントであることができる。すなわち、チャネルの状態を知らなくてよい。

アンテナ６００でのＲＦ信号は、ベースバンドに変換され、離散信号ｒｒ６１０に離散化される。信号はＳ／Ｐブロック６０１によって処理されて、ＦＦＴウィンドウに並び、循環プレフィックスを除去する。データｒ６１１は、フーリエ変換ＦＦＴ（ｒ）によって周波数領域信号ｔ６１２に変形される（６０２）。信号ｔ６１２は、デマッピングされ（ｄＭＰ（ｔ）６０３）、ｙ６１３になる。デマッピングされた信号ｙ６１３は、全ての可能なチップシーケンス、例えば、４チップシーケンスを用いて逆拡散される（ｄＳＤ（ｙ）６０４）。上述したように、表１は、逆拡散信号ｕ_０、ｕ_１，・・・，ｕ_ｂ６１４を生成するために、４つ全てのエントリを列挙する。復号化関数６０５は、逆拡散信号を比較し、最大尤度を有するデータビットｚ６１５を出力する。

復号化
逆拡散は、各グループのデマッピングされた信号（ｙ_１，ｙ_２，・・・，ｙ_２ ^Ｍ）をとり、下式として逆拡散された信号のリストを生成する。

式中、ｄ^＊ _ｉ，ｊはｉ番目の拡散シーケンスのｊ番目の要素の複素共役である。例えば、ｍ＝２の場合、表１によれば、下式である。

復号化は、最大尤度を有するｕ_ｚ（ｙ）の候補、すなわち、最大値を有する候補を特定する。

サブキャリア割り当て
周波数ダイバーシティのために、各ノードのデータは、周波数領域において各シンボルグループ内の異なるサブキャリアに割り当て（マッピング）される（５０２）。組内のサブキャリア内の全てのサブキャリアが連続している必要はない。

サブキャリアの組の割り当ては任意であることができる。例えば、同じ組を全てのグループに用いることができる。しかしながら、周波数ダイバーシティを最大にするために、組内のキャリアは、送信の持続時間中、送信帯域幅全体にわたって均等に分布する。単純化された例として、サブキャリアの総数が１２８であり、グループ数が４である場合、サブキャリアの各組は３２のサブキャリアを有する。すなわち、サブキャリアが周波数に従って［１，・・・，１２８］としてインデックス付けられる場合、送信は、第１のシンボルグループ中はサブキャリアの組［１，２，３，４，５］で、第２のグループでは組［３３，３４，３５，３６，３７］で、第３のグループでは組［６５，６６，６７，６８，６９］で、第４のシンボルグループでは組［９６，９７，９８，９９，１００］で行われ、以下同様である。受信機は、送信機と同じようにサブキャリアをマッピングする。

チャネル推定
図６は、復号化されたデータを用いてチャネル推定６０７を実行する受信機も示す。データｚ６１５が復号化された後、受信機は、復号化されたデータｚを、デスクランブラ拡散器Ｄ（ｚ）５０１を通して供給することにより、推定される送信拡散シーケンスｈ６１６を再生成することができる。受信信号ｙ６１３を再生成されたシンボルシーケンスと比較することにより、受信機は、対応するサブキャリアｅ６１７のチャネル応答を推定することができる。位相及び振幅のスクランブルφ５２０が送信機によって用いられる場合、受信機はスクランブルを除去することもできる。

符号化及び復号化は、方法ステップとして説明されるが、送信機及び受信機での離散回路によって実行することも可能なことが理解される。例えば、割り当て、スクランブル、変形、及び変換は、相互接続されたハードウェアモジュール又はステップを実施する他の手段によって実行される。

Claims (17)

1. １組のノードを含む無線ネットワークにおいて符号化する方法であって、各ノードは送信機及び受信機を含み、該方法は、
   データビットブロックをデータシンボルブロックに変換することと、
   前記データシンボルブロックをデータシンボルグループに時間単位で分割することと、
   １組のサブキャリアを各データシンボルグループに割り当てることと、
   拡散シーケンスの符号化ブロックを用いて、各データシンボルグループをチップシーケンスに拡散させることであって、前記拡散シーケンスは、前記データシンボルグループのタイプに基づくことと、
   前記拡散後、前記チップを、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）データシンボルとして、前記割り当てられたサブキャリア上で送信することと、
   を含む、方法。
2. 前記ネットワークは直交周波数分割多元アクセス（ＯＦＤＭＡ）を用いる、請求項１に記載の方法。
3. 前記拡散シーケンスはウォルシュ−アダマールシーケンスである、請求項１に記載の方法。
4. 前記拡散シーケンスは直交フーリエシーケンスである、請求項１に記載の方法。
5. 前記割り当てることは、時間の経過に伴い特定のグループの前記１組のサブキャリアを変更する、請求項１に記載の方法。
6. 前記サブキャリアは、使用可能な帯域幅全体にわたり均等に分布する、請求項１に記載の方法。
7. ｍ個のデータビット及びｋ個のサブキャリアがあり、したがって、グループごとにｋ×ｍビットが送信される、請求項１に記載の方法。
8. 前記拡散は、時間領域におけるものである、請求項１に記載の方法。
9. 各サブキャリアは、所与の時点において前記ノードのうちの１つのみに割り当てられる、請求項１に記載の方法。
10. 前記シンボルを位相及び振幅においてスクランブルすることを更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記ネットワークはマシンツーマシンネットワークである、請求項１に記載の方法。
12. 前記直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号シンボルを非コヒーレントに復号化することを更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 最大尤度デコーダーを用いて前記直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号シンボルを復号化することを更に含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記送信されたＯＦＤＭデータシンボルからチャネル状態を推定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記符号化ブロックでの全ての拡散シーケンスを用いて、前記送信されたＯＦＤＭデータシンボルに対応する受信されたＯＦＤＭデータシンボルを逆拡散することにより、前記データシンボルグループである最大尤度を有する逆拡散出力を特定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記サブキャリアの前記割り当ては任意である、請求項１に記載の方法。
17. データビットブロックをデータシンボルブロックに変換する手段と、
    前記データシンボルブロックをデータシンボルグループに時間単位で分割する手段と、
    １組のサブキャリアを各データシンボルグループに割り当てる手段と、
    拡散シーケンスの符号化ブロックを用いて、各データシンボルグループをチップシーケンスに拡散させる手段であって、前記拡散シーケンスは、前記データシンボルグループのタイプに基づく、手段と、
    前記拡散後、前記チップを、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）データシンボルとして、前記割り当てられたサブキャリア上で送信する手段と、
    を備える、送信機。

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