JP2023548212A - 移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能を決定するアクセスノード、ユーザ側設備、装置、方法およびコンピュータプログラム - Google Patents

移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能を決定するアクセスノード、ユーザ側設備、装置、方法およびコンピュータプログラム Download PDF

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Abstract

本開示の実施形態は、移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定するアクセスノード、ユーザ側設備、装置、方法およびコンピュータプログラムに関する。移動通信システム(300)の2つのトランシーバ(100;200)間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定する方法(10)は、2つのトランシーバ(100;200)間の無線チャネルに関する情報を取得するステップ(12)と、2つのトランシーバ(100;200)間の無線チャネルに関する情報に基づき、無線リンクに対するDDRを導出するステップ(14)とを含む。

Description

本開示の実施形態は、移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定するアクセスノード、ユーザ側設備、装置、方法およびコンピュータプログラムに関し、より具体的には、ただし以下に限定されるものではないが、直交時間周波数空間(OTFS)システムにおける遅延ドップラー分解能を無線チャネルにおける遅延差分およびドップラーシフト差分に適応化するためのコンセプトに関する。
車車間(V2V)通信のようなハイモビリティ環境における信頼性および効率に関する新たな要件によって、レガシーシステムはそれらの限界に近づきつつある。直交周波数分割多重(OFDM)は、普及している周知の変調方式であるが、高いドップラー拡散の環境では、著しい性能劣化およびフレキシビリティ欠如による悪影響を受ける可能性がある。よって、二重分散チャネルにおいてフレキシブルで効率的かつロバストな新規の変調方式を検討し精査してもよいかもしれない。
将来の車両通信システムは、様々なモビリティ条件下で高い信頼性および効率を必要とする。しかも、種々のタイプの通信リンクが存在するため、それらの車両通信システムは多面的である。車両はインフラストラクチャに接続されており、つまり路車間(V2I)通信が行われるけれども、ダイレクトな車車間(V2V)通信も使用されている。特にV2Vチャネルは、慣用のセルラチャネルとは明確に異なっている。ハイモビリティユーザ間の通信の場合、相対速度が高いことから大きなドップラーシフトが予期される。OFDMなどのレガシーシステムは、高いドップラーシフトの下では著しい性能劣化を受ける可能性がある。さらなる背景技術については以下を参照されたい。
[1]T. Wang, J. G. Proakis, E. MasryおよびJ. R. Zeidlerによる“Performance degradation of OFDM systems due to Doppler spreading”IEEE Trans. on Wireless Commun.、第5巻第6号第1422~1432頁、2006年。
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直交時間周波数空間(OTFS)などの新しい変調方式は、将来の通信システムの難しい課題に取り組むものである。OTFSの背景にある重要な着想は、遅延ドップラー表現と呼ばれる信号表現においてデータシンボルを多重化することである(たとえばQAM、直交振幅変調)。OTFSは、古典的なパルス状のワイル-ハイゼンベルク(またはガボール)マルチキャリア方式と、特有の時間周波数(TF)拡散との将来有望な新しい組み合わせとして、Hadani等により紹介された。データシンボルは、シンプレクティック有限フーリエ変換(SFFT)によって時間周波数グリッド全体に拡散される。この特別な線形プリコーディングは、時間周波数シフトの線形結合と見なされる時変性マルチパスチャネルの二重分散特性を考慮している。このような状況ではOTFSの性能がOFDMを凌ぐことが、いくつかの研究によって示されている。他の研究は、OFDMと一般化周波数分割多重(GFDM)とOTFSとの性能比較に焦点を当てている。それによって明らかにされているのは、他のものに対しビット誤り率(BER)およびフレーム誤り率(FER)の点でOTFSには顕著な利点がある、ということである。十分な正確なチャネル情報によって、高性能の等化器を使用すれば、ハイモビリティユーザに対し信頼性およびロバスト性の点で将来有望な向上がもたらされる。これまでのところOTFSは、完全なグリッドマッチングであることを前提として、たいていは不確定性原理に違反する理想化されたパルスにより、多くの事例では(クロストークチャネル係数を含め)理想的なチャネル知識を用いて研究されてきた。
OTFSは、第5世代移動通信システム(5G)の難しい課題に取り組む新たな変調方式である。OTFSの背景にある重要な着想は、QAM(直交振幅変調)またはQPSK(四位相偏移変調)のシンボル(データ)を遅延ドップラー信号表現において多重化することである。チャネル等化を行う目的で、ワイヤレスチャネルを受信機において推定する必要がある。送信機においてパイロットを挿入することによって、これを行うことができる。チャネルを推定するために、先験的に既知のパイロットトーンを受信機によって使用することができる。米国特許第10,063,295号明細書には、プリコーディングされたシンボル情報を使用した信号送信方法が記載されており、この方法には、遅延ドップラー領域において通信チャネルの二次元モデルを推定することが含まれる。遅延時間領域において摂動ベクトルが決定され、この場合、遅延時間領域はFFT演算によって遅延ドップラー領域に関連づけられる。摂動ユーザシンボルを生成するために、摂動ベクトルに基づきユーザシンボルが変更される。その後、遅延時間領域における一定時間の集合に対応するトムソリン-ハラシマプリコーダの集合を、通信チャネルの遅延時間モデルを使用して決定することができる。摂動ユーザシンボルにトムソリン-ハラシマプリコーディングを適用することによって、プリコーディングされたユーザシンボルが生成される。次いで、プリコーディングされたユーザシンボルに基づき変調された信号が生成され、通信チャネルを介して送信するために供給される。
米国特許第9,094,862号明細書には、非定常的な車車間ワイヤレス通信チャネルにおける送信帯域幅の節約を促進可能なシステムおよび方法が開示されている。送信側車両において送信機は、目下のチャネル統計に基づき1つのフレーム内のパイロットシンボル数またはパイロットレートを適応的に変化させることができる。送信機は、送信側車両に関連づけられた目下の条件に基づき、最良のパイロット速度を選択するためのルックアップテーブルアプローチ、および/またはパイロットレート情報を送信するための新たなフレーム構造を利用することができる。受信側車両において受信機を、送信側車両により送信された独特の波形を検出してパイロットレート情報を推定するように、構成することができる。択一的に、受信側車両における受信機を、送信側車両により送信された1つのフレーム内に埋め込まれた符号化されたデータシンボルから、パイロットレート情報を予測および照合するように構成することができ、このためには、符号化データシンボルを使用する検出アルゴリズムおよび/またはチャネル統計を使用する推定アルゴリズムが必要とされる可能性がある。
米国特許出願公開第2020/0259692号明細書によれば、5Gシステムのために顕著な利点を有する新規の変調方式として、直交時間周波数空間(OTFS)が考察されている。この文献では、OTFSの背景にある基本的な理論ならびにその利点が紹介されている。この文献は二重フェージング遅延ドップラーチャネルの数学的記述から始まり、このチャネルに合わせて作られた変調が開発されている。時変性遅延ドップラーチャネルが時変性周波数領域においてモデル化され、新たな領域(OTFS領域)が導出され、その際に示されているのは、チャネルが時不変性チャネルへと変換され、すべてのシンボルが同じSNRを見込んでいることである。遅延分解能およびドップラー分解能のような変調の態様が研究され、複数のユーザの多重化および複雑性の評価といった設計および実装の問題についての取り組みが行われている。いくつかの性能の結果が紹介されており、OTFSの優位性が実証されている。
米国特許第6,389,066号明細書によれば、適応化チャネル符号化器および変調器と、この適応化チャネル符号化器および変調器に接続されたチャネル復号器および復調器と、この適応化チャネル符号化器および変調器に接続された無線リンクプロトコルフレームおよびチャネル決定ユニットとを有するシステムおよび方法が提供されている。
米国特許第8,050,340号明細書には、データシンボルのインターリービング方法および周波数インターリーバが開示されている。これらのデータシンボルは、マルチキャリア送信装置において直交関数により多重化および変調するためのモジュールのN個のキャリアから成る集合のキャリアに割り当てるためのものである。この方法には、データシンボルの送信に特化されたキャリアをキャリア集合から時変性で選択し、選択されたキャリアおよびヌルキャリアによって構成されたキャリアの1つのブロックを動的にインターリーブさせることが含まれる。
したがって難しい課題となるのは、種々の無線チャネル特性を考慮したエアインタフェースのための構成を規定することである。無線リンクコンフィギュレーションのために改善されたコンセプトが求められている。
この要求は、独立請求項の保護対象によって応えられている。
実施形態は、遅延ドップラー分解能DDRを無線チャネルに基づき適応化することができる、という知見に基づいている。たとえばダイバーシティ利得は、遅延ドップラー領域DDDにおいて分解することができる経路数に依存する。したがってDDRにおける分解能が性能の決定的な要因となる。
実施形態によれば、移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定する方法が提供される。この方法は、2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報を取得するステップと、2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報に基づき、無線リンクに対するDDRを導出するステップとを含む。無線チャネルに対するDDRを適応化することによって、性能利得を提供することができる。
導出するステップは、複数のDDRモードから成る予め定められた集合からDDRを選択するステップを含むことができる。予め定められたモードによって選択プロセスを容易にすることができ、効率的なシグナリングを実現することができる。
たとえば導出するステップは、ルックアップテーブルからDDRを選択するステップを含む。ルックアップテーブルを使用することによって、関与するエンティティに対する効率的な格納および選択プロセスを実現することができる。
無線チャネルに関する情報は、無線チャネルの複数のパスの1つまたは複数の遅延拡散差分に関する情報を含むことができる。遅延拡散差分によって、無線チャネルの複数のパスの実際の遅延拡散に対しDDRを密に適応化することができる。
無線チャネルに関する情報は、無線チャネルの複数のパスの1つまたは複数のドップラーシフト差分に関する情報をさらに含むことができる。ドップラーシフト差分によって、無線チャネルの複数のパスの実際のドップラーシフトに対しDDRを密に適応化することができる。
たとえばこの方法は、第1のトランシーバのために構成されており、DDRに関する情報を第2のトランシーバに伝達するステップをさらに含む。DDR適応化を、移動通信システムの複数のトランシーバ間で行えるようにすることができる。
いくつかの実施形態において、この方法は、DDRに関する情報を第2のトランシーバから受信するステップをさらに含むことができる。DDR適応化をトランシーバ間で行えるようにすることができる。この方法は、DDRに関する情報を第2のトランシーバとネゴシエーションするステップを含むことができる。この方法は、無線チャネル上でDDRを使用してペイロードデータを伝達するステップをさらに含むことができる。実施形態によれば、ペイロードデータのために無線チャネルの効率的な使用を実現することができる。この伝達は、直交時間周波数空間OTFS多重化を使用することができる。
導出するステップは、2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報に基づき、データベースから無線リンクに対するDDRを読み出すステップを含むことができる。かかる情報をデータベースに格納することによって、移動通信システム全体にわたる効率的なデータ拡張および可用性を実現することができる。
実施形態によればさらにコンピュータプログラムが提供され、このコンピュータプログラムは、コンピュータ、プロセッサまたはプログラミング可能なハードウェア構成部品においてこのコンピュータプログラムが実行されると、上述の方法のうち1つまたは複数の方法を実施するためのプログラムコードを有する。さらなる実施形態は、コンピュータ可読ストレージ媒体であって、このコンピュータ可読ストレージ媒体は、コンピュータ、プロセッサまたはプログラミング可能なハードウェア構成部品によって実行されると、本明細書で説明した方法のうち1つの方法をコンピュータに実行させる命令を格納している。
別の実施形態は、移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定する装置である。この装置は、移動通信システムにおいて通信を行うためのトランシーバモジュールと、本明細書で説明する方法のいずれかを実施するように構成された処理モジュールとを含む。さらなる実施形態は、上述の装置を含むワイヤレス通信システムのアクセスノード、および上述の装置を含むワイヤレス通信システムのためのユーザ側設備である。
その他のいくつかの特徴または態様について、単なる例示として装置または方法またはコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品の以下の非限定的な実施形態を用い、添付の図面を参照しながら説明する。
移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能を決定する方法の1つの実施形態を示すフローチャートである。 移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能を決定する装置の1つの実施形態を示すブロック図である。 1つの実施形態におけるシステム帯域幅と遅延ドップラー分解能との間の概要および関連性を示す図である。 1つの実施形態における例示的な直交時間周波数空間フレームを示す図である。 種々のV2Xシナリオについて1つの実施形態におけるビット誤り率を示す図である。
次に、いくつかの例示的な実施形態が示された添付の図面を参照しながら、様々な例示的な実施形態についてさらにたっぷりと説明する。図中、見やすくするために線、階層または領域の厚みが誇張されている場合もある。任意選択的な構成部品が、破線、鎖線または点線を用いて描かれている場合もある。
したがって例示的な実施形態は、様々な変形および択一的な形態を有することができるけれども、それらのうち複数の実施形態が例示として図面に示されており、本明細書で詳しく説明する。ただし、例示的な実施形態を開示された特定の形態に限定することは意図されておらず、それどころか例示的な実施形態は、本発明の枠内に入るあらゆる変形、等価物および代替物をカバーするものである、という点を理解されたい。図面の説明を通して、同じ参照符号は同じまたは同様の部材を指している。
本明細書で用いられる用語「または」は、(たとえば「またはさもなければ」あるいは「または択一的に」など)別途示唆されていない限り、非排他的な「または」を指している。さらに本明細書では、複数の要素間の関係を記述するために用いられる言葉は、別途示唆されていない限り、直接的な関係または介在する要素の存在を含むよう、広く解釈されたい。たとえば、ある要素が別の要素と「接続されている」または「結合されている」ものとして言及されたならば、その要素は他の要素と直接的に接続または結合されているかもしれないし、あるいは介在する要素が存在するかもしれない。これとは対照的に、ある要素が他の要素と「直接的に接続されている」または「直接的に結合されている」ものとして言及されたならば、介在する要素は存在しない。これと同様に、「の間に」、「の隣りに」および同類のものなどの言葉も同じように解釈されたい。
本明細書で用いられる専門用語は、特定の実施形態を説明する目的のためにすぎず、例示的な実施形態を限定することは意図されていない。本明細書で用いられる単数形の不定冠詞および定冠詞は、文脈によって別途明確に示唆されていない限り、複数形も同様に含むことを意図している。さらに自明のとおり、用語「有する」、「有している」、「含む」または「含んでいる」は、本明細書で用いられる場合には、記載された特徴、完全体、ステップ、オペレーション、要素または構成部品の存在を特定するが、1つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、オペレーション、要素、構成部品またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。
別途定義されていない限り、本明細書で用いられる(技術用語および科学用語を含む)すべての用語は、例示的な実施形態が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を持つ。さらに自明のとおり、たとえば一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術分野の文脈におけるそれらの意味と矛盾がない意味を持つものと解釈されるべきであり、本明細書で特に定義されていない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されるものではない。
図1には、移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定する方法10のブロック図が示されている。方法10は、2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報を取得するステップ12と、2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報に基づき、無線リンクに対するDDRを導出するステップ14とを含む。
図2には、移動通信システム300の2つのトランシーバ100,200間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能を決定する装置20の1つの実施形態のブロック図が示されている。装置20は、移動通信システム300において通信を行うためのトランシーバモジュール22を含む。装置20はさらに処理モジュール24を含み、これはトランシーバモジュール22に結合されており、本明細書で説明する方法10のうち1つを実施するように構成されている。別の実施形態は、装置20の1つの実施形態を含む移動通信システム300のトランシーバ100,200である。さらに別の実施形態は、2つのトランシーバ100,200を含む移動通信システム300である。図2の場合、2つのトランシーバ100,200は同様のものであることが前提とされており、それらは双方とも装置20の実施形態を含む。たとえば、第1のトランシーバ100を基地局/移動局とすることができ、第2のトランシーバ200を移動局とすることができ、またはその逆も可能である。
トランシーバモジュール22は、モジュール内、モジュール間、または種々のエンティティのモジュール間で、特定の符号によるディジタル(ビット)値とすることができる情報を受信および/または送信するための、1つまたは複数の入力部および/または出力部に対応するものとすることができる。たとえばトランシーバモジュール22は、情報を受信および/または送信するように構成されたインタフェース回路を含むことができる。実施形態においてトランシーバモジュール22を、アナログまたはディジタルの信号または情報を取得、受信、送信、橋渡しまたは供給するための任意の手段に相当させることができ、たとえば任意のコネクタ、コンタクト、ピン、レジスタ、入力ポート、出力ポート、導体、レーンなどに相当させることができ、これによって信号または情報を供給または取得することができる。トランシーバモジュールは、ワイヤレスまたは有線の方式で通信を行うことができ、このモジュールを、さらに別の内部または外部の構成部品と通信を行うように、すなわち信号、情報を送信および/または受信するように、構成することができる。トランシーバモジュール22はさらに、移動通信システム300におけるしかるべき通信を可能にする構成部品を含むことができ、かかる構成部品は、トランシーバ(送信機および/または受信機)構成部品を含むことができ、たとえば1つまたは複数のローノイズ増幅器(LNA)、1つまたは複数の電力増幅器(PA)、1つまたは複数のデュプレクサ、1つまたは複数のダイプレクサ、1つまたは複数のフィルタまたはフィルタ回路、1つまたは複数のコンバータ、1つまたは複数のミキサ、しかるべく適応化された無線周波数構成部品などを含むことができる。
トランシーバモジュール22を、1つまたは複数のアンテナと結合することができ、このアンテナを、任意の送信アンテナおよび/または受信アンテナ、たとえばホーンアンテナ、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、セクタアンテナなどに相当させることができる。アンテナを、定義された幾何学的セッティングで配置することができ、たとえば均一なアレイ、直線的なアレイ、円形のアレイ、三角形のアレイ、均一なフィールドアンテナ、フィールドアレイ、これらの組み合わせなどで配置することができる。いくつかの実施例においてトランシーバモジュール22は、情報の送信または受信あるいは情報の送信および受信の双方の目的を果たすことができる。
1つまたは複数の処理ユニット、1つまたは複数の処理デバイス、処理のための任意の手段、たとえばプロセッサ、コンピュータ、またはしかるべく適応化されたソフトウェアによって稼働させることのできるプログラミング可能なハードウェア構成部品などを用いて、処理モジュール24を実装することができる。換言すれば、制御/処理モジュール24の既述の機能を、同様にソフトウェアとして実装することもでき、この場合であればソフトウェアは、1つまたは複数のプログラミング可能なハードウェア構成部品において実行される。かかるハードウェア構成部品は、汎用プロセッサ、ディジタル信号プロセッサ(DSP)、マイクロコントローラなどを含むことができる。
トランシーバ100,200を、移動通信システムの基地局、中継局またはモバイルデバイスとすることができる。基地局または基地局トランシーバを、1つまたは複数のアクティブなモバイルトランシーバと通信するように動作可能なものとすることができ、さらに基地局トランシーバを、他の基地局トランシーバのサービスエリア内に、たとえばマクロセル基地局トランシーバまたはスモールセル基地局トランシーバのサービスエリア内に、またはそれと隣接して、配置することができる。したがって実施形態によれば、1つまたは複数のモバイルトランシーバおよび1つまたは複数の基地局トランシーバを含む移動通信システムを提供することができ、その際に基地局トランシーバは、たとえばピコセル、メトロセルまたはフェムトセルのようなマクロセルまたはスモールセルを確立することができる。モバイルトランシーバを、スマートフォン、セルフォン、ユーザ側設備、無線設備、モバイル、移動局、ラップトップ、ノートブック、パーソナルコンピュータ、パーソナルディジタルアシスタント(PDA)、汎用シリアルバス(USB)スティック、D2D通信用のモバイル中継トランシーバなどに相当させることができる。モバイルトランシーバを、3GPP(Third Generation Partnership Project)の専門用語に従いユーザ側設備(UE)またはモバイルと称する場合もある。
基地局トランシーバを、ネットワークまたはシステムの固定された部分または定置部分に配置することができる。基地局トランシーバを、リモート無線ヘッド、送信ポイント、アクセスポイント、無線設備、マクロセル、スモールセル、マイクロセル、フェムトセル、メトロセルなどに相当させることができる。基地局トランシーバを、無線ベアラまたは端末/モバイルトランシーバと無線アクセスネットワークとの間のエアインタフェースを介した接続を終端するノード/エンティティの論理的概念として理解される基地局に相当させることができる。基地局トランシーバを、有線ネットワークのワイヤレスインタフェースとすることができ、これによってUEまたはモバイルトランシーバへの無線信号の送信が可能となる。かかる無線信号を、たとえば3GPPにより標準化された、または一般的には先に列挙されたシステムのうちの1つまたは複数に従った、無線信号に準拠させることができる。したがって基地局トランシーバを、NodeB、eNodeB、ベーストランシーバ基地局(BTS)、アクセスポイント、リモート無線ヘッド、送信ポイント、中継トランシーバなどに相当させることができ、これらをさらにリモートユニットと中央ユニットとに分割することができる。
モバイルトランシーバ100を、基地局トランシーバまたはセルに関連づけることができ、基地局トランシーバまたはセルと共に一時的に設置することができ、または基地局トランシーバまたはセルと共に登録することができる。用語「セル」とは、基地局トランシーバ、たとえばNodeB(NB)、eNodeB(eNB)、リモート無線ヘッド、送信ポイントなど、により提供される無線サービスのサービスエリアのことを指す。基地局トランシーバは、1つまたは複数のセルを1つまたは複数の周波数レイヤにおいて動作させることができ、いくつかの実施形態において1つのセルを1つのセクタに相当させることができる。たとえばセクタを、リモートユニットまたは基地局トランシーバの周囲の所定の角度セクションをカバーする特性を提供するセクタアンテナを使用して、達成することができる。いくつかの実施形態において、基地局トランシーバは、たとえば3個または6個のセルを動作させることができ、これらのセルは120°(3個のセルの事例)、60°(6個のセルの事例)のセクタをそれぞれカバーする。基地局トランシーバは、セクタに分けられた複数のアンテナを動作させることができる。以下では、1つのセルが、セルまたは同様のものを生成する1つのしかるべき基地局トランシーバを表す場合もあり、1つの基地局トランシーバが、基地局トランシーバが生成する1つのセルを表す場合もある。
移動通信システム300をたとえば、Third Generation Partnership Project(3GPP)標準による移動通信ネットワークのうちの1つに相当させることができ、ここで用語「移動通信システム」は、移動通信ネットワークと同義的に用いられる。移動通信システムまたはワイヤレス通信システムを、第5世代(5G)および/または第6世代(6G)の移動通信システムに相当させることができ、このシステムはミリ波技術を用いることができる。移動通信システムを以下に相当させることができ、または移動通信システムは以下を含むことができる。すなわちたとえば、Long-Term Evolution(LTE)、LTE-Advanced(LTE-A)、High Speed Packet Access(HSPA)、Universal Mobile Telecommunication System(UMTS)またはUMTS Terrestrial Radio Access Network(UTRAN)、evolved-UTRAN(e-UTRAN)、Global System for Mobile communication(GSM)またはEnhanced Data rates for GSM Evolution(EDGE)network、GSM/EDGE Radio Access Network(GERAN)、あるいは以下の種々の標準による移動通信ネットワークたとえば、Worldwide Inter-operability for Microwave Access(WIMAX)network IEEE802.16またはWireless Local Area Network(WLAN)IEEE802.11、一般的には直交時間周波数空間(OTFS)システム、直交周波数分割多元接続(OFDMA)ネットワーク、時分割多元接続(TDMA)ネットワーク、符号分割多元接続(CDMA)ネットワーク、広帯域CDMA(WCDMA)ネットワーク、周波数分割多元接続(FDMA)ネットワーク、空間分割多元接続(SDMA)ネットワークなど。
たとえば、OTFSシステムを1つの実施形態においてコンフィギュレーションして使用することができる。送信帯域幅B=MΔfは遅延分解能Δτに反比例し、送信期間T=NΔτはドップラー分解能Δνに反比例する。
・ドップラー分解能:Δν=1/T、
・遅延分解能:Δτ=1/B、
ここでNは、時間シンボル(時間周波数/TF領域内)またはドップラーシンボル(遅延ドップラー/DD領域内)の個数であり、Mは、サブキャリアシンボル(TF領域内)または遅延シンボル(DD領域内)の個数である。
一例として、TF=1およびN=M=64の時間周波数積を、L=4096のフィルタバンク長および10MHzの帯域幅によって定義することができる。図3には、システム帯域幅と遅延ドップラー分解能(DDR)との関係が示されている。図3には、1つの実施形態におけるシステム帯域幅と遅延ドップラー分解能の間の概要および関連性が示されている。図3には、左側にDD領域が、右側にはTF領域が、これらの間で行われるシンプレクティックフーリエ変換と共に示されているDD領域の場合、遅延の範囲はΔτ=1/Bの粒度でΔtまで及び、ドップラーシフトの範囲はΔν=1/Tの粒度でΔfまで及ぶ。TF領域の場合、時間の範囲はΔtの粒度でTまで及び、周波数の範囲はΔfの粒度でBまで及ぶ。
この例では、使用される遅延分解能およびドップラー分解能は、それぞれ0.1μsおよび1953Hzである。よって、1953Hzの比較的大きいドップラーシフトしか分解できない。しかしながら、このため遅延分解能は比較的細かく、したがってここではいっそう良好に分解できる。本明細書で概説するいわゆるモビリティモードとは異なり、帯域幅ひいてはドップラー分解能は変化している。先に概説したように、自己干渉は低減されるけれども、遅延ドップラー分解能は各モビリティモードについて同じである。
したがって実施形態において無線リンクを、上述のシステムによって規定されたワイヤレスリンクとすることができる。無線リンクの品質は、様々な要因の影響を受けている無線伝播チャネルに依存する。たとえば、チャネルのジオメトリ(確率的ジオメトリ、マルチパス分布など)およびユーザの速度に依存して、特有のドップラー分解能および遅延分解能が、OTFSの最も高いダイバーシティ利得をもたらす。無線チャネルに関する情報は、無線チャネルの複数のパスの1つまたは複数の遅延拡散差分に関する情報を含むことができる。付加的にまたは択一的に、無線チャネルに関する情報は、無線チャネルの複数のパスの1つまたは複数のドップラーシフト差分に関する情報を含むことができる。無線チャネルの特性を、測定および/または性能評価によって決定することができるいくつかの実施形態において無線チャネルに関する情報を、メモリを使用して格納および復元することができる。たとえば、2つのトランシーバ100,200の特定の配置によって、たとえば同じロケーション、同じアンテナコンフィギュレーション、同じ環境条件によって、類似した無線チャネルを生じさせることができる。種々のDDRモードを選択して、類似したadionチャネルのために使用することができる。たとえば信号品質またはデータレートに関する性能を評価して、かかるチャネルのために良好なDDRモードを見つけることができ、または最良のDDRモードさえも見つけることができる。かかるコンセプトを、人工知能または機械学習によって支援することができる。
ダイバーシティは、遅延ドップラー次元において分離可能なマルチパス成分の個数を指す。OTFSシステムは、分解可能な経路の個数によってそのダイバーシティ利得を改善し、したがってその性能を改善する。スタティックなコンフィギュレーションを使用したならば、スタティックな遅延ドップラー分解能がもたらされる。その結果としてその場合には、チャネルによっては完全なOTFSダイバーシティを活用することができない。したがって実施形態によれば、適応化されたまたはコンフィギュレーション可能なDDRが使用される。
たとえば遅延ドップラー分解能(DDR)モードの集合を、たとえば帯域幅に関して定義することができる。このようにした場合、導出するステップ14は、複数のDDRモードから成る予め定められた集合からDDRを選択するステップを含むことができる。たとえば、予め定められた集合をルックアップテーブルとすることができる。
送信機および受信機(無線リンクの両端では双方のトランシーバ100,200)において、同じDDRモードを使用しなければならない場合がある。よって、いくつかの制御シグナリングを使用することができる。この方法10はさらに、第1のトランシーバ100から第2のトランシーバ200へDDRに関する情報を伝達するステップ、および/または第1のトランシーバ100において第2のトランシーバ200からDDRに関する情報を受信するステップを含むことができる。いくつかの実施形態において、DDRに関する情報を第2のトランシーバ200とネゴシエーションすることができる。第1のトランシーバ100と第2トランシーバ200との間で、ネゴシエーションを行うことができる。
以下の表には、種々のDDR、DDRモードの例がそれぞれ示されている。
Figure 2023548212000002
チャネルに依存して、たとえば遅延およびドップラー(散乱)に依存して、それぞれ異なるDDRが最良となる可能性がある。したがって実施形態によれば、DDRがチャネルに依存して適応化される。
実施形態において方法10はさらに、無線チャネル上でDDRを使用してペイロードデータを伝達するステップを含むことができる。この伝達は、直交時間周波数空間OTFS多重化を使用することができる。導出するステップ14は、2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報に基づき、データベースから無線リンクに対するDDRを読み出すステップを含むことができる。データベースをたとえば、所与のチャネルおよびDDR選択に対する特定の無線リンク性能を評価し、所与の無線チャネル認識に有利なDDR選択をデータベースに格納することによって、改善することができる。かかる改善を、または最適化さえも、機械学習(ML)または人工知能(AI)によって支援することができる。
ワイヤレスメッセージを送信するために、トランシーバ(基地局およびUE)によってワイヤレス通信リンクが使用される。両端において、ワイヤレス通信リンクを介した通信を、ワイヤレス通信リンクを介してワイヤレスメッセージを送信および受信するために他方の端部によっていずれのコンフィギュレーション(または複数の事前定義されたコンフィギュレーション)が使用されているのかの知識に基づくものとすることができる(この場合、送信と受信とに使用されるコンフィギュレーションは同じであるか、または送信と受信とにそれぞれ異なるコンフィギュレーションが使用される)。したがってトランシーバのうちの一方が、代替的なコンフィギュレーションのうちの1つに切り替えることを決定したならば、その別のコンフィギュレーションへの切り替えについて他方のトランシーバに通知することができる。換言すればこの方法は、コンフィギュレーションを切り替える前に、コンフィギュレーションの切り替えが差し迫っていることを、第1および第2のトランシーバ100,200のうちの他方に通知するステップを含むことができる。たとえば、他方のトランシーバに通知するために、この他方のトランシーバへのワイヤレス通信リンクを介して、通知メッセージを送信することができる。
実施形態を、3GPPによって規定されたものなどのような特定の標準仕様に準拠させることができ、またはそれに含めることさえもできる。コンフィギュレーション情報をたとえば、シグナリング無線ベアラを使用して、たとえば無線リソース制御(RRC)メッセージによって、伝達することができ、このRRCメッセージはたとえば、3GPPの*.331シリーズにおいてレイヤ3制御平面メッセージとして規定されている。たとえばDDRによる物理層の規定およびその他の物理層の規定も、たとえば3GPP仕様における*.201、*.211、*.212、*.213、*.214、*.216シリーズも、本実施形態によって影響が及ぼされる可能性がある。
少なくともいくつかの実施例は、機械学習モデルまたは機械学習アルゴリズムの使用に基づくものである。機械学習とは、コンピュータシステムが、明示的な命令を使用することなく、その代わりにモデルおよび推論に依拠して、特定のタスクを実行するために使用することができるアルゴリズムおよび統計モデルのことを指す。たとえば機械学習においては、ルールベースのデータ変換の代わりに、過去のデータおよび/またはトレーニングデータの分析から推論されるデータ変換を用いることができる。たとえば画像コンテンツを、機械学習モデルを用いて、または機械学習アルゴリズムを用いて、分析することができる。機械学習モデルのために画像コンテンツを分析する目的で、入力としてのトレーニング画像と出力としてのトレーニングコンテンツ情報とを用いて、機械学習モデルをトレーニングすることができる。多数のトレーニング画像および関連づけられたトレーニングコンテンツ情報を用いて機械学習モデルをトレーニングすることにより、機械学習モデルは、画像コンテンツを認識することを「学習」し、したがってトレーニング画像に含まれていない画像コンテンツを、機械学習モデルを用いて認識することができる。同じ原理を、同様に他の種類のセンサデータのためにも使用することができる:トレーニングセンサデータと所望の出力とを使用して機械学習モデルをトレーニングすることによって、機械学習モデルは、センサデータと出力との間の変換を「学習」し、この出力を、機械学習モデルに供給された非トレーニングセンサデータに基づき出力を供給するために使用することができる。
機械学習モデルは、トレーニング入力データを使用してトレーニングされる。上述の例は、「教師あり学習」と称されるトレーニング方法を使用する。教師あり学習の場合、機械学習モデルは、複数のトレーニングサンプルを使用してトレーニングされ、その際に各サンプルは、複数の入力データ値と、複数の所望の出力値とを含むことができ、つまり各トレーニングサンプルは、所望の出力値と関連づけられている。トレーニングサンプルと所望の出力値の双方を規定することによって、機械学習モデルは、トレーニング中に供給されたサンプルに類似する入力サンプルに基づき、いずれの出力値を供給するのかを「学習」する。教師あり学習とは別に、半教師あり学習を使用することができる。半教師あり学習の場合、トレーニングサンプルの一部には、対応する所望の出力値がない。教師あり学習を教師あり学習アルゴリズムに基づくものとすることができ、たとえば分類アルゴリズム、回帰アルゴリズムまたは類似度学習アルゴリズムに基づくものとすることができる。分類アルゴリズムを使用することができるのは、出力が制限された値集合に限られている場合であり、つまり入力が制限された値集合のうちの1つの値に分類される場合である。回帰アルゴリズムを使用できるのは、出力が(所定の範囲内の)任意の数値を有する可能性がある場合である。類似度学習アルゴリズムは、分類アルゴリズムと回帰アルゴリズムの双方に類似しているけれども、2つの物体がどの程度類似または関連しているのかを測定する類似度関数を使用してサンプルから学習することに基づく。
教師あり学習または半教師あり学習とは別に、教師なし学習を使用して機械学習モデルをトレーニングすることができる。教師なし学習の場合には、(単に)入力データを供給すればよく、たとえば入力データをグルーピングまたはクラスタリングし、データに共通性を見つけ出すことによって、入力データにおける構造を見つけ出すために、教師なし学習アルゴリズムを使用することができる。クラスタリングとは、複数の入力値を含む入力データを複数の部分集合(クラスタ)に割り当てることであり、したがって同じクラスタ内の入力値は、1つまたは複数の(事前定義された)類似度判定基準に従い類似している一方、別のクラスタに含まれている入力値とは類似していない。
強化学習は機械学習アルゴリズムの第3のグループである。換言すれば、強化学習を使用して機械学習モデルをトレーニングすることができる。強化学習において、1つまたは複数のソフトウェアアクタ(「ソフトウェアエージェント」と称される)が、ある1つの環境においてアクションを取るようにトレーニングされる。取られたアクションに基づき報酬が計算される。強化学習の基礎を成すのは、(報酬の増加が証拠となるように)累積する報酬が増やされ、その結果、与えられたタスクにおいていっそう良くなるソフトウェアエージェントが得られるようアクションを選択するように、1つまたは複数のソフトウェアエージェントをトレーニングする、ということである。
一般に長・短期記憶(LSTM)を、教師あり学習アルゴリズムを用いてトレーニングすることができ、それというのもLSTMは、所望の変換を生成するために最も適切なLSTM内の重みの組み合わせを見つけるために、勾配降下法といった技術を用いてトレーニングサンプルと所望の出力とを規定することによって学習するからである。提案されたコンセプトの場合、LSTMの入力部に拡散関数を設けることができ、拡散関数の所望の重み付けを所望の出力として供給することができる。択一的にまたは付加的に、トレーニングを強化学習方式のアプローチに組み込むことができ、この場合、予測されたSINRと(たとえば測定されたまたはシミュレートされた)実際のSINRとの間の発散に基づく報酬関数をベースとする強化学習を使用して、重み付けが変更される。様々な実施例において、たとえば(拡散関数の)時系列データ履歴を使用し、時系列データのサンプルの1つの窓(すなわち拡散関数の1つのシーケンス)をトレーニングサンプルとして、後続のサンプル(すなわち後続の拡散関数)を所望の出力として供給することによって、時系列予測のためにLSTMをトレーニングすることができる。
機械学習アルゴリズムは通常、機械学習モデルをベースとしている。換言すれば、「機械学習アルゴリズム」という用語は、機械学習モデルを作成、トレーニングまたは使用するために用いることができる命令セットを意味することができる。「機械学習モデル」という用語は、たとえば機械学習アルゴリズムによって実行されるトレーニングに基づき学習した知識を表現する、データ構造および/またはルールセットを意味することができる。実施形態において、機械学習アルゴリズムの利用は、基礎となる1つの機械学習モデル(または基礎となる複数の機械学習モデル)の利用という意味を暗黙的に含むことができる。機械学習モデルの利用は、機械学習モデルおよび/または機械学習モデルであるデータ構造/ルールセットが機械学習アルゴリズムによってトレーニングされる、という意味を暗黙的に含むことができる。
たとえば機械学習モデルを、人工ニューラルネットワーク(ANN)とすることができる。ANNは、脳内で見られるような生物学的神経網から着想を得たシステムである。ANNは、相互接続された複数のノードと、これらのノード間の複数の接続いわゆるエッジとを含む。通常は3つのタイプのノードすなわち、入力値を受け取る入力ノードと、他のノードに(単に)接続されている隠れノードと、出力値を供給する出力ノードとが存在する。各ノードは、1つの人工ニューロンを表すことができる。各エッジは、1つのノードから別のノードへ情報を送信することができる。ノードの出力を、その入力の和の(非線形)関数として定義することができる。ノードの入力を、入力を供給するエッジまたはノードの「重み」に基づく関数において使用することができる。ノードおよび/またはエッジの重みを、学習プロセスにおいて調節することができる。換言すれば、人工ニューラルネットワークのトレーニングは、人工ニューラルネットワークのノードおよび/またはエッジの重みを調節することを含み、つまりこれによって所与の入力に対し所望の出力が達成される。少なくともいくつかの実施形態において、機械学習モデルをディープニューラルネットワークとすることができ、たとえば隠れノード(すなわち隠れ層)の1つまたは複数の層を含む、好ましくは隠れノードの複数の層を含むニューラルネットワークとすることができる。
択一的に、機械学習モデルをサポートベクターマシンとすることができる。サポートベクターマシン(すなわちサポートベクターネットワーク)は、たとえば分類または回帰分析においてデータを分析するために使用可能な関連する学習アルゴリズムを用いた、教師あり学習モデルである。2つのカテゴリのうちの一方に属する複数のトレーニング入力値を有する入力を供給することによって、サポートベクターマシンをトレーニングすることができる。2つのカテゴリのうちの一方に新たな入力値を割り当てるように、サポートベクターマシンをトレーニングすることができる。択一的に機械学習モデルをベイジアンネットワークとすることができ、これは確率的有向非巡回グラフィカルモデルである。ベイジアンネットワークは、確率変数の集合と、有向非巡回グラフを用いたそれらの条件付き依存性を表現することができる。択一的に、機械学習モデルを遺伝的アルゴリズムに基づくものとすることができ、このアルゴリズムは探索アルゴリズムであり、自然淘汰の過程を模倣した発見的技術である。
以下では、1つの実施例によるモビリティモードに対するより詳細な命令について説明する。
直交時間周波数空間(OTFS)変調は、シンプレクティック有限フーリエ変換(SFFT)を用いた付加的な時間周波数(TF)拡散を伴うパルス状のガボールシグナリング方式である。十分な量の正確なチャネル情報および高度な等化器によって、ハイモビリティユーザのためにロバスト性の観点から性能の向上が約束される。OTFSにおけるダイバーシティを完全に活用するために、線形等化器により実装される2D逆畳み込みによって、二重分散チャネルのオペレーションをほぼ反転させるべきであるが、これはねじれた畳み込みである。理論的にはこれは、第1のステップにおいて、TFグリッドおよびガボール合成ならびに分析パルスをチャネルの遅延拡散およびドップラー拡散にマッチングさせることによって達成される。しかしながら実際には、遅延ドップラー(DD)拡散における高い粒度のサポートと、マルチユーザおよびネットワークの観点との間で常にバランスを取らなければならない。
種々の二重分散チャネルに対して特有のグリッドおよびパルスのマッチングを用いるモビリティモードが提案される。残存自己干渉を考慮するために、最小平均二乗誤差(MMSE)線形等化器を、チャネルクロストーク係数を推定する必要なく調整することができる。QuaDRiGaチャネルシミュレータと、直交化ガウスパルスのための多相の実装に基づくOTFSトランシーバアーキテクチャとを用いて、提案されたアプローチが評価された。これに加え、OTFSが、IEEE802.11pに準拠したサイクリックプレフィックス(CP)方式の直交周波数分割多重(OFDM)の設計と比較される。この結果が表しているのは、適切なモビリティモードによれば、潜在的なOTFS利得を線形等化器によって実際に達成することができ、これによってOFDMを著しく凌ぐ性能がもたらされる、ということである。
vehicle-to-everything(V2X)通信のようなハイモビリティ通信シナリオにおける信頼性および効率に対する厳しい要件により、レガシーシステムはそれらの限界に近づきつつある。直交周波数分割多重(OFDM)は、広く使用されている変調方式であるが、ドップラー拡散が大きいシナリオでは、著しい性能劣化およびフレキシビリティ欠如による悪影響を受ける[1]。その結果、二重分散チャネルにおいてフレキシブルで効率的かつロバストな新規の変調方式の開発が必要とされている。
直交時間周波数空間(OTFS)の波形は、古典的なパルス状のワイル-ハイゼンベルク(またはガボール)マルチキャリア方式と特有の時間周波数(TF)拡散との将来有望な組み合わせとして、Hadani等[2]により紹介された。データシンボルは、シンプレクティック有限フーリエ変換(SFFT)によってTFグリッド全体に拡散される。この特別な線形プリコーディングは、TFシフトの線形結合と見なされる時変性マルチパスチャネルの二重分散特性を考慮している。かかる状況ではOTFSの性能がOFDMを凌ぐことが、いくつかの研究によって示されている[3],[4],[5]。別の研究活動は、OFDMと一般化周波数分割多重(GFDM)とOTFSとの性能比較に焦点を当てている[6]。それによって明らかにされているのは、他のものに対しビット誤り率(BER)およびフレーム誤り率(FER)の点でOTFSには顕著な利点がある、ということである。しかしながらこれまでの研究では、完全なグリッドマッチングであることが前提とされ、不確実性原理に違反する理想化されたパルスをたいていは用いたOTFSに主として焦点が当てられてきた。多くの事例において、クロストークチャネル係数を含む理想的なチャネル知識が前提とされる。
種々の二重分散通信チャネルによって、特有の遅延ドップラー(DD)拡散およびダイバーシティ特性がもたらされる。そのうち特に単一分散の事例は時不変性または周波数不変性のチャネルであり、詰まるところこれらはそれぞれ単純な周波数分割通信方式または時分割通信方式である。いくつかのハイモビリティシナリオの場合にはチャネルは、時間領域と周波数領域の双方で分散性になる。特にV2Xチャネルは、双方の領域においてそれらの散逸が異なる。通信シナリオに依存して、特有の拡散領域が形成される:
Figure 2023548212000003
ここでB,L,νおよびτは、それぞれ帯域幅、信号長、ドップラー拡散および遅延拡散である。二重分散チャネルに対処する目的で、送信機において使用される合成パルス、受信機において使用される分析パルス、およびそれらのTFグリッドを、Uにマッチさせることができる[7],[8],[9]。一般的な手法は、広義定常無相関散乱(WSSUS)であるという前提の下でのチャネル散乱関数に関して、時間および周波数のシフトTとFとの比ならびにガボールパルスのTF拡散σとσとの比を設計することである:
Figure 2023548212000004
ここで
Figure 2023548212000005
は、チャネルの遅延拡散の最大値とドップラー拡散の最大値との比である。このアプローチは、パルスおよびグリッドのマッチングと呼ばれる[7],[10],[8],[9]。式(1)中のパルスおよびグリッドのマッチングの条件を満たすことを目的として、特有のモビリティモードが提案され検討されている。
コヒーレント通信の場合、二重分散チャネルオペレーションを、受信機において推定し反転させることができる。一般に線形等化器は、たとえば最尤等化器(MLE)または干渉相殺などの反復技術と比較してあまり複雑ではないので、チャネル等化のために好ましい[11]。MLEは最大のダイバーシティを享受するが、いくつかの事例では線形等化器は、たとえば非特異の畳み込みの事例では、MLEと同じダイバーシティ利得を達成することができる[12]。[13]において、共通最小平均二乗誤差(MMSE)等化を用いる場合には、ほとんどの事例では完全なOTFSダイバーシティが達成されない、ということが観察された。逆に、OTFSのためのMLEまたは干渉キャンセル技術は複雑であり、クロストークチャネル係数の正確な推定も必要である。実際には、最適以下のパルスおよびグリッドのマッチングによって引き起こされる残存自己干渉を推定し、等化器において考慮することができる。[14]においては、フレームベースで自己干渉を考慮する線形等化器が導入された。このアプローチは、提示された研究の場合には、残存自己干渉を考慮するために使用される。
このセクションでは、自己干渉を粗いレベルで制御し、残存自己干渉電力をパイロットシンボルおよびガードシンボルから推定することにより、線形MMSE等化器を瞬時に調整するためのモビリティモードを提案する。このセクションの主な焦点を以下のようにまとめることができる:
・OTFSを、MATLABのtoolbox LTFATを使用し得実装される、付加的なTF拡散を伴うパルス状のガボールシグナリングの観点から研究する[15]。
・QuaDRiGaチャネルシミュレータ[16]によって生成された具体的な幾何学ベースのシナリオにおいて、[17]におけるようにパイロットベースのチャネル推定を使用して、二重分散車両チャネルを考察する。
・特有のパルスおよびグリッドのマッチングによるモビリティモードを提案する。
・グリッドおよびパルスのミスマッチの影響を受けたねじれた畳み込みの不完全な2D逆畳み込みに起因する、等化器における残存自己干渉の影響を考慮する[14]。
II.OTFSシステムモデル。このセクションでは、システムモデルとOTFSトランシーバ構造を紹介する。OTFSは、古典的なパルス状のマルチキャリア送信と、ガボール構造すなわちTF平面内の規則的なグリッド上のTF並進およびSFFTを用いた付加的なTF拡散との組み合わせである。
A.時間周波数グリッドおよびパルス成形。周波数分解能は
Figure 2023548212000006
であり、ここでBは全帯域幅であり、Mはサブキャリアの個数である。時間分解能は
Figure 2023548212000007
であり、ここでDはフレーム持続期間であり、Nは時間シンボルの個数である。TFグリッドは、時間周波数領域においてそれぞれTおよびFの周期でサンプリングされる。フィルタバンク長は、使用される合成パルスおよび分析パルスの仕様選定、およびいわゆる時間周波数積T・Fにも依存する。送信機および受信機におけるガボールフィルタバンクは、それぞれ信号合成のためのパルスγおよび信号分析のためのパルスgによってコンフィギュレーションされている。
3つの事例を以下のように区別する。すなわちTF>1、TF=1およびTF<1、これらはときにはそれぞれTF平面のアンダーサンプリング、クリティカルサンプリングおよびオーバーサンプリングと呼ばれる[18]。ここでは、これが信号対干渉比(SIR)の最大化と自由度の損失との間の典型的な妥協点である、ということが前提とされる[19]。非分散かつノイズなしの事例における完全な再構成を保証するために、パルスγおよびgが直交していることが必要とされる可能性があり、
Figure 2023548212000008
ここで
Figure 2023548212000009
と定義される(同じことは
Figure 2023548212000010
についても定義され、ここでδ(0)=1それ以外は0である)。この場合、
Figure 2023548212000011

Figure 2023548212000012
における内積として用いられ、これは有限エネルギーを有する信号のヒルベルト空間である。相関されていないノイズ寄与分を保証するために、合成パルスと分析パルスとが等しいということが前提とされ、その結果、直交パルスが生じる。仮のプロトタイプパルスとするならば、周知のS^1/2トリックを用いて直交化を実施し、つまり随伴格子上に密なガボールフレームを構築する[9]。ただし、二重分散チャネルの出力における正確な直交性は、通常は損なわれてしまい、その結果、自己干渉が生じる。送信機および受信機のためにそれぞれ異なるパルスを選択することによって、二重分散チャネルのクラスのために自己干渉をさらに減らすことさえ可能とすることができる。
B.TF拡散および逆拡散。トランシーバ構造は、パルス状OFDM、双直交周波数分割多重(BFDM)またはフィルタバンクマルチキャリア(FBMC)といった多くのパルス状マルチキャリア方式におけるものと実質的に同じである。OTFSの特有の特徴は拡散である。すべてのシンボル
Figure 2023548212000013
、ただしI⊆[M]×[N]は、
Figure 2023548212000014
と称される反転SFFTによってプリコーディングされる。SFFTは、指数におけるその符号の切り替えおよび座標の交換によって、通常の2Dフーリエ変換とは異なる。時間シフトによって周波数における振動が発生するに至り、周波数シフトの結果、時間における振動が発生することから、離散DDポジションの配列(l,k)をTF平面内のグリッドポイントの配列(m,n)にマッピングすることによって、このことを解釈することができる。もっと正確には、送信機においてプリコーディングは、
Figure 2023548212000015
によって与えられ、ここで
Figure 2023548212000016
である。受信されTF平面において等化されたシンボル
Figure 2023548212000017
は、
Figure 2023548212000018
となるように、
Figure 2023548212000019
として再び逆拡散される。
C.OTFSフレームの構造。パイロット方式のチャネル推定が使用され、この場合、1つのパイロットが、[17]によって提案されているようにDD領域に挿入される。パイロットは、データと同じフレーム内で送信機によって送信される。このようにすることで、DD領域内で受信機においてチャネルを容易に推定することができる。DD領域内に配置すべきシンボルは3つの部分から成る。データシンボルは、通常、特定の変調アルファベットに由来し、集合D⊂Iによってインデックスが与えられたポジションに配置される。チャネル推定に使用されるポジションは、集合P⊂Iによって定義され、ここでD∩P=φであり、これは単一のパイロットシンボルを含むことになる。他のポジションは未使用であり、ガードシンボルと見なすことができる。この文脈では、
Figure 2023548212000020
であることが前提とされ、ここでwとQとによって、遅延領域およびドップラー領域におけるガード区間がそれぞれ定義される。非ゼロパイロットシンボルのために、任意のロケーション[l=τ,k=2ν]が使用される。WおよびQは予期されるDDシフトに関して定義される[20]、ということに留意されたい。図4には、データシンボル、パイロットシンボル、およびガードシンボルを有するOTFSフレームの一例が示されている。QおよびWは、OTFSモードごと適切な仕様で選定される。同じパイロットオーバーヘッド(同じデータレート)を有する種々のコンフィギュレーションを比較するためには、Q・Wの一定の積すなわち1024個のシンボルが前提とされる。単純化するために、k=0かつl=0における非ゼロパイロット
Figure 2023548212000021
がP=2Q4Wの正規化された電力でセットされ、P内の他のシンボルはすべてゼロ値にされたガードシンボルとしてセットされる。
D.ガボール合成フィルタバンク。次いで、TF平面におけるOTFSフレームが、送信信号s(t)を合成するために使用される。これは、送信パルスγによってコンフィギュレーションされたガボール合成フィルタバンクによって実装される[7]。これを形式的には、
Figure 2023548212000022
として記述することができる。
E.二重分散チャネル。二重分散チャネルの場合、ノイズのない時間連続チャネル出力は、入力信号s(t)のTF変換の未知の線形結合から成る。この演算を形式的には、
Figure 2023548212000023
として表すことができ、ここでp番目の離散的伝播経路は、
Figure 2023548212000024
について遅延τを有する。インデックスの集合は、
Figure 2023548212000025
によって定義される。次いで
Figure 2023548212000026
について、
Figure 2023548212000027

Figure 2023548212000028
によって与えられ、ここで
Figure 2023548212000029
を、分散DD拡散関数と見なすことができる[21]。特にこの単純化されたモデルは、各経路が同じ範囲の周波数シフト
Figure 2023548212000030
を有するが、場合によってはそれぞれ異なる係数を有する、という意味を暗黙的に含む。TFシフトの集合
Figure 2023548212000031
は、通常、過小拡散の前提条件としても知られるサイズ
Figure 2023548212000032
のボックス
Figure 2023548212000033
内にあることが前提とされる。式(6)を式(8)と共に(7)に代入すれば、
Figure 2023548212000034
が得られる。
F.ガボール分析フィルタバンク。受信された信号はダウンコンバートされ、分析フィルタバンクを通過する。この場合には、TFスロット
Figure 2023548212000035
内のノイズのないガボール分析フィルタバンクの出力が、
Figure 2023548212000036
となる。
III.チャネル推定および自己干渉。このセクションでは、チャネル推定、等化、およびOTFSトランシーバ構造内に残存する自己干渉の量について、さらに詳しく説明する。特に、2D逆畳み込みである等化と、ねじれた畳み込みとして与えられた実際のチャネルマッピングとの間の関連性を示す。
A.自己干渉の影響。自己干渉に対するパルスおよびグリッドのミスマッチの影響を明らかにするために、式(10)における内積が書き換えられ、別個に計算される:
Figure 2023548212000037
ここで
Figure 2023548212000038
は相互不確定性関数である。目標は、パルスγおよびgを、すべての値
Figure 2023548212000039
について
Figure 2023548212000040
となるように設計することである。大雑把に言えば、このことは、
Figure 2023548212000041
であると定義された自己干渉
Figure 2023548212000042

Figure 2023548212000043
(引き継がれたデータシンボルおよびチャネル認識)は無視できるほど小さくなる、という意味を暗黙的に含む。ここで留意されたいのは、
Figure 2023548212000044
ということであり、その理由は、パルスγおよびgは、
Figure 2023548212000045
が(α,β)すべてについては存在しない、といったものだからである。よって、マッチングされたパルス成形の目標はその代わりに、予期される自己干渉電力を最小化することである。
システムモデルにおいて自己干渉を考察することによって、
Figure 2023548212000046
が得られる。式(14)に
Figure 2023548212000047
を適用すると、第1の次数において(推論に合致して)チャネルが2D畳み込みとして振る舞う。その理由は以下のとおり:
Figure 2023548212000048
TF平面におけるポイントごとの乗算として、DD平面における(巡回)2D畳み込みは
Figure 2023548212000049
であり、ここで
Figure 2023548212000050
はチャネル伝達関数である。
Figure 2023548212000051
の大きさは、式(12)において与えられたマッチングに依存し、つまりミスマッチが多くなればなるほど自己干渉は大きくなる。
B.遅延ドップラーチャネル推定。推定チャネルは、DD領域内の送信機により送信されたパイロットによって推定される。
Figure 2023548212000052
はガードエリアの4分の1に適用され、ここですべての
Figure 2023548212000053
について[20]によりチャネルインパルス応答(CIR)が得られる:
Figure 2023548212000054
図4によれば、黒い破線の枠内においてチャネル推定に使用されるシンボルが強調されている。残りのガードシンボル(黒い破線の枠外)は、パイロットシンボルとデータシンボルとの間の干渉を避けるために使用される。
C.時間周波数等化。適度な複雑さで十分な性能を達成するために、モビリティモードを使用することを提案する。適切なモビリティモードは、粗いレベルで自己干渉を制御する。これに加えてMMSE等化器が、残留自己干渉電力を考慮するように調整される。受信したフレーム(14)が、推定されたチャネル(17)を用いMMSE等化により等化される:
Figure 2023548212000055
ここでσ2はノイズ分散である。かくして平均自己干渉電力Iが推定され、これには平均化された自己干渉の電力と受信機におけるチャネル推定の誤差とが含まれる。MMSE等化器を対応するチャネル認識に合わせて瞬時に調整するために、フレームごとにパイロットシンボルおよびガードシンボルから(
Figure 2023548212000056
にわたる)経験的平均としてIを推定することによって、これを近似することができる。所与のIについて、DD領域における等化されたシンボルは、
Figure 2023548212000057
によって与えられる。このようにした場合、直観的なアプローチは、[14]で提案されているように、送信された(受信機において既知であることが前提とされた)等化されたパイロットシンボルとガードシンボルすなわち
Figure 2023548212000058
との間の所与の誤差メトリックd(・,・)を最小化することである:
Figure 2023548212000059
誤差メトリック
Figure 2023548212000060
として
Figure 2023548212000061
が、[14]におけるように有限グリッド上で使用される。その後、最終的に各フレームは、その個々の
Figure 2023548212000062
を用いて等化される。
IV.モビリティモード。このセクションでは、グリッドおよびパルスのミスマッチによって引き起こされる自己干渉を低減するモビリティモードについて紹介する。種々のチャネル条件すなわち特有の遅延拡散およびドップラー拡散に対処するにあたり、7つの異なるモビリティモードについて検討する。モビリティモードを、チャネルの長期期待値によって定義することができる。ここで提案するモビリティモードは、式(12)における等化から僅かに逸脱させること、つまりは自己干渉の影響を低減することを目的としている。この場合には式(20)において残留自己干渉電力が推定され、線形等化のために使用される。
表I
Figure 2023548212000063
表Iは、モビリティモードI~VIIを表している。時間における分解能(N個のシンボル)が高くなればなるほど、周波数領域における分解能(M個のサブキャリア)が低くなり、その逆も同様である。モードIは、時間分解能と周波数分解能とが等しい事例を表している。したがって各モビリティモードは、冒頭で説明した手順に従いスクイージングおよび直交化することによって達成される、モード固有のパルス形状を有する。ここでは、送信機と受信機とが同じモードを使用することを前提とする。チャネルの二次統計に依存して、適切なモードを選択することができる。適切なモードの選択はこれからの課題とする。
V.数値結果。このセクションでは、グリッドおよびパルスのマッチングのために特有のモビリティモードを使用するアプローチについて数値分析する。
表II
Figure 2023548212000064
表IIは、数値結果を取得するために使用されるパラメータの概要である。サイクリックプレフィックス(CP)方式のOFDMの事例では、チャネル推定のために正則化された最小二乗法が次に行われ、ゼロフォーシング等化[22]が使用される。OTFSモードI(表I参照)と同じTFグリッドを用いて、1つのOFDMコンフィギュレーションについて研究した。このOFDMコンフィギュレーションは、矩形パルスがCPを含む802.11p標準に近い。符号化されたBER曲線が、すべてのモードについて種々の通信シナリオに対して表されており、ここではγ=0.5の符号率を有する畳み込み符号が使用される。
Figure 2023548212000065
Figure 2023548212000066
表IIIには、すべてのモードと、10-2および10-3の目標BERに到達するのに必要とされる対応する信号対ノイズ比(SNR)とが列挙されている。モードごとに到達する最小BERが列挙されている。図5a~5cには、特有のV2Xシナリオおよび種々のモビリティモードに対するBERが示されている。V2IシナリオおよびV2Vシナリオのために3GPP 38.901チャネルモデルおよびQuaDRIGa UD2Dチャネルモデルを用いたQuaDRIGaチャネルシミュレータ[16]が、それぞれ使用されている。畳み込み符号化は、r=0.5の符号率を使用している。図5aおよび図5bには、視線(LOS)条件および厳密な非視線(NLOS)条件の下での、車両対インフラストラクチャ(V2I)シナリオに関するBERが、それぞれ示されている。V2Xシナリオ各々は、特有のDD拡散によって特徴づけられている。したがって事例ごとに異なるモビリティモードが適切であり、つまりLOSではモードIまたはIIが、NLOSではモードVIまたはIVが適切である。図5cには、車車間(V2V)シナリオがΔν=160km/hの相対速度で表されている。ここではモードIの性能が他のモードを凌いでいる。一般に、OTFSがすべてのシナリオにおいて適切なモビリティモードを用いることでOFDMよりも優れている、ということを認めることができる。
VI.結論。線形等化を実現するために、パルス状OTFS変調に関してモビリティモードについて紹介してきた。パルスおよびグリッドのマッチングのために適切なモビリティモードを選択することにより、二重分散チャネルに内在する自己干渉が減少し、ひいてはBERも減少する。モビリティモードの導入によって、完全なねじれた畳み込みを扱う代わりに、調整された2D逆畳み込みを実装する低複雑度の等化器のシステム性能を改善できる、と結論づけることができる。残留干渉レベルに対し等化器を調整することによって、モビリティモードのさらなる利得がもたらされる、ということを指摘しておく。V2Xシナリオごとに、ある1つの特有のモビリティモードの性能が他のモビリティモードを凌いでおり、その効果はいっそう正確なチャネル知識によって向上する。すべてのシナリオにおいて、少なくとも1つのOTFSモードの性能がCP方式のOFDMを凌いでいる。適切なモビリティモードの選択の重要性が示されている。
実施例をさらにコンピュータプログラムとすることができ、または実施例をコンピュータプログラムに関するものとすることができ、このコンピュータプログラムは、コンピュータまたはプロセッサにおいてこのコンピュータプログラムが実行されると、上述の方法のうち1つまたは複数の方法を実施するためのプログラムコードを有する。これまで説明してきた様々な方法のステップ、オペレーションまたはプロセスを、プログラミングされたコンピュータまたはプロセッサによって実施することができる。実施例は、ディジタルデータストレージ媒体のようなプログラムストレージデバイスをカバーすることもでき、このプログラムストレージデバイスは、機械可読、プロセッサ可読またはコンピュータ可読であり、機械で実行可能な、プロセッサで実行可能な、またはコンピュータ実行可能な命令のプログラムを符号化する。これらの命令は、これまで述べてきた方法の動作のうちの一部または全部を実施するまたは実行させる。プログラムストレージデバイスはたとえば、ディジタルメモリ、磁気ディスクおよび磁気テープなどの磁気ストレージ媒体、ハードディスクドライブ、または光学的に読み取り可能なディジタルデータストレージ媒体を含むことができ、あるいはプログラムストレージデバイスをたとえばこのようなものとすることができる。さらなる実施例は、これまで述べてきた方法の動作を実施するようにプログラミングされたコンピュータ、プロセッサまたは制御ユニットもカバーすることができ、あるいはこれまで述べてきた方法の動作を実施するようにプログラミングされた(フィールド)プログラマブルロジックアレイ((F)PLA)または(フィールド)プログラマブルゲートアレイ((F)PGA)もカバーすることができる。
明細書および図面は、本開示の基本原理を例示したものにすぎない。さらに、本明細書で列挙したすべての実施例は主として、本開示の基本原理および技術促進のために発明者が寄与したコンセプトを、読み手が理解しやすくするための例示目的にすぎないものであることが明確に意図されている。本開示の基本原理、態様および実施例ならびにそれらの具体例を列挙した本明細書のすべての記載は、それらの等価物を包含することが意図されている。
特定の機能を実施する「ための手段」と称された機能ブロックは、特定の機能を実施するように構成された回路のことを指すことができる。したがって「何かのための手段」を、個々のタスクのためにコンフィギュレーションされた、または個々のタスクに適したデバイスまたは回路など、「何かのために構成されたまたは何かに適した手段」として実装することができる。
「手段」、「信号を供給する手段」、「信号を生成する手段」などの名称が付された任意の機能ブロックを含む、図面に示されている様々な要素の機能を、「信号供給装置」、「信号処理ユニット」、「プロセッサ」、「コントローラ」などのような専用ハードウェアの形態で実装することができ、同様に適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行可能なハードウェアの形態で実装することができる。プロセッサによって提供される場合には、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、または一部またはすべてを共有可能な複数の個々のプロセッサによって、機能を提供することができる。ただし、用語「プロセッサ」または「コントローラ」は、もっぱらソフトウェアを実行可能なハードウェアにまったく限定されてしまうものではなく、ディジタル信号プロセッサ(DSP)ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、ソフトウェアを格納するためのリードオンリーメモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、および不揮発性ストレージを含むことができる。その他のハードウェア、従来型および/またはカスタム仕様、も含めることができる。
ブロック図はたとえば、本開示の基本原理を実装する高水準回路図を示すことができる。同様に、フローチャート、流れ図、状態遷移図、擬似コードなどは、様々なプロセス、オペレーションまたはステップを表現することができ、たとえばこれらをコンピュータ可読媒体において実質的に表現することができ、つまりはコンピュータまたはプロセッサが明示的に示されているにせよ示されていないにせよ、かかるコンピュータまたはプロセッサによって実行することができる。本明細書または請求項において開示された方法を、それらの方法の個々の動作各々を実施するための手段を有するデバイスによって実装することができる。
さらに理解されたいのは、本明細書または請求項に開示されている複数の動作、プロセス、オペレーション、ステップまたは機能の開示を、たとえば技術的な理由から明示的または暗黙的に別途記載されていない限りは、特定の順序でなければならないと解釈してはならない、ということである。よって、複数の動作または機能の開示は、かかる動作または機能を技術的な理由から入れ替えられない場合を除き、それらを特定の順序に限定するものではない。さらにいくつかの実施例において、単一の動作、機能、プロセス、オペレーションまたはステップはそれぞれ、複数のサブ動作、サブ機能、サブプロセス、サブオペレーションまたはサブステップを含むことができ、あるいはそれらに分解され得る。明示的に排除されていない限り、かかるサブ動作を含めることができ、それらを上述の単一の動作の開示の一部とすることができる。
さらに、以下の請求項はここで詳細な説明に組み込まれるものとし、この場合、各請求項は1つの別個の実施例として自立し得るものである。各請求項が1つの別個の実施例として自立し得るのに対し、ある従属請求項が請求項において1つまたは複数の他の請求項との特定の組み合わせを指す可能性があるにもかかわらず、他の実施例は、その従属請求項とさらに別の各従属請求項または独立請求項の保護対象との組み合わせを含むこともできる、ということに留意されたい。かかる組み合わせは、ある特定の組み合わせを意図していないことが明記されていない限り、本明細書において明示的に提案されるものである。さらに、ある請求項が直接的に他の任意の独立請求項にたとえ従属させられていなくても、その独立請求項に対するその請求項の特徴も含まれることが意図されている。
10 移動通信システムの2つのトランシーバ間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能を決定する方法
12 2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報を取得するステップ
14 2つのトランシーバ間の無線チャネルに関する情報に基づき、無線リンクに対するDDRを導出するステップ
20 装置
22 トランシーバモジュール/インタフェース
24 処理モジュール
100 第1のトランシーバ
200 第2のトランシーバ
300 移動通信システム

Claims (15)

  1. 移動通信システム(300)の2つのトランシーバ(100;200)間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定する方法(10)であって、当該方法(10)は、
    前記2つのトランシーバ(100;200)間の無線チャネルに関する情報を取得するステップ(12)と、
    前記2つのトランシーバ(100;200)間の前記無線チャネルに関する前記情報に基づき、前記無線リンクに対する前記DDRを導出するステップ(14)と
    を含む、方法(10)。
  2. 前記導出するステップ(14)は、複数のDDRモードから成る予め定められた集合から前記DDRを選択するステップを含む、請求項1記載の方法(10)。
  3. 前記導出するステップ(14)は、ルックアップテーブルからDDRを選択するステップを含む、請求項1または2記載の方法(10)。
  4. 前記無線チャネルに関する前記情報は、前記無線チャネルの複数のパスの1つまたは複数の遅延拡散差分に関する情報を含む、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法(10)。
  5. 前記無線チャネルに関する前記情報は、前記無線チャネルの複数のパスの1つまたは複数のドップラーシフト差分に関する情報を含む、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法(10)。
  6. 第1のトランシーバ(100)のための請求項1から5までのいずれか1項記載の方法(10)であって、前記DDRに関する情報を第2のトランシーバ(200)に伝達するステップをさらに含む方法(10)。
  7. 第1のトランシーバ(100)のための請求項1から5までのいずれか1項記載の方法(10)であって、前記DDRに関する情報を第2のトランシーバ(200)から受信するステップをさらに含む方法(10)。
  8. 第1のトランシーバ(100)のための請求項1から5までのいずれか1項記載の方法(10)であって、前記DDRに関する前記情報を第2のトランシーバ(200)とネゴシエーションするステップをさらに含む方法(10)。
  9. 前記無線チャネル上で前記DDRを使用してペイロードデータを伝達するステップをさらに含む、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法(10)。
  10. 前記伝達するステップは、直交時間周波数空間OTFS多重化を使用する、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法(10)。
  11. 前記導出するステップ(14)は、前記2つのトランシーバ(100;200)間の前記無線チャネルに関する前記情報に基づき、データベースから前記無線リンクに対する前記DDRを読み出すステップを含む、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法(10)。
  12. コンピュータ、プロセッサまたはプログラミング可能なハードウェア構成部品においてコンピュータプログラムが実行されると、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法による少なくとも1つの方法(10)を実施するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
  13. 移動通信システム(300)の2つのトランシーバ(100;200)間の無線リンクに対する遅延ドップラー分解能DDRを決定する装置(20)であって、当該装置(20)は、
    前記移動通信システム(300)において通信を行うためのトランシーバモジュール(22)と、
    請求項1から11記載の方法(10)のうちの1つを実施するように構成された処理モジュール(24)と
    を含む、装置(20)。
  14. 請求項13記載の装置(20)を含むワイヤレス通信システム(300)のアクセスノード(100)。
  15. 請求項13記載の装置(20)を含むワイヤレス通信システム(300)のためのユーザ側設備(200)。
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