JP4063674B2 - 室内領域でディジタルのデータサブストリームを並列して無線伝送する無線伝送方法および移動無線伝送システム - Google Patents
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Description
本発明は、室内領域でディジタルのデータサブストリームを並行して無線伝送する無線伝送方法に関し、ここでこれらのディジタルのデータサブストリームは、空間時間符号化により、選択したデータ変調形式に依存してn個のデータサブ信号に形成され、上記の無線伝送は、n個の送信路と、室内領域の別の個所に配置されたm個(m≧n)の受信路との間で、周波数が制限されたマルチパスの伝送チャネルにて行われ、ここでは、この伝送チャネルの空間時間特性を推定するために複素数値のチャネルマトリクスの要素を測定し、この複素数値のチャネルマトリクスから導き出される重み付けマトリクスを求めて受信路において空間時間信号処理し、これによって複数のデータサブ信号が同時に復元される。このデータサブ信号は、空間時間復号化部において再び上記のディジタルのデータサブストリームに形成される。本発明はまた移動無線伝送システムに関する。
図1は、MIMOシステムの構造を示しており、
図2は、本発明の伝送方法および伝送システムの原理回路図を示しており、
図3は、本発明の伝送方法および伝送システムの送信側を示しており、
図4は、PN列を形成する発生器を示しており、
図5は、本発明の伝送方法および伝送システムの受信側を示しており、
図6は、重み付けユニットを示しており、
図7は、幾何学的な投影技術の図を示している。
以下では、本発明の無線伝送方法の重要な構成部分としてチャネルマトリクス測定部の新しい考え方を説明する。基本的には各送信路に、変調された、弱い副チャネル搬送波(Nebenkanaltraeger)が付加される。すなわち各データ信号はパイロット信号と重畳され、ここでこのパイロット信号は各送信路に特徴的な信号である。つぎに各受信路では、各送信路に所属する副チャネル搬送波の振幅および位相が別個に測定される。例えば、副チャネル搬送波の周波数は、データ伝送用搬送波の周波数と同じである(同一のチャネル動作Gleichkanalbetrieb)。図3の2つの送信路ないしは送信アンテナS1,S2(Si,i = 1…n,n = 2)を有する送信器Txの例で考え方を示す。ここで送信器Txは、送信信号を、データ変調形式としての2相の位相変調(Binary Phase Shift Keying BPSK)によって符号化する。まず到来したデータストリームdata-inは空間時間符号化器STEで分割されて、2つの並列なデータサブ信号D1(t),D2(t)が得られる。これらは各送信路S1,S2において中央に調整されているとする。すなわち、数多くのシンボルについて平均化された振幅はゼロに等しいのである。付加的に仮定するのは、データサブ信号D1(t),D2(t)の時間的な順序は、統計的に真にランダムに分散されていることである。これはいわゆる「スクランブリング(Scrambling)」によって達成可能である。各データサブ信号D1(t),D2(t)にはそれぞれ別個のパイロット信号P1(t),P2(t)が付加され、それらのパイロット列PN1,PN2(擬似ノイズpseudonoise PN)は、バイナリのキャラクタ列(Pseudo Random Binary Sequece PRBS)に対して割り当てられた擬似乱数発生器(generator)によって形成され、データサブ信号D1(t),D2(t)に対する搬送波としての中間周波数IF1に混合変調される。ここでパイロット信号P1(t),P2(t)は極めて弱いため、これらの信号によってデータサブ信号D1(t),D2(t)が妨害されることはない。重畳される信号間の振幅比を表すファクタkは、1よりも格段に小さい(k≪1)。重畳された信号はつぎに局部周波数発生器LOによって伝送帯域に引き上げられ、帯域通過フィルタFIおよび増幅器Aを通して導かれ、時間に依存する送信信号S1(t),S2(t)として室内領域に送信される。
図5には受信器Rxが示されている。左側の領域には信号路とモニタ路とに分割するための分離ユニットSEUが、中央の領域にはアナログの信号結合ユニットASUが、また右側の領域にはデータ復元ユニットDRUが示されている。ここでは3つの受信路ないしは受信アンテナE1,E2,E3(Ej,j = 1…m,m = 3,)を有する受信器Rxが実施例として示されている。内部の発振器LOによる帯域引き下げの後、各受信信号E1(t),E2(t),E3(t)は分岐個所SP1,SP2,SP3において信号路signal1,signal2,signal3と、monitor1,monitor2,monitor3とに分けられる。相応するモニタ信号M1(t),M2(t),M3(t)は、チャネルマトリクス[H]の測定(推定)のために必要であり、これに対して実際の受信信号E1(t),E2(t),E3(t)は、アナログの信号結合ユニットASUでさらに処理される。
以下では、測定したチャネルマトリクス[H]により、信号結合ユニットASUに対して適切な重み付けマトリクス[H]を得る方法を示す。数式(2)のベクトルの式に左から重み付けマトリクス[I]を乗算すると、S′=[I][H]S+[I]N=S+[I]Nが得られる。ノイズがない場合(N=0)に明らかであるのは、重み付けマトリクス[I]が、チャネルマトリクス[H]の擬似逆行列であることであり、ここでこれは、
図5の中央部のアナログの信号結合ユニットASUは、チャネルマトリクスを測定する相関回路と並んで、マルチアンテナ受信器Rx側における、本発明の伝送システムの主要構成部材である。データ路に影響を及ぼす演算はすべてハードウェアで実現されるため、スループットは、ディジタル信号プロセッサDSPの性能に制限されない。ここで注意したいのは、このようなハードウェアによる実現は、本発の伝送方法とは別の方法にも当然使用することができ、しかも線形結合ユニット(linear Verknuepungswerk)からのデータ信号が、これまでもっぱらディジタル信号プロセッサで処理されていたケースではつねに使用することができる。このようなものとして例えばいわゆる「インテリジェントアンテナアレイ」(スマートアンテナ)あり、これらは例えば、個々の加入者を空間的に分離するため、将来の移動無線システムの基地局に広く使用される。
上に示した例では2相位相シフトキーイング(BPSK)の元のスペクトル効率と、2つの送信アンテナの数とを乗算した。送信器において片側帯域通過フィルタ(Einseitenbandfilter)を仮定し、またベースバンドにおいてデータを高い信頼性で識別するためにデータレートの0.8倍の帯域幅が必要であると具体的に考慮すると、スペクトル効率は、BPSKにおいて1.25bit/s/Hzである。したがってこの例では、2.5bit/s/Hzの効率が実現される。分割されたデータサブストリームにおいてより多くの送信アンテナまたは別のより高度の変調方式では、全体の効率ηtotalはηtotal = n×ηmodに増大し、ここでnはデータサブストリームの数、ηmodはこのデータサブストリームの各変調のスペクトル効率である。n=8およびηmod=5(例えば16−QAM変調時)では、40bit/s/Hzのスペクトル効率ηtotalを達成可能である。上記の例のように2MHzのそのままのチャネル帯域幅を仮定すると、2.5MHzのチップレートで100Mbit/sのデータレートを伝送可能である。冒頭にすでに述べたようにこのように高いデータレートが無線LANから期待されているはずである。54Mbit/sおよび20MHz = 2.7bit/s/Hzの最大のスペクトル効率を利用する既存のHIPERLAN/2標準から見ると、本発明の伝送方法と、相応して実施された伝送システムにより、同じスペクトル限界内でネットワーク容量をほぼ15倍に増大させることが可能である。
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ASU アナログ信号結合ユニット
correlatorij 相関回路
data-in 到来するデータストリーム
data-out 出力されるデータストリーム
DRU データ復元ユニット
DSP ディジタル信号プロセッサ
Di(t) 時間に依存するデータサブ信号
E 受信ベクトル
Ej 受信路ないしは受信アンテナ
Ej(t) 時間に依存する受信信号
FI 帯域通過フィルタ
generator 擬似乱数発生器
IF1, IF2, IF3 中間周波数
[H] 複素数値チャネルマトリクス
Hij チャネルマトリクスの要素
i 送信側のインデックス(i = 1…n)
I 測定電圧の実数部
Iij 重み付けマトリクスの要素
Iij(t) アナログの重み付け信号
[I] 重み付けマトリクス
IQ modij I−Q−変調器
j 受信側のインデックス(j = 1…m)
LO 局部周波数発生器
m 並列の受信路の数
MIMO 多重入力/多重出力システム
monitorj モニタ路
Mj(t) 時間依存のモニタ信号
N ノイズベクトル
n 並列の送信路の数
PNj パイロット列
PRBS 擬似乱数バイナリ列
Pj(t) 時間依存のパイロット信号
Q 測定電圧の虚数部
QAM 直交振幅変調
Rx 受信器
SEU 分離ユニット
signalj 信号路
Si(t) 間依存の送信信号
Sj 受信した送信ベクトルの成分
SPj 分岐個所
SR シフトレジスタ
STD 空間時間復号器
STE 空間時間符号化器
Sj 送信路ないしは送信アンテナ
T チップサイクル
tap 取り出し個所
Tx 送信器
TS 伝送システム
WU 重み付けユニット
XOR 排他論理和ゲート
Claims (10)
- 室内領域でディジタルのデータサブストリームを並行して無線伝送する無線伝送方法であって、
前記ディジタルのデータサブストリームは、空間時間符号化により、選択したデータ変調形式に依存してn個のデータサブ信号に形成され、
前記無線伝送は、n個の送信路と、前記室内領域の別の個所に配置されたm個(m≧n)の受信路との間で、周波数が制限されたマルチパスの伝送チャネルにて行われ、
ここでは該伝送チャネルの空間時間特性を推定するために複素数値のチャネルマトリクスの要素を測定し、
当該の複素数値のチャネルマトリクスから導き出される重み付けマトリクスを求めて受信路にて空間時間信号処理し、これによって複数のデータサブ信号を同時に復元し、
該データサブ信号を空間時間復号化部にて再び前記のディジタルのデータサブストリームに形成する形式の無線伝送方法において、
既知の構造、符号化および良好な相関特性の一義的に識別可能なパイロット信号(Pi(t))によって各送信路(S i ,i=1…n)をマーキングし、
マーキングを行うパイロット列(PN i )の形態で、それぞれ伝送すべきデータサブ信号(D i ( t ) )に当該パイロット信号を少ない妨害で重畳し、かつ重畳したものを送信信号(S i ( t ) )として伝送し、
前記の複素数値のチャネルマトリクス([H])の要素(Hij)の測定を、送信路(S i ,i=1…n)の送信信号(Si(t))の並列伝送と同時に実行し、
前記パイロット列(PNi)に基づいて、その伝送される構造を各受信路(E j ,j=1…m)にて測定して既知の構造と相関付け、
前記の送信路(S i ,i=1…n)の送信信号は送信ベクトルSを成し、また各受信路(E j ,i=1…m)の受信信号E j ( t ) は受信ベクトルEを成し、
各データサブ信号(Di(t))を、その復元のために受信ベクトルEのすべての受信信号(Ej(t))のアナログに重み付けされた線形結合として表し、
ここでアナログの重み付き信号(Iij(t))は、重み付けマトリクス([I])の要素であり、
前記の複素数値のチャネルマトリクス( [ H ] )によって変換される送信ベクトル(S)の空間にて、当該のチャネルマトリクス( [ H ] )の列ベクトルによって張られる平面に、前記の受信ベクトルEを投影すると同時に当該受信ベクトルEのノイズの項(N ⊥ )を取り除く行列として前記の重み付けマトリクス( [ I ] )を求めることを特徴とする、
室内領域における無線伝送方法。 - 前記パイロット列(PNi)は、シンボルレートと、選択した変調形式から得られる出力密度スペクトルとが、前記データサブ信号(Di(t))の基礎にあるデータサブストリームに類似している、
請求項1に記載の無線伝送方法。 - 前記パイロット列(PNi)は、見かけ上ランダムな十分に直交するバイナリ列(PRBS)として、Gold 符号、または2 14 −1ビットと等しいかまたはそれより大きな列長を有するバイナリ列として構成されている、
請求項1または2に記載の無線伝送方法。 - 前記パイロット信号(Pi(t))の出力は、前記データサブ信号(Di(t))の出力の1〜10%の範囲にある、
請求項3に記載の無線伝送方法。 - 前記の受信信号(Ei(t))から得られるパイロット信号(Pi(t))を、再構成された送信信号Si(t)から再び減算する、
請求項1から4までのいずれか1項に記載の無線伝送方法。 - 前記のデータサブ信号(Di(t))を再構成するための幾何学的投影技術では、重み付けマトリクス([I])として前記チャネルマトリクス([H])のMoore-Penrose擬似逆行列またはここから導き出されるマトリクスを利用する、
請求項1から5までのいずれか1項に記載の無線伝送方法。 - 前記チャネルマトリクス([H])の要素(Hij)を測定する相関によって、複素数値の電圧の実数部および虚数部(I,Q)に相応して、前記伝送チャネルについての振幅情報および位相情報を含む2つの測定値を形成する、
請求項1から6までのいずれか1項に記載の無線伝送方法。 - 前記データサブ信号に対する変調形式として、2相位相変調、M相位相変調または直交振幅変調を利用し、
これに対して前記パイロット信号に対して2相位相変調を利用する、
請求項1から7までのいずれか1項に記載の無線伝送方法。 - 個々の送信路と受信路との間の周波数が制限されたマルチパスの伝送チャネルにてディジタルサブストリームを並列に無線伝送する室内領域用の移動無線伝送システムであって、
該移動無線伝送システムは、送信器および受信器を有しており、
該送信器は、位置に依存する、並列のn個の送信路に対するマルチエレメントアンテナと、送信側の信号処理装置における空間時間符号化ユニットとを含んでおり、
前記受信器は、位置に依存する、並列のm個(m≧n)の受信路に対するマルチエレメントアンテナと、ディジタル信号プロセッサを有する、複素数値のチャネルマトリクスを測定する装置と、受信側の信号処理装置における空間時間復号化ユニットとを含んでいる形式の、室内領域用の移動無線伝送システムにおいて、
請求項1から8までのいずれか1項に記載された無線伝送方法を実施するため、
前記送信器(Tx)は、各送信路(Si,i=1…n)にパイロット信号発生器(PNi generator)および供給部を含んでおり、
該パイロット信号発生器により、送信路(Si)をマーキングする一義的に識別可能なパイロット列(PNi)が形成され、
前記供給部により、マーキングを行うパイロット列(PNi)から生成されたパイロット信号と、それぞれ伝送すべきデータサブ信号(Di(t))とが送信路(Si)にて重畳され、
前記受信器(Rx)は、各受信路(Ei,i=1…m)にて分岐個所(SPi)を有しており、またすべての受信路(Ei)にわたるアナログの信号結合ユニット(ASU)を有しており、
前記分岐個所を介して各受信信号(Ei(t))が、モニタ信号(Mi(t))として、重み付けユニット(WU)に供給されてアナログの重み付け信号(Iij)が求められ、
前記信号結合ユニットに該重み付け信号(Iij)が供給され、
前記の各重み付けユニット(WU)は、存在する送信路(Si)の数に相応する数の相関回路(correlatorij)と、すべての重み付けユニット(WU)に共通なディジタル信号プロセッサ(DSP)と、アナログの複素数値変調器(I−Qmodij)とを有しており、
前記相関回路は、1つずつのパイロット信号発生器(PNi generator)を有しており、これによってそれぞれ受信したパイロット信号(Pi(t))の構造が測定され、
前記ディジタル信号プロセッサにより、複素数値のチャネルマトリクス([H])と、このチャネルマトリクスから得られる重み付けマトリクス(I)とが求められ、
前記複素数値変調器により、アナログの重み付け信号(Iij)が各受信信号(Ei(t))に重畳されることを特徴とする、
室内領域用の移動無線伝送システム。 - 前記のパイロット信号を形成する信号発生器(PNj generator)は、多重に帰還結合されるシフトレジスタ(SR1,SR2)を有する擬似ランダムなバイナリ列発生器(PRBS)として構成されている、
請求項9に記載の移動無線伝送システム。
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