JP4173760B2 - 通信システムの通信チャネルを介して複数の送信器から送信された情報の複数のストリームに対しデータレートを割り当てる方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信システムに関し、特に、複数のアンテナを有するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信システムの基本的構成は、通信チャネルを介して少なくとも１個の受信器に信号を送信する少なくとも１つの信号ストリームを有することである。通信システムの重要な目標は、送信器と受信器で利用可能な資源を効率的に管理することである。ストリームにとってシステムが許す限り高速のデータレートでもって通信信号を送信することが望ましい。送信レートを制限するファクターは送信器に割り当てられた送信パワーの量である。同時に通信チャネルは理想的ではないので信号が通信チャネルを介して伝搬するにつれて信号内にエラーが導入される。
【０００３】
通信チャネルは、異なった時点で通信信号に異なった風に影響を与えるダイナミックに時間的に変動するシステムである。受信器にとっては、信号をできるだけ少ないエラーでもって受信するのが望ましい。エラーをできるだけ少なくするために受信器は、通信チャネルを特徴づけるフィードバック情報を送信器に戻すよう通常設計されている。送信器はこのフィードバック情報を用いて送信信号を修正して通信チャネルの異常に対する脆弱性を低減するようにしている。しかし受信器により送信されるフィードバック情報は、システムがその効率を上げるために用いることができる余分の帯域（別のシステム資源）を必要とする。
【０００４】
通信システムの設計者は、送信器の視点からチャネル特性を決定すると、データレート、帯域、パワーを送信器に適切に割り当てることができることを見い出した。あるチャネル特性を「見る」送信器は、「あるデータレート」を取り扱うことができる。チャネル特性と、チャネル特性が使用することのできる資源の割り当て（例、データレート）の適正量との間には直接的な関係がある。かくして「ある決まったデータレート」よりも高いデータレートをその送信器に割り当てると、その送信器により送信されるデータの一部が失われることとなるが、その理由はチャネル特性に基づいて、チャネルは更なるデータレートを処理することができないからである。この時間にデータが正確に受信されないために平均的なデータレート（その定義は、正確に受信した全データ量を全送信時間で割ったもの）が小さくなり、通信システムの効率が低下することになる。
【０００５】
逆に送信器に自分が処理できるデータレートよりも低いデータレートが割り当てられている場合には、その送信器は効率的に動作することができない。その理由は正確に受信した情報よりも多くの情報を送信することができ、これは利用可能なデータレートあるいは帯域幅の効率的な利用とはならないからである。しかし送信器から見たチャネル特性が決定されると、適正な量の帯域とパワー（他の資源）が送信器に割り当てられ、送信器が効率的に動作できるようになる。チャネル特性は、チャネルが送信された信号のパラメータ（例、振幅、位相、周波数）にいかに影響を及ぼすかを表している。
【０００６】
チャネル特性は、信号がチャネルを介して伝搬された後の信号の測定値から通常得られる。信号のパラメータはチャネルを介して送信される前に既知であるために、更にまた信号のパラメータは、チャネルを介して伝搬した後測定することができるために、信号上のチャネルの影響は受信器で容易に決定でき、この情報を送信器に戻すこともできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
複数の送信器を有する複数送信器通信システムにおいては、同時に送信される複数のデータストリーム（以下単にストリームと称する）がある。このストリームは送信器から送信された信号の一部あるいは複数の送信された信号の一部である。本発明の目的は、各ストリームから見たチャネル特性を決定し、その結果適正な量の資源を各ストリームに割り当てることである。
【０００８】
システム設計者は受信器で Minimum Mean Squared Error (ＭＭＳＥ：最小平均自乗エラー)フィルターと称する既知のフィルターを用いて、ＭＭＳＥフィルターの出力点でチャネル品質を決定し、各ストリームから見たチャネル特性が決定できるようにし、そして適正な量の資源をこの決定されたチャネル特性に基づいて各ストリームに割り当てている。受信器はストリームからの信号を受信するために１個あるいは複数個の受信用デバイス（例、アンテナ）を有する。受信信号はＭＭＳＥ技術に従って処理され各ストリームの特性を決定している。
【０００９】
しかしＭＭＳＥ技術により各ストリームのチャネル特性が決定されたとしても、ＭＭＳＥ受信器は、ＡＰＰ(A Posteriori Probability)受信器に比較すると良好な性能を提供することができない。ＡＰＰ受信器はＭＭＳＥ受信器よりも低いエラーレートでもって情報を受信することができる点でＭＭＳＥ受信器よりも優れていると言える。しかしＭＭＳＥ受信器とは異なり、ＡＰＰ受信器に対し各送信器から見たチャネル特性を決定することは難しいことであり、従来はその問題に取り組んでこなかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、通信システムの少なくとも１個のストリームに資源を効率的に割り当てる方法を提供する。本発明の方法は、通信チャネルを介してストリームから信号を受信する通信システムの受信器でＡＰＰ復号化プロセスを実行することにより行われる。本明細書では、各ストリームから見たチャネル特性を決定するプロセスを開示し、かくして通信システムの各ストリームに適正の量の資源を割り当てることができるようにするものである。本発明は、修正合併限界 (Modified Union bounds）を用いてストリーム毎にチャネル特性を決定する。
【００１１】
各ストリームに対する修正合併限界が決定されるが、この各修正合併限界は、以下の３つのパラメータの関数（組み合わせ）である。即ち（１）受信器から見たチャネルマトリックスと、（２）ストリームからの信号の送信パワーと、（３）ノイズはガウス統計分布に従い平均値が０であるという仮定の基での通信チャネルのノイズの分散値(variance)である。 Ｑ(ｘ)関数を用いて修正合併限界を決定する。ここでｘは３個のパラメータの組み合わせを表す。修正合併限界は、特定のストリームに対し送信された特定のシンボルのエラー確率値に対する上限（Ｐ_ｅ）を与える。
【００１２】
修正合併限界は合併限界に基づいており、これは通信システムで使用される公知の技術であり、ストリーム内で同時に送信されるシンボルの集合体に対するエラー確率に対する上限(upper bound)を決定する。特定のストリームの送信されたシンボルは、シンボルの コンストレーション（信号点配置）から引き出される。シンボルエラー確率対ＳＮＲ(信号対ノイズ比)のカーブは、Additive White Gaussian Noise(ＡＷＧＮ)チャネルを仮定した特定のストリームのシンボルコンストレーションに対し生成される。ＳＮＲは、信号パワーのノイズパワーに対する比率である。エラー確率対ＳＮＲカーブは、公知の方法あるいは統計により得られる。修正合併限界を用いて計算されたエラー確率値に対する上限（Ｐ_ｅ）をシンボルエラー確率対ＳＮＲカーブに適用してＳＮＲ値を得る。
【００１３】
このＳＮＲ値を用いてそのストリームに対する適正なデータレートを決定する。ここでデータレートは、複数のストリームに効率的に割り当てられるべき資源である。システムは 変調と符号化のセット（Modulation and Coding Set(ＭＣＳ)）の様々な構成のいずれかに従って、シンボルの組みを用いて送信することを選択することができる。ＭＣＳの各構成要素は、変調系とエラー修正符号化系に関連づけられている。要するにＭＣＳの各構成要素は、特定のデータレートを決定する。更にまたＭＣＳの各構成要素は、特定の組みの符号化シンボルあるいはコードワードに関連づけられているかあるいはそれらを生成することができる。ＡＷＧＮチャネルに対するコードワードエラー確率対ＳＮＲカーブが生成される。
【００１４】
シンボルエラー確率対ＳＮＲのカーブから計算されたＳＮＲ値を、カーブの組み（コードワードエラー確率対ＳＮＲ）に適用し、エラー確率を小さく維持しながら、最高のデータレートをその特定のストリームに与えるＭＣＳを選択する。上記のプロセスは各ストリームに対し繰り返され、これによりデータレートが、ＡＰＰ復号化でもって各ストリームに対し計算されるようになる。従ってどの様なストリームに対しても適正なデータレート（あるいは他の資源）が個別に決定され、これにより通信システムの資源を効率的に使用できるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、通信システムの少なくとも１個のストリームに資源を効率的に割り当てる方法を提供する。本発明の方法は、通信チャネルを介してストリームから信号を受信する通信システムの受信器でＡＰＰ復号化プロセスを実行することにより行われる。本明細書では、各ストリームから見たチャネル特性を決定するプロセスを開示し、かくして通信システムの各ストリームに適正の量の資源を割り当てることができるようにするものである。本発明は、修正合併限界 (Modified Union bounds）を用いてストリーム毎のチャネル特性を決定する。
【００１６】
各ストリームに対する修正合併限界が決定されるが、この各修正合併限界は、以下の３つのパラメータの関数（組み合わせ）である。即ち（１）受信器から見たチャネルマトリックスと、（２）ストリームからの信号の送信パワーと、（３）ノイズはガウス統計分布に従い平均値が０であるという仮定の基での通信チャネルのノイズの分散値(variance)である。 Ｑ(ｘ)関数を用いて修正合併限界を決定する。ここでｘは３個のパラメータの組み合わせを表す。修正合併限界は、特定のストリームに対し送信された特定のシンボルのエラー確率値に対する上限（Ｐ_ｅ）を与える。
【００１７】
修正合併限界は合併限界に基づいており、これは通信システムで使用される公知の技術であり、ストリーム内で同時に送信されるシンボルの集合体に対するエラー確率に対する上限(upper bound)を決定する。特定のストリームの送信されたシンボルは、シンボルの コンストレーション（信号点配置）から引き出される。シンボルエラー確率対ＳＮＲ(信号対ノイズ比)のカーブは、Additive White Gaussian Noise(ＡＷＧＮ)チャネルを仮定した特定のストリームのシンボルコンストレーションに対し生成される。ＳＮＲは、信号パワーのノイズパワーに対する比率である。エラー確率対ＳＮＲカーブは、公知の方法あるいは統計により得られる。修正合併限界を用いて計算されたエラー確率値に対する上限（Ｐ_ｅ）をシンボルエラー確率対ＳＮＲカーブに適用してＳＮＲ値を得る。
【００１８】
このＳＮＲ値を用いてそのストリームに対する適正なデータレートを決定する。ここでデータレートは、複数のストリームに効率的に割り当てられるべき資源である。システムは 変調と符号化のセット（Modulation and Coding Set(ＭＣＳ)）の様々な構成のいずれかに従って、シンボルの組みを用いて送信することを選択することができる。ＭＣＳの各構成要素は、変調系とエラー修正符号化系に関連づけられている。要するにＭＣＳの各構成要素は、特定のデータレートを決定する。更にまたＭＣＳの各構成要素は、特定の組みの符号化シンボルあるいはコードワードに関連づけられているかあるいはそれらを生成することができる。ＡＷＧＮチャネルに対するコードワードエラー確率対ＳＮＲカーブが生成される。
【００１９】
シンボルエラー確率対ＳＮＲのカーブから計算されたＳＮＲ値を、カーブの組み（コードワードエラー確率対ＳＮＲ）に適用し、エラー確率を小さく維持しながら、最高のデータレートをその特定のストリームに与えるＭＣＳを選択する。上記のプロセスは各ストリームに対し繰り返され、これによりデータレートが、ＡＰＰ復号化でもって各ストリームに対し計算されるようになる。従ってどの様なストリームに対しても適正なデータレート（あるいは他の資源）が個別に決定され、これにより通信システムの資源を効率的に使用できるようになる。
【００２０】
以下の議論を容易にするために、本発明は、２×２のアンテナシステム、即ち２本の送信用アンテナが、チャネルマトリックスＨを有する通信チャネルを介して２本の受信用アンテナに信号を送信する例を基に説明する。チャネルマトリックスＨは、送信器と受信器との間の全体チャネルを特徴づける公知のパラメータである。しかし本発明は、アンテナあるいは特定の種類の送信器デバイスに限定されるものではない。
【００２１】
更にまた本発明の方法は、ストリーム毎のレート制御方法であり、信号ストリームの発信及び信号ストリームが伝搬する通信システムの種類も本発明の解釈にには影響しない。通常ストリームは、チャネルビットをデジタル変調によるシンボルに符号化することにより形成された符号化シンボルからなり、チャネルビットは、チャネル符号化により符号化情報ビットから構成される。一般的にストリームは、チャネルマトリックスＨを有する通信チャネルを介して複数の送信器（例、アンテナ）により送信される。本発明の方法は、フラットフェージングチャネルと周波数選択性チャネルの両方に適用可能である。
【００２２】
その後ストリームは、線形または非線形の空間−時間ブロック符号により符号化される。空間−時間 (space-time) ブロック符号は、送信用アンテナから符号化シンボルあるいはコードワードを送信するが、これは、ある時間において、１個または複数個のストリームからの符号化シンボルを組み合わせて行われる。この組み合わせ操作は、線形あるいは非線形のいずれかである。線形空間−時間ブロック符号の特別な場合は、ストリームの数が送信用アンテナの数に等しい場合であり、個別の送信用アンテナから各ストリームを送信する。多くの場合、線形空間−時間ブロック符号とチャネルマトリックスの影響は、ストリームが受信器に到着する前に、チャネルマトリックスとして有効に見ることができる適切なマトリックスにより表すことができる。
【００２３】
図１に本発明の方法のフローチャートを示す。ステップ１００においてストリームに対するエラー確率の上限が、以下に述べるストリームに対し、修正合併限界を計算することにより計算される。一般的にＭ個の送信用アンテナとＮ個の受信用のアンテナのシステムに対しては、対応するＮ×Ｍチャネルマトリックスが存在する。上記したＭ＝Ｎ＝２で、かつ線形空間−時間ブロック符号は上記の特別な場合においては、２個のストリームが送信用アンテナから直接送信される。ここである時点で、ストリームが使用することのできる全部でＬ個の異なるベクトルシンボルがあるものとする。
【００２４】
Ｍ個のストリームに対しては、ベクトルシンボルは、ある時点でＭ個のストリームのシンボルからなるベクトルである。この数Ｌは、送信用アンテナが使用する変調の関数である。例えば、２本の送信用アンテナシステムで、ＱＰＳＫと、直交位相シフトキーイング (Quadrature Phasw Shift Keying)と、１６ＱＡＭと、直交振幅変調、(Quadrature Amplitude Modulation)が、ストリーム１、２に対しそれぞれ用いられると、Ｌは６４である。合併限界によりエラー確率に対する上限が計算されるが、これは解析的表現が実際に利用できるような対方式の確率(pair-wise probability)を用いて行われる。
【００２５】
ｊ番目（ｊ＝１，２…Ｍ)のストリームから送信されたシンボルのエラー確率を計算する式は、次の通りである
【数１】

ここで和は全てのベクトルシンボルｓとｃに対し行われ、Ｐ(c,s)はベクトルシンボルｓが送信され、ベクトルシンボルｃとして誤って復号化された場合のエラー確率を表す。ただし２個のベクトルシンボルｃとｓのみが送信されているものと仮定している。ベクトルシンボルｃ_ｊ，ｓ_ｊはそれぞれｃとｓのｊ番目の要素を表す。上記の式においては、どの様なｓに対しても、高いＰ(c,s)を有するわずかな数のベクトルシンボルｃに対し演算すればよい。
【００２６】
エラーの対方式の確率式は次の通りである。
【数２】

ここでΛは実の対角行列（マトリックス）を表し、対角要素の和の二乗はストリームの全送信パワーに等しい。Ｈは２×２チャネルマトリックスであり、Ｑは通信理論で通常用いられる数式である。Ｑは次に表されるような関数である。
【数３】

【００２７】
上記の式において、受信用アンテナでのノイズは、平均が０で、分散がＮ_０のＩ．Ｉ．Ｄ(Independent and identically distributed)のガウス分布を仮定している。ノイズがガウス分布ではなくＩ．Ｉ．Ｄの場合には、原理的に修正合併限界を計算して、ノイズの統計特性を用いてストリーム毎に確率に対する上限を決定することができる。
【００２８】
修正合併限界技術により上記のように計算されたシンボルエラー確率は１以上のこともあり得る。この様な場合エラーの計算された確率は、１もしくはそれ以下に限定する。Ｑ関数は、複数のｘの値に対し複数のＱ(ｘ)値を含むルックアップテーブルとして実現することができる。
【００２９】
ステップ１０２において、エラー確率値に対する上限を、ストリームにより送信されるシンボルの全体コンストレーション(constellation)平均値から生成されたシンボルの確率対ＳＮＲカーブに適用する。このカーブを作るに際しチャネルは Additive White Gaussian Noiseであると仮定した（ＡＷＧＮでゲインが１で変動せず、ノイズはガウス分布をとりかつ異なった時点でとられた２個のノイズサンプルは独立であると仮定する。）ＳＮＲ値は、エラー確率値に対する上限がカーブに適用されたときに得られる。
【００３０】
ステップ１０４において、ステップ１０２から得られたＳＮＲ値をＡＷＧＮチャネルに対するコードワードエラー確率の組みとＳＮＲカーブに適用する。各ストリームはＭＣＳの選択された構成要素ごとに送信される。コードワードエラー確率カーブは Modulatino Coding Set (ＭＣＳ)から公知の方法で得られる。チャネルはＡＷＧＮを仮定している。ＭＣＳの一例は次の通りである。
【００３１】

【００３２】
ＭＣＳは、特定の変調系と符号化系に関連するデータレートを規定する。符号化とは、冗長性を情報ストリームに導入してデータをノイズから保護する技術である。情報のストリームからシンボルがそのまま送信された場合には、ＭＣＳの構成要素である変調と符号化とコードワードが得られる。コードワードエラー確率対ＳＮＲカーブは、ＭＣＳ構成要素のコードワードの全部の組みの全体平均である。図２を参照すると、ステップ１０２で得られたＳＮＲがＳＮＲ_０と仮定している。
【００３３】
コードワードエラー確率対ＳＮＲカーブを用いて、エラーＰ_ｅ０とＰ_ｅ１の対応する確率がＭＣＳ３とＭＣＳ４カーブから得られる。ＳＮＲ_０に対する対応するエラー確率の値を有するカーブの数は、ＳＮＲ_０に関するＭＣＳに対する様々なカーブの分布に依存する。ＭＣＳ構成要素はステップ１０２から得られたＳＮＲ値をＭＣＳの全てのカーブあるいはいずれかのカーブに適用し、エラー確率を比較的低く（例えば、所定の値以下）維持しながら最高のデータレートを生成するカーブを選択することにより選択される。
【００３４】
図２に示す例においては、計算されたＳＮＲ_０の値は、カーブＭＣＳ４，ＭＣＳ３，ＭＣＳ２と交差してそれぞれエラー確率Ｐ_ｅ４，Ｐ_ｅ３，Ｐ_ｅ２が得られる。カーブＭＣＳ４はカーブＭＣＳ３よりも高いデータレートを有するように見えるにもかかわらず、カーブＭＣＳ３が選択される。その理由はＰ_ｅ３はＰ_ｅ４よりも遙かに小さく見えるからである。ＭＣＳ２は更に低いエラー確率を有するが選択されない。その理由はＭＣＳ２はＭＣＳ３のデータよりも低いデータレートを有するからである。本発明の目的は、データレートをできるだけ大きく維持しながらエラー確率を小さくすることである。
【００３５】
本発明の他の実施例においては、ストリームはそれらが空間−時間符号化された後、送信器からマトリックスＧを介して送信される。マトリックスＧは、所定のマトリックスの群から選択されたものであり、受信器はこれらの群からＧを選択し、その選択した結果をフィードバックチャネルを介して送信器に送る。送信器から見て効率的なチャネルはＨＧ（即ち、マトリックスＨとマトリックスＧをかけたもの）となり、受信器は有効チャネルにより信頼性高くサポートされているデータレートを最大にするＧを選択する。かくして送信器から見たチャネルが変更され信頼性高くサポートすることのできるデータレート改善する。
【００３６】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載した参照番号がある場合、その参照番号は、発明の容易な理解のためで、その技術的範囲を制限するよう解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を表すフローチャート図。
【図２】本発明の方法を採用した通信システムで用いられるＭＣＳの４個の構成要素に対するコードワードエラー確率対ＳＮＲカーブを表す図。
【符号の説明】
１００ 複数のストリームに対しエラー確率に対する上限を計算する。
１０２ 計算された上限をＳＮＲ値を得るためにストリームシンボルのコンス トレーション全体平均から得られたシンボルエラー確率対ＳＮＲカー ブに適用する。
１０４ このＳＮＲ値をコードワードのエラー確率群対ＳＮＲカーブに適用 してそのストリームに対する適正なデータレートを得る。

Claims (5)

1. 通信システムの通信チャネルを介して複数の送信器から送信された情報の複数のストリームに対しデータレートを割り当てる方法であって、
   （Ａ）特定のデータレートを有する変調と符号化セット（ＭＣＳ）の特定の構成要素及びコードワードエラー確率を選択してストリームに割り当てられるべきデータレートを選択するために、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）値をコードワードエラー確率対信号対ノイズ比（ＳＮＲ）カーブに適用するステップであって、前記ＳＮＲ値が、該ストリームに対するエラー確率に対する上限を、該ストリームで用いられるシンボルの群の全体平均に基づいたシンボルエラー確率対ＳＮＲカーブに適用することにより得られる、ステップ
   からなる方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記ストリームが通信システムの送信用アンテナにより送信される方法。
3. 請求項１記載の方法において、前記ストリームが、空間−時間ブロック符号により符号化され、その後通信システムの送信用アンテナにより送信される方法。
4. 請求項１記載の方法において、エラー確率に対する上限が、該ストリームに関連したチャネルマトリックスとチャネルノイズ統計の特性とパワーからの修正合併限界を計算することにより得られる方法。
5. 請求項１記載の方法において、前記ストリームが送信前にマトリックスＧを通過させられて該ストリームから見たチャネルマトリックスをＨＧに変換し、Ｈは所定のチャネルマトリックスであり、Ｇは、チャネルがより高いデータレートを処理できるように選択された所定のマトリックスである方法。

Images