JP4694479B2 - 多入力／多出力無線通信システムにおいてデータシンボルの入力ストリームを送信する方法及び装置 - Google Patents

多入力／多出力無線通信システムにおいてデータシンボルの入力ストリームを送信する方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、包括的には無線通信システムに関し、特に、多入力多出力無線通信システムにおいてアンテナを選択することに関する。
多入力多出力（ＭＩＭＯ）アンテナシステムは、将来の３Ｇ及び４Ｇ規格に従って設計された無線通信システムにおいて配備されるように想定されている。複数アンテナは、高データレートをサポートし、固定帯域幅の無線チャネルにおいて複数のユーザに対し高レートサービスと低レートサービスとをともに提供する携帯電話システムに対し容量及びカバレッジを増大させる。複数アンテナシステムは、空間多重化及び送信ダイバーシティを使用してチャネルの空間特性を利用する。
空間多重化では、複数のデータストリームが複数のアンテナから同時に送信され複数のアンテナによって受信される。これについては、フォスチーニ（Foschini）他著、「On Limits Of Wireless Communications in a Fading Environment when Using Multiple Antennas」、Wireless Pers. Commun., pp.311-335, 1998を参照されたい。チャネルの理論的容量を達成するように試みる複数のアーキテクチャが知られている。これについては、フォスチーニ他著、「Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple Antennas」、Bell Labs Tech.J., Vol.1, no.2, pp.41-59, 1996、ウォルニアンスキー（Wolniansky）他著、「V-BLAST: An Architecture for Realizing Very High Data Rates Over the Rich-Scattering Wireless Channel」、ISSSE, pp.295-299, 1998及びセラテュライ（Sellathurai）他著、「TURBO-BLAST for Wireless Communications: Theory and Experiments」、IEEE Trans. Commun., vol.50, no.10, pp.2538-2546, Oct. 2002を参照されたい。
送信ダイバーシティでは、受信機において信号のダイバーシティ次数が増大するように、同じデータストリームが複数の送信アンテナを通じて送信される。これについては、アンダーソン（Anderson）著、「Antenna Arrays in Mobile Communications: Gain, diversity and Channel capacity」、IEEE Antennas Propagat. Mag., vol.42, pp.12-16, Apr.2000を参照されたい。
閉ループ（ＣＬ）ダイバーシティシステムは、送信機においてチャネルに関する情報を利用する。これについては、サンデル（Sandell）著、「Analytical analysis of transmit diversity in WCDMA on fading multipath channels」、IEEE Int. Symp. on personal, Indoor and Mobile Radio Commun., 1999を参照されたい。開ループ（ＯＬ）システムは、チャネル情報を利用しない。これについては、タローク（Tarokh）他著、「Space Time Codes for High Data Rate Wireless Communication」、IEEE Trans. Inform. Theory, vol.44, pp.744-765, 1999及びアラモウチ（Alamouti）著、「A simple transmit diversity technique for wireless communications」、IEEE J. Selected Areas in Commun., vol.16, Oct., pp.1451-1458, 1998を参照されたい。
時空間送信ダイバーシティ（space time transmit diversity）（ＳＴＴＤ）の場合、送信ダイバーシティ技法は、２つの送信アンテナと少なくとも１つの受信アンテナとを必要とする。これについては、3GPP Standard TR25.211、「Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (FDD)」、v5.4.0, 06/2003を参照されたい。より多くの送信アンテナ及び受信アンテナに対する複数アンテナソリューションもまた、3GPP、「TR25.869: Transmitter diversity solutions for multiple antennas」、vl.2.0, Sep.2003及び「TR25.876: Multiple Input Multiple Output (MIMO) Antennae in UTRA」、vl.3.0, Feb.2004を参照されたい。
空間多重化はより高いデータレートを提供し、無線リンクのスペクトル効率を向上させ、送信及び受信ダイバーシティは、時間変化する無線チャネルにおいて単一ストリーム送信をより信頼性の高いものにする。それにより、許容可能なカバレッジの範囲及びエリアが増大する。そこで、達成可能なダイバーシティと空間多重化利得との間に基本的なトレードオフがある。これについては、チェン（Zheng）及びツェ（Tse）著、「Diversity and Multiplexing: A Fundamental Tradeoff in Multiple-Antenna Channels」、IEEE Transactions on Information Theory, Vol.49, No.5, pp.1073-1096, May 2003を参照されたい。
別の問題は、ユーザ端末（ＵＥ）、たとえば、小型で、ハンドヘルドの、携帯電話が収容することができるアンテナ素子の数である。ＳＴＴＤに基づく方式、たとえば、ホーン（Horng）他により２００２年７月３１日に出願された「MIMO Systems with Rate Feedback and Space Time Transmit Diversity」と題する米国特許出願第１０／２０９，３０６号に記載されているような、サブグループレート制御を伴う二重時空間送信ダイバーシティ（double space time transmit diversity with subgroup rate control）（ＤＳＴＴＤ−ＳＧＲＣ）では、送信信号を適当に復号するために、受信アンテナの数が送信アンテナの数のわずか半分であることが必要である。
最大比送信（maximum ratio transmission）（ＭＲＴ）等の純粋な送信ダイバーシティ技法は、受信アンテナの数に対しいかなる最低要件も課さない。Ｖ−ＢＬＡＳＴ及び他の同様の技法では、少なくとも送信アンテナ程度の数の受信アンテナが必要である。たとえば、４つの送信アンテナに対し、ＤＳＴＴＤ−ＳＧＲＣでは２つのアンテナが必要であり、Ｖ−ＢＬＡＳＴでは４つの受信アンテナが必要であり、ＭＲＴでは１つの受信アンテナが必要である。
多入力／多出力無線通信システムにおいてデータシンボルの入力ストリームを送信する方法である。入力ストリームはＭ個のサブストリームに逆多重化される。
Ｍ個のサブストリームの各々はチャネル状態に従って適応的に変調され且つ符号化されて符号化サブストリームにされる。Ｍ個の符号化サブストリームの第１のサブストリームは時空間送信ダイバーシティ符号化されて、２つの時空間送信ダイバーシティ符号化サブストリームにされる。２つの送信アンテナのうち１つの各々に、１つの時空間送信ダイバーシティ符号化サブストリームがある。
他の符号化サブストリームの各々は、対応する残りのＭ−１個の送信アンテナのうちの１つによって直接送信される。
本発明は、空間チャネルのダイバーシティ次数を増大させるために時空間送信ダイバーシティ（ＳＴＴＤ）符号化を使用する送信機と下位互換性がある送信機を提供する。この送信機は、複数の独立したデータストリームを同時に送信し、必要な受信アンテナが送信アンテナより少ない。独立したデータストリームの各々に対して適応変調符号化（ＡＭＣ）を適用することにより、異なるチャネル状態を必要な性能に適合させ、より高いシステム容量を達成する。
図１は、本発明による多入力多出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムの送信機１００を示す。送信機１００は、Ｍ＋１個の送信アンテナを有する。アンテナの第１の対に１４０を付し、残りのＭ−１個の単一アンテナに１４５を付す。
データストリームＸ１０１は、結合ストリーム選択スイッチ・デマルチプレクサ（demux）１１０に提供される。デマルチプレクサ１１０は、ストリーム１０１を最大Ｍ個のサブストリーム１１１〜１１３に分割する。第１のサブストリームは、アンテナの第１の対１４０に供給され、残りのＭ−１個のサブストリームの各々は、残りのＭ−１個の単一アンテナ１４５の対応するものに直接供給される。
受信機５００からフィードバックされるチャネル状態１６０、又は下位互換性等の他の制約に応じて、Ｍ＋１個のアンテナのうちのいくつかを、スイッチ（SW）１０２によってオフにするか又は選択から除外することができる。これらを「非アクティブ」アンテナと呼ぶ。残りの「アクティブ」アンテナは、レート・変調選択ブロック１５０によって確定されるチャネル状態１６０に基づいて、特定の符号化レート及び変調でサブストリームを送信する。さらなる詳細については関連する出願を参照されたい。当然ながら、アンテナのうちのいくつかを除外することは、デマルチプレクサがより少ない数のサブストリームを生成することを意味する。
第１のサブストリーム１１１は、ＳＴＴＤ符号器１３０を介して２つの送信アンテナ１４０によって送信される。残りのサブストリーム１１２〜１１３の各々は、単一アンテナ１４５の対応するものによって送信される。
２つのシンボルの持続時間の間、ＳＴＴＤ符号器１３０は、第１のストリーム１１１の情報シンボルＸ１１及びＸ１２を取り込み、
Figure 0004694479
として、シンボルの２つの対１３１を出力する。ここで、＊は複素共役を示し、各行（対）は、２つの送信アンテナ１４０のうちの特定の１つに対する出力を表す。
他方のアクティブなサブストリームは、２つの情報シンボルＸｉ１及びＸｉ２を取得し、
Figure 0004694479
としてシンボルを直接送信する。ここで、ｉはサブストリーム番号である。
拡散及びスクランブル処理
ＷＣＤＭＡシステムでは、ＳＴＴＤブロック１３０の出力はさらにＮ個のストリームに逆多重化される。ここで、Ｎは、割り当てられる直交可変拡散率（ＯＶＳＦ）符号の数である。各ストリームは、そのそれぞれのＯＶＳＦ符号（ＯＣ）を用いて拡散され、その後、対応するスクランブル符号（ＳＣ）を用いてスクランブルされる。そして、スクランブルされたストリームは結合され、ストリームがＳＴＴＤを使用するか否かに応じて１つ又は２つのアンテナから送信される。さらなる詳細については、関連する出願を参照されたい。
受信機構造
送信アンテナの数は（Ｍ＋１）である。入力データストリーム１０１を一意に復号するために、受信機は少なくともＭ個のアンテナを有する。これを表Ａに要約する。
Figure 0004694479
本発明による送信機は、Ｄ−ＳＴＴＤベースの送信機構造とＶ−ＢＬＡＳＴベースの送信機構造との妥協点を提供する。
図２は、代替実施形態を示す。この送信機では、最初の２つのサブストリームは対応する送信アンテナの対に供給される。この場合、Ｍ個のサブストリームに対し、送信機２００はＭ＋２個の送信アンテナを有する。アンテナの最初の２つの対には１４０を付し、残りのＭ−２個の単一アンテナには１４５を付す。
本発明の精神及び範囲内で他のさまざまな適合及び変更を実施してもよい、ということが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内にあるすべてのこうした変形及び変更を網羅することである。
本発明による送信機のブロック図である。 本発明の代替実施形態による送信機のブロック図である。

Claims (6)

  1. 多入力／多出力無線通信システムにおいてデータシンボルの入力ストリームを送信する方法であって、
    前記入力ストリームをＭ個のサブストリームに逆多重化すること、
    前記Ｍ個のサブストリームの各々を符号化サブストリームに適応的に変調し且つ符号化すること、
    前記Ｍ個の符号化サブストリームの第１のサブストリームを時空間送信ダイバーシティ符号化して、２つの時空間送信ダイバーシティ符号化サブストリームにすることであって、１つの時空間送信ダイバーシティ符号化サブストリームは、２つの送信アンテナのうちの対応する１つによって送信されること、
    及び
    他の符号化サブストリームの各々を対応する単一送信アンテナによって直接送信すること
    を含む、多入力／多出力無線通信システムにおいてデータシンボルの入力ストリームを送信する方法。
  2. 各送信アンテナに対する関連チャネルのチャネル状態を受信機からフィードバックすること、
    及び
    前記チャネル状態に基づいて各サブストリームに対する最大データレート及び変調を選択することをさらに含む
    請求項１記載の方法。
  3. 前記チャネル状態は、前記受信機において受信される前記出力ストリームの信号対干渉雑音比を測定する
    請求項２記載の方法。
  4. 各出力ストリームを複数の逆多重化出力ストリームに逆多重化すること、
    前記複数の逆多重化出力ストリームの各々に直交可変拡散率を乗算すること、
    乗算の後に、各出力ストリームに対する前記逆多重化出力ストリームを加算して、各出力ストリームに対応する合計出力ストリームにすること、
    及び
    各合計出力ストリームにスクランブル符号を乗算することをさらに含む
    請求項１記載の方法。
  5. 前記チャネル状態に基づいてサブストリームの前記数Ｍを選択することをさらに含む
    請求項２記載の方法。
  6. 多入力／多出力無線通信システムにおいてデータシンボルの入力ストリームを送信する装置であって、
    Ｍ＋１個の送信アンテナと、
    前記入力ストリームを逆多重化してＭ個のサブストリームにするように構成されたデマルチプレクサと、
    前記Ｍ個のサブストリームの各々を適応的に変調し且つ符号化して符号化サブストリームにするＭ個の手段と、
    前記Ｍ個の符号化サブストリームの第１のサブストリームを時空間送信ダイバーシティ符号化して、２つの時空間送信ダイバーシティ符号化サブストリームにする手段であって、１つの時空間送信ダイバーシティ符号化サブストリームが２つの送信アンテナのうちの対応する１つによって送信される手段と、
    他のＭ−１個の符号化サブストリームの各々を対応する単一送信アンテナによって直接送信する手段と
    を備える、多入力／多出力無線通信システムにおいてデータシンボルの入力ストリームを送信する装置。
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