JP4819807B2 - Ofdmaのための専用パイロットトーンを用いた反復的なチャネルおよび干渉推定 - Google Patents

Ofdmaのための専用パイロットトーンを用いた反復的なチャネルおよび干渉推定 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2004年12月22日に出願された米国仮出願第60/639,157号(“Iterative Channel And Interference Estimation With Dedicated Pilot Tones For OFDMA”)、および2004年7月16日に出願された米国仮出願第60/588,646号(“Iterative Channel and Interference Estimation with Dedicated Pilots”)の米国特許法第119条のもとでの恩恵を主張しており、これらの内容は、本明細書において参照によって全体的に取り入れられている。
本開示は、無線ディジタル通信システム、より詳しくは、このようなシステムにおけるチャネル特性および干渉レベルの推定に関する。
無線ディジタル通信およびデータ処理システムに対する需要は、増加傾向にある。ほとんどのディジタル通信チャネルに付きまとうものは、データを含んでいるフレーム、パケット、またはセルを転送するときに取り込まれるエラーである。このようなエラーは、電気的干渉または熱雑音によってしばしば引き起こされる。データ送信の誤り率は、部分的に、データを運ぶ媒体に依存する。銅ベースのデータ送信システムの標準ビット誤り率は、10−6程度である。光ファイバの標準ビット誤り率は、10−9以下である。他方で、無線送信システムは、10−3以上の誤り率をもち得る。無線送信システムの比較的に高いビット誤り率は、そのようなシステムを介して送信されたデータの符号化および復号において、ある特定の問題を呈する。一部は、その数学的な取り扱い易さのために、一部は、広範なクラスの物理的通信チャネルへの適用のために、加法的白色ガウス雑音(additive white Gaussian noise, AWGN)モデルが、ほとんどの通信チャネルにおける雑音を特徴付けるのにしばしば使用される。
データは、しばしば、送信機において、制御されたやり方で、冗長を含んで、符号化される。冗長は、チャネルによって送信されている間にデータに取り込まれる雑音および干渉を克服するために、受信機によって後で使用される。例えば、送信機は、ある符号化方式にしたがって、kビットをnビットで符号化し得る(なお、nは、kよりも大きい)。データの符号化によって取り込まれる冗長の量は、n/kの比率によって判断され、この逆は、符号率と呼ばれる。nビットの列を表わす符号語は、符号器によって生成され、通信チャネルとインターフェースしている変調器へ送られる。変調器は、各受信系列をシンボルへマップする。Mに関するシグナリング(M-ary signaling)において、変調器は、各nビットの列を、M=2n個のシンボルの1つへマップする。2進形式以外のデータが符号化されることもあるが、一般に、データは、2進数字の列によって表わすことができる。
しばしば、チャネルおよび干渉のレベルを推定することが望まれる。順方向リンク(forward link, FL)上では、共通パイロットシンボルが使用されていることが知られている。直交周波数分割多重化(orthogonal frequency multiplexing, OFDMA)システムでは、このような共通パイロットシンボルは、通常、全ユーザによって共有される帯域幅全体に散在させられている。従来の単一アンテナの送信では、このような共通パイロットシンボルが、FLのチャネル推定のために、全ユーザによって使用され得る。セルラの応用では一般的である帯域幅およびチャネルのコヒーレンス時間値は、共通パイロットトーンをとくに便利に表現する。しかしながら、共通パイロットシンボルは、全ユーザに同報通信され、したがって、ユーザ別の署名(signature)を運ぶように適応させられていない。
時間と共に変化するマルチキャリア マルチユーザシステムにおけるチャネル特性および干渉レベルの推定は、同時に行われる。推定を行うために、多数のデータシンボルおよび専用パイロットシンボルが、チャネル上で送信される。次に、干渉レベルの初期推定値が選択される。干渉レベルの初期推定値は、受信パイロットシンボルと一緒に使用され、チャネルの第1の推定値を与える。チャネルの第1の推定値は、干渉レベルの新しい更新された値を判断するのに使用され、次に、その新しい更新された値が、チャネルの第1の推定値を反復的に更新するのに使用される。干渉レベルおよびチャネルの反復的に更新された値が、所定の範囲を満たすまで、反復は続く。その後で、データシンボルおよびチャネルの最後に更新された値が、チャネルの第2の推定値を与えるために使用される。
Figure 0004819807
Figure 0004819807
mは、周波数および時間におけるチャネルの自由パラメータの数(自由度)を表わすので、mは、著しく性能を損なうことなく、Nよりも、より小さくなるように選択され得る。したがって、1つの実施形態では、mは、Nよりも、2分の1以下に、より小さくなるように選択され得る。別の実施形態では、Nは、mの上限を定め得る。OFDMAシステムの幾つかの実施形態では、mは、10未満であるように選択され得る。部分的に、mに影響を与える要素は、一方では、希望の性能であり、他方では、複雑さである。
本開示にしたがって、時間と共に変化するマルチキャリア マルチユーザOFDMAシステムにおけるチャネル特性および干渉レベルの推定は、同時に行われる。本開示にしたがって、チャネルおよび干渉レベルを推定するために、順方向リンク(FL)送信において、多数のパイロットシンボルが、データシンボルに隣り合って配置される。OFDMAシステムでは、周波数および時間全体におけるチャネルの補間を達成するために、一般に、専用パイロットシンボルが、ユーザのトラヒック帯域内に、ある程度均等に置かれる。共通パイロットシンボル対専用パイロットシンボルの相対帯域幅効率は、共通パイロットで推定される、総共有帯域幅に対応する広帯域チャネルにおける自由度の総数と、ユーザ当たりに割り振られた狭帯域のサブチャネルの自由度の数を、この狭帯域のサブチャネル数によって乗算したものとの比較に関係する。
本開示の1つの態様にしたがう、専用パイロットトーンの使用は、多数の長所を与える。第1に、とくに、干渉レベルが任意の所定のサブチャネル全体で準静的であると仮定され得る同期マルチセル設計において、ユーザのトラヒック帯域幅上に散在させられた専用パイロットトーンは、ユーザによって確認される干渉レベルを推定するのに使用され得る。第2に、専用パイロットシンボルは、適応ビーム形成のような、任意のサブチャネル ユーザ センシティブ シグナリング(user sensitive signaling)のチャネル推定を支援し得る。チャネル センシティブ シグナリング(channel sensitive signaling)では、1組の専用パイロットシンボルが、希望のチャネル センシティブ シグナリングにしたがって送信され得る。知られているように、共通パイロットシンボルは、全ユーザに同報通信され、したがって、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられていないのに対して、本開示にしたがって、専用パイロットトーンは、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられている。
専用パイロットシンボルは、チャネルまたは干渉レベルの何れかの前の推定値なしに、チャネルおよび干渉レベルを同時に、反復的に推定するのに使用される。推定を行うアルゴリズムは、ある経験的干渉レベル値に基づくロバスト最小平均二乗誤差推定(robust minimum mean squared error estimation, RMMSE)ステップと、干渉推定ステップとを交互に行う。とくに指示されていないならば、別途記載される各スカラ量、ベクトル成分、または行列要素は、複素数であり得ることが分かる。本明細書において英数字記号を使用した標示付け(labeling)の仕様は、イタリック体記号によってスカラ量、小文字の太字記号によってベクトル、および大文字の太字記号によって行列を表わす。
図1は、示されているように、送信機/受信機12、14と送信機/受信機16、18との間の通信に使用されている無線ネットワーク10の例を示している。送信機/受信機12、14、16、18の各々は、1本または多数本の送信/受信アンテナをもち得る。別々の送信および受信アンテナが示されているが、アンテナは、信号の送信および受信の両者に使用され得る。信号が送信されるチャネルを形成する自由空間媒体は、しばしば雑音が入り、受信信号に影響を与える。雑音による干渉レベルおよび送信チャネルの特性の推定が、受信機においてしばしば行われる。
図2は、無線送信システム100の送信端の単純化されたブロック図である。無線送信システムは、一部に、符号器110、空間−周波数インターリーバ120、変調器130、160、OFDMAブロック140、170、および送信アンテナ150、180を含んでいるように示されている。変調器130、OFDMAブロック140、および送信アンテナ150は、第1の送信経路115に配置されており、変調器160、OFDMAブロック170、および送信アンテナ180は、第2の送信経路125に配置されている。無線送信システムの例示的な実施形態100は、2本の送信経路のみを含んでいるように示されているが、無線送信システム100は、3本以上の送信経路を含み得ると理解される。送信アンテナ150、180によって送信されたデータは、無線受信システムの1本以上のアンテナによって受信される。
図3は、無線送信システム200の受信端の実施形態の単純化されたブロック図である。無線送信システム200は、一部に、受信アンテナ205、255、フロントエンド(front-end, FE)ブロック210、260、復調器215、265、空間−周波数デインターリーバ220、270、および復号器225、285を含んでいるように示されている。無線送信システム200は、1対の受信送信経路を含んでいるように示されているが、無線送信システム200は、3本以上の送信経路を含み得ると理解される。
次のアルゴリズムは、無線通信システムの順方向リンク(forward link, FL)または逆方向リンク(reverse link, RL)の何れかを介して送信されたパイロットトーンを使用して、チャネルおよび干渉レベルの推定値を与える。f分の間隔を置いたN個の直交変調シンボルをもつOFDMA送信を仮定する。送信機は、図4によって示されているような、受信機に分かっている、所与の時間周波数パターンで、パイロットシンボルを送ると仮定する。さらに加えて、所与のユーザは、チャネルおよび干渉レベルを推定するために一緒に使用されるN個のデータ(すなわち、トラヒック)シンボルとN個のパイロットシンボルとを含むサブチャネルを割り当てられると仮定する。このサブチャネル内の各シンボルは、対(k,n)によって特徴付けられるように定められ、なお、kは、トーンの表示(0≦k<N)を表わし、nは、OFDMAシンボルの表示を表わす。
RMMSEの基礎となる理論を次に簡潔に記載する。SおよびSは、それぞれ、トラヒックおよび専用パイロットシンボルに関係する全トーン/OFDMAシンボルの対の組を示すと仮定する。さらに加えて、Hは、トラヒックおよびパイロットシンボルを含むN=(N+N)個のシンボルの組全体に対応する、周波数領域における、複素チャネルの振幅のN×1のベクトルであると仮定する。したがって、Hは、次のように定められ得る。
Figure 0004819807
一般性を損なうことなく、Hの最初のNのエントリ、すなわち、Η(p)は、パイロットシンボルに対応し、一方で、Hの残りのNのエントリ、すなわち、H(d)は、トラヒックシンボルに対応する。したがって、二次チャネルモデルおよび観測モデルは、次のように定められ得る。
Figure 0004819807
なお、Eは、パイロットシンボル当たりのパイロットエネルギであり、Iは、パイロット/トラヒックシンボル当たりの結合された干渉および雑音エネルギであり、nは、ゼロ平均単位の分散循環ガウスで全く同じように分布させられた独立であると仮定される正規化された干渉であり、Rは、チャネルの予想されるN×Nの共分散行列である。式(1)において、単純化のために、パイロットシンボルは、単位値をもつ仮定され、例えば、パイロット値は、定数の係数(PSK)である。
次に示されているように、式(1)は、それぞれ、パイロットおよびトラヒックチャネルのための最小平均二乗誤差(minimum mean squared error, MMSE)の推定値を与える。
Figure 0004819807
干渉レベルIが、受信機において分かっているとき、式(2)は、希望のトラヒックチャネルの推定値を与える。推定値の精度は、Iの値に依存する。Iを過大に推定すると、さらなる平均化を強要し、それによって、時間/周波数におけるチャネルの非相関の影響を高めることになる。Iを過小に推定すると、干渉の寄与を増加させることになる。したがって、とくに、パイロットのオーバーヘッド(N)が小さいときは、Iの知識がより正確になると、チャネルの推定がより正確になる。
Figure 0004819807
Figure 0004819807
Figure 0004819807
テーブルIにおける反復手続きの収束は、ある特定の問題を呈し得る。更新の非線形の形のために、安定性の解析は、解決困難になり得る。統計上の振る舞いにおける幾つかの発見的な要旨は、次の通りである。第1に、チャネルおよび干渉の両者の推定誤差の分散は、単調な振る舞いを示す。チャネル推定誤差の分散の低減は、干渉電力の推定誤差の低減をもたらし得る。同様に、より正確な干渉電力の推定は、チャネル推定の精度を向上し得る。
Figure 0004819807
Figure 0004819807
式(7)において、Uは、Rppのm個の主要成分に対応する固有ベクトルのN×mのユニタリー行列であり、Λは、関係付けられた非ゼロの固有値のm×mの対角行列であり、mは、Rppの数値の階数である。
次のテーブルIIは、本開示にしたがって、式(7)とテーブルIに示されているアルゴリズムとを組み合わせることによって得られ、関連代数を行うアルゴリズムを定めている擬似コードおよび関係付けられた数式である。
Figure 0004819807
対角行列の反転は、mのスカラー反転に相当する。行列BおよびUと関係付けられた値を記憶するのに、比較的大量のメモリが使用され得る。このメモリ要求は、Rppの主要成分と関係付けられた数mを切り捨てることによって低減され得る。mは、周波数および時間におけるチャネルの自由パラメータの数(自由度)を表わすので、mは、著しく性能を損なうことなく、Nよりも、より小さくなるように選択され得る。したがって、1つの実施形態において、mは、Nの2分の1以下に、より小さくなるように選択される。他の実施形態では、Nは、mの上限であり得る。OFDMAシステムの幾つかの実施形態において、mは、10未満であるように選択され得る。mに影響を与える要素は、一方では、希望の性能であり、他方では、複雑さである。
チャネルおよび干渉レベルの推定は、プログラムを形成し、例えば、中央処理ユニットによって命令/データとして実行される1つ以上のソフトウェアモジュールの種々のコードを使用して、または、チャネルおよび干渉レベルを判断するために、特別に構成された専用のハードウェアモジュールを使用して実行され得る。その代わりに、両者の実施形態において、チャネルおよび干渉レベルの推定は、ソフトウェアおよびハードウェアモジュールの組合せを使用して実行され得る。
本明細書に記載されている技術は、種々の手段によって実施され得る。例えば、これらの技術は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せにおいて実施され得る。ハードウェアの実施では、チャネル推定に使用される処理ユニットは、1つ以上の特定用途向け集積回路(application specific integrated circuit, ASIC)、ディジタル信号プロセッサ(digital signal processor, DSP)、ディジタル信号処理デバイス(digital signal processing device, DSPD)、プログラマブル論理デバイス(programmable logic devices, PLD)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(field programmable gate array, FPGA)、プロセッサ、制御装置、マイクロ制御装置、マイクロプロセッサ、本明細書に記載されている機能を行うように設計された他の電子ユニット、またはその組合せの中で実施され得る。ソフトウェアでは、本明細書に記載されている機能を行うモジュール(例えば、手続き、機能、等)を介して実施することができる。
上述で記載されたものは、1つ以上の実施形態の例を含む。もちろん、上述の実施形態を記載するために、構成要素または方法(methodology)の全ての考えられる組合せを記載することは不可能であるが、当技術において普通の技能をもつ者には、種々の実施形態の多くの別の組合せおよび並べ替えが可能であることが分かり得る。したがって、記載された実施形態は、本発明の特許請求項の意図および範囲の中に入る変更、修正、およびバリエーションを全て含むことを意図されている。さらに加えて、“含む(include)”という用語が、詳細な記述または請求項の何れかにおいて使用されている限り、このような用語は、“含む(comprising)”が、特許請求項において承接の単語(transitional word)として使用されているときに解釈されるときの“含む(comprising)”という用語と同様に包含的(inclusive)であることを意図している。
1つ以上の無線ネットワークを介して通信するように適応させられた多数の通信デバイスを示す図。 無線通信システムの送信端に配置されているブロックの幾つかの高レベルのブロック図。 無線通信システムの受信端に配置されているブロックの幾つかの高レベルのブロック図。 本開示にしたがって、チャネル特性および干渉レベルの同時推定を可能にするために、データシンボル間に配置されている多数の専用パイロットシンボルを示す図。
符号の説明
10・・・無線ネットワーク、12,14,16,18・・・送信機/受信機、100,200・・・無線送信システム、115・・・第1の送信経路、125・・・第2の送信経路、150,180・・・送信アンテナ、205,255・・・受信アンテナ。

Claims (9)

  1. 無線通信システムにおいてチャネルおよび干渉レベルを推定する方法であって、
    チャネル上で送信された多数のデータシンボルを受信することと、
    多数のデータシンボル間に配置され、チャネル上で送信された多数の専用パイロットシンボルを受信することであって、多数の専用パイロットシンボルが、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられていることと、
    周波数領域における干渉レベルに対して推定値を割り当てることと、
    干渉レベルの推定値にしたがって、受信した専用パイロットシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第1の推定値を判断することと、
    チャネルの第1の推定値および受信した専用パイロットシンボルにしたがって、干渉レベルの推定値を修正することと、
    干渉レベルの修正された推定値にしたがって、チャネルの第1の推定値を修正することと、
    干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値が、所定の条件を満たすまで、修正ステップを繰り返すことと、
    所定の条件を満たしている干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値にしたがって、受信したデータシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第2の推定値を判断することとを含む方法であって、
    Figure 0004819807
  2. 無線通信システムにおいてチャネルおよび干渉レベルを推定する方法であって、
    チャネル上で送信された多数のデータシンボルを受信することと、
    多数のデータシンボル間に配置され、チャネル上で送信された多数の専用パイロットシンボルを受信することであって、多数の専用パイロットシンボルが、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられていることと、
    周波数領域における干渉レベルに対して推定値を割り当てることと、
    干渉レベルの推定値にしたがって、受信した専用パイロットシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第1の推定値を判断することと、
    チャネルの第1の推定値および受信した専用パイロットシンボルにしたがって、干渉レベルの推定値を修正することと、
    干渉レベルの修正された推定値にしたがって、チャネルの第1の推定値を修正することと、
    干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値が、所定の条件を満たすまで、修正ステップを繰り返すことと、
    所定の条件を満たしている干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値にしたがって、受信したデータシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第2の推定値を判断することとを含む方法であって、
    Figure 0004819807
  3. が、mよりも、より大きい請求項記載の方法。
  4. 無線通信システムのチャネルおよび干渉レベルを推定するように適応させられた装置であって、
    チャネル上で送信された多数のデータシンボルを受信するように適応させられた第1のモジュールと、
    多数のデータシンボル間に配置され、チャネル上で送信された多数の専用パイロットシンボルを受信するように適応させられた第2のモジュールであって、多数の専用パイロットシンボルが、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられている第2のモジュールと、
    周波数領域における干渉レベルに対して推定値を割り当てるように適応させられた第3のモジュールと、
    干渉レベルの推定値にしたがって、受信した専用パイロットシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第1の推定値を判断するように適応させられた第4のモジュールと、
    チャネルの第1の推定値および受信した専用パイロットシンボルにしたがって、干渉レベルの推定値を修正するように適応させられた第5の修正モジュールと、
    干渉値の修正された推定値にしたがって、チャネルの第1の推定値を修正するように適応させられた第6の修正モジュールと、
    所定の条件を満たしている干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値にしたがって、受信したデータシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第2の推定値を判断するように適応させられた第7のモジュールとを含み、前記第5および第6の修正モジュールが、干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値が、所定の条件を満たすまで、それぞれの修正動作を続けるようにも適応させられている装置であって、
    Figure 0004819807
  5. 無線通信システムのチャネルおよび干渉レベルを推定するように適応させられた装置であって、
    チャネル上で送信された多数のデータシンボルを受信するように適応させられた第1のモジュールと、
    多数のデータシンボル間に配置され、チャネル上で送信された多数の専用パイロットシンボルを受信するように適応させられた第2のモジュールであって、多数の専用パイロットシンボルが、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられている第2のモジュールと、
    周波数領域における干渉レベルに対して推定値を割り当てるように適応させられた第3のモジュールと、
    干渉レベルの推定値にしたがって、受信した専用パイロットシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第1の推定値を判断するように適応させられた第4のモジュールと、
    チャネルの第1の推定値および受信した専用パイロットシンボルにしたがって、干渉レベルの推定値を修正するように適応させられた第5の修正モジュールと、
    干渉値の修正された推定値にしたがって、チャネルの第1の推定値を修正するように適応させられた第6の修正モジュールと、
    所定の条件を満たしている干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値にしたがって、受信したデータシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第2の推定値を判断するように適応させられた第7のモジュールとを含み、前記第5および第6の修正モジュールが、干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値が、所定の条件を満たすまで、それぞれの修正動作を続けるようにも適応させられている装置であって、
    Figure 0004819807
  6. が、mよりも、より大きい請求項記載の装置。
  7. 無線通信システムのチャネルおよび干渉値を推定するように適応させられた装置であって、
    チャネル上で送信された多数のデータシンボルを受信する手段と、
    多数のデータシンボル間に配置され、チャネル上で送信された多数の専用パイロットシンボルを受信する手段であって、多数の専用パイロットシンボルが、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられている、受信する手段と、
    周波数領域における干渉レベルに対して推定値を割り当てる手段と、
    干渉の第1の推定値にしたがって、受信した専用パイロットシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第1の推定値を判断する手段と、
    チャネルの第1の推定値および受信した専用パイロットシンボルにしたがって、干渉レベルの推定値を修正する手段と、
    干渉レベルの修正された推定値にしたがって、チャネルの第1の推定値を修正する手段と、
    所定の条件を満たしている干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値にしたがって、受信したデータシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第2の推定値を判断する手段とを含み、前記修正する手段が、干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値が、所定の条件を満たすまで、それぞれの修正動作を続けるようにも適応させられている装置であって、
    Figure 0004819807
  8. 無線通信システムのチャネルおよび干渉値を推定するように適応させられた装置であって、
    チャネル上で送信された多数のデータシンボルを受信する手段と、
    多数のデータシンボル間に配置され、チャネル上で送信された多数の専用パイロットシンボルを受信する手段であって、多数の専用パイロットシンボルが、ユーザ別の署名を運ぶように適応させられている、受信する手段と、
    周波数領域における干渉レベルに対して推定値を割り当てる手段と、
    干渉の第1の推定値にしたがって、受信した専用パイロットシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第1の推定値を判断する手段と、
    チャネルの第1の推定値および受信した専用パイロットシンボルにしたがって、干渉レベルの推定値を修正する手段と、
    干渉レベルの修正された推定値にしたがって、チャネルの第1の推定値を修正する手段と、
    所定の条件を満たしている干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値にしたがって、受信したデータシンボルによって定められる、周波数領域におけるチャネルの第2の推定値を判断する手段とを含み、前記修正する手段が、干渉レベルおよびチャネルの修正された推定値が、所定の条件を満たすまで、それぞれの修正動作を続けるようにも適応させられている装置であって、
    Figure 0004819807
  9. が、mよりも、より大きい請求項記載の装置。
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