JP4870209B2

JP4870209B2 - 移動無線装置のドップラー周波数の決定

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Publication number: JP4870209B2
Application number: JP2009514519A
Authority: JP
Inventors: アラマウティ，シアヴァシュ; チョイ，ヤン−ソク
Original assignee: インテルコーポレイション
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: EP2033395A4; CN101438556A; JP2009540692A; WO2007146713A1; US7801084B2; US20070286298A1; EP2033395A1

Description

本発明の実施例は、無線通信に関する。特に、本発明の実施例は、ドップラー周波数情報を使用した無線移動装置の移動速度の決定に関する。

直交周波数分割多重（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）は、多くの無線標準に採用されており、多くのシステムに実装されている。これらの標準は、例えば、IEEE802.11及びIEEE802.16を含む。IEEE802.11は、IEEE802.11b、802.11g、802.11a、802.11n及び／又は802.11の他の部分を含んでもよい。IEEE802.11bは、“Local and Metropolitan Area Networks, Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band”という題で1999年9月16日に承認されたIEEE標準802.11b-1999及び関連文献に対応する。IEEE802.11gは、“Local and Metropolitan Area Networks, Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 4: Further Higher Rate Extension in the 2.4 GHz Band”という題で2003年6月27日に承認されたIEEE標準802.11g-2003及び関連文献に対応する。IEEE802.16は、“IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”という題のIEEE標準802.16-2004、及び“IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems”という題のIEEE標準802.16e-2005に対応する。

現在、無線通信システムは、移動ユニットの移動を認識せずに機能するように設計されている。例えば、セルラ基地局は、基地局に加入した移動装置の移動を記述する情報を受信しなくてもよい。このことは、基地局が、移動装置の移動により生じた変化に反応することを必要とし、許容できるネットワーク性能を確保するために不要なオーバーヘッドを必要とすることがある。従って、現在の無線通信システムは非効率性を受けることがある。

本発明の実施例について、添付図面に限定ではなく一例として示す。添付図面において、同様の参照符号は類似する要素を示す。

以下の説明では、複数の特定の詳細が示されている。しかし、本発明の実施例は、これらの特定の詳細なしに実施されてもよい。他に、この説明の理解をあいまいにしないために、周知の回路、構造及び技術は詳細に示されていない。

最大ドップラー周波数f_dは、搬送波波長に対する移動装置の速度の比である。移動装置の速度の認識により、マルチセル無線通信システムのシステム性能の改善が可能になり得る。例えば、マクロセルを覆うピコセルの配置では、移動装置のドップラー周波数情報により、適切な基地局へのユーザ割り当ての改善が可能になり、必要なハンドオーバの数を低減し得る。移動装置の速度はまた、例えば適応及び高速リンクアダプテーション並びに正確なチャネル予測のように、物理レイヤ及びネットワークレイヤ機能の実装に有用になり得る。従って、マルチユーザダイバーシチによるスケジューラ利得及びシステムのスペクトル効率が増加し得る。他の利点もまた、正確なドップラー周波数情報の結果として認識され得る。

ここでは、直交周波数分割多重（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）システムのドップラー周波数推定技術が記載される。この技術は、如何なるOFDMプロトコルにも適用され得る周波数領域の手法である。この理由は、この技術がパイロットサブキャリアを利用するため、システムオーバーヘッドを増加させないからである。予め計算されてメモリに格納されてもよい係数を備えた比較的複雑でない有限インパルス応答（FIR：finite impulse response）フィルタバンク（filter bank）として、推定器が実装されてもよい。一実施例では、現在の推定システムで一般的に使用されているようにエラーフロア（error floor）の使用を回避するために、キャリア間干渉（ICI：intercarreir interference）の決定が提供されてもよい。

図１は、無線ネットワークの一実施例の概念図である。無線ネットワークは、如何なる種類のOFDM型プロトコルを利用した通信をサポートしてもよい。無線ネットワークはまた、更なるプロトコルをサポートしてもよい。無線ネットワークは、例えばセルラ音声通信及び／又はデータ転送に使用されてもよい。

基地局100は、１つ以上の移動無線装置（例えば、無線移動装置175等）の無線通信のアクセスポイントを提供してもよい。如何なる数の無線移動装置がサポートされてもよい。無線移動装置は、例えば、セルラ電話、ラップトップコンピュータ、携帯情報端末、スマートフォン、又は他の無線可能装置でもよい。基地局100は、セル100に対応する範囲（例えば1km）を有してもよい。

移動無線装置175がセル110内を移動すると、基地局100と通信してもよい。移動無線装置175がセル110を出ると、他の基地局（図１には図示しない）に移転されてもよい。無線移動装置175を１つの基地局から他のものに渡す処理は、ハンドオーバと呼ばれることがある。一般的に、ハンドオーバは、ネットワークリソースを消費し得る関連のオーバーヘッドを有する。

或るネットワーク構成では、セル（例えば110）は、１つ以上のピコセル（例えば、135、145）を含んでもよい。各ピコセルは、対応する基地局（例えば、130、140）を有してもよい。ピコセルは、サービスエリアの穴を埋めるため又は高い全体容量を提供するために、ピコセル基地局が移動無線装置の改善したサービスエリアを提供し得る領域（例えば、100m）でもよい。ピコセルは、例えばセルラ電話サービスのビル又は無線ネットワーキングの飛行機に実装されてもよい。

ここに記載のように移動無線装置の移動を決定することにより、基地局（又は他のネットワーク構成要素）は、頻繁なハンドオーバを低減し、効率的なハンドオーバ、改善した信号品質及び／又は移動無線装置の移動に関する情報なしに利用可能にならない可能性がある他の利点を提供し得る。

ここに記載の技術は、一般的にエージェントとして呼ばれるハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの如何なる組み合わせで実装されてもよい。以下の説明では、送信OFDM信号は、次のように記述されてもよい。

ただし、NはFFTサイズ又はサブキャリアの総数であり、d_kは送信データ又はパイロット信号である。ヌルサブキャリアではd_kはゼロである。時間変化するマルチパスチャネルを通じた時間mでの受信OFDMシンボルは、以下のように記述されてもよい。

ただし、w(m)はゼロの平均と1/SNRの分散とを有する付加白色ガウス雑音（AWGN：additive white Gaussian noise）であり、h_l(m)は時間mでの第lのマルチパスのチャネル利得である。

ガード間隔を無視してFFT動作の後に、FFTの第kの出力は以下のように記述されてもよい。

ただし、H_kはチャネル効果を現し、以下のように記述されてもよい。

及び

更に、数６（Eq.3）でα_kはチャネル間干渉（ICI：inter-channel interference）を表し、以下のように記述されてもよい。

また、数６（Eq.3）でW_kは以下のように記述されてもよい。

一実施例では、最大ドップラー周波数を推定するために１つより多くのOFDMシンボルの使用を可能にするために、特定の量の遅延が許容できると考えられてもよい。複数のOFDMシンボルが検討される場合、数６（Eq.3）は次で置換され得る。

ただし、nは第nのOFDMシンボルを示す。

d_k,n,k∈Pは既知であり、Pはパイロットサブキャリアの一式のインデックスであるため、チャネルの雑音推定は以下のように表されてもよい。

又は

|d_k|=1であるため、Mの連続OFDMシンボルでの第kのサブキャリアのチャネル推定ベクトルは以下のように記述されてもよい。

図２は、

のブロック概念図である。

ICI成分α_kの確立密度関数（pdf）は、重み付きガウス混合pdf（weighted Gaussian mixture pdf）でもよい。しかし、中心極限定理を通じて、ICIは複素ガウス確率変数（complex Gaussian random variable）として近似されてもよい。

は以下のpdfを有するゼロ平均の円対称の複素ガウスベクトルとしてモデル化されてもよい。

ただし、Rは、ベクトル

の自己相関行列である。

一実施例では、ベクトル

の自己相関ベクトルは以下を使用して得られてもよい。

ただし、Tはガード間隔を除くシンボル期間であり、N_Gはサンプル単位でのガード間隔であり、f_dはHz単位でのドップラー周波数である。

ただし、r_f(Δk)は周波数領域の相関を表す。

指数関数型減衰の遅延プロファイルでは、以下のようになる。

一般的に、遅延プロファイル情報は利用可能でないことがある。この場合、r_f(Δk)=1が使用されてもよい。一実施例では、

がデータの性質（例えば、データが既知のパイロットであるかヌル又はランダムなデータであるか）に基づいて得られてもよい。チャネルとICIとの間の相関は以下のように記述されてもよい。

最尤推定（MLE：maximum likelihood estimation）は、最小コスト関数に等しい。

従って、第kのサブキャリアを使用したMLEは以下のように記述されてもよい。

一実施例では、MLEの複雑性がコレスキー因数分解（Cholesky factorization）を介して低減されてもよい。

ただし、R^-1=LL^Hであり、下三角行列Lは以下のように規定される。

行列Lは、所定の一式のf_dTの値（例えば、0.001のステップサイズでf_dT=0〜0.04）を使用して予め計算されて格納されてもよい。

図３は、最尤推定エージェントの一実施例の概念図である。図３に示す最尤推定エージェントは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの如何なる組み合わせで実装されてもよい。

受信サンプルY_k,n,300が受信され、1/d_k,nと結合され、チャネル推定

310、312、316、318を生成してもよい。チャネル推定は、前述のように行列L（320,330,...350）の予め計算された値と結合されてもよい。各行は、加算され（322,332...）、平方（324,334,...355）されてもよい。

結果は、未定値（Indet(R)）と加算され370、Λ(f_dT)を生成してもよい。次に、

380が実行され、f_dTを生成してもよい。結果の値は、発信元移動無線装置の移動を決定するために使用されてもよい。移動データは、例えばハンドオーバを容易にするため又は基地局及び／又は移動装置による送信パラメータを調整するために使用されてもよい。

一実施例では、複雑性は低ランク近似（low rank approximation）により更に低減されてもよい。これを実現するために、実装は、Lの対角成分のパワー（累乗）を減少させるために、

の要素（従って同様に自己相関行列R）を置換するように変更されてもよい。Eが前述の特性を生じる置換行列である場合、以下のようになる。

及び

にコレスキー因数分解を適用して、以下のようになる。

ただし、

である。

図４は、簡略化した最尤推定エージェントの一実施例の概念図である。簡略化した推定エージェントは、前述の低ランク近似に基づく。図４に示す最尤推定エージェントは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの如何なる組み合わせで実装されてもよい。

受信サンプルY_k,n,400が受信され、1/d_k,nと結合され、チャネル推定

410、412、416、418を生成してもよい。チャネル推定は、前述のように置換され、前述のように行列L（430,...450）の予め計算された値と結合されてもよい。各行は、加算され（436,456...）、平方（438,...458）されてもよい。

480が実行され、f_dTを生成してもよい。結果の値は、発信元移動無線装置の移動を決定するために使用されてもよい。移動データは、例えばハンドオーバを容易にするため又は基地局及び／又は移動装置による送信パラメータを調整するために使用されてもよい。

図５は、無線通信ネットワークでドップラー周波数情報を使用する技術の一実施例のフローチャートである。前述のように、ここに記載の技術は、如何なるOFDM通信環境に適用されてもよい。一実施例では、この技術は、OFDM通信に基づく既存の標準により規定されたパイロット及びデータキャリアを利用してもよい。従って、この技術は、既存の通信標準への変更を必要としなくてもよい。

OFDM信号が受信されてもよい510。信号は、当業者に知られている如何なる方法で受信されてもよい。一実施例では、パイロットキャリアは、図２に示すように抽出されてもよい。抽出されたパイロットキャリアは、前述のように処理され、ドップラー周波数情報を生成してもよい520。

ドップラー周波数情報は、ネットワークパラメータを変更するために使用されてもよい530。ネットワークパラメータの変更は、例えば、チャネル品質の変更の予測及び対応する補償、ハンドオーバの低減及び／又は予測、チャネル品質のオーバーヘッドの送信の低減又は変更を含んでもよい。ドップラー周波数情報はまた、ネットワークレイヤ及びMACレイヤ機能を改善するために使用されてもよい。

図６は、基地局の一実施例のブロック図である。図６に示す基地局は、広範囲の基地局（例えば、マクロセル用、ピコセル用）を表すことを意図している。代替の基地局は、多い構成要素、少ない構成要素及び／又は異なる構成要素を含んでもよい。例えば、セルラ電話用に無線データ通信等を含む移動無線装置は、同じ又は同様のアーキテクチャを有してもよい。

基地局600は、バス605又は情報を通信する他の通信装置と、バス605に結合されて情報を処理し得るプロセッサ610とを含んでもよい。基地局600は単一のプロセッサで示されているが、基地局600は、複数のプロセッサ及び／又はコプロセッサを含んでもよい。基地局600は、バス605に結合されたランダムアクセスメモリ（RAM）又は他の動的記憶装置620を更に含んでもよく、プロセッサ610により実行される情報及び命令を格納してもよい。例えば、図５の処理は、プロセッサ610により実行されるメモリ620に格納された命令として実装されてもよい。メモリ620はまた、プロセッサ610による命令の実行中に一時変数又は他の中間情報を格納するために使用されてもよい。

基地局600はまた、バス605に結合され、プロセッサ610の静的情報及び命令を格納し得る読み取り専用メモリ（ROM）及び／又は他の静的記憶装置630を含んでもよい。データ記憶装置640は、バス605に結合され、情報及び命令を格納してもよい。データ記憶装置640（磁気ディスク及び光学ディスク等）及び対応するドライブは、基地局600に結合されてもよい。

基地局600は、ネットワークへのアクセスを提供するためにネットワークインタフェース680を更に含んでもよい。ネットワークインタフェース680は、例えばアンテナ685を有する無線ネットワークインタフェースを含んでもよい。アンテナ685は、OFDMプロトコルを利用して通信し得る１つ以上のアンテナを表してもよい。ネットワークインタフェース680はまた、例えばネットワークケーブル687を介して遠隔装置と通信する有線ネットワークインタフェースを含んでもよい。ネットワークケーブル687は、例えば、Ethernet（登録商標）ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、シリアルケーブル又はパラレルケーブルでもよい。

コンピュータ可読媒体は、電子装置（例えば、コンピュータ、携帯情報端末、セルラ電話）により読み取り可能な形式でコンテンツ（例えば、コンピュータ実行可能命令）を提供する何らかの機構（例えば、メモリ620、ROM630、記憶装置640）を含む。例えば、コンピュータ可読媒体は、読み取り専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、時期ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリ装置等を含む。

明細書で“一実施例”又は“実施例”への言及は、実施例に関して説明した特定の機能、構造又は特徴が本発明の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。明細書の様々な場所に“一実施例で”という用語が現れることは、必ずしも全てが同じ実施例を示しているわけではない。

本発明はいくつかの実施例に関して記載されたが、当業者は、本発明が記載の実施例に限定されず、特許請求の範囲及び要旨内で変更及び置換されて実施され得ることを認識する。従って、この説明は限定ではなく例示として、見なされるべきである。

無線ネットワークの一実施例の概念図のブロック概念図最尤推定エージェントの一実施例の概念図簡略化した最尤推定エージェントの一実施例の概念図無線通信ネットワークでドップラー周波数情報を利用する技術の一実施例のフローチャート基地局の一実施例のブロック図

Claims

基地局により、遠隔移動無線装置から直交周波数分割多重（OFDM）信号を受信し、
前記信号から複数のパイロットキャリアを抽出し、
前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定し、
前記基地局により、前記ドップラー周波数により示される前記遠隔移動無線装置の速度に少なくとも部分的に基づいてネットワーク動作を変更することを有し、
前記ドップラー周波数は、搬送波波長に対する前記遠隔移動無線装置の速度の比を有し、
前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定することは、
前記抽出されたパイロットキャリアに対応する複数のチャネル推定を生成し、
前記複数のチャネル推定で以下の最尤推定を実行することを有し、

前記最尤推定は、

を利用し、
ただし、行列Lの要素は所定の一式のf _d Tの値を使用して予め計算されて格納される方法。
前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク動作を変更することは、前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいて決定された移動と、２つ以上の基地局の物理的位置とに少なくとも部分的に基づいてハンドオーバを開始することを有する、請求項１に記載の方法。
前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク動作を変更することは、送信特性を変更させることを有する、請求項１に記載の方法。
前記値は、0.001のステップサイズで0〜0.04を有する、請求項１に記載の方法。
遠隔移動無線装置から直交周波数分割多重（OFDM）無線信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに結合された制御回路であり、前記信号から複数のパイロットキャリアを抽出し、前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定し、前記ドップラー周波数により示される前記遠隔移動無線装置の速度に少なくとも部分的に基づいてネットワーク機能を変更する制御回路と
を有し、
前記ドップラー周波数は、搬送波波長に対する前記遠隔移動無線装置の速度の比を有し、
前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定することは、
前記抽出されたパイロットキャリアに対応する複数のチャネル推定を生成し、
前記複数のチャネル推定で以下を利用して最尤推定を実行することを有し、

ただし、行列Lの要素は0.001のステップサイズで0〜0.04を有する所定の一式の値を使用して予め計算されて格納される装置。
前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク機能を変更することは、前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいて決定された移動と、２つ以上の基地局の物理的位置とに少なくとも部分的に基づいてハンドオーバを開始することを有する、請求項５に記載の装置。
前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク機能を変更することは、送信特性を変更させることを有する、請求項５に記載の装置。
無線通信ネットワークで基地局を制御する装置であって、
直交周波数分割多重（OFDM）信号で動作し、前記信号から複数のパイロットキャリアを抽出し、前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定し、前記ドップラー周波数により示される前記遠隔移動無線装置の速度に少なくとも部分的に基づいてネットワーク機能を変更する制御ロジックを有し、
前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定することは、
前記抽出されたパイロットキャリアに対応する複数のチャネル推定を生成し、
前記複数のチャネル推定で以下を利用して最尤推定を実行することを有し、

ただし、行列Lの要素は0.001のステップサイズで0〜0.04を有する所定の一式の値を使用して予め計算されて格納される装置。
前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク機能を変更することは、前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいて決定された移動と、２つ以上の基地局の物理的位置とに少なくとも部分的に基づいてハンドオーバを開始することを有する、請求項８に記載の装置。
前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク機能を変更することは、送信特性を変更させることを有する、請求項８に記載の装置。
１つ以上のプロセッサに対して、
遠隔移動無線装置から直交周波数分割多重（OFDM）信号を受信させ、
前記信号から複数のパイロットキャリアを抽出させ、
前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定させ、
前記ドップラー周波数により示される前記遠隔移動無線装置の速度に少なくとも部分的に基づいてネットワーク動作を変更させる命令を格納し、
前記ドップラー周波数は、搬送波波長に対する前記遠隔移動無線装置の速度の比を有し、
前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定することは、
前記抽出されたパイロットキャリアに対応する複数のチャネル推定を生成し、
前記複数のチャネル推定で以下の最尤推定を実行することを有し、

前記最尤推定は、

を利用し、
ただし、行列Lの要素は所定の一式のf _d Tの値を使用して予め計算されて格納されるコンピュータ可読記憶媒体。
前記１つ以上のプロセッサに対して、前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク動作を変更させる命令は、前記１つ以上のプロセッサに対して、前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいて決定された移動と、２つ以上の基地局の物理的位置とに少なくとも部分的に基づいてハンドオーバを開始させる命令を有する、請求項１１に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
前記１つ以上のプロセッサに対して、前記ドップラー周波数に少なくとも部分的に基づいてネットワーク動作を変更させる命令は、前記１つ以上のプロセッサに対して、送信特性を変更させる命令を有する、請求項１１に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
前記１つ以上のプロセッサに対して、前記抽出されたパイロットキャリアで周波数領域の分析を実行し、前記遠隔移動無線装置に対応するドップラー周波数を決定させる命令は、
前記１つ以上のプロセッサに対して、
前記抽出されたパイロットキャリアに対応する複数のチャネル推定を生成させ、
前記複数のチャネル推定で最尤推定を実行させる命令を有する、請求項１１に記載のコンピュータ可読記憶媒体。