JP5055372B2 - 符号間干渉の抑制 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、無線ネットワーク分野に関する。特に、無線ネットワーク内通信における符号間干渉を抑制することに関する。
2つの符号が連続して送信される場合、各符号の伝播ルートが異なるため、無線ネットワークのノード間での伝送時間が異なることがある。この現象は、チャネル遅延スプレッド(channel delay spread)と呼ばれることがある。これら2つの符号が受信ノードで重複すると、受信信号の一部には符号間干渉(ISI)が含まれ得る。
ISIの影響を抑制するべく、直交周波数分割多重方式(OFDM)システムではサイクリックプレフィックス(CP)が利用されている。この場合、オーバーヘッドが増加してシステムのスループットが低下するので、CPの長さは最低限に抑えられる。CPが最大遅延よりも短い場合、符号間でISIが発生し得る。この問題は、通常の都市型環境においてCPを短くする場合に発生する。都市型環境において、短いCPとは4.6875マイクロ秒(μs)で、最大遅延は5μsである。ISIは通常、ピークリターンから比べると電力が10デシベル(dB)小さくなっている、最後のマルチパスリターンに起因して生じる。平均の信号対干渉電力比(SIR)は各サブキャリアで約22dBであるが、ISIの影響の無視できるものではない。ISIを無視すると、リンク適応(link adaptation)では、リンクについて高いスループットが予測され、変調およびコードレートについて高いレベルが選択される。しかし、ISIはデコードエラーを引き起こす可能性があり、スループットが低下する場合がある。
以下の詳細な説明と添付図面を組み合わせて、本発明の実施形態を簡単に説明する。説明の便宜上、同様の参照番号は同様の構成要素を指すものとする。添付図面に図示する本発明の実施形態は、例示を目的としたものに過ぎず、本発明の実施形態を限定するものではない。
本発明のさまざまな実施形態に係る通信システムを示す図である。
本発明のさまざまな実施形態に係る、ISIの要因となる、通信システムで送信される符号を示す図である。
本発明のさまざまな実施形態に係る、時間領域および周波数領域のISI部分を示す図である。
本発明のさまざまな実施形態に係る、多入力受信機を示す図である。
本発明のさまざまな実施形態に係る、ISI抑制動作を示す図である。
本発明のさまざまな実施形態に係る、連続干渉キャンセレーション(SIC)に基づく受信機におけるISIの抑制を示す図である。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を成す添付図面を参照する。添付図面では、全図にわたって同様の参照番号は同様の構成要素を指し示し、本発明が実施され得る実施形態を例示している。本発明の範囲を逸脱することなく、図示したもの以外の実施形態が実施可能であることと、構造またはロジックを変更することができることを理解されたい。このため、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものと解されるべきではなく、本発明に係る実施形態の範囲は、本願特許請求の範囲およびその均等物によって定義される。
さまざまな処理を、本発明の実施形態の理解に役立つよう、順に実行される複数の個別の処理として説明するが、説明の順序は、それらの処理の実施順序が決まっていることを暗示するものと解釈されるべきではない。
本発明に関して、「A/B」という表記は、「AまたはB」と意味する。本発明に関して、「Aおよび/またはB」という表現は、「A、B、または、AおよびB」を意味する。本発明に関して、「A、B、および/またはC」という表現は、「A、B、C、AおよびB、AおよびC、BおよびC、または、A、BおよびC」と意味する。本発明に関して、「(A)B」という表記は、「BまたはAB」を意味し、Aの選択は自由であることを意味する。
説明においては「一実施形態において」または「実施形態において」といった表現を用いることがあるが、こういった表現はそれぞれ、同一または異なる実施形態のうち1以上を指すものであってよい。また、「備える」「有する」「含む」等の用語は、本発明の実施形態に関連して使用される場合、同義である。
本発明の実施形態は、無線ネットワークノード間の通信における符号間干渉を抑制する技術を提供する。
図1は、本発明の一実施形態に係る通信システム100を示す図である。本実施形態によると、2つの無線ノードが図示されている。一例として、送信機104と受信機108とが示されている。各無線ノードは複数のアンテナを備えているとしてもよく、例えば、3つの送信アンテナ112および3つの受信アンテナ116を備えており、この2つのノード間を通信可能に接続する無線(OTA)通信リンク(OTAリンク)120に対する無線インターフェースを対応するノードに対して提供している。複数の送信アンテナおよび受信アンテナを有するノードは、多入力多出力(MIMO)ノードとも呼ばれ得る。さまざまな実施形態によると、ノードが有する送信アンテナおよび/または受信アンテナの数は任意の数であってよい。
通信システム100の送信機104は、変調コンステレーション(例えば、QAM、PSK等)を用いて、データ列を複数の符号に対してマッピングするとしてもよい。そして送信機104は、変調技術を用いて変調信号としてこれらの符号を送信するとしてもよい。変調技術の一例を挙げると、OTAリンク120の空間チャネルを複数のサブキャリアに分割する直交周波数分割多重方式(OFDM)がある。隣接するサブキャリアで送信されるデータストリームは、干渉を低減するべく、互いに直交し得る。
図1に示す複数の送信アンテナ112に基づき、アクティブな空間チャネルが1以上形成されるとしてもよい。1つの空間チャネルが、送信アンテナ112のうち1以上によって形成されるとしてもよい。複数の送信アンテナ112が、ビームフォーミング重みを利用することによって、単一の空間チャネルを形成するとしてもよい。受信機108が受信する信号の信号モデルは以下のように表され得る。
Figure 0005055372
式中、H(f)は、サブキャリアf上のチャネルマトリックス(例えば、ビームフォーミングおよび/または空間−時間符号化は利用してもしなくてもよい)であり、fはサブキャリアインデックスであり、x(f)は送信信号ベクトルであり、n(f)は加法性白色ガウス雑音(AWGN)ノイズベクトルであり、v(f)は干渉ベクトルである。干渉は、ISIおよび/またはその他の要因によって発生するとしてもよい。n(f)ベクトルのエントリは独立同一分布であってよく、一方v(f)のエントリは独立同一分布ではないとしてもよい。
図2は、本発明のさまざまな実施形態に係る、2つの符号の送信を示す図である。本実施形態では、第1の符号200および第2の符号204を想定する。受信機108は、符号200および204をそれぞれ、重畳された状態の複数の信号、200a−200cおよび204a−204cとして受信するとしてもよい。これらの信号はそれぞれ、伝播経路が異なるので、受信機108に到達する時点が互いに異なるとしてもよい。受信機108は、図示されているように、2つの符号200および204に対して高速フーリエ変換(FFT)サンプリングを行うとしてもよい。信号200cの一部208が、第2の符号204のサンプリングに対してISIを生じさせ得る。
図3は、本発明のさまざまな実施形態に係る、時間領域および周波数領域でISIを示す図である。時間領域におけるISI信号、部分208は、f(t)によって表されるとしてもよい。周波数領域では、Δωだけ離間している2つのサブキャリア間の相関は、以下のように算出され得る。
Figure 0005055372
f(t)は時間での長さが短く、0.5μs未満であることが多いので、周波数でのr(Δω)の幅は、比較的広くなり、例えば14MHzの帯域幅となり得る。一例を挙げると、f(t)が有するサンプルが1つのみの場合、周波数におけるr(Δω)の大きさは一定であるとしてもよい。r(Δω)のメーンローブが広いことは、f(t)の周波数応答が非常に相関していることを示し得る。視点を変えると、ISI信号f(t)は、サンプルが数個のためランダム変数の数が限られている。周波数応答では、フーリエ変換によってf(t)の数個のランダム変数からより多数のポイントが生成される。このため、サブキャリアの周波数応答は、非常に相関が高いと言える。このように相関が高いので、ISIは周波数が一定と推定され得る。つまり、ISIの電力レベルは周波数に関わらず略一定であり、サブキャリアの応答は相関していると思われる。
一部の実施形態によると、v(f)は、サブキャリア間で相関が高い場合、サブキャリア間で分散しておりデータ符号とインターリーブされているパイロット符号によって推定され、所望の信号のデコードのために式1の受信信号から減算されるとしてもよい。
サブキャリアにおける周波数応答の相関が高いことによって、サブキャリアにおけるISIの空間共分散値を複雑な処理を行うことなく推定することが可能となり得る。空間共分散値は、アンテナ間または空間チャネル間においてISIがどの程度相関しているかを示す測定値であってもよい。例えば、共分散値が高いと、アンテナ応答のうち1つが期待値を超えている場合に、他のアンテナ応答も期待値を超えている可能性が非常に高いことを示唆する。このような空間共分散値は共分散マトリックスで配列されるとしてもよい。空間共分散値は、受信機108によって算出され、受信信号のISIを抑制するべく利用されるとしてもよい。
図4は、本発明のさまざまな実施形態に係る受信機108と同様で実質的に同じものとして扱われる受信機400を示す図である。本実施形態によると、受信機400は、受信アンテナ408のそれぞれに対応する受信チェーン404を備えるとしてもよい。各受信チェーン404は、受信信号に対してアナログ処理412および/またはFFT416を実行するための素子を有するとしてもよい。受信機400は、初期エラー検出のための計算を実行するべく受信チェーン404に接続されている、線形最小平均2乗誤差(LMMSE)検出器420を備えるとしてもよい。LMMSE検出器420は、受信信号を空間−周波数デインタリーバ424に接続して、インターリーブされた送信内容を開くとしてもよい。受信機400はさらに、ターボデコーダ428を備えるとしてもよい。ターボデコーダ428は、対応する送信機、例えば送信機104が備える相補的なフロントエンドのターボエンコーダによって組み込まれる尤度データを考慮して、エンコードされた送信内容をデコードするとしてもよい。
受信機400はさらに、ISI抑制部432を備えるとしてもよい。ISI抑制部432は、図示されている通り、各受信チェーン404、LMMSE検出器420、デインタリーバ424、および、デコーダ428に接続されるとしてもよい。ISIコントローラ432は、受信チェーン404から信号を受信して、受信した信号に基づいて空間共分散値を算出する共分散算出部436を有するとしてもよい。ISIコントローラ432はさらに、抑制部440を有するとしてもよい。抑制部440は、受信信号のISIを抑制するように、LMMSE検出器420、デインタリーバ424、および/またはデコーダ428の動作を制御する。
図5は、本発明のさまざまな実施形態に係る、ISIコントローラ、例えばISIコントローラ432のISI抑制動作を示す図である。受信機400は、ブロック504において、OTAリンク120によって、複数のサブキャリアを介して、信号、例えば1以上のトレーニング符号を含むトレーニング信号を受信するとしてもよい。トレーニング符号は、受信機400にとって既知の符号であってよい。これらの符号は、プリアンブル符号、パイロット符号等であってよい。
共分散算出部436は、ブロック508において、受信チェーン404が処理した後のトレーニング信号を受信して、受信したトレーニング信号に基づいてISIの空間共分散値を算出するとしてもよい。共分散算出部436は、後続の動作のため、共分散マトリックスとして空間共分散値を配列するとしてもよい。さまざまな実施形態によると、それらの一部を以下でより詳細に説明するが、空間共分散値は、各アンテナ(または空間チャネル)に関するサブキャリア間のISI電力の推定および/またはアンテナ相関マトリックスの推定を含む連続する処理によって、直接推定または算出されるとしてもよい。
受信機400は、ブロック512において、1以上のデータ符号を含むデータ通信信号を受信するとしてもよい。データ符号は、受信機400にさまざまな情報を提供するペイロードを持つ符号であってよい。抑制部440は、ブロック516において、共分散算出部436から算出された共分散値を受信して、受信機400のさまざまな構成要素と協同して、算出された空間共分散値を用いて受信データ通信信号のISIを抑制するとしてもよい。
異なるアンテナのISIは空間的に相関している場合があり、独立同一分布の式1のAWGN、n(f)とは異なるとしてもよい。ISIの空間相関は以下のように算出され得る。ISIの要因は各アンテナ(または空間チャネル)の前の(または次の)符号の一部にあり得るので、受信したISIは、全てのアンテナ(または空間チャネル)から部分符号を線形に組み合わせたものであってよい。式1のサブキャリアインデックスfを便宜上削除すると、ISIが相関ノイズとしてモデル化される場合に受信信号は以下のように表される。
Figure 0005055372
式中、xおよびzはそれぞれ、所望信号ベクトルおよび干渉信号ベクトルであり、H およびH はそれぞれ、所望信号およびISI信号についてのチャネルマトリックス(または、ビームフォーミングされたチャネルマトリックス)である。zベクトルの各エントリは、ISIを生じさせる、あるアンテナ(または空間チャネル)からの前の(または次の)符号の一部から生成され得る。H は周波数に応じて変化する一方、H は略同一であってもよい。H は受信機では既知であってよいが、H は既知でなくてもよい。H は、符号のCPを超える最終チャネルタップによって生じるとしてもよい。タップは、複素ガウス分布に従うとしてもよい。
一連の連続するサブキャリアにわたるISIの電力レベルをp<SUBz></SUB>と表し、チャネルのトレーニング信号から推定されるとしてもよい。ロバスト性を高めるべく、p にある程度のマージンを付加するとしてもよい。例えば、推定されるp が0.01ミリワット(mW)である場合、後続の計算では0.02mWが使用されるとしてもよい。p は、アンテナ(または空間チャネル)毎の送信信号の電力であってよく、アンテナ(または空間チャネル)間で異なるとしてもよい。
は以下のようにモデル化されるとしてもよい。
Figure 0005055372
式中、H iid のエントリは、独立同一分布(iid)であってもよく、単位分散を持つ円対称の複素ガウスランダム変数であり、R rx およびR tx はそれぞれ、受信アンテナアレイおよび送信アンテナアレイの空間相関マトリックスであってよい。これら2つのマトリックスは、一連の連続するサブキャリアにわたって略同一であると仮定されるので、チャネルのトレーニング信号から推定されるとしてもよい。効率よく推定するべく、受信機および送信機それぞれの2つの隣接するアンテナのアンテナ相関からのみR rx およびR tx を算出するとしてもよい。R rx およびR tx は以下のように算出され得る。
Figure 0005055372
式中、p およびp はそれぞれ、2つの隣接する受信アンテナおよび送信アンテナ間の相関係数であってよく、N およびN はそれぞれ、受信アンテナおよび送信アンテナの数であってよい。相関係数は以下のように定義されるとしてもよい。
Figure 0005055372
式中、p X1X2 はランダム変数X およびX 間の相関係数であってよく、μ およびμ はそれぞれ、X およびX の平均であってよく、σ およびσ はそれぞれ、X およびX の標準偏差であってよく、p X1X2 はノルムが1以下の数であってよく、電力の単位を持たない。R rx の第m行および第n列のエントリは、以下のように定義される第m番目および第n番目の受信アンテナの間の相関であってもよい。
Figure 0005055372
式中、α およびα は、単一の共通送信信号に関する、受信アンテナmおよびnにおける受信信号であってよく、μ およびμ はそれぞれ、α およびα の平均であってよく、C m,n は電力の単位を持つ。見通し線ではないチャネルについて、平均μ はすべてゼロであってよく、算出はさらに簡略化され得る。
Figure 0005055372
は直接推定されるとしてもよいし、p 、p およびp が推定されてから、
Figure 0005055372
が近似されるとしてもよい。H エントリ間の相関は以下のように算出され得る。
Figure 0005055372
Aを以下のように定義する。
Figure 0005055372
続いて、共分散マトリックス
Figure 0005055372
を以下のように算出するとしてもよい。
Figure 0005055372
式中、a m、n は第m行および第n列のエントリAであってよい。
受信機108は、この共分散マトリックス
Figure 0005055372
を用いて、受信信号のISIを抑制するとしてもよい。ISIの抑制は、例えばMMSEフィルタリング、連続干渉キャンセレーション(SIC)に代表される利用されている受信機のアルゴリズムの種類など、任意の実施形態の詳細に応じてさまざまな方法で実行されるとしてもよい。
MMSEフィルタリングを利用する実施形態の場合、受信信号yに対するMMSEフィルタは以下のように算出されるとしてもよい。
Figure 0005055372
式中、σ はnの各エントリのAWGN電力である。
Figure 0005055372
は、受信機108で未知であるので、MMSEフィルタリングのため、ある範囲の時間およびサブキャリアの
Figure 0005055372
、つまり
Figure 0005055372
で置き換えるとしてもよい。受信信号yは
Figure 0005055372
としてフィルタリングされ得る。
図6は、本発明のさまざまな実施形態に係るSICを受信機108が利用する送信を説明するための図である。本実施形態によると、H マトリックスの列の数は繰り返し毎に減少していく一方、H では一定のままであるとしてもよい。例えば、図6に示すように、H は最初の繰り返しでは3つの列を持つ。第1番目の列は、x によって搬送される第1番目のデータストリームの後で除去されて、デコードされるので、第2番目の繰り返しでH に残っている列は2つとしてもよい。H は、ISIはSICプロセスにおいてデコードされずキャンセルもされないので、繰り返しが行われても一定のままである。
好ましい実施形態を説明するべく本明細書において具体的な実施形態を図示および説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、同じ目的を実現するべく構成される代替的および/または均等な実施形態または実装を多岐にわたって、図示および説明した実施形態に代えて提供することができるであろう。当業者であれば容易に、本発明に係る実施形態がさまざまな多岐にわたる方法で実装され得ることに想到するであろう。本願は、本明細書に記載した実施形態のいかなる適応例または変形例をも含むものである。このため、本発明に係る実施形態は、特許請求項およびその均等物によってのみ限定されるものであることを明言しておく。

Claims (20)

  1. 一の空間チャネルの複数のサブキャリアを介して1以上のトレーニング符号を受信する段階と、
    前記複数のサブキャリアおよび所定の時間にわたる符号間干渉(ISI)について、少なくとも一部前記受信した1以上のトレーニング符号に基づいて、アンテナ間または空間チャネル間においてISIがどの程度相関しているかを示す1以上の空間共分散値を算出する段階と、
    1以上のデータ符号を受信する段階と、
    前記算出された1以上の空間共分散値を用いて前記受信した1以上のデータ符号に対してISI抑制を実行する段階と
    を備える方法。
  2. 前記ISIについて前記1以上の空間共分散値を算出する段階は、前記空間チャネルの前記複数のサブキャリアに関してISI電力を推定する段階を有する
    請求項1に記載の方法。
  3. 前記受信した1以上のトレーニング符号は、1以上のパイロット符号および/またはプリアンブル符号を含む
    請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記受信した1以上のトレーニング符号は、
    およびH がそれぞれ送信信号および干渉信号についてのチャネルマトリックスで、xが送信信号で、zが干渉信号で、nがノイズである場合、
    Figure 0005055372
    によってモデル化される受信信号yによって表される
    請求項3に記載の方法。
  5. およびH は互いに異なる
    請求項4に記載の方法。
  6. 前記1以上の空間共分散値を算出する段階は、
    m,n は、第m行および第n列におけるエントリAであり、Aが
    Figure 0005055372
    と定義され、Ntが送信アンテナの数で、Nrが受信アンテナの数である場合に、
    Figure 0005055372
    によってモデル化される共分散マトリックス
    Figure 0005055372
    を算出する段階を有する
    請求項4に記載の方法。
  7. 前記ISIについて前記1以上の空間共分散値を算出する段階はさらに、
    1以上の送信アンテナについてアンテナ相関マトリックスを推定する段階
    を有する
    請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記ISIについて前記1以上の空間共分散値を算出する段階はさらに、
    1以上の受信アンテナについてアンテナ相関マトリックスを推定する段階
    を有する
    請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 一の空間チャネルの複数のサブキャリアを介して1以上のトレーニング符号を受信して、少なくとも一部前記受信した1以上のトレーニング符号に基づいて、前記複数のサブキャリアおよび所定の時間にわたる符号間干渉(ISI)についてアンテナ間または空間チャネル間においてISIがどの程度相関しているかを示す1以上の空間共分散値を算出する共分散算出部と、
    前記共分散算出部に接続されており、前記算出された1以上の空間共分散値を用いて1以上のデータ符号に対してISI抑制を実行する抑制部と
    を備える装置。
  10. 前記共分散算出部はさらに、
    前記空間チャネルの前記複数のサブキャリアに関してISI電力を推定し、
    少なくとも一部前記推定されたISI電力に基づいて、前記1以上の空間共分散値を算出する
    請求項9に記載の装置。
  11. 前記1以上のトレーニング符号は、1以上のパイロット符号および/またはプリアンブル符号を含む
    請求項9または10に記載の装置。
  12. 前記共分散算出部はさらに、前記受信した1以上のトレーニング符号を、受信信号yとしてモデル化し、前記受信信号yは、H およびH がそれぞれ送信信号および干渉信号についてのチャネルマトリックスで、xが送信信号で、zが干渉信号で、nがノイズである場合、
    Figure 0005055372
    によってモデル化される
    請求項9から11のいずれか1項に記載の装置。
  13. 前記共分散算出部は、共分散マトリックスとして前記1以上の空間共分散値を算出する
    請求項9から12のいずれか1項に記載の装置。
  14. コンピュータに
    一の空間チャネルの複数のサブキャリアを介して1以上のトレーニング符号を受信する段階と
    前記複数のサブキャリアおよび所定の時間にわたる符号間干渉(ISI)について、少なくとも一部前記受信した1以上のトレーニング符号に基づいて、アンテナ間または空間チャネル間においてISIがどの程度相関しているかを示す1以上の空間共分散値を算出する段階と
    1以上のデータ符号を受信する段階と
    前記算出された1以上の空間共分散値を用いて前記受信した1以上のデータ符号に対してISI抑制を実行する段階と
    を実行させるためのプログラム
  15. 前記コンピュータに、
    前記空間チャネルの前記複数のサブキャリアに関してISI電力を推定する段階と
    少なくとも一部前記推定されたISI電力に基づいて、ISIについて前記1以上の空間共分散値を算出する段階と、を実行させるための
    請求項14に記載のプログラム
  16. 前記1以上のトレーニング符号は、1以上のパイロット符号および/またはプリアンブル符号を含む
    請求項14または15に記載のプログラム
  17. 前記1以上のトレーニング符号を、受信信号yとしてモデル化し、前記受信信号yは、H およびH がそれぞれ送信信号および干渉信号についてのチャネルマトリックスで、xが送信信号で、zが干渉信号で、nがノイズである場合、
    Figure 0005055372
    によってモデル化される
    請求項16に記載のプログラム
  18. およびH は互いに異なる
    請求項17に記載のプログラム
  19. 無線(OTA)通信リンクによって、1以上の空間チャネルの複数のサブキャリアを介して、1以上のトレーニング符号および1以上のデータ符号を受信する複数の受信アンテナと、
    前記複数の受信アンテナに接続されている符号間干渉コントローラ(ISIコントローラ)
    を備え、
    前記ISIコントローラは、
    前記複数のサブキャリアおよび所定の時間にわたるISIについて、少なくとも一部前記受信した1以上のトレーニング符号に基づいて、アンテナ間または空間チャネル間においてISIがどの程度相関しているかを示す1以上の空間共分散値を算出して、
    前記算出された1以上の空間共分散値を用いて、前記受信した1以上のデータ符号に対してISI抑制を実行する
    システム。
  20. 前記ISIコントローラはさらに、
    前記1以上のトレーニング符号を、受信信号yとしてモデル化し、前記受信信号yは、H およびH がそれぞれ送信信号および干渉信号についてのチャネルマトリックスで、xが送信信号で、zが干渉信号で、nはノイズである場合、
    Figure 0005055372
    によってモデル化される
    請求項19に記載のシステム。
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