JP5058340B2 - 一組の送信アンテナを有する送信機及び一組の受信アンテナを有する受信機を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおけるシンボルシーケンスＳｎを送信するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、無線通信の分野に関し、より詳細には、多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいて多数の送信アンテナ及び受信アンテナを使用してデータを送信及び受信することに関する。

ＭＩＭＯネットワーク
移動セルラー通信ネットワークでは、多入力多出力（ＭＩＭＯ）伝送技術を使用することが、より広く行き渡ってきている。第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）だけでなく、マイクロ波アクセスのための世界的相互運用性（ＷｉＭＡＸ）フォーラムも、ＭＩＭＯを活用して伝送容量及び信頼性を改善する標準仕様を公開している。

ＭＩＭＯネットワークは、空間多重化（ＳＭ）と一般に称する技法で複数のアンテナを同時に使用してシンボルを送信及び受信することにより容量を増加させる。ＭＩＭＯ受信機は、高度な信号処理及びチャネルの特性を使用してシンボルを検出し復号することができる。信頼性を改善するために、ＭＩＭＯネットワークは、時空間符号化（ＳＴＣ）と一般に呼ばれる技法で複数のアンテナからシンボルのコピーを送信することができる。ＩＥＥＥ８０２．１６標準規格「パート１６：広帯域無線アクセスシステムのエアインターフェース」８０２．１６。これは、ＷｉＭＡＸがベースとしているものである。ＷｉＭＡＸは、ＳＭ技法及びＳＴＣ技法の双方を用いる。

ＭＩＭＯに加えて、標準規格は、ハイブリッド自動再送要求（ＨＡＲＱ）の仕様も定めている。従来の自動再送要求（ＡＲＱ）と同様に、メッセージの再送を求める受信機の要求は、誤って復号されていた。一方、ＨＡＲＱによると、メッセージの復号及びシンボルの復元に成功する確率を改善するために、オリジナルの破損したメッセージが保持され、再送メッセージと結合される。

ＭＩＭＯネットワークのもう１つの問題は、複数のアンテナでの送信及び受信に起因した自己干渉である。自己干渉は、アンテナの数が増加するにつれて増大する。自己干渉を除去することも望まれている。

本発明の実施形態は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいてハイブリッド自動再送要求（ＨＡＲＱ）を時空間符号化（ＳＴＣ）と組み合わせて、空間多重化されたＭＩＭＯ伝送の信頼性を増加させるための方法を提供する。

加えて、本発明の実施形態は、より高次のＭＩＭＯ構成、例えば４つ以上の送信アンテナ及び受信アンテナと共に使用できる時空間符号、及び空間多重化（ＳＭ）であって、データストリーム間の自己干渉が除去される時空間符号及び空間多重化（ＳＭ）も提供する。

本発明の実施形態によるＭＩＭＯ送信機のブロック図である。 本発明の実施形態によるＭＩＭＩネットワークの概略図である。 本発明の実施形態によるシンボルの２つのブロックのブロック図である。 ＭＩＭＯネットワークにおける従来のＨＡＲＱオペレーションのタイミング図である。 本発明の実施形態によるＭＩＭＯネットワークにおけるＳＴＣを伴うＨＡＲＱのタイミング図である。 本発明の実施形態によるＭＩＭＯネットワークにおけるＳＩＣＣを伴うＨＡＲＱのタイミング図である。

空間多重化を伴うＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ
送信機
図１は、２つの送信アンテナ１０６を有する多入力多出力（ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ）送信機３１０を示す。この送信機は、変調データシンボル（Ｓ_１，Ｓ_２）１１１を第１のブロックとして符号化するためのソース１０１を含む。符号化は、例えば、ターボ符号、畳み込み符号、低密度パリティチェック符号（ＬＤＰＣ）等の前方エラー訂正符号（ＦＥＣ）といった第１の符号を使用する。また、送信機は、デマルチプレクサ（ＤｅＭＵＸ）１０２及び２つのＯＦＤＭチェーン１０３も含む。各ＯＦＤＭチェーンは、ＯＦＤＭ変調器を含む。ＯＦＤＭ変調器は、各入力シンボルＳ_１及びＳ_２に対して逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）１０４を実行し、次いで、ＲＦブロック１０５において時間領域信号をフィルタリング及び増幅し、通過帯域搬送波周波数に変換する。

また、送信機は符号化器３５０も含む。この符号化器は、ＨＡＲＱオペレーション中に使用され、最初の送信用にシンボルを符号化するのに使用されなかった追加の符号を使用して再送シンボルを第２のブロックとして再符号化する。すなわち、符号化器３５０は、再送用にのみ有効化され、最初に送信されるシンボルは、符号化器３５０を迂回する（３５１）。

送信機３１０は、空間多重化（ＳＭ）を使用する。空間多重化では、変調シンボル１１１のシーケンスが２つのアンテナ１０６を介して送信される。すなわち、２つのシンボルＳ_１及びＳ_２について、シンボルＳ_１は第１のアンテナによって送信され、シンボルＳ_２は第２のアンテナによって同時に送信され、送信レートが２倍になるので、１つのチャネルしか必要とされない。一般に、この送信は、

である。

受信機
受信機は、２つの送信アンテナ１０６によって送信されたシンボルの検出及び復号を可能にしてシンボルを復元するために、通常、少なくとも送信機と同数のアンテナを有する必要がある。いくつかの受信機のタイプが知られている。

最適な受信機は最尤検出器を含む。準最適な受信機は、最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）及びゼロフォーシング（ＺＦ）を使用することができる。本発明の実施形態は、多数のアンテナを有し、空間多重化（ＳＭ）及びハイブリッド自動再送要求（ＨＡＲＱ）が使用される送信機及び受信機で使用することができる。

チャネル行列
図２Ａは、送信機３１０及び受信機３２０を有するＭＩＭＯネットワークを示す。送信機は複数の送信アンテナ２０１を有し、受信機は複数の受信アンテナ２０２を有し、それらアンテナ間に無線チャネル２１０を有する。先ず、ＳＭがＨＡＲＱと組み合わされる場合を説明することにする。ＯＦＤＭ副搬送波のそれぞれについてのＭＩＭＯチャネルを行列Ｈと表すものとする。行列Ｈは、

である。ここで、要素ｈ_ｉ，ｊは、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへのチャネル係数である。２つのアンテナにおける受信信号は、行列形式で

と表すことができる。

これは、Ｒ＝ＨＳ＋ｎと等価である。ここで、ｎは加法性白色ガウス雑音ベクトルであり、Ｓは送信信号のベクトルである。

図２Ｂに示すように、目的のＨＡＲＱオペレーションについて、ベクトルＳは、個々の変調シンボルではなくシンボルのベクトルである。ブロックは、入力シンボルシーケンス１１１から導出された変調波の形式である。したがって、ベクトルＳは、連続的に送信される変調シンボルのブロック（又はパケット）全体を表すシンボルのベクトルである。

図２Ｂは、５０個のシンボルの２つのブロック２２１〜２２２を示す。シンボルｓ_１及びｓ_５０が最初に送信され、次いで、Ｓ_２が送信され、以下同様に送信される。その後、ブロック全体が復号されて、ブロックを再送する必要があるか否かが判断される。

ブロック

の成分は、時間インデックスｋに依存する。しかしながら、この説明を簡単にするために時間インデックスの表記は省略することにする。下付き文字は、どのアンテナが送信で使用されるのかを示す。

各受信機アンテナにおける受信信号は、行列の式を

に展開することによって表すことができる。

ＨＡＲＱ
図３は、従来のＨＡＲＱのオペレーションを示す。送信機３１０は、シンボルの第１のブロックＳ^（１）３０１を送信する。受信機３２０は、ベクトルＲに操作を行って、受信ブロックＳ^（１）３０２を検出する。受信ブロックＳ^（１）３０２は、受信機のメモリに記憶される。受信機はチャネル行列Ｈも有する。チャネル行列Ｈは、ブロックＳを検出するのに使用される。受信機は、ＭＭＳＥ又はＺＦ等の復号方式を実施して、受信信号の推定値

を復元することができる。ブロックが正しく復号され、シンボルが復元された場合、それ以上の処理も再送も必要とされない。

受信信号の復号が正しくない場合、すなわち、推定値

がベクトルＳに等しくない場合、ＨＡＲＱオペレーションが開始する。受信機は、受信信号Ｒの第１のブロック３０２を記憶し、再送要求３０３を送信する。

送信機は、再送要求３０３に応答して、第１のブロックの正確な複製を第２のブロックＳ^（２）３０４として送信する。ここで、上付き文字は、第２の送信の試行を示す。すなわち、従来のＨＡＲＱでは、符号化器３５０はなく、どの再送も、最初の送信と同一である。

したがって、２つの連続した送信はＳ^（１）及びＳ^（２）であり、ここで、

である。受信機は、再送信号の受信後、受信信号Ｒ^（１）及びＲ^（２）の２つのコピーを有する。これらは、

と表すことができる。

項ｒ_ｊ ^（ｉ）は、ｉ番目の送信に起因したｊ番目のアンテナにおける信号を表し、ｎ_ｊ ^（ｉ）は、ｉ番目の送信に関連付けられたｊ番目のアンテナにおける雑音である。ｎ_ｊ ^（ｉ）、｛ｊ＝１，２，ｉ＝１，２｝は、すべて分散σ^２を有する独立同一分布ガウスであることに留意すべきである。

復号３０６がシンボルを復元することに成功する確率を改善するために、受信信号のコピーが結合される。受信信号Ｒ^（１）及びＲ^（２）を結合する（３０５）１つの一般的な方法は、２つのベクトルを平均化して、

を得ることである。

ＨＡＲＱは、複数回繰り返すことができ、平均化は複数の再送ブロックを含むことに留意すべきである。

結合オペレーション３０５によって、雑音分散及び雑音電力は２分の１に削減され、復号３０６が改善されて、シンボルが正しく復元される。しかしながら、依然として、各アンテナにおける受信信号の干渉項が残っており、この干渉項は、Ｒ’を

と表すことによって見ることができる。

自己干渉
項ｈ_１，２ｓ_２は、それぞれ送信アンテナ２からの受信アンテナ１における干渉項であり、項ｈ_２，１ｓ_１は、送信アンテナ１からの受信アンテナ２における干渉項である。

このタイプの干渉は、複数のアンテナからの複数のストリームの送信に起因するものであるので、通常、自己干渉と呼ばれる。したがって、２つの送信によって、雑音電力は削減されるが、自己干渉は除去されない。自己干渉は、アンテナの数が増加するにつれて増大することに留意すべきである。したがって、本発明の実施形態は、自己干渉を除去するものであり、例えば４つ以上といった多数のアンテナを有するＭＩＭＯ送受信機において重要である。

ＳＴＣを伴うＨＡＲＱ
自己干渉を除去するために、第１の符号とは異なる第２の符号を使用して再送を行っている間、第１の符号とは異なる第２の符号で追加の符号化３５０を実行することにする。

一実施形態の図４に示すように、第２の符号は時空間符号（ＳＴＣ）である。１つのＳＴＣは周知のアラモウチ（Alamouti）符号である。このアラモウチ符号は、一般形

を有する。

第１列のシンボルは、下付き文字によって示されるアンテナによって最初に送信され、その後、次の連続した時間間隔においてそれらシンボルの複素共役（^＊）及びアンテナを逆にしたものが続く。この場合、再送は、受信機が自己干渉を除去することを可能にする方法で符号化される。

第１のブロックの最初の送信４０１は、従来の

である。

復号が失敗した場合、受信機は、受信機信号Ｒ^（１）４０２を記憶し、再送４０３が要求される。送信機３１０は、次の符号化された一組の信号４０４を第２のブロックとして送信する。

この第２のブロックは、符号化器３５０による時空間符号化の結果得られたものである。したがって、再送に使用される符号化は、最初の送信に使用される符号化とは異なる。

受信機３２０では、行列Ｒ^{（１，２）}は、第１列が第１のブロックＳ^（１）の送信に起因し、連続した第２列がブロックＳ^（２）の再送に起因する双方のアンテナにおける受信信号を表す。すなわち、

である。

受信機におけるこれらの信号は、次の式に従って結合４０５及び復号４０６を行うことができ、次のものが得られる。

Ｓ_１については、

であり、Ｓ_２については、

である。ここで、

である。

この結合方式によると、アンテナ間の自己干渉は、完全に除去され、シンボルを復元することができる。本質的には、受信機において、再送信号が再符号化され、僅かにより複雑な結合が使用される場合、自己干渉は除去される。

結合４０５の後、受信機は、シンボルＳの送信ブロックの復号４０６を試みる。結合された信号はもはやあらゆる自己干渉を含んでいないので、正しい復号４０６及びシンボルの復元の確率が増大する。

追加の再送が可能であり、各再送は符号化器３５０によって再符号化されることに留意すべきである。

ＳＩＣＣを伴うＨＡＲＱ
符号化器３５０で他の符号化を使用して、ＨＡＲＱ送信の自己干渉を除去することもできる。別の第２の符号は、図５に示すような自己干渉キャンセル符号（ＳＩＣＣ（self-interference cancellation code））である。これは、ＨＡＲＱ再送のＳＴＣ符号化と類似しているが、実施するのがより単純であり、周知の一般化されたクラスの離散フーリエ変換行列であるアダマール行列に基づいている。

２×２のアンテナネットワークがあり、Ｓ＝［Ｓ_１ Ｓ_２］^Ｔを２つの送信アンテナから送信された信号（シンボルのブロック）５０１のベクトルとして表すものとする。信号Ｒ＝ＨＳ＋ｎ ５０２を受信し、復号に失敗した後、ＨＡＲＱプロセスが開始され、再送の要求５０３が送信機へ送信される。再送５０４は、第２の符号

に従って符号化される（３５０）。ここで、第２のアンテナから送信される信号は、単に正負が反転されたものである。

受信機３２０では、２つの受信信号は、

である。

Ｒ^{（１，２）}を展開すると、

が得られる。

ＳＩＣＣの結合５０５は、受信行列（Ｒ^{（１，２）}）に２×２アダマール行列を乗算することから開始し、これによって、

が与えられる。

このように、行列Ｒ^{（１，２）’}の信号成分は２つの列を含む。この２つの列において、第１列は信号Ｓ_１にのみ依存し、第２列は信号Ｓ_２にのみ依存する。行列Ｒ^{（１，２）’}の第１列にベクトル［ｈ_１１ ^＊ｈ_２１ ^＊］^Ｔを乗算し、行列Ｒ^{（１，２）’}の第２列にベクトル［ｈ_１２ ^＊ ｈ_２２ ^＊］^Ｔを乗算することによって信号を結合することができる。これらによって、

が与えられる。

したがって、ＳＩＣＣを結合することによって、自己干渉が除去された信号が与えられ、したがって、正しい復号５０６が行われる確率は、従来のＳＭを伴うＨＡＲＱを上回って改善される。

最初のＨＡＲＱ再送Ｓ^（２）の後、受信機が、信号Ｓ_１及びＳ_２’の復号の際にエラーを依然として検出する場合、追加の再送を要求することができる。Ｓ^（ｊ）を受信機におけるｊ番目のＨＡＲＱ送信として表すと、

が得られる。

ＳＩＣＣの同じ結合方式によって、各アンテナに到達した信号は、繰り返しアダマール行列（repeated Hadamard matrix）

で処理される。ここで、上付き文字は、第２のブロックを受信する段階を表す。そして、

となる。ここで、

である。

ＭＩＭＯネットワークにおける大規模アンテナ構成の符号化
最初の送信時にＳＩＣＣ方式及びＳＴＣ方式を結合することによって、多数のアンテナを有する送受信機の自己干渉を除去する新しいＭＩＭＯ符号を達成することができる。以下では、４つの送信アンテナ及び４つの受信アンテナを仮定することにする。しかしながら、送信アンテナ及び受信アンテナの数は、以下で説明する行列をそれに応じて変更することにより少なくすることもできるし、多くすることもできることが理解されるべきである。

シンボルのブロックの信号全体ではなく、変調シンボルごとに処理を行うものとする。すなわち、送信信号Ｓ＝［Ｓ_１Ｓ_２Ｓ_３Ｓ_４］^Ｔは、上述したように各アンテナによって送信されたシンボルのブロックではなく、個々のシンボルのベクトルを表す。転置演算子はＴである。また、受信機は、例えば４つの送信アンテナ及び４つの受信アンテナについてのチャネル行列Ｈ

を有するものと仮定する。

各シンボルの送信中、ＳＴＣ符号化及びＳＩＣＣ符号化が使用されて、次の行列

が得られる。ここで、行列Ｓの各連続した列は、各送信間隔で送信されるシンボルを表し、下付き文字は、アンテナのセットをインデックスする。行列Ｓの最初の２つの列の構造は、アンテナ１及び２によって送信されたシンボルＳ_１及びＳ_２に関する「アラモウチタイプ」の符号であると同時に、アンテナ３及び４によって送信されたシンボルＳ_３及びＳ_４に関する第２のアラモウチタイプの符号と見ることができる。次の２つの列は、アラモウチ符号を繰り返す。一方、アンテナ３及び４におけるシンボルは、上述したＳＩＣＣ符号のように正負を逆にしただけである。

符号化が、上述したようなブロック単位ではなく、個々のシンボル単位で行われる場合、送信機は、行列Ｓの４つの列をストリームのように送信する。すなわち、４つのすべての列は、送信機からのフィードバックが予想される前に連続的に送信される。本質的に、行列Ｓは、ＨＡＲＱプロトコルなしで使用される時空間符号を表す。

加えて、受信機は、ベクトルＳ＝［Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４］^Ｔの検出及び復号を試みる前に、４つのすべての列が受信されるまで待機する。ここで、Ｔは転置演算子である。

行列Ｓの４つのすべての列が送信された後、受信信号は、

である。ここで、雑音ｎは、

である。

を設定した場合、各アンテナからのシンボルを結合したものは、第１のシンボルＳ_１については、

と表すことができ、第２のシンボルＳ_２については、

と表すことができ、第３のシンボルＳ_３については、

と表すことができ、第４のシンボルＳ_４については、

と表すことができる。

結合することによって、自己干渉項を含まない４つのシンボルが与えられ、したがって、単純な検出方式を適用して、送信シンボルを推定することができる。

アダマール符号化及びアラモウチ符号化による４×４のＳＴＣ＋ＳＩＣＣの場合

であり、４つの送信アンテナ及び４つの受信アンテナである。

ダイバーシティ次数４＋４＋４＋４及び多重化レート（multiplex rate）１を有する２×２ＳＴＣを４つグループ化した場合、

である。

受信機では、受信信号は、

である。ここで、

である。

これは、

として復号され、Ｓ_１については、

となり、Ｓ_２については、

となり、Ｓ_３については、

となり、Ｓ_４については、

となり、Ｓ_５については、

となり、Ｓ_６については、

となり、Ｓ_７については、

となり、Ｓ_８については、

となる。

空間周波数ブロック符号化への拡張
上記ＭＩＭＯ符号化は、時空間符号化（ＳＴＣ）のコンテキストで説明してきた。時空間符号化では、伝送行列Ｓの各列は、異なるシンボルのインデックスを表す。

本発明は、空間周波数ブロック符号化（ＳＦＢＣ）と共に使用することもできる。ＳＦＢＣは、ＳＴＣのように連続したタイムスロットでの同じ副搬送波ではなく、隣接した副搬送波で空間ダイバーシティ符号化のシンボルを送信するための方式である。

ＳＦＢＣは、時空間ブロック符号化における高速な時間変動の問題を回避する。この場合、考慮する必要があるのは、行列Ｓの連続した列が、時間インデックスではなく周波数副搬送波を表すことだけである。

したがって、シンボル（Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４）は、空間及び周波数にわたって分散される。具体的には、伝送行列の各列を、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステム構成における一意の副搬送波とみなすことができる。この実施形態によると、上述した送信用の符号化が直接適用可能である。

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行えることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神及び範囲内に入るこのようなすべての変形及び変更をカバーすることが添付の特許請求の範囲の目的である。

Claims (6)

1. 一組の送信アンテナを有する送信機及び一組の受信アンテナを有する受信機を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいてシンボルシーケンスＳ_ｎを送信するための方法であって、
   Ｔを転置演算子とした場合に、前記シンボルシーケンスを個々のシンボルのベクトルＳ＝［Ｓ_１Ｓ_２Ｓ_３Ｓ_４］^Ｔによって表すステップ、及び
   ^＊を複素共役とした場合に、伝送行列が
   

   

   である前記個々のシンボルを送信するステップであって、前記行列Ｓの各列は、前記送信されるシンボルを表し、下付き文字は、送信アンテナのセットをインデックスする、ステップ
   を含み、
   前記受信機は、チャネル行列
   

   

   を有し、ここで、要素ｈ _ｉ，ｊ は、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへのチャネル係数であり、
   受信信号ｒは、
   

   

   であり、ここで、雑音ｎは、
   

   

   であり、
   受信信号
   

   

   を設定することをさらに含み、
   前記第１のシンボルＳ _１ は、
   

   

   であり、
   前記第２のシンボルＳ _２ は、
   

   

   であり、
   前記第３のシンボルＳ _３ は、
   

   

   であり、
   前記第４のシンボルＳ _４ は、
   

   

   である方法。
2. 一組の送信アンテナを有する送信機及び一組の受信アンテナを有する受信機を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）ネットワークにおいてシンボルシーケンスＳ_ｎを送信するための方法であって、
   Ｔを転置演算子とした場合に、前記シンボルシーケンスを個々のシンボルのベクトルＳ＝［Ｓ_１Ｓ_２Ｓ_３Ｓ_４］^Ｔによって表すステップ、及び
   ^＊を複素共役とした場合に、伝送行列が
   

   

   である前記個々のシンボルを送信するステップであって、前記行列Ｓの各列は、前記送信されるシンボルを表し、下付き文字は、送信アンテナのセットをインデックスする、ステップ
   を含み、
   前記受信機は、チャネル行列
   

   

   を有し、ここで、要素ｈ _ｉ，ｊ は、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナへのチャネル係数であり、
   受信信号ｒは、
   

   

   であり、ここで、雑音ｎは、
   

   

   であり、
   前記シンボルシーケンスは、Ｓ＝［Ｓ _１ Ｓ _２ Ｓ _３ Ｓ _５ Ｓ _６ Ｓ _７ Ｓ _８ ］であり、前記伝送行列は、
   

   

   であり、
   前記受信信号は、
   

   

   であり、ここで、雑音は、
   

   

   である方法。
3. 前記列は、受信機からのいずれかのフィードバックが予想される前に、シンボルのストリームとして送信される、請求項１または２に記載の方法。
4. シンボルのすべての列が受信機で受信された後に検出及び復号を行うこと、
   をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
5. 各連続した列は、各送信間隔で送信される、請求項１または２に記載の方法。
6. 各連続した列は、空間周波数ブロック符号化を使用して隣接した副搬送波で送信される、請求項１または２に記載の方法。

Images