JP5313506B2 - マルチアンテナ通信システムにおける短縮されたロングトレーニングフィールドによるプリアンブルトレーニングの方法及び装置 - Google Patents

Description

本願は２００５年２月９日に出願された米国特許出願番号６０／６５１３４６の優先権を主張するものであり、ここに参照として取り入れられている。
本発明は概略としてマルチアンテナワイヤレス通信システムに関し、より詳細には、マルチアンテナ通信システムに対するプリアンブルトレーニング技術に関する。

ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）システムにおいて、ロバスト性および容量の双方の増大を与えるべく、マルチ送受信アンテナが提案されてきた。ロバスト性の増大はマルチアンテナのシステムにおいて導入された空間ダイバーシティおよび追加のゲインを利用する技術によって達成することができる。容量の増大は帯域効率が高い多入力多出力（ＭＩＭＯ）技術によるマルチパスフェージング環境において達成することができる。マルチアンテナ通信システムは、独立したデータストリームをマルチ送信アンテナ上で送信することによって所与のチャネル帯域におけるデータレートを増加させる。各受信機がこれらのデータストリームの組み合わせをマルチ受信アンテナで受信する。

異なるデータストリームを適切に受信するために、マルチアンテナ通信システムにおける受信機はチャネルマトリクスをトレーニングによって獲得しなければならない。これは一般的には、同期およびチャネル推定を実行するための特定のトレーニングシンボル又はプリアンブルを用いて達成される。マルチアンテナ通信システムは既存の（通常、単入力単出力（ＳＩＳＯ）システムといわれる）単一アンテナ通信システムと共存することが望ましい。従って、既存の（単一アンテナ）通信システムは、マルチアンテナ通信システムによって送信されたプリアンブルを翻訳できなければならない。直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）変調に基づく最も旧式のワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）システムはＩＥＥＥ８０２.１１ａ又はＩＥＥＥ８０２.１１ｇ標準規格（以下、「ＩＥＥＥ８０２.１１ａ/ｇ」という）に準拠している。一般的に既存の装置で見られるプリアンブル信号は、既存の装置が理解する必要のあるパケットの部分に対して正確な同期およびチャネル推定を可能とすべきである。以前のＭＩＭＯプリアンブルフォーマットは、オーバーヘッドを減らし効率を改善するために既存のトレーニングプリアンブルを再使用してきた。提案されたＭＩＭＯプリアンブルフォーマットは一般的に、拡張ＭＩＭＯプリアンブルフォーマットが少なくとも１つのロングトレーニングシンボルを各送信アンテナまたは空間的ストリームに対して含むように、既存のトレーニングプリアンブルおよび追加のロングトレーニングシンボルを含む。

ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムのようなマルチアンテナ通信システムを発展させるために多くのフレームフォーマットが提案されてきた。現存するフレームフォーマットは、不正確な電力測定値もしくは昔の周波数オフセットおよびタイミングオフセット情報のような不正確な推定値をＭＩＭＯシステムに与えてしまい、または完全な後方互換性を製造元の既存の装置に提供することができない。ある提案されたＭＩＭＯフレームフォーマットでは、各送信アンテナは１以上のロングトレーニングシンボルを、１つの時点で１つの送信アンテナだけがアクティブとなるように順に送信する。しかし、それぞれの送信アンテナが切り換えオン／オフされると、対応する電力増幅器の温度がそれぞれ上昇／降下する。一般的に、このような電力増幅器の昇温／降温は、送信された信号が所望の信号に対して位相または振幅オフセットを有する原因となる「呼吸」効果をもたらしてしまう。

従って、全ての送信アンテナからの連続的な送信を行い、温度に関係する信号「呼吸」を回避することが望ましい。従って、さらに提案されたＭＩＭＯフレームフォーマットでは、異なる送信アンテナにわたって巡回遅延ダイバーシティ（ＣＤＤ）またはトーンインタリーブを用いて直交性が維持される。しかし、ＣＤＤショートトレーニングシンボルは受信信号電力を十分な精度で測定できない。従って、ＲＦチェーンにおいて追加のバックオフが必要となり、デジタル化プロセスにおいて追加のダイナミックレンジが必要となる。同様に、トーンインタリーブされた設計は、タイミング同期のためにショートトレーニングを用い、または時間領域チャネル推定を用いる多くの現存の８０２.１１ａ/ｇの装置と完全には後方互換ではない。

従って、現在のＩＥＥＥ８０２.１１ａ/ｇ規格の（ＳＩＳＯ）システムと互換性のあるＭＩＭＯ−ＯＦＤＭシステムにおいてチャネル推定及びトレーニングを実行して、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭに基づくＷＬＡＮシステムが効率的にＳＩＳＯシステムと共存できるようにするための方法及びシステムに対する要望がある。プリアンブルのオーバーヘッドを削減するＭＩＭＯプリアンブルフォーマットおよびトレーニング技術への更なる要望もある。

概略として、Ｎ個の送信アンテナを有するマルチアンテナ通信システムにおいてデータを通信するための方法および装置が提供される。発明の一側面によると、開示されるヘッダフォーマットは、少なくとも１つのロングトレーニングフィールドを有するプリアンブルおよび少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドをＮ個の送信アンテナ各々について有する拡張部分を含み、少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドのうちの１以上が１つだけのＯＦＤＭシンボルをもって構成される。拡張部分は選択的に、周波数オフセット推定のための１以上の反復するＯＦＤＭシンボルからなる。ある実施形態では、拡張部分は、２つの反復されるＯＦＤＭシンボルで構成される第１の高スループットロングトレーニングフィールド(ＨＴ−ＬＴＦ)、および１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ−１個の高スループットロングトレーニングフィールドからなる。他の変更例では、拡張部分が、１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ個の高スループットロングトレーニングフィールドからなる。

以下の詳細な説明および図面の参照により、本発明の更なる特徴および効果もさることながら本発明のより完全な理解が得られるであろう。

本発明はＭＩＭＯシステムのためのプリアンブルフォーマットおよびプリアンブルトレーニングの技術を提供するものである。ＭＩＭＯ送信のトレーニング段階は２つの段階を含む。第１のトレーニング段階は、例えばＷＬＡＮ・ＯＦＤＭの既存システムに特に適した既存のトレーニング段階であり、第２のトレーニング段階はＭＩＭＯシステムのようなマルチアンテナシステムに特に適したものである。既存のシステムにおける課題を克服するために、受信機の自動利得制御（ＡＧＣ）が第１のトレーニング段階中に１つのトレーニングシーケンスを実行し、受信機のＡＧＣが第２のトレーニング段階中にそれを保持する。これによって、精度を確保するために受信機がその電力測定値をＭＩＭＯ段階中に保持することが可能となる一方、ＭＩＭＯに基づかないＷＬＡＮシステムに対して受信機が後方互換性を持つこともまた可能となる。

図１はＭＩＭＯ送信機１００のブロック図である。図１に示すように、ステージ１０５において、２つのアンテナを持つ例示的送信機１００がメディアアクセス制御（ＭＡＣ）層から受信した情報ビットを符号化し、符号化されたビットを異なる周波数トーン（サブキャリア）にマッピングする。そして、各送信ブランチに対して、信号がＩＦＦＴ（高速フーリエ逆変換）１１５−１および１１５−２によって時間領域波形に変換される。例示的実施形態において、ステージ１２０−１および１２０−２によって各ＯＦＤＭシンボルの後に８００ナノ秒（ｎｓ）のガードインターバル（ＧＩ）が追加され、ステージ１２５によって３２μｓのプリアンブルが追加されてパケットを完結する。そして、デジタル信号がステージ１２８−１および１２８−２において前処理され、ＲＦステージ１３５−１および１３５−２が信号を対応のアンテナ１４０−１および１４０−２に送る前に、変換器１３０−１および１３０−２によってアナログ信号に変換される。

図２はＭＩＭＯ受信機２００のブロック図である。図２に示すように、２つのアンテナを持つ例示的受信機２００が、２つの受信アンテナ信号２５５−１および２５５−２で受信された信号を対応するＲＦステージ２６０−１および２６０−２で処理する。そして、アナログ信号が対応の変換器２６５−１および２６５−２によってデジタル信号に変換される。受信機２００はプリアンブルを処理してパケットを検出し、両ブランチの同期ステージ２７０−１および２７０−２において周波数およびタイミング同期情報を抽出する。ステージ２７５−１および２７５−２においてガードインターバルが取り除かれる。そして、ステージ２８０−１および２８０−２においてＦＦＴによって信号が周波数領域に逆変換される。ステージ２８５においてロングトレーニングシンボルを用いてチャネル推定値が得られる。チャネル推定値がマッピング解除／復号器２９０に適用され、情報ビットが回復される。

図３は８０２.１１a/g既存装置と後方互換性のあるプリアンブル設計３００を示すものである。プリアンブル設計３００は後方互換性のための信号フィールドによる既存専用部分３１０およびＭＩＭＯシステムの実行のためのＭＩＭＯトレーニング専用部分３２０を設けている。
なお、図３のプリアンブル設計の実施、および異なる送信アンテナにわたる巡回遅延ダイバーシティ（ＣＤＤ）またはトーンインタリーブを採用する技術の詳細については、例えば、２００５年１月２４日に出願された米国特許出願番号１１／０４３０２５、発明の名称「Method and Apparatus for Preamble Training in a Multiple Antenna Communication System」が参照され、ここに取り込まれている。

例示的プリアンブル設計３００において、送信機１００はまず既存の８０２.１１a/gプリアンブル３１０を、例えばＣＤＤを用いて送信する。既存プリアンブル３１０はパケット検出および粗い周波数オフセット推定の実行を許可する。これら２つの機能実行の結果はＭＩＭＯ送信においても使用されることになる。これら２つの機能に加えて、既存プリアンブル３１０は既存のＡＧＣ、タイミングおよび周波数同期ならびにチャネル推定を実行するために周知の方法で用いられる。そして、受信機２００は後続の既存およびＨＴ（高スループット）信号フィールドを復号化する。ＨＴ信号フィールドはＣＤＤを用いても送信される。図３に示すように、既存およびＨＴ信号フィールドにＭＩＭＯショートトレーニングフィールド３３０およびＭＩＭＯロングトレーニングフィールドが続く。ＭＩＭＯショートトレーニングフィールド３３０はＡＧＣ設定を調整するためだけに用いられ、その長さは既存のショートトレーニングフィールドよりも大幅に短くできる。図示するように、ＭＩＭＯショートトレーニングフィールドは正確な電力測定のために０.８μｓのガードインターバルおよび１.６μｓのトレーニングシンボルを含む。

なお、図３のプリアンブルフォーマット３００は、ＭＩＭＯチャネル推定のために既存ヘッダにおける第１のロングプリアンブルを用いなくてもよい。ショートトレーニング専用シンボル３３０によって、若干高めのプリアンブルオーバーヘッド（９.６μｓ超）を費やせば、ＭＩＭＯに対する精度の高い電力測定が可能となる。従って、プリアンブルフォーマット３００によって低いダイナミックレンジ要件（１０ビットＡＤＣ）が設定される。図３のＭＩＭＯロングトレーニングフィールドはデータと同じ周波数グリッドで送信することができる。従って、周波数領域チャネル推定（ＦＤＥ）を実行してもよい。

図３のショートトレーニングフィールド３３０はトーンインタリーブのようなやり方で組み立てることができる。１２個のトーン（すなわち、０.８μｓの長さ）のＯＦＤＭシンボルは正確な電力を４つのアンテナに供給するのに十分と考えられるものの、２４個のトーン（すなわち、１.６μｓの長さ）のＯＦＤＭシンボルによって、若干多めのオーバーヘッドを費やすだけで、より精度が増す。

ショートトレーニングシンボル３３０が１.６μｓの長さしかないので、（合計６４個の利用可能なトーンのうち）２４個のトーンが用いられる。それらのトーンのインデックスは全て４の倍数であるので、生じた時間領域の信号は１.６μｓの期間を持つ。例示的な２つのアンテナの場合、トーンの半分だけが各送信アンテナ上で送信される。すなわち、１つおきの使用トーンが第１のアンテナで送信され、残りのトーンが第２のアンテナで送信される。さらに、このショートトレーニングシンボル３３０はオーバーヘッドを削減するためにさらに０.８μｓ―――これは１２個のトーンしか使用しない―――まで短くすることができる。

図４は図３のプリアンブルフォーマット３００をさらに詳細に示すものである。プリアンブル設計３００は、既存専用部分３１０に後方互換性のための信号フィールドおよびＭＩＭＯシステムの実行のためのＭＩＭＯトレーニング専用部分３２０を設けている。図４に示すように、ＭＩＭＯトレーニング専用部分３２０は各ＭＩＭＯロングトレーニングフィールド（ＨＴ−ＬＴＦ）に対して２つのＯＦＤＭシンボルを含む。従って、図３および４に示す実施例における単一のＭＩＭＯロングトレーニングフィールドはガードインターバルおよび２つのトーンインタリーブされたＯＦＤＭシンボルからなり、合計期間は７.２μｓ（０.８＋２×３.２μｓ）である。なお、プリアンブルフォーマット３００は一般的にＮ個の送信アンテナ各々についてのＮ個の追加のロングトレーニングフィールドからなる。従って、プリアンブルの合計期間は３０.４μｓ（８×３＋４＋２.４μｓ）＋Ｎ×７.２μｓである。標準的な４つのアンテナによる実施例では、プリアンブル期間は５９.２μｓである。各ＭＩＭＯロングトレーニングフィールドに対して２つのＯＦＤＭシンボルを持つプリアンブルフォーマット３００について観測されるチャネル推定性能は、理想チャネル推定によるものよりも１.７６ｄＢ小さい（すなわち、これは公称チャネル推定エラーを実証している）。

図５は本発明の特徴を取り入れたプリアンブルフォーマット５００を示すものである。プリアンブル設計５００は後方互換性のための信号フィールドによる既存専用部分５１０およびＭＩＭＯシステムの実行のためのＭＩＭＯトレーニング専用部分５２０を設けている。図５に示すように、第１のＭＩＭＯロングトレーニングフィールド（ＨＴ−ＬＴＦ）は反復ＯＦＤＭシンボル５３０−１および５３０−２を含む。ＯＦＤＭシンボルを反復する目的は、精密な周波数オフセットの再推定を可能とすることである。しかし、フォーマット３２０とは異なり、「後続の」Ｎ−１個のＭＩＭＯロングトレーニングフィールドは反復ＯＦＤＭシンボルを含んでいない。これによってプリアンブルの全体長を短縮している。従って、プリアンブルの長さは以下のように算出される。
Ｎ＝１について、長さ＝３０.４＋７.２（μｓ）
Ｎ≧２について、長さ＝３７.６＋(Ｎ−１)×４（μｓ）
ここで、Ｎは空間ストリーム（すなわち、等価的に送信アンテナ）の数に等しい。従って、標準的な４つのアンテナによる実施例では、プリアンブル期間は４９.６μｓとなる。なお、ＯＦＤＭシンボルを後続のＭＩＭＯロングトレーニングフィールドで反復しないことによって、後続のＭＩＭＯロングトレーニングフィールドにおけるチャネル推定のエラーが１.７６ｄＢから３ｄＢに増加する。

図６は現発明の特徴を取り入れたプリアンブルフォーマット６００を示すものである。プリアンブル設計６００は後方互換性のための既存信号フィールドによる既存専用部分６１０およびＭＩＭＯシステムの性能を達成するためのＭＩＭＯトレーニング専用部分６２０を設けている。図６に示すように、最初のＭＩＭＯロングトレーニングフィールド（ＨＴ−ＬＴＦ）も後続のフィールドも反復されない。これによって可能な最短のプリアンブル設計とすることができ、その長さは（３０.４＋Ｎ×４）μｓである。なお、Ｎは空間ストリーム数である。プリアンブルフォーマット６００について、チャネル推定エラーの増加は理想チャネル推定のものに対して３ｄＢである。

本発明は、各ＭＩＭＯロングトレーニングフィールド（ＨＴ−ＬＴＦ）を２つのＯＦＤＭシンボルから１つのＯＦＤＭシンボルに短縮したことによって、プリアンブルのオーバーヘッドを低減することができるもののチャネル推定エラーが増加することを認識している。ＭＩＭＯロングトレーニングフィールド毎にＯＦＤＭシンボルを持つプリアンブルフォーマット５００および６００は、ＭＩＭＯロングトレーニングフィールド毎に２つのＯＦＤＭシンボルを持つプリアンブルフォーマット３００よりも、高いＳＮＲにおいておよび空間ストリーム数（Ｎ）が多い場合において、（スループット対ＳＮＲ（ｄＢ）という意味で）性能が上回ることが確認された。一方、より低いＳＮＲにおいては、この２つのフォーマットの性能は同等である。

ここに記載される実施例および変形例は本発明の原理の単なる説明に過ぎず、発明の範囲と精神から離れることなく種々の変更例が当業者によって実施され得る。

図１は例示的ＭＩＭＯ送信機のブロック図である。 図２は例示的ＭＩＭＯ受信機のブロック図である。 図３は８０２.１１ａ/ｇの既存装置と後方互換性のあるプリアンブル設計を示す図である。 図４は図３のプリアンブルフォーマットをさらに詳細に示す図である。 図５は本発明の特徴を取り入れたプリアンブルフォーマットを示す図である。 図６は現発明の特徴を取り入れた代替のプリアンブルフォーマットを示す図である。

符号の説明

１００．ＭＩＭＯ送信機
１４０．送信アンテナ
２００．受信機
２５５．受信アンテナ信号
３００．プリアンブルフォーマット
３１０．既存プリアンブル
３２０．ＭＩＭＯトレーニング専用部分
３３０．ショートトレーニングシンボル
５００．プリアンブルフォーマット
５１０．既存専用部分
５２０．ＭＩＭＯトレーニング専用部分
５３０．反復ＯＦＤＭシンボル
６００．プリアンブルフォーマット
６１０．既存専用部分
６２０．ＭＩＭＯトレーニング専用部分

Claims (10)

1. Ｎ個の送信アンテナを有するマルチアンテナ通信システムにおいてプリアンブルデータを送信する方法であって、該方法が、
   少なくとも１つのロングトレーニングフィールドを有するプリアンブルおよび少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドを有する拡張部分を得るステップであって、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドの１つが２つのＯＦＤＭシンボルで構成され、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドのうちのＮ−１個が１つだけのＯＦＤＭシンボルからなり、Ｎが１以上の整数であるステップと、
   前記プリアンブルを前記Ｎ個の送信アンテナ各々について送信するステップとで構成されている方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記既存のプリアンブルが８０２.１１ａ/ｇ規格対応プリアンブルである方法。
3. 請求項１記載の方法において、前記拡張部分がさらに、（１）２つの反復されるＯＦＤＭシンボルで構成される第１の高スループットロングトレーニングフィールドおよび１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ−１個の高スループットロングトレーニングフィールドと、（２）１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ個の高スループットロングトレーニングフィールドと、の内の１つ又は複数を含み、さらに電力推定のためのショートトレーニングフィールドを含む方法。
4. マルチアンテナ通信システムにおける送信機であって、
   送信機回路と、
   Ｎ個の送信アンテナであって、少なくとも１つのロングトレーニングフィールドを有するプリアンブル、および少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドを前記Ｎ個の送信アンテナ各々について有する拡張部分を送信するためのＮ個の送信アンテナからなり、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドの１つが２つのＯＦＤＭシンボルで構成され、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドのうちのＮ−１個が１つだけのＯＦＤＭシンボルからなり、Ｎは１以上の整数である送信機。
5. 請求項４記載の送信機において、前記Ｎ個の追加のロングトレーニングフィールドが前記Ｎ個の送信アンテナについてトーンインタリーブされている送信機。
6. 請求項４記載の送信機において、前記拡張部分がさらに、（１）２つの反復されるＯＦＤＭシンボルで構成される第１の高スループットロングトレーニングフィールドおよび１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ−１個の高スループットロングトレーニングフィールドと、（２）１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ個の高スループットロングトレーニングフィールドと、の内の１つ又は複数を含み、さらに電力推定のためのショートトレーニングフィールドを含む送信機。
7. マルチアンテナ通信システムにおいてＮ個の送信アンテナを有する送信機によって送信されたデータを少なくとも１つの受信アンテナで受信する方法であって、該方法が、
   少なくとも１つのロングトレーニングフィールドを有するプリアンブル、および少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドを前記Ｎ個の送信アンテナ各々について有する拡張部分を受信するステップからなり、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドの１つが２つのＯＦＤＭシンボルで構成され、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドのうちのＮ−１個が１つだけのＯＦＤＭシンボルからなり、Ｎは１以上の整数である方法。
8. 請求項７記載の方法において、前記拡張部分がさらに、（１）２つの反復されるＯＦＤＭシンボルで構成される第１の高スループットロングトレーニングフィールドおよび１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ−１個の高スループットロングトレーニングフィールドと、（２）１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ個の高スループットロングトレーニングフィールドと、の内の１つ又は複数を含み、さらに電力推定のためのショートトレーニングフィールドを含む方法。
9. Ｎ個の送信アンテナを持つ少なくとも１つの送信機を有するマルチアンテナ通信システムにおける受信機であって、
   少なくとも１つのロングトレーニングフィールドを有するプリアンブル、および少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドを前記Ｎ個の送信アンテナ各々について有する拡張部分を受信するための少なくとも１つの受信アンテナからなり、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドの１つが２つのＯＦＤＭシンボルで構成され、前記少なくともＮ個の追加のロングトレーニングフィールドのうちのＮ−１個が１つだけのＯＦＤＭシンボルからなり、Ｎは１以上の整数である受信機。
10. 請求項９記載の受信機において、前記拡張部分がさらに、（１）２つの反復されるＯＦＤＭシンボルで構成される第１の高スループットロングトレーニングフィールドおよび１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ−１個の高スループットロングトレーニングフィールドと、（２）１つだけのＯＦＤＭシンボルで構成されるＮ個の高スループットロングトレーニングフィールドと、の内の１つ又は複数を含み、さらに電力推定のためのショートトレーニングフィールドを含む受信機。

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