JP5615903B2 - 無線システムにおける多重アンテナ通信を可能にするシグナリング方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、無線システムにおける多重アンテナ通信に関する。

限られた/制限された伝送パワーを有する無線装置は、無線ローカル・エリア・ネットワーク（WLAN）及び無線パーソナル・エリア・ネットワーク（WPANs）アプリケーションに適している。そのような装置の例は、Ecma392規格に定められる携帯型認知装置である。無線装置は、単一のアンテナ又は多重アンテナを含むように実施されることができる。後者の構成は、一般的に、データ速度及び伝送距離を増加させるために利用される。したがって、典型的なネットワークは、単一のアンテナ及び多重アンテナを有する装置を含む可能性がある。結果として、受信装置が単一のアンテナを備えるが、送信装置が多重アンテナを備える場合がある。

多くの関連した技術において、多重アンテナによって利用される伝送スキームのバリエーションが議論される。そのような伝送スキームは、伝送ビーム成形、時空間ブロック・コード（STBC）、周波数インタリーブ伝送ダイバーシティ（FITD）などを含む。伝送スキームにかかわらず、受信装置は、伝送が単一のアンテナを用いて実行されるか又は多重アンテナを用いて実行されるかを知る必要がある。

この目的のために、明示的なシグナリング手順が、送信モード（単一アンテナ又は多重アンテナ）を受信装置に通知するために実行される。送信モードは、フレームのヘッダ中に明示的に表わされる。ヘッダは常に単一のアンテナを用いて送信され、それによって、ヘッダは、ネットワーク中の全ての受信装置によって正しく復号されることができる。しかしながら、これは、さらに単一のアンテナを用いるフレームのプリアンブルの伝送を必要とする。プリアンブル及びヘッダが単一のアンテナを用いて常に送信されていなければならないので、明示的なシグナリング手順は帯域幅及びパワーを消費する。したがって、このシグナリング手順は非効率的である。

したがって、送信モードを通知するための効率的なソリューションを提供することが有利である。

本発明の特定の実施の形態は、無線通信ネットワークにおいて送信モードを通知するための方法を含む。本方法は、送信装置の送信モードに対応する署名シーケンスを選択し、送信装置の各々のアンテナのために、選択された署名シーケンスに基づいてプリアンブル中に含まれる同期フィールドを形成し、送信装置の各々のアンテナから、プリアンブルを有するデータ・フレームを送信する。

本発明の特定の実施の形態はさらに、送信モード及び送信スキームに対応する少なくとも１つの署名シーケンスを記憶するためのメモリ、メモリから読み出される少なくとも１つの署名シーケンスを用いてショート・トレーニング・シーケンスを生成することによって装置に含まれる各々のアンテナのための同期フィールドを形成するための同期フィールド生成器、ロング・トレーニング・シーケンスを生成することによって各々のアンテナのためのCEフィールドを形成するためのチャネル推定（CE）フィールド生成器であって、同期フィールド及びCEフィールドはプリアンブル中に含まれるCEフィールド生成器、各々のアンテナのためのデータ・フレームを生成するためのフレーム生成器であって、データ・フレームはプリアンブルを有するフレーム生成器、装置に対して設定された送信スキームを用いて各々のデータ・フレームを変調するための変調器を有する装置を含む。

本発明とみなされる主題は、詳細に示されて、明細書の結びにおける請求の範囲において明確に請求される。本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付の図面と共に考慮される以下の詳細な記載から明らかである。

データ・フレーム構造。 本発明の実施の形態により実施される送信モードを通知するためのフローチャート。 単一アンテナ送信モードを通知するPLCPプリアンブル。 多重アンテナ送信モードを通知するPLCPプリアンブル。 本発明の実施の形態による装置のブロック図。

本発明によって開示される実施の形態は、本願明細書における革新的な教示の多くの有利な用途の単なる例であることに留意することが重要である。一般に、本出願の明細書においてなされる記述は、さまざまな請求された発明のいずれかを必ずしも制限するというわけではない。さらに、いくつかの記述は、いくつかの発明の特徴に当てはまるが、他の特徴には当てはまらないかもしれない。一般に、特に明記しない限り、単数で表現された要素は、一般性を失うことなく、複数であることができ、その逆も同じである。図面において、同様の符号は、いくつかの図を通して同様の部分を指す。

図1は、本発明の原理を説明するために利用されるデータ・フレーム100の典型的なフォーマットを概略的に示す。フレーム100は、通常、送信されるデータを担持するために、WLAN及びWPANのような無線ネットワークにおいて用いられる。フレーム100は、物理レイヤ集中プロトコル（PLCP）プリアンブル110、PLCPヘッダ（HDR）120及びPLCPサービス・データ・ユニット（PSDU）130を含む。PLCPプリアンブル110、PLCPヘッダ120及びPSDU130の厳密なコンテンツ及びフォーマットは、アプリケーション固有であり、IEEE 802.11、IEEE 802.15、WiMedia、Ecma等を含む（但しそれらに限られない）送信仕様によって定められる。

一般的に、PLCPヘッダ120は、物理（PHY）レイヤ・ヘッダ121、メディア・アクセス制御（MAC）レイヤ・ヘッダ122及びヘッダ・チェック・シーケンス（HCS）123を含む。PLCPヘッダ120のコンテンツに基づいて、受信装置がペイロード・データを正しく復号することが可能になる。PSDU 130は、MACレイヤから受信されるペイロード・データ・ポーション131及びフレーム100中のエラーを検出するためのフレーム・チェック・シーケンス（FCS）132を含む。

PLCPプリアンブル110は、主としてバースト/パケット検出、時間及び周波数同期、フレーム検出の開始、自動利得制御（AGC）及びチャネル推定のために用いられる。これらのタスクは、同期フィールド111及びチャネル推定（CE）フィールド112によって達成される。特には、同期フィールド111は、AGC設定、バースト検出、タイミング及び周波数オフセット推定並びにその順序でのフレーム検出のために用いられる。CEフィールド112は、チャネル応答を決定するため、更には微細な周波数推定のために用いられる。

図2は、本発明の実施の形態により実施される送信モードを通知するための例示的かつ非制限的なフローチャート200を示す。本方法は、送信モードを受信装置に暗黙に通知するメカニズムを提供し、それにより、無線ネットワーク中の多重アンテナを有する無線装置及び単一のアンテナを有する無線装置の共存を可能にする。本開示の文脈において、送信モードは、送信装置が単一アンテナを用いて信号を送信するか又は多重アンテナを用いて信号を送信するか、及び、送信装置によって用いられる特定の多重アンテナ送信スキーム示す。

S210において、送信モードを識別する固有の署名シーケンスが、署名シーケンスの事前に決められたセットから選択される。送信モード及び送信スキームは、固有の署名シーケンスと関連付けられる。例えば、固有の署名シーケンスは、以下の各々に対して生成される。単一アンテナ送信モード、送信ビーム成形スキームを利用する多重アンテナ送信モード、STBCスキームを利用する多重アンテナ送信モード、FITDスキームを利用する多重アンテナ送信モード。これらの署名シーケンスは、受信装置に先験的に知られる。本発明の実施の形態において、署名シーケンスは、良好な自己相関特性によって特徴づけられる疑似乱数（PN）シーケンスの形で生成される。

S220において、送信装置の各々のアンテナに対して、PLCPプリアンブル110の同期フィールド111は、選択された固有の署名シーケンスを含むように構成される。送信されるフレーム100の数、したがってPLCPプリアンブル110の数は、送信装置のアンテナの数と同一である。各々の送信されるフレーム100において、同期フィールド111は、署名シーケンスを複数回繰り返すことによって生成される。繰り返された署名シーケンスは、ショート・トレーニング・シーケンスをもたらす。異なる送信モードに対する同期フィールド110を生成するための詳細な例は、以下で提示される。

S230において、PLCPプリアンブル110のCEフィールド112は、ロング・トレーニング・シーケンスを含むように構成される。このステップは、CEフィールド112を構成するシンボルの数にしたがって、ロング・トレーニング・シーケンスを生成すること、及び、CEフィールド112中にこのシーケンスを配置すること含む。S230の実行の例は以下で提示される。

S240において、フレーム100の残り、すなわちPLCPヘッダ120及びPSDU 130が構成される。その後で、送信装置は、それぞれその単一アンテナ又は多重アンテナを用いてフレーム又は複数のフレームを送信する。すなわち、送信装置が数Q個のアンテナを含む場合、Q個のフレームが構成されて送信される（Qは１以上の整数である）。

上で説明された処理を用いて生成されるPLCPプリアンブル110は、送信モードを決定するために、受信装置によって復号されることができる。更に、受信装置は、多重アンテナ送信モード（例えば、送信ビーム成形、STBC又はFITD）のために利用される送信スキームを検出することができる。特には、受信装置は、受信信号とその信号の遅延バージョンとの自己相関をとるか、又は、受信信号と基準信号との相互相関をとる。

自己相関は、時点mにおいて、以下のように実行されることができる。

ここで、'p'は相関ウィンドウ・サイズであり、'r'はサンプリングされたベースバンド受信信号を表し、'r*'は'r'の複素共役を示す。その後、送信モードを識別するために、受信装置は、同期フィールド111中に含まれることができる異なる署名シーケンスとの受信信号の並列相関を実行する。例えば、３つの異なる署名シーケンス（SS1、SS2A及びSS2B）が事前に決められている場合、並列相関は以下のように実行されることができる。

ここで、Nは相関シーケンスの長さである。

最大の出力値を有する相関器が選択されて、信号の存在を検出して更に送信モードを識別するために、閾値に対して比較される。例えば、相関器ρ_2B(m)が最大の値を出力する場合、送信モードは、署名シーケンスSS2Bに対応するモードである。一旦送信モードが決定されると、受信装置は、ペイロード・データ131を正しく復調して復号するために、フレームの残りのフィールドの継続時間を設定する。

図3は、単一アンテナ送信モードを通知するためのPLCPプリアンブル300の例示的な図を示す。同期フィールド310は、ショート・トレーニング・シーケンスS⁰〜S^M-1を含み、ここで、Mは同期フィールド311における署名シーケンスの反復の数である。例示的な実施の形態において、ショート・トレーニング・シーケンスは、以下のように生成される。

ここで、i = 0〜M-1、n= 0〜N-1である。Nは、アンテナに対応する署名シーケンスSS1の長さである。ショート・トレーニング・シーケンス中の各々の要素S⁰〜S^M-1は、長さNである。N及びMの値は、同期フィールド111の長さに基づいて事前に決められている。

(i = 0, 1, ..., M-1)は、カバー・シーケンスであり、フレームの開始を検出するだけでなく、一意的に送信モードを識別するために用いられる。

チャネル推定（CE）フィールド320は、２つのシンボルCE1及びCE2（例えばOFDMシンボル）を含み、ここで、同じロング・トレーニング・シーケンスがシンボルCE1及びCE2の両方において送信されることができる。受信装置は、副搬送波の各々におけるチャネル利得係数を推定するために２つの受信シンボルを平均する。

図4は、デュアル・アンテナ送信モードを暗黙に通知するためのPLCPプリアンブル410及び420の例示的な図を示す。送信装置の各々のアンテナ（図示せず）は、PLCPプリアンブル410又は420を含むデータ・フレームを送信する。プリアンブル410の同期フィールド411は、ショート・トレーニング・シーケンスS₁ ⁰〜S₁ ^M-1を含み、Mは、同期フィールド411におけるそれぞれの署名シーケンスの反復の数である。本発明の例示的な実施の形態において、トレーニング・シーケンスS₁ ⁰〜S₁ ^M-1は以下のように生成される。

ここで、i = 0〜M-1、n = 0〜N-1 （Nは署名シーケンスSS2Aの長さ）であり、

（i = 0, 1, ..., M-1）は、カバー・シーケンスである。

この例では、署名シーケンスSS2Aは、送信装置の２つのアンテナによって利用される送信スキームに対応する。例えば、SS2Aは、送信ビーム成形を伴う２つのアンテナ、STBC（例えばAlamouti符号）による２つのアンテナ又はFITDによる２つのアンテナの署名シーケンスである。

プリアンブル420中の同期フィールド421は、同期フィールド411のために生成されるシンボル/信号/トレーニング・シーケンスSⁱ ₁(n)と同じショート・トレーニング・シーケンスSⁱ ₂(n)を含む。すなわち、Sⁱ ₁(n) = Sⁱ ₂(n)である。２つのフレームにおいて同じショート・トレーニング・シーケンスを送信することは、受信装置における信頼性が高いバースト検出及びAGC設定を保証する。本発明の実施の形態によれば、トレーニング・シーケンスSⁱ ₁(n)の循環シフト・バージョンが、同期フィールド421において送信される。

同期フィールド311, 411及び421の継続時間は同じであることに留意すべきである。しかしながら、デュアル・アンテナ送信モードにおけるCEフィールド412及び422は、CEフィールド320より長い場合がある。例えば、デュアル・アンテナ送信モードのCEフィールドは、４つのシンボルを含むことができる。

図4で示されるプリアンブルにおいて、CEフィールド412及び422は、受信装置が各々のアンテナ送信のチャネル推定値を推定して記憶することを可能にするために、両方のアンテナによって送信される。例示的な実施の形態において、CEフィールド412は、２つのシンボルCE1及びCE2を含み、トレーニング・シーケンスSⁱ ₁(n)は、第１シンボル継続時間（CE1）の間、偶数の副搬送波に割り当てられて、第２シンボル継続時間（CE2）の間、奇数の副搬送波に割り当てられる。CEフィールド422において、この順序は逆にされ、すなわち、第１シンボル継続時間（CE1）の間、トレーニング・シーケンスは、奇数の副搬送波上で送信され、第２シンボル継続時間（CE2）の間、トレーニング・シーケンスは、偶数の副搬送波上で送信される。受信装置は、チャネル全体（すなわち全ての副搬送波）にわたるチャネル推定値を導き出すために、２つのシンボルの補間を実行する。

CEフィールドが４つのシンボルを含む場合、２つのシンボルがCE1及びCE2として送信され、他の２つのシンボル（CE3及びCE4）は、シンボルCE1及びCE2のコピーである。この実施の形態において、受信装置は、２つのシンボルにわたってチャネル推定値を平均することができ、チャネル推定値の信頼性は、単一アンテナ送信によって達成されるものと同程度である。

本発明の他の実施の形態によれば、単一アンテナを有する無線装置又は２つのアンテナを有する無線装置を含むネットワークにおける送信モードを特定するためのシグナリング方法が提供される。この実施の形態において、同期フィールド111は、送信モードを示すため、すなわち、１つの送信アンテナが用いられるのか２つの送信アンテナが用いられるのかを示すために用いられる。特に、同期フィールド111は、上で詳細に説明されたように、署名シーケンスに基づいて生成される。CEフィールド112は、第１アンテナにおける偶数の副搬送波のみの上のパイロット及び第２アンテナからの奇数の副搬送波のみの上のパイロットを用いることにより生成される。したがって、単一のアンテナ又は２つのアンテナを有する全ての受信装置は、フィールド122を受信することができる。

この実施の形態によれば、送信スキームは、PLCPヘッダ120において指定される。多重アンテナが用いられる場合、ヘッダ120は、好ましくはFITDを用いて、各々のアンテナによって送信される。PSDU 130は、送信装置に対して設定された送信スキームを用いて送信される。表1に示されるように、PLCPヘッダ120の２ビットは、送信装置によって用いられている送信スキームを指定するように設定される。例示的な実施の形態において、ビットA0及びA1は、PLCPヘッダ120のPHYヘッダ中の位置14及び15を占有する。

この実施の形態によれば、送信装置は、宛先受信装置が同様に２つのアンテナを持つ場合にのみ、空間多重化(SM)スキームを用いることができることに留意すべきである。これは、例えば、受信装置ビーコン送信において使用されるショート・シーケンスによって決定されることができる。

受信装置は、最初にバースト検出のために受信信号を処理する。これは、通常、受信信号と信号の遅延バージョンとの又は基準信号との相関をとることによって、実行される。そして、受信装置は、送信モードを決定するために、受信信号と複数の相関器との相関をとる。この処理は、より詳細に上で説明される。フレームがデュアル・アンテナ・モードを用いて送信されていることを受信装置が決定する場合、ヘッダは、送信スキームを導き出すために、FITD復号される。

本発明のさまざまな実施の形態は、OFDMのような変調スキームを用いた任意のパケット・ベース通信システムによって用いられることができる。例えば、本発明の教示は、Ecma-392規格などを利用するCogNeAに基づくシステムにおいて有効に実施されることができる。

図5は、本発明の実施の形態に従って構成される装置500の例示的かつ非制限的なブロック図を示す。装置500は、異なる送信モード及びスキームに対する署名シーケンスを記憶するためのメモリ510、同期フィールド生成器520、CEフィールド生成器530、フレーム生成器540、変調器550及び少なくとも１つのアンテナ560を有する。同期フィールド生成器520は、メモリ510から読み出される署名シーケンスを用いてショート・トレーニング・シーケンスを生成する。本発明の一実施例において、メモリ510は、署名シーケンスを生成するフィードバックループ・シフトレジスタに置き換えられることができる。

CEフィールド生成器530は、ロング・トレーニング・シーケンスを生成して、そのシーケンスをCEフィールド112中に配置することによって、PLCPプリアンブルのCEフィールドを形成する。本発明の一実施例において、ロング・トレーニング・シーケンスは、メモリ510中に記憶されて、CEフィールドを形成するために、CEフィールド生成器530によって用いられる。他の一実施例において、ロング・トレーニング・シーケンスは、CEフィールド生成器530によって生成される。フレーム生成器540は、装置に含まれる各々の送信アンテナ560のためのPLCPフレームを形成する。フレームのPLCPプリアンブルは、生成器520及び530によってそれぞれ構成される同期及びCEフィールドを含む。フレーム生成器540によって出力される各々のフレームは、装置500に設定される送信スキームに従って、変調器550によって変調される。本発明の実施の形態において、装置500は、通信装置の物理（PHY）レイヤ・モジュールに一体化されることができる。

本発明の原理は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの任意の組み合わせとして実施されることができる。さらに、ソフトウェアは、デジタル回路、アナログ回路、磁気媒体又はそれらの組み合わせの形であることができるプログラム記憶ユニット、計算機可読媒体又は非一過性機械読取可読記憶媒体上で有形に実現されるアプリケーション・プログラムとして、好ましくは実施される。アプリケーション・プログラムは、任意の適切なアーキテクチャから成る機械にアップロードされ、それによって実行されることができる。好ましくは、機械は、１つ以上の中央処理ユニット（CPU）、メモリ及び入出力インタフェースのようなハードウェアを有するコンピュータ・プラットフォーム上で実施される。コンピュータ・プラットフォームは、オペレーティング・システム及びマイクロ命令コードを含むこともできる。本願明細書において説明されるさまざまな処理及び機能は、マイクロ命令コードの一部若しくはアプリケーション・プログラムの一部又はそれらの任意の組み合わせであることができ、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かにかかわらず、それはCPUによって実行されることができる。更に、追加的なデータ記憶ユニット及び印刷ユニットのようなさまざまな他の周辺ユニットがコンピュータ・プラットフォームに接続されることができる。

本願明細書において列挙される全ての例及び条件つきの文は、読者が本発明の原理及び技術を進歩させるために発明者によって寄与されたコンセプトを理解することを補助するための教育的目的のために意図され、そのような具体的に列挙された例及び条件に限定されないものとして解釈されるべきである。そのうえ、本願明細書における本発明の原理、態様及び実施の形態並びにその特定の例を列挙する全ての記述は、その構造上及び機能上の均等物の両方を含むことが意図される。加えて、そのような均等物は、構造にかかわらず、将来開発される均等物、すなわち、同じ機能を実行する開発される任意の要素と同様に、現在既知の均等物を含むことが意図される。

Claims (13)

1. 無線通信ネットワークにおいて送信モードを通知するための方法であって、
   前記送信モードに対応する署名シーケンスを予め決められた署名シーケンスのセットから選択し、
   送信装置内の各アンテナに対して、ショート・トレーニング・シーケンスをもたらすために、選択された前記署名シーケンスを予め決められた回数反復することにより、プリアンブルに含まれる同期フィールドを形成し、
   前記送信装置内の各アンテナから、前記プリアンブルを有するデータ・フレームを送信する、方法。
2. 前記署名シーケンスがさらに前記送信装置の送信スキームを示す、請求項１に記載の方法。
3. 前記プリアンブルに含まれるチャネル推定フィールドのためのロング・トレーニング・シーケンスをさらに生成する、請求項２に記載の方法。
4. 前記データ・フレームはヘッダ及びペイロード・ポーションをさらに含み、前記データ・フレームは物理レイヤ集中プロトコル（PLCP）フレームである、請求項３に記載の方法。
5. 選択された前記署名シーケンスをカバー・シーケンスで乗じる、請求項１に記載の方法。
6. 前記署名シーケンスが疑似ランダム・シーケンスである、請求項１に記載の方法。
7. 前記送信モードが、単一アンテナ送信か多重アンテナ送信である、請求項２に記載の方法。
8. 前記送信スキームが、ビーム成形送信ダイバーシティ、周波数インタリーブ送信ダイバーシティ（FITD）、空間多重化及び時空間ブロック符号（STBC）のうちのいずれか１つである、請求項２に記載の方法。
9. 前記送信装置の各々のアンテナのために、前記送信装置の送信スキームを指定するためのヘッダをさらに形成する、請求項１に記載の方法。
10. FITDプロセスを用いて前記ヘッダを符号化することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 送信モード及び送信スキームに対応する少なくとも１つの署名シーケンスを記憶するためのメモリ、
    当該装置に含まれる各アンテナに対して、ショート・トレーニング・シーケンスにおいて前記メモリから読み出される前記少なくとも１つの署名シーケンスを予め決められた回数反復することにより、同期フィールドを形成するための同期フィールド生成器であって、前記少なくとも１つの署名シーケンスは、予め決められた署名シーケンスのセットから選択され、前記ショート・トレーニング・シーケンスは、前記同期フィールドに含まれる同期フィールド生成器、
    ロング・トレーニング・シーケンスを生成することによって各アンテナのためのCEフィールドを形成するためのチャネル推定（CE）フィールド生成器であって、前記同期フィールド及び前記CEフィールドはプリアンブル中に含まれるCEフィールド生成器、
    各アンテナのためのデータ・フレームを生成するためのフレーム生成器であって、前記データ・フレームは前記プリアンブルを有するフレーム生成器、
    前記装置のために設定された前記送信スキームを用いて各データ・フレームを変調するための変調器、
    を有する、装置。
12. 前記署名シーケンスを生成するためのフィードバックループ・シフトレジスタをさらに有する、請求項１１に記載の装置。
13. 無線通信装置の物理レイヤ・モジュールに一体化される、請求項１１に記載の装置。

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