JPWO2006048934A1 - Mimo−ofdmシステムにおけるリンク・アダプテーションシステム及びその方法 - Google Patents

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Abstract

MIMO−OFDMシステムにおけるリンク・アダプテーションシステム。このシステムでは、V−BLAST処理部(308)は、送信機の複数アンテナに対応して受信信号をデータストリームに分離するV−BLAST処理を行う。ベクトル情報出力部(312)は、V−BLAST処理によって得られるフィードバック・ベクトル情報を送信機へ送る。適応ビット割当て部(304)は、フィードバック・ベクトル情報に基づいて、異なるアンテナで送られるサブキャリア毎に、割り当てるビット数を適応的に制御する。適応電力割当て部(306)は、フィードバック・ベクトル情報に基づいて、各アンテナに適応的に電力を割り当てる。

Description

本発明は、直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムにおけるリンク・アダプテーションシステム及びその方法に関係する。
複数データストリームの同時送信は、多数(N)の送信アンテナと多数(N)の受信アンチナを使用するMIMO通信システムで実施されている。信号は送信アンテナから複数のパスを経て進み、受信アンテナに到達するまでに反射と拡散を受ける。MIMOシステムの重要な特長は、マルチパス伝播をうまく利用してそれをユーザの利便に変える能力である。こうした長所の一つが空間的多重化を利用したシステム容量の増加であり、通常、これは個別の送信リンクで独立したデータを送信することにより実現される。
空間的多重化によりデータ速度を高速化するよく知られた技法は、非特許文献1で論じられている。
MIMO技法は当初、狭帯域無線システム、すなわち、フラット・フェーディング・チャネルを想定して設計された。従って、周波数選択性チャネルにおいては高い効果を得ることは困難である。そこで、無線環境で提起された周波数選択性チャネルを克服するために、OFDMがMIMOシステムと連携して使用されている。
逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いて、OFDMは周波数選択性チャネルを独立したパラレルな周波数の一定な複数サブチャネルの組に変換することができる。これらのサブチャネルのそれぞれの周波数は直交し互いに重なりあうため、スペクトラム効率を向上させるとともにキャリア間干渉を最小にする。サイクリックプレフィックス(Cyclic Prefix)をOFDMシンボルに付加することで、マルチパス効果をさらに低減する。
送信アンテナと受信アンテナ間に存在する複数の通信チャネルは、通常、経時変化しつつそれぞれ異なるリンク状態になる。フィードバックを有するMIMOシステムは、送信機にチャネル状態情報(CSI)を提供し、より高いレベルの性能を与えるためにリンク・アダプテーションやウォーター・フィリング等の方法の使用を可能にする。
OFDMシステムにおけるアダプティブ・ビット・ローディングは、いろいろな技術論文で論じられてきた。OFDMサブキャリアに割り当てるビット数を変えることで、アダプティブ・ビット・ローディングはシステムの品質を落とさずにデータ速度を最適化するねらいをもつ。この技法は、それぞれ異なるサブキャリアはチャネル状態に依存する変動的な減衰度を有するという事実に基づいて機能する。割当ての決定は、通常、各サブキャリアのチャネル状態情報(CSI)や信号対雑音比(SNR)等の特定のフィードバック情報により行われる。
リンク・アダプテーションの別の例は、適応変調/符号化方式(AMC)である。従来のシステムでは、予め定義されたレベルの組の中から使用すべき変調及び符号化方式(MCS)レベルを送信機が決定する。通常、この決定は、受信機で測定された検出後SNRを各MCSレベルに対応するしきい値と比較することによってなされる。この方法はMCSレベルを選択する点では正確であるが、SNRを受信シンボルごとに計算しなければならないので処理複雑度が高い。また信号フィードバックのオーバヘッドも高く、限られた利用可能な無線資源を圧迫している。
処理複雑度と高いフィードバック・オーバヘッドを低減する技術が、特許文献1において提示されている。上記文献に記述された技術では、定期的な特定のフィードバック・メッセージとともに肯定応答(ACK)及び否定応答(NACK)に基づいてMCSレベルを決定する。
″V−BLAST:an architecture for realising very high data rates over the rich−scattering wireless channel″by P W Wolniansky et al in the published papers of the 1998 URSI International Symposium on Signals,Systems and Electronics,Pisa,Italy,Sep.29 to Oct.2,1998. “A mobile communication system and method for adaptive modulation and coding,combining pilot−aided and ACK/NACK based decision on the employed modulation and coding scheme level”by Cho Myeon−gyunand Kim HO−jin,patent number EP1289181,filed 5thMarch 2003.
しかしながら、リンク・アダプテーションをMIMO−OFDMシステムに応用する技術は開示されていない。
本発明の目的は、MIMO−OFDMシステムにおいて、処理複雑度を低く抑え、信号フィードバックのオーバヘッドを低減しつつ、最適なビット割当てを行うことができるリンク・アダプテーションシステム及びその方法を提供することである。
本発明は、受信機側のV−BLAST処理部により提供されたフィードバック情報に基づき、異なるアンテナで送られるサブキャリア毎に割り当てるビット数、各送信アンテナの電力を適応的に制御する。また、本発明は、受信機側において、ACK/NACK情報に依存して、次のフレーム送信において各送信アンテナにおけるAMCレベルの上げ/下げを決定し、V−BLAST処理により得られた一組のリンク品質情報に依存してAMCレベルの増加/減少量を決定する。
本発明によれば、MIMO−OFDMシステムにおいて、処理複雑度を低く抑え、信号フィードバックのオーバヘッドを低減しつつ、リンク・アダプテーションを行うことができる。
MIMO−OFDM通信システムの送信機のブロック図 MIMO−OFDM通信システムの受信機のブロック図 本発明のリンク・アダプテーションを目的に採用された閉ループシステムの一実施例を示す図 本発明の一実施例でのV−BLAST信号処理方法及び情報取得を示すフローチャート エラー伝播が発生しないことを前提とした、各送信レイヤの検出処理の性能を示す図 本発明のリンク・アダプテーションを目的に採用された閉ループシステムの別の実施例を示す図 7段階のAMCレベルでそれぞれ異なる変調方式と符号化率の組合せの例を示す図
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、直交波周波数分割多重を利用する複数入力複数出力通信システム(すなわち、MIMO−OFDMシステム)における送信機100のブロック図である。図2は、同システムの受信機200のブロック図である。両図は2基の送信アンテナと2基の受信アンテナを使用するシステムを示すが、本発明は多数(N)の送信アンテナと多数(N)の受信アンテナを使用するシステムに拡張可能である。
送信機100において、各個別アンテナ・チェーンごとにデータ処理が行われる。独立データのそれぞれ異なるストリームが各送信アンテナから送信されている。入力データは、まずCRC付加部102で巡回冗長検査(CRC)符号が付加される。その後、畳み込み符号化、ターボ符号化などのチャネル符号化が符号化部104で実行される。符号化されたデータは次に、データ中のバーストエラーを減少させるためにインターリーバ106でインタリーブされる。インタリーブされたデータに対して、多値変調コンステレーション・シンボル・マッピングがマッピング部108で実行される。マッピングされた信号に対してパイロット挿入部110でパイロット信号が挿入される。パイロット信号を挿入することにより受信機でのチャネル評価を容易にする。
OFDM変調を行う前にS/P変換部112でシリアルなデータストリームをパラレルなデータストリームに変換する。IFFT部114は生成サブキャリアを互いに直交させる。P/S変換部116でパラレルデータをシリアルデータに変換した後、CP付加部118でマルチパス効果を低減するためのサイクリックプレフィックス(cyclic prefix)がOFDMシンボルに付加される。送信前に、D/A変換部120によってデジタル信号はアナログ信号に変換される。各送信機チェーンでの各種処理を経た後、信号はそれぞれの割り当てられた送信アンテナ122によって送信可能な状態になる。
受信機200では、受信アンテナ202からの受信信号に対して、上記と逆の処理、すなわち、アナログからデジタルへの変換(A/D変換部204)、サイクリックプレフィックス除去(CP除去部206)、シリアルパラレル変換(S/P変換部208)、高速フーリエ変換(FFT部210)、パラレルシリアル変換(P/S変換部212)といった処理が行われる。受信信号は複数の送信アンテナからの重なり合う信号からなるため、この信号をそれぞれ個別のストリームに分離する必要がある。この場合、ゼロ・フォーシング(ZF)または最小平均二乗誤差(MMSE)といった技法を利用するV−BLASTデコーダ214をこの機能を実行するために使用する。
さらにデマッピング(デマッピング部216)、デインタリービング(デインターリーバ218)及びデコーディング(復号部220)を行った後、各パケットについて巡回冗長検査(CRC処理部222)が行われ、当該データが正しいことを確認する。検査されたパケットがエラーなしと判定される場合は、肯定応答(ACK)が送信機に送信されて、送信機は当該パケットを再送信しない。もしエラーがあれば、再送信を要求するために否定応答(NACK)が送信機100に送信される。
図3は、本発明のリンク・アダプテーションを目的に採用された閉ループシステムを示す図である。図3に示すシステムは、送信機側の適応ビット割当て部304と適応電力割当て部306を含む構成を採る。
入力データはターボ符号化部302でターボ符号化される。ターボ符号化によって生成されたシステマチックビットとパリティビットは適応ビット割当て部304に出力される。
適応ビット割当て部304は、異なるアンテナで送られるサブキャリア毎に、割り当てるビット数を適応的に制御する。適応電力割当て部306は、各アンテナに適応的に電力を割り当てる。割当られるビット数と電力量は、前の送信から得られたアンテナ状態に依存する。この情報は、V−BLAST処理部308によって与えられ、ベクトル情報出力部312に保存され、エラーフリー・チャネル310を通じて送信機へ送られる。
V−BLAST処理部308は、送信機の複数アンテナに対応して受信信号をデータストリームに分離するV−BLAST処理を行う。デマッピング部314は、V−BLAST処理された各ビットをデマッピングする。
図4は、本発明の一実施例でのV−BLAST信号処理方法及び情報取得を示すフローチャートである。V−BLAST処理から得られた情報をもとに、アンテナのSNRの順位付けが行われる。以下に、ZFクライテリオンを用いるV−BLAST技法とアンテナ順位付け手順を説明する。
各受信アンテナで受信された信号は、各送信アンテナからの信号の混成物からなる。したがって、V−BLASTは混成物を検出し、妥当なデータストリームに分離することをめざす。V−BLAST技法は、すべての受信アンテナから得たシンボルの各列(これを受信ベクトルという)に対して実行される。各受信ベクトルに対応する、チャネル評価から取得されるチャネル行列もV−BLAST処理に必要となる。
受信ベクトル(r)と対応するチャネル行列(H)の組を設定した後の最初のステップは、行列Gの組を得るためにHの擬似逆形を計算することである(ステップ404)。
チャネル行列の擬似逆形を得た後、Gの各行のノルムを計算する(ステップ406)。このステップの目的は、第一の検出対象レイヤを選択することである。最大の検出後信号対雑音比(SNR)を示すレイヤで最初に検出を実行すれば、よりよい性能が得られることはすでに証明済みである。これは、最小ノルムをもつGの行を検出することに相当する。
したがって、最小ノルムをもつGの行をゼロ化ベクトル(w)として選択する(ステップ408)。このベクトルは、kthで送信した信号を除き、すべての信号をゼロ化(無効に)する。V−BLAST処理部308は、受信ベクトル(r)及び重みベクトル(w)を内部で作成することにより、kth送信アンテナから送信されたシンボルの検出を行う(ステップ410)。
検出されたシンボルは、信号コンステレーション内の最も近い値にスライシングして再マッピングされる(ステップ412)。こうすることで、次のステップで実行される信号消去のための評価が効率よく処理される。
一つのレイヤが検出されれば、その後のレイヤの検出処理は効率よく行える。検出された信号部分を受信信号のベクトルから差し引くことで(ステップ414)、次のステップでのゼロ化対象レイヤ数は減少される。この消去処理は、受信信号ベクトルを妨害信号成分が低下したベクトルに修正することになる。また検出の複雑さも低減する。
これに対応してHのkth列を消去することで(ステップ416)、チャネル行列も修正する必要がある。
すべてのレイヤがうまく検出されるまで全部の処理を繰り返す(ステップ418)。なお、V−BLAST検出は、受信ベクトルのほかの組についても引き続き実行される。
ノルムは各送信レイヤの検出後SNRの指示値であるので、本発明はこの情報をアンテナ順位付けに利用している。フレーム中の各シンボルについて検出の順序が、受信機内でベクトルとして保存される。受信機は、その後、エラーフリー・チャネルを通じて情報ベクトルを送信機へフィードバックする。送信機は、このベクトルを次の送信フレームにおけるリンク・アダプテーションに利用する。この保存とフィードバックのプロセスは、望ましい周期で繰り返される。これらの二つのステップは、受信機で受信したフレームごとに実行してもよいし、または望ましいm個のフレームごとに実行してもよい。通則的なガイドラインとしては、変動の早い無線チャネルであれば、より短い周期でフィードバックを行う。他方、変動が遅いチャネルでは、資源を節約し、複雑さを最小レベルに保つために、より長い間隔で情報を更新するようにする。
図5はV−BLAST検出中にエラー伝播が発生しないことを前提とした、検出された各送信レイヤの性能を示す図である。図5において、横軸はE/N、縦軸はBER(Bit Error Rate)である。図5では、4つの送信アンテナの送信機と4つの受信アンテナの受信機との間で通信を行い、送信アンテナ1(Tx1)の信号から順に送信アンテナ4(Tx4)の信号まで分離する場合のエラー曲線を示している。
理論的には、第一の検出対象レイヤの検出時はダイバーシチレベルがいちばん低い。検出された各レイヤについて、各受信アンテナはずっと一定であるのに検出されたレイヤは消去されていくので、結果としてシステムのダイバーシチレベルはレイヤが進むにつれて増加する。このことは図5に明白に示されている。第一のデコーディング・ステップで検出されるアンテナ1のエラー曲線は、SNRが増えるにしたがって緩やかに降下する(アンテナ1のダイバーシチレベル)。アンテナ2、3、4のエラー曲線は、アンテナ1のものよりもずっと急に降下する。それよりも前に検出されたシンボルは差し引かれているという利を得ることにより、後続のレイヤではダイバーシチレベルが4まで増加する。レベル4が発生するのは、4基の受信アンテナによる検出対象としてただ一つの信号が残っている場合である。したがって、この観測例から結論づけられるのは、順位付け後の第一の検出対象レイヤは最高の検出後SNRをもつが、その後に検出されるほかの送信レイヤに比べて、その性能は低くなるということである。したがって、適応ビット割当て部304及び適応電力割当て部306は、第一の検出対象レイヤとなったアンテナに対して、この特定のアンテナ・リンクにおける性能を向上させるために、より少ないビット数かより高い送信電力、またはこれらの両方を与えるべきである。
本発明の別の実施例を図6に示す。この実施例ではAMCを用いる。V−BLAST情報に加えて、AMC処理を容易にするためにシステムはCRC情報を利用する。送信機602内の多重CRC付加部604は、各アンテナ・チェーン608から送信する信号にCRCビットを付加する。したがって、受信機612では、多重CRC検出部618において、各個別受信アンテナで受信され、復調デコーダ616で復調された各フレームがエラー検出のためにCRCを受ける。
AMC選択部624は、多重CRC検出部618からCRCの結果(ACK/NACK)を得る。AMC選択部624は、各受信アンテナ610に受信された信号に対するACK/NACK情報によって、次のフレーム送信において送信機602の各アンテナ608におけるAMCレベルを上げるかまたは下げるかを決定する。AMC選択部624は、現在の送信でACKを受信したアンテナでは次のフレーム送信ではそのAMCレベルを上げるようにし、NACKを受信したアンテナでは次のフレーム送信でそのAMCレベルを下げるようにする。
また、AMC選択部624は、V−BLASTデコーダ614により得られた一組のリンク品質情報に依存してAMCレベルの増加/減少量を決定する。生成されたノルム情報が、各アンテナのリンク状態の評価を決定するための手段として用いられる。前述したアンテナ順位付けのコンセプトを利用することで、AMC選択部624は、エラー確率が比較的小さいアンテナではそのAMCレベルをより大幅に増加させ、AMCレベルの減少が必要な場合にはエラー確率が比較的大きいアンテナではそのAMCレベルをより大幅に減少させる。
ARQとリンク品質の両方の情報に基づいて、AMC選択部624は、適切なAMCレベルを選択し、フィードバックチャネル626を通じてこの選択をフィードバックする。ここで注目されるのは、すべての演算及び選択処理が受信機で実行されることである。その結果、送信機に送る必要があるオーバヘッドと信号情報量が減少する。
このフィードバック情報を用いて、送信機602内の多重AMC部606は、各送信アンテナにAMCレベルを効率よく割り当てることができる。前の送信時に決定されたリンク品質に基づいて、各アンテナに適切なAMCレベルを割り当てることにより、システムはチャネル状態の差や変動をうまく利用してシステム全体の性能をよりよくすることができる。
SNR測定部622は、各送信アンテナ608から送信された受信パイロット信号を用いてSNRを測定する。AMC選択部624は、測定されたSNRに基づき各送信アンテナ608のチャネル状態を評価し、定期的に、基準値として送信されたパイロット信号の検出後SNRに応じてAMCレベルをリセットする。また、AMC選択部624は、AMCレベルのSNRに基づく割当てを初期設定期間に実行する。これにより、システムがサポート可能な実際のAMCレベル範囲から上記の方法により割り当てられたAMCレベルがあまりに大きく逸脱してしまうのを防ぐことができる。
AMCレベルの多様化の例を図7に示す。ここでは、7段階のレベルがあり、変調方式がQPSKから64QAMまで変動し、符号化率が1/4、1/2、3/4と変動する。割り当てられたAMCレベルがより高いほど、データ率が高くなる。エラー率を許容限度内に抑えつつ高いデータ率を得るためには、信号のSNRが各AMCレベルに対応するしきい値を常に上回るようにする。
なお、上記の説明は本発明の好適な実施例とみなされるが、本発明は、開示した実施例に限定されるものではなく、多様な形態と実施態様で実現可能であり、本発明の範囲は、以下に記載する特許請求事項およびその等価物に参照して決定されるものである。
本発明は、直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムに用いるに好適である。
本発明は、直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムにおけるリンク・アダプテーションシステム及びその方法に関係する。
複数データストリームの同時送信は、多数(NT)の送信アンテナと多数(NR)の受信アンテナを使用するMIMO通信システムで実施されている。信号は送信アンテナから複数のパスを経て進み、受信アンテナに到達するまでに反射と拡散を受ける。MIMOシステムの重要な特長は、マルチパス伝播をうまく利用してそれをユーザの利便に変える能力である。こうした長所の一つが空間的多重化を利用したシステム容量の増加であり、通常、これは個別の送信リンクで独立したデータを送信することにより実現される。
空間的多重化によりデータ速度を高速化するよく知られた技法は、非特許文献1で論じられている。
MIMO技法は当初、狭帯域無線システム、すなわち、フラット・フェーディング・チャネルを想定して設計された。従って、周波数選択性チャネルにおいては高い効果を得ることは困難である。そこで、無線環境で提起された周波数選択性チャネルを克服するために、OFDMがMIMOシステムと連携して使用されている。
逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いて、OFDMは周波数選択性チャネルを独立したパラレルな周波数の一定な複数サブチャネルの組に変換することができる。これらのサブチャネルのそれぞれの周波数は直交し互いに重なりあうため、スペクトラム効率を向上させるとともにキャリア間干渉を最小にする。サイクリックプレフィックス(Cyclic Prefix)をOFDMシンボルに付加することで、マルチパス効果をさらに低減する。
送信アンテナと受信アンテナ間に存在する複数の通信チャネルは、通常、経時変化しつつそれぞれ異なるリンク状態になる。フィードバックを有するMIMOシステムは、送信機にチャネル状態情報(CSI)を提供し、より高いレベルの性能を与えるためにリンク・アダプテーションやウォーター・フィリング等の方法の使用を可能にする。
OFDMシステムにおけるアダプティブ・ビット・ローディングは、いろいろな技術論文で論じられてきた。OFDMサブキャリアに割り当てるビット数を変えることで、アダプティブ・ビット・ローディングはシステムの品質を落とさずにデータ速度を最適化するねらいをもつ。この技法は、それぞれ異なるサブキャリアはチャネル状態に依存する変動的な減衰度を有するという事実に基づいて機能する。割当ての決定は、通常、各サブキャリアのチャネル状態情報(CSI)や信号対雑音比(SNR)等の特定のフィードバック情報により行われる。
リンク・アダプテーションの別の例は、適応変調/符号化方式(AMC)である。従来のシステムでは、予め定義されたレベルの組の中から使用すべき変調及び符号化方式(MCS)レベルを送信機が決定する。通常、この決定は、受信機で測定された検出後SNRを各MCSレベルに対応するしきい値と比較することによってなされる。この方法はMCSレベルを選択する点では正確であるが、SNRを受信シンボルごとに計算しなければならないので処理複雑度が高い。また信号フィードバックのオーバヘッドも高く、限られた利用可能な無線資源を圧迫している。
処理複雑度と高いフィードバック・オーバヘッドを低減する技術が、特許文献1において提示されている。上記文献に記述された技術では、定期的な特定のフィードバック・メッセージとともに肯定応答(ACK)及び否定応答(NACK)に基づいてMCSレベルを決定する。
"V-BLAST: an architecture for realising very high data rates over the rich-scattering wireless channel" by P W Wolniansky et al in the published papers of the 1998 URSI International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Pisa, Italy, Sep. 29 to Oct. 2, 1998. “A mobile communication system and method for adaptive modulation and coding, combining pilot-aided and ACK/NACK based decision on the employed modulation and coding scheme level” by Cho Myeon-gyunand Kim Ho-jin, patent number EP1289181, filed 5thMarch 2003.
しかしながら、リンク・アダプテーションをMIMO−OFDMシステムに応用する技術は開示されていない。
本発明の目的は、MIMO−OFDMシステムにおいて、処理複雑度を低く抑え、信号フィードバックのオーバヘッドを低減しつつ、最適なビット割当てを行うことができるリンク・アダプテーションシステム及びその方法を提供することである。
本発明は、受信機側のV-BLAST処理部により提供されたフィードバック情報に基づき、異なるアンテナで送られるサブキャリア毎に割り当てるビット数、各送信アンテナの電力を適応的に制御する。また、本発明は、受信機側において、ACK/NACK情報に依存して、次のフレーム送信において各送信アンテナにおけるAMCレベルの上げ/下げを決定し、V-BLAST処理により得られた一組のリンク品質情報に依存してAMCレベルの増加/減少量を決定する。
本発明によれば、MIMO−OFDMシステムにおいて、処理複雑度を低く抑え、信号フィードバックのオーバヘッドを低減しつつ、リンク・アダプテーションを行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、直交波周波数分割多重を利用する複数入力複数出力通信システム(すなわち、MIMO−OFDMシステム)における送信機100のブロック図である。図2は、同システムの受信機200のブロック図である。両図は2基の送信アンテナと2基の受信アンテナを使用するシステムを示すが、本発明は多数(NT)の送信アンテナと多数(NR)の受信アンテナを使用するシステムに拡張可能である。
送信機100において、各個別アンテナ・チェーンごとにデータ処理が行われる。独立データのそれぞれ異なるストリームが各送信アンテナから送信されている。入力データは、まずCRC付加部102で巡回冗長検査(CRC)符号が付加される。その後、畳み込み符号化、ターボ符号化などのチャネル符号化が符号化部104で実行される。符号化されたデータは次に、データ中のバーストエラーを減少させるためにインターリーバ106でインタリーブされる。インタリーブされたデータに対して、多値変調コンステレーション・シンボル・マッピングがマッピング部108で実行される。マッピングされた信号に対してパイロット挿入部110でパイロット信号が挿入される。パイロット信号を挿入することにより受信機でのチャネル評価を容易にする。
OFDM変調を行う前にS/P変換部112でシリアルなデータストリームをパラレルなデータストリームに変換する。IFFT部114は生成サブキャリアを互いに直交させる。P/S変換部116でパラレルデータをシリアルデータに変換した後、CP付加部118でマルチパス効果を低減するためのサイクリックプレフィックス(cyclic prefix)がOFDMシンボルに付加される。送信前に、D/A変換部120によってデジタル信号はアナログ信号に変換される。各送信機チェーンでの各種処理を経た後、信号はそれぞれの割り当てられた送信アンテナ122によって送信可能な状態になる。
受信機200では、受信アンテナ202からの受信信号に対して、上記と逆の処理、すなわち、アナログからデジタルへの変換(A/D変換部204)、サイクリックプレフィックス除去(CP除去部206)、シリアルパラレル変換(S/P変換部208)、高速フーリエ変換(FFT部210)、パラレルシリアル変換(P/S変換部212)といった処理が行われる。受信信号は複数の送信アンテナからの重なり合う信号からなるため、この信号をそれぞれ個別のストリームに分離する必要がある。この場合、ゼロ・フォーシング(ZF)または最小平均二乗誤差(MMSE)といった技法を利用するV-BLASTデコーダ214をこの機能を実行するために使用する。
さらにデマッピング(デマッピング部216)、デインタリービング(デインターリーバ218)及びデコーディング(復号部220)を行った後、各パケットについて巡回冗長検査(CRC処理部222)が行われ、当該データが正しいことを確認する。検査されたパケットがエラーなしと判定される場合は、肯定応答(ACK)が送信機に送信されて、送信機は当該パケットを再送信しない。もしエラーがあれば、再送信を要求するために否定応答(NACK)が送信機100に送信される。
図3は、本発明のリンク・アダプテーションを目的に採用された閉ループシステムを示す図である。図3に示すシステムは、送信機側の適応ビット割当て部304と適応電力割当て部306を含む構成を採る。
入力データはターボ符号化部302でターボ符号化される。ターボ符号化によって生成
されたシステマチックビットとパリティビットは適応ビット割当て部304に出力される。
適応ビット割当て部304は、異なるアンテナで送られるサブキャリア毎に、割り当てるビット数を適応的に制御する。適応電力割当て部306は、各アンテナに適応的に電力を割り当てる。割当られるビット数と電力量は、前の送信から得られたアンテナ状態に依存する。この情報は、V−BLAST処理部308によって与えられ、ベクトル情報出力部312に保存され、エラーフリー・チャネル310を通じて送信機へ送られる。
V−BLAST処理部308は、送信機の複数アンテナに対応して受信信号をデータストリームに分離するV−BLAST処理を行う。デマッピング部314は、V−BLAST処理された各ビットをデマッピングする。
図4は、本発明の一実施例でのV−BLAST信号処理方法及び情報取得を示すフローチャートである。V−BLAST処理から得られた情報をもとに、アンテナのSNRの順位付けが行われる。以下に、ZFクライテリオンを用いるV−BLAST技法とアンテナ順位付け手順を説明する。
各受信アンテナで受信された信号は、各送信アンテナからの信号の混成物からなる。したがって、V−BLASTは混成物を検出し、妥当なデータストリームに分離することをめざす。V−BLAST技法は、すべての受信アンテナから得たシンボルの各列(これを受信ベクトルという)に対して実行される。各受信ベクトルに対応する、チャネル評価から取得されるチャネル行列もV−BLAST処理に必要となる。
受信ベクトル(ri)と対応するチャネル行列(Hi)の組を設定した後の最初のステップは、行列Giの組を得るためにHiの擬似逆形を計算することである(ステップ404)。
チャネル行列の擬似逆形を得た後、Giの各行のノルムを計算する(ステップ406)。このステップの目的は、第一の検出対象レイヤを選択することである。最大の検出後信号対雑音比(SNR)を示すレイヤで最初に検出を実行すれば、よりよい性能が得られることはすでに証明済みである。これは、最小ノルムをもつGiの行を検出することに相当する。
したがって、最小ノルムをもつGiの行をゼロ化ベクトル(wk)として選択する(ステップ408)。このベクトルは、kthで送信した信号を除き、すべての信号をゼロ化(無効に)する。V-BLAST処理部308は、受信ベクトル(ri)及び重みベクトル(wk)を内部で作成することにより、kth送信アンテナから送信されたシンボルの検出を行う(ステップ410)。
検出されたシンボルは、信号コンステレーション内の最も近い値にスライシングして再マッピングされる(ステップ412)。こうすることで、次のステップで実行される信号消去のための評価が効率よく処理される。
一つのレイヤが検出されれば、その後のレイヤの検出処理は効率よく行える。検出された信号部分を受信信号のベクトルから差し引くことで(ステップ414)、次のステップでのゼロ化対象レイヤ数は減少される。この消去処理は、受信信号ベクトルを妨害信号成分が低下したベクトルに修正することになる。また検出の複雑さも低減する。
これに対応してHi のkth列を消去することで(ステップ416)、チャネル行列も修正する必要がある。
すべてのレイヤがうまく検出されるまで全部の処理を繰り返す(ステップ418)。なお、V−BLAST検出は、受信ベクトルのほかの組についても引き続き実行される。
ノルムは各送信レイヤの検出後SNRの指示値であるので、本発明はこの情報をアンテナ順位付けに利用している。フレーム中の各シンボルについて検出の順序が、受信機内でベクトルとして保存される。受信機は、その後、エラーフリー・チャネルを通じて情報ベクトルを送信機へフィードバックする。送信機は、このベクトルを次の送信フレームにおけるリンク・アダプテーションに利用する。この保存とフィードバックのプロセスは、望ましい周期で繰り返される。これらの二つのステップは、受信機で受信したフレームごとに実行してもよいし、または望ましいm個のフレームごとに実行してもよい。通則的なガイドラインとしては、変動の早い無線チャネルであれば、より短い周期でフィードバックを行う。他方、変動が遅いチャネルでは、資源を節約し、複雑さを最小レベルに保つために、より長い間隔で情報を更新するようにする。
図5はV-BLAST検出中にエラー伝播が発生しないことを前提とした、検出された各送信レイヤの性能を示す図である。図5において、横軸はE/N、縦軸はBER(Bit Error Rate)である。図5では、4つの送信アンテナの送信機と4つの受信アンテナの受信機との間で通信を行い、送信アンテナ1(Tx1)の信号から順に送信アンテナ4(Tx4)の信号まで分離する場合のエラー曲線を示している。
理論的には、第一の検出対象レイヤの検出時はダイバーシチレベルがいちばん低い。検出された各レイヤについて、各受信アンテナはずっと一定であるのに検出されたレイヤは消去されていくので、結果としてシステムのダイバーシチレベルはレイヤが進むにつれて増加する。このことは図5に明白に示されている。第一のデコーディング・ステップで検出されるアンテナ1のエラー曲線は、SNRが増えるにしたがって緩やかに降下する(アンテナ1のダイバーシチレベル)。アンテナ2、3、4のエラー曲線は、アンテナ1のものよりもずっと急に降下する。それよりも前に検出されたシンボルは差し引かれているという利を得ることにより、後続のレイヤではダイバーシチレベルが4まで増加する。レベル4が発生するのは、4基の受信アンテナによる検出対象としてただ一つの信号が残っている場合である。したがって、この観測例から結論づけられるのは、順位付け後の第一の検出対象レイヤは最高の検出後SNRをもつが、その後に検出されるほかの送信レイヤに比べて、その性能は低くなるということである。したがって、適応ビット割当て部304及び適応電力割当て部306は、第一の検出対象レイヤとなったアンテナに対して、この特定のアンテナ・リンクにおける性能を向上させるために、より少ないビット数かより高い送信電力、またはこれらの両方を与えるべきである。
本発明の別の実施例を図6に示す。この実施例ではAMCを用いる。V−BLAST情報に加えて、AMC処理を容易にするためにシステムはCRC情報を利用する。送信機602内の多重CRC付加部604は、各アンテナ・チェーン608から送信する信号にCRCビットを付加する。したがって、受信機612では、多重CRC検出部618において、各個別受信アンテナで受信され、復調デコーダ616で復調された各フレームがエラー検出のためにCRCを受ける。
AMC選択部624は、多重CRC検出部618からCRCの結果(ACK/NACK)を得る。AMC選択部624は、各受信アンテナ610に受信された信号に対するACK/NACK情報によって、次のフレーム送信において送信機602の各アンテナ608におけるAMCレベルを上げるかまたは下げるかを決定する。AMC選択部624は、現在の送信でACKを受信したアンテナでは次のフレーム送信ではそのAMCレベルを上げるようにし、NACKを受信したアンテナでは次のフレーム送信でそのAMCレベルを下
げるようにする。
また、AMC選択部624は、V-BLASTデコーダ614により得られた一組のリンク品質情報に依存してAMCレベルの増加/減少量を決定する。生成されたノルム情報が、各アンテナのリンク状態の評価を決定するための手段として用いられる。前述したアンテナ順位付けのコンセプトを利用することで、AMC選択部624は、エラー確率が比較的小さいアンテナではそのAMCレベルをより大幅に増加させ、AMCレベルの減少が必要な場合にはエラー確率が比較的大きいアンテナではそのAMCレベルをより大幅に減少させる。
ARQとリンク品質の両方の情報に基づいて、AMC選択部624は、適切なAMCレベルを選択し、フィードバックチャネル626を通じてこの選択をフィードバックする。ここで注目されるのは、すべての演算及び選択処理が受信機で実行されることである。その結果、送信機に送る必要があるオーバヘッドと信号情報量が減少する。
このフィードバック情報を用いて、送信機602内の多重AMC部606は、各送信アンテナにAMCレベルを効率よく割り当てることができる。前の送信時に決定されたリンク品質に基づいて、各アンテナに適切なAMCレベルを割り当てることにより、システムはチャネル状態の差や変動をうまく利用してシステム全体の性能をよりよくすることができる。
SNR測定部622は、各送信アンテナ608から送信された受信パイロット信号を用いてSNRを測定する。AMC選択部624は、測定されたSNRに基づき各送信アンテナ608のチャネル状態を評価し、定期的に、基準値として送信されたパイロット信号の検出後SNRに応じてAMCレベルをリセットする。また、AMC選択部624は、AMCレベルのSNRに基づく割当てを初期設定期間に実行する。これにより、システムがサポート可能な実際のAMCレベル範囲から上記の方法により割り当てられたAMCレベルがあまりに大きく逸脱してしまうのを防ぐことができる。
AMCレベルの多様化の例を図7に示す。ここでは、7段階のレベルがあり、変調方式がQPSKから64QAMまで変動し、符号化率が1/4、1/2、3/4と変動する。割り当てられたAMCレベルがより高いほど、データ率が高くなる。エラー率を許容限度内に抑えつつ高いデータ率を得るためには、信号のSNRが各AMCレベルに対応するしきい値を常に上回るようにする。
なお、上記の説明は本発明の好適な実施例とみなされるが、本発明は、開示した実施例に限定されるものではなく、多様な形態と実施態様で実現可能であり、本発明の範囲は、以下に記載する特許請求事項およびその等価物に参照して決定されるものである。
本発明は、直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムに用いるに好適である。
MIMO−OFDM通信システムの送信機のブロック図 MIMO−OFDM通信システムの受信機のブロック図 本発明のリンク・アダプテーションを目的に採用された閉ループシステムの一実施例を示す図 本発明の一実施例でのV−BLAST信号処理方法及び情報取得を示すフローチャート エラー伝播が発生しないことを前提とした、各送信レイヤの検出処理の性能を示す図 本発明のリンク・アダプテーションを目的に採用された閉ループシステムの別の実施例を示す図 7段階のAMCレベルでそれぞれ異なる変調方式と符号化率の組合せの例を示す図

Claims (16)

  1. 直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムにおけるリンク・アダプテーションシステムであって、
    受信機が、送信機の複数アンテナに対応して受信信号をデータストリームに分離するV−BLAST処理を行うV−BLAST信号処理部と、V−BLAST処理によって得られるフィードバック・ベクトル情報を送信機へ送るベクトル情報出力部と、を具備し、
    前記送信機が、異なるアンテナで送られるサブキャリア毎に前記フィードバック・ベクトル情報に基づいて、割り当てるビット数を適応的に制御するビット割当て部と、を具備する。
  2. 請求項1に記載のシステムは、
    前記送信機が、前記フィードバック・ベクトル情報に基づいて、各アンテナに適応的に電力を割り当てる電力割当て部をさらに含む。
  3. 請求項1に記載のシステムは、
    前記受信機が、前記フィードバック・ベクトル情報として最高の検出後SNRを有するアンテナ位置を示す情報を前記送信機へ送り、
    前記送信機のビット割当て部が、前記フィードバック・ベクトル情報のアンテナに、より少ないビット数を割り当てる。
  4. 請求項2に記載のシステムは、
    前記受信機が、前記フィードバック・ベクトル情報として最高の検出後SNRを有するアンテナ位置を示す情報を前記送信機へ送り、
    前記送信機の電力割当て部が、前記フィードバック・ベクトル情報のアンテナに、より高い送信電力を割り当てる。
  5. 直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムにおけるリンク・アダプテーションシステムであって、
    受信機が、送信機の複数アンテナに対応して受信信号をデータストリームに分離するV−BLAST処理を行うV−BLAST信号処理部と、データストリーム毎に誤り検出を行うCRC検出部と、前記送信機の送信アンテナごとに、誤り検出結果に依存して適応変調/符号化方式(AMC)レベルの上げ/下げを決定し、V−BLAST処理によって得られるリンク品質情報に依存してAMCレベルの増加/減少量を決定するAMC選択部と、を具備し、
    前記送信機が、送信信号に誤り検出用のビットを付加するCRC付加部と、前記AMC選択部の結果に基づいて、各送信アンテナにAMCを割り当てる多重AMC部と、を具備する。
  6. 請求項5に記載のシステムは、
    前記受信機のAMC選択部が、現在の送信で肯定応答(ACK)を受信したアンテナでは次のフレーム送信でそのAMCレベルを上げるようにし、アンテナが否定応答(NACK)を受信したアンテナでは次のフレーム送信でそのAMCレベルを下げるようにする。
  7. 請求項5に記載のシステムは、
    前記受信機のAMC選択部が、AMCレベルの増加が必要な場合にはエラー確率が比較的小さいアンテナ程そのAMCレベルをより増加させ、AMCレベルの減少が必要な場合にはエラー確率が比較的大きいアンテナ程そのAMCレベルをより減少させる。
  8. 請求項5に記載のシステムは、
    前記受信機が、前記送信機の各送信アンテナから送信された受信パイロット信号を用いて信号対雑音比(SNR)を測定するSNR測定部をさらに具備し、
    前記AMC選択部は、測定されたSNRに基づき各送信アンテナのチャネル状態を評価し、SNRに応じて定期的にAMCレベルをリセットする。
  9. 直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムにおけるリンク・アダプテーション方法であって、
    受信機において、送信機の複数アンテナに対応して受信信号をデータストリームに分離するV−BLAST処理を行うステップと、V−BLAST処理によって得られるフィードバック・ベクトル情報を送信機へ送るステップと、を具備し、
    前記送信機において、異なるアンテナで送られるサブキャリア毎に前記フィードバック・ベクトル情報に基づいて、割り当てるビット数を適応的に制御するステップと、を具備する。
  10. 請求項9に記載の方法は、
    前記送信機において、前記フィードバック・ベクトル情報に基づいて、各アンテナに適応的に電力を割り当てるステップをさらに含む。
  11. 請求項9に記載の方法は、
    前記受信機において、前記フィードバック・ベクトル情報として最高の検出後SNRを有するアンテナ位置を示す情報を前記送信機へ送り、
    前記送信機において、前記フィードバック・ベクトル情報のアンテナに、より少ないビット数を割り当てる。
  12. 請求項10に記載の方法は、
    前記受信機において、前記フィードバック・ベクトル情報として最高の検出後SNRを有するアンテナ位置を示す情報を前記送信機へ送り、
    前記送信機において、前記フィードバック・ベクトル情報のアンテナに、より高い送信電力を割り当てる。
  13. 直交波周波数分割多重(OFDM)を用いる複数入力複数出力(MIMO)通信システムにおけるリンク・アダプテーション方法であって、
    受信機において、送信機の複数アンテナに対応して受信信号をデータストリームに分離するV−BLAST処理を行うステップと、データストリーム毎に誤り検出を行うステップと、前記送信機の送信アンテナごとに、誤り検出結果に依存して適応変調/符号化方式(AMC)レベルの上げ/下げを決定し、V−BLAST処理によって得られるリンク品質情報に依存してAMCレベルの増加/減少量を決定するステップと、を具備し、
    前記送信機において、送信信号に誤り検出用のビットを付加するステップと、前記AMCレベルの決定結果に基づいて、各送信アンテナにAMCレベルを割り当てるステップと、を具備する。
  14. 請求項13に記載の方法は、
    前記受信機において、現在の送信で肯定応答(ACK)を受信したアンテナでは次のフレーム送信でそのAMCレベルを上げるようにし、アンテナが否定応答(NACK)を受信したアンテナでは次のフレーム送信でそのAMCレベルを下げるようにする。
  15. 請求項13に記載の方法は、
    前記受信機において、AMCレベルの増加が必要な場合にはエラー確率が比較的小さいアンテナ程そのAMCレベルをより増加させ、AMCレベルの減少が必要な場合にはエラー確率が比較的大きいアンテナ程そのAMCレベルをより減少させる。
  16. 請求項13に記載の方法は、
    前記受信機において、前記送信機の各送信アンテナから送信された受信パイロット信号を用いて信号対雑音比(SNR)を測定するステップをさらに具備し、
    測定されたSNRに基づき各送信アンテナのチャネル状態を評価し、SNRに応じて定期的にAMCレベルをリセットする。
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