JP2009518924A

JP2009518924A - シンボ拡散で空間多重を行うシステム、装置及び方法

Info

Publication number: JP2009518924A
Application number: JP2008543974A
Authority: JP
Inventors: ヤン，ジュヌ; ゴーシュ，モニシャ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2009-05-07
Also published as: US20080285434A1; CN101326753A; EP1961144A2; WO2007066291A2; WO2007066291A3; US8125886B2

Abstract

本発明は、所定の行列Rを使用するシンボル拡散及び回転と結合した空間多重（SMX）送信方式のシステム（400）、装置（200、300）及び方法（200）を提供する。これは、UWBシステムにおいて高速レイリー平坦フェージングチャネル又は高周波数選択性チャネルの下で更なる帯域又は電力消費を必要とせずに、システム性能をかなり改善し得る。格子型構造のため、近いML性能を維持しつつ、MLデコードの複雑性を低減するために、球面デコードが使用される。他方、送信機のシステム構造のため、ZF及びMMSE受信機も使用され得る。

Description

本発明は、スペクトル効率を維持しつつ、MIMOシステムで高度のダイバーシチを実現するシンボル拡散回転（symbol spreading rotation）で空間多重を行うシステム、装置及び方法に関する。

次世代の無線通信システムでは、空間多重（SMX：spatially multiplexing）（又はMIMO）は、複数の送信及び受信アンテナを使用することにより十分に分散したチャネル環境を利用することができるため、特に関心を引いている。一方で、スペクトル効率でかなりの改善を提供することができる。

ダイバーシチは、システム性能を改善するために、無線通信システムで一般的に使用される。空間多重は、高いスペクトル効率を実現することができるが、高いダイバーシチのオーダーを保持するために、受信アンテナの数が増加しなければならない。

この種類のシステムを実装することは実用的ではないため、SMXシステムの性能を改善するために異なる種類のダイバーシチを有することが必要になる。

本発明のシステム、装置及び方法は、信号空間ダイバーシチに基づく潜在的な対策として考えられ得るシンボル拡散回転を使用してSMXで更なるダイバーシチを実現する技術を提供する。好ましい実施例の単一アンテナシステムの最適な回転は、最小の積距離（minimum product distance）を最大化しつつ、十分な変調ダイバーシチを提供する（J. Boutros and E. Viterbo, “Signal space diversity: a power- and bandwidth-efficient diversity technique for the Rayleigh fading channel,” IEEE Trans. Information Theory, Vol. 44, pp. 1453-1467, JuI. 1998参照）。QAMコンステレーションについては、比較的低い計算上の複雑性を維持しつつ、ダイバーシチのオーダーを増加させるために、実際の回転行列はSMXシステムと結合される。

以下の説明は、限定ではなく、説明目的で提供されることが当業者によりわかる。当業者は、本発明の要旨及び特許請求の範囲内にある多数の変更形態が存在することを認識する。既知の機能及び構成の不要な詳細は、本発明をあいまいにしないように、この説明から省略されることがある。

好ましい実施例は、高速レイリー高速フェージングチャネルでのMIMO（multiple-input multiple-output）シングルキャリアシステムに適用する。代替の好ましい実施例では、同じシステムは、OFDM-UWBシステムのように、コヒーレント帯域（coherent bandwidth）がチャネル帯域よりかなり小さいMIMOマルチキャリアシステムとしても見られる。システムは、Mの送信アンテナとNの受信アンテナとを有する。NxMのチャネル行列はH_tにより示され、tは、高速フェージングの場合の時刻又はOFDMの場合のサブキャリアインデックスである。

送信シンボルベクトルx_t、受信シンボルベクトルy_t、雑音ベクトルn_t及びNxMのチャネル行列H_tをそれぞれ以下のように定義する。

一般的なSMXシステムモデルは以下のように記述され得る。

ただし、Tはブロック数又はサブキャリア数である。目的は、これらのTの連続するシンボルベクトルを結合することにより特定のダイバーシチを提供することである。大きいTは、高いダイバーシチのオーダーを意味する。TxTの拡散回転行列Rは、次のようにTの連続する元のシンボルに適用される。

新しい送信システムは、容易に以下のように記述され得る。

しかし、元のシステムは、高度のダイバーシチを実現するために、新しい送信シンボルに線形的に貫かれている（linear-threaded）。例えば、QPSK変調及びT=2を備えた新しい2x2のSMXシステムは次のようになる。

ただし、拡散回転行列

が使用され、I₂=2x2の単位行列である。

前記の例では、式における4x4の回転行列は、統合された行列に変更可能である。

J. Boutros and E. Viterbo, “Signal Space Diversity: A Power- and Bandwidth-Efficient Diversity Technique For The Rayleigh Fading Channel,” IEEE Trans. Information Theory, Vol. 44, pp. 453-1467, JuI. 1998に提示されているように、これは、単一アンテナシステムの信号空間ダイバーシチの側面から生成された最小積のMIMOシンボル距離を実際に最大化し得る。しかし、双方の行列は、簡単な計算の回転DFT（rotated DFT）行列（Wei Zhang; Xiang-Gen Xia; Ching, P.C; Haiquan Wang;“Rate two full-diversity space-frequency code design for MIMO-OFDM”, Signal Processing Advances in Wireless Communications, 2005 IEEE 6th Workshop on June 2-8, 2005 Page(s):303-307を参照）及びコサイン行列（Soo Ki Choi; Seung Young Park; Chung Gu Kang, “Rotated Multidimensional Modulation For Spatial Multiplexing Systems”, Vehicular Technology Conference, 2003. VTC 2003-Fall. 2003 IEEE 58th, 6-9 Oct. 2003 Page(s) 246-250 Vol. 1を参照）を有する。

ここでは、拡散回転行列は、T=3及びT=4でのQPSKコンステレーション及びT=2での16QAMについて更なるダイバーシチを提供するために使用され得る。例えば、T=2及び16QAMでの新しい3x1のSMXシステムは、次のようになる。

ただし、3x3の拡散回転行列

が使用され、I₃は3x3の単位行列である。

この新しいSMX方式のダイバーシチのオーダーはTxNである。図１は、符号化されていないSMXシステムのビット誤り率の性能と、２つの送信アンテナ及び２つの受信アンテナについてシンボル拡散（T=2）を備えた好ましい実施例によるSMXシステムとを比較したものである。QPSKマッピングでは、本発明の性能は、高いSNRで従来のSMXシステムと比較してかなり向上する。1e-4のBERでは、従来のSMX方式より、本発明の信号拡散を使用してほぼ6dBの利得が存在する。4ビット/秒/Hzの同じスペクトル効率では、本発明の好ましい実施例は、1e-5のBERでの16-QAMのAlamouti方式より約2dBだけ良くなる（これも図１に図示される）。

最尤（ML：maximum-likelihood）検出の複雑性は、ダイバーシチのオーダーTと共に指数関数的に増加する。好ましい実施例では、ML検出の計算上の負荷を低減するために球面デコード（sphere decoding）が使用される。この理由は、球面でコードは、Tの多項式の複雑性でほぼ最尤（ML）の性能を実現し得るからである。本発明は、基本的に格子型コードであるため、球面デコードが可能である。球面デコードは、受信ベクトルで特定の超球の中心にある線形点のみでクローズ・ポイント・サーチ（close-point search）を実行する。球面デコードの説明については、例えばH. Vikalo and B. Hassibi, “Maximum-Likelihood Sequence Detection of Multiple Antenna Systems over dispersive Channels via Sphere Decoding,” EUROSIP Jour. Appl. Sig. Proc 2002:5, pp.525-531を参照のこと。

拡散回転行列Rの直交構造のため、MMSE受信機は、Rでのジョイント線形結合（ジョイント線形合成）により最終的に後続されるチャネル毎にTの個々のMMSEデマッパ又はZFデマッパとして容易に導かれ得る。例えば、シンボル拡散を備えた上記のSMXシステムのMMSEデマッパは次のように導かれ得る。

同様に、同じシステムのZFデマッパは、次のように導かれる。

ML受信機に比べてMMS及びZF受信機の次善の特性のため、或る程度の性能の損失を有する。この方式は、MMSE又はZF受信機のデコードの複雑性を増加させないことがわかる。図３は、チャネルデコーダ304によりデコードされて推定ビット305として出力されるジョイント線形結合で、Tの異なるMIMOチャネル205でTのブロックを受信し、Tの個々のMMSE空間デマッパ301の出力とR302とを結合（合成）するTの個々のMMSE空間デマッパ301を有する受信機を示している。図４は、SMX通信システムのダイバーシチを増加させるトランシーバシステム400における、図２の送信機200と、図３の受信機300との結合を示している。

シンボル拡散でSMX方式の好ましい実施例を使用するために、Tのブロックが受信されるまでコード化入力情報ビット201のマッピング後のQAMシンボルベクトル202をバッファするステップ203と、拡散行列でこれらのそれぞれを乗算するステップ204と、異なるTの独立したMIMOチャネル205で出力シンボルベクトルを最終的に送信するステップ205とを実行する。この方法のフローチャートが図２に示されている。

本発明の好ましい実施例により、従来技術のSMXシステムは、同じ伝送レートを維持しつつ、高いダイバーシチを実現することが可能になる。本発明の当面の用途は、次世代（ギガビット）マルチバンド（MB：Multi-Band）OFDM UWBシステムである。本発明の好ましい実施例は、従来技術のシステムと比較して長い距離を有する1Gbpsモードを可能にする。本発明の好ましい実施例はまた、複数のブロックでのコーディング方式として、高速平坦フェージングチャネルに使用され得る。

本発明の好ましい実施例について図示及び説明したが、ここに記載のシステム、装置及び方法は例示的であり、本発明の真の範囲を逸脱することなく、様々な変更及び変形が行われてもよく、等価なものがこれらの要素に置換されてもよいことが、当業者にわかる。更に、中心の範囲を逸脱することなく、本発明の教示を特定の状況に適合させるために、多数の変更が行われてもよい。従って、本発明は、本発明を実行するために考えられたベストモードとして開示された特定の実施例に限定されず、本発明は、特許請求の範囲にある全ての実施例を含むことを意図する。

本発明の性能の改善を示す図本発明による方法ジョイント線形結合により後続されるチャネル毎のTの個々のMMSEデマッパとしてのMMSE受信機図３の受信機を有するシステムアーキテクチャ

Claims

ダイバーシチを有する空間多重（SMX：spatial multiplexing）通信システム用のシステムであって：
Tの異なる独立したチャネルで受信したTの拡散シンボルベクトルを受信してデコードする受信装置と；
Tのシンボルベクトルを拡散し、Tの異なる独立したチャネルで前記Tの拡散ベクトルを送信する送信装置と；
を有し、
前記SMX通信システムのダイバーシチが増加し、前記通信システムのスペクトル効率及び電力消費のうち少なくとも１つが維持されるシステム。
前記SMX通信システムは、マルチバンド・直交周波数分割多重・ウルトラワイドバンド（MB OFDM UWB：multi-band orthogonal frequency division multiplexing ultra wide band）システムである、請求項１に記載のシステム。
前記Tの異なる独立したチャネルは、MIMO（multiple in multiple out）チャネルである、請求項１に記載のシステム。
前記Tの異なる独立したチャネルは、高速平坦フェージングチャネルである、請求項１に記載のシステム。
前記送信装置は：
マッピングされたシンボルを受信し、Tブロックのシンボルベクトルを蓄積して出力するバッファモジュールであり、それぞれの前記マッピングされたシンボルは、コード化情報ビットを有するバッファモジュールと；
各ブロックを拡散する拡散モジュールであり、前記バッファモジュールに結合され、前記バッファモジュールにより出力される前記蓄積されたTブロックを受信し、所定のTxTの拡散回転行列Rで各ブロックを乗算する拡散モジュールと；
を更に有する、請求項１に記載のシステム。
前記受信装置は、N≧1の受信アンテナを更に有し、
前記送信装置は、M≧1の送信アンテナを更に有し、前記通信システムのダイバーシチのオーダーがTxNに増加するように、前記Tのシンボルベクトルを拡散及び回転するためにTxTの拡散回転行列Rを使用する、請求項１に記載のシステム。
前記受信装置は：
前記拡散回転行列Rとジョイント線形結合され、チャネル毎に結合した出力を生成するTの個々のデマッパと；
前記結合した出力を受信してデコードするチャネルデコーダと；
を更に有する、請求項６に記載のシステム。
前記デマッパは全て、最大平均２乗誤差（MMSE：maximum mean square error）空間デマッパとZFデマッパとから選択される、請求項７に記載のシステム。
前記デコーダは、球面デコーダである、請求項７に記載のシステム。
前記送信装置は：
マッピングされたシンボルを受信し、Tブロックのシンボルベクトルを蓄積して出力するバッファモジュールであり、それぞれの前記マッピングされたシンボルは、コード化情報ビットを有するバッファモジュールと；
各ブロックを拡散する拡散モジュールであり、前記バッファモジュールに結合され、前記バッファモジュールにより出力される前記蓄積されたTブロックを受信し、前記拡散回転行列Rで各ブロックを乗算する拡散モジュールと；
を更に有する、請求項７に記載のシステム。
前記SMX通信システムは、マルチバンド・直交周波数分割多重・ウルトラワイドバンド（MB OFDM UWB：multi-band orthogonal frequency division multiplexing ultra wide band）システムである、請求項１０に記載のシステム。
前記Tの異なる独立したチャネルは、MIMO（multiple in multiple out）チャネルである、請求項１０に記載のシステム。
前記Tの異なる独立したチャネルは、高速平坦フェージングチャネルである、請求項１０に記載のシステム。
空間多重（SMX：spatial multiplexing）通信システムのダイバーシチを増加させる方法であって：
所定のTxTの拡散回転行列Rで各ブロックを乗算することにより、コード化情報ビットを有するTブロックのマッピングされたシンボルベクトルを拡散及び回転するステップと；
前記Tの拡散及び回転されたベクトルをTの異なる独立したチャネルで送信するステップと；
を有し、
前記SMX通信システムのダイバーシチが増加し、前記通信システムのスペクトル効率及び電力消費の双方が維持される方法。
前記SMX通信システムは、マルチバンド・直交周波数分割多重・ウルトラワイドバンド（MB OFDM UWB：multi-band orthogonal frequency division multiplexing ultra wide band）システムである、請求項１４に記載の方法。
前記Tの異なる独立したチャネルは、MIMO（multiple in multiple out）チャネルである、請求項１４に記載の方法。
前記Tの異なる独立したチャネルは、高速平坦フェージングチャネルである、請求項１４に記載の方法。
前記SMX通信システムのダイバーシチのオーダーがTxNに増加するように、N≧1の受信アンテナと、M≧1の送信アンテナとを提供するステップを更に有する、請求項１４に記載の方法。
前記拡散回転行列Rとジョイント線形結合され、前記Tのチャネルで受信したTの信号から結合されたデマッピング後の出力を生成するチャネル毎に１つのTの個々のデマッパを提供するステップと；
前記提供されたジョイント結合されたTの個々のデマッパでTの受信した拡散及び回転された信号をデマッピングして結合し、デマッピング後の逆拡散及び逆回転された信号を生成するステップと；
デコーダで前記デマッピング後の逆拡散及び逆回転された信号をデコードするステップと；
を更に有する、請求項１４に記載の方法。
前記デコーダは、球面デコーダである、請求項１９に記載の方法。
前記デマッパは全て、最大平均２乗誤差（MMSE：maximum mean square error）空間デマッパとZFデマッパとを有するグループから選択された１つの種類の装置である、請求項１９に記載の方法。
ダイバーシチを有する空間多重（SMX：spatial multiplexing）通信システム用の送信機であって：
Tのシンボルベクトルを拡散及び回転する拡散器と；
送信するためにTの異なる独立したチャネルで前記Tの拡散及び回転されたベクトルを割り当てるベクトル解析器と；
を有し、
前記SMX通信システムのダイバーシチが増加し、前記通信システムのスペクトル効率及び電力消費のうち少なくとも１つが維持される送信機。
前記SMX通信システムは、マルチバンド・直交周波数分割多重・ウルトラワイドバンド（MB OFDM UWB：multi-band orthogonal frequency division multiplexing ultra wide band）システムである、請求項２２に記載の送信機。
前記Tの異なる独立したチャネルは、MIMO（multiple in multiple out）チャネルである、請求項２２に記載の送信機。
前記Tの異なる独立したチャネルは、高速平坦フェージングチャネルである、請求項２２に記載の送信機。
マッピングされたシンボルを受信し、Tブロックのシンボルベクトルを蓄積して出力するバッファモジュールであり、それぞれの前記マッピングされたシンボルは、コード化情報ビットを有するバッファモジュールと；
各ブロックを拡散及び回転する拡散モジュールであり、前記バッファモジュールに結合され、前記バッファモジュールにより出力される前記蓄積されたTブロックを受信し、所定のTxTの拡散回転行列Rで各ブロックを乗算する拡散モジュールと；
を更に有する、請求項２２に記載の送信機。
M≧1の送信アンテナを更に有し、前記通信システムのダイバーシチのオーダーがTxNに増加するように、前記Tのシンボルベクトルを拡散及び回転するためにTxTの拡散回転行列Rを使用し、
Nは前記Tのチャネルで前記送信機により送信された前記拡散及び回転後のTのシンボルを受信する受信機の受信アンテナの数である、請求項２２に記載の送信機。
ダイバーシチを有する空間多重（SMX：spatial multiplexing）通信システムのT≧1の拡散及び回転された信号を受信する受信機であって：
N≧1の受信アンテナにより受信され、行列Rにより拡散及び回転されてTの異なる独立したチャネルで受信されたTのシンボルベクトルをデマッピングするTの個々の空間デマッパと；
Tのデマッピングされたシンボルベクトルを前記Tの個々の空間デマッパから受信し、ジョイント線形結合する結合器と；
前記結合された出力を受信してデコードするデコーダと；
を有し、
前記SMX通信システムのダイバーシチが増加し、前記通信システムのスペクトル効率及び電力消費のうち少なくとも１つが維持される受信機。
前記デマッパは全て、最大平均２乗誤差（MMSE：maximum mean square error）空間デマッパとZFデマッパとを有するグループから選択された１つの種類の装置である、請求項２８に記載の受信機。
前記デコーダは、球面デコーダである、請求項２９に記載の受信機。
前記SMX通信システムは、マルチバンド・直交周波数分割多重・ウルトラワイドバンド（MB OFDM UWB：multi-band orthogonal frequency division multiplexing ultra wide band）システムである、請求項３０に記載の受信機。
前記Tの異なる独立したチャネルは、MIMO（multiple in multiple out）チャネルである、請求項３０に記載の受信機。
前記Tの異なる独立したチャネルは、高速平坦フェージングチャネルである、請求項３０に記載の受信機。
Rは、TxTの拡散回転行列であり、
前記SMX通信システムのダイバーシチは、TxNに増加する、請求項３０に記載の受信機。