JP4469724B2 - 2×2無線ローカルエリアネットワーク、cofdm−mimoシステムにおける復号器及び復号方法 - Google Patents

2×2無線ローカルエリアネットワーク、cofdm−mimoシステムにおける復号器及び復号方法 Download PDF

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Description

本発明は、符号化直交周波数分割多重化多入力多出力(COFDM−MIMO(coded orthogonal frequency division multiplexing-multiple input multiple output))システムに対する簡素化された復号器に関する。より詳細には、本発明は最大尤度(ML(maximum likelihood))復号を用いるビットインタリーブシステムに関する。特に、本発明は、直交周波数分割多重化(OFDM)技術に基づく単一入力単一出力((SISO(single input single output))IEEE 802.11a)システムの伝送データ速度を二倍にする、零フォーシング(ZF(zero Forcing))ガイドされた最大尤度(ML)復号を用いる2×2MIMOシステムに関する。
MIMOシステムは、次世代の高データ速度無線通信システムに対する有望な候補として研究されている。現在、単一アンテナシステム(SISO(single antenna system))に対しては、OFDM変調技術を採用するIEEE 802.11aは、54Mbpsの最大データ伝送速度を有する。たった1つの送信アンテナと1つの受信アンテナしか存在せず、つまり、これはSISOシステムであり、802.11aに対する信号コンステレイションは、64直交振幅変調(QAM(quadrature amplitude modulation))である。100Mbpsを超えるデータ伝送速度は次世代無線通信システムの目標である。
無線通信システムの物理チャネル特性が与えられると、信号コンステレイションのオーダを増加することによって、単一のアンテナシステムのもとでデータ速度を増加させることは、ほとんど不可能である。
100Mbpsより高いデータ速度を達成することへの1つの可能なアプローチは、IEEE802.11a SISOシステムに基づく2×2MIMOシステムであるが、このシステムにおいては、2つの送信アンテナが、各アンテナの所で802.11aシステムと同一方法で符号化された異なるデータストリームを送信する。このシステムは、図1に示されるOFDM変調に基づいた従来の技術の54Mbps IEEE 802.11a SISOシステムと概ね同一の信号対雑音比(SNR)で、108Mbpsなるデータ伝送速度を達成することができる。図2は、このように用いられた従来技術による2×2MIMOシステムを示す。
図2のシステムは最適復号(optimal decoding)を採用し、この無線チャネルは
Figure 0004469724
として定義され、ここで、hij20は、送信機アンテナiから受信機アンテナjへの、つまり、TxiからRxjへの、チャネルを表すものと仮定する。すると、一般性を失うことなく、これら4つのチャネルは、互いに独立なレーリーフェーディング(Rayleigh fading)チャネルであると仮定できる。それで、サブキャリアkの周波数領域における受信信号は、以下のように表現することができる。
Figure 0004469724
各サブキャリアは別々に復号されるため、式(1)内の下付文字ksは省略する。最適な最大尤度(ML)検出においては、各々の受信信号ペアr,rに対して、これらシンボル内の送信ビットが’1’であるか或いは’0’であるかを決定するためには、最大確率(largest probability)
Figure 0004469724
を決定することが必要であり、ここで、
Figure 0004469724
および
Figure 0004469724
は、決定がなされる必要があるシンボルsとs内のビットを表す。加算白色ガウス雑音(AWGN(add white gaussian noise))環境内においては、これは、
Figure 0004469724
を見つけることに相当する。
これは、また、
Figure 0004469724
を見つけることにも相当する。
シンボルs内のビットに対するビットメトリック(bit metrics)を決定するためには、以下の式が評価されなければならない。シンボルs内のビットiが’0’であるためには、
Figure 0004469724
を評価することが必要である。ここで、
Figure 0004469724
は受信されたシンボルs内のビットiが’0’であるためのビットメトリックを表す。Sは、全コンステレーションの集合を表し、他方、Sは、ビットb=0となるようなコンステレーション点集合の部分集合を表す。シンボルs内のビットiが’1’であるためには、
Figure 0004469724
を評価することが必要である。ここでSはビットb=1となるようなコンステレーション点集合の部分集合を表す。
同一の方法を用いて、送信されたシンボルsに対するビットメトリックを決定することができる。
シンボルs内のビットiが’0’であるためには、
Figure 0004469724
を評価することが必要である。
シンボルs内のビットiが’1’であるためには、
Figure 0004469724
を評価することが必要である。
次に、これらビットメトリックのペア
Figure 0004469724
が、データストリーム各々のFEC復号のために、対応するデインタリーバとビタビ復号器(Viterbi decoder)に送られる。
シミュレーションの結果は、最適復号を用いると、この提唱される108Mbps MIMOシステムは、実際、10−4なるBERにおいて、SISO 54Mbpsシステムよりも、4dBだけよく実行することを示す。けれども、この最適復号のための計算コストは非常に高い。信号s内のビットが0であるか1であるかのビットメトリックを得るためには、sとsとのコンステレーションの64*64個の置換(permutations)を評価することが必要であり、これは現存の計算能力は効果的にコストを得られない。この2×2 MIMOシステムの復号のための計算コストは、実践するには高すぎる。
こうして、100Mbpsを超えてデータ伝送速度を増大するために、54Mbps IEEE 802.11a SISOシステムに基づく2×2 MIMOシステムを採用したときの高い計算コストを低減するための代替の符号方法が必要となる。
本発明は、最適SISO復号器とほぼ同一の計算コストを有しかつ最適MIMO復号器のほぼ1/64の計算コストを有する簡素化された復号方法に最適復号を置き換えた、図3に示されるような、54Mbps SISOシステムに基づいた108 Mbps 2×2 MIMOシステムである。図3に示されるシステムにおいては、図1に示される従来技術のシステムの別々にデマッピングおよびデインタリービングモジュール(demapping and deinterleaving module)10は、共有のデマッピングおよび信号分離ユニット(demapping and signal separation unit)34と、別々のデインタリービングユニット30、31とによって置換される。
本発明は、ZFガイド最大尤度(ML)復号方法を採用する。SISO単一キャリアシステムに対して、時間分散されたチャネル(周波数選択的フェーディングチャネル)がシステム内にチャネル記憶(channel memory)を持ち込むために、最大尤度(ML)等化と復号との結合は、高い計算コストの故に現実的でない。一般的な実行は、チャネルを等化するためにまず最小平均二乗誤差/零フォーシング(MMSE/ZF(minimum-mean-square-error/ zero forcing))を基準として用いることである。次に、等化された信号が更なる復号のために最大尤度(ML)検出器に送られる。けれども、これはやや最適なシステムである。
SISO OFDMシステムにおいては、システムは各サブキャリアがフラットフェーディングチャネル(flat fading channel)を経験するように設計されるために、実際の最大尤度(ML)等化と復号を手頃な計算コストにて実現することができる。いまだに、MIMO OFDMシステムでは、メトリック計算において要求されるコンステレーション集合の置換評価が大きくなるために、実際の最大尤度(ML)等化及び復号のための計算コストは、実践するには高すぎる。
多数の置換計算を回避するための一つ方法は、まず、送信されたシンボルs、sの近似値を見つけ、それから、最大尤度(ML)検出方法を用いて、sがZF方法によって計算された値であるとしてsに対するビットメトリックを見つけることである。SNRが十分に高いときは、ZF決定は最適最大尤度決定に非常に近いと仮定しても妥当である。それ故、本発明は、送信されたシンボルs、sに対するビットメトリックを得るために、SISOシステムが送信されたシンボルsに対して被るのと概ね同一の計算コストをMIMOシステムで被る。
本発明の好ましい実施例は簡素化された復号方法を採用する。この簡素化された復号方法の詳細が以下に図面を参照して説明される。
受信された信号は
Figure 0004469724
として書き表すことができる。ZF基準によると、伝送された信号は、デマッピング・信号分離モジュール34によって
Figure 0004469724
として推定することができる。
このZF計算されたシンボルとコンステレーション点に対して計算された最小ユークリッド距離を用いて、このデマッピング・信号分離モジュール34は、推定送信シンボルをハード判定にて得る。このハード判定動作の後のシンボルは
Figure 0004469724
として表現することができる。次に、送信されたシンボルsに対するビットメトリックがデマッピング・信号分離モジュール34によって
Figure 0004469724
として計算され、次に、送信されたシンボルs2に対するビットメトリックが
Figure 0004469724
として計算される。ここでSは、ビットbがp=0或いはp=1となるようなコンステレーション点の部分集合を表わす。次にこれらビットメトリックスのペア
Figure 0004469724
が、それぞれ、各データストリームをフォワード誤り訂正復号(FEC(forward error correction))復号するために、対応する第一および第二のデインタリーバ30、31と異なるビタビ復号器33、34にそれぞれ送られる。
第二の好ましい実施例においては、この第一の好ましい実施例に基づいて更に簡素化された復号方法が提供される。デマッピング・信号分離モジュール34が、ZF動作の後の2つの送信されたシンボル内の各ビットに対するビットメトリックを計算するためにMIMO ML基準を用いる第一の好ましい実施例とは異なり、デマッピング・信号分離モジュール34によってSISO MLが用いられ各ビットに対して
Figure 0004469724
を満たすようなコンステレーション点を見つける。ここで、qは1、2を表し、p∈{0、1}である。デマッピング・信号分離モジュール34によって、送信されたシンボルsの各ビットiに対して
Figure 0004469724
となる式(12)のビットメトリック計算に相当する2つのコンステレーション点が定義される。SISO復号においては、式(12)から計算されたビットメトリックスは復号のためにビタビ復号器に送られる。MIMO復号においては、式(12)は、式(12)を満たすコンステレーション点を決定すること、および復号のためにビタビ復号器に送られる各ビットに対するビットメトリックを計算するためにMIMO ML基準においてこれらコンステレーション点を用いることのためにのみデマッピング・信号分離モジュール34によって用いられる。つまり、ビットメトリックスがデマッピング・信号分離モジュール34によって
Figure 0004469724
として計算される。
次に、これらビットメトリックのペア
Figure 0004469724
が、それぞれ、各データストリームをフォワード誤り訂正復号(FEC)復号するために、対応する第一と第二のデインタリーバ30、31と異なるビタビ復号器33、34とに送られる。
ハードウェア実現においては、1つの送信されたシンボル内の6個のビットに対する12個のコンステレーション点を1つのスライス・比較・選択動作によって得ることができる。直交位相変移キーイング(quadrature-phase shift keying, QPSK)の一例が図4Aに示されている。受信されたシンボルの実部が考慮された場合、ビットbに対応する2つのコンステレーション点は、図4Bにおいて破線によって接続されている2つの点であると決定することが可能である。これと同じ方法が、図4Cに示されるように、受信されたシンボルの虚数部を用いることにより、ビットbに対する対応するコンステレーション点を決定するのに用いられうる。このスライシング方法では、式(12)の実際の距離の計算は不用となる。この第二の好ましい実施例においては、MIMO MLビットメトリック計算の距離探索における置換が回避でき、MIMO MLビットメトリック計算の計算コストを低減することができる。
図5に示すように、シミュレーション結果は本発明の両方の実施例の性能を支持する。このシミュレーションのためのマルチパスチャネルは、Bob O'Hara, A1 Petric; " The IEEE 802.11 Handbook: A Designer's Companion", December 1999に定義される、40ns rmsなる遅延スプレッドを有する、指数関数的レーリーフェージングチャネル(exponential Rayleigh fading channel)である。2つの送信アンテナと2つの受信アンテナとを横断する4つのチャネルは互いに独立し、このことは、これら4つのチャネルのいずれの間にも相関は存在しないことを意味する。図5の信号対雑音比とビット誤り率との間(SNRとBERとの間)の関係を示す曲線の各データ点に対して、250パケット内に等しく分布された100万ビットがシミュレートされた。各アンテナ要素に対する無線チャネルは、個々のパケットに対して同一であるが、異なるパケットに対しては、異なると想定しても問題はない。これら全てのシミュレーションにおいて、理想的な周波数及びタイミング同期が想定された。
シミュレーションの結果は、本発明の簡素化された復号方法の第一の実施例の性能が、10−4なるBERレベルでの最適復号方法よりも、約4dBだけ劣るが、けれども54MbpsでのSISOシステム43に対する最適復号方式とほぼ同じであることを示す。この結果は、2×2 MIMOシステム41を含む本発明の第一の実施例が、妥当な計算コストにて、同じSNRに対するSISOシステム43のデータ伝送速度を倍増することができることを示す。第二の実施例は、更に低減された計算コストにて、同一の改善を提供する。従って、このシミュレーションによって示されるように、本発明の両方の実施例は、概ね同一のBER対SNR性能を有するが、これは、10−4なるBERレベルにおいて、54Mbps SISOシステム43とほぼ同一であり、MIMO最適復号システム42より4dBだけ劣る。そして、この伝送速度における2倍の増加は、第一の実施例においては、計算コストの増加なしに達成され、第二の実施例においては、計算コストの低減を伴って達成される。
図5を参照すると、本発明によるIEEE 802.11a SISOシステムに基づく2×2 MIMOシステム42は、同一のSNRレンジ内において、IEEE 802.11a SISOシステムのデータ速度の2倍である108Mbpsのデータ伝送速度を提供することができる。この従来の技術によるMIMOシステム42の最適復号は、10−4なるBERレベルにおいて、54Mbps SISOシステム43よりも4dBだけ優れたBER対SNR性能を提供するが、この最適復号の高い計算コストは、履行を実行不可能にする。本発明は、ZFガイドされ簡素化されたMIMO復号のための2つの好ましい実施例40、41を提供するが、これは54Mbps SISOシステム43に対する最適復号器のそれとほとんど同じ計算コストを有する。簡素化された方法に対するこれら2つの実施例40、41の各々は、MIMOシステム42に対する最適復号器と比較すると4dBだけ劣るが、10−4なるBERレベルにおいて54Mbps SISOシステム43のそれとほとんど同一のSNR性能を、108Mbpsの伝送速度で提供する。
提供された例は本発明の好ましい実施例について図解及び説明するが、理解できるように、当業者においては、本発明の真の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正を加えたり、これらの要素を同等物にて置換することもできる。加えて、本発明の教示をある特定の状況に中心的範囲から逸脱することなく適合化するために、多くの修正を加えることもできる。従って、本発明は本発明を実施するために考慮された最良の形態として開示されたこれら特定の実施例に制限されるものではなく、本発明は添付のクレームの範囲内に入る全ての実施例を含むことが意図される。
OFDM変調に基づく従来の54 Mbps IEEE 802.11a SISOシステムを解説する図である。 従来技術による2×2 MIMOシステムを解説する図である。 本発明の一つの好ましい実施例による、図1の54Mbps SISOシステムに基づく108 Mbps 2×2 MIMOシステムを解説する図である。 スライス・比較・選択動作を解説する図である。 スライス・比較・選択動作を解説する図である。 スライス・比較・選択動作を解説する図である。 図3の108 Mbps MIMOシステムと図1の54 Mbps SISOシステムとを比較するシミュレーション結果を示す図である。

Claims (12)

  1. 2×2無線ローカルエリアネットワークであって、
    第一および第二の送信信号s、sを送信する第一および第二の送信機アンテナをそれぞれ有する第一および第二の単一入力単一出力(SISO)システムと、
    第一および第二の受信信号r、rを受信する第一および第二の受信機アンテナと、
    最大尤度(ML)復号を行うために零フォーシング(ZF)を用い、前記第一および第二のSISOシステムに接続され、前記第一および第二の受信信号を処理するデマッピング・信号分離モジュールと、を備え
    当該2×2無線ローカルエリアネットワークのデータ伝送速度は10−4なるビット誤り率において100Mbpsより大きく、復号のための計算コストは最適SISOシステムに対する復号コストのオーダであり、
    前記デマッピング・信号分離モジュールは、
    Figure 0004469724
    に対応する受信信号である、それぞれ前記第一および第二の受信信号の零フォーシング(ZF)を用い、かつ
    Figure 0004469724
    として前記第一および第二の送信信号が計算され、
    ZF計算されたシンボルとコンステレーション点との間の最小ユークリッド距離を見つけることで、ハード判定によって、前記第一および第二の送信信号を
    Figure 0004469724
    として表される第一および第二の推定信号として推定し、該第一および第二の推定信号は前記最大尤度(ML)復号を行うために用いられ、
    ij (i,j=1,2)はi番目の送信アンテナからj番目の受信アンテナへのチャネルを表し、n は雑音信号を表す、2×2無線ローカルエリアネットワーク
  2. 前記第一および第二の送信信号s、sに対して計算される各々のビットメトリックは
    Figure 0004469724
    を用いて、sに対しては
    Figure 0004469724
    として、及びに対しては
    Figure 0004469724
    として計算され、
    トリックペア
    Figure 0004469724
    は、復号のために各々、第一および第二のデインタリーバと、第一および第二のビタビ復号器とに送られ、
    1iとb2jはそれぞれそれに対して判定が行なわている信号s、s内のビットを表す請求項記載の2×2無線ローカルエリアネットワーク
  3. 前記デマッピング・信号分離モジュールは、ビットiに対する第一送信信号
    Figure 0004469724
    および第二の送信信号
    Figure 0004469724
    からの前記最小ユークリッド距離
    Figure 0004469724
    を満たす第一のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    および第二のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    算出し、qは1、2を表し、
    Figure 0004469724
    、判定が行なわれるビットiに対する、p∈{0、1}であるようなコンステレーション点集合の部分集合を表し、該コンステレーション点を、p=0、1に対して
    Figure 0004469724
    なる形式のビットメトリック計算における最大尤度への入力として用い、
    該ビットメトリックペア
    Figure 0004469724
    は復号のために第一および第二のデインタリーバと、第一および第二のビタビ復号器にそれぞれ送られる請求項記載の2×2無線ローカルエリアネットワークシステム。
  4. 前記デマッピング・信号分離モジュールは、前記ZF信号に対応する第一のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    と第二のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    を決定するためにスライス・比較・選択動作を遂行し、第一および第二のコンステレーション点は、p=0、1に対して
    Figure 0004469724
    なる形式でのビットメトリック計算における最大尤度への入力として用いられ、
    ビットメトリックペア
    Figure 0004469724
    は、復号のために第一および第二のデインタリーバと、第一および第二のビタビ復号器にそれぞれ送られる請求項記載の2×2無線ローカルエリアネットワーク
  5. 前記第一および第二のSISOシステムは、54MbpsIEEE 802.11a SISO直交周波数分割多重化(OFDM)システムに基づいている、請求項1記載の2×2無線ローカルエリアネットワーク
  6. 2×2符号化直交周波数分割多重化多入力多出力(OFDM−MIMO)システムに対する復号器であって、
    記2×2OFDM−MIMOシステムによってそれぞれ送信及び受信される第一および第二の送信信号s、sに対応する第一および第二の受信信号r、r に対する零フォーシングによる最大尤度(ML)復号に基づいて第一および第二のビットメトリックペアを作成するデマッピング・信号分離モジュールと、
    前記第一および第二のビットメトリックペアを、それらのフォワード誤り訂正復号のためにそれぞれ受信するようにされた、第一および第二のデインタリーバと、ビタビ復号器と、を備え、
    前記復号器は、最適54MpbsSISOシステムのデータ伝送速度の2倍の108Mbpsなる伝送速度を、最適54MpbsSISOシステムに匹敵する復号計算コストにて可能とし、
    前記デマッピング・信号分離モジュールは、
    Figure 0004469724
    に対応する受信信号である、それぞれ前記第一および第二の受信信号の零フォーシング(ZF)を用い、かつ
    Figure 0004469724
    として前記第一および第二の送信信号が計算され、
    ZF計算されたシンボルとコンステレーション点との間の最小ユークリッド距離を見つけることで、ハード判定によって、前記第一および第二の送信信号を
    Figure 0004469724
    として表される第一および第二の推定信号として推定し、該第一および第二の推定信号は前記最大尤度(ML)復号を導くために用いられ、
    ij (i,j=1,2)は、i番目の送信アンテナからj番目の受信アンテナへのチャネルを表し、n は雑音信号を表す、復号器。
  7. 前記デマッピング・信号分離モジュールは、前記第一および第二の送信信号s、sに対する各々のビットメトリックを
    Figure 0004469724
    を用いて、sに対しては
    Figure 0004469724
    として、及びに対しては
    Figure 0004469724
    として計算し、
    1iとb2jはそれぞれそれに対して判定が行なわている信号s、s内のビットを表す請求項記載の復号器。
  8. 前記デマッピング・信号分離モジュールは、ビットiに対する第一の送信信号
    Figure 0004469724
    と第二の送信信号
    Figure 0004469724
    から前記最小ユークリッド距離
    Figure 0004469724
    を満たす第一のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    と第二のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    算出し、該コンステレーション点を、p=0、1に対して
    Figure 0004469724
    なる形式でのビットメトリック計算における最大尤度への入力として用い、
    は1、2を表し、
    Figure 0004469724
    はビットiに対するp∈{0、1}であるようなコンステレーション点集合の部分集合を表し、ビットiは判定が行なわれているビットを表す請求項記載の復号器。
  9. 前記デマッピング・信号分離モジュールは、前記ZF信号に対応する第一のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    と第二のコンステレーション点
    Figure 0004469724
    を決定するためにスライス・比較・選択動作を遂行し、該第一および第二のコンステレーション点は、p=0、1に対して
    Figure 0004469724
    なる形式でのビットメトリック計算における最大尤度への入力として用いられる請求項記載の復号器。
  10. 2×2符号化直交周波数分割多重化多入力多出力(COFDM−MIMO)システムに対する復号方法であって、
    前記2×2COFDM−MIMOシステムによって第一および第二の送信信号を送信するステップと、
    前記2×2COFDM−MIMOシステムによって前記第一および第二の送信信号に対応する第一および第二の受信信号を受信するステップと、
    前記第一および第二の受信信号に対する零フォーシングによる最大尤度(ML)復号に基づいて第一および第二のビットメトリックペアを作成するステップと、
    前記第一および第二のビットメトリックペアを第一および第二の復号信号を得るためにデインタリービングおよび復号するステップと、を含み、
    前記復号は、最適54Mbps単一入力単一出力SISOシステムの伝送速度の2倍の108Mbpsなる伝送速度を、最適54MbpsSISOシステム匹敵する復号計算コストにて可能とし、
    前記作成するステップは、さらに、
    前記第一および第二の受信信号を第一および第二の分離された信号に分離するステップと、
    ハード判定によって、それぞれ前記第一および第二の分離されたシンボルに最も近い第一および第二のコンステレーション点を得るステップと、
    前記第二のコンステレーション点を固定して、前記第一のビットメトリックペアを、ML基準及び前記第一の分離された信号を用いて計算するステップと、
    前記第一のコンステレーション点を固定して、前記第二のビットメトリックペアを、ML基準を用いて計算するステップと、を含む復号方法。
  11. 前記作成するステップは、さらに、
    前記第一および第二の受信信号を第一および第二の分離された信号に分離するステップと、
    前記第一および第二の分離された信号から前記最小ユークリッド距離を満たす第一と第二のコンステレーション点を得るステップと、
    第一および第二のビットメトリックペアを、前記第一および第二のコンステレーション点を最大尤度への入力として用いて計算するステップと、を含む請求項10記載の復号方法。
  12. 前記作成するステップは、さらに、
    前記第一および第二の受信信号を第一および第二の分離された信号に分離するステップと、
    前記分離された信号に対応する第一および第二のコンステレーション点をスライス・比較・選択動作によって得るステップと、
    第一および第二のビットメトリックペアを、前記第一および第二のコンステレーション点を最大尤度計算への入力として用いて計算するステップと、
    を含む請求項10記載の復号方法。
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