JP5102305B2 - 周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数のブロック符号化した伝送を行うためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、「周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数のブロック符号化した伝送を行うためのシステム及び方法」という名称の２００６年１２月１１日に出願された米国仮特許出願第60/874,144号に関連するもので、当該出願は、その全体を本明細書に組み入れ、優先権主張の基礎とする。

本出願の実施形態は、通信システムにおけるシングルキャリア伝送方式の分野に関するものである。典型的な実施形態は、シングルキャリア空間周波数のブロック符号化した伝送を行うための方法及びシステムに関するものである。

無線アプリケーションに対する需要が、急速に増大したことにより、無線チャネル上で行われる信頼性のある高い伝送レートの通信をサポートするシステムの開発に多大の研究努力が注がれるようになった。しかしながら、これらの開発は、マルチパスフェージング、無線チャネルの時間変化依存性、帯域幅の制約、そして、手持ちデバイスの電力制限のような問題に対処しなければならない。空間時間伝送技術は、マルチパスフェージングという有害な影響に対向できることがわかった。不運なことに、周波数選択性フェージングするチャネルにおいて遅延の拡がりが大きくなると、受信信号の直交性が破壊されることになり、これは空間時間符号化にとって重大な問題である。したがって、この技術は、周波数均一のブロックフェージングするチャネルのみに対して効果的である。直交周波数分割多重化方式（ＯＦＤＭ）は又、マルチパスフェージングに有効であることがわかっている。空間時間ＯＦＤＭ（ＳＴ−ＯＦＤＭ）及び空間周波数ＯＦＤＭ（ＳＦ−ＯＦＤＭ）が、チャネルの周波数選択性に対して有効である効果的な方法として提案されてきた。さらに、通常の場合において、ＳＴ−ＯＦＤＭの方式に要求されるように、少なくとも二つのブロックの伝送に対して、チャネルが一定であることを必要としないで、高速フェージングチャネルにＳＦ−ＯＦＤＭを適用することができる。ＯＦＤＭは、マルチキャリア通信技術であって、一つのストリームを、多くのより遅いレートのサブキャリア上に伝送する。マルチキャリアの信号は、多くの独立の変調したサブキャリアによって構成されており、サブキャリアが、位相をそろえて重ねられる場合には、そのサブキャリアは、高いピーク対平均ＰＡＰＲを生じることになる。ＯＦＤＭは又、位相ノイズ及び周波数オフセット問題に弱点がある。したがって、チャネルの周波数選択性に対処するため、ＯＦＤＭの代替としての問題解決方法として、周波数領域等化によるシングルキャリア伝送を利用することが提案されている。ＳＴ−ＯＦＤＭの方式に平行して、少なくとも二つのブロック期間中に、チャネルが同一でなければならないことが要求される、空間時間シングルキャリア（ＳＴ−ＳＦ）伝送方式が、提案さている。

多くの高レート無線通信の方法及びシステムが提案されているが、これらのいずれも、チャネルが二つのブロック期間中に同一である必要がなく、したがって、高速フェージングにおいて有効である空間周波数シングルキャリア（ＳＦ−ＳＣ）技術を、提供するものではない。従来の方法及びシステムは、次のセクションで示すような追加的な周波数の多様性を伴う空間周波数ブロック符号化を実現するシングルキャリアの伝送技術を用いるものではない。

典型的な実施形態の特徴は、空間周波数ブロック符号化及び周波数領域等化（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）を利用するシングルキャリア伝送の方式に向けられている。そのような技術は、周波数選択性で高速フェージングチャネルを用いて利用することができる。

一つの典型的な実施形態においては、周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）伝送を行う方法は、通信ブロックストリームを受信することと、受信した通信ブロックストリームをコード化して通信ブロックを生成することと、周期的接頭語をそれぞれの通信ブロックに加えて伝送ブロックを形成することと、それぞれの伝送ブロックを周波数選択性フェージングするチャネルを介して通信することと、を含む。

別の典型的な実施形態においては、周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）伝送を行う装置は、通信ブロックストリームを受信して、これを符号化する空間周波数符号化器と、周期的接頭語をそれぞれの通信ブロックに追加する周期的接頭語追加器と、それぞれの通信ブロックを通信するアンテナと、を含む。

さらに別の典型的な実施形態においては、周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）伝送を行うシステムは、送信機と受信機とを含む。送信機は、通信ブロックストリームを受信して、これを符号化する空間周波数符号器と、周期的接頭語をそれぞれの通信ブロックに追加する周期的接頭語追加器と、それぞれの通信ブロックを通信するアンテナと、を含む。受信機は、通信ブロックを送信機から受信するアンテナと、周期的接頭語を除去する構造と、複号機とを含む。

本発明のこれら及び別の特性、側面及び利点は、以下の記載、添付の特許請求の範囲、以下に簡単に説明した図を用いて示す添付の典型的な実施形態から明らかになるであろう。

典型的な実施形態に適合する送信機の一般的な図である。

図１の送信機のシングルキャリア周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）の伝送方式において実行される動作を示す流れ図である。

図１の送信機のシングルキャリア周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）の伝送方式を別の伝送方式と比較したグラフである。

典型的な実施形態が、添付の図を参照して、以下に記載される。以下の記載は、発明の典型的な実施形態を記載することを意図しており、発明を限定するものではないことを理解すべきである。

図１は、Ｎ_t＝２の送信アンテナとＮ_t＝１の受信アンテナを持つ送信機１０を示す。アルファベットＡに属するデータシンボルｄ（ｎ）持つ情報が、逆多重化器１２を用いて、逆多重化され、いずれかの送信アンテナそれぞれにおいて通信するためのＮシンボルの二つのブロックストリームになる。通信ブロックは、

と表現され、ｋ番目の送信アンテナによって送信される。ｋ＝１、２であって、

であり、そのＮ点の離散フーリエ変換（ＤＴＦ）は、

とする。二つのシンボルブロックｓ₁及びｓ₂は、次いで空間周波数符号器１４によって、ＳＣＦＤＥに適切な形で与えられ、次の二つのブロックを生成する。

ここにおいて、

である。次いで、これらの二つのブロックｕ₁及びｕ₂を、シンボル期間Ｔ_sからＴ_s/２まで圧縮し、圧縮したベクトルを二回繰り返し、以下のブロックを形成する。

ベクトルｖ_kは、奇数（偶数）要素をゼロとするｖ_k、e（ｖ_k、o）によって表示される。つまり、

及び、

であり、この場合において、

である。ゼロの挿入及び繰り返し操作が、図１のブロック１８において実行される。通信する前に、ベクトルＶ_k,oに、乗算器２０を用いて位相変換行列Φ_4Nを乗算する。

は、フーリエ変換において、先進変換した一要素を生成する。二つのアンテナから送信した信号ベクトルは、

によって与えられる。ここで、Ｐ₀は、全送信パワーである。図１に示すように、加算器２２は、数５の（Ｖ_k、e＋Φ_4Nｖ_k,o）の演算を行うために用いられる。ブロック２４において、命令Ｌの周波数選択性フェージングするチャネルを介して通信をする前に、周期的接頭語（ＣＰ）がそれぞれのブロックに加えられる。

におけるｈ_k（ｌ）は、ｋ番目の通信アンテナ及び受信アンテナ間のチャネルインパルス応答（ＣＩＲ）のｌ番目の応答である。受信した信号ベクトルｙは、

であり、ｘ_k ^(CP)は、ＣＰを加えたｘ_kであり、ｗは、分散Ｎ_oのＡＷＧＮを想定して加えられるノイズベクトルであり、

は、線形畳み込みを示す。ＣＰは、線形畳み込みを円形にするので、ＣＰを除去した後に４Ｎ点のＤＦＴを行った、受信した信号ベクトルは、

で与えられ、ここで、Λ_k、ｋ＝１,２は、その要素が、対応するＣＩＲｈ_kの４ＮポイントのＤＦＴである対角行列を表現する。Ｘ_k及びＷは、それぞれｘ_k及びｗの４ＮポイントのＤＦＴを表現する。

式５から、次の式が導かれる。

ここで、Ｖ_k,e、Ｖ_k,o及び、

は、それぞれｖ_k,e、ｖ_k,o及び（Φ_4Nｖ_v,o）の４ＮポイントＤＦＴを表現する。ここで、

であり、

である。

[ｐ^T _e，ｐ^T _e]^T形式の４Ｎ要素のベクトルの４ＮポイントのＤＦＴは、ｐ_e＝［ｐ(０)，０，Ｋ，ｐ(Ｎ−１)，０］^Tは、[Ｐ^T _e，Ｐ^T _e]^Tであり、ここで、Ｐ_e＝［ｐ(０)，０，Ｋ，ｐ(Ｎ−１)，０］^Tとなり、ベクトル［Ｐ(０)，Ｐ(１)，Ｋ，Ｐ(Ｎ−１)］^Tは、［ｐ(０)，ｐ(１)，Ｋ，ｐ(Ｎ−１)］^TのＮポイントＤＦＴであることが提案される。数９を証明するために、前述の事柄から、Ｖ_k,eは、

の４ＮポイントＤＦＴであり、ここで、ｓ_k,eは、数３において定義され、したがって、

が導かれることがわかる。次に、ベクトル

が、数３における左辺ｓ_k,oに一要素円形シフトして定義され、

及び、

となり、すなわち、

となる。

ＤＦＴのシフト特性を用いて、ｖ_2,0の４ＮポイントのＤＦＴは、

によって与えられ、ここで

は、

の４ＮポイントＤＦＴである。上述の記載を用いて、

上の

として、

のＮポイントのＤＦＴを採用し、

である

が導かれる。

と共にＤＦＴのシフト特性の反転を用いて、

を、つまり、

は、

の右辺に対する回転シフトの一要素であることを導く。数１１を用いると、Φ_4Nが数１０で定義される場合には、

が導かれる。同じ手続きをすることによって、

を示すことができる。

ここで、ベクトルＡに対し、Ａ^e及びＡ^oが、それぞれＡの偶部分及び奇部分として定義される。数９から、

が導かれる。ここで、

は、２Ｎ×２Ｎの対角行列であり、その対角成分は、式１０のΦ_4Nの奇対角成分であり、０_Nは、長さＮのゼロベクトルである。次いで、

を導く。数１３から、

を理解することができる。次いで、数７は、

と書き変えられる。ここで、Λ^e _k及びΛ^o _kは、対角行列であり、その対角成分は、それぞれΛ_kの奇対角成分及び偶対角成分である。直前のサブキャリアに対するチャネルのゲインは、ほぼ等しく、つまり

であることを仮定すると、数１５を組み合わせることによって、

が得られる。Ｙ^e及びＹ^oの一番目及び二番目のＮ語は、それぞれｋ＝１,２に対して、

によって定義される。
数１３及び数１７を数１６に当てはめると、

となり、この場合において、

である。また、Λ^e _k,1及びΛ^o _k,2は、Ｎ×Ｎの対角行列であり、対角成分は、それぞれΛ^e _kの第一対角成分及び最終の第Ｎ対角成分である。Λ^e _2,1、Λ^e _2,2、Φ^e _k、Φ^e _k、が同様に定義される。ここで、対角行列Ｄに対して｜Ｄ｜²＝ＤＤ^*である場合には、

であることに留意すべきである。提案された空間周波数複号器は、次の

による推定

を与える。

行列Λ^HΛは、対角であることを示すことができ、

である。ここで、

であり、したがって、
Ｓ₁及びＳ₂は、完全に分断されている。数２０の推定は、変換されて、検出に関する時間領域に戻される。

図２は、図１に関連して記載された送信機１０によって利用される典型的なシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）送信技術において、実行される動作を示す。さらに、実施形態によっては、より少ないか若しくは異なる動作を実行することができる。動作３０において、アルファベットＡを持つデータシンボルｄ(ｎ)は、逆多重化されて、Ｎシンボルの二つのブロックストリームになる。動作３２において、ブロックストリームは、符号化されて、通信ブロックとなる。

動作３４において、通信ブロックは、圧縮されてベクトルになり、動作３６において、圧縮されたベクトルが二回繰り返されて、ベクトルブロックを形成する。ベクトルブロックを形成した時点で、位相変換行列を用いて、位相が変換される（動作３８）。この位相変換は、フーリエ変換において、一要素の先進シフトとなる。動作４０において、周期的接頭語（ＣＰ）が、位相変換したベクトルブロック各々に加えられる。ＣＰ接頭語が加えられた時点で、ブロックが、命令Ｌの周波数選択性フェージングするチャネルを介して通信される。通信したブロックを受信すると、ＣＰ接頭語が除去されて、４ＮポイントＤＦＴが決定される。

ここに記載した周波数選択性で高速フェージングチャネル上での典型的なシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）通信の方式は、特にチャネルが高速フェージングする応用例に対して、効率的で効果的な通信技術であることが示された。典型的な空間周波数シングルキャリアシステムのビットエラーレート（ＢＥＲ）の性能が、シミュレーション計算された。周波数選択性チャネルにおける、ブロックあたりＮ＝６４データシンボルのシングルキャリア通信を扱ったシミュレーションでは、ＣＯＳＴ２０７のシックスレイ（Ｌ＝６）の典型的なアーバンチャネルを仮定する。K.F.Lee及びD.B.williamsによって、２００３年３月に、IEEEセンサアレイ及びマルチチャネル信号処理のワークショップ、pp.149-152において記載された“周波数選択性フェージングに対する空間時間符号化伝送多様性技術”、及び、２０００年１１月に、IEEE GLOBECOM、pp.1473-1477において記載された“ＯＦＤＭシステムに対する空間周波数多様性技術”のＳＴ−ＯＦＤＭ（以下において“Lee及びWilliams”と呼ぶ）よりもＢＥＲの性能がよいことが、示されている。また、同じチャネルにおいて、従来のＯＦＤＭシステムより、性能が優れている。ここに記載されるＳＦ−ＳＣＦＤＥの性能は又、W.M.Younis、N.AL-Dhahir及びA.H.Sayedによって、２００２年５月に、IEEE INT.Conf.Accoust.speech、信号処理Ｖｏｌ．３（フロリダ州オーランド）に記載された“適応した周波数領域等化の空間時間ブロック符号化された通信”と、低速フェージングチャネル（規格化したドップラー周波数が０．００１の場合）及び高速フェージングチャネル（規格化したドップラー周波数が０．０５の場合）において、比較されている。シミュレーションでは、ここに記載されているＳＦ−ＳＣＦＤＥの方式は、一層優れたＢＥＲを示す結果となった。性能が勝る理由の一つは、周波数領域が広がって、さらに周波数領域が多様になることである。その上、典型的な実施形態における技術は、ＰＡＰＲ（ピーク対平均電力レシオ）問題による影響を受けない。

図３は、ここに記載された典型的なＳＦ−ＳＣＦＤＥとLee及びWilliamsのＳＴ−ＳＣＦＤＥ（左）、及び、ＳＦ−ＳＣＦＤＥとYounisのＳＦ−ＯＦＤＭ（右）の性能を、低速（fdTS=0.001）及び高速（fdTs=0.05）フェージングＣＯＳＴ２０７のシックスレイの典型的なアーバン（ＴＵ）チャネルにおいて、比較したグラフである。

典型的な実施形態に関する上述の記載は、説明及び記載の目的で示されている。網羅的な記載を意図しておらず、開示した正確な形態に本発明を制限する意図はない。上述の教示を参考にすることによって、修正及び変更を行うことは、可能であり、本発明を実行することによって、修正及び変更を行うことができる。実施形態が選択されて、記載されるのは、本発明の原理及び実践的な応用例を説明し、本技術分野における当業者が、本発明を様々な実施形態において、特定の意図した用途に適するように様々な修正行いながら実施できるようにするためである。

Claims (15)

1. 周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）通信を行う方法であって、
   通信ブロックストリームを受信することと、
   前記受信した通信ブロックストリームを符号化して通信ブロックを生成することと、
   前記通信ブロックを圧縮し、圧縮したベクトルを形成することと、
   前記圧縮したベクトルを繰り返してベクトルブロックを形成することと、
   位相変換行列を用いて、前記ベクトルブロックの位相を変換し、位相変換ベクトルブロックを形成することと、
   周期的接頭語をそれぞれの位相変換ベクトルブロックに加えて伝送ブロックを形成することと、
   周波数選択性フェージングするチャネルを介して、それぞれの伝送ブロックを通信することと、
   を含み、
   前記位相変換行列は、前記通信ブロックストリームのうち少なくとも１つにおける多数のシンボルに少なくとも部分的に基づく対角行列を含み、
   前記位相変換行列は、φ _４Ｎ であって、φ _４Ｎ ＝ｄｉａｇ（ｌ，ｅ ^{ｊ２π／４Ｎ} ，ｅ ^{ｊ２π２／４Ｎ} ，…,ｅ ^{ｊπ（４Ｎ−１）／４Ｎ} ）によって定義され、ここで、Ｎはシンボルの数であることを特徴とする方法。
2. 前記通信ブロックストリームを受信することは、データシンボルを複数の通信ブロックストリームに逆多重化することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記圧縮したベクトルは、２回繰り返されて前記ベクトルブロックを形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記周波数選択性フェージングするチャネルは、送信アンテナと受信アンテナとの間にあるチャネルインパルス応答が、ｈ_ｋ（１）が１番目の応答であるｈ_ｋ＝［ｈ_ｋ（０），ｈ_ｋ（１），…，ｈ_ｋ（Ｌ−１）］として表現される命令Ｌからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記周波数選択性フェージングするチャネルを介してそれぞれの伝送ブロックを通信することは、ｐ_ｅ＝［ｐ（０），０，…，ｐ（Ｎ−１），０］^Ｔである場合の、形状［ｐ_ｅ ^Ｔ，ｐ_ｅ ^Ｔ］^Ｔの４Ｎ要素ベクトルの４Ｎポイントの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が、Ｐ_ｅ＝［Ｐ（０），０，…，Ｐ（Ｎ−１），０］^Ｔである場合の［Ｐ_ｅ ^Ｔ，Ｐ_ｅ ^Ｔ］^Ｔであって、ベクトル［Ｐ（０），Ｐ（１），…，Ｐ（Ｎ−１）］^Ｔが、［ｐ（０），ｐ（１），…，ｐ（Ｎ−１）］^ＴのＮポイントＤＦＴであるＮポイントＤＦＴを用いて、ｋ番目の送信アンテナによって、前記伝送ブロックを通信することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 受信アンテナにおいて、周期的接頭語を除去し、４Ｎポイントの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を行うことをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）通信の装置であって、
   通信ブロックストリームを受信して符号化して通信ブロックを形成する空間周波数符号化器と、
   前記通信ブロックを圧縮して圧縮したベクトルを形成する圧縮器と、
   前記圧縮したベクトルを繰り返してベクトルブロックを形成する回路と、
   位相変換行列を用いて前記ベクトルブロックの位相を変換して位相変換ベクトルブロックを形成する位相変換器と、
   周期的接頭語をそれぞれの位相変換ベクトルブロックに加えて伝送ブロックを形成する周期的接頭語付加器と、
   それぞれの伝送ブロックを通信するアンテナと、
   を備え、
   前記位相変換行列は、前記通信ブロックストリームのうち少なくとも１つにおける多数のシンボルに少なくとも部分的に基づく対角行列を含み、
   前記位相変換行列は、φ _４Ｎ であって、φ _４Ｎ ＝ｄｉａｇ（ｌ，ｅ ^{ｊ２π／４Ｎ} ，ｅ ^{ｊ２π２／４Ｎ} ，…,ｅ ^{ｊ２π（４Ｎ−１）／４Ｎ} ）によって定義され、ここで、Ｎはシンボルの数である、装置。
8. データシンボルを前記通信ブロックストリームに逆多重化する逆多重化器をさらに備える、請求項７に記載の装置。
9. 前記アンテナは、高速フェージングチャネルを用いて、それぞれの伝送ブロックを通信する、請求項７に記載の装置。
10. 周波数選択性で高速フェージングチャネル上でシングルキャリア空間周波数（ＳＦ−ＳＣＦＤＥ）通信のシステムであって、
    通信ブロックストリームを受信して符号化し、通信ブロックを形成する空間周波数符号化器と、
    前記通信ブロックを圧縮し、圧縮したベクトルを形成する圧縮器と、
    前記圧縮したベクトルを繰り返してベクトルブロックを形成する電気回路と、
    位相変換行列を用いて、前記ベクトルブロックの位相変換を実行し、位相変換ベクトルブロックを形成する位相変換器と、
    周期的接頭語をそれぞれの位相変換ベクトルブロックに付加し、伝送ブロックを形成する周期的接頭語付加器と、
    それぞれの伝送ブロックを通信するアンテナとを備える送信機であって、
    前記位相変換行列は、前記通信ブロックストリームのうち少なくとも１つにおける多数のシンボルに少なくとも部分的に基づく対角行列を含み、前記位相変換行列は、φ _４Ｎ であって、φ _４Ｎ ＝ｄｉａｇ（ｌ，ｅ ^{ｊ２π／４Ｎ} ，ｅ ^{ｊ２π２／４Ｎ} ，…,ｅ ^{ｊ２π（４Ｎ−１）４Ｎ} ）によって定義され、ここで、Ｎはシンボルの数である、送信機、および、
    前記送信機からの前記伝送ブロックを受信するアンテナと、周期的接頭語を除去する構造と、復号器とを持つ受信機、
    を含むことを特徴とするシステム。
11. 前記送信機は、データシンボルを前記通信ブロックストリームに逆多重化する逆多重化器をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記受信機は、前記周期的接頭語を除去した後に、前記通信ブロックの４Ｎポイントの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を行うことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記送信アンテナは、周波数選択性フェージングチャネルを介して前記伝送ブロックを通信することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
14. 前記周波数選択性フェージングするチャネルは、前記送信アンテナの前記送信機と前記受信機との間にあるチャネルインパルス応答が、ｈ_ｋ（１）が１番目の応答であるｈ_ｋ＝［ｈ_ｋ（０），ｈ_ｋ（１），…，ｈ_ｋ（Ｌ−１）］として表現される命令Ｌからなることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 周波数選択性フェージングするチャネルを介する通信は、ｐ_ｅ＝［ｐ（０），０，…，ｐ（Ｎ−１），０］^Ｔである場合の、形状［ｐ_ｅ ^Ｔ，ｐ_ｅ ^Ｔ］^Ｔの４Ｎ要素ベクトルの４Ｎポイントの離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が、Ｐ_ｅ＝［Ｐ（０），０，…，Ｐ（Ｎ−１），０］^Ｔである場合の［Ｐ_ｅ ^Ｔ，Ｐ_ｅ ^Ｔ］^Ｔであって、ベクトル［Ｐ（０），Ｐ（１），…，Ｐ（Ｎ−１）］^Ｔが、［ｐ（０），ｐ（１），…，ｐ（Ｎ−１）］^ＴのＮポイントＤＦＴであるＮポイントＤＦＴを用いて、ｋ番目の送信アンテナを利用することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。

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